CN101650442B - 智能杂质金属检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能杂质金属检测系统，包括有剔除装置，还包括有与剔除装置电连接的计算机，计算机上还电连接有数字采集卡，数字采集卡包括A/D转换卡及D/A转换卡，其中D/A转换卡通过功率放大电路连接有发射天线，A/D转换卡通过低噪放大电路电连接有接收天线；计算机产生的数字信号经过D/A转换卡转换成模拟信号，并通过功率放大电路传送至发射电线，由发射天线向外辐射，在物料通过区域产生一个似稳电磁场，金属杂质通过时，会产生二次干扰磁场，从而产生干扰信号，接收天线获取金属杂质的干扰信号后，经过低噪放大电路的放大、滤波、整流后传送至A/D转换卡，由A/D转换卡将干扰信号转化为数字信号并传送至计算机，最后由计算机控制剔除装置完成金属杂质剔除工作。

Description

智能杂质金属检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及金属检测领域，尤其是智能杂质金属检测系统及其检测方法。

背景技术

金属检测器是一种检测用的电子仪器，金属检测技术推广应用于各个领域。在军事上，利用检测器检测金属地雷；在公安部门，检测随身携带或隐藏的武器及作案工具；在考古方面，可发现埋藏有金属物品的古墓，发现古墓中的金银、首饰和各种硬币；在工程地质中，用于检测地下金属埋设物，管道，管线等；在矿产勘探中用来检测和发现自然金颗粒及金块；工业上可用于在线检测并剔除物料中各种金属物体，如检测烟草，棉花，煤炭，和食品中的金属杂物等。保护主机设备，防止设备受损，同时提高产品质量。

大部分金属检测器都是由两部分组成，即侦测头(包括感应器)与自动剔除装置，其中，侦测头为核心部分，里面有三条线圈组成，一条中央发射线圈和两个对等的接收线圈，把这三组线圈固定在检测头中，通过中间的放射线圈所连接的振荡器来产生高频交流磁场，同时两侧的接收线圈相连接使其感应电压在磁场未受干扰前相互抵消。一旦金属杂质进入磁场区域：两个输入线圈输出的信号就无法抵消，金属检出机就能检测到金属的存在，未抵消的感应电压通过感测器，经由控制系统处理，并产生剔除信号，传送到自动剔除装置，从而把金属杂质排除生产线。但最初大多采用模拟电路器件容易受到外界干扰，存在智能化程度不高操作繁杂精度不高等问题。

目前国外的金属检测仪开始采用单片机技术，采用灵敏度极高的线性霍尔元件作为传感器，感应由于金属出现引起的检测线圈周围磁场的变化，提高了检测精度；处理部件则采用AT89S52单片机作为检测和控制核心，对检测结果进行分析判断。国内的金属检测仪基本还都是采用数字模拟混合集成电路技术，两者处理原理目前都是根据同步检测原理，虽然考虑到幅度和相位的影响，但两者输出是合成结果，有相互抵消作用，降低了检测灵敏度。另外，目前金属检测仪的处理电路采用简单的带通滤波器和尺寸控制门限，检测技术依据实际混入噪声类型采用合适的抑制电路。这种处理方法难以抵制较为强烈的干扰，因而难以突破检测极限，使得在生产现场的检测的灵敏度大大降低。

此外，现有技术中的金属检测仪还存在着检测技术单调、硬件及其调节器件复杂、显示方式简单，无法反映输出信息，不能与控制中心进行网络通讯，实现数据传输和自动化控制，测量数据不能保存，新的检测方法不易实现，无法从事检测机理和处理技术的进一步研究，无法定位等一系列问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能杂质金属检测系统及其检测方法，能够在生产线上实时的检测出物料中的金属并予以剔除，以解决采用模拟电路的金属检测仪精度低，以及根据同步检测原理工作的国内外金属检测仪灵敏度低的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

