CN105092697A - 基于自由衰减振荡技术的金属检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于自由衰减振荡技术的金属检测系统及检测方法。微处理器通过激励信号控制振荡模块的电子开关的状态使得振荡模块的线圈进入自由衰减振荡的状态，波形变换模块获得线圈的衰减振荡波形并变换为第二方波信号传输至微处理器，微处理器检测第二方波信号的第一上升沿至第二下降沿之间的第一时间间隔，以及根据该第一时间间隔与预设值的比较获得被测目标的特征。该方法包括：探测端无目标时的状态下金属检测系统检测所述第一时间间隔为初始间隔；再将被测目标置于探测端检测第一时间间隔与所述初始间隔进行比较，若此时获得的第一时间间隔变大，则被测目标为铁磁性材料若此时获得的第一时间间隔变小，则被测目标为非铁磁性材料。

Description

基于自由衰减振荡技术的金属检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及电涡流传感，具体地，涉及一种基于自由衰减振荡技术的金属检测系统及检测方法。

背景技术

各种机械设备中90％的材料都是由金属制造的，由于金属的选材不当或使用不当会造成材料的过早失效，严重的可能会发生重大事故。作为机械行业中质量控制的一个关键环节，产品使用前对原材料、半成品或成品的检测过程就显得越来越重要。

大连交通大学于2011年4月19日申请了公开号为102207487A的发明专利“金属材质特性快速鉴别仪系统”，该专利公开了一种金属材质特性快速鉴别仪系统,是一套具有学习功能的金属材质特性快速鉴别仪系统,通过对各材料的幅值谱与相位谱数值曲线进行比较,以用于金属材质的特性或产品质量的检测。包括键盘、系统控制环节、信号发生环节、传感环节、信号检测环节以及显示环节六部分；该发明具有学习、存储、产生可控的数字调频激励信号、输出-输入相对幅值谱检测、输出-输入相位差谱检测以及整体控制分析功能,对所测金属材料的材质特性或其是否符合应用要求进行判断。该发明系统以单片机作为检测控制器,具有智能化特点。可以无损检测金属材料的材质特性或判断产品是否合格。其中公开的方案是以幅值谱信号和相位谱信号分别检测幅值比及相位差进行判断，需要分别采集幅值及相位信息，增加了电路的复杂程度也增大了误差引入的可能性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于自由衰减振荡技术的金属检测系统及检测方法。仅需要处理一路信号，即自由衰减振荡信号受到金属影响，幅度相位同时变化，通过比较器，幅度相位均会引起比较器输出信号的占空比变化，形成一个叠加量，通过计算脉宽的时间t，作为判断的依据，较现有技术中需要分别采集幅值及相位而言，本发明更简单，这种检测方法和结构中，单线圈即可实现检测，电路较简单，信号特征量采集也较容易。

根据本发明提供的一种基于自由衰减振荡技术的金属检测系统，包括：谐振模块、波形变换模块、微处理器；所述谐振模块包括线圈和电子开关；

所述微处理器通过激励信号控制所述电子开关的状态使得所述线圈进入自由衰减振荡的状态，

所述波形变换模块获得所述线圈的衰减振荡波形并变换为第二方波信号传输至所述微处理器，

所述微处理器检测所述第二方波信号的第一上升沿至第二下降沿之间的第一时间间隔，以及根据该第一时间间隔与预设值的比较获得被测目标的特征。

作为一种优化方案，所述微处理器包括：通用输入输出模块、计数器模块、外设互联总线、模拟比较器模块以及处理器内核；

所述处理器内核分别与所述通用输入输出模块、计数器模块、外设互联总线、模拟比较器模块相连，所述计数器模块通过所述外设互联总线与所述模拟比较器模块互联；

所述输入输出模块根据所述处理器内核生成的指令向所述电子开关发送第一方波信号，控制所述电子开关的状态；

所述模拟比较器模块获取所述波形变换模块中的第二方波信号进行比较检测，在检测到所述第一上升沿后所述计数器模块开始计数，直到检测到所述第二下降沿停止计数获得所述第一时间间隔。

