（电力电子与电力传动专业论文）数字式金属探测器的研究.pdfVIP

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 南昌大檬 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 贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 “ (手 “ :1 % 签 字 日 期 : 可年 ” i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解南昌大学有关保留、 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 授权南昌大学可以 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、汇编学位沦文。 ( 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 (手 写 ): 下 教 菊导 师 签 名 (手 写 )热 签 字 日 期 : 问年 月 “ 日签 字 日 期 :7 年 月 “日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话 邮编 第 1 章 引言 第 1 章 引言 谈起金属探测器，人们就会联想到探雷器，工兵用它来探测掩埋的地雷。 事实上金属探测器是一种探测用的电子仪器，可应用于各个领域。在军事上， 可用金属探测器探测金属地雷:在公安部门，探测随身携带或隐藏的武器及作 案工具:在考古方面，可发现埋藏金属物品的古墓，发现古墓中的金银财宝， 金银首饰，各种硬币;在工程中，用于探测地下金属埋设物，管道，管线等: 在矿产勘探中用来探测和发现自 然金颗粒及金块:工业上可用于在线监测，如 去掉棉花，煤炭， 和食品中的金属杂物等。金属探测器还可以作为开展青少年 国防教育和科普活动的用具，当然也不失为是一种有趣的娱乐玩具。 1 . 1金属探测器 1 . 1 . 1金属探测器的发展现状及发展趋势 全球第一台金属探测器诞生于 1 9 6 0 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1 9 7 0 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【 1 4 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 8 0 %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、性能相同、功能繁多、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，设备从根本上保证不了安检要求。 在7 0 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 第 i 章 引言 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7 0 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开始启用金属探测门 作为必不可少的安检仪器。 发展到8 0 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、比利时等发达国家监狱管理机构必 备的安检设备，形成平均每3 0 0 个囚犯便使用一台金属探测门应用于安全检查: 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。 进入9 0 年代，迅速升温的电子制造业成了 这个时代的宠儿，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 器又有了它新的角色产品防盗。 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。 1 . 1 . 2金属探测器的应用 金属探测器除了应用在食品、纺织、服装、矿冶、寻宝、探雷等领域，还 逐步扩大到木材、药品、玩具、安检等方面。另外，还出现了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。目前，研究人员正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。 t e r a vie w 公司还致力于研发可置于码头的金属探测器， 这种探测器可看到大衣口 袋中的 剃须刀以及口袋中塑料炸药。 食品是人们日常生活中不可或缺的物质资源，其质量的好坏将直接影响人 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 第 i 章 引言 分 析 及临界 控制点) 质量体系 认 证， 为食品的 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严格的把关。 