地下金属管线探测仪原理

一、原理

    地下金属管线探测一般采用两种方式：永磁铁检测磁场变化，平衡线圈检测电磁场变化。永磁铁方式只能检测导磁性金属：铁和不锈钢304金属，但在食品厂普遍采用不锈钢和铜铝等非金属；因此，普遍采用平衡线圈原理来检测所有类型的金属。平衡线圈检测电磁场变化的检测头内部都是由三组线圈组成，包含中间的发射线圈及两侧等距离的接收线圈。其工作原理是：通过中间的发射线圈由电磁波发生器产生高频电磁场，两侧的接收线圈把感应到的电磁场变化转换为电压变化。当导磁性金属靠近接收线圈时电磁场增强，导磁性金属穿过二个接收线圈时电压由高到低变化；当非磁性金属靠近接收线圈时电磁场减弱，非磁性金属穿过二个接收线圈时电压由低到高变化，根据电压变化和探测算法来判断是否含有金属异物。  

    由于采用高频交变磁场容易受到如变频器等其他设备和振动引起的电磁干扰，有些“潮湿”产品或本身具有导电性（即产品效应）的产品干扰小金属检测，要快速准确探测到小金属必须采用特殊滤波方法。

     经过DSP技术处理的信号还需采用某种算法来判断产品中是否含有金属异物。通常用二种算法：振幅检测和窄区检测(零点交叉）来判断。振幅检测是当接收信号超越正负门限时认为有金属异物，其缺点在于只能检测到较大的金属粒，并且无法准确判断金属异物位置；窄区检测或称为零点交叉是当异物跨过零轴窄区域(发送线圈)，接收电压信号发生正负交叉二个电压时认为有金属异物，优点是能发现小金属并能准确判断金属异物位置，缺点是当小金属紧随大金属时不会发生正负交叉二个电压而被忽略，美国Bounty Hunter 赏金猎人公司的DSP技术能够自动切换这二种检测算法从而发现相应的小金属。

二、分类

1 .一类是利用电磁感应原理探测金属管线、电/光缆，以及一些带有金属标志线的非金属管线，这类简称管线探测仪。优点：探测速度快、简单直观、操作方便、精确度高。缺点：探测非金属管线时，必须借助非金属探头，这种方法使用起来比较费力，需要侵入管线内部。2.另一类是利用电磁波探测所有材质的地下管线，也可用于地下掩埋物体的查找，俗称雷达，也被称为管线雷达。优点：能探测所有材质的管线缺点：对环境要求较高，测深能力较差（难查埋深较深的管线），对操作者素质和经验要求高。任何仪器都不是完美的，需要配合使用才能发挥它们的极致传统上，管线探测仪仅指利用电磁感应原理的管线探测仪，也是使用最多的仪器，目前国内和国际上有很多类似产品。国内的价格相对来说比较便宜，质量一般，高精度探测是达不到的，但是在要求很低的场合试一试也未尝不可，只有比较了才有优劣之分，才能看出哪个是最好的，哪个是最适合自己的；国外的产品相对来说，价格要高一些，但质量是没的说，功能更强大，测试精度更高。

三．总体设计

     总体设计将影响整个项目的实现，对整个项目的开发起着指导性的作用，因此总体设计的好坏影响深远，这里的软硬件方案都是经过再三的比较与分析才确定的，硬件和软件两个互相影响，协同工作实现系统的基本功能。由于硬件系统是基础，是软件系统得以运行的平台，因此将它放在前面，先依据硬件的总体设计方案，完成各个单元电路的设计与实现，接下来再根据软件模块的总体方案设计程序流程，在硬件电路的基础之上进行调试。但在设计之初两个部分都需经过认真的分析，确定总体方案后再分阶段进行实现。

    硬件电路设计是进行软件设计的基础，是整个地下金属管线探测仪中最位重要的部分。它设计的好坏决定着系统的稳定性和可扩展性。本次设计的地下金属管线探测仪的框图如图4-1所示，包括五大部分：线圈振荡、信号放大、脉冲产生、中央处理和外围设置显示模块。 

图4-1 手持数字地下金属管线探测仪硬件设计框图

    这四部分组合起来构成了一个基于单片机的开环金属探测模型。线圈振荡电路是基础，依靠它来进行金属探测，这一部分可以产生稳定的正弦波，但在遇到金属物体时正弦波的频率和幅度会发生变化。振荡部分产生的正弦波经放大后送入脉冲变换电路产生一定频率的脉冲，然后将其送如单片机。因此在前端振荡电路频率变化时这种变化同时将送入单片机，单片机进行分析判断后进行报警。外围控制模块的作用是，与前端单片机进行通讯，将获得的信息进行分析运算再进行显示并且通过键盘对前端金属探测的精度进行设置。

