CN1138987C - 双频金属探测器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种利用低频电磁感应原理探测含有少量金属的地下目标的金属探测器。它采用双频非谐振接收技术以及移相线圈移相技术时分检测接收信号的电阻分量和电抗分量以有效抑制海水等弱导电背景物质的涡流效应并采用双频跟踪技术有效抑制磁性土等弱导磁背景物质的磁效应，具有全地域作业能力；它采用双频等幅叠加连续工作方式和全波相敏检波技术，对铁磁性金属和非铁磁性金属目标在内的所有金属目标都具有较大的探测灵敏度。

Description

双频金属探测器

技术领域

本发明涉及探测含有少量金属的地下目标的金属探测器，特别涉及利用低频电磁感应原理，采用双频叠加连续工作方式和全波相敏检波技术对包括铁磁性金属目标和非铁磁性金属目标在内的所有金属目标。

背景技术

以下简述双频金属探测器的工作原理。

双频金属探测器用于探测含有少量金属的地下目标，克服了单频金属探测器在海水、磁性土等导电、导磁背景环境中难以使用的缺点。由于采用双频叠加连续工作方式和全波相敏检波技术，双频金属探测器对包括铁磁性金属目标和非铁磁性金属目标在内的所有金属目标都具有较大的探测灵敏度。以下简述双频金属探测器的工作原理。

根据电磁场理论，发射线圈产生的交变磁场在两个差动连接的接收线圈中分别产生一个同频、反相、等幅的感应电动势，两者相消即形成接收平衡。在交变磁场中的金属由于涡流效应(与电导率σ有关)或磁效应(与磁导率μ有关)将产生一个附加磁场，破坏一次场的磁力线分布，该附加磁场又称二次场。非铁磁性金属u_r≈1(μ_r为相对磁导率，μ₀为真空磁导率)，σ较大，它包括顺磁体(如锰、铬、钛等)和抗磁体(如金、银、铜、锡、铅、铋等)，可以认为是导电不导磁物质，主要产生涡流效应，磁效应可以忽略不计；铁磁性金属(如铁类、镍、钴等)μ_r很大，σ也较大，可以认为是既导电又导磁物质，主要产生磁效应，同时又有涡流效应。金属目标所产生的二次场会使发射线圈中电流的大小和相位发生变化，也就是发射线圈的等效阻抗发生变化，由于两个接收线圈差动连接形成平衡，故忽略二次场对接收线圈等效阻抗的影响，可用发射线圈等效阻抗的变化来反映被测金属的涡流效应和磁效应。

以下用等效阻抗法分析金属目标对电磁感应信号幅度和相位的影响。

首先，对非铁磁性金属目标进行如下分析：

非铁磁性金属目标与发射线圈之间形成互感，根据电磁感应原理，其等效电路如图1所示。

图1中U_s为激磁电压，I₁为激磁电流，R₁和L₁为发射线圈电阻和电感，ψ₁为激励磁通，I₂为感应电流，ψ₂为感应磁通，R₂和L₂为非铁磁性金属的电阻和电感，M为非铁磁性金属与发射线圈间的互感系数。M随金属目标到探头的距离的减小而呈非线性地增大。由电磁感应原理可知，ψ₁、ψ₂相消，根据克希荷夫定律，可写出电压平衡方程式：

       I₁R₁+I₁jωL₁-I₂jωM＝U_s         (1)

       -I₁jωM+I₂R₂+I₂jωL₂＝0          (2)

又         U_s＝I₁Z₁    (U_s恒定不变)          (3)

解上列方程组可得到： $Z_1=R_1+\frac{R_2{\mathrm{\ω}}^2{M}^2}{R_2^2+{\mathrm{\ω}}^2{L}_2^2}+\mathrm{j\ω}(L_1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2{L}_2}{R_2^2+{\mathrm{\ω}}^2{L}_2^2})----\left(4\right)$

由于涡流的作用，发射线圈的等效阻抗从原来Z₀＝R₁+jωL₁变为Z₁，比较Z₀和Z₁可知，涡流影响的结果是使发射线圈阻抗的实部分量增加、虚部分量减少，使接收信号电阻分量增加、电抗分量减少。

