（电机与电器专业论文）智能双频金属探测器的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h e t r a d i t i o n a lm e t a ld e t e c t i o ns y s t e m sa l em o v i n gt o w a r dan e wd i r e c t i o no fr e n o v a t i n g a n dd e v e l o p i n g t h ei n i t i a lm e t a ld e t e c t o r sa r em a i n l yu s e di ni n d u s t r i a ld e t e c ta n d m i l i t a r ym i n e d e t e c t i o n b u tn o wa r ew i d e l yu s e di nt r a v e ls e c u r i t y ，s u c ha st h e q u a l i t ya n ds a f e t yt e s t i n go ff o o d ，t e x t i l e s 、w o o d ，t o y s ，m e d i c a lp r o d u c t i o ne t c 。w i t h t h ec o n t i n u o u sa d v a n c e m e n to ft e c h n o l o g ya n dt h ee f f e c to fm e t a ld e t e c t o r si ns o c i a l l i f e h o wt oe n h a n c et h ec a p a b i l i t yo fm e t a ld e t e c t i o ne q u i p m e n t s ，b e c o m ea nu r g e n t i s s u ei nt h a ta r e a t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st od e s i g nad u a lf r e q u e n c yd i g i t a lm e t a ld e t e c t o r s y s t e m i tn o to n l yc a nd e t e c tt h em a g n e t i cm e t a l ，b u ta l s oc a n d e t e c tt h en o n - f e r r o u s m e t a lw i t hh i 曲a c c u r a c y w i t hi nt h i s ，i tc h a n g e st h es i n g l et y p ea n dl o wa c c u r a c yo f o r d i n a r y m e t a ld e t e c t o r sf r o mw o r k i n gm o d e t h i sd e t e c t i n gs y s t e m u s e m u l t i c h a n n e ls y n c h r o n o u sd i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ( d d s ) t e c h n o l o g yt op r o d u c e s i n u s o i d a ls i g n a l ，t h r o u g ht h ee d d yc u r r e n ts e n s o r sd e t e c t sm e t a l l i cm a t e r i a l u s e t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7s y s t e ma sc p u ，a c h i e v i n ga u t o c o n d i t i o n i n gs y s t e mp a r a m e t e r sw i t h s e l f - l e a r n i n ga l g o r i t h m t h i sp a p e ra l s od e s i g n sag o o dm a n 。