金屬探測儀原理.doc

金屬探測儀原理 本金屬探測器有較高的靈敏度，用它探測大塊金屬時(shí)，探測碟距金屬物體 20cm揚(yáng)聲器就會(huì)發(fā)出聲音，小到曲別針，甚至一枚大頭針都能檢測到，只是探測碟線圈必須緊靠細(xì)小金屬物體。由于金屬探測器利用振蕩線圈的電磁感應(yīng)來探測金屬物體，可以透過非金屬物體，比如紙張、木材、塑料、磚石、土壤、甚至水層，探測到被遮蓋的的金屬物體，因此具有實(shí)用性，比如在裝修房屋時(shí)，用它探測到墻內(nèi)的電線或鋼筋，以免造成施工危險(xiǎn)和安全隱患；又如安檢用的金屬探測器就是根據(jù)這個(gè)原理制成的。金屬探測器是一種專門用來探測金屬的儀器，除了用于探測有金屬外殼或金屬部件的地雷之外，還可以用來探測隱蔽在墻壁內(nèi)的電線、埋在地下的水管和電纜，甚至能夠地下探寶，發(fā)現(xiàn)埋藏在地下的金屬物體。金屬探測器還可以作為開展青少年國防教育和科普活動(dòng)的用具，當(dāng)然也不失為是一種有趣的娛樂玩具。 工作原理 由金屬探測器的電路框圖可以看出，本金屬探測器由高頻振蕩器、振蕩檢測器、音頻振蕩器和功率放大器等組成。高頻振蕩器 由三極管VT1和高頻變壓器T1等組成，是一種變壓器反饋型LC振蕩器。T1的初級(jí)線圈L1和電容器C1組成LC并聯(lián)振蕩回路，其振蕩頻率約200kHz，由L1的電感量和C1的電容量決定。T1的次級(jí)線圈L2作為振蕩器的反饋線圈，其“C”端接振蕩管VT1的基極，“D”端接VD2。由于VD2處于正向?qū)顟B(tài)，對(duì)高頻信號(hào)來說，“D”端可視為接地。在高頻變壓器T1中，如果“A” 和“D”端分別為初、次級(jí)線圈繞線方向的首端，則從“C”端輸入到振蕩管VT1基極的反饋信號(hào)，能夠使電路形成正反饋而產(chǎn)生自激高頻振蕩。振蕩器反饋電壓的大小與線圈L1、L2的匝數(shù)比有關(guān)，匝數(shù)比過小，由于反饋太弱，不容易起振，過大引起振蕩波形失真，還會(huì)使金屬探測器靈敏度大為降低。振蕩管VT1的偏置電路由R2和二極管VD2組成，R2為VD2的限流電阻。由于二極管正向閾值電壓恒定（約0.7V），通過次級(jí)線圈L2加到VT1的基極，以得到穩(wěn)定的偏置電壓。顯然，這種穩(wěn)壓式的偏置電路能夠大大增強(qiáng)VT1高頻振蕩器的穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步提高金屬探測器的可靠性和靈敏度，高頻振蕩器通過穩(wěn)壓電路供電，其電路由穩(wěn)壓二極管VD1、限流電阻器R6和去耦電容器C5組成。振蕩管VT1發(fā)射極與地之間接有兩個(gè)串聯(lián)的電位器，具有發(fā)射極電流負(fù)反饋?zhàn)饔?，其電阻值越大，?fù)反饋?zhàn)饔迷綇?qiáng)，VT1的放大能力也就越低，甚至于使電路停振。RP1為振蕩器增益的粗調(diào)電位器，RP2為細(xì)調(diào)電位器。振蕩檢測器 振蕩檢測器由三極管開關(guān)電路和濾波電路組成。開關(guān)電路由三極管VT2、二極管 VD2等組成，濾波電路由濾波電阻器R3，濾波電容器C2、C3和C4組成。在開關(guān)電路中，VT2的基極與次級(jí)線圈L2的“C”端相連，當(dāng)高頻振蕩器工作時(shí)，經(jīng)高頻變壓器T1耦合過來的振蕩信號(hào)，正半周使VT2導(dǎo)通，VT2集電極輸出負(fù)脈沖信號(hào)，經(jīng)過型RC濾波器，在負(fù)載電阻器R4上輸出低電平信號(hào)。