一种信号放大方法、系统及金属探测器

技术领域

本发明涉及金属探测技术领域，尤其涉及一种信号放大方法、系统及金属探测器。

背景技术

金属检测器是一种检测金属类物体的技术，应用于排雷，探矿，食品安全，安检等领域。检测原理是系统发射一个电磁波，待探测金属在该电磁场中感应出涡流电流，接收线圈拾取到该涡流电流后再经过放大从而实现金属的探测。由于该信号叠加于同频的激励信号之上，因此需要一种电路来把初始输入的信号，在放大电路中合适的位置进行抵偿，以保证后级放大的信号不超过放大器线性工作范围。而现有的方法无法实现任意移相的功能进而导致在检测的过程中造成诸多不便的问题。

发明内容

本发明提供了一种信号放大方法、系统及金属探测器，以解决现有技术中存在的无法实现任意移相的功能进而导致在检测的过程中造成诸多不便的问题。

为了解决上述问题，本发明采用以下方案：

第一方面，本发明提供了一种信号放大方法，信号放大系统包括主控单元、数字移相单元、信号抵消单元以及信号输入单元；所述主控单元分别与所述数字移相单元、所述信号抵消单元以及所述信号输入单元连接；所述信号抵消单元分别与所述数字移相单元以及所述信号输入单元连接；所述方法包括：

所述主控单元向所述数字移相单元输入控制信号以及向所述信号输入单元输入驱动信号；

所述信号输入单元根据所述驱动信号向所述信号抵消单元输入放大信号；

所述数字移相单元根据所述控制信号向所述信号抵消单元输入反向信号；

所述信号抵消单元根据所述放大信号以及所述反向抵消信号向所述主控单元输出抵消信号。

其进一步的技术方案为，所述信号输入单元包括发射线圈、接收线圈以及带通放大器；所述主控单元向所述信号输入单元输出驱动信号，包括：

所述主控单元向所述发射线圈输出所述驱动信号；

所述接收线圈根据所述驱动信号产生正弦波，并将所述正弦波输入到所述带通放大器。

其进一步的技术方案为，所述信号输入单元根据所述驱动信号向所述信号抵消单元输入放大信号，包括：

所述带通放大器将所述正弦波转换为所述放大信号；

将所述放大信号输入到所述信号抵消单元。

其进一步的技术方案为，所述信号抵消单元包括加法器以及后级放大器；所述信号抵消单元根据所述放大信号以及所述反向抵消信号向所述主控单元输出抵消信号，包括：

所述带通放大器将放大信号以及所述数字移相单元将所述反向信号输入到所述加法器；

所述加法器将所述放大信号以及所述反向信号进行抵消得到所述抵消信号，并将所述抵消信号输入到后级放大器；

所述后级放大器将所述抵消信号输入到所述主控单元。

其进一步的技术方案为，所述信号抵消单元还包括转换单元；所述将所述放大信号输入到所述信号抵消单元，包括：

所述带通放大器将所述放大信号分别输入到所述加法器以及所述转换单元。

第二方面，本发明提供了一种信号放大系统，包括：主控单元、数字移相单元、信号抵消单元、信号输入单元以及所述转换单元；所述主控单元分别与所述数字移相单元、所述信号抵消单元、所述信号输入单元连接；所述信号抵消单元分别与所述数字移相单元、所述信号输入单元连接。

其进一步的技术方案为，所述信号输入单元包括发射线圈、接收线圈以及带通放大器；所述控单元分别与所述发射线圈、所述数字移相单元以及所述信号抵消单元连接；所述带通放大器分别与所述接收线圈以及所述信号抵消单元连接。

其进一步的技术方案为，所述信号抵消单元包括加法器、后级放大器以及转换单元；所述加法器分别与所述带通放大器、所述数字移相单元以及所述后级放大器连接；转换单元分别与所述后级放大器、所述带

通放大器以及所述主控单元连接。

其进一步的技术方案为，所述加法器包括第一端口、第二端口、第三端口、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻以及运算放大器；所述第一端口分别与所述带通放大器以及第一电阻连接；所述第二端口分别与所述数字移相单元以及第二电阻连接；所述第三端口分别与所述第三电阻、所述运算放大器以及所述后级放大器连接；所述运算放大器分别与所述第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻连接。

