CN104246539A - 金属探测器 - Google Patents

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Abstract

一种金属探测器的操作方法，金属探测器具有驱动电路，用于在线圈系统中建立交变磁场以产生给定频率的输出信号，所述方法包括以下步骤：a.产生可调平衡信号；b.将可调平衡信号与探测器的输出信号相接合；c.改变可调平衡信号以提供补偿信号。

Description

金属探测器
发明领域
本发明涉及用于探测污染物的仪器。更具体来说而并不限于，本发明涉及用于探测食物中的金属的仪器。
背景技术
对于许多食品制造商和零售商来说，其产品内的异物是最大的客户投诉源之一。这些异物可以是任何不良的固体物并且包括与食品完全无关的物品(诸如玻璃或金属碎片)以及与食品有关的那些物品(诸如骨头)。对于食品加工行业的最大担忧之一是由于加工的原因而在食品产品内夹杂有不希望的金属颗粒或金属物品。例如，典型的金属夹杂物的范围从加工机械落下或者在维护期间掉下的螺母或垫圈等到例如由机械磨损产生的金属碎屑。
这些金属夹杂物将不仅危害食品安全并引起健康问题，而且对食品制造商以及最终零售商的名声造成负面影响。法律要求食品制造行业应提供有效措施来防止食品产品内存在异物。遵守此要求可以通过使用筛、罗网或诸如金属探测器等更复杂的技术来实现。由于损害其名声的风险，大部分食品零售商现在希望更严格的质量控制措施正迫使食品制造商使用更加现代化的金属探测技术。
用于探测食品产品内的金属污染物的仪器在该行业中是熟知的并且在WO 02/25318(Safeline Limited)和WO2006/087510(Spectrum Inspection Systems Limited)中进行了描述。在WO2006/087510(Spectrum Inspection Systems Limited)的图1中所示的典型金属探测器包括具有使产品通过的孔的筛选搜索头和处理来自该头的信号的控制单元。在该头内部存在三个围绕孔的线圈系统。围绕孔的发射器线圈连接到高频产生电路，其中发射器线圈的轴线平行于传送方向布置。在孔上方和下方的是接收器或探测线圈，这些线圈的轴线竖直布置。两个接收器线圈是相同的并且放置在距发射器线圈相同距离处，这样使得在搜索头内没有变化的磁场的任何干扰时，它们接收相同的信号并产生同样的输出电压。接收器线圈相对地连接，这样使得在没有任何物体时，它们感应的电压彼此相对并且因而彼此抵消从而产生零输出信号。这是当线圈系统处于优选的平衡状态下时的情况。
当导电颗粒穿过金属探测器的线圈时，由于在颗粒表面感应的电流使得穿过一个接收器线圈的高频场受到干扰，这导致平衡状态的轻微改变，例如，改变几微伏，从而使得来自线圈的输出不再是零。使用适合的放大和处理来触发自动拒绝报警。探测的容易性将取决于待测试的导磁性和导电性以及污染物的场频和大小、电阻以及导磁性。各种金属在它们穿过金属探测器的线圈时产生的信号根据金属的传导性和导磁性可以分成两个分量：电阻和电抗，电抗分量相对于电阻分量大体上异相90°，如图1中的矢量图所示。参照图1，诸如铜或不锈钢的非铁但是传导性材料将产生具有大“电阻”分量的输出信号Vs1，且因此与驱动信号VD同相。由于材料中的损耗，来自诸如铁氧体材料的不良导体的输出信号Vs2的分量与信号的电阻分量大体上相位正交。对于含有呈现一些磁效应和一些导电性的铁的诸如铁氧体材料的大部分材料来说，将产生具有电阻分量和电抗分量的输出信号。参照图1，来自铁氧体材料的矢量线将因此位于电抗与电阻分量之间。这对于金属探测器的操作来说是非常重要的并且这种设备能够探测不同金属类型的颗粒。
通常，金属颗粒可以在磁场中产生仅仅千万分之一的干扰。由于不可能控制金属污染物的大小、形状和定向，所以通常将金属探测器设定在最高可能的灵敏度设置。然而，这样做不利于诸如奶酪、新鲜肉类、温面包、果酱、腌菜等的湿润食品，尽管仅非常轻微地传导但是由于其尺寸大(例如，整只鸡)，使得在特定频率下的作用更明显地由探测线圈注意到。在没有任何形式的区分的情况下，尽管没有金属，但食品的探测也将被视为污染物。在一些情况下，来自产品的信号可以比待探测的小金属污染物的信号大许多倍。这称为“产品效应”并且由于产品本身呈现轻微导电性，例如，在湿润并且含盐的情况下。这可以在图1中用图表表示，并且来自无磁性并且弱传导材料的信号由向量Vs3表示。箭头的长度表示信号的量值以及方向表示信号的相位。通过探测器的鸡肉将产生大输出信号，仅因为影响场的鸡肉体积变化，该信号在鸡肉通过探测器时量值将变化。然而，因为传导性在整只鸡上是基本上相同的，所以信号的相位将是恒定的。例如，这在图1中表示，其中信号离开驱动信号的相位110°，这是由于矢量Vs3主要包括电阻分量而且具有鸡肉的弱传导性质引起的小分量。
为了抵消来自湿润食品的干扰，WO 2006/087510(Spectrum Inspection SystemsLimited)描述了将金属探测器转向给定相位中的偏爱信号同时区分或忽略与此方向成90°的信号。产生基于驱动或发射器信号的参考信号Vref，由此其相位被调整成使得其与用于未受污染的食品产品的输出信号Vs3相位正交(90°)。随后，通过相敏探测器比较Vref和Vs3，该相敏探测器将提供区分出来自未受污染的食品产品的信号Vs3(即，提供大体上为零的输出信号)的输出信号(因为两个信号之间的相角的余弦是零，所以相位正交的信号提供来自相位区分器的零输出)。以此方式，可以通过改变应用到相位探测器的参考信号来从金属污染物产生的信号中指出或区分出不想要的产品信号。因此，系统能够探测具有磁性或传导性的金属或其他污染物，其中与污染物相关的输出信号的分量的相位是在与和产品相关的分量的相位基本上不同的相角发生。
在食品产品具有嵌入于其中的金属或其他传导或铁磁颗粒(磁性材料或传导性材料)的情况下，则输出信号将包括与由金属颗粒的存在引起的磁场的干扰相关的附加分量Vs8。尽管输出信号的分量Vs8的振幅与来自产品的信号Vs3相比较小，但是信号Vs8通常不会与参考信号Vref相位正交。因此，所得分量Vm将不会被相敏探测器忽略，从而导致来自相敏探测器的输出信号增大(参见图2)。这能够应用于在达到预定阈值时触发警报的水平探测器。
上述系统有利于探测具有磁性或传导性的金属，其中与金属相关的输出信号的分量的相位是在与和产品相关的分量的相位大体不同的角度发生。然而，在不锈钢的情况下，所产生的输出信号的相位在给定频率下可以大体对应于来自产品的输出信号。因此，金属颗粒所产生的输出信号的分量将与参考信号相位正交，并且将不会由相敏探测器探测到。由于输出信号的量值和相位在很大程度上取决于驱动信号的频率和不锈钢颗粒的大小，所以将会自然地改变驱动信号的频率以使得与金属颗粒相关的输出信号的相位分量将与和产品相关的输出信号的分量异相。然而，当驱动线圈由调谐电路驱动时，可用频率的选择有限。为了克服已知调谐电路提供的频率的有限选择，WO 2006/087510(SpectrumInspection Systems Limited)教导了变频金属探测器，其中驱动线圈中的信号借助于多个开关在选定的频率下被驱动。这允许驱动线圈中的信号在与调谐电路相比更大的频率范围中被驱动。
尽管在厂房或者在客户现场借助于受技术人员委托将探测线圈设置在近乎完全平衡状态下，但是仍将存在探测线圈系统在没有测试物品或污染物存在的情况下无法处于平衡状态的场合，从而导致完全可接受的食品产品受到拒绝。例如，探测器的平衡可能由于探测器的运输或移动或者其他结构改变从而导致线圈移动而受到干扰。另外，金属或磁敏感物体可能进入探测线圈的磁场附近，导致干扰探测线圈系统的磁场，从而产生错误的输出信号。
在将金属探测器的灵敏度设置得非常高以探测与小金属颗粒相关的磁场中的非常小干扰的情况下，在某些环境下，探测线圈的不平衡对于诸如仅在有限的电压信号范围上操作的探测线圈放大器和相敏探测器的探测电路的操作可能具有深远影响。当探测线圈处于不平衡状态下时，有更大可能性的是由于“产品效应”来自湿润产品的输出信号在给定操作频率下使探测电路饱和。例如，这可以在图3中参照具有超过探测电路的+/-12v的饱和极限的峰间值的正弦波8示出。在理想情况下，如果系统处于完全平衡状态下或者低于预定阈值，则输出信号读数应为零。然而，当探测线圈系统处于极度不平衡状态达到输出信号10占据探测电路的操作范围的很大一部分的程度时，由于产品效应导致的磁场中的任何附加干扰将大大增加输出信号使其超出探测电路的饱和极限。这在示出输出信号的顶部14(由虚线示出)“丢失”的图3中示意性地示出。为了将输出信号纳入范围内，关闭驱动信号，由此减少探测线圈之间的磁场的强度，但是这是以降低金属探测器的灵敏度为代价。因此，存在金属颗粒尤其是小金属颗粒将无法被探测到的风险，因为由探测电路拾取的磁场中的干扰仅是非常轻微的。此外，探测电路的饱和可导致探测器不能将与特定金属污染物相关的输出信号的分量与和产品相关的输出信号的分量辨认为异相，且因此可能像如上所述被忽略。
为了试图降低这种探测不精确性，在探测器的每个给定操作频率下重新平衡探测线圈，因此使得平衡信号更接近零线并且由此减少探测电路将会饱和的可能性。参照图3，这具有增加表示从平衡信号的峰值到用于探测目的的探测电路的饱和极限的距离的“净空”信号16的效应。通常，使用机械平衡来平衡探测线圈。图4示出使用连接在接收器线圈22与24之间的线圈或回路的形式的机械平衡20的线圈配置18的示意性布置。接收器线圈22、24被示出为串联。机械平衡20为接收器线圈22和24提供一些松弛，以使得它们与发射器线圈26的有效距离能够被调整，进而引起其磁场改变。用于平衡线圈系统18的标准之一在于每个接收器线圈22和24与发射器线圈26的有效距离相等。由于接收器线圈的诸如形状、大小和绕组数量的物理性质相同，所以通过改变系统18内线圈彼此的相对距离，可以精细地调整输出信号。通过通常用手或特定工具手动地操纵机械平衡20以使得接收器线圈22和/或24之一的有效距离能够被调整来平衡探测器。一旦被调整，随后将机械平衡20封装在树脂中以防止在金属探测器的物理震动或处理过程中的任何进一步移动。图4中所示的机械平衡20在给定频率下为平衡提供精细调整。为了对平衡并且接合或单独对回路或线圈20进行粗略调整，可以提供替代的机械平衡。这涉及将预定大小的一块金属放在线圈系统附近，以使得在磁场中引起故意干扰。通过调整金属块在接收器线圈22和24之间或围绕线圈的位置，可以由此调整探测线圈系统的平衡。即使曾经被校准的机械平衡随后封装在树脂中以防止任何进一步的移动，校准方法也容易出错。在设置树脂的过程中，机械平衡任何脱离平衡的微小移动都将意味着树脂或密封已再次被破坏并且重新进行。此外，这种平衡技术仅提供在一个频率下的线圈平衡。为了在其他频率下平衡探测线圈，将意味着重复地操纵探测线圈以满足其他频率。
与调谐电路相比，如WO 2006/087510(Spectrum Inspection Systems Limited)中所教导的现代金属探测器在大频率范围上操作，例如，40kHz至900kHz。在每个连续的频率机械地重新设置平衡的时间、作用力和费用有时可能过度并且在一些情况下结果并不非常精确。此外，在大部分情况下，机械平衡被永久地设置在树脂中，从而使得不可能机械地重新设置平衡。因此，仅几个选择频率被选择用于平衡，例如，通常在频率范围的每个极端上选取一个并且在中间选取一个。图5示出在没有待测试的产品或污染物的情形下在探测器的所有操作频率范围内金属探测器的输出信号10的示例性分布。尽管探测线圈在选定频率A、B和C(参见图5)下有效地平衡，但是在选定频率之外，来自探测线圈的输出信号10并不是这种情况，从而产生非零输出信号。因此，在将不属于选定频率A、B和C的频率用于探测特定金属类型时，存在探测电路将通过如上所述的间接作用饱和的风险。
WO 02/25318(Safeline Limited)涉及自动平衡技术，由此当线圈不平衡时，由数字信号处理器确定的不平衡信号导致合成器产生校正信号以用于从线圈输出信号减去以抵消平衡信号。未提供如何实现此点的进一步细节，因为每次输出信号不平衡时正确地确定不平衡信号的相位和量值以提供必要的校正信号是必需的。更重要的是，自动平衡仅迎合正弦性质的信号源自调谐电路，且因此不适于如WO 2006/087510(Spectrum InspectionSystems Limited)中所教导的变频金属探测器。
如以上参照图1所示的矢量图所述，探测线圈系统产生两个信号，称为电阻和电抗信号，这告诉探测者产品与磁场的相互作用。诸如铜或不锈钢的传导产品将产生主要具有电阻分量的输出信号。另一方面，由于材料中的损坏，来自不良导体但是完美或近乎完美的磁性材料的输出信号的分量基本上与电阻信号相位正交。来自接收器线圈的不同输出信号将依赖于产品的传导性而变化。例如，不同类型的产品将与磁场的相互作用不同，每个产品具有电阻分量和电抗分量且因此具有特征相角。