當(dāng)高頻振蕩器停振蕩時(shí)，“C”端無振蕩信號(hào)，又由于二極管VD2接在VT2發(fā)射極與地之間，VT2基極被反向偏置，VT2處于可靠的截止?fàn)顟B(tài)，VT2集電極為高電平，經(jīng)過濾波器，在R4上得到高電平信號(hào)。由此可見，當(dāng)高頻振蕩器正常工作時(shí)，在R4上得到低電平信號(hào)，停振時(shí)，為高電平，由此完成了對(duì)振蕩器工作狀態(tài)的檢測。音頻振蕩器 音頻振蕩器采用互補(bǔ)型多諧振蕩器，由三極管VT3、VT4，電阻器R5、R7、 R8和電容器C6組成?；パa(bǔ)型多諧振蕩器采用兩只不同類型的三極管，其中VT3為NPN型三極管，VT4為PNP型三極管，連接成互補(bǔ)的、能夠強(qiáng)化正反饋的電路。在電路工作時(shí)，它們能夠交替地進(jìn)入導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，產(chǎn)生音頻振蕩。R7既是VT3負(fù)載電阻器，又是VT3導(dǎo)通時(shí)VT4基極限流電阻器。R8是 VT4集電極負(fù)載電阻器，振蕩脈沖信號(hào)由VT4集電極輸出。R5和C6等是反饋電阻器和電容器，其數(shù)值大小影響振蕩頻率的高低。功率放大器 功率放大器由三極管VT5、揚(yáng)聲器BL等組成。從多諧振蕩器輸出的正脈沖音頻信號(hào)經(jīng)限流電阻器R9輸入到VT5的基極，使其導(dǎo)通，在BL產(chǎn)生瞬時(shí)較強(qiáng)的電流，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。由于VT5處于開關(guān)工作狀態(tài)，而導(dǎo)通時(shí)間又非常短，因此功率放大器非常省電，可以利用9V積層電池供電。高頻振蕩器探測金屬的原理 調(diào)節(jié)高頻振蕩器的增益電位器，恰好使振蕩器處于臨界振蕩狀態(tài)，也就是說剛好使振蕩器起振。當(dāng)探測線圈L1靠近金屬物體時(shí)，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，會(huì)在金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生渦電流，使振蕩回路中的能量損耗增大，正反饋減弱，處于臨界態(tài)的振蕩器振蕩減弱，甚至無法維持振蕩所需的最低能量而停振。如果能檢測出這種變化，并轉(zhuǎn)換成聲音信號(hào)，根據(jù)聲音有無，就可以判定探測線圈下面是否有金屬物體了?；パa(bǔ)型多諧振蕩器的工作原理 接通電源時(shí)，由于VT3基極接有偏置電阻器R1、R3而被正向偏置，假設(shè)VT3集電極電流處于上升階段，VT4基極電流隨之上升，導(dǎo)致VT4集電極電流劇增，VT4集電極電位隨之迅速升高，由VT4輸出的電流通過與之相連的R5向C6 充電，流經(jīng)VT3的基極入地，又導(dǎo)致VT3基極電流進(jìn)一步升高。如此反復(fù)循環(huán)，強(qiáng)烈的正反饋使得VT3、VT4迅速進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，VT4集電極處于高電平，使多諧振蕩器進(jìn)入第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)過程。隨著電源通過飽和導(dǎo)通的VT4經(jīng)R5向C6充電，當(dāng)VT3基極電流下降到一定程度時(shí)，VT3退出飽和導(dǎo)通狀態(tài)，集電極電流開始減小，導(dǎo)致VT4集電極電流減小，VT4集電極電位下降，這一過程又進(jìn)一步加劇了向C6充電電流迅速減小，VT3基極電位急劇降低而使 VT3截止，VT4集電極迅速跌至低電平，多諧振蕩器翻轉(zhuǎn)到第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。