第三方面，一种金属探测器，包括用于执行如第一方面所述的方法的单元；

有益效果：

所述主控单元向所述数字移相单元输入控制信号以及向所述信号输入单元输入驱动信号；所述信号输入单元根据所述驱动信号向所述信号抵消单元输入放大信号；所述数字移相单元根据所述控制信号向所述信号抵消单元输入反向信号；所述信号抵消单元根据所述放大信号以及所述反向抵消信号向所述主控单元输出抵消信号。可以通过数字移相单元输入控制信号，直接实现相位与幅值与背底信号的同向同比例或者反向同比例，进而实现任意移相的效果，进而解决了现有技术中存在的无法实现任意移相而存在的效率低的问题。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种信号放大方法的流程示意图；

图2为本发明实施例2提供的一种信号放大系统的结构图；

图3为本发明实施例3提供的一种信号放大系统的结构图；

图4为本发明实施例4提供的一种信号放大系统的加法器的结构图。

附图标注

主控单元1、数字移相单元2、数字频率合成芯片DDS21、可变增益放大器22、信号抵消单元3、加法器31、后级放大器32以及转换单元33、信号输入单元4、发射线圈41、接收线圈42、带通放大器43。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

实施例1

参见图1，本发明实施例1提供了一种信号放大方法，信号放大系统包括主控单元、数字移相单元、信号抵消单元以及信号输入单元；所述主控单元分别与所述数字移相单元、所述信号抵消单元以及所述信号输入单元连接；所述信号抵消单元分别与所述数字移相单元以及所述信号输入单元连接；实施例1的方法信号放大包括步骤：S101-S104。

S101，所述主控单元向所述数字移相单元输入控制信号以及向所述信号输入单元输入驱动信号。

对于锁相放大变换技术，把高频的载波信号转变为低频信号再做数字变换，在变换后，有用频谱在直流与低频段，因此需要用模拟滤波器进行低通滤波，由于模拟滤波器的衰减特性很慢。一般需要多级多阶低通电路，这导致冲击响应很差，信号失真也比较严重。在安检领域应用中，在需要高流量通过的场合下，不能把通过率做到太高。如果还需要精确测量通过金属的相位来判断金属的材质的情况下，准确度明显下降。

对于多级直接放大技术，由于信号没有经过变换，信号在数字量化后，可以用高阶数字滤波器进行低通滤波，实现比模拟滤波器理想很多的响应，但是由于目前的ADC芯片设计技术与热噪声的限制，并不能直接对线圈接收到的涡流信号进行量化。如果系统增益很大(通常需要放大40-70dB)，则要求输入的信号在静态的情况下，要接近于零。但是安检门在安装及使用过程中，门框体会有一定的形变，这导致出厂调试好的零点发生偏移。另一方面当设置的频率改变后，零点输出值也会有明显的变化，因此需要一种电路来把初始输入的信号，在放大电路中合适的位置进行抵偿，以保证后级放大的信号不超过放大器线性工作范围。

因此，通过主控单元向所述数字移相单元输入控制信号以及向所述信号输入单元输入驱动信号，使数字移相单元输出对应的控制信号以及使得信号输入单元输入驱动信号，驱动产生的放大信号，进而能够在信号抵消单元将控制信号所转换成的反向抵消信号以及放大信号进行抵消。

S102，所述信号输入单元根据所述驱动信号向所述信号抵消单元输入放大信号。

具体而言，所述信号输入单元包括发射线圈、接收线圈以及带通放大器，通过主控单元向发射线圈发射驱动信号，进而产生的正弦波给到接收线圈，带通放大器根据接收到的正弦波来进行转换并放大生成放大信号，再由带通放大器将生成的放大信号输入到信号抵消单元。

在一实施例中，所述信号输入单元包括发射线圈、接收线圈以及带通放大器；所述主控单元向所述信号输入单元输出驱动信号，包括：

所述主控单元向所述发射线圈输出所述驱动信号；

所述接收线圈根据所述驱动信号产生正弦波，并将所述正弦波输入到所述带通放大器。

具体地，如上述所说，通过主控单元向发射线圈发射驱动信号，进而产生的正弦波给到接收线圈，带通放大器根据接收到的正弦波来进行转换并放大生成放大信号，再由带通放大器将生成的放大信号输入到信号抵消单元，以过滤掉不需要的有用信号频率以外的噪声，提高探测灵敏度。接收线圈有调零的结构，生产过程中，通过调节，保证在无金属通过的时候输出的接收信号在比较小的范围以内。