四、国际现状分析

    金属探测应用最广的领域是探测埋在地下的有价值金属物体，金属探测使用环境是在野外地表，通过移动地下金属管线探测仪的传感器(即探头)来发现有价值的金属目标。地下金属管线探测仪及探矿设备用于探测和识别深埋地下金属物品、金属矿产，广泛应用于检查地下的金属管道、电线，帮助发现隐埋的金属文物和金银宝物，还可以排雷、探矿、考古、废旧金属回收等。

    手持式地下金属管线探测仪适用于机场、港口以及重要出入口的安全检查，用于检查人身携带或小件行李中非法隐藏的金属武器或违禁金属物品，是安全检查的必备设备。此外，在造币厂、贵重金属加工车间、贵重元器件生产厂、光盘生产厂等防止丢失部门，可用于防止物品被盗，是一种防盗的有效设备；在食品行业、玩具生产等领域，用于检查混入产品中的危害人身安全的金属碎屑，是质检环节的一种有力工具；在木材加工行业等领域用于检查混入的危害加工机械的金属物品；还可以用来探测隐蔽在砖石墙壁内的电线、水管，以免造成施工危险和安全隐患等。手持式地下金属管线探测仪正在逐渐被人们所认识，并越来越多的应用在社会生活的各个领域。

    目前国外手持地下金属管线探测仪生产厂家主要有美国的BOUNTY HUNTER赏金猎人、GARETT、RANGER，芬兰的RAPISCAN，意大利的CEIA等，他们的高端产品性能稳定，外形美观，可靠性高，部分产品还可以改变灵敏度，但是价格非常昂贵。而中国能够规范化批量生产的厂家很少，产品缺乏市场竞争力。

五、本产品主要国家和地区概况

地下金属管线探测仪在国际市场中应用很广，中国、美国、德国、澳大利亚和日本为主要生产国。

1、美国Bounty Hunter 赏金猎人

    Bounty Hunter 赏金猎人成立于1975年，Bounty Hunter目前是全世界最大的手持地下金属管线探测仪制造商，世界最先进的地面探测产品，汇集了Bounty Hunter公司35年的技术经验，拥有多项的专利技术，尤其适合有特殊需要的专业人士使用。Bounty Hunter公司的产品均采用国际上先进技术设计，且采用世界上优质的元器件制成，在业界赢得了良好声誉。

    Bounty Hunter 赏金猎人是全球第一大金属探测仪品牌，根据美国2014年2月发布的贸易白皮书，Bounty Hunter 赏金猎人2013年全球销量达到3000万台以上，占据了全球近70%以上的金属探测仪市场份额。这是Bounty Hunter 赏金猎人连续10年蝉联全球手持金属探测仪销量冠军。  

    Bounty Hunter 赏金猎人公司座落于美国德克萨斯州、厄尔巴索、美国规模最大，最有活力的工业基地之一。赏金猎人是先进技术制作的探测器，具有探测度广、定位准确、分辨力强、操作简易等特点。Bounty Hunter 赏金猎人品牌也逐渐被全球市场认知，通过全球超过600家经销商在30多个国家销售Bounty Hunter 赏金猎人，Bounty Hunter 赏金猎人之所以能够长期占据全球市场份额第一，Bounty Hunter 赏金猎人是全球金属探测仪技术派品牌的领军人物，公司每年投入大量的人力物力进行手持金属探测仪技术的研发。

    美国Bounty Hunter 赏金猎人最为知名的金属探测仪Land Ranger Pro，原产于美国，使用导电性弧形显示屏、以硬币大小为例探测深度在10英寸左右，目标越大可探测的深度越深，具有搜索模式及准确定位模式、对探测目标的识别模式，超强深度探测模式、超载警报系统。它不但灵敏度高，而且能够指示金属材质，其最大的优越性是可以排除矿化反应，并可除排干扰，名列全球十大地下探测器之列，在全球累计销量超过3000万台，Bounty Hunter 赏金猎人在全球、北约军队探宝爱好者专用探宝的装备，被探宝者们强烈推荐。    美国Bounty Hunter最为知名的一款Quick Draw Pro，北约军事80%都配备的是这款探测器，视觉状态指示器、美观的界面设计。Quick Draw Pro无论在定位准确上、探测深度广、及辨别目标强、最佳的灵敏度、抗干扰能力和穿透力。做工都是上乘之作，使用导电性弧形显示屏，让你探测在屏幕上一目了然，近几年，北约军队采用采购这款，总数达到100万以上，在很多专业探宝者们那，都能见到他们的影子。

