金属探测仪原理.doc

金属探测仪原理
    本金属探测器有较高的灵敏度，用它探测大块金属时，探测碟距金属物体 20cm扬声器就会发出声音，小到曲别针，甚至一枚大头针都能检测到，只是探测碟线圈必须紧靠细小金属物体。由于金属探测器利用振荡线圈的电磁感应来探测金属物体，可以透过非金属物体，比如纸张、木材、塑料、砖石、土壤、甚至水层，探测到被遮盖的的金属物体，因此具有实用性，比如在装修房屋时，用它探测到墙内的电线或钢筋，以免造成施工危险和安全隐患；又如安检用的金属探测器就是根据这个原理制成的。
金属探测器是一种专门用来探测金属的仪器，除了用于探测有金属外壳或金属部件的地雷之外，还可以用来探测隐蔽在墙壁内的电线、埋在地下的水管和电缆，甚至能够地下探宝，发现埋藏在地下的金属物体。金属探测器还可以作为开展青少年国防教育和科普活动的用具，当然也不失为是一种有趣的娱乐玩具。
工作原理       
由金属探测器的电路框图可以看出，本金属探测器由高频振荡器、振荡检测器、音频振荡器和功率放大器等组成。

高频振荡器
    由三极管VT1和高频变压器T1等组成，是一种变压器反馈型LC振荡器。T1的初级线圈L1和电容器C1组成LC并联振荡回路，其振荡频率约200kHz，由L1的电感量和C1的电容量决定。T1的次级线圈L2作为振荡器的反馈线圈，其“C”端接振荡管VT1的基极，“D”端接VD2。由于VD2处于正向导通状态，对高频信号来说，“D”端可视为接地。在高频变压器T1中，如果“A” 和“D”端分别为初、次级线圈绕线方向的首端，则从“C”端输入到振荡管VT1基极的反馈信号，能够使电路形成正反馈而产生自激高频振荡。振荡器反馈电压的大小与线圈L1、L2的匝数比有关，匝数比过小，由于反馈太弱，不容易起振，过大引起振荡波形失真，还会使金属探测器灵敏度大为降低。振荡管VT1的偏置电路由R2和二极管VD2组成，R2为VD2的限流电阻。由于二极管正向阈值电压恒定（约0.7V），通过次级线圈L2加到VT1的基极，以得到稳定的偏置电压。显然，这种稳压式的偏置电路能够大大增强VT1高频振荡器的稳定性。为了进一步提高金属探测器的可靠性和灵敏度，高频振荡器通过稳压电路供电，其电路由稳压二极管VD1、限流电阻器R6和去耦电容器C5组成。振荡管VT1发射极与地之间接有两个串联的电位器，具有发射极电流负反馈作用，其电阻值越大，负反馈作用越强，VT1的放大能力也就越低，甚至于使电路停振。RP1为振荡器增益的粗调电位器，RP2为细调电位器。
振荡检测器
    振荡检测器由三极管开关电路和滤波电路组成。开关电路由三极管VT2、二极管 VD2等组成，滤波电路由滤波电阻器R3，滤波电容器C2、C3和C4组成。在开关电路中，VT2的基极与次级线圈L2的“C”端相连，当高频振荡器工作时，经高频变压器T1耦合过来的振荡信号，正半周使VT2导通，VT2集电极输出负脉冲信号，经过π型RC滤波器，在负载电阻器R4上输出低电平信号。当高频振荡器停振荡时，“C”端无振荡信号，又由于二极管VD2接在VT2发射极与地之间，VT2基极被反向偏置，VT2处于可靠的截止状态，VT2集电极为高电平，经过滤波器，在R4上得到高电平信号。由此可见，当高频振荡器正常工作时，在R4上得到低电平信号，停振时，为高电平，由此完成了对振荡器工作状态的检测。
音频振荡器