m a c h i n ec o n v e r s a t i o n i n t e r f a c et oi m p r o v et h er e a d a b i l i t ya n dm a n e u v e r a b i l i t yo ft h em e t a ld e t e c t o r s t h i sp a p e re x p l a i n st h es y s t e md e t a i l e d l yf r o mt w oa s p e c t s ：t h e o r ya n a l y s i so f m e t a ld e t e c t i o na n dd e s i g n i n go fd u a l f r e q u e n c ym e t a ld e t e c t o r t h ef o r m e ro n e d i s c u s s e st h es c o p ea n dp h a s i cc h a r a c t e r i s t i co fm e t a lm a t e r i a lf r o me l e c t r o m a g n e t i c f i e l d ，a n de d u c e sac o n c l u s i o no fd e t e c t i n gf r e q u e n c ya n dd i f f e r e n tm e t a l h a v e p e r t i n e n c e i nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g no ft h es y s t e mi sd i v i d e di n t ot h r e em a j o rp a i r t s ： t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dc o l l e c t i v i t yc o n f o r m a t i o no fd e t e c t i n gs y s t e m 、s y s t e m h a r d w a r ed e s i g n i n g ，s y s t e ms o f t w a r ed e s i g n i n g i nt h ef i r s tp a r t ，m a i n l ye x p a t i a t et h e w o r k i n gp r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o np r o j e c to f t h ew h o l es y s t e m ；t h eh a r d w a r ed e s i g n i n g p a r tf r o md e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gc i r c u i tg oi n t op a r t i c u l a r s t h ed e s i g np r o c e s so f s e n d i n g 、i n c e p t i n g 、d e m o d u l a t i o na n de d d yc u r r e n ts e n s o r e s p e c i a l l yi n t r o d u c e t h e i i a b s t r a c t i n t e r f a c ed e s i g n i n go fd s pa n ds c m ，i n c l u d i n gs c ib u n c hi n t e r f a c ec o r r e s p o n d i n g h a r d w a r ec i r c u i td e s i g n i n g ，w h i c hi sb a s eo nr s - 4 8 5 ；i ns o f t w a r ed e s i g n ，m a i n l y e x p a t i a t et h ed s ps y s t e ma n dm a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o np r o g r a mf l o wi nc c s ， u v i s i n ，a n dd e s c r i b e dt h er e a l i z a t i o no fs e l f - l e a m i n gm e t h o d o l o g i c a lp r o c e s s ，a n d t h e ne x p a t i a t et h es o f t w a r ed e s i g n i n go fs c ib u n c hi n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o n f i n a l l y ，t h i sp a p e rg i v e st h er e s u l t so fs y s t e mt e s t i n g f r o mt h ea n a l y s i so f e x p e r i m e n t , t h ed u a lf r e q u e n c yd i g i t a lm e t a ld e t e c t o rs y s t e mn o to n l yc a nd e t e c tt h e m a g n e t i cm e t a l ，b u ta l s oc a nd e t e c tt h en o n f e r r o u sm e t a l 谢t hl l i g ha c c u r a