当接收器线圈之间通过完美的磁性材料时，将预期指示弱传导材料分量的相对弱的或没有电阻分量和指示强磁性材料的强电抗分量。事实上，并非完全如此，并且完美的磁性材料呈现出电抗分量和显著的电阻分量，从而产生来自驱动信号的相角的稍微偏移。相角的此偏移可以归因于监控或记录或处理来自接收器线圈的输出信号的延迟。在产品与接收器线圈之间的磁场相互作用的过程中，系统拾取信号存在稍微的延迟。在产品是诸如硬冷冻产品的干燥产品(没有导电性)的情况下，产生小相角。此延迟可以归因于改变的磁场与接收器线圈的相互作用和由于探测器(例如，相敏探测器)中的电子器件导致的接收器线圈中的信号的随后探测。此延迟通常是特定金属探测器的特征，并且传统上通过在探测线圈之间存在铁氧体棒的情况下，调谐金属探测器以补偿或区分表示电阻分量的信号和与表示电抗分量的与此信号成90°的有利信号来校准。在不补偿输出信号中的此延迟的情况下，呈现极少或没有导电性的诸如干燥产品的产品可以产生由探测电路探测到的显著信号。
对于简单金属探测器(由此驱动线圈由在有限的频率范围上操作的调谐电路驱动)而言，为了校准此延迟和噪音，在给定操作频率下使铁氧体棒通过探测线圈之间，并且记下所产生的输出信号。由于磁场与铁氧体的相互作用导致的输出信号中的任何差异，随后将适当的电容器添加到调谐电路以区分电阻相位中的输出信号。手动地将电容器添加到调谐电路以补偿此延迟因素的时间和作用力可能是麻烦的并且容易出错。此外，需要在不同的操作频率下重复此延迟的整个手动校正。在变频金属探测器在大频率范围上操作的情况下，将需要大量时间和作用力来在每个操作频率下校准此延迟因数。
此外，探测线圈非常灵敏，这样使得诸如线圈的轻微移动或振动或线圈附近任何外来金属物体的存在的任何外部影响所产生的信号导致探测线圈产生不良噪音。当校准用于诸如硬冷冻产品(约18℃)的干燥产品(没有导电性)的金属探测器时，没有对此噪音的任何形式的校准，金属探测器不清楚噪音是负责干燥产品与磁场的相互作用还是其仅是背景噪音。为了补偿此噪音，使铁氧体棒通过探测线圈之间，因为其产生极其类似于移动的金属的信号，即，类似于噪音信号。通过补偿或区分来自铁氧体棒的信号，金属探测器变得对于振动信号非常稳定。由于噪音的性质随着频率变化，为了在金属探测器的不同操作频率下补偿此噪音，有必要通过在不同的操作频率下添加适当的电容器来手动地调谐该调谐电路以区分来自铁氧体棒的信号。
因此，需要一种系统，其：
a)在一个范围的操作频率下与信号形状无关地(例如，无论是否正弦)自动平衡探测器线圈系统，以在不需要机械地调整线圈的情况下考虑探测器线圈系统中的任何不平衡，并且这确保在宽频率范围下在没有产品和/或污染物的情况下足够小的或零输出信号；
b)在没有任何的或极少的手动干预的情况下自动补偿由于测量输出信号时的外部影响导致的任何延迟或噪音。
发明内容
本申请人已经通过提供可调平衡信号以抵消线圈系统中的任何不平衡缓解了上述问题。更具体来说，本申请人提供一种变频金属探测器的操作方法，变频金属探测器具有驱动电路，用于在线圈系统中建立交变磁场以产生给定频率的输出信号；所述驱动电路包括多个开关，所述多个开关布置成使得线圈系统在由所述多个开关的操作所确定的频率下被驱动，所述方法包括以下步骤：
a.产生可调平衡信号；
b.将可调平衡信号与探测器的输出相接合；
c.调整可调平衡信号以提供补偿信号，
由此输出信号和/或可调平衡信号被过滤以移除一个或多个谐波。
产生可调平衡信号以与探测器线圈系统的输出信号相接合使得能够抵抗系统中的任何不平衡。可以使用任何信号产生设备(驱动器)来产生和改变可调平衡信号。实例包括数字振荡器、合成器、电子可编程逻辑器件(EPLD)甚至从中央处理单元的时钟速度得到的信号。更具体来说，可以将可调平衡信号调整到使得当与探测器输出接合时其使得输出信号无效的程度。可调平衡信号是从用来驱动所述驱动线圈(驱动信号)的驱动信号注入或流入以与输出信号相接合。优选地，驱动电路产生驱动信号以在线圈系统中建立交变磁场，并且可调平衡信号源自驱动信号。例如，驱动所述驱动线圈的信号可以基于用来产生给定频率的驱动线圈以控制多个开关，例如，如WO 2006/087510(Spectrum InspectionSystems Limited)中所教导的驱动电路中的场效应晶体管(FET)的EPLD的内部时钟振荡器。通常，EPLD包括存储在EPLD中的一个或多个驱动映射，联接到EPLD的CPU选择驱动映射，该映射随后控制内部时钟振荡器以向驱动器发送适当的信号以便重复地控制多个开关的操作，从而产生给定频率的信号。或者，用于驱动EPLD的驱动映射可以同样存储在CPU中。由于可调平衡信号源自驱动信号，所以可调平衡信号将与驱动信号具有相同频率但是具有固定的相位关系。就总输出信号而言，通过使得输出信号中的任何不平衡无效并且在线圈系统之间没有任何产品或用于“干燥产品”(即，在线圈系统中不产生信号)的情况下，保留用于探测污染物的输出信号或“净空”信号中的较大部分而不会使探测线圈放大器饱和。理想地，用于探测污染物的最大范围或“净空”信号通过有效地使得线圈系统中的不平衡无效来提供。这又允许驱动信号被“开大”(即，增加应用到驱动线圈的电压)，因此增加金属探测器的灵敏度以探测输出信号中的小变化而不会使探测电路饱和。
优选地，测量补偿信号，并且如果补偿信号高于预定阈值，则重复以上步骤(c)以使得当与探测器的输出信号接合时，补偿信号低于预定阈值。优选地，预定阈值对于完全平衡的系统来说基本上等于零，但是可以是选择以提供平衡的线圈系统的任何值，例如，对于有用污染物探测足够平衡。通常，金属探测器具有探测范围，超过该范围，金属探测器(更具体来说探测电路)将会饱和。理想地，预定阈值小于探测电路的探测范围的实质40％，优选地小于探测电路的探测范围的实质15％，更优选地小于探测电路的探测范围的实质10％。因此，对于给定频率来说，在没有任何产品或污染物或者对于干燥产品时线圈系统中存在不平衡从而产生非零输出信号或在预定范围之外的情况下，系统自动改变可调平衡信号以使得可调平衡信号与探测器的输出接合以补偿此非零输出从而使其平衡，例如，产生基本上零信号或低于预定阈值。这可以通过试错过程来进行，例如，增量地改变可调平衡信号并且对于每个增量步骤，测量输出信号以查看其是否低于允许的范围。一旦输出信号低于允许的范围，则存储对可调平衡信号做出的调整。例如，探测电路在+/-12伏的峰间探测范围下操作，则用以在没有产品的情况下在探测线圈中建立金属探测器的平衡的允许的预定阈值将产生小于大体上4.8伏的输出电压，优选地小于大体上1.8伏、更优选地小于大体上1.2伏。
可选地，通过将可调平衡信号叠加在输出信号上来将给定频率下的可调平衡信号与探测器线圈系统的输出接合。更优选地，用可调平衡信号补偿输出信号的方法可以涉及计算可调平衡信号与输出信号之间的差，例如，量值和相位。为了平衡线圈系统，改变可调平衡信号的相位和量值，这样使得当从输出信号减去时大体上使得输出信号无效。这可以通过图1中的矢量图来图解地表示。输出信号中的不平衡由矢量Vout示出，该矢量具有相位分量和由矢量长度确定的振幅。为了使输出信号Vout无效，改变可调平衡信号VABS以使得其相位分量和振幅与输出信号大体上相等并且相反。这通过另外提供矢量分量VABS来图解地表示，该矢量分量具有与矢量Vout大体上相等并且相反的相位和量值。这可以有效地使得输出信号无效。然而，可以改变可调平衡信号VABS以有效地将输出信号降低至预定补偿值以下。可调平衡信号的类型和性质将取决于输出信号的性质。最简单的方法是，其中输出信号的性质是正弦(例如，源自调谐电路)且因此平衡信号是选择一大体上抵消正弦波的信号。在由如变频金属探测器中发现的多个开关获得驱动信号的情况下，输出信号是不受控形状，且因此缺乏任何对称性，即，更具体来说，输出信号采用具有一个或多个谐波的更方形或梯形的形状。因此，建立可调平衡信号来使输出信号中的不平衡无效或将其减少比输出信号的性质是正弦的情况下更加复杂。简单地建立相等且相反的信号来抵消输出信号在此情况下并非总是适当的。可调信号被改变到当与不平衡信号接合时有效地减少信号以降低预定阈值或使得输出信号无效的程度。实现此的算法可能比简单地增加或减去信号更加复杂，如期望来自传统的调谐电路的信号。本发明中重要的是，来自接合的可调平衡信号和平衡的信号的所得输出达到低于预定阈值。
优选地，可调平衡信号是基于具有的相位和振幅分量被调整成使得其与输出信号基本上相等并且相反的驱动信号。优选地，在金属探测器的给定操作频率下，通过在连续步骤中增加或减少可调平衡信号来改变可调平衡信号。在每个步骤，测量输出信号以查看其是否达到低于预定阈值。如果未达到，则增大可调平衡并且重复测量过程以查看其是否达到低于预定阈值。一旦输出信号达到低于预定阈值，则将在给定频率下对可调平衡信号做出的调整存储在数据库或查找表中以供以后在那个给定频率下找回。通过在试错过程中改变可调平衡信号，有助于缓解在精确地建立用于输出信号中的任何不平衡的抵消信号时的复杂性。
优选地，以连续频率重复通过使得输出信号无效或使线圈系统平衡来校准金属探测器的过程。优选地，增量地改变频率，更优选地以大体上10Hz增量改变。因为平衡线圈系统的过程是自动的，所以使得这有可能。更优选地，可以通过软件来改变可调平衡信号。而在现有技术中对仅选择几个频率的金属探测器进行由于物理地调整线圈分离以补偿不平衡水平的时间和作用力引起的平衡过程、通过使用软件在数量上测量线圈系统的不平衡水平并自动地配置驱动信号以使其平衡来控制和改变可调信号使得平衡过程自动化，并且由此可以对更大范围的操作频率进行平衡过程。
优选地，可调平衡信号由电位计，更优选地由数字电位计改变。数字电位计的使用使得能够通过软件来控制可调平衡信号。这允许系统自动地使得系统中的任何不平衡无效，即，通过可调平衡信号来补偿线圈系统的输出以提供补偿信号。一个或多个电位计的使用允许平衡信号有效补偿输出信号中的任何不平衡，不论输出信号的形状或形式如何。这甚至在线圈系统由如WO 2006/087510(Spectrum Inspection Systems Limited)中所教导的多个开关驱动的情况下也是可能的，其中所得方波(或梯形波)产生大量与由调谐电路产生的传统正弦信号相比而言相对高能量的谐波。优选地，电位计包括第一电位计和第二电位计，并且可调平衡包括第一可调平衡信号和第二可调平衡信号。第一可调平衡信号由第一电位计来改变并且第二可调平衡信号由第二电位计来改变。优选地，第一可调平衡信号与第二可调平衡信号实质不同相。更优选地，第一可调平衡信号与第二可调平衡信号异相等于或小于实质上90°。已经发现，第一可调平衡信号与第二可调平衡信号分开离90°越远，可调平衡信号将越难以平衡输出信号中的任何不平衡。优选地，第一可调平衡信号与驱动信号同相并且第二可调平衡信号与驱动信号不同相。优选地，第二可调平衡信号与驱动信号大体上异相90°。同样，第一可调平衡信号和/或第二可调平衡可以分别设置在与驱动信号不同相或者与驱动信号相位不正交(与驱动信号异相90°)的任何任意角度。通过两个电位计改变平衡信号允许覆盖输出信号的全360°相角。可选地，可以通过包括可变电阻器(电位计)、可变电容器和/或可变电感器的调谐电路来改变可调平衡信号。与两个电位计相比，包括电位计、可变电容器和/或电感器的调谐电路仅允许覆盖驱动信号的90°相角变化。
更优选地，可调平衡信号由电子可编程逻辑器件(EPLD)改变，例如，复杂可编程逻辑器件(CPLD)或现场可编程门阵列(FPGA)。联接到EPLD的CPU选择存储在EPLD中或CPU中的驱动映射，其随后将信号发送到驱动器以在给定工作频率下产生驱动信号和可调平衡信号。例如，驱动器包括多个开关(例如FET)，这样使得通过选择存储在EPLD中的驱动映射，EPLD控制内部时钟振荡器以驱动多个开关(例如FET)，以在给定频率下产生发射器驱动信号。由于可调平衡信号源自驱动信号，所以可调平衡信号将与驱动信号处于相同频率。除了用于在给定工作频率下产生驱动信号和可调平衡信号之外，联接到EPLD的CPU还可以用来改变所产生的可调平衡信号的振幅和相位。这去除了对于电位计或调谐电路的需要，因为可调平衡信号中的变化可以单纯地通过使用可编程逻辑电路(PLCs)来进行。
以上步骤(a)中的可调平衡信号和/或步骤(b)中的接合的可调平衡信号和/或输出信号由低通滤波器、更优选地可开关低通滤波器来过滤，以满足不同的操作频率。而在已知的自动平衡系统中，系统是基于借助于调谐电路在有限的频率范围上产生的规则正弦波，来自变频金属探测器的输出由此驱动线圈由多个开关驱动，与基频操作一起产生具有大量高能谐波或谐波失真的方波(或梯形波)，即，所得波通常具有不受控的形状。在没有低通滤波器的情况下，探测器带来由于谐波导致的补偿信号的峰值信号电压可能超出补偿信号的预定阈值从而产生连续不平衡的风险。更重要地，峰值信号电压可能超出探测电路的饱和极限。低通滤波器从可调平衡信号和/或输出信号过滤掉一个或多个谐波从而留下基础分量，即，产生更加可工作且可测量的更加正弦的波形并且不被高能谐波破坏。
可调平衡信号和/或输出信号可以各自单独地由一个或多个低通滤波器过滤，以便在被接合以形成补偿信号之前从其相应信号移除一个或多个谐波。低通滤波器还允许通过电位计或PLC或者以其他方式有效地改变可调平衡信号，以便补偿输出信号中的任何不平衡，不论输出信号的形状或波形或任何谐波失真的存在情况如何。这简化了“平衡”操作，因为信号具有比波形不具有规则形状的信号更“可管理”的波形(产生更加正弦的波形)，所以需要较少步骤来实现平衡状态。