多諧振蕩器剛進(jìn)入第二暫穩(wěn)態(tài)時(shí)，先前向C6充電的結(jié)果，其電容器右端為正，左端為負(fù)，現(xiàn)在C6右端對(duì)地為低電平，由于電容器C6兩端電壓不能躍變，故VT3基極被C6左端負(fù)電位強(qiáng)烈反向偏置，使兩只三極管在較長時(shí)間繼續(xù)保持截止?fàn)顟B(tài)。在C6放電時(shí)，電流從電容器右端流出，主要流經(jīng)R5、（R8）、R9、VT5發(fā)射結(jié)入地，又經(jīng)過電源、R6、R1、R3流回電容器C6左端。直到C6 放電結(jié)束，電源繼續(xù)通過上述回路開始對(duì)C6反向充電，C6左端為正。當(dāng)C6兩端的電位上升至0.7V，VT3開始進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，經(jīng)過強(qiáng)烈正反饋，迅速進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使電路再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，重復(fù)先前的暫穩(wěn)態(tài)過程，如此周而復(fù)始，電路產(chǎn)生自激多諧振蕩。從電路工作過程可以看出，向C6充電時(shí)，充電電阻器R5 電阻值較小，因此充電過程較快，電路處在飽和導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)間很短；而在C6放電時(shí)，需要流經(jīng)許多有關(guān)電阻器，放電電阻器總的數(shù)值較大，因而放電過程較慢，也就是說電路處于截止時(shí)間較長。因此，從VT4集電極輸出波形占空比很大，正脈沖信號(hào)的脈寬很窄，其振蕩頻率約330Hz 。調(diào)試與使用方法 金屬探測器電路除了靈敏度調(diào)節(jié)電位器外，沒有調(diào)整部分，只要焊接無誤，電路就能正常工作。整機(jī)在靜態(tài)，也就是揚(yáng)聲器不發(fā)聲時(shí)，總電流約為10mA，探測到金屬揚(yáng)聲器發(fā)出聲音時(shí)，整機(jī)電流上升到20mA。一個(gè)新的積層電池可以工作2030小時(shí)。 新焊接的金屬探測器如果不能正常工作，首先要檢查電路板上各元器件、接線焊接是否有誤，再測量電池電壓及供電回路是否正常，穩(wěn)壓二極管VD1穩(wěn)定電壓5.56.5V之間，VD2極性不要焊反。探測碟內(nèi)振蕩線圈初次級(jí)及首尾端不要焊錯(cuò)。 金屬探測器使用前，需要調(diào)整探測桿的長度，只要將黑膠通旋松，推拉膠通套管至適宜的長度，再旋轉(zhuǎn)膠內(nèi)通管，使電纜線繞緊，并使手柄尖端朝上，最后將黑膠通旋緊，鎖住膠通套管。這樣，手握探測器手柄時(shí)，大拇指正好緊挨靈敏度調(diào)節(jié)電位器。調(diào)整金屬探測器靈敏度時(shí)，探測碟（振蕩線圈）要遠(yuǎn)離金屬，包括帶鋁箔的紙張，然后旋轉(zhuǎn)靈敏度細(xì)調(diào)電位器旋鈕（FINE TUNING）打開電源開關(guān)，并旋轉(zhuǎn)到一半的位置，再調(diào)節(jié)粗調(diào)電位器旋鈕（TUNING），使揚(yáng)聲器音頻叫聲停止，最后再微調(diào)細(xì)調(diào)電位器，使揚(yáng)聲器叫聲剛好停止，這時(shí)金屬探測器的靈敏度最高。