c y ；t h e e n t i r es y s t e m sr e a d a b i l i t ya n dm a n e u v e r a b i l i t ya r eg o o d ；，e a s yt ou p g r a d e e x p a n s i o n ； c o s te f f e c t i v ea n dh a sag o o dp r o s p e c t k e yw o r d s ：m e t a ld e t e c t o r ；p h a s e - s e n s i t i v ed e m o d u l a t i o n ；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ；r s 一4 8 5 ； d d s i i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌丕堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写：矾咏冬 签字日期：p 。苫年卜月砂。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：黔而与导师签名：i 刁勿吁 j 签字日期：2 。啄年f 调日签字日期：硎苫年2 月加日 第1 章绪论 第1 章绪论 金属探测器( m e t a ld e t e c t o r ) 是一种专门探测金属类物质的仪器。过去相 当长的时期内，金属探测器主要用于工矿业和安全部门做大件金属异物的检测。 随着电子技术和微计算机技术的发展，金属探测器的性能得到大幅度提高，并 逐步应用于细微金属颗粒的检测，比如食品、纺织行业的质量安全检测。 1 1 金属探测器概述 1 1 1 金属探测器发展简史l i1 5 l 上世纪6 0 年代，世界第一台金属探测装置诞生在英国，当时采用模拟电路 器件来设计，主要用于工矿行业中的矿物质金属含量的检测。 2 0 世纪7 0 年代初，芬兰麦特瑞克( m e t o r e x ) 安全产品公司研制出世界 上第一台用于安检的金属探测门，并首先在美国芝加哥机场投入使用，它的出 现意味着人类对安全的认识步入新纪元。随着社会的不断发展，金属探测器广 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。同样在7 0 年代，随着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、世博会) 、展览会及政府重要部门的安全保卫工作中也开始启用 金属探测门作为必不可少的安检仪器。 2 0 世纪8 0 年代，监狱暴力案件呈直线上升趋势，如何有效预防并阻止暴力 案件的发生成了监狱管理工作中的重中之重，在警员对囚犯加强管理的同时， 金属探测门再次成为美国、英国、比利时等发达国家监狱管理机构必备的安检 设备，平均每3 0 0 个囚犯就使用一台金属探测门；与此同时，西方兴起的“寻 宝热”，也使手持式、便携式金属探测器得到长足的发展。此时金属探测器又得 到一次飞速发展的机会，并开始向小型化、电子化过渡。 进入9 0 年代，由于电子制造业在全球兴起，大型的电子公司为了减少产品 流失、结束员工与公司之间的尴尬局面，陆续采用金属探测门和手持式金属探 测器作为管理员工行为、减少产品流失的利刃。于是金属探测器又有了它新的 第1 章绪论 角色产品防盗。随着8 位单片机发展到1 6 位、3 2 位单片机，再到功能强大 的d s p ( 数字信号处理器) ，金属探测器开始引用微机控制技术，逐步向数字化 过渡，性能得到更大提升。 9 1 1 事件以后，反恐成为国际社会一个重要议题。爆炸案、恐怖活动的猖獗 使恐怖分子成了各国安全部门誓要打击的对象，国际社会对“安全防范”的认 知也被提到一个新的高度。此时简单的通道式金属安检门已不能完全满足安检 的要求，安保人员需要的是一种能准确判定金属物品藏匿位置的安检产品，于 是出现了多区位金属探测技术。原来单一的磁场分布变成了现在相互叠又相对 独立的多个磁场，再根据人体工程学原理把门体分为多个区段使之与人体相对 应，相应的区段在金属探测门上形成相对的区域，这样金属探测门便拥有了报 警并定位的功能。 4 0 多年过去了，金属探测器经历了几代探测技术的变革，从最初的信号模 拟技术到连续波技术直到今天所使用的数字脉冲技术，金属探测器简单的磁场 切割原理也被引入多种科学技术成果，无论是灵敏度、分辨率、探测精确度还 是工作性能上都有了质的飞跃。应用领域也随着产品质量的提高延伸到了多个 行业，其中也包括制造业以及食品行业。食品是人们日常生活中不可或缺的物 质资源，其质量的好坏直接影响人们的生活质量与身体健康。在食品生产过程 中，金属探测器的应用是质量控制的有效手段之一。目前，食品行业普遍实行 国际食品技术委员会h a c c p ( 危害分析及临界控制点) 质量体系认证，为食品 安全提供强有力的保障。在实施h a c c p 过程中，金属检测常被确定为关键控制 点而受到更多重视。如今，众多的食品生产企业正开始引进金属检测设备，为 食品安全生产把关。这也给金属探测器进一步智能化、精密化提出更高的要求。 