2007年11月24日至27日在阿拉伯联合酋长国迪拜举行的2007年IEEE信号处理和通信国际会议

具有金属类型识别能力的低成本甚低频金属探测器的设计与实现

穆罕默德·沙拉维，约旦安曼费城大学计算机工程系19392，m.sharawi(amp;ieee.or和

穆罕默德·沙拉维，约旦安曼11180苏玛亚公主大学电子工程系mohammad.sharawigmail

摘要

地雷探测器、我们在建筑物和机场都要经过的安全金属门以及金属采矿探测器只是我们日常生活中使用的金属探测器的例子。在本文中，我们提出了一种低成本、低复杂度的甚低频手持可重构金属探测器的设计和实现，该探测器具有区分不同金属类型的能力。由外部发射器线圈、内部接收器线圈和反馈线圈组成的同心线圈。线圈工作在5.5千赫的频率范围内。幅度和相位检测电路用于检测和区分金属类型。检测算法是使用PIC微控制器实现的。实际实现的金属检测器的结果显示并讨论了三种不同距离的金属:铁、铜和铝。MD能探测到线圈下约16厘米处的金属。

索引术语-金属探测器，甚低频，微控制器，线圈，模拟电路。

1. 介绍

通过导体的时变电流在导体周围产生电磁场；这就是安培定律所说的。这种现象在我们的日常生活中有各种重要的应用。如果感应电压受到时变磁通量[1]的影响，则在闭合电路中获得感应电压。结合这两种重要现象，我们可以发送和接收电磁波。这是现代无线通信背后的基本原则。这种现象的另一个重要应用是已经存在了一段时间的金属探测器。 金属探测器在我们的日常生活中有着广泛的应用。它们用于安全、军事和民用领域。它们的运行依赖于简单的原理，这些原理依赖于安培和法拉第定律。发射器线圈产生的磁场在下面的金属中感应出涡流，从而产生磁场

从金属，并添加到原来的领域。因此，金属物体的存在被检测为接收回路中感应电压的变化。金属的存在也会影响捕获信号相对于参考信号的相位。

对于这种设备的设计和实现，已经提出了几种类型和方法，其中大多数都是制造它们的公司的专利。所有类型都利用一个发射天线和一个接收天线来发送和捕获电磁波。医学设计有三种广泛使用的技术:

拍频振荡器(BFO)。

脉冲感应。

甚低频。

甚低频工作在3-30千赫的范围内，而BFO工作在100千赫的范围内，PI工作在100千赫的范围内。在这项工作中，设计和实现了一个甚低频类型的多维，因为它没有遭受到其他两种方法所遭受的双频操作和同步问题，从而简化了设计过程。

我们现在看到的大多数多维数据集只表明金属物体的存在，不管它是什么类型。用于建筑物门和保安人员的安全应用的MD仅在发现金属物体时发出蜂鸣声。地雷和手持金属探测设备也不能区分不同的金属类型[2]。在[3]提出了一种双接收器中频(MF) MD，用于在800千赫下工作的食品加工应用，它仅报告在传送带两侧的中心发射器线圈和两个接收器线圈之间通过的食品中存在金属物体。

在这项工作中，设计并实现了一个低成本、低复杂度的多维数据集，并研究了其区分不同类型金属物体的能力。这是基于不同金属物体在不同距离上的振幅和相位值之间的实验识别。已经表明，这些关系是在[实验中归纳出来的3]，并且没有具体的方法来推导它们，因为它们是金属类型、形状和尺寸的函数。

论文组织如下:第2节描述了设计操作和组成部分。第3节讨论所有部分的电路设计

以及线圈的设计和实现。第4节显示结果，第5节总结论文。

2.设计和规格

图1显示了设计的MD的主要框图。该设计遵循了[4]的线圈构造方法(尽管我们有不同数量的线圈和AWG线，但线圈是在实验室中手动缠绕的)，但随后的电路和功能不同。发射器部分由振荡器和发射器线圈组成。接收器部分由接收器线圈、振幅和相位检测电路以及带有液晶显示器的PIC微控制器组成。