    音频振荡器采用互补型多谐振荡器，由三极管VT3、VT4，电阻器R5、R7、 R8和电容器C6组成。互补型多谐振荡器采用两只不同类型的三极管，其中VT3为NPN型三极管VT4为PNP型三极管，连接成互补的、能够强化正反馈的电路。在电路工作时，它们能够交替地进入导通和截止状态，产生音频振荡。R7既是VT3负载电阻器，又是VT3导通时VT4基极限流电阻器。R8是 VT4集电极负载电阻器，振荡脉冲信号由VT4集电极输出。R5和C6等是反馈电阻器和电容器，其数值大小影响振荡频率的高低。
功率放大器
    功率放大器由三极管VT5、扬声器BL等组成。从多谐振荡器输出的正脉冲音频信号经限流电阻器R9输入到VT5的基极，使其导通，在BL产生瞬时较强的电流，驱动扬声器发声。由于VT5处于开关工作状态，而导通时间又非常短，因此功率放大器非常省电，可以利用9V积层电池供电。

高频振荡器探测金属的原理
    调节高频振荡器的增益电位器，恰好使振荡器处于临界振荡状态，也就是说刚好使振荡器起振。当探测线圈L1靠近金属物体时，由于电磁感应现象，会在金属导体中产生涡电流，使振荡回路中的能量损耗增大，正反馈减弱，处于临界态的振荡器振荡减弱，甚至无法维持振荡所需的最低能量而停振。如果能检测出这种变化，并转换成声音信号，根据声音有无，就可以判定探测线圈下面是否有金属物体了。
互补型多谐振荡器的工作原理
    接通电源时，由于VT3基极接有偏置电阻器R1、R3而被正向偏置，假设VT3集电极电流处于上升阶段，VT4基极电流随之上升，导致VT4集电极电流剧增，VT4集电极电位随之迅速升高，由VT4输出的电流通过与之相连的R5向C6 充电，流经VT3的基极入地，又导致VT3基极电流进一步升高。如此反复循环，强烈的正反馈使得VT3、VT4迅速进入饱和导通状态，VT4集电极处于高电平，使多谐振荡器进入第一个暂稳态过程。随着电源通过饱和导通的VT4经R5向C6充电，当VT3基极电流下降到一定程度时，VT3退出饱和导通状态，集电极电流开始减小，导致VT4集电极电流减小，VT4集电极电位下降，这一过程又进一步加剧了向C6充电电流迅速减小，VT3基极电位急剧降低而使 VT3截止，VT4集电极迅速跌至低电平，多谐振荡器翻转到第二个暂稳态。多谐振荡器刚进入第二暂稳态时先前向C6充电的结果，其电容器右端为正，左端为负，现在C6右端对地为低电平，由于电容器C6两端电压不能跃变，故VT3基极被C6左端负电位强烈反向偏置，使两只三极管在较长时间继续保持截止状态。在C6放电时，电流从电容器右端流出，主要流经R5、（R8）、R9、VT5发射结入地，又经过电源、R6、R1、R3流回电容器C6左端。直到C6 放电结束，电源继续通过上述回路开始对C6反向充电，C6左端为正。当C6两端的电位上升至0.7V，VT3开始进入导通状态，经过强烈正反馈，迅速进入饱和导通状态，使电路再次发生翻转，重复先前的暂稳态过程，如此周而复始，电路产生自激多谐振荡。从电路工作过程可以看出，向C6充电时，充电电阻器R5 电阻值较小，因此充电过程较快，电路处在饱和导通状态时间很短；而在C6放电时，需要流经许多有关电阻器，放电电阻器总的数值较大，因而放电过程较慢，也就是说电路处于截止时间较长。因此，从VT4集电极输出波形占空比很大，正脉冲信号的脉宽很窄，其振荡频率约330Hz 。
调试与使用方法
       金属探测器电路除了灵敏度调节电位器外，没有调整部分，只要焊接无误，电路就能正常工作。整机在静态，也就是扬声器不发声时，总电流约为10mA，探测到金属扬声器发出声音时，整机电流上升到20mA。一个新的积层电池可以工作20～30小时。
    新焊接的金属探测器如果不能正常工作，首先要检查电路板上各元器件、接线焊接是否有误，再测量电池电压及供电回路是否正常，稳压二极管VD1稳定电压5.5～6.5V之间，VD2极性不要焊反。探测碟内振荡线圈初次级及首尾端不要焊错。