用金屬探測器探測金屬時(shí)，只要探測碟靠近任何金屬，揚(yáng)聲器便會(huì)發(fā)出聲音，遠(yuǎn)離到一定位置叫聲自動(dòng)停止。瞬變電磁儀簡介前 言西安強(qiáng)源物探研究所于1988年研制出第一代TEM設(shè)備“LC型電法勘探系統(tǒng)”以來，到現(xiàn)在已連續(xù)研制成第六代設(shè)備電磁勘探儀”。供電電流由LC儀的200安培提高到3型的2000安培，勘探深度由最初約400米提高到目前的約2000米。儀器的不斷改進(jìn)，使其功能可以解決國家提出的“危機(jī)礦山接替資源找礦”以及“攻深探盲”等重大地質(zhì)任務(wù)。特別是采用“標(biāo)定系數(shù)”解釋手段，可以排除正.反演公式中的(分離回線正確)錯(cuò)誤部分,使得一維反演方法得以應(yīng)用。一、 特點(diǎn) 1. 超強(qiáng)場源：我國著名的地球物理學(xué)家，原北京地質(zhì)學(xué)院電法教授付良魁老師在1956年講授電法專業(yè)課時(shí)指出：“人工電法勘探要想取得好的地質(zhì)效果，“最笨”的但也是最好的辦法就是增強(qiáng)供電場源”。目前野外的工業(yè)電流干擾極大，其信噪比是50年代的幾十或幾百分之一，所以就必須增加幾十到幾百倍的場源功率，用以壓制這種強(qiáng)大的干擾。否則二次衰減曲線能用于解釋的延時(shí)長度只有2到3毫秒，這樣解釋出的勘探深度太淺。EMRS3型儀由于供電電流高達(dá)2000安培，故在一般地層上V2曲線延時(shí)可達(dá)32毫秒，這就大大的增加了勘探深度。當(dāng)信噪比很小時(shí)，采用多次疊加平均的辦法，雖然可使曲線的光滑度得到改善，但是噪聲電平在響應(yīng)值中占的“權(quán)”仍然很大，所以有時(shí)將異常平均掉了，或平均出了假異常，這在誤差理論中已有論述。 30年前，前蘇聯(lián)和美國都用過1000安培的大型發(fā)電機(jī)，同時(shí)也用過5米邊長的小線框，并取得一定的地質(zhì)效果。那個(gè)年代增加供電功率和增加供電設(shè)備的體積重量成正比。例如當(dāng)時(shí)2000安培發(fā)電設(shè)備需兩輛大型汽車拖動(dòng)，而EMRS3型儀采用特殊技術(shù)，將所有的供電與測量設(shè)備裝在一支箱內(nèi)，勘探人員可以攜帶儀器在地形惡劣的山區(qū)進(jìn)行勘探工作，這個(gè)科研成果便是我所的“專利”。超強(qiáng)場源的響應(yīng)值，不僅可以用電阻率來“分層定厚”，同時(shí)還可以看到與地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)的信息，這個(gè)響應(yīng)值V/I在弱場源時(shí)都認(rèn)為是常數(shù)，而當(dāng)電流I大過100安培時(shí)，則V/I不是常數(shù)，例如，金屬礦的異?！耙r度”隨電流I的增加而增加，這對(duì)深礦、小礦的勘探非常有利。 2、 裝置輕便：建所前在書刊文獻(xiàn)中就看到過多種測量裝置（包括電偶極），但這些資料無法對(duì)比，也就無法選擇理想的裝置。建所以后，為了選擇最佳類型的裝置與我所研制的儀器相配套，曾進(jìn)行過很長時(shí)間的野外裝置對(duì)比試驗(yàn)。內(nèi)容有：重疊回線，中心回線，中心探頭（磁芯探頭），分離回線（接收有線圈與探頭之分）等。電偶極的裝置缺點(diǎn)很多，故未進(jìn)行試驗(yàn)。 1） 分離回線裝置的場源利用率太低，試驗(yàn)結(jié)果供圈圈邊與接收圈邊離開不遠(yuǎn)，有用信號(hào)弱的無法檢測，故不能采用。 