事实上，今天的金属探测器可从事的工作相当繁多，而且它们当中的一部 分外观上根本不像传统的金属探测器。它们可被制成诸如椅子等形状的物品， 亦可被藏匿在门框上，它们重量极轻，可随身携带，运用自如。探测的物品不 仅仅局限于标准的武器或刀具，还可以探测计算机芯片之类的元件以及微量的 黄金碎渣。随着社会的进步和科技的发展，金属探测器的技术性能将不断改进， 它的应用也会越来越广泛。 2 第1 章绪论 1 1 2 金属探测器的应用及国内外现状 金属探测器的应用日益广泛，效益可观。几千元一台的金属探测器可以保 护价值数十万元的矿石破碎机，几万至几十万元一套的安全门式金属探测器， 可以保护价值上千万元乃至上亿元的飞机及人身安全。因此对金属探测器的研 究和生产引起国内外专家的高度重视。我国在冶金、食品等行业中，先后引进 日本、澳大利亚等国研制的金属探测器，在北京、上海、青岛、赣东北、本溪 等地也相继开发出多种型号的金属探测器，并在生产中广泛应用。目前，金属 探测器从用途上可以分为三种类型【6 】： ( 1 ) 安装在冶金、烧结、化工、玻璃、造纸、水泥等工厂和矿山生产线的自 动传送皮带上，用以检测矿石、烟草等原料中混入的废金属，保护破碎机不受 损坏，此类称为工业型金属探测器。 ( 2 ) 随着交通、旅游、金融和娱乐事业的发展，在机场、银行、珠宝店和珠 宝制造厂、贵金属矿、贵金属加工厂等，需要对过往人员进行检测，以使贵重 物品不丢失及排除危险品、枪支等，此类称为安全型金属探测器。 ( 3 ) 随着人们生活水平的提高，对于衣食住行的关注越来越多，在食品加工、 食品包装、成衣制作、纺织制品、木材加工等，需要对其加工过程或者出厂产 品进行检测，是否含有细微金属颗粒或金属碎屑，是否达到国际食品技术委员 会h a c c p ( 危害分析及临界控制点) 基本准则的相应要求，防止对人们的生命 安全造成不必要的伤害，此类称为生活型金属探测器。 国内金属探测器的研究和发展目前多集中在安检领域，出现了多个金属探 测器生产厂商，但从国内市场占有率看，国外品牌占有8 0 的市场份额，民航 市场也一直没有国产金属探测器的出现。其原因主要是，大部分产品因质量不 过关，而拿不到相关的认证。国内金属探测器产品的研发、生产和推广在近几年 已获得较大进步，但同其他电子类产品一样，也出现了电路仿制、性能趋同、 功能繁多、华而不实的现象。目前，国内用于安检的金属探测器只能检测金属 物品，而像炸药、毒品等非金属危险品却无法检测，虽然某些公司现已进入实 验开发阶段，但真正推出使用还需要一段时间【2 】。 目前金属探测器的传感器大多数为电感式、电容式、磁敏式、电磁场式、 电涡流式传感器，有自己特定的应用场合，主要检测较大游离状的金属物质， 测量精度不高，不能进行在线检测，也不能根据检测对象的不同修改相关的测 3 第1 章绪论 量参数，系统功能较少，尤其是电容式在检测中受现场干扰太大，测量结果失 真，都不适合食品和纺织品中微颗粒状金属异物的检测。因此，国内用于食品 和纺织等领域的金属探测器还很少，近几年才相继出现了一些开发和生产此类 金属探测器的企业，但其中一部分主要生产模拟式金属探测器，其结构简单、 功能单一，检测精度也不高。经过几年的发展，国内部分企业推出了自己的数 字式金属探测器，比如上海太启公司的i m d 型金属检测仪，其综合性能相对模 拟式已经有了大幅度提高，比如对铁的检测精度达到矽o 8 n l r n 左右，对不锈钢达 到矽2 0 m m 左右。但从整体上来说，无论是检测精度还是自动化水平都和国外先 进的金属检测设备存在一定的差距。 国外适合于食品、纺织行业的金属探测器也很少，其传感器大多采用电涡 流、电磁场，超声波、图像扫描等方式，如日本、美国、英国和德国都有此类 装置，但价格比较贵。其中性能比较突出的是日本安利公司的d u w 系列金属探 测器，具备较高的检测灵敏度和稳定性，而且采用了自动算法设定和相位跟踪 机能，在国际上较为先进。最近，金属探测技术也逐步趋向复杂化和多功能化， 南非生产的g o l d f i n g e r 型金属探测器，它通过二维检测，在监视屏幕上标出 被检测者身上携带金属物的位置，灵敏度最高可检出0 5 9 的黄金。x 光红外探 测器系列，能够指示在食品中金属杂质所在的位置和大小，同时应用在安检领 域也提高了检测的水平。金属探测器的另一个技术进步就是分段限时技术的出 现，世界几大著名的金属探测器生产厂商，比如e 1p a s o 、c e i au s a 、 r a n g e r & m e t o r e x 等，均投入了相当的资金从事这项研究、开发工作。它利用探 测器侧面或另一仪表盘上的灯光来指示或显示出人体中金属物品的近似位置【3 】。 目前，研究人员还在研究利用电磁波谱的另外一部分：万亿赫兹辐射或称t 射 线。t 射线有可能改变诸如机场安全和医学成像等领域的现状，这样食品加工商 能探测密封包装食品的含水量，以确保其新鲜度。 1 1 3 金属探测器工作原理简述 感应式金属探测器根据实现原理和检测线路的不同，可分以为四种类型： 差拍式、自激振荡式、耗能式和平衡式。下面对它们的工作原理作简单介绍。 ( 1 ) 差拍式【7 】 差拍式金属检测装置工作原理图如下： 4 第1 章绪论 图1 1 差拍式金属探测原理图 振荡电路的参数确定以后，振荡频率行与电感量l 和不变的电容c 有关电 感量的增减与被测物体的性质和大小有关。