在生产过程中，凡是直接接触金属表面的工序，都有可能引入金属杂质。 而金属探测器在生产线中的摆放位置是否合理，决定了食品生产的质量以及生 产成本的高低。如果放置于生产线前几道工序，将会漏掉以后几道工序的金属 检测;如果放置于生产线最后几道工序，势必会造成返工以及包装材料的浪费。 通过对食品企业的考察和分析，发现在食品生产过程中，可能引入铁、铜、铝、 钢、等多种金属杂质，为了有效地将其去除，需要有针对性地选择金属探测器 的型号以及样式。 哺从口入，:人类的生活离不开食品， 食品的安全直接关系到人们的日 常生 活和身体健康。 近年来，由于口蹄疫、疯牛病、吊白块等事件不断出现，使食品安全问题 成为当今社会的一个敏感话题。人们对食品的安全性尤其是食源性疾病更加关 注，然而由食品中混入异物所造成的食品安全隐患则往往被人们所忽视。在食 品加工过程中，经常会遇到各种各样的异物混入，如金属，玻璃，塑料，昆虫， 毛发，木屑，沙石等等。异物可以分为两类:一类是可对人体造成明显危害的 ( 如金属、玻璃) ，混入食品中的这种异物如果被消费者吃进体内，就可能造成 一定的身体伤害，属于一类较为危险的异物:另一类是具有潜在危害的 ( 如头 发、木屑、塑料等) ，这类异物一般情况下是不会给消费者造成身体伤害的。但 也不是说无所谓，因为无论什么样的异物，都会给消费者带来不安全感。 1 . 2选题的意义 近期， 因食品安全而引发的 报道是层出 不穷。 2 0 0 6 年2 月2 4日 ， 美国食品 药品管理局 ( f d a ) 宣布，紧急召回由美赞臣公司 ( 美国市场最大的 婴幼儿营 养品生产公司)生产的一款婴幼儿人工配方奶粉，召回的原因是这批产品被检 出含有金属颗粒 ( 其中一些颗粒的大小甚至达到 2 . 7毫米) ，容易导致婴儿体内 呼吸系统和咽喉严重受损，而且病症在服用后3 至4 个小时就会发作。( 搜狐新 闻网页) 为了有效保障国民的身体健康与生命安全，各国政府都制定了严格的食品 安全检测规定与法律:美国和英国的法规制订部门都日益强烈地推荐使用金属 第 1 章 引言 检测设备对所有食品及其相关产品进行检查。 例如， 美国农业部有下述评论: “ 当 产品与金属制造设备，如研磨机、切碎机、搅拌机和铲子等有亲密接触时，可 能会造成金属污染， 因此我们极力推荐使用电 子金属检测机，( 美国农业部技术 服务部) 。 同样，我国各级政府部门也颁布出台了很多与食品安全相关的规定与标准， 并强制执行。 今年， 食品安全首次被列入“ 十一五规划” 。 食品安全涉及到食品加 工、包装及销售等的方方面面，而对食品中可能存在的残留金属杂质的检测是 食品安全检测中的重要一环，使用的检测设备主要是金属探测器。在食品加工 厂所使用的设备，要求用坚硬、耐腐蚀、不变型、不脱色、无毒、易清洗的材 料制成，一般选用不锈钢材料制作。这无形之中，又给食品的安全性带来了很 大的问题。 目前我国检测技术可分为两种，一种是跟踪国际先进技术，如对“ 二恶英” 的检测技术，我国目前己经有国际上认可的先进检测技术:另一种是面向国内 市场的一些快速、简便的检测技术，以满足监管部门日 常监管工作所需。 目 前， 我国 食品 检测技术 存在的主要问 题 151 : 首先，许多检测方法方面存在空白，多残留检测方法比较少。且现行的检 测方法多为定性的方法，从抗干扰、定量的准确程度方面都存在很大的问题。 在目 前的市场上，现有的金属探测器中传感器大多数采用电感式、电容式、电 磁场式、电涡流式，有自己特定的应用场合，检测的是较大的游离状的金属， 测量精度不高，不能进行在线测量，也不能根据检测对象的不同修改相关的检 测参数，功能较少，尤其是电容式在受现场干扰太大，测量结果失真，不适合 于食品和纺织品中金属异物的测量。 第二，快速筛选的检测技术还不成熟.近年来虽然我国也开展了很多食品 检测方法的研究，但在灵敏度、 特异性方面都有待提高。 目前， 金属探测器的 检测电路多采用模拟电路， 这就限制了 检测功能的灵活性， 并容易受工作环境 因素( 尤其是高频情况) 影响， 因此， 检测精度和可靠性不容易得到保证。 “ 平衡线 圈” 技术自1 9 世纪被首次注册专利以来， 金属探测器已出 现了相当大的发展。 即 使最近几年中还出现过重大的进步:模拟探测器为数字探测器所替代以及功能 强大的微处理器技术的采用均为最重要的发展。它们提供了更强的性能、更高 的灵敏度与处理能力，现在即使在极为苛求应用当中，金属探测器依然可按客 户需求进行开发并很好地使用。 第 t -章 引言 目前，金属检测器在食品中的应用在国内这个领域，国外产品占了很大一 部分。国内 产品与国外产品相比还有一定的技术差距。主要体现在漏报和误报。 漏报是因为灵敏度达不到，误报是因为抗干扰能力较差。而国外产品在这方面 却有很大的优势，因此很大一部分政府机关、企业、大型活动组织者都倾向于 购买国外产品。 但我国是农业大国，随着经济的发展，对外贸易会越来越频繁，针对国外 出台的食品的检测标准，我们必须采取相应的措施来解决。 