在金属探测器的初始启动过程中，系统扫描一个范围的操作频率并且通过在平衡探测线圈系统必需的每个给定频率下自动地调整电位计来改变可调平衡信号。建立用于不同操作频率的电位计的所存储的调整的数据库或查找表。在基线信号的每次测量之前可以提供时间延迟，以便允许探测线圈系统的频率稳定。
优选地，用于探测金属污染物的操作方法包括以下步骤：
a)在没有物体的情况下选择所需操作频率；
b)从数据库找回在所需频率下对可调平衡信号做出的所存储的调整；
c)调整可调平衡信号至数据库中的调整值；
d)用可调平衡信号补偿输出信号以提供补偿信号。
以上过程属于产品校准阶段，由此金属探测器(更具体来说线圈系统)被校准用于特定产品类型并且涉及选择用于那个产品类型的操作工作频率，这样使得来自嵌入在产品内的任何金属污染物的输出信号可以与来自单独产品的输出信号简单地区别开。在探测器中没有任何产品或用于干燥产品的情况下，将可调平衡信号与由于线圈系统中的任何不平衡导致的输出信号相接合将产生补偿信号，即，使得线圈系统中的不平衡无效。一旦基于产品的诸如大小、导电性、导磁性的特征选择了所需操作频率，则将可调平衡信号与探测器的输出信号相接合可选地包括从输出信号减去可调平衡信号的步骤。如上所述，由于输出信号为不受控的形状，且因此缺乏任何对称性，所以通常仅需要探测接合的可调平衡信号和输出信号是否达到低于预定阈值。在操作中，操作者通过体验产品类型来手动地设置所需操作频率。一旦选择了操作频率，则系统搜索数据库以找回在来自以上描述的较早信号平衡校准阶段的那个对应的操作频率下电位计、PLC等的所存储的调整。如果系统认识到在特定的操作频率下，在探测线圈系统中存在不平衡从而产生残余或非零基线信号，则系统通过与适当地无效可调平衡信号相接合来补偿输出信号以提供输出信号的更精确表示。这防止探测线圈系统中的不平衡影响测量出的输出信号。
产品校准阶段进一步包括以下步骤：使测试产品通过探测器，测量由于测试产品与探测线圈之间的磁场的相互作用产生的输出信号，并且随后存储测量出的输出信号。测试产品是代表在没有已知污染物的调查研究中的产品的产品。这是为了提供用于产品类型的基本信号，以使得来自调查研究中的未来类似产品的输出信号与此基本信号的任何不同(例如，相角)都是金属污染物的指示。这是因为污染物将与磁场不同地互动，从而产生具有与单独产品的相角不同的相角的输出信号。通常，将调查研究中的类似产品放在传送带上，并且测量输出信号并将其与在那个操作频率下来自测试产品的所存储的输出信号(基本信号)相比较，以查看是否存在来自基本信号的任何变化。例如，认为源自驱动信号的信号具有代表驱动信号的相内分量的P分量和代表驱动信号的相位正交分量的Q分量。在以下描述的特定实施例中，测量输出信号的P’和Q’分量。P’分量代表输出信号的相内分量并且Q’分量代表输出信号的正交分量。这不应被错当作以上描述的源自驱动信号的信号的P分量和Q分量。例如，源自驱动信号的可调平衡信号具有与驱动信号同相的P分量和与驱动信号相位正交的Q分量。输出信号的相角例如借助于简单的三角学由测量出的P’和Q’值确定。以下在特定实施例中描述产品校准阶段的进一步细节。
本发明相应地提供金属探测器，包括：a)线圈系统；b)驱动电路，用于在给定频率下在没有物体的情况下在线圈系统中建立交变磁场以产生输出信号和可调平衡信号；以及c)调整器，用于在所述给定频率下改变可调平衡信号以便与探测器的输出相接合来提供补偿信号。
优选地，驱动电路被布置成在一组不同频率中的任一个频率下操作线圈系统。金属探测器的灵敏度由金属探测器选择用于特定产品类型的操作的最佳频率的能力确定。例如，尽管一个产品在一个特定频率下可探测，但是在另一个频率下或者对于另一种产品类型并非如此。此外，尽管在一个频率下食品产品与金属污染物成功区分开，但是在另一个频率下并非如此。因此，对于给定产品类型来说，金属探测器必须能够在一个范围中开关以提供操作的最佳灵敏度。驱动电路包括布置成跨电位差交替地连接线圈系统的多个开关，从而使得线圈系统在由如国际专利申请WO 2006/087510(Spectrum Inspection Systems Ltd)中所描述的开关的操作所确定的操作频率下被驱动。优选地，多个开关可以是如WO2006/087510(Spectrum Inspection Systems Ltd)中所教示的场效应晶体管(FET)、双极面结型晶体管(BJT)或任何其他适合的开关设备。通过使用多个开关替代常规的调谐电路来控制对线圈系统的输入，有可能编程处理器或可编程控制器来操作多个开关，以使得可以获得任何所需的操作频率以便最大化金属探测器的灵敏度。例如，如WO2006/087510(Spectrum Inspection Systems Ltd)中所论述，CPU监控以查看探测线圈是否饱和或者在试验样品中是否成功区分出金属污染物，并且响应于此，选择适当的操作频率。这将使得金属探测器能够简单地安装和接通，金属探测器监控器自己的操作并且选择用于特定产品类型的适当驱动频率。这还将允许通过探测器使用不同的产品类型，其中探测器辨别何时必须选择不同频率。通常并且如上所述，在金属探测器的操作过程中，操作者将通常通过体验来手动地选择用于特定产品类型的所需操作频率。借助于多个开关驱动线圈系统允许操作者从比传统地使用调谐电路更大的范围中选择理想的操作频率。
优选地，驱动电路包括微处理器(CPU)和电子可编程逻辑器件，电子可编程逻辑器件的输出控制所述开关，其中对于特定探测线圈来说，将多个驱动映射存储在电子可编程逻辑器件中，每个器件含有开关的开关序列以用于线圈系统的相应预定操作频率，其中微处理器根据选定的操作频率来选择适当的开关序列。这提供确保针对所选定的任何频率以精确并且预定的方式控制开关的便利方式。
优选地，本发明的金属探测器包括微处理器和电子可编程逻辑器件，用于在给定频率下改变可调平衡信号并且在驱动信号的所述给定频率下将所述可调平衡信号与输出信号相接合以提供补偿信号。用于改变可调平衡信号的电子可编程逻辑器件可以是与如上所述用于驱动线圈系统的器件相同的电子可编程逻辑器件。诸如复杂可编程逻辑器件(CPLD)或现场可编程门阵列(FPGA)的更精密的电子可编程逻辑器件允许执行更复杂的操作。更优选地，将微处理器构建到金属探测器中。替代地，微处理器由个人计算机提供。优选地，金属探测器包括存储设备，用于存储对可调平衡信号做出的以提供补偿信号的调整。例如，比如其中通过一个或多个电位计改变可调平衡信号，则在每个操作频率下，微处理器存储对电位计做出的平衡探测器线圈系统所必需的调整。因此，建立示出用于每个对应的操作频率的电位计和/或补偿信号的调整的数据库或查找表。
优选地，线圈系统包括驱动线圈和探测线圈，这样使得在使用中，当在线圈系统中建立交变磁场时，探测线圈与和驱动线圈相关的磁场感应地联接以产生输出信号。更优选地，探测线圈在不同的位置包括至少第一和第二探测线圈，并且所述线圈被布置成使得金属的存在将使得与驱动线圈相关的磁场失真并在探测线圈的输出中产生不平衡，从而产生来自探测线圈的大体上非零输出。第一和第二探测线圈优选地大体上相对布置，并且串联或并联电连接。通过将第一和第二探测线圈相对连接，它们感应的电压彼此相反并且由此抵消。如果线圈系统处于完全平衡状态，则它们的输出信号为零。相反，在线圈系统处于不平衡状态时，它们的输出信号基本上非零。
除了校准输出信号以补偿输出信号中的任何不平衡之外或者与其接合，在本发明的第二实施例中，系统优选地补偿由于磁场与调查研究中的产品和探测电子器件的相互作用导致的噪音和来自移动金属的噪音。本申请人已经通过提供一种系统缓解了以上问题，该系统自动地补偿输出信号以顾及在磁场与调查研究中的产品和探测电子器件的相互作用过程中源自延迟的噪音和/或由于干扰探测线圈中的测量的外部影响(例如，振动)产生的噪音。此噪音通常通过记录线圈系统中的磁场与铁氧体的相互作用来测量。理论上，来自铁氧体的输出信号类似于由于噪音产生的输出信号。因此，通过从铁氧体区分或补偿掉输出信号，可以有效地减少或大体上减少引起噪音的信号，即，金属探测器被补偿对线圈的任何外部干扰。因此，用于噪音的补偿信号将表示从其做出未来测量的固定参考点。在本发明中，术语“被补偿”或“被区分”是其中将输出信号减少到大体上零至或接近零值。
除了由于作用在线圈上的外部影响产生的噪音之外，由于调查研究中的产品与磁场的相互作用和随后记录其输出信号，在测量探测电子器件中的输出信号时还存在延迟。在不补偿此延迟的情况下，如果在探测电子器件中没有延迟，则输出信号与调查研究中的产品的相角将滞后或领先“真实”输出信号。由于输出信号的相角代表存在于线圈之间的产品或污染物的类型，所以相角的任何延迟导致错误地识别调查研究中的产品或污染物的类型。为了满足此延迟，传统上，在给定频率下参照固定参考信号测量调查研究中的任何产品的相角。此参考信号被选择成使得零度相角表示纯能量吸收的产品，即，完美或近乎完美的磁性材料。理论上并且每件事都完美，由于与磁场的相互作用产生的完美或近乎完美的磁场应主要产生与电阻信号相位正交的电抗信号。然而，由于探测电子器件中的此延迟，在给定频率下来自完美的磁性材料的输出信号不仅具有正交分量而且具有电阻分量。因此，如果我们考虑图1中所示的矢量图，对应于来自完美磁性材料的输出信号的矢量线将位于电阻轴线与电抗轴线之间。鉴于此差异，调整输出信号以使得来自完美磁性材料的输出信号主要在具有最小或没有电阻分量的电抗区域中。此行业中用于完美磁性材料的最好物品是铁氧体材料。尽管并非纯磁性，但是来自铁氧体的输出信号提供良好的参考点以调谐金属探测器，从而有利于给定相位中的输出信号同时消除与此方向正交的相位中的那些信号。事实上，来自铁氧体的输出信号产生是主要电抗的输出信号，且因此电阻分量将主要大体上为零或被补偿掉。
本发明提供一种操作金属探测器的方法，其中针对在给定频率下测量输出信号时的任何延迟或噪音自动地补偿输出信号，所述输出信号具有第一分量和第二分量，第一分量相对于第二分量异相预定相角，其中通过以下步骤针对在给定频率下测量输出信号时的任何噪音或延迟自动地补偿输出信号：
a.在线圈系统之间存在铁氧体的情况下测量输出信号，
b.数字化调整输出信号以使得输出信号的第一或第二分量中的输出信号等于或低于第一预定阈值，并且输出信号的第二或第一分量中的输出信号等于或高于第二预定阈值，
c.将对输出信号做出的调整存储在数据库或查找表中，
d.对于不同的频率重复步骤a、b和c。
优选地，数字地调整输出信号以使得输出信号的第一或第二分量中的输出信号的量值等于或低于第一预定阈值，并且输出信号的第二或第一分量中的量值等于或高于第二预定阈值。通过将对输出信号做出的调整存储为查找表或数据库去除了手动地调整输出信号以补偿此延迟的需要。优选地，查找表或数据库与用来校准如上所述的输出信号中的任何不平衡的查找表或数据库分开。由于此延迟通常是特定金属探测器的特征，所以提供此校准可以在运出到顾客地点之前在工厂地点执行，即，在第一制造商处执行。通过数字地补偿输出信号的测量中的此延迟因数，但是更重要地通过存储对输出信号做出的调整，去除了将电容器重复地添加到传统调谐电路以调整输出信号使得在没有铁氧体的情况下输出信号将主要是电抗分量的需要。
优选地，输出信号的第一分量大体上与输出信号的第二分量相位正交。由于电抗分量相对于电阻分量相位正交，所以通过调整具有与第二分量相位正交的第一分量的输出信号，有可能区分或者补偿掉输出信号的第一分量或第二分量中来自铁氧体的输出信号，从而主要留下在输出信号的第二或第一分量中的输出信号。术语“被补偿”或“被区分”表示由此在相对于驱动信号的一个相角输出信号被调整成使得其大体上为零或接近零(最小预定阈值)，并且输出信号被控制在相对于驱动信号的另一个相角。这种情况在输出信号的第一与第二分量之间的相角大体上等于90°时出现。当在矢量图上观看时，表示输出信号的矢量线被有效地旋转以使得其大体上位于没有或具有极少电阻分量的电抗轴线上或近似位于其上。以此方式，由于铁氧体与磁场的相互作用产生的输出信号将主要是电抗分量。例如，设置金属探测器以探测P’信号(第一或第二分量)和Q’信号(第二或第一分量)，由此P’分量与Q’分量相位正交，随后调整金属探测器以使得输出信号主要是Q’信号或P’信号(即，电抗分量)，并且极少或没有Q’或P’信号(电阻分量)。因此，知道来自铁氧体的输出信号的分量之一读数应为零或近似零，在给定频率下在存在铁氧体的情况下调整输出信号，以使得其主要产生电抗信号和零或近似零的电阻信号(分量之一读数大体上为零并且输出信号主要由其相位正交分量占据)。在探测线圈之间存在铁氧体的情况下测量最大Q’或P’值和最小P’或Q’值时是这样的关系，这允许系统对于探测系统中的任何噪音或延迟来补偿系统。然而，测量输出信号时的这种关系并不限于在输出信号的第二或第一分量大体上为零时调整输出信号来产生大体上最大的第一或第二分量，即，在第一或第二分量与输出信号的第二或第一分量相位正交的条件下。输出信号的第一与第二分量之间的角度可以在任何预定的相角，只要系统可以识别输出信号的两个分量之间的“最大和最小”关系即可。并非调整来自输出信号的铁氧体的相角以使得分量之一大体上等于零(即，当输出信号的两个分量相位正交时)，可以调整输出信号以使得输出信号的第一或第二分量等于或低于第一阈值，并且输出信号的第二或第一分量等于或高于第二预定阈值。在此情况下，输出信号的第一分量不与输出信号的第二分量相位正交而是在另一个任意的相角。第一和第二预定阈值主要由输出信号的第一与第二分量之间的相角确定。