使用的发射机频率为5.5千赫。发射器和接收器线圈以同心方式缠绕，其中发射器线圈位于外半径处。接收器幅度和相位检测电路是使用一系列简单的无源滤波器、放大器和逻辑门设计和构建的。两个电路的输出被馈送到PIC 16F877A微控制器进行处理。石化公司拥有一个程序，该程序根据在不同土壤距离记录的相位和振幅测量值来区分不同的金属。虽然土壤确实对来自[5]号的磁场响应有影响，但这种设计可以探测到埋藏在浅距离(16厘米)的金属物体，我们可以忽略这种依赖性。杀伤人员地雷埋在很浅的距离，我们的纵向设计可以用于这种金属探测应用。在将结果与存储在微控制器程序中的结果相关联后，连接到PIC微控制器的液晶显示器将显示金属的存在及其类型。振幅和相位之间的关系作为它们与线圈的距离的函数被测量和记录，并且在第4节中讨论了实现的多维的结果。

图1 多维主框图

3.电路设计

3.1 .线圈设计

甚低频微波有三个线圈；发射器线圈、接收器线圈和反馈线圈。这些线圈以同心方式缠绕，发射器线圈在最外面，接收器线圈在最里面，反馈线圈在接收线圈上。线圈尺寸和匝数的详细信息如表1所示。发射线圈使用AWG 28线，接收线圈和反馈线圈使用AWG 30线。三个线圈都是在实验室手工缠绕的。需要反馈线圈来降低发射信号对接收器线圈的影响。它被设计成允许检测接收信号的变化，而来自发射器线圈的干扰最小。它以与发射器线圈相反的方向缠绕在接收器线圈上。两个线圈都缠绕在一个塑料空心圆柱体上。

表一 所用每个线圈的尺寸和匝数

变送器线圈的电感测量为2.487 mn1，也包含反馈线圈电感。一个0.33射频电容被用来在5.55千赫谐振线圈。测量的接收器线圈为9.4毫赫，使用100毫法的电容值使其在5.2千赫左右谐振。发射机和接收机之间的频率差被用作正常工作模式下的某种参考。

3.2 .振荡器电路设计

这些电路设计为在5.5千赫范围内工作。设计了一种简单的低成本韦恩桥振荡器。振荡器电路如图2所示。电阻和电容值R和C被设计为在5.5千赫时具有谐振，根据1/RC，而国际扶轮和R2被设计有两个增益。所有电路使用的电源为9V。对于那些需要导数的电路，使用了LM7805电压调节器电路。

3.3 .振幅检测电路

幅度检测电路由缓冲器组成，其后是半波整流器，以消除接收信号的负部分。同相放大器用于放大信号电平，之后是用于DC信号转换的两级积分器(总频率为51Hz)。

DC输出然后被馈送到PIC模拟端口事先知情同意程序内的处理。图3示出了幅度检测器电路的示意图。

图2 振荡电路

图3 .振幅检测电路

图4 .相位检测电路

3.4 .相位检测电路

该电路用于检测本地振荡器信号(发射相位)和接收信号之间的相位差。图4示出了该电路的各个阶段。第一级在整流二极管的输出端使用比较器电路将输入和本地产生的正弦信号转换成数字方波信号。一阶相位检测器异或门用于寻找相位差。随后的两级一阶低通有源滤波器用于将相位差脉冲转换成DC电压电平(积分过程)。两级滤波器的截止频率约为10 Hz。该输出然后被传递到第二个PIC模拟输入。实现内部映射函数以将测量的DC电平表示成其相应的相移。这与一阶相位检测器(异或门)产生的脉冲下的面积成正比。

3.5.事先知情同意程序

本设计使用的是PIC 16F877A。它是用C语言编写的。该器件接受来自幅度和相位检测电路的DC电平，使用内部实现的模数转换器(模数转换器)将其转换为相应的数字表示，并根据存储的程序执行分析。这种实现方式的主要优点是通过PIC重编程实现了可重配置的功能。任何依赖于幅度和相位测量的附加信号处理特性都可以在不改变任何硬件的情况下添加。图5中示出了示出PIC的程序流程的流程图。如果检测到振幅或相位的变化(取决于哪一个先发生)，该程序将检测金属的存在。然后，根据振幅变化识别金属的类型，如含铁材料(铁)或不含铁材料(铜、铝)，然后显示在液晶显示器上。

图5 PIC流程图

4.结果

线圈及其相应电路的建造和构造如第三节所示。图6a和6b显示了电路和线圈的结构。三种金属类型使用我们实验室构建的多维数据集对各种形状进行了调查和测试；铁、铜、铝加热水槽和铝盘。它们的形状不同，而它们的尺寸为(10.25times;7.25times;0.7)cm3，(10x6.7x1) cm3、(8.3x6.8x3.1) cm3和((62n)x3.9) cm3，分别是。图7示出了每种金属的输入信号幅度作为与纵向距离的函数的变化含铁材料，接收信号低于参考(在我们的案例中为630mVpp)，而有色金属像铜和铝这样的材料，振幅增加超过参考值。这是因为铁块中产生的涡流将消耗大部分功率(与gt成比例)，因此反射信号将低于参考信号。