S103，所述数字移相单元根据所述控制信号向所述信号抵消单元输入反向信号。

具体而言，数字移相单元可以具体为固定幅值输出的数字频率合成芯片(DDS)和可变增益放大器，数字移相单元还可以为利用高精度数模转换芯片(DAC)。通过固定幅值输出的数字频率合成芯片(DDS)，配合可变增益放大器，实现相位与幅值与背底信号的同向同比例或者反向同比例，再经过加法器实现信号抵消的功能。

在一实施例中，所述信号输入单元根据所述驱动信号向所述信号抵消单元输入放大信号，包括：

所述带通放大器将所述正弦波转换为所述放大信号；

将所述放大信号输入到所述信号抵消单元。

具体地，通过带通放大器将所述正弦波转换为所述放大信号，再通过带通放大器将所述放大信号输入到所述信号抵消单元，可以使得该信号一方面计算出这时的相位与幅值，以产生相位相反的抵消信号给加法器，另一方面在通过比较大的金属时，后级放大器输出信号溢出了，超过了放大器线性工作范围，这时可以直接用前级放大的信号用于处理与判断。这样系统的的测量动态范围得以大大提高。

S104，所述信号抵消单元根据所述放大信号以及所述反向抵消信号向所述主控单元输出抵消信号。

具体地，通过信号抵消单元根据所述放大信号以及所述反向抵消信号向所述主控单元输出抵消信号，可以使得放大信号以及所述反向抵消信号在信号抵消单元中进行抵消进而送入到主控单元当中，这样可以得到良好的抵消效果。

在一实施例中，所述信号抵消单元根据所述放大信号以及所述反向抵消信号向所述主控单元输出抵消信号，包括：

所述带通放大器将放大信号以及所述数字移相单元将所述反向信号输入到所述加法器；

所述加法器将所述放大信号以及所述反向信号进行抵消得到所述抵消信号，并将所述抵消信号输入到后级放大器；

所述后级放大器将所述抵消信号输入到所述主控单元。

具体地，通过所述带通放大器将放大信号以及所述数字移相单元将所述反向信号输入到所述加法器；所述加法器将所述放大信号以及所述反向信号进行抵消得到所述抵消信号，并将所述抵消信号输入到后级放大器；所述后级放大器将所述抵消信号输入到所述主控单元，可以使得后级放大器将所述抵消信号输入到ADC模数转换电路中进而给主控单元进行信号处理。

在一实施例中，所述信号抵消单元还包括转换单元；所述将所述放大信号输入到所述信号抵消单元，包括：

所述带通放大器将所述放大信号分别输入到所述加法器以及所述转换单元。

具体地，如上述所说通过所述带通放大器将所述放大信号分别输入到所述加法器以及所述转换单元，信号一方面计算出这时的相位与幅值，以产生相位相反的抵消信号给加法器，另一方面在通过比较大的金属时，后级放大器输出信号溢出了，超过了放大器线性工作范围，这时可以直接用前级放大的信号用于处理与判断。这样系统的的测量动态范围得以大大提高。

实施例2

参见图2，本发明实施例2提供了一种信号放大系统，包括：主控单元1、数字移相单元2、信号抵消单元3、信号输入单元4；所述主控单元1分别与所述数字移相单元、所述信号抵消单元3、所述信号输入单元4连接；所述信号抵消单元3分别与所述数字移相单元2、所述信号输入单元4连接。

在本发明实施例中，数字移相单元2可以具体为固定幅值输出的数字频率合成芯片DDS21和可变增益放大器22。通过固定幅值输出的数字频率合成芯片DDS21，配合可变增益放大器22，实现相位与幅值与背底信号的同向同比例或者反向同比例，再经过加法器实现信号抵消的功能。

进一步的，所述信号输入单元4包括发射线圈41、接收线圈42以及带通放大器43；所述控单元分别与所述发射线圈41、所述数字移相单元2以及所述信号抵消单元3连接；所述带通放大器43分别与所述接收线圈42以及所述信号抵消单元3连接。

具体地，通过所述控单元分别与所述发射线圈41、所述数字移相单元2以及所述信号抵消单元3连接；所述带通放大器43分别与所述接收线圈42以及所述信号抵消单元3连接，可以使得所述数字移相单元2输入到的控制信号以及信号输入单元4输入到信号抵消单元3的放大信号在信号抵消单元3进行抵消。

进一步的，所述信号抵消单元3包括加法器31、后级放大器32以及转换单元33；所述加法器31分别与所述带通放大器43、所述数字移相单元2以及所述后级放大器32连接；转换单元33分别与所述后级放大器32、所述带通放大器43以及所述主控单元1连接。