优选地，数字地调整输出信号以区分输出信号的第一或第二分量中的输出信号，主要使得输出信号的第一或第二分量中的输出信号大体上等于零。通过将电阻分量补偿掉，也将顾及到探测电子器件中的任何噪音。为了补偿输出信号的第一或第二分量中的输出信号，优选地，金属探测器包括相敏探测器，由此通过以下步骤针对在给定频率下测量输出信号时的任何延迟或噪音补偿输出信号：
a.产生参考信号；
c.数字地调整参考信号以使得当与来自铁氧体的输出信号接合时，输出信号的第一或第二分量中的输出信号等于或低于第一预定阈值，并且输出信号的第二或第一分量中的输出信号高于第二预定阈值；
d.将对参考信号做出的调整存储在数据库或查找表中；
e.在不同频率下重复步骤a、b、c和d。
通过基于驱动信号产生参考信号，可以调整参考信号以使得当与来自相敏探测器中的铁氧体的输出信号接合时，输出信号的第一或第二分量中的输出信号等于或低于第一预定阈值，并且输出信号的第二或第一分量中的输出信号高于第二预定阈值。
优选地，数字地调整参考信号以区分输出信号的第一分量或第二分量中的输出信号，即，大体上等于零。第一或第二预定阈值主要由参考信号与输出信号之间的角度的余弦确定。因此，当参考信号与输出信号之间的角度等于90°时，相敏探测器将参考信号与输出信号进行比较以产生大体上零值(Cosine 90°＝0)。当输出信号与参考信号同相时获得最大值(Cosine 0°＝1)。优选地，金属探测器包括第一和第二相敏探测器，并且参考信号包括第一参考信号和第二参考信号，这样使得在给定频率下，第一参考信号在第一相敏探测器中与输出信号相接合以产生输出信号的第一分量，并且第二参考信号在第二相敏探测器中与输出信号相接合以产生输出信号的第二分量。通过改变第一和/或第二参考信号，实现了调整由此符合在存在铁氧体的情况下输出信号的“最大和最小”条件。更具体来说，当第一参考信号与第二参考信号相位正交时，则输出信号的第一或第二分量中的输出信号被补偿掉或区分从而读数主要是零或近似零信号，并且来自铁氧体的输出将主要由输出信号的尚未被补偿掉的第二或第一分量(即，电抗分量)中的输出信号占据。换言之，有效地旋转输出信号以使得其大体上位于电抗轴线上或大体叠加在其上。优选地，增量地增加参考信号(更具体来说，第一和/或第二参考信号)，并且监控来自第一和第二相敏探测器的输出以建立输出信号的第一或第二分量中的输出信号是否等于或低于第一预定阈值或已经被补偿掉(即，读数大体上为零)。当第一或第二分量中的输出信号达到低于预定阈值或已经被补偿掉时，第二或第一分量中的输出信号高于第二预定阈值或者达到最大值。优选地，第一参考信号大体上与第二参考信号相位正交，以模仿电抗信号与电阻信号大体上相位正交的事实，这样使得分别与第一和第二相敏探测器中的输出信号接合时，输出信号的第一分量与输出信号的第二分量大体上相位正交。通过补偿掉第一或第二分量中来自铁氧体的输出信号，产生纯电抗的信号并且因此考虑到探测电子器件中的延迟。每次在给定频率下输出信号被补偿掉/区分或达到低于输出信号的第一或第二分量中的第一预定阈值(取决于输出信号的哪个分量与参考信号大体上相位正交)，将在那个频率下对参考信号做出的调整存储在数据库或查找表中以供以后找回。这表示从其测量未来的调查研究中的产品的固定参考点。由于探测系统中的噪音或延迟的性质随着频率变化，所以在金属探测器的不同操作频率下重复此过程。
优选地，通过在参考信号中引入延迟因数来数字化调整参考信号。在参考信号基于由电子可编程逻辑器件(EPLD)所产生的驱动信号的情况下，则可以通过增量地调整EPLD的高速计数器或漂移注册来进行调整。
在操作中，当扫描产品以探测产品上、产品内或与其相关的金属时，方法优选地包括以下步骤：
a.从数据库或查找表找回在金属探测器的所需操作频率下对输出信号做出的调整；
b.将输出信号调整至存储在数据库或查找表中的调整值以补偿测量输出信号时的任何噪音或延迟。
在扫描调查研究中的产品以在金属探测器的给定操作频率下探测金属污染物的过程中，系统(例如，处理器)从数据库或查找表找回对输出信号做出的调整，并且随后将输出信号调整到存储在数据库或查找表中的调整值，以补偿测量输出信号时的任何延迟。优选地，对于存储在数据库或查找表中的调整，补偿输出信号的相位和/或量值。在输出信号的补偿之后，由于调查研究中的产品与磁场的相互作用产生的输出信号的第一或第二分量中的测量出的输出信号将表示已经被补偿任何噪音或延迟的输出信号的“真实”第一或第二分量。同样，由于产品与磁场的相互作用产生的输出信号的第二或第一分量中的测量表示已经被补偿任何噪音或延迟的输出信号的“真实”第二或第一分量。在没有任何形式的补偿的情况下，输出信号的第一或第二分量和输出信号的第二或第一分量将领先或滞后于输出信号的“真实”第一和/或第二分量。
每次使用金属探测器来在给定频率下测试调查研究中的产品时，金属探测器(更具体来说处理器)从查找表找回适当的校正因数，并且对输出信号(更具体来说对参考信号)做出适当的校正，以补偿输出信号中的任何噪音或延迟。优选地，对于存储在数据库或查找表中的调整，补偿输出信号的相位和/或量值。更具体来说，将输出信号校准到固定参考点以使得在给定频率下从调查研究中的产品做出的任何策略是相对于此固定参考点做出。优选地，对输出信号调整以补偿本发明的第二实施例中论述的输出信号中的任何噪音或延迟可以接合补偿如通过本发明的第一实施例论述的输出信号中的任何不平衡来使用。
如参照本发明的第一实施例所论述，金属探测器可以是变频金属探测器，由此驱动电路包括布置成使得线圈系统在由所述多个开关的操作所确定的频率下被驱动的所述多个开关。由于变频金属探测器在大频率范围上操作，所以数字地补偿输出信号中的任何噪音或延迟在测量的效率和精确度方面都提供优于基于调谐电路的传统金属探测器的显著益处。
优选地，金属探测器包括整流器来将探测线圈的输出信号转换成直流(DC)，这样使得信号可以被数字化。这使得输出信号能够由微处理器(CPU)读取。
具体描述
本发明的其他优选特征和方面将从权利要求书和以下参照附图进行的说明性描述显而易见。
附图说明
图1是描绘金属探测器的驱动信号和输出信号的相对相位和振幅的矢量相位图。
图2是描绘由于金属污染物产生的输出信号的相对相位和振幅的矢量相位图。
图3是探测电路中的输出信号的波形的示意图。
图4是示出位于探测线圈之间的机械平衡的金属探测器的搜索头中的线圈布置的透视图。
图5是用于一个范围的操作频率的探测电路中的输出信号的波形的示意图。
图6是实施本发明的金属探测器和皮带运输机的透视图；
图7是示出本发明的一个实施例的仪器的驱动电路的电路图；
图8a是示出根据本发明的第一实施例的产生和调整可调平衡信号以与线圈系统的输出信号相接合的装置的电路图；
图8b是描绘表示由图8a中的电位计：Pot 1和Pot 2调整的可调平衡信号：Vbal1和Vbal2的矢量线的矢量图。
图9是示出根据本发明的第二实施例的产生和调整可调平衡信号以与线圈系统的输出信号相接合的装置的电路图；
图10是示出根据本发明的第三实施例的产生和调整可调平衡信号以与线圈系统的输出信号相接合的装置的电路图；
图11a是示出根据本发明的一个实施例的校准探测器线圈系统的平衡的步骤次序的流程图；
图11b是示出根据本发明的一个实施例的用以校准探测器线圈的输出信号的任何噪音的步骤次序的流程图；
图12是根据本发明的一个实施例的探测电路的一部分的电路图。
图13a是描绘由于铁氧体的相互作用在产生的输出信号之间的相位关系的矢量图。
图13b是描绘由于含有金属污染物的产品与“干净”产品的相互作用在产生的输出信号之间的相位关系的矢量图。
图14是示出根据一个特定产品类型的用以校准探测器线圈系统的步骤次序的流程图。
图15是示出根据本发明的一个实施例的用于金属污染物的产品测试中的步骤次序的流程图。
详细描述
典型的金属探测器30在图6中示出，并且包括具有搜索头32和处理来自该头的信号的控制单元38，该搜索头32具有传送带36上的产品穿过其中的孔34。由围绕孔并绕在非金属框架上的三个线圈构成的线圈系统(未示出)设在搜索头内。线圈系统包括中央驱动或发射器线圈和在驱动线圈的任一侧的探测线圈。接收/探测线圈通常是相同的并且放在距发射器线圈相同距离处，这样使得由驱动或发射器线圈提供的变化的磁场在接收线圈中产生电压。如WO 2006/087510(Spectrum Inspection Systems Ltd)中所教示，探测线圈布置在与产品通过的方向垂直的平面中并且电气并联连接，并且每个探测线圈仅位于产品一侧上。当将探测线圈反向连接时，其输出被抵消，从而产生零值，即，认为探测线圈系统处于完全平衡状态下。根据线圈系统的布置，探测线圈被反向连接以使得其产生的电压抵消。通过如WO 2006/087510(Spectrum Inspection Systems Ltd)中所描述和示出的并联探测线圈，与更常规的串联布置相比，输出信号的表观功率与用于串联布置的功率相同，但是用于两个线圈的阻抗值是用于等同的串联布置的阻抗值的四分之一。这大大减少由探测线圈拾取的谐波，这在驱动线圈由多个开关驱动时特别重要。
在特定实施例中，驱动线圈布置在与产品传送方向垂直的平面中并且由能够在产品穿过的孔内产生强高频的强大振荡器驱动。
在特定实施例中，驱动线圈被驱动的频率由多个开关确定。微处理器或控制器布置成跨电位差直接交替地连接驱动线圈，以使得驱动线圈在由开关操作所确定的操作频率下被驱动，如国际专利申请WO 2006/087510(Spectrum Inspection Systems Ltd)中所描述。多个开关的开关使得在驱动信号的每个半周期期间，跨驱动线圈应用的电位差被反转。通过使用多个开关来控制对线圈系统的输入，有可能编程控制器来操作多个开关以使得可以获得任何所需的操作频率。此外，借助于多个开关驱动线圈允许驱动线圈在比从单个传统调谐电路能够实现的频率数量大的频率下被驱动。
参照图7，驱动线圈40由驱动电路42控制，并且驱动电路42包括中央处理单元(CPU)44、电子可编程逻辑器件(EPLD)46和连接到四个场效应晶体管(FETs)50、52、54和56上的驱动器48，场效应晶体管形成多个开关。四个FETs 50至56形成跨常规选择的电位差的全波桥接电路，其中驱动线圈40跨桥接电路的输出连接。例如，电位差可以常规地选择为24伏。电位差跨驱动线圈40建立驱动电流Id。
可以使用替代的开关布置来替代使用四个FETs以形成图7中所示的全波桥。例如，FETs可以布置成形成半波桥(未示出)，由此两个FETs仅用来形成桥的一端并且另一端被设置为0伏。由于驱动线圈40跨两端连接，开关被布置成使得电流Id在一个半周期中通过驱动线圈流过一个FET并且在另一个半周期中通过另一个FET。本发明中可以允许其他类型的开关装置来替代FET，例如，使用双极性晶体管(BJT)。此外，将电流传感器58连接在电源中，其输出提供在线路60返回到CPU 44的信号。电路42另外包括跨相应FETs 50至56连接的四个二极管50a至56a和跨电源连接的电容器62。CPU 44根据存储在查找表中的信息来选择存储在电子可编程逻辑器件46中的一个驱动映射，随后将适当的信号发送到驱动器48以按预定方式重复地控制FETs 50至56的操作。在操作中，CPU 44、EPLD 46和驱动电路48产生精确频率的方波和如应用所需要的相位关系。WO2006/087510(Spectrum Inspection Systems Ltd)中描述了图7的驱动电路42的进一步操作。
探测线圈的诸如探测线圈放大器、相敏探测器等的探测电路处理来自探测线圈的输出信号以馈送到水平探测器中，该水平探测器提供反馈回路给CPU以用于确定金属污染物的存在及其类型。为了缓解由于不平衡的探测线圈产生的探测不精确，本发明提供一种自动平衡系统，该系统可主要由软件控制并且由此允许自动平衡系统在比从纯机械类型平衡可实行的频率更大数量的频率下平衡线圈系统，即，每个连续频率之间的较小增量。本申请人意识到，通过基于驱动信号产生可调平衡信号由此可以调整/改变可调平衡信号的相位和/或振幅以使得当在给定频率下与线圈系统的输出信号接合时，能够发现振幅和相位使得当在给定频率下将平衡信号与线圈系统的输出信号相接合时，将产生低于预定值的所得平衡信号。这对于探测器的许多操作频率并且对于每个频率进行重复，并且存储产生所得平衡信号所必需的对可调平衡信号做出的调整，以用于在操作中使用那个特定频率时重新调用。由于输出信号具有相位分量和量值分量，所以平衡系统可以涉及在没有物体的情况下补偿相位或量值分量中的任一个或两个以使输出信号进入平衡状态，例如使用矢量或坐标代数。探测线圈的平衡状态不必限于零，并且能够提供可用测量结果的输出信号的任何选定值适用于本发明。此外，通过显著减少输出信号，本发明还有助于防止输出信号使得探测线圈放大器饱和。更重要的是，在探测线圈之间没有任何产品的情况下减少输出信号或使其无效有效地增加用于探测污染物的“净空”电压信号，而不会使得探测线圈放大器饱和，即，提供“开大”驱动信号的更多灵活性(在更大电压范围上操作，且由此增加用于探测金属污染物的金属探测器的灵敏度)。例如，金属探测器具有探测电路，该探测电路具有峰间信号探测范围，超过该范围则探测电路将饱和，本申请人已经发现在探测线圈之间没有任何产品的情况下，小于探测电路的信号范围的峰间值大体上40％(更优选地大体上小于10％)的阈值输出信号或补偿信号允许用于探测污染物的探测电路中的足够“净空”电压，而不会使得探测放大器饱和。例如，典型的金属探测器由此探测电路在+12伏至-12伏范围中操作，如图3中所示，补偿信号大体上小于12伏的40％(4.8伏)，优选地大体上小于12伏的15％(1.8伏)，更优选地大体上小于10伏的10％(1.2伏)。这将分别允许大体上7.2净空电压或大体上10.2净空电压或大体上10.8净空电压以用于探测目的。