智能杂质金属检测系统，包括有剔除装置，其特征在于：还包括有与剔除装置电连接的计算机，所述计算机上还电连接有数字采集卡，所述数字采集卡包括A/D转换卡及D/A转换卡，其中D/A转换卡通过功率放大电路连接有发射天线，A/D转换卡通过低噪放大电路电连接有接收天线；所述计算机产生的数字信号经过D/A转换卡转换成模拟信号，并通过功率放大电路传送至发射天线，在其周围产生一个交变的电磁场，接收天线感应磁场，并转换为电信号；通过天线的设计，接收天线上形成的合成场量为零，感应的电动势也就为零，当有金属进入时，就改变了发射天线和接收天线之间的场的结构，从而使接收天线收到的信号在幅度和相位上都有变化，将该信号经过低噪放大电路的放大、滤波、整流后传送至A/D转换卡，由A/D转换卡将干扰信号转化为数字信号并传送至计算机处理，最后由计算机控制剔除装置完成金属杂质剔除工作；接收天线与发射天线为分体式上下结构，传输带从二者之间通过，无金属时，不会产生扰动，有金属时，产生扰动，接收天线获取金属信号并通过A/D转换卡送至计算机处理。

所述的智能杂质金属检测系统，其特征在于：所述计算机采用研华AWS6000工控机。

所述的智能杂质金属检测系统，其特征在于：所述数字采集卡采用研华PCI-1714的A/D转换卡和PCI-1721的D/A转换卡，其中研华PCI-1714的A/D转换卡板载32K的FIFO存储体。

所述的智能杂质金属检测系统，其特征在于：所述剔除装置可采用裤衩式翻板机构、翻门机构、倒顺带等多种结构的金属剔除装置。

智能杂质金属检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)准备智能杂质金属检测系统，包括与剔除装置电连接的计算机，所述计算机上还电连接有数字采集卡，所述数字采集卡包括A/D转换卡及D/A转换卡，其中D/A转换卡通过功率放大电路连接有发射天线，A/D转换卡通过低噪放大电路电连接有接收天线；

(2)控制计算机，使发射天线分别在发射天线探头处有金属和无金属的情况下发射检测波，接收天线分别接收有金属和无金属时的返回信号，在计算机中采用基于快速傅立叶变换的频谱和相位分离的算法，获取信号幅频特性和相频特性，并通过比较发射天线探头处有、无金属状态下的幅频特性和相频特性，以建立幅度和相位的门限阈值，从而可以避免幅度和相位信息的丢失，提高检测精度和灵敏度；

(3)选取无金属的物料，在无金属状态下，通过计算机控制发射天线发出检测波，获取物料和噪声统计数据，建立物料和噪声模型库；选取有金属的物料，在有金属状态下，通过计算机控制发射天线发出检测波，依据物料中无金属状态时建立的模型，建立金属模型库；最后依据物料、噪声及金属三种类型的电磁波属性和形状尺寸的自学习算法，并基于滤波器设计理论，结合小波的快速频带划分方法，在计算机中建立符合物料对象的最佳数字滤波器，以克服检测环境中的噪声影响，大幅提高灵敏度；

(4)将待检测物料送入发射天线和接收天线之间，通过计算机控制发射天线发出检测波，并由接收天线接收返回的信号波，通过步骤(3)中建立的数字滤波器进行滤波后，在计算机中对获取的信号进行处理，采用同步检波或傅立叶变换方法，提取待检测物料返回的信号波的幅频特性及相频特性，并同步骤(2)建立的幅度和相位的门限阈值进行比较，当相位或幅度超过幅度和相位的门限阈值时，同时检测到相位或幅度超过门限阈值的时间超过基准时间时，计算机认定待检测物料中有金属杂质，并向剔除装置发出单稳态脉冲的剔除电压信号，驱动剔除装置完成剔除金属杂质动作；在检测到一个金属杂质到剔除这个金属杂质这段时间内，如果连续过来多个金属杂质，在计算机中采用软件模拟移位寄存器的方法，将这些金属信号全部记住，并分别加以处理、剔除，最多可记忆连续金属杂质信号数目由软件移位寄存器的位数决定；当待检测物料的传输装置临时停机，一段时间后又继续运行时，计算机与传输装置通过网络通讯，接收传输装置的启动和停止信号，当传输装置停止时，计算机中软件模拟的计数器停止计数，当传输装置再次启动时，计数器继续计数，以记住传输装置上金属杂质所停的位置，当传输装置继续启动后，金属杂质到达剔除装置时，计算机控制剔除装置将金属杂质剔除。