2） 中心回線與中心探頭和很小的重疊回線（例1.5m*1.5m）的異常響應(yīng)向晚期偏移，這很不利，因?yàn)橥砥诘男旁氡仍絹碓叫。瑴y量精度越來越低，故也不選用。 3） 重疊回線我所試驗(yàn)過十多種，由2Km*2km1.5m*1.5m。最后我們根據(jù)曲線形態(tài)和異?！耙r度”及操作輕便等條件，最終選擇了3m*3m的重疊回線。供電回線越大，則中心場強(qiáng)越小，則V2響應(yīng)就小，同時(shí)橫向分辨率越低，加之裝置的自感L和互感M都大，使V2曲線產(chǎn)生畸變。著名美國TEM專家B.R.Spies在導(dǎo)電覆蓋區(qū)時(shí)間域電磁觀測的解釋與設(shè)計(jì)一文中寫道：“我們看，曲線從頂部層電導(dǎo)率分開的時(shí)間，對(duì)所有線框尺寸來說都是頗為穩(wěn)定的，這就告訴我們影響勘探深度的重要因素是采樣時(shí)間，而不是線框的大小，同時(shí)也指出所有的比上層深度小的線框尺寸，都給出同樣歸一化的響應(yīng)，因此，這時(shí)線框可以看成是偶極”。（注：采樣時(shí)間也稱V2延時(shí)時(shí)間）前蘇聯(lián)的電法專家B.A.在脈沖感應(yīng)電法勘探一書中的近區(qū)建場測深（）一節(jié)中寫道：“其他條件相同的情況下，從遠(yuǎn)區(qū)轉(zhuǎn)為近區(qū)工作，可以提高幾倍的勘探深度”。（注：遠(yuǎn)區(qū)即裝置邊長大于探測深度；近區(qū)即裝置邊長小于探測深度），這是因?yàn)楣┤Φ臏p小，其中心一次場強(qiáng)增加，所以能夠增加勘探深度。從裝置的操作方便程度來看，例如3m*3m的線圈一個(gè)人可以的攜帶上山，而200m*200m的線圈則需要車載，兩者的工作效率差別太大。如若地形不好，前者仍能測到四五十個(gè)物理點(diǎn)，而后者一天最多只能測幾個(gè)物理點(diǎn)，有些地形甚至無法開展工作。二、解釋很早就有人發(fā)現(xiàn)TEM的定性解釋和定量解釋與測點(diǎn)的地層不夠吻合或很不吻合，我所為了找到原因，曾研究十多年，終于發(fā)現(xiàn)了是定性公式和定量公式中供電線圈參數(shù)在公式中使用有誤所致（但分離回線正確），于是我所用大量野外的已知地電參數(shù)組成的“標(biāo)定系數(shù)”來對(duì)某一種固定的裝置（例3m*3m）所測的曲線進(jìn)行標(biāo)定的方法，避開公式中的供電線圈錯(cuò)誤部分，而利用其正確部分來進(jìn)行解釋，取得較好的解釋結(jié)果。在傳統(tǒng)的定性公式中，我所經(jīng)過多年的研究，在不同地區(qū)不同巖層上多次試驗(yàn)，解釋結(jié)果地層變成“面條”狀，無法應(yīng)用。三、儀器指標(biāo) 1， 供電部分 供電電流：2000安培 供電脈寬：4毫秒 脈沖前后沿延時(shí)：小于2微秒 供電次數(shù)：1、4、8、16、32次 供電線圈：3m*3m 2, 接收測量部分 便攜機(jī)主控 A/D：16位 總增益：16384倍 浮點(diǎn)階：128倍 輸入動(dòng)態(tài)：140db 主機(jī)帶寬：020KHz 疊加次數(shù)：同供電次數(shù) 采樣率：80微秒 分辨率：0.1微伏 抗擾能力：大于60db 采樣程序：分22道，80微妙19.4毫秒 原始采樣延時(shí)：32毫秒 接收線圈：6匝 長36.5 寬29.5 高14.5厘米 電池: 長27.5 寬16 高15厘米 線圈背包尺寸:高1.2米 直徑:26厘米四、功能與應(yīng)用 EMRS3型儀主要功能為中、深層的“分層定厚”。只要勘探對(duì)象與圍巖有一定的電阻率差異，且有一定的體積效