存在许多方式来改变可调平衡信号以使得当与输出信号接合时，其有效地使输出信号无效。术语“接合”覆盖叠加或乘法或加法或减法或其任何接合。当驱动线圈由多个开关驱动时(即，变频金属探测器)，输出信号是不受控的格式，其除了一个或多个谐波之后通常还具有方波(或梯形波)。因此，为了精确地建立相等且相反的信号以抵抗此信号中的任何不平衡将是困难的。本申请人已经意识到，通过产生可以在“试错”过程中的连续步骤中改变的一个或多个可调平衡信号，可以建立将有效地使输出信号中的任何不平衡无效或将其减少到低于预定阈值的可调平衡信号。以下描述如何改变可调平衡信号以与输出信号相接合并使其无效的三个实例。
图8示出本发明的第一实施例的电路图70，其是国际专利申请WO 2006/087510中描述的电路图的改编，且因此共有的组件的作用类似。概括来说，图7中所示的驱动电路由虚线轮廓/框42表示。为了简化，驱动电路42包括中央处理单元(CPU)44、电子可编程逻辑器件(EPLD)46和连接到四个场效应晶体管(未示出)的驱动器48。为了简化，图7的驱动器48、FETs(50至56)和二极管(50a至56a)被表示为“驱动器”48。EPLD 46存储多个驱动映射，每个驱动映射含有用于开关(FETs)的开关序列以在金属探测器的相应预定操作频率下驱动该驱动线圈40。CPU 44根据驱动电路42的操作频率从存储在电子可编程逻辑器件46中的多个驱动映射选择适当的驱动映射，以按预定方式控制开关的操作。替代地，驱动映射可以存储在CPU中。一旦选择了适当的驱动映射，则驱动映射根据时钟振荡器的振荡频率来控制EPLD的内部时钟振荡器以按预定方式控制FETs的操作。FETs使得驱动电路42能够提供操作线圈系统的频率范围。这提供确保以用于任何选定频率的适当且精确的方式控制开关的便利方式。EPLD 46可以是任何适合的可编程逻辑器件。在特定实施例中，EPLD可以是复杂可编程逻辑器件(CPLD)或更复杂的现场可编程门阵列(FPGA)。
驱动电路42随后建立如上所述的变频的驱动信号来驱动该驱动线圈。除了驱动该驱动线圈40的信号之外，CPU 44结合EPLD 46用来基于驱动信号建立可调平衡信号。由于可调平衡信号源自驱动信号，所以可调平衡信号将在与驱动信号相同的频率下操作。这在图8a中表示为线88和90。因此，驱动信号和可调平衡信号具有相同频率但是彼此具有固定的相位关系。在特定实施例中，驱动电路42产生两个平衡信号，第一可调平衡信号Vbal1(88)和第二可调平衡信号Vbal2(90)。Vbal188代表驱动信号的相内分量(P信号)，并且相反，Vbal290代表驱动信号的正交分量(异相90°，Q信号)。随后可以将两个平衡信号Vbal1和Vbal2调整或改变到当与探测线圈的输出信号92接合或叠加时有效地平衡线圈的程度，即，使得线圈中的任何不平衡无效。Vbal1和Vbal2称为可调平衡信号或校正信号。在如图8a中所示的特定实施例中，通过两个电位计：Pot 1(71)和Pot 2(72)来改变或调整可调平衡信号。优选地，电位计是数字电位计71、72，以使得电位计能够由软件或类似装置控制。在特定实施例中，Pot 1(71)和Pot 2(72)由CPU分别通过虚线74和76控制。Pot 1(71)的末端连接以在范围-P至+P下改变Vbal1的振幅，由此+P和-P彼此异相180°。可调平衡信号88和90根据其与驱动信号的关系被分成两个部分。例如，Pot 1的一端由与驱动信号处于相位88a中的可调平衡信号的分量来供给，以及另一端由驱动信号的大体上异相-180°88b来供给(或代表)，因此通过控制电位计的滑臂(滑动接触)的位置，可以在0°至180°的范围内改变Vbal1。+P和-P的不同波形可以图解地表示为图8a中的方波。相反，驱动信号的正交分量(Vbal2)的振幅可以通过Pot 2(72)来改变，以使得其覆盖范围+Q至-Q，且因此，+Q与-Q异相180°(参见图8a)。与Pot 1一样，Pot 2(72)的末端由具有分别表示驱动信号的正交分量的+90°(90a)和-90°(90b)的分量的可调平衡信号Vbal2来供给，这样使得可以在范围+90°至-90°内改变Vbal2。因此，通过改变Vbal1和Vbal2，可以覆盖驱动信号的相内分量和正交分量中的全360°相角范围。
本申请人已经发现，通过改变Vbal1和/或Vbal2的振幅，最终实现设置以使得当与探测线圈的输出信号接合或叠加时，有效地或大体上使输出信号无效。在理想情况下，如果系统处于完全平衡状态下，则输出信号读数应为零。然而，在输出信号的读数为非零的情况下，系统通过将输出信号与可调平衡信号接合来补偿输出信号中的任何偏离。Pot 1(71)和Pot 2(72)的末端并非必须由如上所述与驱动信号具有相角关系的可调平衡信号来供给。必要的是，可以通过Pot 1和Pot 2将可调平衡信号Vbal1和/或Vbal2改变到当与探测线圈的输出信号接合或叠加时有效地或大体上使输出信号无效或将输出信号减少到平衡状态(预定阈值)的程度。例如，供给到Pot 1(71)的一端的信号并不需要与驱动信号同相，且因此，供给到Pot 1(71)的另一端(或者由其代表)的信号并不需要与驱动信号异相180°。可以选择相对于驱动信号的任何相角来使得Pot 1覆盖180°范围。同样，Pot 2(72)的正交分量(Vbal2)并不需要与驱动信号相位正交，只要Pot 2覆盖180°范围(即，+90°至-90°)即可。可以调整Vbal1以使得Pot 1(71)的一端可以相对于驱动信号成任何任意相角。同样，可以调整Vbal2以使得Pot 2(72)的一端可以相对于驱动信号成任何任意相角。举例而言，可以调整Vbal1以使得Pot 1(71)的一端可以设置成相对于驱动信号成+45°，且因此，如果Pot 1覆盖180°范围，则Pot 1的另一端将设置成相对于驱动信号成+225°。同样，可以调整Vbal2以使得Pot 2(72)的一端可以设置成相对于驱动信号成+110°，且因此，如果Pot 2覆盖180°范围，则Pot 2的另一端将设置成相对于驱动信号成+290°。在所有情况下，第一可调平衡信号Vbal1与第二可调平衡信号Vbal2不同相。如果在矢量图上示意性地示出(参见图8b)，则代表第一可调平衡信号Vbal1和第二可调平衡信号Vbal2的矢量线由预定的固定相角ba1分开，但是矢量线可以绕原点旋转，矢量线的每次旋转代表Vbal1和Vbal2相对于驱动信号的不同的任意角。图8b中所示的P分量和Q分量分别代表与驱动信号同相(0°)的信号和与驱动信号正交同相(90°)的信号。
在特定实施例中，接合两个信号(可调平衡信号88、90和输出信号92)涉及在电压加法器中将可调平衡信号88、90与输出信号92叠加(如本领域中通常已知的)以产生接合的输出信号92a。接合信号涉及计算可调平衡信号88、90与探测线圈的输出信号92之间的差。这可以由图1中的矢量图来示意地表示。探测线圈中的不平衡由具有由矢量长度和相角确定的振幅的矢量Vout表示。为了使输出信号Vout无效，在探测线圈之间没有任何产品或用于“干燥产品”的情况下，改变可调平衡信号VABS以使得其振幅和相角与输出信号Vout大体上相等并且相反。
在HF(高频)放大器84中的放大之后，接合的输出信号92c由CPU 44通过线路81测量以确定线圈系统是否处于平衡状态下。然而，金属探测需要在所需频率下的强磁场交变。此场由通过驱动器线圈的电流产生，并且与跨该场的电压成比例。该场含有相当大的谐波含量连同基本操作频率。这种情况在驱动线圈由多个开关驱动的情况下恶化。更重要的是，存在由于谐波导致的接合输出信号92a的峰值信号电压可能使金属探测器的探测电路饱和的风险。为了防止一个或多个谐波触发平衡信号的不平衡并由此导致对于确定线圈系统是否处于平衡状态下的疑惑，使用低通滤波器78来在谐波被放大器84放大之前将其过滤掉，从而留下基本分量92b，即，产生比具有不规则形状的波形的信号更“可行”且更可测量的更多正弦波形。尽管在图8a中未示出，但是作为具有低通滤波器78来在电压加法器82之后从输出信号92a过滤掉谐波的替代或添加，输出信号92和/或可调平衡信号88、90可以各自由低通滤波器单独地过滤以由电压加法器82来接合。与图8a中所示的先前布置相反，通过单独地过滤可调平衡信号88和90和/或输出信号92以去除谐波，允许可调平衡信号由电位计或PLC或其他方式来有效地改变以补偿输出信号中的任何不平衡(与其形状或波形无关)。由于在去除谐波之后基础信号更“可行”，所以这具有减少使得输入信号平衡所需的调整次数的优点。在特定实施例中，低通滤波器是可开关低通滤波器78以在不同的操作频率下开关。在驱动线圈由产生正弦输出信号的调谐电路驱动的情况下，产生极少或不产生谐波失真，且因此对于可开关低通滤波器的需要可以不是必要的。
为了使得CPU 44能够测量输出信号，则通过整流器80(参见图8a)来整流输出信号92c以将交流信号转换成DC信号。从图8a中的点X获得测量点。整流的信号由CPU44通过模数转换器(未示出)读出。DC信号的量值使得CPU能够确定探测线圈系统的不平衡程度。谐波从输出信号的去除通过从信号去除任何不需要的背景噪音而大大改进输出信号的测量。通过线路81到CPU的反馈回路使得CPU能够响应输出信号的测量来通过线路74和76调整电位计71、72中的一个或两个的设置。借助于数字电位计，可调平衡信号可以由软件控制。如果CPU注意到非零值或其处于不平衡状态下，则CPU通过连续调整数字电位计71、72来改变可调平衡信号直到输出信号达到零或低于阈值。改变可调平衡信号的一个实例是在连续步骤处增量地改变电位计71、72，并且每次改变数字电位计时，测量输出信号直到达到补偿信号。一旦输出信号已经无效或达到低于或等于给定频率下的预定值，CPU存储在那个频率下对电位计：Pot 1(71)和Pot 2(72)的调整。更具体来说，一旦输出信号无效或者已经达到给定频率下的最小阈值，则将对电位计(71,72)做出的调整存储在数据库或查找表中。
图8a中同样示出，联接到CPU的EPLD建立输入探测电路86(示为虚线框)以用于建立金属污染物的存在的两个参考信号Vref1和Vref2。除了建立上述用于驱动FETs的发射驱动信号和可调平衡信号之外，EPLD还建立输入探测电路86中的参考信号Vref1和Vref2。由于这些信号源自驱动信号，所以它们全部具有相同频率，但是具有固定的相位关系。稍后论述探测电路86的更多细节。
在本发明的替代实施例中，可以通过控制在本领域中通常已知的串联或并联的调谐电路96(R(电阻器)、L(电感器)和/或C(电容器))来调整/改变基于驱动信号的可调平衡信号。与图8中所示的布置一样，可调平衡信号88是基于通过在所需频率下激励晶体振荡器来产生信号(参见图9中的线路88(a和b))随后馈送到调谐电路96中来产生的驱动信号。在示出驱动电路的替代布置的图9中，包括电位计98、电感器102和电容器100的调谐电路96串联。电位计98可以用来改变可调平衡信号的振幅，并且电容器100/电感器102可以用于改变可调平衡信号88的相角。与先前实施例一样，使用数字电位计、数字电容器和数字电感器使得它们各自的电阻、电容和电感主要通过使用CPU44的软件经由线路74来改变。替代地，可以使用电位计与电容器或电位计与电感器的接合中的任一个。如上所述，对于每个操作频率重复确定线圈系统的平衡状态的整个过程，由此来自探测线圈的输出信号92与可调平衡信号88在电压加法器82中接合从而产生接合的输出信号92a。在给定频率下测量接合的输出信号之后，通过反馈回路81将线圈系统中的任何不平衡馈送到CPU，CPU又通过经由线路74改变电位计和/或电容器和/或电感来改变可调平衡信号，以建立可调平衡信号88从而有利地平衡输出信号中的任何不平衡或使其无效。诸如低通滤波器78的剩余特征结构与图8a中所示的先前实施例中所论述的作用类似。更重要的是，在接合可调平衡信号与输出信号之后，低通滤波器的位置可以在电压加法器82后面。替代地，可调平衡信号88和输出信号在由电压加法器82接合之前可以各自通过低通滤波器单独地过滤。由于固有的是电容器或电感器中的信号分别领先或滞后于电位计中的信号90°，所以这将仅允许可调平衡信号的相角调整在+/-90°之间变化，这可能不覆盖使得来自探测线圈的输出信号无效所必需的全范围。同样，如本发明的第一实施例中所论述，联接到CPU的EPLD建立输入到探测电路86(示出为虚线框)中的两个参考信号Vref1和Vref2。稍后论述探测电路86的进一步细节。