当被探测物体是铁磁性材料时，由 于导磁率高，使探测线圈的总电感量增加，变成三+ 址，；当被检测物体是非磁 性材料的金属，由于金属物体的涡流损耗，使探测线圈的电感量减少，变成 三一址：，通常缸，a t ，它们的大小取决于被探测物体的性质和形状。参考振 荡器的振荡频率厶略大于石，行与厶在混频器中混频，可得到两种频率，即 “+ 六) 和敞一z ) 。再通过滤波器选取需要的差频信号( 后者) 送入放大器，经 放大后输出，推动灯光显示或者报警。 ( 2 ) 自激振荡式【。7 】 自激振荡式金属探测器多数采用l c 振荡器作为金属物体的探测电路，工厂 或矿山应用较多。其检测原理图如下： 图1 2 自激式探测原理图 探测线圈安装在输送矿石或其它物料的传送带上，作为振荡器振荡回路的 电感。振荡器在正常情况下输出等幅的交流电压，检波后为不变的直流电压， 因而输出微分信号为零。当金属物体经过线圈时，振荡器的振幅降低后又恢复， 检波后的直流电压产生一个降低的波动，经微分电路微分后，将有脉冲信号输 出。此脉冲信号经放大器放大后，推动继电器动作，并进行显示或报警。 5 第1 章绪论 ( 2 ) 能耗或功率吸收式【8 j 与一般金属探测器不同，它为多频工作，主要用于安检领域。其系统较复 杂，成本较高。主要由四部分组成：激励电路、激励线圈、信号测量和处理电 路、指示和报警电路。其工作原理主要是，将被检测物体对应激励频率的同相 或异相分量与报警物体对应的给定量逐个做比较，若两者相符合，则系统报警。 耗能式会属探测器在安全检查方面有着很重要的作用，随着目前恐怖分子 的不断制造恐怖活动比如人体炸弹，各个国家越来越重视它的应用。 ( 4 ) 平衡式【刿 平衡式的结构稳定可靠，检测性能较高，能更好的结合现有的先进控制技 术，是金属探测器发展的趋势。其工作原理图如下： 图1 3 平衡式金属探测器工作原理框图 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。当 含有金属杂质的产品通过传感器时，线圈周围的磁场发生变化，在接收线圈处 检测出由磁场变化引起的电压差，通过滤波电路滤除高频干扰信号，放大所需 的低频电压信号，由此判断检测结果并驱动相应的显示、报警电路。 平衡式探测器的另一个特点在于它的传感器部分比其他形式的传感器多采 用了一个平衡补偿线圈。由于电子元件有一定的使用寿命和工作范围，当工作 环境复杂时，很容易受到外界的干扰，不能按正常特性工作。当传感器的接收 信号由于外界干扰产生较大变化时，检波信号必然要受到影响。根据闭环负反 馈控制原理，为减小输出信号受外界因素的干扰，需要对自身输入信号进行一 定的补偿，所以在这里增加一个补偿线圈，补偿线圈的信号来源于检波信号的 直流分量。 6 第1 章绪论 1 2 题来源以及研究的意义和目的 本课题来源于上海太启( t e c h i k ) 信息技术有限公司的一个科研项目。该公 司近年来一至致力于数字化金属探测仪器的研制和开发，本课题的目的是开发 新一代通道式双频金属探测器。 1 2 1 课题的研究意义 目前国内金属检测设备正逐步从模拟时代过渡到数字时代。模拟式金属探 测器使用的电子元件大多是电子管和晶体管，线路庞大而且功耗较高。随着电 子器件大规模集成电路和微处理芯片的广泛应用，使得金属探测器逐步向数字 化、智能化方向发展，出现了能自动进行a g e b ( 自动大地效应平衡) 操作以及 具有数据处理功能的金属探测器，在检测性能上有大幅度的提高【3 j 。国内用于食 品、纺织行业的金属探测器正逐步采用数字式仪器，但还处于应用的初级阶段， 主要为单频率检测方式。目前用于该领域的金属探测器还存在以下几个问题： 1 ) 检测种类单一。由于金属检测灵敏度与工作频率的相关性，单频工作方 式只能以较高的精度检测出一类金属物质，比如低频信号对铁磁性金属的检测 精度较高，而对非铁磁性金属( 不锈钢类) 的检测精度则较差。目前国内自主 设计的金属探测器主要采用单频检测，包括模拟式和数字式，检测种类都很单 一，而国际上先进的探测装置可以同时探测两种以上的金属或者磁性物质，比 如日本安利公司最近开发的d u w 系列探测机。 2 ) 检测精度较低。国内的金属探测器技术相对落后，具有“在线检测 功 能的较少，即使具备“在线检测功能，也仅仅是与单片机相连接，处理数据 的能力是有限的，因此总的检测精度仍不高。国际上先进的探测器铁检测精度 已经达到了矽o 5 m m ( 球面直径) ，不锈钢检测精度达到o 7 m m 左右。 3 ) 自动化水平不够高。国内的数字式金属探测器应用较晚，虽然基本上实 现了在线检测，具备自动报警停机功能，但是在灵敏度调节、人机界面、系统 参数的调整等方面仍不够完善，还存在较大的改进空间。此外，国外同类产品 已经使用了自动设定算法机能，检测相位自动跟踪机能，而国内对此领域还处 在探索初级阶段。 由于目前国内生产的金属探测器都采用单频工作模式，而且综合性能还不 够完善，虽然在世界范围内有日本和英国出现了用于食品质量检测的双频金属 7 第1 章绪论 探测器，但价格一般都在2 0 万r m b 以上，一般中小型工厂很难承受得起，而 且产品的售后服务体系也满足不了国内用户的要求。因此，开发具有自主产权 的新一代智能双频金属探测器具有重大现实意义。 