因此，开发一款能 用于检测食品中金属含量的金属探测器是非常有市场潜力的。 1 . 3本文的主要内 容 依据本课题的 应用背景， 本课题的主要内容为: ( 1 )涡流传感器设计 在国 外的 一些类 似产品的 基础上，自 行研究涡流检测头( 即传感器部分) ， 采 用补偿式方法使信号的传输更稳定，根据平衡方式来设计金属探测器信号产生、 解调和放大电 路部分， 以 提供软件采集处理的信号。 ( 2 )硬件电路设计 选择d s p 型号: 选择单片机的型号，需考虑能与d s p 兼容， 两者之间要通 过r s - 4 8 5 实现通讯; 利用直接数字频率合成器 ( d d s ) 产生正弦波形: 使用液晶 显示显示可方便用户操作。 ( 3 )软件设计 采用通用性较强的c语言编程，对每个模块单独编程，使软件移植性强， 便于更改。 第2 章 检测装置的总体方案与系统构成图 2 . 1 . 2 控制系统端口分配方案 考虑到功能的实现，结合d s p的内部配置和外设性能，提出如下端口分配 方 案， ( 实 现方案 将在下 述章节阐 述) 6 ( 1 ) a / d采样通道选用单端输入a d c i n i 和a d c i n 4 ，对两路信号采样; ( 2 ) 采用p e .0 位作为蜂鸣器发声信号的控制信号; ( 3 ) 采用三组a d 9 8 3 2 产生三路正弦波， i o p c 4 作为s p i c l k ( d d s ) , i o p c 2 作为s p i s i m o ( d d s ) , i o p e 3 作为d d s f s y n c 3 , i o p e 2 作 为d d s f s y n c 2 , i o p e 1 作为d d s f s y n c i ，作为三片a d 9 8 3 2 的片选线; ( 4 ) 采用p e . 6 作为电机控制回路的控制信号: ( 5 ) 采用r s 4 8 5 串口 通信，为了 排除干扰， 在d s p 和r s 4 8 5 间 增加一组 光电祸合器，它们的通讯控制口是 p in 2 5 s c i r x d , p i n 2 6 s c i r x d和 p i n 8 3 i op a3 : ( 6 ) 采用p e a作为光电管开关的控制信号。 2 . 1 . 3检测装里工作过程 在系统上电之前，首先熟悉系统各个硬件的技术要求、接口 性质、连接方 法，合理布置各个硬件的位置，将各个硬件连接在一起，使整个系统结构紧凑， 安全、抗干扰性好。硬件安装结束后，多次查线确定安装的正确性，随后检查 各个接口、各个接点是否安装正确，电平配置是否有效等。确认硬件安装正确 后系统上电，d s p 、单片机上电启动，d s p 通过s p i 口向 a d 9 8 3 2 发送信号，使 a d 9 8 3 2 产生正弦信号。 d s p 通过s c i 口发送通信协议， 单片机接收通信协议并向 d s p 回馈接收信号，通信成功液晶显示“ 开机” 画面。 手动操作按下r u n 键装置开始运行，光电开关检测被测物体是否到达被测 区域处，确定，a / d 转换器 ( a d 7 8 5 8 )开始采样，数据送给t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 处 理，判断是否超出阀值，由此判断是否含有金属杂质，若含有金属杂质，则采 样电压必定超过阀值，由继电器发出执行信号，送到自 动执行机构，将含有金 属杂物的产品排除，并发出执行信号控制报警系统，自 动报警显示电路立即动 作，电机停止运转， 并根据超过阀值的比例， 点亮相应的l e d 灯数， 液晶显示系 统状态“ 停止o 2 . 2检测装置的系统构成图 第2 章 检测装置的总体方案与系统构成图 2 . 2 . 1检测装1系统原理框图 图2 . 3 检测装置原理框图表现了整个课题的设计思路: 图2 .3检测装置原理图 2 . 2 . 2系统组成框图 如图2 .4 所示， 其为本课题设计所采用的数字式金属探测器的系统组成框图。 数字式金属探测器主要是由两部分构成:涡流传感器和控制装置。控制装置由 正弦波振荡器、滤波电路、检波电路、信号处理电路、l c d显示电路、电源电 路等组成7 - 1 0 1 图2 . 4数字式金属探测器系统组成框图 第z 章 检测装置的总体方案与系统构成图 ( 1 )涡流传感器内 部由 线圈与 填充物( 环氧树脂) 构成， 其外形如图2 .5 所示， 由一个检测窗口和传送皮带组成。涡流传感器由三个线圈组成，线圈绕在骨架 上，需要检测的产品在发射线圈中心通过，发射线圈连接于振荡器，这个振荡 器产生一个为探测用的电磁场，磁场在接收线圈中感应一个信号，但是由于两 个接收线圈反向连接，所以两个信号彼此相减。当合成信号为零时，传感器处 于平衡状态。所有金属都具有磁性和导电性，当这些可以检测的材料在传感器 孔内通过时，它们破坏了传感器的平衡状态，从而产生一个信号，用来反应当 金属物出现时线圈电感参数的变化。