在本发明的另一个替代实施例中并且在图10中所示的驱动电路42布置中所示，使用适合的驱动器软件，联接到EPLD 46的CPU 44本身可以用来产生和改变可调平衡信号88以有效地使得探测线圈中的任何不平衡无效。例如，CPU 44可以被编程以选择存储在EPLD中或CPU本身中的驱动映射以控制EPLD 46的时钟振荡器从而在适当频率下产生信号88。可调平衡信号的振幅和/或相角由CPU改变以使得当与电压加法器82中的输出信号92接合时，有效地使得探测线圈中的任何不平衡无效。诸如FPGA的复杂EPLD允许比传统可编程逻辑器件更加复杂，从而允许CPU在任何给定频率下建立振幅和相角变化的可调平衡信号。同样与先前实施例相同，在由放大器84放大之后，在给定频率下测量接合的输出信号92c并且通过反馈回路81将线圈系统中的任何不平衡馈送到CPU，CPU又改变可调平衡信号以建立可调平衡信号88从而有效地平衡输出信号中的任何不平衡或使其无效。
本领域通常已知用来在一个或多个频率下产生和调整信号的相位和振幅的其他装置可以用作可调平衡信号。实例包括使用外差法、合成器、调谐电路、数字控制的晶体振荡器等。现代CPU在高时钟速度下(例如，超过66MHz)运行并且具有适合的驱动器软件的能力甚至可以允许可调平衡信号主要基于现代CPU的时钟速度。同样，本发明中驱动线圈被驱动的频率并不限于如WO 2006/087510(Spectrum Inspection Systems Ltd)中所教示的多个开关，并且驱动线圈的操作频率可以由其他装置提供。例如，驱动线圈可以由如传统的金属探测器(参见WO 02/25318(Safeline Limited))中发现的调谐电路来驱动。替代地，驱动线圈可以由任何适合的数字控制的振荡器或合成器驱动甚至源自CPU的时钟速度。同样地，并非必须使用源自用来驱动该驱动线圈的驱动信号的可调平衡信号，而是可以使用振幅和相位可以改变的另一个源的分开的独立信号。在所有情况下，可调平衡信号的频率将需要被调整成使得其与驱动信号的频率相同。结合CPU并且在给定频率下，可以改变独立可调平衡信号的振幅和相角以使得可以有效地使得线圈系统中任何探测到的不平衡无效或将其减少到低于预定阈值。
图11是示出根据本发明的一个实施例用来通过可调平衡信号使得探测线圈的输出信号无效的步骤次序的流程图。图11a中所示的流程图中描述的过程通常在运输到顾客地点之前在工厂地点执行(即，在第一个制造商处)。然而，可以在顾客地点重复该过程以满足由于在金属探测器的运输或移动过程中在顾客地点处使用一段时间之后线圈的移动造成的线圈的任何不平衡(例如，作为例行程序)。在金属探测器的最初启动104过程中，系统首先初始化106。这可以涉及将其内存从先前的校准设置重置或者从其内存找回校准信息。在探测器中没有物体的情况下，系统随后自动地扫描由金属探测器操作的频率范围(从F＝x到F＝y)，并且对于每个频率，CPU如上所述测量输出信号110。例如，可以在连续步骤中改变驱动信号的频率，例如10Hz。如果CPU注意到信号处于平衡状态下112，这对于完全平衡的系统来说读数将为零，则CPU移动到范围中的下一个频率113。然而，如果CPU意识到系统未处于平衡状态下，即，输出信号不为零，则CPU调整(步骤111)可调平衡信号。这将增量地进行。例如，在如图8a中所示的本发明的第一实施例中，CPU指示电位计增量地调整平衡信号，并且每次调整电位计时测量输出信号以确定其是否达到低于预定补偿值。替代地，可以在步骤110之前增加另外的步骤(图11a中未示出)，由此在给定频率下，在探测器中没有物体的情况下系统通过将已知可调平衡信号应用到输出信号来开始。例如，在本发明的第一实施例中，可以通过将电位计的滑臂放在电阻元件上的预定位置处从而形成电位计(例如，通过将电位计位置居中)来获得应用已知可调平衡信号。如果CPU注意到信号处于平衡状态112，这对于完全平衡的系统来说读数将为零，则CPU移动到范围中的下一个频率113，并且对于下一个频率重复如上所述将已知可调平衡信号应用到输出信号的过程。然而，如果CPU意识到系统未处于平衡状态，即，输出信号不为零，则CPU调整(步骤111)可调平衡信号，例如在此实例中通过调整电位计直到可调平衡信号有效地平衡输出信号。一旦输出信号达到了低于阈值的值，则将调整存储在数据库中114。这表示在那个给定操作频率下使得输出信号无效所需的调整。
在一些情况下，在来自探测线圈和相关电路(例如，高频放大器)的输出信号在每次测量输出信号的过程中波动的情况下，可以在每次测量之间引入时间延迟以允许信号稳定。优选地，系统在探测器的最初启动过程中在每个频率下校准输出信号。这使得在金属探测器的最初“准备活动”过程中涉及的时间延迟(在一些情况下可以超过20分钟)将允许对于信号来说有足够时间在每次校准测量过程中实现稳定。
一旦存储了输出信号无效平衡信号，则CPU移动到下一个操作频率。对于由金属探测器操作的其他频率重复此过程116。最终建立示出在每个对应频率下对可调平衡信号做出的调整的表。在用于污染物探测的使用中，对于每个给定频率，系统例如从数据库找回所存储的调整以产生必要的可调平衡信号来平衡由于探测线圈系统的不平衡产生的信号。在本发明的第一实施例的情况下，例如，建立示出在一个或多个连续频率下电位计(Pot1和Pot 2)的调整的表。实际上，根据存储在查找表中的信息的CPU控制数字电位计的操作。此步骤可以在获得输出信号的每个读数的过程之中或之后立即执行，或者可以在当对于可能的频率范围已经确定了有待测试的产品的所有测量结束时执行。
图11a中所示的流程图中所描述的过程可以使用具有适合的处理器的任何计算机来执行。同样，在没有任何物体的情况下，系统可以另外使用模糊逻辑来对于任何给定频率来周期性地测量输出信号，并且通过平衡系统所必需的调整来持续地更新数据库，即，系统持续地学习平衡输出信号以提供平衡的系统。处理器可以使用诸如PROM、EPROM或专用电子电路的其他常规装置来实施。
为了重新平衡系统，根据本发明，优选地使用软件或类似物来自动地重新配置探测器。对于机械平衡设置在树脂中的情况而言，这去除了对于破坏树脂以允许弯环或线圈以便再次自由移动的需要。此外，图11a的流程图中所示的以上校准步骤可以与上述任何机械平衡25接合或结合使用。例如，对于输出信号中诸如超过探测范围的40％的任何大的不平衡来说，可以优先于软件技术使用机械平衡，因为这容易对信号提供粗略调整。为了对探测线圈系统提供非常精细的调整，可以如图11a中的流程图中所描述使用软件或电子方法。
如以上参照图1中所示的矢量图所论述，调查研究中的产品在探测线圈系统之间的相互作用产生两个信号分量，称为电阻和电抗信号，这告诉探测者关于产品与磁场的相互作用。诸如铜或不锈钢的大传导性产品将产生具有大电阻分量的输出信号。另一方面，由于材料中的损耗，来自不良导体但是完美或近乎完美的磁性材料(诸如铁磁体)的输出信号的分量将大体上与电阻分量相位正交(即，电抗分量)。在电阻分量与驱动信号同相的理想情况下，则来自铁磁体的信号将因此与驱动信号相位正交。来自接收器线圈的输出信号将根据产品的传导性来改变。例如，不同类型的产品将与磁场的相互作用不同，每个产品具有电阻分量和电抗分量且因此具有特征相角。输出信号的电抗分量与电阻分量之间的相角对于调查研究中的那个特定产品而言将是有效的“签名”。由图8、9和10中的虚线框表示的探测电路86(参见图12)和与诸如相敏探测器122、123、低通滤波器124、126、放大器128、129以及水平探测器130的探测电路相关的分量可以在WO 2006/087510(Spectrum Inspection Systems Ltd)中描述，由此联接到CPU 44的EPLD 46建立与高频放大器84的输出92一起分别输入到相敏探测器122、123中的两个参考信号Vref1和Vref2。参考信号Vref1和Vref2源自驱动信号，且因此与驱动信号的频率相同。在理想世界中，参考信号Vref1和Vref2的相角被调整成使得参考信号之一(例如，Vref1)与驱动信号同相(电阻分量)并且另一个参考信号(例如，Vref2)与驱动信号相位正交(电抗分量)。
当这些与由于产品与磁场相关作用产生的输出信号92c一起分别输入到相敏探测器122、123中时，相敏探测器将参考信号Vref1、Vref2与输出信号进行比较，且由此，相敏探测器之一选择输出信号的与驱动信号同相的分量(标记为P'信号)并且另一个相敏探测器选择输出信号的与驱动信号相位正交的分量(标记为Q'信号)。例如，P'信号代表输出信号的测量出的“电阻分量”并且Q'信号代表输出信号的测量出的“电抗分量”。这与以上论述的直接源自驱动信号并且因此具有与驱动信号同相的分量和与驱动信号相位正交的分量的P信号和Q信号相反。这并不是说输出信号可以具有与驱动信号同相的P'分量和与驱动信号相位正交的Q'分量，即，分量P和P'同相并且分量Q和Q'同相。在P'信号与驱动信号同相并且Q'信号与驱动信号相位正交的情况下，则当诸如铁氧体或铁氧体棒的完美磁性材料穿过接收器线圈之间时，将预期相对弱或没有指示弱传导材料分量的P'信号和指示强磁性材料的强Q'信号。事实上，并非完全如此并且诸如铁氧体的完美磁性材料呈现电抗分量和显著的电阻分量从而导致来自驱动信号的相角的稍微偏移。相角的此偏移可以归因于探测系统中噪音的存在，并且可以归因于监控或记录或处理来自接收器线圈的输出信号时的延迟。在产品与接收器线圈之间的磁场相互作用过程中，拾取信号的系统中存在稍微延迟。在产品是干燥产品(没有导电性)的情况下，诸如硬冷冻产品，产生小相角。此延迟可以归因于由于改变的磁场与调查研究中的产品的相互作用和随后通过探测电子器件(例如，相敏探测器)探测接收器线圈中的信号产生的延迟。此延迟通常是特定金属探测器的特征。从输出信号的测量出的P'分量和正交Q'分量计算出的输出信号的相角(tan＝P'/Q')是调查研究中的产品类型的特征。不同类型的产品将产生不同的相角。在不补偿输出信号中的此延迟的情况下，呈现极少或没有导电性的诸如干燥产品的产品可以产生由探测电路探测到的显著信号，且因此产生与“真实”相角(其是调查研究中的产品的特征)的不希望的相角偏移δ。为了补偿此延迟，在参考信号Vref1和/或Vref2中引入延迟因数，这样使得在测试调查研究中的产品的过程中，对于此相角偏移δ来校正输出信号。
为了测量此延迟因数，当铁氧体棒在给定频率下通过探测线圈之间时，调整参考信号Vref1和/或Vref2。参考信号Vref1和/或Vref2大体上相对于彼此相位正交，以表示输出信号的电抗分量和输出信号的电阻分量(以模仿相对于电阻分量相位正交的电抗分量)。由于将铁氧体认为是完美的磁性材料，则理论上来自探测线圈的输出信号将主要是电抗，即，展现强Q'信号。随后可以调整参考信号Vref1和/或Vref2以区分任何产生的P'信号，从而留下纯Q'信号，如对于铁氧体所预期的那样。这在图13a中所示的矢量图中得到论证。矢量Vf代表由于铁氧体与探测线圈之间的磁场的相互作用产生的具有P'分量和Q'分量的输出信号。输出信号Vf与电阻分量的相位关系是角度f。为了区分输出信号的P'分量，调整参考信号以有效地使得输出信号Vf是正交分量，即，Q'分量。调整参考信号以使得当由相敏探测器122、123比较参考信号和输出信号时，由于铁氧体与磁场的相互作用产生的P'分量将大体上产生零输出并且输出信号主要变成Q'信号。通过在存在铁氧体的情况下在输出信号的Q'与P'分量之间建立最大和最小关系，系统可以容易识别对于探测系统中的任何噪音或延迟补偿探测线圈，即，实现Q'分量代表输出信号的“真实”电抗分量的条件。当达到此条件时，将在给定频率下对参考信号Vref1和Vref2做出的调整存储在查找表或数据库中以供以后找回。替代地，系统可以计算并比较输出信号的Q'分量与P'分量之间的差，以使得当Q'分量与P'分量之间的差达到最大值时校准系统。例如，在存在铁氧体的情况下通过使分量(Q'或P')之一等于零来实现最大值。
参考信号Vref1和Vref2与输出信号之间的关系可以由以下等式(1)来解释。相敏探测器(PSD)122、123的输出Vol由以下给出：
Vol＝K.VinCos(1)
其中k是常数，
Vin是在HF放大器84的输出端的PSD的输入信号(即，输出信号)并且A是Vin与Vref1或Vref2之间的相差。
为了补偿掉或区分相对于电抗信号异相90°的信号，参考信号Vref1和Vref2被设置成使得它们大体上相对于彼此相位正交。因此，当参考信号(Vref1或Vref2)与输出信号之间的相角Vin是90°时，Cos 90°为零并且因此输出信号的分量已经被区分或补偿掉，因为根据等式1，Vo也是零。在存在铁氧体的情况下，当相敏探测器之一的输出被调整成读数大体上为零时，则在理论上，来自另一个相敏探测器的输出应最大，因为这代表输出信号的电抗分量。这是因为电抗分量与电阻分量相位正交，并且因为参考信号Vref1和Vref2被设置成相对于彼此相位正交，则在理论上，来自另一个PSD的读数将最大。在存在铁氧体的情况下，PSD 122、123之间的这种关系使得用户能够确定探测系统是否处于补偿的状态下。