    金属探测器使用前，需要调整探测杆的长度，只要将黑胶通旋松，推拉胶通套管至适宜的长度，再旋转胶内通管，使电缆线绕紧，并使手柄尖端朝上，最后将黑胶通旋紧，锁住胶通套管。这样，手握探测器手柄时，大拇指正好紧挨灵敏度调节电位器。
调整金属探测器灵敏度时，探测碟（振荡线圈）要远离金属，包括带铝箔的纸张，然后旋转灵敏度细调电位器旋钮（FINE TUNING）打开电源开关，并旋转到一半的位置，再调节粗调电位器旋钮TUNING），使扬声器音频叫声停止，最后再微调细调电位器，使扬声器叫声刚好停止，这时金属探测器的灵敏度最高。用金属探测器探测金属时，只要探测碟靠近任何金属，扬声器便会发出声音，远离到一定位置叫声自动停止。
瞬变电磁仪简介前 言西安强源物探研究所于1988年研制出第一代TEM设备“LC型电法勘探系统”以来，到现在已连续研制成第六代设备电磁勘探仪”。供电电流由LC仪的200安培提高到3型的2000安培，勘探深度由最初约400米提高到目前的约2000米。仪器的不断改进，使其功能可以解决国家提出的“危机矿山接替资源找矿”以及“攻深探盲”等重大地质任务。特别是采用“标定系数”解释手段，可以排除正.反演公式中的(分离回线正确)错误部分,使得一维反演方法得以应用。一、 特点 1. 超强场源：我国著名的地球物理学家，原北京地质学院电法教授付良魁老师在1956年讲授电法专业课时指出：“人工电法勘探要想取得好的地质效果，“最笨”的但也是最好的办法就是增强供电场源”。目前野外的工业电流干扰极大，其信噪比是50年代的几十或几百分之一，所以就必须增加几十到几百倍的场源功率，用以压制这种强大的干扰。否则二次衰减曲线能用于解释的延时长度只有2到3毫秒，这样解释出的勘探深度太浅。EMRS−3型仪由于供电电流高达2000安培，故在一般地层上V2曲线延时可达32毫秒，这就大大的增加了勘探深度。当信噪比很小时，采用多次叠加平均的办法，虽然可使曲线的光滑度得到改善，但是噪声电平在响应值中占的“权”仍然很大，所以有时将异常平均掉了，或平均出了假异常，这在误差理论中已有论述。 30年前，前苏联和美国都用过1000安培的大型发电机，同时也用过5米边长的小线框，并取得一定的地质效果。那个年代增加供电功率和增加供电设备的体积重量成正比。例如当时2000安培发电设备需两辆大型汽车拖动，而EMRS−3型仪采用特殊技术，将所有的供电与测量设备装在一支箱内，勘探人员可以携带仪器在地形恶劣的山区进行勘探工作，这个科研成果便是我所的“专利”。超强场源的响应值，不仅可以用电阻率来“分层定厚”，同时还可以看到与地质结构有关的信息这个响应值ΔV/I在弱场源时都认为是常数，而当电流I大过100安培时，则ΔV/I不是常数，例如，金属矿的异常“衬度”随电流I的增加而增加，这对深矿、小矿的勘探非常有利。 2、 装置轻便：建所前在书刊文献中就看到过多种测量装置（包括电偶极），但这些资料无法对比，也就无法选择理想的装置。建所以后，为了选择最佳类型的装置与我所研制的仪器相配套，曾进行过很长时间的野外装置对比试验。内容有：重叠回线，中心回线，中心探头（磁芯探头），分离回线（接收有线圈与探头之分）等。电偶极的装置缺点很多，故未进行试验。 1） 分离回线装置的场源利用率太低，试验结果供圈圈边与接收圈边离开不远，有用信号弱的无法检测，故不能采用。 2） 中心回线与中心探头和很小的重叠回线（例1.5m*1.5m）的异常响应向晚期偏移，这很不利，因为晚期的信噪比越来越小，测量精度越来越低，故也不选用。 