其次，对铁磁性金属目标进行如下分析：

根据电磁场理论，发射线圈的电感L₁为： $L_1=\frac{N_T{\mathrm{\Ψ}}_1}{I_1}=\frac{N_T{\mathrm{BA}}_T}{I_1}=\frac{N_T\mathrm{\μ}{\mathrm{HA}}_T}{I_1}----\left(5\right)$

又据毕奥-萨伐尔定理可知： $H=\frac{N_T{I}_1{r}^2}{2{(r^2+l^2)}^{3/2}}----\left(6\right)$

所以 $L_1=\frac{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\μ}}_0{N}_T^2{\mathrm{\πr}}^4}{2{(r^2+l^2)}^{3/2}}----\left(7\right)$

这里，N_T为发射线圈匝数，A_T为发射线圈面积，r为发射线圈半径，H为磁场强度，B为磁通密度，I₁为发射线圈电流，ψ₁为磁通量，l为发射线圈轴线上某一点到线圈平面的距离。

由此可知，当发射线圈有效探测范围内没有铁磁性物质时，μ_r＝1，L₁保持不变；当发射线圈有效探测范围内出现铁磁性物质时，L₁随μ_r的增加而增加，随金属目标到探头的距离l的减小而非线性增大，相当于在发射线圈上累加连接了一个线圈，且两个线圈所产生的磁通ψ₁、ψ₃相助。

铁磁性金属既导电又导磁，由4式可知，发射线圈等效阻抗近似为： $Z_1=R_1+\frac{R_2{\mathrm{\ω}}^2{M}^2}{R_2^2+{\mathrm{\ω}}^2{L}_2^2}+\mathrm{j\ω}(L_1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2{L}_2}{R_2^2+{\mathrm{\ω}}^2{L}_2^2}+L_3)----\left(8\right)$

其中，L₃为因磁效应而产生的等效电感。铁磁性金属主要产生磁效应，同时又有涡流效应，故发射线圈等效阻抗的虚部分量增加。因此，它使发射线圈阻抗的实部分量、虚部分量都增加，使接收信号电阻分量增加、电抗分量也增加。

综上分析可知，电抗分量的增加或减少是区分铁磁性金属目标与非铁磁性金属目标的依据；幅度表征金属含量的大小或金属目标的远近；相位表征金属目标的特性即属性。

以下就双频金属探测器之所以对地下铁磁性金属目标和非铁磁性金属目标都具有较大的探测灵敏度作具体分析。

涡流损耗P_w1的大小与磁场交变的频率f、金属目标的电阻系数σ_w1、磁感应强度最大值B_m和金属目标体积V等因素有关： $P_{w1}={\mathrm{\σ}}_{w1}{f}^2{B}_m^{2}V----\left(9\right)$

它所引起的二次场与一次场方向相反。而磁效应与目标的相对磁导率μ_r有关，与f无关，它所引起的二次场与一次场方向相同。非铁磁性金属目标主要产生涡流损耗，f增大，涡流损耗P_w1增大，二次场增大，因此采用高频可有效提高对不锈钢等非铁磁性金属目标的探测灵敏度；铁磁性金属目标主要产生磁效应，同时又有涡流损耗，两者所产生的二次场方向相反，f增大，两个二次场相消增大，总的二次场减小，即对一般的铁磁金属的探测灵敏度减小，故只有减小f，才能提高探测灵敏度，所以采用低频可提高对铁磁性金属目标的探测灵敏度。

本发明正是依据上述有关涡流效应使接收信号电阻分量增加、电抗分量减少的结论以及磁效应与目标的相对磁导率μ_r有关而与f无关的结论来有效抑制海水、磁性土等弱导电、导磁背景所引起的虚警；依据上述有关工作频率与探测灵敏度的关系来选择工作频率。