应注意，输出信号P'和Q'的分量不必分别与驱动信号同相和相位正交，并且可以在任何任意角度。输出信号的P'与Q'分量之间的相角主要由参考信号Vref1和Vref2相对于驱动信号的相角指示。因此，尽管可以源自驱动信号，但是参考信号Vref1和Vref2可以调整在相对于驱动信号的任何任意相角。这可以通过使用如以下将论述的复杂逻辑电路(EPLD)实现。例如，如果一个参考信号Vref1被设定在相对于驱动信号成45°并且另一个参考信号Vref1被设定成与此正交(即，相对于驱动信号成135°)以使得它们分开90°，则当与产品的输出信号接合时，Vref1选出相位与驱动信号成45°的信号并且Vref2选出与驱动信号成135°的信号。如果调查研究中的产品是铁氧体并且为了进行解释，来自铁氧体的输出信号位于相对于驱动信号成45°相角，则Vref2有效地从铁氧体区分出输出信号(因为A＝90°)，且因此在其他相敏探测器中Vref1主要占据输出信号，因为Vref1与输出信号同相。由于铁氧体代表完全磁性条件，则将认为Vref1与来自铁氧体的输出信号的接合位于电抗轴线上，并且与该接合相位正交的信号将是电阻分量。这可以在图13a中通过将矢量Vf有效地旋转适合的校正角度(90°-f)以使得输出信号Vf大体上位于Q'轴线(电抗轴线)上来论证。通过将此P'信号补偿掉，金属探测器非常稳定并且实现用于未来测试的最佳性能。参考信号Vref1和Vref2被一起改变或调整同时维持二者之间的相角差恒定。由于电抗分量与电阻分量相位正交，所以Vref1与Vref2之间的相角通常设置在大体上90°，这样使得来自相敏探测器之一的输出代表输出信号的电抗分量而另一个相敏探测器代表输出信号的电阻分量。
然而，参考信号Vref1与Vref2之间的相角可能并不限于彼此相位正交，因为其优选地允许设置系统来探测来自第一相敏探测器(PSD)的输出信号等于或低于第一预定阈值，并且来自第二相敏探测器(PSD)的输出信号等于或高于第二预定阈值，阈值主要由Cos A确定，其中A在0°与180°之间变化。因此，参考Vref1或Vref2的相角可以不必与铁氧体的电阻分量相位正交，其可以在一些其他角度以使得当在相敏探测器中比较来自铁氧体的输出信号与参考信号时，来自相敏探测器的输出低于或等于第一预定阈值。同样，其他参考信号可能不与电抗信号同相，而是在一些其他角度从而使得来自第二相位探测器的输出高于或等于第二预定阈值。第一预定阈值是铁氧体的电阻分量的指示，而第二预定阈值是铁氧体的电抗分量的指示。例如，当为了区分来自铁氧体的输出信号的电阻分量时，有必要通过调整参考信号Vref1或Vref2来调整参考信号以使得参考信号与来自铁氧体的输出信号相位正交，这样使得其稍微低于或高于90°，这将产生除了大体上零的输出，例如Cos 89°＝0.017。同样，可以调整其他参考信号Vref2或Vref1以使得其并不精确地与来自铁氧体的输出信号同相，但是在一些其他任意相角使得当来自其他PSD的输出达到高于或等于不同于0°(例如Cos 5°＝0.0996)的第二预定阈值时实现最大值。因此，在存在铁氧体的情况下，参考信号Vref1与Vref2之间的相差不需要精确地分开90°而是一些其他任意预定相角，以便从一个参考信号Vref1或Vref2产生最大阈值并且从另一个参考信号Vref2或Vref1产生最小阈值。第一和第二预定阈值的大小将取决于用户视为可接受的程度。例如，在存在铁氧体的情况下，当相角与输出信号的电抗分量和电阻分量成+/-5°时，可以实现可接受的校准。以此范围为例，参考信号之间的相角可以在95°与85°之间变化。
在特定实施例中，EPLD(电子可编程逻辑器件)可以被编程(例如，通过软件)以通过分别向代表P'信号的参考信号Vref1和代表正交分量的参考信号Vref2引入延迟因数(例如，通过调整高速计数器或漂移注册器)D1(121a)和D2(121b)来改变/调整参考信号Vref1和Vref2。在本发明的另一个实施例中，可以在连续步骤中增量地调整参考信号Vref1和Vref2，同时维持其彼此之间的相位关系，并且在每次调整参考信号Vref1和Vref2时，监控来自相敏探测器122、123的输出以查看来自铁氧体的输出信号在输出信号的一个方向上是否等于或低于第一预定阈值，并且在输出信号的另一个方向上是否高于或等于第二预定阈值。在参考信号Vref1和Vref2相对于彼此相位正交的情况下，则当参考信号Vref1或Vref2与输出信号相位正交时(即A＝90°,Cos A＝0)补偿掉或区分出输出信号，并且因此当它们分别与输出信号同相时产生最大值。在参考信号是基于由EPLD获得和控制的信号的情况下，则EPLD可以数字化编程以在连续步骤中自动地改变参考。
一旦对系统中的噪音或延迟进行了校准，则来自铁氧体的输出信号和Vref1和Vref2分别由相敏探测器122、123补偿，以便通过对由于探测电子器件中的延迟产生的此相角偏移进行调整来选择“校正的”P'信号(P″信号)和“校正的”Q'信号(Q″信号)。在存在铁氧体的情况下，校正的Q″信号将主要占据输出信号，其中具有极少或没有P″信号。将在给定频率下对参考信号Vref1和/或Vref2做出的校正电子地存储在查找表或数据库中，以供以后在金属探测器在那个频率下操作的任何时间进行找回。在变频金属探测器由此通过多个开关的操作来提供频率范围的情况下，在不同的操作频率下重复对参考信号Vref1和/或Vref2做出的校正以补偿此延迟因数。最终建立查找表，其示出在不同操作频率下需要对参考信号Vref1和/或Vref2做出的校正因素以补偿此延迟因数。由于此延迟通常是特定金属探测器的特征，所以提供此校准可以在运出到顾客地点之前在工厂地点执行，即，在第一制造商处执行。图11b是示出根据本发明的一个实施例用来对于任何噪音或延迟补偿输出信号的步骤次序的流程图。在金属探测器的最初启动170过程中，系统首先初始化172。这可以涉及将其内存从先前的校准设置重置或者从其内存找回校准信息。在探测信号之间存在铁氧体的情况下，系统随后自动地扫描由金属探测器操作的从F＝x到F＝y的频率范围，并且对于每个频率，CPU如上所述测量输出信号176。与参照图11a所描述的自动平衡程序相同，可以在连续步骤中改变驱动信号的频率。如果系统注意到在给定频率下，来自铁氧体的输出信号不在电抗区域中，即，PSD 122、123都产生可测量输出，则调整参考信号179以使得在一个方向上输出信号被补偿掉并且在另一个方向上(真实电抗方向)主要占据输出信号。换言之，调整参考信号179以使得从PSD 122、123建立最大和最小关系。这表示输出信号的类似于电抗分量的真实Q'分量和输出信号的类似于真实电阻分量的真实P'分量。随后将在那个给定频率下对参考信号做出的调整存储180在查找表或数据库中以供以后找回。CPU随后移动到范围中的下一个频率184并且重复整个过程。
每次使用金属探测器来在给定频率下测试调查研究中的产品时，金属探测器(更具体地说处理器)从查找表自动地找回适当的校正因数以自动地调整参考信号Vref1和/或Vref2以便补偿探测系统中的延迟。一旦对于此延迟调整了参考信号，则来自调查研究中的产品的输出信号将具有P″分量和Q″分量，即(校正的P'分量和校正的Q'分量)。
除了调查研究中的产品的相互作用和随后的输出信号测量中的延迟之外，还存在由于线圈系统的移动引起的噪音。线圈系统对于诸如由于探测线圈中的不理想噪音信号产生的振动的任何轻微移动非常灵敏。对于不呈现导电性的干燥产品来说，系统(微处理器)将对于输出信号是由于磁场与干燥产品的相互作用产生还是由于噪音产生感到困惑，即，系统将发现难以将输出信号与调查研究中的产品分开以及将输出信号与单独噪音分开。为了在给定频率下补偿此噪音，在探测线圈之间存在铁氧体的情况下调整参考信号，因为铁氧体与磁场的相互作用产生非常类似噪音的信号。补偿此噪音的一种方式是通过在给定频率下从铁氧体区分或补偿掉输出信号。换言之，调整参考信号以产生当在相敏探测器中与来自铁氧体的输出信号相比较时有效地区分此信号的信号，即，来自铁氧体的信号将用作固定参考点。因此，在存在具有极少或没有导电性的干燥产品的情况下，将对于噪音进行输出信号的补偿以允许金属探测器从已知的固定参考点工作。通过补偿上述探测系统中的任何延迟，也将补偿探测系统中的任何噪音。这是因为来自铁氧体的输出信号将用作固定参考点。
这与先前论述的自动平衡系统接合提供实现最佳性能的非常稳定的金属探测器。然而，补偿探测系统中的任何噪音或延迟可以与如上所述用来补偿输出信号中的任何不平衡的校准步骤无关。此外，用来数字化补偿测量输出信号时的任何延迟或噪音的步骤并不必限于变频探测器并且可以作为附加设施应用于其他传统的金属探测器以改进传统的金属探测器的精确度，例如，用来升级传统的金属探测器系统(例如，基于调谐电路)。在特定实施例中，参照变频金属探测器来描述补偿测量输出信号时的噪音或延迟。
一旦在给定频率下建立了需要对参考信号做出的调整并且将其存储在查找表或数据库中，则金属探测器准备好探测调查研究中的产品内的任何金属污染物。可能存在两个分开的查找表或数据库来满足对于线圈系统中的噪音或延迟和任何不平衡的补偿。用补偿值填入查找表或数据库可以在运输到客户处之前在工厂地点执行。在没有对噪音或延迟补偿的情况下，输出信号将具有P'分量和Q'分量。将参照如上所述已经对于延迟和/或不平衡被校正的P″(校正的P'值)和Q″(校正的Q'值)来描述以上描述中在给定频率下P'和Q'值的测量。在给定频率下，系统找回需要对参考信号做出的校正以使得当在相敏探测器中与来自调查研究中的产品的输出信号相接合时，产生已经对于系统中的任何噪音或延迟和/或线圈系统中的不平衡被校正的校正的P″和Q″信号。校正的P″和Q'值可以由图13b中所示的矢量图示意性地表示。矢量Vp代表由于调查研究中的产品与探测线圈之间的磁场的相互作用产生的给定频率下的输出信号，其具有已经对于系统中的任何延迟/噪音被校正的P″分量和Q″分量。通过考虑到探测电子器件中的任何延迟或噪音，来自铁氧体的输出信号将因此主要产生Q″信号和极少或没有P″信号。
通过角度p，输出信号Vp与驱动信号成相位关系。每个相敏探测器122、123的输出被传递通过相应的低通滤波器124、126，滤波器的输出在传递到水平探测器和警报单元130之前由低频放大器128、129放大。水平探测器130以P″(132a)和Q″(132b)值的形式向中央处理单元44提供反馈线路132(a和b)。如果来自低频放大器128、129中任一个的信号超出预定阈值，则单元130触发警报。
由于产品与探测线圈之间的磁场相互作用产生的校正的P″和Q″值是特定产品的特征。不同产品类型将呈现不同的P″和Q″值(其是特定产品类型的特征)。因此，下一个程序是为特定产品校准金属探测器并且涉及在给定操作频率下建立产品的P″和Q″值。这通常涉及取决于物体的特征(诸如其导电性和导磁性水平)来为调查研究中的典型产品选择金属探测器的理想操作频率。这确保如果金属颗粒类型和大小使得在特定频率下，由于金属颗粒产生的此输出信号的分量的相角对应于来自单独产品的输出信号的相同相角，且因此由产品的输出信号遮蔽，则在第二频率下，两个分量的相角将改变不同的量，从而使得来自金属污染物的信号将与单独产品产生的信号区别开。通过在不同的频率之间切换，一个频率应为任何特定的金属类型、大小和定向提供大体上最佳的灵敏度。这是产品校准阶段并且通常通过在一个范围的不同操作频率中手动地切换来进行，例如，取决于操作者的经验。替代地，产品校准阶段可以通过在多个不同频率连续地扫描产品以取决于其导电性和导磁性水平选择理想频率来探测金属污染物从而使得产品内的任何金属颗粒将在不同频率下经历扫描来自动地进行。通过借助于如上所述的多个开关来驱动线圈，系统允许从宽范围的频率选择适合的频率。
图14中的流程图示出参照图8a中所示的电位计用以为调查研究中的特定产品类型校准金属探测器中的任何不平衡的步骤次序的实例。然而，图14的流程图中所示的步骤次序适用于其中通过调谐电路或EPLD来改变可调平衡信号的其他实施例。过程的第一阶段涉及为调查研究中的特定产品选择金属探测器的理想操作频率136。这通常取决于操作者的经验来手动地进行，但是可以如上所述自动地进行。一旦选择了频率，则处理器随后设置金属探测器以在那个频率下操作。系统随后搜索数据库并从之前在对应操作频率下的校准过程(参见图11a)找回电位计138的所存储的调整。随后调整电位计以提供可调平衡信号(步骤140)。在图9和10中所示的本发明的第二和第三实施例的情况下，系统分别从EPLD找回调谐电路的所存储的调整或选择适当的驱动映射。随意通过可调平衡信号来补偿输出信号142，这样使得考虑到在那个频率下探测线圈系统中固有的任何不平衡。在探测线圈中没有物体或“干燥产品”的情况下，测量出的输出信号中没有改变，即，对于完全平衡的系统而言输出信号大体上等于零，在测试阶段过程中对输出信号不做出改变。因此，本发明的系统还可以提供动态校准系统，由此在没有任何物体的情况下输出信号被持续更新以考虑到探测线圈系统中的任何不平衡。在给定频率下接合或独立地平衡输出信号中的任何不平衡，可以在图14中的步骤140与144之间执行第二校准(未示出)以补偿在探测电子器件中记录/测量信号时的任何噪音或延迟，如以上参照图11b所论述。为了便于解释，当对于探测系统中的任何噪音/延迟和/或不平衡补偿输出信号时，论述输出信号的测量出的P″和Q″值(即，单独或一起)。在金属探测器的给定操作频率下，从数据库或查找表找回补偿噪音或延迟做出的调整。随后，如上所述调整参考信号Vref1和/或Vref2以补偿此延迟，这样使得在存在铁氧体的情况下一个方向上的输出信号等于或低于第一预定阈值并且在另一个方向上输出信号等于或高于第二预定阈值。在参考信号Vref1和Vref2相对于彼此相位正交的情况下，随后来自铁氧体的输出信号将主要由Q″分量(电抗分量)和相邻的P″分量占据。这提供‘真实’P″信号和‘真实’Q″信号。用于存储对参考信号的调整的查找表或数据库可以存储在金属探测器外部或内部的任何存储设备中，并且可以与用于存储校正系统中的不平衡所需要的调整的数据库分开。