由于线圈特性的好坏，对系统的分辨率、 灵敏度和稳定性有重大影响，因此在线圈的周围用环氧树脂封住，起固定和屏 蔽的作用: 图2 . 5涡流传感器内 部形状 ( 2 ) 检波线路采用m o t o r o l a公司的m c 1 4 %模拟乘法器，来实现检波的 目 的。 m c 1 4 9 6 采用的原理是相敏原理， 输出两个正弦波正 交分解的量. 电 路分 成两个对称的测量电路，经信号处理电路 ( 多级放大和滤波电路) 后发送到采 样电路进行数据采集: ( 3 ) 采样电 路，由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 片内a d转换器的 输入电压能 够承载电 压范围为。 - 3 . 3 丫 而数据采集电 路两路信号s u s , f e 的 直流 信号具有正负极 性 ， 且数据采集电路最大值可能达到 l o v之多，所以需要通过一个加法器电路加上 一个直流偏置电 压以 抬高电 位，将采样电 压信号转换为 d s p能够承受的电压信 号: ( 4 ) l c d显示电路和报警电 路用来完成人机对话功能， 可以 方便地参看和修 改参数，调节相应的检测灵敏度和精度，同时在检测到金属杂质时 报鳌提醒工 作人员; 第2 章 检测装置的总体方案与系统构成图 ( 5 ) 电源电路提供各电路所需的工作电压。 2 . 3本章小结 ( 1 )本章讲述了 检测装置的总体方案、检测装置的开发过程、检测装置的工作 过程及控制系统端口分配方案: ( 2 ) 给出了检测装置的系统原理图与系统构成图。 第3 章 涡流传感器的原理与设计 第3 章 涡流传感器的原理与设计 3 . 1 涡流传感器的原理 传感器的出现对实现工业生产过程的自 动化， 精确控制的意义非常重大， 而且是食品生产加工过程、食品质量监测和成分分析实现自 动化操作提高生产 水平的重要措施。随 着经济的发展和社会的进步， 铺设在地面、 地下、水下的各 种工业与民用管道设施迅速增加， 它们在使用中会发生腐蚀和断裂， 以致造成泄 漏事故:在航空、 核电工业等工程领域， 结构材料缺陷的 探测及材料寿命的评估 尤其重要， 结构完整性的破坏可能导致严重的事故和重大经济损失， 所以， 开发可 靠而有效的无损检测技术( n d t ) ， 是工农业生 产生活中 急待 解决的重要工程问 题 之 一 p - 2 1 传感器的种类繁多，分类方法也不尽相同，一般常用的分类方法有两种: 一种是按被测对象的参数分类;另一种是按传感器的变换原理分类。此外还有 其他的分类方法，如按传感器材料分类，按传感器本身是否能产生电动势分类 和按输入、输出特性分类等。 按被测对象的参数分类的传感器有:温度传感器、压力传感器、位移传感 器、流量传感器、液位传感器、涡流传感器、力矩传感器、加速度传感器、流 速传感器、振动传感器等。 按变换原理分类的传感器有:电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感 器、压电式传感器、光电式传感器、光栅式传感器、热电式传感器、红外传感 器、光钎传感器、超声波传感器、激光传感器等。 涡流式传感器是7 0 年代以来迅速发展的一种传感器， 它利用电涡流效应进 行工作。由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并 能进行非接触测量，适用范围广，它一问式就受到各国的重视。目 前，这种传 感器已广泛用来测量位移、振动、厚度、转、温度硬度等参数，以及用于无损 探伤领域。 涡流传感器是建立在电磁场理论基础上，传感器探头内的线圈产生的时涡 流传感器是建立在电磁场理论基础上，传感器探头内的线圈产生的时变磁场通 过被测成块的金属导体后，金属导体中就会产生涡流，根据渴流的大小可以判 第3 章 涡流传感器的原理与设计 断金属的厚度。涡流传感器可以实现无接触测量金属板厚度、废金属板金属镀 层厚度、导体表面非导体镀层厚度，及金属内部的无损探伤。反射式涡流传感 器对金属厚度测量的过程，也就是传感器探头中的线圈与金属体间的非电量位 移参数，对线圈的电量参数的一个反射过程。通过对线圈变化电参量的监测， 可以完成对反射金属体的厚度测量。 3 . 1 . 1工作原理 涡流传感器内部是由有骨架或无骨架的空心线圈构成，其测量基本原理如 图3 . 1 所示，当线圈通以交流电流时，由于电流的存在， 根据电磁场理论，线圈 周围就会产生一个交变的磁场h 1 ，若被测金属导体置于该磁场内， 便会产生涡 流，也将产生一个新的交变磁场 h 2 ，且h 2与h 1 方向相反，力图削弱原磁场 h 1 ，从而导致探头中线圈的电感量发生变化。电感变化量的大小与导体的几何 形状、电导率、磁导率、线圈参数、电源频率及线圈至导体间的距离有关，如 果限制其中一些参数不变，而只令一个参数变化，涡流传感器就可以完成对该 参数的测量工作。传感器在对金属厚度的检测过程中，只有线圈至导体间的位 移参数是唯一变量，其它参数均为不变量。假定金属导体是均质的，其性能是 线性和各向同性的，则线圈与金属导体系统的物理性质通常可由磁导率产、电 导率。