德国专利申请DE 37 13363公开了一种用于探测地下金属目标的双频金属探测器，该探测器具有一个相对被探测目标可以移动的探测线圈系统，该探测线圈系统是由一个用于建立交变磁场的发射线圈(励磁线圈)和一个用于接收交变磁场中被探测的金属目标所产生的二次场的平衡式接收线圈所组成的，该探测器具有一个与励磁线圈相连接的用于向励磁线圈提供交流电流的交流信号源，具有一个与接收线圈相连接的由放大电路组成的判决电路，还具有一个相位控制的整流单元以及一个显示装置，其中交流信号源提供两个具有不同频率f1、f2的交流电流I1、I2，为每个频率配备一个独立的相位控制整流器，这两个整流器是在复平面的90°方向上受控的，相位控制整流器的输出电压被引到一个求差电路，该求差电路的输出端又与显示装置的输入端连接，如此选择两个频率信号的总放大系数A1、A2、励磁电流I1、I2以及工作频率f1、f2，使得

              A1×I1×f1＝A2×I2×f2             (10)

控制合适的相位，即可有效抑制海水、磁性土等弱导电、导磁背景信号的干扰，但是这种探测器需要配备两个独立的相位控制整流器，因此增加了探测器设计上的复杂性。

而且由于需要金属探测器能区分出两个相邻的金属目标，即定位精度和分辨率的要求都比较高，因此必须提高探测灵敏度，但是上述金属探测器并未涉及此问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种双频金属探测器，它只采用一个移相线圈即可实现对两个工作频率下的接收信号的相位控制，实现双频非谐振接收。

本发明的另一个目的是提供一种双频金属探测器，它采用双频等幅叠加连续工作方式和相敏检波时分技术，对包括铁磁性和非铁磁性金属目标都具有较大的探测灵敏度。

按照本发明的一个方面，提供了一种双频金属探测器，包含：

双频发射电路，用于产生二个工作频率分别为f_L和f_H的交变磁场，其中频率f_L＜f_H，所述双频发射电路包括发射线圈，用于发射信号为f_L和f_H双频等幅叠加的连续信号，其中，双频发射电路发射的低频信号的频率f_L为2～6.6赫兹，双频发射电路发射的高频信号的频率f_H为6.6～20赫兹；以及

双频接收电路，包括：

接收线圈，用于接收被探测物体响应于所述双频等幅叠加的连续信号所产生的二次场；

移相线圈，用于使接收线圈所接收的信号产生一定的相移，并且使接收线圈所接收信号中所含f_L和f_H两个频率分量分别在移相线圈开启时与闭合时的相移相差90°、使接收线圈的谐振频率在移相线圈开启时大于频率f_H而在移相线圈闭合时小于频率f_L，并且使移相线圈开关开启时和闭合时接收线圈的Q值相等，即双频非谐振接收；

控制装置，用于交替开启和闭合所述移相线圈；以及

相敏检波器，用于响应于所述相移，以所述移相线圈开启和闭合的频率，时分检测出所述接收信号中f_L和f_H两个频率分量的电阻分量和电抗分量。

按照本发明的另一方面，比较好的是，双频金属探测器中的接收线圈为多层印制板接收线圈。更好的是，多层印制板接收线圈采用8字形差动连接。

按照本发明的另一方面，比较好的是，双频金属探测器中相敏检波器采用全波相敏时分检波方式。

按照本发明的另一方面，比较好的是，双频金属探测器还进一步包括积分器，用于对所述电阻分量和电抗分量信号进行积分处理，使海水等的背景信号电阻分量与电抗分量自动相消为零。

按照本发明的另一方面，比较好的是，双频金属探测器还进一步包括增益控制器，用于对f_H和f_L两个工作频率下接收信号的增益进行控制以使磁性土双频背景信号自动跟踪相消为零。

按照本发明的另一方面，比较好的是，双频金属探测器还进一步包括与所述接收线圈相连的适应状态观测器，用于对不同强度的磁性土，根据所述接收信号全自动地完成背景学习功能以设定进行所述增益控制器的增益控制参数，从而使不同强度磁性土的双频背景信号自动相消为零，扩大了作业的地域范围。

按照本发明的另一方面，比较好的是，双频金属探测器还进一步包括反馈装置，用于采用闭环反馈跟踪技术进行直流检测以有效抑制温度效应所引起的直流漂移，使它具有静态探测和动态探测二种探测模式，以提高定位精度和分辨率，适应高热和严寒等各种气候条件。