1 2 2 课题的研究目的 本课题设计的双频金属探测器在现有数字式探测器的基础上进一步提升其 性能。系统要实现的功能主要包括以下几点： ( 1 ) 在线检测功能 具备一般金属探测器的基本功能，同时可以对流水线上的产品进行实时检 测，当检测到金属异物时，系统自动报警并停机。 ( 2 ) 双频检测方式 采用低频和高频信号同时检测。根据检测灵敏度和频率的相关性，低频信 号更容易检测出铁磁类金属，高频信号更容易检测出非铁磁性金属，因此采用 双频检测方式能够同时以较高的精度检测出不同种类的金属物质。 ( 3 ) 较高的检测精度 检测精度直接关系到金属探测器的性能，本课题通过采用双频方式以及提 高采样精度、灵敏度调节、电路优化设计等措施来提高检测精度。国内一般金 属探测器铁的灵敏度达到矽0 8 n l i n ，不锈钢的灵敏度达到矽1 5 m r l l ，本课题要求 将铁和不锈钢的探测精度提高到小于矽0 8 m m 的水平。 ( 4 ) 良好的人机界面 使用l c d 液晶显示，以及菜单式画面、参数键盘输入，提高系统的可读性 和可操作性。 ( 5 ) 参数的自动调整 根据检测的具体环境，系统自动修改相位、增益等参数，以抑制“产品效 应”，改善检测效果。 8 第1 章绪论 1 3 课题的主要内容和工作 1 3 1 课题的主要内容 根据智能双频金属探测器的实现原理，课题设计主要包括以下几方面内容： ( 1 ) 系统硬件设计 硬件系统设计主要有：双频发射电路、电涡流传感器、接收电路、解调电 路和灵敏度调节电路的设计，以及d d s 系统电路、a d 采样电路、d s p 接口电 路和人机界面硬件电路的设计。 ( 2 ) 系统软件设计 软件系统设计主要有：d s p 系统软件设计和单片机系统软件设计。其中包 括d d s 正弦信号的产生、a d 采样、系统自学习、l c d 显示、l e d 和键盘等子 模块的程序设计，采用c 语言、汇编语言的混合编程和模块化的设计思想，使 整个软件实时性和移植性较强。 ( 3 ) 系统调试分析 课题最后对双频金属检测系统进行了测试，并对测试结果做出了具体分析。 为改善系统的稳定性，在设计中采取了一定的抗干扰措施。 1 3 2 涉及的重点工作 在课题设计的过程中，针对双频金属检测系统存在的重点技术问题进行了 深入研究，主要完成以下几方面的工作： ( 1 ) 新型平衡结构的c m o s 推挽式发射电路 在发射电路设计中，需要考虑加载到探头( 电涡流传感器) 所需功率以及 信号的失真度，设计了一种基于c m o s 场效应管的发射电路，并采用并联谐振 选频电路和平衡线圈，很好地实现了5 0 k 和4 0 0 k 的双频信号的叠加并发射。 ( 2 ) 多通道琐相放大电路的设计 由于检测系统采用双频工作方式，因此设计了四通道的数字琐相放大器对 接收信号进行解调，并通过数字电位器x 9 c 1 0 4 对信号灵敏度进行实时调节，最 后送至a d 采样模块。其中，全波检相和灵敏度调节电路是设计过程中的难点。 ( 3 ) 多通道数字信号发生器( d d s 技术) 的应用 9 第1 章绪论 信号源采用新型单片多通道集成d d s 芯片a d 9 9 5 9 来实现，解决了多路信 号输出的同步性问题。相比以前的多片d d s 单通道输出的方案，更容易实现发 射信号和参考信号之间的相位差、幅值差的精确调整。 ( 4 ) 控制系统的设计 系统以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心进行处理和控制，涉及d d sj 下弦信号的产生、 a d 采样、自学习算法、数字电位器和对外动作电路控制等几个方面。设计了基 于a t 8 9 c 5 1 r c 的人机界面，包括l c d 显示输出、参数键盘输入等功能。 ( 5 ) 自学习算法的设计 根据金属物质的相位和幅度特性，设计了一套系统自动进行相位和幅值参 数设置的软件实现方法，用于改善检测效果。 l o 第2 章双频金属检测的理论分析 第2 章双频金属检测的理论分析 变化的电场产生变化的磁场，这是一切电磁理论的根源。随着科学技术的 发展，电磁场己被应用到各个领域。在这个信息时代，可以说我们随时都在和 电磁场打交道。金属探测器的设计与产生，也正是基于电与磁的关系。 2 1 金属的幅度和相位特性 双频金属检测利用电磁感应原理，一般采用接收平衡式探头。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，系统形成一种接收平衡状态。 在交变磁场中的金属由于涡流效应或磁效应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 l ( 以为相对磁 导率，胁为真空磁导率) ，仃较大，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) 脾很大，仃也较 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【l o jl l 。 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。下面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。 