设定基准时间可先设定一个时间长度，当来的脉冲的延续时间超过该时间长度，则认为是金属信号，当来的脉冲的延续时间小于该时间长度，则认为时干扰信号，以此来克服一些外界电磁波的干扰。基准时间要小于金属通过天线所需的时间，在此范围内，越大越好。天线的尺寸是一定的，要根据现场传输带的速度来计算金属通过天线所需的时间。

天线是本发明的重要组成单元。天线在物料通过的区域形成一个似稳电磁场，非金属物料通过时，不会对磁场产生影响，金属通过时则对磁场产生影响，破坏了磁场的稳定，产生了一个干扰信号，该信号经过放大，经A/D转换后为计算机系统获取，为判断金属的存在提供了依据。计算机是本发明的另一个重要的组成单元，计算机采用软件的方式完成对获取金属信号的处理，通过对金属信号和发射信号的比较获取金属信号的幅度和相位信息，这里涉及到对信号处理的一些关键算法包括金属物体幅度参数提取、幅度参数比较、金属物体相位参数提取、相位参数比较、噪声和干扰抑制、金属物体脉宽。计算机通过设定基准电平和基准相位以及基准时间，当幅度值或相位值超过基准值，同时持续时间超过基准时间，这时将发出一单稳态脉冲的剔除电压信号。剔除装置是本发明的任务完成单元，可采用裤衩式翻板机构、翻门机构、倒顺带等多种金属剔除装置，剔除装置由计算机发出的剔除信号驱动其完成金属剔除工作。

本发明是集光学、电学、磁学、机械技术于一体的新型工业在线检测设备。采用独特的工艺设计，可以方便地融入已有的生产线中，解决现有技术中检测精度不高及灵敏度低等问题。

本发明具有下述优点：

1.全中文界面，操作使用简单，易学好懂；

2.分体式结构，安装便捷，维护保养方便；

3.全软件处理方法，摈弃了硬件电路，大大减少了故障点，可靠性高，性能稳定；

4.检测灵敏度高，可检测Φ1mm的金属物体；

5.金属记忆功能，可记忆64个连续金属信号；

6.传输带停机记忆功能，在传输带再次启动后，可准确剔除停机前检测到的金属；

7.断电记忆功能，即使断电也不影响记忆；

8.延时时间和剔除动作时间可调；

9.不受金属在物料中埋藏深度及物料含水率的影响；

10.系统处理速度快。满足生产线上连续实时处理要求。

附图说明

图1为本发明结构框图。

图2为本发明方法流程图。

具体实施方式

如图1。智能杂质金属检测系统，包括有剔除装置，剔除装置可采用裤衩式翻板机构、翻门机构、倒顺带等多种结构的金属剔除装置。还包括有与剔除装置电连接的计算机，计算机采用研华AWS6000工控机。计算机上还电连接有数字采集卡，数字采集卡包括A/D转换卡及D/A转换卡，数字采集卡采用研华PCI-1714的A/D转换卡和PCI-1721的D/A转换卡，其中研华PCI-1714的A/D转换卡板载32K的FIFO存储体。其中D/A转换卡通过功率放大电路连接有发射天线，A/D转换卡通过低噪放大电路电连接有接收天线；计算机产生的数字信号经过D/A转换卡转换成模拟信号，并通过功率放大电路传送至发射天线，在其周围产生一个交变的电磁场，接收天线感应磁场，并转换为电信号；通过天线的设计，接收天线上形成的合成场量为零，感应的电动势也就为零，当有金属进入时，就改变了发射天线和接收天线之间的场的结构，从而使接收天线收到的信号在幅度和相位上都有变化，将该信号经过低噪放大电路的放大、滤波、整流后传送至A/D转换卡，由A/D转换卡将干扰信号转化为数字信号并传送至计算机处理，最后由计算机控制剔除装置完成金属杂质剔除工作；接收天线与发射天线为分体式上下结构，传输带从二者之间通过，无金属时，不会产生扰动，有金属时，产生扰动，接收天线获取金属信号并通过A/D转换卡送至计算机处理。