附图说明

通过以下附图对本发明的描述，可以进一步理解本发明的各种目的、优点和特征，其中：

图1示出了非铁磁性金属的等效电路；

图2(a)示出了双频发射电路图，图2(b)示出了f_L谐振等效电路图，而图2(c)示出了f_H谐振等效电路图；

图3(a)示出了接收线圈传统的连接方式，而图3(b)示出了8字形差动连接方式；

图4示出了移相线圈的组态图；

图5(a)～5(c)示出了移相线圈开启时的电路图和矢量图；

图6(a)～6(c)示出了移相线圈闭合时的电路图和矢量图；

图7(a)和7(b)示出了时分检测下接收信号的相位正交；

图8示出了双频接收信号的相频特性；

图9示出了双频接收信号的幅频特性；

图10示出了接收信号的时分检测过程；以及

图11示出了金属探测器的信号处理框图。

具体实施方式

以下借助图2(a)～2(c)描述按照本发明的双频金属探测器的双频发射电路的实现方式和频率选择。

如图2(a)所示，双频发射电路由谐振回路(一具有双谐振点的二端网络)和分压回路组成，其中L₂为发射线圈，U_O为输出发射信号，U_I为输入发射信号，L₁为可调电感，C₁为谐振电容，C₂、C₃为交流分压电容。

该谐振回路阻抗为： $Z={\mathrm{j\ωL}}_1+\frac{{\mathrm{j\ω}L}_2(-j\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_1})}{j{\mathrm{\ωL}}_2-j\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_1}}=j[{\mathrm{\ωL}}_1-\frac{{\mathrm{\ωL}}_2}{{\mathrm{\ω}}^2{L}_2{C}_1-1}]----\left(11\right)$

其电抗分量零、极点即为谐振点。当ω²L₂C₁-1＝0，即 ${\mathrm{\ω}}_L=\frac{1}{\sqrt{L_2{C}_1}}=2\mathrm{\π}{f}_L$ 时，电抗分量为无穷大，此时在L₂和C₁并联支路中发生电流谐振，谐振频率f_L，其谐振等效电路图如图2(b)所示，谐振回路阻抗趋于无穷大，U_O等于U_I经Z_C2、Z_C3分压后C₃两端的电压U_C3。当电抗分量为零时，解方程式得： ${\mathrm{\ω}}_H=\frac{1}{{2C}_1{L}_1}+\sqrt{\frac{1}{{4C}_1^2{L}_1^2}+\frac{1}{L_2{C}_1}}=2\mathrm{\π}{f}_H----\left(12\right)$

此时在L₁和并联支路(L₂和C₁)的等效电容C₄中发生电压谐振，f_H为另一谐振频率，其谐振等效电路图如图2(c)所示，谐振回路阻抗趋于零，C₃不起作用，支路上的U_O是U_I经Z_C2、谐振回路阻抗分压后谐振回路两端的电压的Q倍。

设计电感、电容参数使该发射电路两个谐振频率分别为f_L和f_H，且使f_L和f_H发射信号等幅叠加。发射信号为双频等幅叠加连续信号，且f_L和f_H为源自同一振荡器的倍频的相关信号。

发明人经过研究发现，采用单频工作方式时，选用6.6KHz作为工作频率较佳，而当采用双频工作方式时，选用6.6KHz＜f_H＜20KHz、2KHz＜f_L＜6.6KHz作为工作频率，可使探测器对包括非铁磁性金属目标和铁磁性金属目标在内的所有金属目标都具有较大探测灵敏度，故采用f_H和f_L双频等幅叠加连续工作方式。

以下借助图3～10描述按照本发明的双频金属探测器的接收原理以及电路实现方式。

双频接收电路包括接收线圈、移相线圈和相敏检波器等，其中接收线圈采用多层印制板接收线圈来替代铜线绕制的接收线圈，这有两个显著的优点：1)可实现高精度的几何排列，具有重量轻、一致性好、调试方便、易于批量生产；2)具有较高的尺寸稳定性，能有效降低温度变化、壳体变形等原因引起的信号直流漂移，适合静态探测模式的设计要求。