2 1 1 非铁磁性金属目标 磁场中金属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2 1 所示【1 2 】： 第2 章双频金属检测的理论分析 图2 1 磁场中金属与线矧的等效电路 图2 1 所示，为激磁电压，为激磁电流，蜀和厶为发射线圈的电阻和电 感，破为激励磁通，厶为感应电流，织为感应磁通，r ：和厶为非铁磁性金属的 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，破和唬相消，根据克 希荷夫定律，可写出电压平衡方程式： r。 j 墨厶+ 归厶一弘m 1 2 2 e(2-1) 【一j c o m 厶+ 足厶+ j o ) l 2 厶= 0 解此方程组，得： 厶= ：肋丝互一：一mael2 1 1 + j e o m r 2i ! 恐+ 缈岛尺i + 缈。g 由此可求得线圈受电涡流影响后的等效阻抗为： 互= r i + j 霹号三等恐 + 国厶一j 雩号三每国厶 线圈的等效电感为： 线圈的等效值q 为： 三= 厶一厶丽( 0 2 m 2 1 2 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 焉鬲 第2 章双频金属检测的理论分析 1 一生( 0 2 m 2 q = q 赫 1 + 3 二 墨z 2 2 ( 2 乇) 式中，m 为金属与发射线圈之间的互感系数；q n = 缈厶冠为无涡流影响下线圈 的q 值；z 2 ，= 霹+ 缈2 丘是金属导体中产生电涡流部分的阻抗。 q 值的下降是由于涡流损耗引起的，并与金属导体的导电性和距离d 直接有 关。金属导体为非磁性材料，则有效磁导率和导体与线圈的距离无关，即厶不 变。式( 2 5 ) 中第2 项为电涡流回路的反射电感，它使传感器总的等效电感 值减小。因此，当靠近传感器的被测物体为非磁性材料或硬磁性材料时，传感 器线圈的等效电感减小。 因此可见，由于非铁磁性金属的涡流作用，发射线圈的等效阻抗从原来 z 0 = 足+ j e ) 1 1 变为z l ，比较z n 和z l 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【1 3 1 。 2 i 2 铁磁性金属目标 根据电磁场理论，铁磁性金属与发射线圈之i 司形成互感。i 司理，此时发射 线圈的电感为： l ：盟：n t b a r ：n r l t h a a ( 2 - - 7 ) lil 又据毕奥萨伐尔定理可知： 日：丝垡才( 2 - - 8 ) 2 ( ，1 + ，2 ) 恐 厶：f l r 1 0n 万r 4 ( 2 - - 9 ) “一一 2 + 1 2 ) 3 2 其中m 为发射线圈匝数；4 为发射线圈面积；，为发射线圈半径；日为磁 场强度；b 为磁通密度；厶为发射线圈电流；红为磁通量；，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，以= 1 ，厶保持 1 3 第2 章双频金属检测的理论分析 不变：当发射线圈有效探测范围内出现铁磁性物质时，厶随以的增加而增加，随 金属目标到探头的距离，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么、珐相助。 铁磁性金属既导电又导磁，由式( 4 ) 可知，发射线圈等效阻抗近似为： z l = 墨+ j 霎；兰三鲁+ 缈( 厶一j 善三兰篆+ 厶) c 2 一。， 其中厶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，而磁效应的影响往往大于涡流效应，故发射线圈等效阻抗的虚 部分量增加。因此，铁磁性金属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【1 3 】。 综上分析可以得出结论：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 表征金属目标的种类特性即属性。 2 2 频率与检测灵敏度的相关性分析 涡流损耗r ，的大小与磁场交变的频率厂、金属目标的电阻系数，、磁感 应强度最大值统和金属目标体积v 等因素有关【l l j ： p w l = o w i f zb o v ( 2 1 1 、) 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从有 关，与厂无关，它所引起的二次场与一次场方向相同。因此，对于铁磁性金属 和非铁磁性金属而言，同一频率下对应的检测灵敏度是不同的。 ( 1 ) 非铁磁性金属目标 主要产生涡流损耗，厂增大，只，涡流损耗增大，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； ( 2 ) 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。厂增 大，两个二次场增大相消，总的二次场减小，即对一般的铁磁金属的探测灵敏 度减小。故只有减小厂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。 