2、澳大利亚

    澳大利亚觅宝(Minelab)电子有限公司是一家总部设在南澳大利亚阿德雷德的充满活力和创新精神的电子公司，特别擅长设计和开发金属检测技术。

   觅宝（Minelab）高灵敏地下金属管线探测仪广泛应用于安全检查与海关检查、公安侦破；检查原料中的金属异物，检查地下的管道、线路；淘金、探宝；帮助人们发现埋藏地下的金属文物和金银宝物，它也是建筑、自来水装修、供变电等作业必不可少的工具。它是世界上最先进的地下金属管线探测仪。目前世界上生产的地下金属管线探测仪都采用的是单频率或双频率的技术来实施探测，在探测时受到地层结构的影响很大，容易出现假信号，而觅宝（Minelab）高灵敏地下金属管线探测仪是采用先进的多而且宽频率的专利技术，抗干扰性能好，适用于各种地质情况，探测深度大、分辨率高、定位准确；且装有该专利技术的地平衡系统可有效地排除地面信号的干扰，探测器只采集选定金属目标的信号，准确无误地搜寻地下的金属物品。

香港

    香港恒高电子集团——希玛仪表是一家拥有大批高技术人才及有深厚测量仪器开发功底的高科技企业，专业制造及销售SMART SENSOR（希玛）品牌的红外测温仪、声级计、风速计、温湿度计、照度计、测距仪、地下金属管线探测仪、交流电探测器、可燃气体探测器、地下金属管线探测仪、5-25KG手持式电子称等共10多个类别30多个品种，并保持每年至少出4大新系列、10大新机型的发展速度。

六、地下金属管线探测仪市场发展中存在的问题

    从现场具体应用的要求来看，传统的地下金属管线探测仪存在的主要问题是：

1、提高检测精度的要求，不同环境的金属常常形状大小各异，而且在探测环境较厚时可能被埋在较深的位置，因此地下金属管线探测仪需要有较高的检测精度。为了提高检测精度，对于利用频率变化原理进行检测的差拍式地下金属管线探测仪，需要提高电压、电流频率，但频率增加会使探测器受到线圈分布电容及工作环境的影响，另一种提高检测精度的方法是利用两个或多个探测线圈(分为发射线圈和接收线圈)，以平衡方式进行探测，如一些国外的地下金属管线探测仪，由于元器件参数的分散性、环境因素(如温度)的变化及现场条件的恶劣性，探测器的安装、调试的可操作性不好，而且仪器成本较高；

2、克服物料磁性影响的要求，由于金属探测利用了电磁感应原理，因此，如探测环境本身具有一定的导磁性将影响探测结果，例如引起探测器误动作等，虽然一些探测器对磁性物料的影响作了一些修正，但手工调整不方便、不准确；

3、具有抗现场电磁干扰的要求，利用电磁感应原理进行探测的地下金属管线探测仪，当在探测器附近进行电焊操作时，探测器很容易产生频繁的误动作，目前常见的利用电磁感应原理检测金属的探测器都未采取较好的措施。

七、本产品国际发展趋势分析

    全球第一台地下金属管线探测仪诞生于1960年，步入工业时代最初的地下金属管线探测仪也主要用于工矿业，是检查矿产纯度、提高效益的得力帮手。40多年过去了，地下金属管线探测仪经历了几代探测技术的变革，从最初的信号模拟技术到连续波技术，直到今天所使用的数字脉冲技术，地下金属管线探测仪简单的磁场切割原理被引入多种科学技术成果。无论是灵敏度、分辨率、探测精度还是工作性能上都有了质的飞跃。应用领域也随着产品质量的提高延伸到了多个行业。

    国际市场中地下金属管线探测仪竞争激烈，特别是在欧美地下金属管线探测仪市场已经达到饱和的情况下，各个地下金属管线探测仪生产大国纷纷把目光投到国际市场，尤其是快速发展的亚洲市场。从而使国际地下金属管线探测仪市场也是硝烟弥漫，各大生产厂商压低产品价格，以抢占国际市场份额。