在多层印制板接收线圈设计时，如图3(b)所示，每一圈都采用8字形的差动连接方式，这种连接方式减少了寄生电容的杂散电流，因为： $Q=\mathrm{CU}={\mathrm{CN}}_R\frac{\mathrm{d\Ψ}}{\mathrm{dt}}----\left(13\right)$

Q是电荷，C是分布式寄生电容，U是感应电动势，N_R是接收线圈匝数，因此，寄生电容的杂散电流I为： $I=\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}=C\frac{\mathrm{dU}}{\mathrm{dt}}----\left(14\right)$

如果采用如图3(a)所示的两个接收线圈差动连接方式，则会在每个接收线圈中感应出与匝数有关的高的感应电动势U，使分布式寄生电容C引起较大的杂散电流I，产生损耗，且f越高，I越大，损耗越大；而采用上述新的设计，如图3(b)所示，每个线圈对形成一个差，将各线圈对感应电动势差加起来，形成较低的电势，有效防止在每个接收线圈中感应出与匝数有关的高的感应电动势U，从而减小分布式寄生电容C的影响，降低杂散电流I，此设计特别适合较高工作频率和双频叠加连续工作方式的设计要求。

如图4所示，移相线圈设计在多层印制板接收线圈的一个半圈中，由电子开关K控制。当开关开启时，接收线圈处于平衡状态，由于磁力线密度的不均匀，可将接收线圈平衡点调整至右半线圈起作用；当开关闭合时，由楞次定理可知，移相线圈中感生电流所产生的磁通量将阻碍穿过线圈磁通量的变化，使右半线圈磁力线减少，左半线圈起作用，此时接收线圈左、右两个半圈处于轻微的失衡状态，由于左、右两个半圈的接收信号反相，等效电感增加，引起接收线圈谐振点发生较大变化，从而产生相移，使相敏检波器能够以开关开启、闭合的频率时分检测接收信号电阻分量和电抗分量。

当开关闭合时，移相线圈与电阻R构成LR串联回路，其阻抗为Z＝R+jωL，为了保证该LR串联回路呈电阻性，设计电感、电阻参数，使R＞＞2πfL。由于探头直径为24cm左右，探测速度在0.4m/s左右，目标信号的出现时间约为1/15秒，根据香农取样定理，时分检测的开关频率即采样频率选择为150Hz，即f＝150Hz。

双频接收信号的矢量分析如图5～7所示。

首先，当移相线圈开关开启时，接收电路为一相位随频率改变的RLC串联电路，其电路图及矢量图如图5(a)～5(c)所示。图中，电压有效值为：U_R＝IR， $U_c=I\frac{1}{\mathrm{\ωC}},$ U_L＝IωL，φ₁、φ₂分别为f_H和f_L接收信号U_I与输出信号U_O的夹角。当ω减小时，U_C增加，U_L减小，而U_O就是U_C，所以φ₂小于φ₁。

其次，当移相线圈开关闭合时，接收线圈的平衡点由右半线圈起作用变为左半线圈起作用，接收线圈组态发生变化，其等效电感U_L增加，所以，反相的接收信号-U_I又随接收等效电感U_L和工作频率的改变而产生相移，其电路图及矢量图如图6(a)～6(c)所示。图中U_O就是U_C，φ₃小于φ₄。

最后，由上可见，由于工作频率、接收线圈组态、接收线圈等效电感等参数的变化，接收信号U_I产生相移后输出即U_O，调节RLC参数，可使f_H和f_L接收信号在移相线圈开关开启和闭合时分别得到正交的相移，如图7(a)和7(b)所示。

双频接收信号的移相原理也可从LRC串联电路的相频、幅频特性分析得出。图8示出了双频接收信号的相频特性。图中f₀₁为移相线圈开关开启时的接收线圈谐振频率，f₀₂为移相线圈开关闭合时的接收线圈谐振频率，1为移相线圈开关开启时接收信号的相频曲线，2为移相线圈开关闭合时接收信号的相频曲线。从图中可知，设计移相线圈使接收线圈的谐振频率在大于高工作频率f_H和小于低工作频率f_L之间发生改变，设计适当的Q值与谐振点并使Q₁＝Q₂，可使f_H和f_L接收信号在移相线圈开关开启和闭合时分别得到正交的相移。

