救灾盾构机用金属探测仪设计.doc

编号本科生毕业设计（论文） 题目： 救灾盾构机用金属探测仪设计 机械工程 学院 机械工程及自动化 专业学 号 0401070717 学生姓名 李银正 指导教师 周德强 讲师 二〇一一年六月II Abstract 摘 要救灾盾构机用金属探测仪是一种金属检出设备，它主要利用电磁感应原理，应用于灾后救援工作中对倒塌建筑物的建筑金属（主要是钢材和铝合金）产生感应信号，已达到报警和盾构机执行动作的功能要求地震之后，现场环境十分恶劣，如何及时成功救助是地震紧急救援中最重要的事，先进的技术与装备是提高救助成功率、最大限度地减轻人员伤亡的技术保障而在救灾过程中，碰到金属如钢筋等的阻挡是十分常见的，使得救助人员处于困境之中因此对救灾盾构机用金属探测仪设计的研究十分重要本文介绍了金属探测仪的研究现状，对于目前主流的应用原理及其优缺点进行了阐述并在此基础之上选择了SS495A型号霍尔元件的传感器进行了探头、放大电路的设计最后以基于COMSOL的仿真模型所得仿真数据和实验采集数据进行了科学的处理分析对比，得出了探头的提离高度与电压峰值的函数关系。

本文着重介绍了软硬件设计方案以及信号采集的实验过程信号的采集是本课题设计的关键，主要包括信号检测、硬件电路的调试、信号特征值的提取及函数表达等软件部分主要实现了检波数据分析、参数的设定和存储等通过实验展示了本课题研究的金属探测仪的检测效果和功能特点，并提出了部分改进措施最后，展望了金属探测仪的实践应用意义，并对整个设计过程进行总结，对金属探测仪的进一步探究提出了想法关键词：金属探测仪；信号采集与处理；传感器AbstractThe metal detector for the Relief Shield Machine is an equipment to detect metals, which bases on the principles of the electromagnetic induction. After the collapse of buildings, the metals (mainly steel and rail) in the Magnetic that the metal detector produces will produce a response of the signal. The metal detector can meet the shield machine’s requirement for the functions of warning and performing. The environment after the earthquake is very bad and the most important thing is how to complete the emergency aid successfully in time. The advanced technology and equipment is necessary to improve the success rate and the maximum possible number of casualties of security. While doing the relief processing, the block of metals is very common that may always make people in trouble. So the design study of metal detectors for relief shield machine of is very important.This article introduces the present study of metal detectors and the hall sensor ss495a is chosen for the probe design and enlargement of the circuit design. At last, the data from the simulation model based on COMSOL and the data from experiment are processed and analyzed and then the function of the probe’s height of lift off and the maximum voltage is given.This paper mainly introduces software design, hardware design and the collection of the experiment signal. signal gathering is the key issues of the design, including the signal detecting and the debugging of the hardware circuit, the characteristic value and functions of expression, etc. the software portion mainly includes the wave data analysis, parameters set and storage, etc. Experiment’s analyses show the metal detectors’ achievements and functional characteristics and made some improvement measures. Finally, I have an expectation of the practice of the application of the metal detector and then sum up the whole process of the design.Key Words: Metal detectors; signal collecting and processing; sensorsII目录目 录第1章 绪论 11.1 研究的目的和意义 11.2 金属探测仪的发展史 11.3 国内外研究现状 21.4 金属探测仪的发展趋势 51.5 本课题研究的内容 51.5.1 探头的设计 51.5.2 数据处理 51.5.3 报警、显示等电路设计 51.5.4 完成硬件与软件的调试 5第2章 金属探测仪理论基础 72.1 金属探测仪原理 72.2 线圈介质条件的变化 72.3 线圈探测金属的等效电路模型 82.3.1 非铁磁性金属 82.3.2 铁磁性金属 92.4 霍尔传感器原理 92.5 有效探测距离分析 10第3章 金属探测仪的硬件系统设计 133.1 探头的设计 133.1.1 霍尔元件的选择 133.1.2 线圈的绕制 143.2 信号放大器的设计 153.3 功率放大器的设计 163.4 传感器整体设计 173.5 NI-PXI数据采集系统 183.6 C8051F34X单片机简介及系统设计 203.6.1 C8051F34X系统概述 203.6.2 工作过程及主程序框图 203.6.3 AD转换 213.6.4 报警电路设计 22第4章 信号的采集及处理 234.1 金属探测仪的COMSOL仿真设计 234.1.1 COMSOL有限元分析软件 234.1.2 探头模型的建立及求解 244.2 LabVIEW程序设计 284.2.1 LabVIEW软件简介 284.2.2 基于NI的LabVIEW的采集信号程序的设计 284.3 数据采集 314.3.1 试块的介绍 314.3.2 系统调试 314.3.3 实验步骤 314.4 基于Matlab信号处理分析 354.4.1 Matlab软件简介 354.4.2 COMSOL仿真数据的分析 364.4.3 数字滤波器的设计 404.4.4 特征值的提取 434.4.5 误差分析 47第5章 结论与展望 495.1 结论 495.2 救灾盾构机用金属探测仪的应用展望 49参考文献 50致 谢 51ii救灾盾构机用金属探测仪设计第1章 绪论1.1 研究的目的和意义金属探测仪，也可称为金属探测器（Metal Detector），已经得到了广泛的运用，因此其主要技术原理已经比较成熟。