、 尺寸因 子; 、 t 及x . 激励电 流i 和频率亩 等参数来描述。 线圈 的阻抗z 可用如下函 数表示 t3 1 . z= f ( u - q . r . x. t . l . m ) ( 3 . 1 ) 线圈系 跪金属导体 图3 . 1基本原理图3 .2等效电 路 第3 章 涡流传感器的原理与设计 3 . 1 . 2特性分析 涡流传感器对金属导体进行厚度测量时，在被测导体中形成的电涡流可等 效为一短路环电流，从而线圈与被测金属体可等效为相互祸合的两个线圈，等 效电路如图3 . 2 所示，r 1 为线圈电阻:l 1 为线圈电感:r 2为短路环电阻:l 2 为短路环电感;u1 为 激励电压:m为线圈与短路环的互感，m值会随着它们 间距离s的减小，也就是被测导体厚度x的增加而增大。 传 感器 线圈 原 有电 阻 为r , ， 电 感为l , ， 则 其复 阻 抗为: z o = r , + j m l , 在等效电路中，由基尔霍夫定律得: ( 3 . 2 ) r , + 一l口 j m l , m 一j w m r 2 +j w l 2 ( 3 . 3 ) 。11。八 -. 。uo 求解上 述方 程组可得到1 。 及1 2 ， 进而可以 求得线圈 在受到导 体影响之后的 等效阻抗为: z , = u m 2 m2. ， ， ，m 2 m2 =k , t k 2 . z ， ， 二 二 二 , + j o ) 1 l , 一 l 2 . . - ,. , , 1 1 ( 2- +吸 口 乙 2 厂k 2- 一叹 口 乙 2 ) - ( 3 . 4 ) 同时可以得到线圈的等效电感为: m 2 m2 l=岛 一l , - 一 r z +( w l 2 ) ( 3 . 5 ) 比 较z o 与z : 两 式可知，由 于涡流的 作用， 使得阻 抗的 实部( 电 阻部分) 增 大，而虚数部分等效电感是增大还是减小，这主要由金属导体材料而定。当金 属导 体为非磁性材料时，由 于l ， 值不 变， 所以 等效电 感l 就减小:当 金属材料 为 磁性 材料时，由 于 导体 被 磁化使l , 也 增大， 而 增大 得比l 中的 第二 项 增加得 还多，因此等效电感l 将增大。 3 . 1 . 3测a电路 被测金属导体变化的厚度信号x ， 提过涡流传感器转换为变化的电感信号 al , al电量还需进一步转换为直接显示的电信号。 通常的测量方法是采取 阻抗变换电路: 电涡流传感器探头内线圈， 与其它固定阻抗组成原始平衡电桥， 当被测金属体与探头线圈祸合时，随着金属导体厚度的变化，祸合深度改变， 第3 章 涡流传感器的原理与设计 互感 m 值大小改变，探头线圈阻抗值变化，这样就破坏了电桥的原始平衡， 失衡电桥的桥路输出电压值反映 。 3 . 2 涡流传感器的设计 3 . 2 . 1涡流检测电路 金属探测器在现代社会发挥着越来越重要的地位，为适用市场的需求，金 属探测器不断地采用新的先进技术。目前金属检测方法有很多种，根据检测原 理分为x射线、电涡流、传感器、感应式等。本文主要研究的是感应式金属探 测器。 目前，感应式金属探测器根据基本原理和检测线路的不同，大致可分为四 种类型，即差拍式、自 激感应式、耗能式 ( 功率吸收式)和平衡式。在本课题 当中， 我们采用的是 平衡式， 在下面将具体介绍p a - n l 图3 . 3 为本课题中我们所采用的检测电路， 从图中可以清晰地了解平衡式金 属探测器的基本原理。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、等幅值的感应电动势，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，线圈周围的磁场由于 产品的进入发生变化，在接收线圈处检测出这个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，送给相应的显示、报 警电路信号引起动作。 图3 . 3平衡式检测电路 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。根据以往的设计经验可知，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 第3 章 涡流传感器的原理与设计 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。 根据自 动控制理论中的闭环负反馈控制原理，要保证输出信号受外界干扰 减小的话，需要增加对自 身输入信号的补偿， 所以 在这里增加一个补偿线圈 ( 平 衡调节电 路) 。 补偿线圈的信号来源于我们的检波信号的直流分量，与接收线圈 的信号形成一个负反馈的闭环系统。通过以上的分析可知，平衡式检测电路工 作特性更稳定，并能有效的去除外界带来的电磁干扰或由于震动、冲撞引起的 磁场变化带来的干扰。 3 . 2 . 