具体得，通过所述加法器31分别与所述带通放大器43、所述数字移相单元2以及所述后级放大器32连接；转换单元33分别与所述后级放大器32、所述带通放大器43以及所述主控单元1连接。可以使得所述数字移相单元2输入到的控制信号以及信号输入单元4输入到信号抵消单元3的放大信号在加法器31中进行抵消。这样加法器31输出又是很小的信号了，再送入后级放大器32，后级放大器32放大后经过转换单元33转换成数字信号送入主控单元1进行信号处理。

进一步地，所述加法器31包括第一端口Uil、第二端口Ui2、第三端口U0、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4以及运算放大器Y1；所述第一端口Uil分别与所述带通放大器43以及第一电阻R1连接；所述第二端口Ui2分别与所述数字移相单元2以及第二电阻R2连接；所述第三端口U0分别与所述第三电阻R3、所述运算放大器Y1以及所述后级放大器32连接；所述运算放大器Y1分别与所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第四电阻R4连接。

具体地，加法器31的典型电路，比如Uil为前级放大器输入，Ui2为DAC电路或者可变增益放大输出，U0为加法器31输出。假设Uil的输入信号用时间公式描述为：

U

U

其中A为信号的幅值，θ为信号的相角，ω为信号的角频率。

加法器31的放大基本放大公式：

要满足任何时候，U

在上式中，当θ

实施例3

参见图3，发明实施例3提供了一种信号放大系统，包括：主控单元1、数字移相单元2、信号抵消单元3、信号输入单元4；所述主控单元1分别与所述数字移相单元、所述信号抵消单元3、所述信号输入单元4连接；所述信号抵消单元3分别与所述数字移相单元2、所述信号输入单元4连接。

在本发明实施例中，数字移相单元2可以具体为高精度数模转换芯片(DAC)。通过高精度数模转换芯片(DAC)可直接实现相位与幅值与背底信号的同向同比例或者反向同比例，再经过加法器31实现信号抵消的功能。

进一步的，所述信号输入单元4包括发射线圈41、接收线圈42以及带通放大器43；所述控单元分别与所述发射线圈41、所述数字移相单元2以及所述信号抵消单元3连接；所述带通放大器43分别与所述接收线圈42以及所述信号抵消单元3连接。

具体地，通过所述控单元分别与所述发射线圈41、所述数字移相单元2以及所述信号抵消单元3连接；所述带通放大器43分别与所述接收线圈42以及所述信号抵消单元3连接，可以使得所述数字移相单元2输入到的控制信号以及信号输入单元4输入到信号抵消单元3的放大信号在信号抵消单元3进行抵消。

进一步的，所述信号抵消单元3包括加法器31、后级放大器32以及转换单元33；所述加法器31分别与所述带通放大器43、所述数字移相单元2以及所述后级放大器32连接；转换单元33分别与所述后级放大器32、所述带通放大器43以及所述主控单元1连接。

具体得，通过所述加法器31分别与所述带通放大器43、所述数字移相单元2以及所述后级放大器32连接；转换单元33分别与所述后级放大器32、所述带通放大器43以及所述主控单元1连接。可以使得所述数字移相单元2输入到的控制信号以及信号输入单元4输入到信号抵消单元3的放大信号在加法器31中进行抵消。这样加法器31输出又是很小的信号了，再送入后级放大器32，后级放大器32放大后经过转换单元33转换成数字信号送入主控单元1进行信号处理。

进一步地，所述加法器31包括第一端口Uil、第二端口Ui2、第三端口、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4以及运算放大器Y1；所述第一端口Uil分别与所述带通放大器43以及第一电阻R1连接；所述第二端口Ui2分别与所述数字移相单元2以及第二电阻R2连接；所述第三端口分别与所述第三电阻R3、所述运算放大器Y1以及所述后级放大器32连接；所述运算放大器Y1分别与所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第四电阻R4连接。

具体地，加法器31的典型电路，比如Ui1为前级放大器输入，Ui2为DAC电路或者可变增益放大输出，U0为加法器31输出。假设Ui1的输入信号用时间公式描述为：

U

U

其中A为信号的幅值，θ为信号的相角，ω为信号的角频率。

加法器31的放大基本放大公式：

要满足任何时候，U

在上式中，当θ

本实施例还提供了一种金属探测器，包括用于执行如实施例1所述的信号放大方法的单元。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而目还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所发明的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。