如图2。智能杂质金属检测方法，包括以下步骤：

(1)准备智能杂质金属检测系统，包括与剔除装置电连接的计算机，所述计算机上还电连接有数字采集卡，所述数字采集卡包括A/D转换卡及D/A转换卡，其中D/A转换卡通过功率放大电路连接有发射天线，A/D转换卡通过低噪放大电路电连接有接收天线；

(2)控制计算机，使发射天线分别在发射天线探头处有金属和无金属的情况下发射检测波，接收天线分别接收有金属和无金属时的返回信号，在计算机中采用基于快速傅立叶变换的频谱和相位分离的算法，获取信号幅频特性和相频特性，并通过比较发射天线探头处有、无金属状态下的幅频特性和相频特性，以建立幅度和相位的门限阈值，从而可以避免幅度和相位信息的丢失，提高检测精度和灵敏度；

(3)选取无金属的物料，在无金属状态下，通过计算机控制发射天线发出检测波，获取物料和噪声统计数据，建立物料和噪声模型库；选取有金属的物料，在有金属状态下，通过计算机控制发射天线发出检测波，依据物料中无金属状态时建立的模型，建立金属模型库；最后依据物料、噪声及金属三种类型的电磁波属性和形状尺寸的自学习算法，并基于滤波器设计理论，结合小波的快速频带划分方法，在计算机中建立符合物料对象的最佳数字滤波器，以克服检测环境中的噪声影响，大幅提高灵敏度；

(4)将待检测物料送入发射天线和接收天线之间，通过计算机控制发射天线发出检测波，并由接收天线接收返回的信号波，通过步骤(3)中建立的数字滤波器进行滤波后，在计算机中对获取的信号进行处理，采用同步检波或傅立叶变换方法，提取待检测物料返回的信号波的幅频特性及相频特性，并同步骤(2)建立的幅度和相位的门限阈值进行比较，当相位或幅度超过幅度和相位的门限阈值时，同时检测到相位或幅度超过门限阈值的时间超过基准时间时，计算机认定待检测物料中有金属杂质，并向剔除装置发出单稳态脉冲的剔除电压信号，驱动剔除装置完成剔除金属杂质动作；在检测到一个金属杂质到剔除这个金属杂质这段时间内，如果连续过来多个金属杂质，在计算机中采用软件模拟移位寄存器的方法，将这些金属信号全部记住，并分别加以处理、剔除，最多可记忆连续金属杂质信号数目由软件移位寄存器的位数决定；当待检测物料的传输装置临时停机，一段时间后又继续运行时，计算机与传输装置通过网络通讯，接收传输装置的启动和停止信号，当传输装置停止时，计算机中软件模拟的计数器停止计数，当传输装置再次启动时，计数器继续计数，以记住传输装置上金属杂质所停的位置，当传输装置继续启动后，金属杂质到达剔除装置时，计算机控制剔除装置将金属杂质剔除。

本发明的硬件结构具有简化形式，去除了晶振信号发生电路，采用软件产生所需频率的发射信号，仅仅包括信号的发射和接收装置，模拟数字转换卡，显示设备，剔除装置。硬件结构见图1所示。计算机产生的数字信号经过D/A转换由发射天线向外辐射激励金属振荡产生二次场，接收探头获取金属信号经过放大、滤波，整流及A/D转换将得到的数字信号送入计算机进行处理，由计算机控制剔除装置完成金属杂质剔除工作