2涡流检测头 在无损检测理论研究不断发展的同时，随着涡轮无损检测使用领域的不断 扩大 和精度要求的 不断提高， 检测头 ( 探头 ) 的设计与匹 配显 得越来 越重要， 在设 计探头时，除对探头尺寸、电感、电容、电阻等参数有一定的特殊要求外，一 般要求探头在一定的电压下工作时有尽可能大的反应信号和尽可能高的灵敏度 1 8 - 2 1 1 实际应用中，探头的型号与种类是多种多样的，使用目的的不同，设计的 结构功能也不同。有为检测薄管材而设计的祸合双线圈探头，有为检测复杂器 件而设计的点 探头， 还有为实 验研究而设计的空 心线圈 探头， 等等。 常见的 涡 流检测头用线圈制成，线圈通以正弦交流电， 产生的电磁场可简化为轴对称涡 流场，易于用数值方法计算涡流检测探头信号。本文采用的是用线圈制成的涡 流检测头，如图3 .4 所示。 发送线圈 接收线 圈 图3 . 4涡流检测头的结构原理图 涡流检测头由1 个产生交流磁场的发射线圈和2个检测感应变化的接收线 圈( 差动) 组成。 其检测过程为， 用探头内差动线圈感应出食品通过时产生的信号 ， 送入前置放大器。 放大后的信号包含金属信号的高频调制波， 经相敏检波器解调 ， 第 3章 祸流传感器的原理与设计 得 勤 相 互 正 交的 信 号y , y 分 量 . 该 信号 被 低 频 放 大 器 放大 后 送 到 滤 波 器内 ， 滤 去 不需要的干扰信号， 经d s p 进行数字信号处理后传递给单片机显示测试信号波 形是否含有金属，在通过l e d灯和报警器提示用户。当磁场中没有金属时，发 射线圈产生的磁场流和每个差动线圈均等相交，在差动线圈中不会产生感应电 压。当含有金属杂质的食品通过检测头时，差动线圈中感应出由于含有金属杂 质而产生的畸变信号。 传感器的口径根据检测对象的不同和对灵敏度的要求有很大的区别，但是 发射线圈和接收线圈的设置仍是相同的。图 3 . 5为发射线圈和接收线圈的示意 图，图3 . 6 为其安装外形图。 扭 翻 . . 图3 .5发射线圈 和接收线圈示意图图3 . 6 发射线圈和接收线圈安 装外形图 下面分析发送线圈和接收感应信号的接收线圈原理。由于两者原理大致相 同，故此处仅分析发射线圈原理。 3 . 2 . 2 . 1发射线圈原理 图3 . 7 为发射线圈原理图。 图3 . 7发射线圈原理图 s i n a信号如图3 . 8 所示，通过一个共集电极电路即电压跟随器，在通过变 压器t 1 产生两相位相反幅值相同的信号， 两信号与三极管组成推挽式电路输送 到变压器t 2 的原边， 利用谐振放大器， 使得变压器的副边两线圈之间产生正弦 第3 章 涡流传感器的原理与设计 信号，如图3 .9 所示。 1 ekj 飞. t r ig d + m p a s : 0 . 0 0 0 5 山 架 值 1 . 8 8 v 期 均方 根值8 4 2 m v 5 . 1 4 0刀 ch2 5 0 0 mv 频率 1 9 4 . b k h z m 2 . 5 0 j i sch 2了 一 图3 . 8 s i n a信号 jl. t r g d m p o e 0 .0 0 0 5 + 谴周tek 值 2 3 . 4 v 5 . 1 2 5 os c h2 5 . 0 0 v 均方 根值7 .8 3 v 频率 1 9 5 . 1 k h z m 2 s0 1 u sc h2工 . 图3 . 9发射线圈谐振时的 输出波形 共集电极电路的特点是电压增益小于1 ，但是它的输入电阻高，可减小放大 电路对信号源所取得信号电流。在宽频带或高频情况下，要求稳定性较好时， 共集电极电路就比较合适。同时，它的输出电阻低，可减小负载变动对电压增 益的影响。共集电极的独特优点是输入电阻很高、输出电阻很低，多用于输入 级、输出级或缓冲级. 所谓谐振放大器，就是采用谐振电路 ( 串、并联及祸合电路)作负载的放 大器。根据谐振回路的特性，谐振放大器对于靠近谐振频率的信号，有较大的 增益;对于远离谐振频率的信号，增益迅速下降，所以 谐振放大器不仅有放大 作用，而且也起着滤波或选频的作用。放大器的通频带决定于负载回路的形式 第3 章 涡流传感器的原理与设计 和回路的等效品质因素。此外，放大器的通频带随着放大技术的增加而变窄。 并且， 通频带越宽， 放大器的增益就越小，两者是互相矛盾的。 另外，由于谐振放大器大多采用晶体管作为放大器件， 而晶体管集电极和基 极 之间 存 在结电 容c b, ， 其值虽然很小 ( 只 有几 个p f ) ， 但高频工作时 仍能使 放大器 输出 和输入之间形成反馈通路( 称为内反馈) ， 再加上谐振放大器中 l c 谐振回路阻 抗的大小及性质随频率变化剧烈， 使得内 反馈也随频率而剧烈变化， 至使谐振放 大器工作不稳定。 一般情况下， 内反馈会使谐振放大器的增益频率特性曲线变形， 增益通频带和选择性发生变化， 严重时反馈在某个频率上满足自 激条件， 放大器 产生自 激 振荡， 即 失 去放大性能 ， 不能正常工作122 1 由 于晶 体管有反向 传输导纳存在， 它实际上是一个双向 器件。 所以当放大器 的正反馈能量抵消了回路损耗能量， 且电纳部分也恰好抵消时， 放大器失去放大 性能 ， 处于自 激振荡 工作状态。 