双频接收信号的幅频特性如图9所示。图中1为移相线圈开关开启时接收信号的幅频曲线，2为移相线圈开关闭合时接收信号的幅频曲线，Q₁＝Q₂。由图中可知，由于接收线圈谐振点从f₀₁变为f₀₂，接收信号的幅度会因此增加。

综上分析可知，双频设计和移相线圈的设计都可使接收信号产生正交相移，此设计使相敏检波器的基准信号(与U_I相关)与移相后正交的接收信号U_O时分相乘，如图10所示，可分别时分检测得到两个工作频率下移相后的接收信号的电阻分量和电抗分量。其相敏检波比较好是采用全波相敏检波方式，即对接收信号进行0°、90 °、180 °、270°检波，然后将0°、180 °检波信号反相相加，将90 °、270 °检波信号反相相加，分别得到接收信号电阻分量和电抗分量的全波相敏检波信号。由于采用全波相敏检波，将使双频金属探测器较以往半波相敏检波的金属探测器具有更高的探测灵敏度。

以下借助图11描述按照本发明的双频金属探测器的信号处理电路的实现方式。

对于地下金属目标的探测，必须考虑以下三种物理效应，它们是：1)导电海水的涡流效应，导电海水等效于弱导电的金属目标，因此它使接收信号的电阻分量增加、电抗分量减小。2)磁性土的磁效应，磁性土的相对磁导率μ_r在1～1.18之间，因此它使接收信号的电阻分量和电抗分量都增加。3)温度效应，温度效应会引起探头几何尺寸等机械变化而导致直流漂移。

为有效抑制上述三种物理效应所引起的背景信号，采用了全自动抑制背景信号的信号处理电路，其方框图见图11，图中BPF为带通滤波器，S为被控对象，F为反馈函数，H为传递函数，K为增益控制器，C为控制器。

为有效抑制海水、磁性土等导电、导磁背景信号，采用时分检测技术来抑制海水的涡流效应，采用双频跟踪技术来抑制磁性土的磁效应。

1)时分检测技术。时分检测技术是指通过相敏检波器时分检测接收信号电阻分量和电抗分量，并进行积分处理。通过调整接收线圈RLC参数来调整接收信号初始相位角和初始幅度，使相敏检波器时分检测的海水背景信号的电阻分量和电抗分量在积分器输出端相消为零，这样可有效抑制海水等导电背景信号。

2)双频跟踪技术。双频跟踪技术基于磁效应与工作频率无关的特点，是以f_H随机非线性变化接收信号(对象2)作为参考模型，以f_L随机非线性变化接收信号来进行跟踪，只要对两个工作频率下接收信号的增益进行适当控制，就可使磁性土双频背景信号自动相消，以有效抑制磁性土等导磁背景信号，这个适当的增益控制参数通过背景学习功能来设定，并由一适应状态观测器来完成双频跟踪。在进行探测作业时，通过背景学习功能设定的增益控制参数不再改变。

由前述可知，两个工作频率对金属目标具有不同的探测灵敏度，所以，双频跟踪技术不会影响对金属目标的检测。另根据低频对铁磁性物质灵敏的结论，将f_H接收信号作为参考模型，而将增益控制电路设计在f_L接收信号通路上。

为有效抑制温度效应所引起的直流漂移，除采用多层印制板接收线圈外，还采用反馈跟踪技术、双频跟踪技术、电压跟踪技术等来稳定电路。

1)反馈跟踪技术。反馈跟踪技术是指对f_H和f_L接收信号分别通过一低反馈深度的负反馈来稳定电路。

2)双频跟踪技术。双频跟踪技术用以进一步稳定电路，有效抑制温度效应所引起的直流漂移。将f_H接收信号的检测信号(对象1)视为参考模型，由状态观测器观测f_L接收信号，观测值与参考模型检测值进行比较，偏差为e₁，通过一增益控制器K来调整f_L接收信号增益，使e₁＝0，以进一步稳定电路，有效抑制温度效应所引起的直流漂移。由于温度效应所引起的直流漂移为慢变化背景信号，所以预估一较小的增益控制步进，使慢变化的直流漂移信号收敛而快变化的目标信号不被收敛，从而不影响对目标信号等快变化信号的检测。