3） 重叠回线我所试验过十多种，由2Km*2km―1.5m*1.5m。最后我们根据曲线形态和异常“衬度”及操作轻便等条件，最终选择了3m*3m的重叠回线。供电回线越大，则中心场强越小，则V2响应就小，同时横向分辨率越低，加之装置的自感L和互感M都大，使V2曲线产生畸变。著名美国TEM专家B.R.Spies在≪导电覆盖区时间域电磁观测的解释与设计≫一文中写道：“我们看，曲线从顶部层电导率分开的时间，对所有线框尺寸来说都是颇为稳定的，这就告诉我们影响勘探深度的重要因素是采样时间，而不是线框的大小，同时也指出所有的比上层深度小的线框尺寸，都给出同样归一化的响应，因此，这时线框可以看成是偶极”。（注：采样时间也称V2延时时间）前苏联的电法专家B.A.　　　在≪脉冲感应电法勘探≫一书中的近区建场测深（　　）一节中写道：“其他条件相同的情况下，从远区转为近区工作，可以提高几倍的勘探深度”。（注：远区即装置边长大于探测深度；近区即装置边长小于探测深度），这是因为供圈的减小，其中心一次场强增加，所以能够增加勘探深度。从装置的操作方便程度来看，例如3m*3m的线圈一个人可以的携带上山，而200m*200m的线圈则需要车载，两者的工作效率差别太大。如若地形不好，前者仍能测到四五十个物理点，而后者一天最多只能测几个物理点，有些地形甚至无法开展工作。二、解释很早就有人发现TEM的定性解释和定量解释与测点的地层不够吻合或很不吻合，我所为了找到原因，曾研究十多年，终于发现了是定性公式和定量公式中供电线圈参数在公式中使用有误所致（但分离回线正确），于是我所用大量野外的已知地电参数组成的“标定系数”来对某一种固定的装置（例3m*3m）所测的曲线进行标定的方法，避开公式中的供电线圈错误部分，而利用其正确部分来进行解释，取得较好的解释结果。在传统的定性公式中，我所经过多年的研究，在不同地区不同岩层上多次试验，解释结果地层变成“面条”状，无法应用三、仪器指标 1， 供电部分 ① 供电电流：2000安培 ② 供电脉宽：4毫秒 ③ 脉冲前后沿延时：小于2微秒 ④ 供电次数：1、4、8、16、32次 ⑤ 供电线圈：3m*3m 2, 接收测量部分 ① 便携机主控 ② A/D：16位 ③ 总增益：16384倍 ④ 浮点阶：128倍 ⑤ 输入动态：140db ⑥ 主机带宽：0−20KHz ⑦ 叠加次数：同供电次数 ⑧ 采样率：80微秒 ⑨ 分辨率：0.1微伏 ⑩ 抗扰能力：大于60db ⑪ 采样程序：分22道，80微妙−19.4毫秒 ⑫ 原始采样延时：32毫秒 ⑬ 接收线圈：6匝 ⑭ 长36.5 宽29.5 高14.5厘米 ⑮ 电池: 长27.5 宽16 高15厘米 ⑯ 线圈背包尺寸:高1.2米 直径:26厘米四、功能与应用 EMRS−3型仪主要功能为中、深层的“分层定厚”。只要勘探对象与围岩有一定的电阻率差异，且有一定的体积效应，都会有一定的勘探效果，TEM理论指出在高阻围岩中寻找低阻体则效果较好，反之则要差些。 经过我所多年的试验及很多从事瞬变电磁法的专业人员所做的项目来看，该方法在很多领域都有很好的地质效果。 1、 中、深层的矿产勘察 2、 地热、煤田、地下水等的勘查 3、 浅层石油、天然气的勘查 4、 工程及地质灾害等勘查五、我所非常欢迎你单位派人来我所进行有关ＴＥＭ领域的讨论、调研。特别是了解我所二十年来仪器研制过程，查阅我所自己和用户在许多地区和许多领域所做的ＴＥＭ资料，特别是强供电电流资料。　　我所也希望和贵单位合作，如果有难度大的或比较深的以及工期非常紧的项目，我所可以提供三套以上最新的３型设备协助贵单位工作。