1 4 第2 章双频金属检测的理论分析 综上分析可以得出结论：低频信号适合检测铁磁性金属物质，高频信号适 合检测非铁磁性金属物质。金属检测中使用双频则容易同时检测到两种类型的 金属异物，并获得较高的检测精度。 1 5 第3 章双频检测系统的工作原理和总体构造 第3 章双频检测系统的工作原理和总体构造 3 1 双频金属探测器的工作原理 双频金属探测器的工作原理框图如下所示： 被检物体 图3 1 检测系统工作原理图 工作原理简述：低频和高频信号叠加后通过发射线圈在检测区域( 通道) 内形成双频的交变磁场，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，这时系统处于一种接收平衡状态。当被检物体通过时， 由于两个接收线圈感应电势不相等，产生一个电压信号。根据金属物质在非稳 定磁场中的相位和幅度特性，等效为改变了发射线圈的阻抗值，使检测区域内 的电磁场在相位和强度上产生瞬变，因而所产生的电压信号的相位和幅值也在 发生变化。电压信号经过带通滤波单元后，分别进行低频和高频相敏检波、a d 采样再由处理中心( m p u ) 做出判断，最后根据检测结果执行必要动作。 1 6 第3 章双频检测系统的t 作原理和总体构造 3 2 双频金属探测器的实现方案及总体构造 根据系统的工作原理，并结合课题的实际情况，提出以下设计方案： ( 1 ) 检测电路 检测电路由发射电路、电涡流传感器、接收电路和解调电路组成。其主要 作用是电磁信号的转换，当金属异物通过时，把感应出的信号通过电信号反映 出来。由于采用双频工作方式，发射电路采用混频叠加发射，解调部分需要进 行带通滤波，先将高频和低频分解开来，再分别做相敏检波，把信号中的相位 和幅值的变化转换为另一种电压信号。 ( 2 ) 控制系统 控制系统实现的功能主要有：产生正弦信号源、a d 采样、计算测量电信号、 电机控制、报警、键盘输入和对外显示输出等。其中处理中心为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ， 负责多路同步d d s 数字正弦信号的产生、a d 采样、电机控制和报警系统；人 机晃面以a t 8 9 c 5 1 r c 为中心，包括键盘输入、l c d 液显和l e d 指示灯。 本课题同时采用d s p 和5 1 单片机做处理，是根据检测系统的实际情况，并 结合t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 和a t 8 9 c 5 1 r c 的具体资源做出的选择。主要有以下几方面 的考虑： l 、金属探测器属于在线检测，对实时控制要求不高。综合考虑d s p 芯片的 数据处理速度、存储空间容量、扩充能力及其市场价格，采用以t i 公司的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心的控制方案较为合理，该芯片每秒4 0 0 0 万条( 4 0 m i p s ) 指令的处理速度，远远超过传统的1 6 位微控制器和微处理器的性能，另外 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 稳定性好、精度高、可重复性好、抗干扰能力强，比较适合工作 在电磁环境恶劣的工业环境中【1 5 】。 2 、人机界面包括键盘接口和l c d 显示接口，都属于i o 口线较多的模块， 如果直接和d s p 连接势必占用较多的i o 端口，造成d s p 资源紧张，给以后功 能的扩展和完善造成不便。当然，还有一种方案就是增加相应的c p l d 或者译 码器，但是其成本显然比增加一片5 1 单片机要高。 3 、采用a t 8 9 c 5 1 r c 负责人机界面有另外一个好处，可以让d s p 专注于实 时检测，不用因为人机对话的数据处理而响应过多中断。 4 、价格因素。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 稳定性高，价格相对于同类其它d s p 芯片较 低，5 l 系列单片机的性价比也很高，市场价一般为1 0 多元人民币，综合考虑采 1 7 第3 章双频检测系统的工作原理和总体构造 用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 和a t 8 9 c 5 1 r c 的控制系统最为合理。 以下是智能双频金属探测器的总体结构图： 3 3 核心芯片简述 图3 2 双频金属检测系统结构图 3 3 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 简介1 1 4 i 1 1 6 i d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器，它不 仅具有可编程性，而且其实时运行速度远远超过通用微处理器。d s p 芯片的内 部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线 操作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是t i 公司t m s 3 2 0 数字信号处理器d