3)电压跟踪技术。电压跟踪技术应用在自动校零电路中，它对用于校零的直流补偿电压U进行反极性跟踪，即U＝U₁+(-U₂)，由于U₁和U₂源自同一参考电压，所以U₁增加而(-U₂)减小，导致U不变，此设计可有效抑制由于电源不稳所引起的直流漂移。

背景学习功能用于设定各种背景信号的增益控制参数，学习时将探头静止且对地倾斜30°夹角以放大背景信号，并将f_H接收信号(对象2)视为参考模型，由适应状态观测器观测f_L接收信号的变化情况，观测值与参考模型检测值进行比较，偏差为e₂，适应机构通过可调系统中控制器C来调整f_L接收信号增益，使e₂＝0，记忆并设定增益控制参数。背景学习功能使双频金属探测器具有智能控制能力，操作方便实用。

Claims (8)

1.一种双频金属探测器，其特征在于包含：

双频发射电路，用于产生二个工作频率分别为f_L和f_H的交变磁场，其中频率f_L＜f_H，所述双频发射电路包括发射线圈，用于发射信号为f_L和f_H双频等幅叠加的连续信号，其中，双频发射电路发射的低频信号的频率f_L为2～6.6赫兹，双频发射电路发射的高频信号的频率f_H为6.6～20赫兹；以及

双频接收电路，包括：

接收线圈，用于接收被探测物体响应于所述双频等幅叠加的连续信号所产生的二次场；

移相线圈，用于使接收线圈所接收的信号产生一定的相移，并且使接收线圈所接收信号中所含f_L和f_H两个频率分量分别在移相线圈开启时与闭合时的相移相差90°、使接收线圈的谐振频率在移相线圈开启时大于频率f_H而在移相线圈闭合时小于频率f_L，并且使移相线圈开关开启时和闭合时接收线圈的Q值相等，即双频非谐振接收；

控制装置，用于交替开启和闭合所述移相线圈；以及

相敏检波器，用于响应于所述相移，以所述移相线圈开启和闭合的频率，时分检测出所述接收信号中f_L和f_H两个频率分量的电阻分量和电抗分量。

2.如权利要求1所述的双频金属探测器，其特征在于接收线圈为多层印制板接收线圈。

3.如权利要求2所述的双频金属探测器，其特征在于多层印制板接收线圈采用8字形差动连接。

4.如权利要求1所述的双频金属探测器，其特征在于所述相敏检波器采用全波相敏时分检波方式。

5.如权利要求1所述的双频金属探测器，其特征在于所述双频金属探测器还进一步包括积分器，用于对所述电阻分量和电抗分量信号进行积分处理，使海水等的背景信号电阻分量与电抗分量自动相消为零。

6.如权利要求1所述的双频金属探测器，其特征在于所述双频金属探测器还进一步包括增益控制器，用于对f_H和f_L两个工作频率下接收信号的增益进行控制以使磁性土双频背景信号自动跟踪相消为零。

7.如权利要求6所述的双频金属探测器，其特征在于所述双频金属探测器还进一步包括与所述接收线圈相连的适应状态观测器，用于对不同强度的磁性土，根据所述接收信号全自动地完成背景学习功能以设定进行所述增益控制器的增益控制参数，从而使不同强度磁性土的双频背景信号自动相消为零，扩大了作业的地域范围。

8.如权利要求1所述的双频金属探测器，其特征在于所述双频金属探测器还进一步包括反馈装置，用于采用闭环反馈跟踪技术进行直流检测以有效抑制温度效应所引起的直流漂移，使它具有静态探测和动态探测二种探测模式，以提高定位精度和分辨率，适应高热和严寒各种气候条件。

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