本文借鉴地下金属探测器的相关技术设计了一种用于救灾盾构机上探测建筑废墟中的金属，在大大增强救灾盾构机的工作精度的同时也方便了救灾人员的工作，保证了救灾人员的安全其作用就像是人的眼睛，可想而知其重要性根据本课题要求，在大量实验数据的基础上，经过科学计算，得出了较好的幅值-提离高度的对应关系并与基于COMSOL软件得出的仿真数据进行了比较，结果基本符合，比较理想本课题来源于生产实际地震之后，现场环境十分恶劣，如何及时成功救助是地震紧急救援中最重要的事，先进的技术与装备是提高救助成功率、最大限度地减轻人员伤亡的技术保障在救灾过程中，碰到金属如钢筋等的阻挡是十分常见的，使得救助人员处于困境之中为了实现对被困人员实施高效有序的救援，除了要确保紧急救援队伍反应迅速、机动性高和突击性强之外，设计出救灾盾构机用金属探测仪十分必要1.2 金属探测仪的发展史全球第一台金属探测器诞生于1960年，最初的金属探测器主要应用于工矿企业，其为检查矿产纯度和提高效益的得力帮手随后于1970年，随着社会的不断发展，金属探测器被引入一个新的应用领域——安全检查，其广泛运用于民航、公安、缉私和边防等领域，也就是今天我们所使用的金属探测器的雏形，它的出现意味着人类对安全的认知已步入了一个新的时代，一个产品的出现带动了一个行业的发展，于是安检这个既陌生又熟悉的行业开始进入市场。

随着国内安全防护行业的蓬勃发展，在安检领域，国内出现了多个金属探测器生产厂商，但在国内市场占有率上来看国外品牌占有80％的市场份额，民航市场也一直是国内金属探测器的禁区究其原因，大部分是因为产品质量不过关导致相关质量认证书拿不到其实，国内金属探测器产品的研发、生产和推广，近几年已获得较大进步但是，犹如其他电子类产品一样，金属探测器同样出现了电路仿制、功能趋同、华而不实的现象某些所谓生产厂商这种投入小、研发周期短的商业行为势必导致产品的一致性差，可靠性低以及安检产品社会信誉度降低，根本无法保证安检要求在70年代，随着航空业迅速发展，劫机和危险事件的发生使航空及机场安全逐渐受到重视，于是在机场众多设备中金属探测门扮演着排查违禁物品的重要角色同样在70年代，由于金属探测门在机场安检中的崭露头角，大型运动会(如奥运会)、展览会及政府重要部门的安全保卫工作中金属探测门成为必不可少的安检仪器发展到80年代，监狱暴力案件呈直线上升趋势，如何及早有效预防并阻止暴力案件发生成了监狱管理工作中的重中之重，在依靠警员对囚犯加强管理的同时，金属探测门再次成为了美国、英国、法国、日本等发达国家监狱管理机构必备的安检设备，平均每300个囚犯。