图8示出了作为距离函数的相位差。对于所有金属类型，相位差与距离成反比。应该注意的是，超过约10厘米时，所设计的MD不能区分含铁和非含铁材料，但仍能指示金属存在于16厘米以下。这个数字还取决于物体的大小，观察到较大的物体可以在更远的距离被探测到。发现检测范围内各种金属之间的区分高度依赖于它们的尺寸和形状，因此振幅曲线将不能区分金属类型，除了它们是铁还是非铁材料。

图6.a .实现的多维判别电路。

图6.b .实施的发送、接收和反馈线圈。

1. 结论

设计并实现了一种低成本、低复杂度的手持可重构甚低频多维阵列。MD能够区分各种金属类型，无论是黑色金属还是有色金属。接收信号的幅度和相位关系金属类型被记录为距离的函数。一个PIC微控制器用于分析幅度和相位检测电路的测量结果，并将其显示在两行液晶显示屏上。对于特定的金属尺寸和形状，如果在事先知情同意程序中添加了一些额外的表格，则可以使用多维数据集来区分特定的金属类型。

6.参考文献

[1]马修·萨迪克，《工程元素》《电磁学》，牛津大学出版社，第三版，2001年

[2]罗伯·西格尔，“地雷探测”，电气和电子工程师学会《仪器和测量杂志》，第22-28页，2002年12月

[3]山崎真道、中仓博史和田中明夫。“金属检测机的基本分析”，美国电气和电子工程师学会译,《仪器与测量》，第51卷，第4期，第810-814页，2002年8月

[4]道格拉斯·约翰逊，《金属探测器的平衡搜索回路》，美国专利号4，293，816，1981

[5]瑜伽士达斯，“土壤电磁特性对金属探测器的影响”，美国电气与电子工程师学会地球科学与遥感学报，第44卷，第6期，第1444-1453页，2006年6月

[6]米洛克帮助手册，2005

[7]阿德尔·塞德拉和肯尼斯·史密斯，《微电子电路》，牛津大学出版社，第五版，2004年

基于新型混合化学传感器的重金属监测无线传感器节点设计

浙江大学生物医学工程系，浙江杭州，中国生物传感器国家重点实验室，教育部生物医学工程重点实验室

摘要

针对重金属监测，设计了一种基于新型混合化学传感器的无线传感器节点。该节点由四个单元组成，即换能器单元、处理器单元、通信单元和电源单元。将微电极阵列(MEA)和光寻址电位传感器(LAPS)结合在同一硅片上的混合化学传感器用于获取水环境中重金属和氢离子浓度的冗余数据。为提高抗干扰能力，采用多元线性回归模型，以MEA中Zn2 、Pb2 和Cu2 的峰值电流和LAPS中Zn2 、Pb2 、Cu2 和H 的平衡电位为解释变量，以Zn2 、Pb2 和Cu2 的浓度为响应变量。

关键词：无线传感器节点，混合化学传感器，膜电极组件，LAPS，重金属

1. 介绍

随着世界人口激增，沿海生态系统日益受到人类活动的威胁。大量的污染物被排入海洋和湖泊。重金属由于其毒性和累积行为而受到相当多的环境关注[1]。传统上，水样被收集并运送到实验室进行分析，这导致了高成本和低效率。在储存和传输阶段的样品污染以及与这些程序相关的长时间延迟可能导致不可接受的数据。因此，在线监测是非常需要的[2]。阿赫特博格和他的团队发明了一种用于痕量重金属的近实时分析的自动伏安系统[3]。然而，这个系统是固定在船上的，需要在船上取样。 21世纪，无线传感器网络(WSN)发展迅速。WSN由空间分布的自主传感器组成，用于监测物理或环境条件，如温度、声音、振动、压力、运动或污染物[4]。该技术非常适用于重金属污染的监测和预测。WSN面临的挑战是，传感器节点往往必须在自然和功能的因素下长时间存活下来([5)。所以无线传感器节点的功耗应该非常低。目前，WSN演示项目中使用的传感器几乎全是物理传感器[6]。尽管无线化学传感器网络有着令人兴奋的前景，但在实际应用之前还有许多问题需要解决。重金属监测中化学传感器的抗干扰能力和重复性非常重要。

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[240502]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word