为了 抵消或减小的作用， 应使晶体管单向 化， 其目 的 就是 提高放大器的 稳定性。单项化的方法有两种， 一种是中和法， 直接消除的y r e 反 馈作 用 ; 另 一 种是 使负 载电 导9 : 或 信号 源电 导的 数值 加大 ， 使得 输入 或 输出 回 路与晶体管失去匹配， 称为失配法。 因 此在实际操作中， 应反复参照晶体管的性能来匹配电感和电容值， 使晶 体管工作在放大区域内。 3 . 2 . 2 . 2检侧头工作时需注意事项 ( 1 ) 检测头安装 检测头安装时，检测头之间相互距离不能太近，否则磁通链会有交汇区域， 使检测头测量产生互相干扰。检测头安装位置的开孔不当，或检测头安装的开 孔尺寸不对，都可造成检测头的测量， 受到壳体金属的影响，而导致测量误差。 检测头与支架间的距离如果过小，则会在支架上产生涡电流，从而影响检测头 的 准 确 侧 量 23 气 ( 2 )电缆的屏蔽和接地; 同 轴电 缆和延长电缆本身就是一种屏蔽电 缆，用来屏蔽外来干扰信号。为 了屏蔽外来的干扰，要注意以下几个方面: 整个系统要单点接地，不能形成接地回路。否则大地回路就可能产生 附加干扰; 对于信号， 只能采用屏蔽电 缆，同时保证屏蔽要正确接地，即一端接地， 接地电阻乡 欧: 第3 章 涡流传感器的原理与设计 要 保证 所有电 缆 和 接 地 绝对 安 装良 好， 探头与同 轴电 缆相 连 的 联 结 器 要 用 绝缘塑料带包好; 信号电缆要远离噪声源。 ( 3 ) 抗干扰 本检测装置位于食品、纺织等生产线的中间环节，电 磁环境复杂，噪音较 大，车间比较潮湿，各种干扰源较多，为了提高检测装置的抗干扰能力，采取 了以下一些主要措施: 为了最大程度地提高系统运行可靠性合稳定性， 部件配置选用了 专用工 业级的品牌产品，从而保证系统硬件运行的稳定性、可靠性和高抗干扰 能力; 两台同工作频率的检测装置摆放的距离尽量大于2 米，以 避免 相互间工 作时带来的干扰: 金属检测仪的输出信号加硬件滤波电路，以消除高频干扰: 使用在线式u p s 净化稳压电 源来给金属探测仪供电， 抑制来自 电 源的干 扰: 封闭检测系统的安装和使用空间。 3 . 3 本章小结 ( i )本章分析了涡流传感器金属探测器的工作原理， 特性分析和测量电路; ( 2 )给出了涡流传感器的设计的方法，给出了检测探头的安装过程及工作过程 中需注意的问题。 第4 章 控制装置的总体设计 第4 章 控制装置的总体设计 应用嵌入式系统技术，已成为控制系统、智能仪表、数据采集等各个领域 的发展主流。嵌入式系统运算处理速度快，数据储存迅速可靠，输出灵活，体 积小。利用嵌入式的这些优势，本产品在硬件构成上，采用以 d s p 、单片机为 核心，配合相应的数据采集与控制卡和传感器等外围电路，充分利用嵌入式系 统的灵活、高速、可编程能力强等特性，完成人机之间信息的快速、便利的交 换和处理。 4 . 1 控制装盆硬件设计 图4 . 1 给出了数字式金属探测器的在线检测装置系统结构图. 图4 . 1数字式金属探测器在线检测系统结构图 整个系统可分成三个部分:输入部分、控制部分、输出部分。 第4 章 控制装置的总体设计 输入部分可分为正弦信号的产生、光电开关和模拟乘法器。 控制部分含有t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 , a d 7 8 5 8 和a t 8 9 c 5 5 wd单片机。 输出部分为参数输入界面。 4 . 1 . 1翰入部分 4 . 1 . 1 . 1正弦信号的产生 无线电通信技术的迅速发展，对振荡信号源的要求在不断提高。不但要求 它的频率稳定度和准确度高，而且能方便地改变频率。石英晶体振荡器的频率 稳定度和准确度是很高的，但改变频率不方便，只宜用于固定频率;l c振荡器 改变频率方便，但频率稳定度和准确度又不够高。然而，在本课题中，我们希 望能得到兼有频率稳定度与准确度高，而且改变频率方便的正弦波，因此，在 此我们选用频率合成技术来达到上述要求。 所谓频率合成就是由某个参考频率产生新的频率信号，其输出指标，尤其 是精度方面，取决于参考源。有三种不同的频率合成技术: ( 1 )直接模拟合成; ( 2 ) 锁相环 ( p l l )合成: ( 3 )直接数字合成 ( d d s ) . 直接模拟合成的优点是输出频率高，频率切换速度快，输出相位噪声低。 但由于采用大量模拟电路，电路复杂，不稳定因素多，难以实现集成化。 锁相环合成的电路比较简单一些，故易于实现集成化，并己经有相应产品 供应 ( 例如: q u a l c o m m公司 的q 3 0 3 6 及q 3 2 3 6 ， 合成 频率 可达1 .6 g h z ) 。 其 缺点是频率切换速度较慢 ( 几十p g 到 m s量级) 。输出相位噪声比直接模拟合 成的要大 【74 1 直接数字合成技术进十年来己发展为与上述两种技术具有强的争力的一种 技术， 最初由 于d d s 技术的输出 频率较低， 输出 信号中的寄生谱分量较大，限 制了它的应用，但这一合成技术所采用的电路绝大部分是数字电路，因此十分 容易集成化。