在步骤144中，使测试产品(没有污染物)通过探测器144的孔，以建立与那个产品类型相关的校正的P″和Q″值(步骤146)。除了P″和Q″值之外，相角TP可以因此通过简单的三角法(Tan TP＝Q″/P″)来确定并且存储是数据库中。这是产品校准阶段并且在将不同的产品类型放在产品线上时进行重复。
一旦对于探测线圈中的任何不平衡(图11a)和/或由于延迟和移动的金属产生的噪音或延迟(图11b)并且对于特定产品类型(图14)校准了金属探测器，则金属探测器准备好接受类似产品以确定它们是否含有任何金属污染物。图15示出确定在产品校准阶段(图14)中使用的类似产品是否受污染的步骤次序。首先，产品通过金属探测器150的孔。测量校正的P″值和校正的Q″值以确定相角P 152。相角P是那个特定产品类型的特征。将P″和Q″值与和之前产品校准过程154(图14)中的“干净”测试产品相关的存储的P″和Q″值进行矢量地比较。更具体来说，将相角P与和干净测试产品相关的存储的相角Tp进行比较。在产品优选地可接受的情况下，即，不含有金属污染物，则与产品P相关的输出信号的相角大体上与和干净测试产品tp相关的存储的相角相同，即，与磁场的相互作用大体上相同。然而，在产品含有金属污染物的情况下，则磁场与金属污染物的相互作用将与产生与正常干净产品具有不同相角的输出信号的产品的相互作用不同。因此，从测量出的P″和Q″值确定的计算出的相角P将大体上与和干净产品相关的所存储的相角tp不同。这可以在图13b中示出的图示中矢量地表示。代表通过含有金属污染物的产品的相互作用的输出信号的矢量VP被示出为处于与指示含有金属污染物的测试产品TP不同的相角P。
在这些情况下，微处理器随后注意查看是否存在与当产品内没有污染物时相对于由于污染物产生的任何相角改变。因此，如果存在与优选地可接受的产品相比输出信号的可测量的相角改变，则这将触发存在污染物的警报。
用于校准系统中的任何不平衡和/或噪音或延迟的步骤次序并不限于图11、11b和14中所示的步骤次序，并且通过可调平衡信号和/或参考信号来补偿测量出的输出信号的替代方法是适用的。例如，可以在测试产品的同时校准探测线圈系统(例如，在探测器头内部没有产品时的间隔中)，而不是在操作频率范围下首次校准系统并且随后在产品的测试阶段调整测量出的输出信号以补偿系统中的任何不平衡和/或噪音或延迟。在所有情况下，建立示出对于一个范围的操作频率而言可调平衡信号和/或参考信号必需的调整的数据库或查找表。这可以内部地存储在金属探测器的处理器(即，计算机的内存)中，或者同样地存储在独立硬件上。替代地，可以通过因特网或电信网络将来自金属探测器的数据传达到外部服务器和处理器。

Claims (47)

1.一种变频金属探测器的操作方法，变频金属探测器具有驱动电路，用于在线圈系统中建立交变磁场以产生给定频率的输出信号，所述驱动电路包括多个开关，所述多个开关布置成使得线圈系统在由所述多个开关的操作所确定的频率下被驱动，所述方法包括以下步骤：
a.产生可调平衡信号；
b.将可调平衡信号与探测器的输出信号相接合；
c.改变可调平衡信号以提供补偿信号，
由此输出信号和/或可调平衡信号被过滤以移除一个或多个谐波。
2.如权利要求1所述的方法，其中驱动电路产生驱动信号以在线圈系统中建立交变磁场并且可调平衡信号源自驱动信号。
3.如权利要求1或2所述的方法，其进一步包括测量补偿信号的方法，并且如果补偿信号高于预定阈值，则重复步骤(c)以使得当与探测器的输出信号接合时提供补偿信号。
4.如权利要求3所述的方法，其中预定阈值大体上等于零伏。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中可调平衡信号在连续步骤中增量。
6.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中探测器的输出信号具有相位分量和量值，和可调平衡信号具有相位分量和量值，以及其中探测器的输出信号的相位分量和/或量值与可调平衡信号的相位分量和量值接合以提供补偿信号。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中给定频率下对可调平衡信号做出的调整存储在数据库或查找表中。
8.一种校准金属探测的方法，其包括步骤：以连续频率重复如以上权利要求中任一项所限定的步骤。
9.如权利要求8所述的方法，其中频率增量地变化。
10.如权利要求9所述的方法，其中频率以大体上10Hz增量连续地变化。
11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其中可调平衡信号通过电位计来改变。
12.如权利要求11所述的方法，其中电位计是第一和第二电位计。
13.如权利要求12所述的方法，其中可调平衡信号具有第一可调平衡信号和第二可调平衡信号，所述第一可调平衡信号通过第一电位计来改变，以及所述第二可调平衡信号通过第二电位计来改变。
14.如权利要求13所述的方法，其中第一可调平衡信号与第二可调平衡信号不同相。
15.如权利要求14所述的方法，其中第一可调平衡信号与驱动信号同相，以及第二可调平衡信号与驱动信号不同相。
16.如权利要求15所述的方法，其中第二可调信号与驱动信号大体上异相90°。
17.如权利要求13或14所述的方法，其中第一可调信号与驱动信号不同相。
18.一种使用如以上权利要求中任一项所述的金属探测器来扫描产品以探测产品上、产品内或与其相关的金属的方法，金属探测器具有驱动电路，用于在线圈系统中建立交变磁场以产生给定频率的输出信号，其包括以下步骤：
a在没有产品的情况下选择所需操作频率；
b从如权利要求7所限定的数据库找回在此所需频率下对可调平衡信号做出的调整；
c将可调平衡信号调整到存储在数据库中的调整值；
d对可调平衡信号补偿输出信号以提供补偿信号。
19.一种用于执行如权利要求1至18中任一项所述的方法步骤的金属探测器，其包括：
a线圈系统；
b驱动电路，用于在给定频率下在没有产品的情况下在线圈系统中建立交变磁场以产生输出信号和可调平衡信号；
c调整器，用于在所述给定频率下改变可调平衡信号以便与探测器的输出信号相接合来提供补偿信号。
20.如权利要求19所述的金属探测器，其中调整器包括电位计。
21.如权利要求19或20所述的金属探测器，其包括微处理器和电子可编程逻辑器件，用于在给定操作频率下改变可调平衡信号并且在线圈系统的所述给定操作频率下将所述可调平衡信号与输出信号相接合以提供补偿信号。
22.如权利要求19至21中任一项所述的金属探测器，其中驱动器布置成在一组多个不同频率中的任一个频率下操作线圈系统。
23.如权利要求19至22中任一项所述的金属探测器，其中驱动器包括多个开关，所述多个开关布置成直接跨电位差交替地连接线圈系统从而导致线圈系统在由开关的操作所确定的操作频率下被驱动。
24.如权利要求23所述的金属探测器，其中驱动电路包括微处理器和电子可编程逻辑器件，电子可编程逻辑器件的输出控制所述开关，其中对于特定探测线圈而言，将多个驱动映射存储在电子可编程逻辑器件或微处理器中，每个驱动映射包括用于开关的开关序列以用于金属探测器的操作的相应预定频率，其中微处理器根据选定的操作频率来选择适当的频率。
25.如权利要求19至24中任一项所述的金属探测器，其进一步包括低通滤波器来从输出信号和/或可调平衡信号过滤一个或多个谐波。
26.一种金属探测器的操作方法，金属探测器具有驱动电路，用于在线圈系统中建立交变磁场以产生给定频率的输出信号，所述输出信号具有第一分量和第二分量，第一分量相对于第二分量异相预定相角，其中通过以下步骤针对在所述给定频率下测量输出信号时的任何噪音或延迟补偿输出信号：
a.在给定频率下在线圈系统之间存在铁氧体的情况下测量输出信号，
b.数字化调整输出信号以使得输出信号的第一或第二分量中的输出信号等于或低于第一预定阈值，并且输出信号的第二或第一分量中的输出信号高于第二预定阈值，
c.将在所述给定频率下对输出信号做出的调整存储在数据库或查找表中，
d.对于不同的频率重复步骤a、b和c。
27.如权利要求26所述的方法，其中数字化调整输出信号以区分输出信号的第一或第二分量中的输出信号，以使得输出信号的第一或第二分量中的输出信号大体上等于零。
28.如权利要求27所述的方法，其中输出信号的第一分量大体上与输出信号的第二分量相位正交。
29.如权利要求27或28所述的方法，其中第一预定阈值大体上为零。
30.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中金属探测器包括相敏探测器，由此通过以下步骤针对在给定频率下测量输出信号时的任何噪音或延迟补偿输出信号：
a.产生参考信号；
B.在给定频率下在相敏探测器中将参考信号与铁氧体的输出信号相接合；
c.数字化调整参考信号以使得当与来自铁氧体的输出信号接合时，输出信号的第一或第二分量中的输出信号等于或低于第一预定阈值，并且输出信号的第二或第一分量中的输出信号高于第二预定阈值；
d.将对参考信号做出的调整存储在数据库或查找表中；
e.在不同频率下重复步骤a、b、c和d。
31.如权利要求30所述的方法，其中金属探测器包括第一和第二相敏探测器，并且参考信号包括第一参考信号和第二参考信号，使得在给定频率下，第一参考信号在第一相敏探测器中与输出信号相接合以产生输出信号的第一分量，并且第二参考信号在第二相敏探测器中与输出信号相接合以产生输出信号的第二分量。
32.如权利要求31所述的方法，其中第一参考信号与第二参考信号大体上相位正交。
33.如权利要求30至32中任一项所述的方法，其中参考信号在给定频率下增量地变化。
34.如权利要求33所述的方法，其中参考信号在连续步骤中增量。
35.如权利要求30至34中任一项所述的方法，其中通过在参考信号中引入延迟来调整参考信号。
36.如权利要求30至35中任一项所述的方法，其中调整参考信号的相位和/或量值。
37.如权利要求30至36中任一项所述的方法，其中参考信号是基于驱动信号。
38.如权利要求26至37中任一项所述的方法，其中所述驱动电路包括多个开关，所述多个开关布置成使得线圈系统在由所述多个开关的操作所确定的频率下被驱动。
39.一种如以上权利要求中任一项所述的扫描产品以探测产品上、产品内或与其相关的金属的方法，其包括以下步骤：
a.从数据库或查找表找回在金属探测器的所需操作频率下对输出信号做出的调整；
b.数字化调整输出信号至存储在数据库或查找表中的调整值以补偿测量输出信号时的任何噪音或延迟。
40.如权利要求39所述的方法，其中针对存储在数据库或查找表中的调整来补偿输出信号的相位和/或量值。
41.一种用于执行如以上权利要求中任一项所述的方法步骤的金属探测器，其包括：
a线圈系统；
b驱动电路，用于在线圈系统中建立交变磁场以产生给定频率的输出信号和参考信号；
c调整器，用于在所述给定频率下改变参考信号以便补偿测量输出信号时的任何噪音或延迟。
42.如权利要求41所述的金属探测器，其包括微处理器和电子可编程逻辑器件，用于调整参考信号并且在线圈系统的所述给定操作频率下在相敏探测器中将所述参考信号与输出信号相接合以补偿测量输出信号时的任何噪音或延迟。
43.如权利要求41或42所述的金属探测器，其中驱动器布置成布置成在一组多个不同频率中的任一个频率下操作线圈系统。
44.如权利要求43所述的金属探测器，其中驱动器包括多个开关，所述多个开关布置成直接跨电位差交替地连接线圈系统从而导致线圈系统在由开关的操作所确定的操作频率下被驱动。
45.如权利要求44所述的金属探测器，其中驱动电路包括微处理器和电子可编程逻辑器件，电子可编程逻辑器件的输出控制所述开关，其中对于特定探测线圈而言，将多个驱动映射存储在电子可编程逻辑器件或微处理器中，每个驱动映射包括用于开关的开关序列以用于金属探测器的操作的相应预定频率，其中微处理器根据选定的操作频率来选择适当的频率。
46.一种用于校准金属探测器的方法，其包括以下步骤：
a补偿如权利要求1至18中任一项所述的输出信号中的任何不平衡；和/或
b补偿如权利要求26至40中任一项所述的输出信号中的任何噪音或延迟。
47.一种适于校准如权利要求46所述输出信号的金属探测器。
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