信号发射接收天线是智能金属杂质探测装置的基础，主要包括发射和接收天线、。数字采集卡采用研华PCI-1714的A/D和PCI-1721的D/A。PCI-1714板载32K的FIFO存储体，这可以实现更快的数据转换和Windows下的更高的功能。

计算机采用研华AWS6000工控机，支持触摸屏控制方式。计算机系统完成人机交互、参数设置、金属智能识别及控制剔除单元等功能。采用软件编程设计的界面操作简单，在计算机上能够直观显示检测数据；保证系统运行安全可靠。其主要目的是对获取的金属信号(二次场)进行处理以获取金属信号的幅频特性、相频特性，具体为采用同步检波或傅里叶变换方法从包含金属信号的接收信号中提取金属信号的幅度相位信息，设定基准电平和基准相位以及基准时间，当相位或幅度超过基准值，同时持续的时间超过基准时间，这时将发出一单稳态脉冲的剔除电压信号，驱动下一级的翻版完成杂质的剔除。

Claims (1)

1.智能杂质金属检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)准备智能杂质金属检测系统，包括与剔除装置电连接的计算机，所述计算机上还电连接有数字采集卡，所述数字采集卡包括A/D转换卡及D/A转换卡，其中D/A转换卡通过功率放大电路连接有发射天线，A/D转换卡通过低噪放大电路电连接有接收天线；

(2)控制计算机，使发射天线分别在发射天线探头处有金属和无金属的情况下发射检测波，接收天线分别接收有金属和无金属时的返回信号，在计算机中采用基于快速傅立叶变换的频谱和相位分离的算法，获取信号幅频特性和相频特性，并通过比较发射天线探头处有、无金属状态下的幅频特性和相频特性，以建立幅度和相位的门限阈值，从而可以避免幅度和相位信息的丢失，提高检测精度和灵敏度；

(3)选取无金属的物料，在无金属状态下，通过计算机控制发射天线发出检测波，获取物料和噪声统计数据，建立物料和噪声模型库；选取有金属的物料，在有金属状态下，通过计算机控制发射天线发出检测波，依据物料中无金属状态时建立的模型，建立金属模型库；最后依据物料、噪声及金属三种类型的电磁波属性和形状尺寸的自学习算法，并基于滤波器设计理论，结合小波的快速频带划分方法，在计算机中建立符合物料对象的最佳数字滤波器，以克服检测环境中的噪声影响，大幅提高灵敏度；

(4)将待检测物料送入发射天线和接收天线之间，通过计算机控制发射天线发出检测波，并由接收天线接收返回的信号波，通过步骤(3)中建立的数字滤波器进行滤波后，在计算机中对获取的信号进行处理，采用同步检波或傅立叶变换方法，提取待检测物料返回的信号波的幅频特性及相频特性，并同步骤(2)建立的幅度和相位的门限阈值进行比较，当相位或幅度超过幅度和相位的门限阈值时，同时检测到相位或幅度超过门限阈值的时间超过基准时间时，计算机认定待检测物料中有金属杂质，并向剔除装置发出单稳态脉冲的剔除电压信号，驱动剔除装置完成剔除金属杂质动作；在检测到一个金属杂质到剔除这个金属杂质这段时间内，如果连续过来多个金属杂质，在计算机中采用软件模拟移位寄存器的方法，将这些金属信号全部记住，并分别加以处理、剔除，最多可记忆连续金属杂质信号数目由软件移位寄存器的位数决定；当待检测物料的传输装置临时停机，一段时间后又继续运行时，计算机与传输装置通过网络通讯，接收传输装置的启动和停止信号，当传输装置停止时，计算机中软件模拟的计数器停止计数，当传输装置再次启动时，计数器继续计数，以记住传输装置上金属杂质所停的位置，当传输装置继续启动后，金属杂质到达剔除装置时，计算机控制剔除装置将金属杂质剔除。

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