此外， d d s 技术还具有两个特有的优点: ( 1 ) 频率分辨率高 ( 可达mh z量级) ; ( 2 ) 频率切换速度快 ( 产 g 到n s 量级) ， 而其在切换频率时相位保持连续。 这两个优点对于保密通讯以及快速电子对抗系统的 应用，有极大的吸引力， 从而推动着人们对d d s 技术的研究与改进，并取得了很大的成功。目前己经有 第4 章 控制装置的总体设计 若干d d s 专用电路投入市场。 a d 9 8 3 2 为ad 公司生产的一款完整的d d s 芯片， 最高时钟可达2 5 m h z , a d 9 8 3 2 的内 部 功能结 构如图4 .2 所示。 其内 部电 路主要由 数控振荡器 ( nco ) 和相位调制器、正弦查询表， 以 及一个1 0 位的数模转换器( dac ) 组成. 其中数 控振荡器和相位调制器部分包含2 个3 2 位的频率寄存器， 1 个3 2 位的相位累加 器和4 个1 2 位的相位寄存器。图中相位累加器可在每一个时钟周期来临时将频 率 控 制 码 所 决 定 的 相 位 增 量 a p h a s e 累 加 一 次 ， 如 果 记 数 大 于2 n ， 则自 动 溢 出 ， 而只保留后面的n位数字于累加器中。正弦查询表 r o m用于实现从相位累加 器输出的相位值到正弦幅度值的转换， 并根据输入到正弦查询表r o m的相位值 取出r o m中与其对应的数字量，然后送到d a c中将其转变为模拟量，最后通 过滤波器输出一个很纯的正弦波信号2 5 1 . ， 口，叫m a 几 启 肠 . 皿 户 ou t户 . a oj u r t. 旧 pl 百 的口曰 【 翻n毯皿ct 图4 . 2 a d 9 8 3 2 内 部功能结构图 a d 9 8 3 2 有串口 和d s p 的s p i 模块相连， s c l k , s d a t a和f s y n c的3 个管 脚用来向a d 9 8 3 2 写入数据和控制字。 当f s y n c = o 时， 表示正向a d 9 8 3 2 写入一 个新字， 在下一个s c l k的下降沿读入第一位， 其余的位在随后的s c l k下降沿读 入， 经过1 6 个s c l k下降沿后， 置f s y n c = 1 。当写频卿相位寄存器时， 前4 位用 来判断哪一个是目 标寄 存器， 紧接着的4 位用来承载目 标寄存器地址， 而低8 位所 装的是写入寄存器的数据。 a d 9 8 3 2 采用3 2 位累加器， 输出的数据进入正弦查询 表之前被截断为1 2 位，最后经内部集成的1 0 位dac 产生模拟信号输出。 其输出 频率f .与时 钟几通 及由 频率控制码决 定的相 位增量o p h a s e 有关. 可 第4 章 控制装置的总体设计 用下式算出: f . f = o p h a s e * f m c l k l 2 n ( 4 . 1 ) 式 中 ， 相 位 变 化 为 。 如h a s e 2 - 1 , n 是 相 位 累 加 器 的 比 特 值 ， a d 9 8 3 2 的 相 位 累 加 器 为3 2 位 ， 故 2 n = 2 3 2 ， 故 相 位 变 化 。 如b a s e 2 3 2 一 1 为 通 过 该 式 可 以 很 容 易 得 到 所需要的频率和相位。 我们采用2 0 0 k作为系统工作频率，同时采用三组a d 9 8 犯产生三路正弦 波， 其中一路给发射线圈作为传感器中l c振荡器的频率源， 另外两路作为载波 信号，且两者的相位差为9 0 0 t e k j l 如图4 . 3 所示。 . t 向 d + m po s : 0 . 0 0 0 5 7-气八 周期 5 . 1 6 5 13 5频率 1 9 3 .6 k h 2 c h 1 s o o mv c h 2 s o o mvm 2 . 5 0 u s 图4 . 3 a d 9 8 3 2的波形 c h2 ! - 4 . 1 . 1 . 2光电开关 光电开关在工业自 控设备中应用极广。与传统的机械行程开关相比，光电 开关无触点、无机械碰撞、响应快、控制精度高，而且能识别色标。因此，光 电开关越来越受到电气工程师的青睐。许多包装机、印刷机、纺织机等都用它 进行限位、换向、同步、测速及其他控制。 光电开关 ( 光电传感器) 是光电接近开关的简称， 它是利用被检测物对光束 的遮挡或反射，由同步回路选通电 路，从而检测物体有无的。物体不限于金属， 所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光 信号射出，接受器再根据接收到的光线的强弱转换为光信号射出，接收器再根 据接收到的光线的 强弱或有无对目 标 物体进行检测 12 6 .2 9 1 光电开关可分为可见光光电开关、 红外线光电开关和紫外线光电开关等。 组 成光电开关的光电祸合器 ( 简称光祸)可分为反射型和遮蔽型两种。反射型光 祸安装灵活、用途较较广。在此我们选择的是反射型光电开关。它的工作原理: 第4 章 控制装置的总体设计 在反 射型 光祸的 探头 中，发