金屬探測器簡介------世界網絡創辦人 林和安

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           本文刊載於 中無通訊 第93期 ( 2020年10月版)。

       金屬探測器是一種廣泛用於探測金屬的電子儀器，可應用於多個領域。主要有三大類：電磁感應型，X射線檢測型，微波檢測型。在軍事上，金屬探測器可用於探測金屬地雷；在安全領域，可以探測隨身攜帶或隱藏的武器與作案工具；在考古方面，可以探測埋藏金屬物品的古墓，找到古墓中的金銀財寶與首飾或其他金屬制品；在工程中，可用於探測地下金屬埋設物，例如管道、管線等；在礦產勘探中，可用來檢測和發現自然金属顆粒；工業上，可用於在線監測，如去掉棉花，煤炭，食品中的金屬雜物等。本文將對常用的渦流式金屬探測器做一個簡單介紹。
什麼是渦流
      渦流現象，在1851年被法國物理學家萊昂·傅科所發現。是由於一個移動的磁場與金屬導體相交，或是由移動的金屬導體與磁場垂直交會所產生。簡而言之，就是電磁感應效應所造成。這個動作產生了一個在導體內循環的電流。
      磁場變化越快，感應電動勢就越大，渦流就越強；渦流能使導體發熱。在磁場發生變化的裝置中，往往把導體分成一組相互絕緣的薄片或一束細條，以降低渦流強度，從而減少能量的損耗；但在需要產生高溫時，又可以利用渦流取得熱量，如高頻電爐原理。
      當線圈中的電流隨時間變化時，由於電磁感應，附近的另一個線圈中會產生感應電流。實際上這個線圈附近的任何導體中都會產生感應電流。
如圖1所示，在一根導體外面繞上線圈，並讓線圈通入交變電流，那麼線圈就產生交變磁場。由於線圈中間的導體在圓周方向是可以等效成一圈圈的閉合電路，閉合電路中的磁通量在不斷發生改變，所以在導體的圓周方向會產生感應電動勢和感應電流，電流的方向沿導體的圓周方向轉圈，就像一圈圈的漩渦，所以這種在整塊導體內部發生電磁感應而產生感應電流的現象稱為渦流現象。導體的外周長越長，交變磁場的頻率越高，渦流就越大。導體內部的渦流也會產生熱量，如果導體的電阻率小，則渦流很強，產生的熱量就很大。

                                                                        
                                                                             圖1：渦流示意圖

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渦流式金屬探測儀原理
       渦流式金屬探測器主要是利用電磁感應的原理，利用有交流電通過的線圈，產生迅速變化的磁場。這個磁場能在金屬物體內部能感生渦電流。渦電流又會產生磁場，倒過來影響原來的磁場。渦流金屬探測器有一個流過一定頻率交變電流的探測線圈，該線圈產生的交變磁場在金屬物中激起渦流，隱蔽金屬物的等效電阻、電感也會反射到探測線圈中，改變通過探測線圈電流的大小和相位，從而探知金屬物。渦流金屬探測器可用於探測行李包中的槍支、埋於地表的地雷、金屬覆蓋膜厚度等。
                                       
                                      圖2金屬探測儀原理示意圖     

       金屬探測器的精確性和可靠性取決於電磁發射器頻率的穩定性，一般使用從80~800kHz的工作頻率。工作頻率越低，對鐵的檢測性能越好;工作頻率越高，對高碳鋼的檢測性能越好。檢測器的靈敏度隨著檢測範圍的增大而降低，感應信號大小取決於金屬粒子尺寸和導電性能。
       電渦流式金屬探測儀由4個基本部分組成：①電磁波輻射系統，利用探測線圈發出一束交變的磁通作為激發渦流的能源：②渦流信號接收系統，它能檢測到渦流引起的電磁場變化：③放大器，將接收系統獲得的電信號進行放大：④指示裝置和執行機構，發現金屬物體後產生音響及燈光報警信號，或使指示儀表的指針發生偏轉，或驅動繼電器的工作線圈發生動作等。

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       晶體三極管T1，、探測線圈L1，及電容元件構成卡比茲振盪器，振盪頻率由探測線圈的電感量L1、及電容C1、C2、C4決定。振盪器的輸出信號從T1的集電極通過C5、R4後藕合到晶體管T1，的基極。T2作為射極跟隨器，電壓增益小於1，信號從T2的發射極通過電位器R8，由晶體濾波器XTAL1（工作頻率1MHz)加到晶體管T3的基極。

                                                                     
                                                                     圖3電流式金屬探測儀原理電路圖

       晶體以串聯諧振方式工作，作為高選擇性窄帶帶通濾波器。振盪器輸出的高頻信號經過晶體濾波器之後，被二極管D2及晶體管T3的基射結檢波，產生的直流電壓被T3放大後由毫安表M1指示。

       現在來看一看探測線圈接近金屬物體時電路的工作情況。接通電源後，調節振盪器的工作頻率，使其等於晶體濾波器通頻帶的低端頻率(略低於1 MHz)，調節電位器R8使電流表M1的讀數為0.2mA。當探測線圈的周圍存在金屬物體時，金屬物體的渦流使探測線圈的電感量減小，從而使振盪頻率增大，晶體濾波器的阻抗減小，加到晶體管T3基極上的信號增大，使電流表的讀數增大。也可以將振盪頻率調到晶體濾波器通頻帶的高端頻率(略高於1MHz)，當探測線圈接近金屬物體時，將會使電流表的讀數減小。

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简易金屬探測器實驗
　　為了更好的完成此文，實踐金屬探測器原理，筆者特意從淘寶購買了一款簡易金屬探測器配件，包括電路板、元件及外殼在內僅需RMB十元。該金屬探測器電路圖如下：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4：簡易金屬探測器電路圖

　　Q1、L1、L2、C2、C3、R1、W組成高頻振蕩電路，調節電位器W，可以改變振蕩級增益，使振蕩器處於臨界振蕩狀態，也就是說剛好使振蕩器起振。Q2、Q3組成檢測電路，電路正常振蕩時，振蕩電壓交流電壓超過0.6V時,Q2就會在負半周導通將C4放電短路，結果導致Q3截止；當探測線圈L1靠近金屬物體時，會在金屬導體中產生渦電流，使振蕩回路中的能量損耗增大，正反饋減弱，處於臨界態的振蕩器振蕩減弱，甚至無法維持振蕩所需的低能量而停振，使Q2截止，R2給C4充電，Q3導通，推動蜂鳴器发聲。根據聲音有無，就可以判定探測線圈下面是否有金屬物體了。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5：簡易金屬探測器完成

　　該探測器只是用來做實驗，可近距離探測金屬例如手机、硬幣等，效果一般，實際尋寶用的探測器也是根據該原理做改進。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖６：手持式金屬探測器

　　筆者另外也購買了這一款手持式金屬探測器，成品價格不過六十元，就已經可用做一般安檢的金屬探測。
以上就是對現在常用的渦流金屬探測器所做的簡單介紹，歡迎大家多多交流。