作为一种优化方案，所述微处理器还包括模数转换模块，所述微处理器还用于通过所述模数转换模块获取外部温度数据进行温度补偿。

作为一种优化方案，还包括温度采集模块；所述温度采集模块用于采集所述外部温度数据发送至所述模数转换模块。

作为一种优化方案，所述谐振模块还包括：直流电源、第一电容；

所述直流电源、第一电容以及所述线圈的一端分别与所述电子开关的三个端口相连，另一端共联接地，所述电子开关通过所述激励信号进行所述状态的切换，

所述电子开关导通所述直流电源与所述线圈的状态下，所述直流电源给所述线圈充电，

所述电子开关导通所述线圈与第一电容的状态下，所述线圈通过所述第一电容释能并进入所述自由衰减振荡的状态。

作为一种优化方案，还包括输出模块，所述输出模块与所述微处理器相连，所述输出模块用于输出所述第一方波信号，和/或第二方波信号。

本发明还提供一种基于自由衰减振荡技术的金属检测方法，包括：

步骤1，探测端无目标时的状态下根据上述金属检测系统检测所述第一时间间隔获得初始间隔；

步骤2，将被测目标置于探测端检测所述第一时间间隔与所述初始间隔进行比较，

若此时获得的第一时间间隔比所述初始间隔大，则所述被测目标为铁磁性材料

若此时获得的第一时间间隔比所述初始间隔小，则所述被测目标为非铁磁性材料。

作为一种优化方案，所述步骤1所述初始时间间隔为具有预设时间半径的时间窗口，该第一时间间隔大于所述时间窗口的下限且小于所述时间窗口的上限。

作为一种优化方案，所述步骤1还包括：

探测端无目标时的状态下调制不同的外部温度，获取所述第一时间间隔与所述外部温度的关系曲线，从而获得温度补偿系数；

根据探测端无目标时的状态下所述第一时间间隔以及所述温度补偿系数获得所述初始间隔。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明实现电涡流传感器对铁磁性材料及非铁磁性材料的区分，同时也可实现对不同金属检测距离无衰减的功能。本发明电路结构简单，探测精确度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是一种基于自由衰减振荡技术的电涡流检测系统的实现原理图；

图2是一种基于自由衰减振荡技术的电涡流检测系统的结构图；

图3是一种基于自由衰减振荡技术的电涡流检测系统的第一方波波形和线圈自由衰减振荡波形；

图4是一种基于自由衰减振荡技术的电涡流检测系统的线圈自由衰减振荡波形及其放大波形；

图5是一种基于自由衰减振荡技术的电涡流检测系统的第一方波波形、线圈自由衰减振荡放大波形、第二方波波形对比；

图6是一种基于自由衰减振荡技术的电涡流检测系统的第二方波波形；

图7是一种基于自由衰减振荡技术的电涡流检测方法流程；

图8是一种基于自由衰减振荡技术的电涡流检测系统的第一时间间隔与温度的关系曲线。

具体实施方式

下文结合附图以具体实施例的方式对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，还可以使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。

常用的电涡流传感基本原理是：用带有铁氧体的线圈配合LC三点式振荡电路作为振荡器，在线圈中产生交变的磁场；当被测金属靠近这一磁场，则在金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与线圈方向相反的交变磁场，使线圈中的高频电流的幅度和相位得到改变，探头中的线圈的Q值也发生变化，Q值的变化引起振荡器电压幅度的变化，这个变化的电压经过检波、滤波、线性补偿、放大最终转换成需要的电压(电流)变化。通常，电涡流传感器的感应头是有线圈和铁氧体组成，一般采用灌状的铁氧体，线圈安装在铁氧体的底部，该磁芯是半开口形状，线圈位于磁芯内部，目的是使线圈的磁场向磁芯开口方向单一分布。这种类型的电涡流传感器对铁磁性材料具有较远的检测距离，而对非铁磁性材料检测距离则存在较大的衰减。另外，现有技术中的这类电涡流传感器多是对铁磁性材料的运动检测，具有一定局限。

在本发明提供的一种基于自由衰减振荡技术的金属检测系统的实施例中，如图2所示，包括：谐振模块、波形变换模块Change、微处理器；所述谐振模块包括线圈Coils和电子开关Switch；

所述微处理器通过激励信号控制所述电子开关Switch的状态使得所述线圈Coils进入自由衰减振荡的状态，

所述波形变换模块Change获得所述线圈Coils的衰减振荡波形并变换为第二方波信号传输至所述微处理器，

所述微处理器检测所述第二方波信号的第一上升沿至第二下降沿之间的第一时间间隔，以及根据该第一时间间隔与预设值的比较获得被测目标的特征。

在本实施例中，线圈Coils在自由谐振状态下产生磁场，在被测目标进入该磁场范围时，在被测目标上感应产生涡流磁场，该涡流磁场反作用在线圈Coils上，使得原自由衰减谐振波形发生幅度和相位的变化。图3中通道1显示为作为激励信号的第一方波信号波形，通道2显示为线圈Coils进入自由衰减振荡的状态后的自由衰减振荡信号波形。

作为一种实施例，如图2所示，所述微处理器MCU包括：通用输入输出模块GPIO、计数器模块Timer、外设互联总线PRS、模拟比较器模块ACMP以及处理器内核ARMCotex-M3；

所述处理器内核分别与所述通用输入输出模块、计数器模块、外设互联总线、模拟比较器模块相连，所述计数器模块通过所述外设互联总线与所述模拟比较器模块互联；

所述输入输出模块根据所述处理器内核生成的指令向所述电子开关Switch发送第一方波信号，控制所述电子开关Switch的状态；

所述模拟比较器模块获取所述波形变换模块Change中的第二方波信号进行比较检测，在检测到所述第一上升沿后所述计数器模块开始计数，直到检测到所述第二下降沿停止计数获得所述第一时间间隔。

微控制器这里选用的是ARMCotex-M3内核的MCU，后面会提到第一时间间隔的捕获，就需要MCU比较好的性能，较快的响应速度等，主要用到的外设是通用输入输出模块GPIO，计数器模块Timer，外设反射系统PRS，模拟比较器模块ACMP，ADC模拟数字转换器。

本方案涉及到的各外设功能：

通用输入输出模块GPIO：前端产生周期性的脉冲信号驱动电子开关Switch，后端作为传感器的输出控制信号。

计数器模块Timer：根据控制信号进行计数，同时具备输入捕获功能。

模拟比较器模块ACMP：对输入的方波信号进行判断

外设反射系统PRS：外设互联总线，允许不同的外设无需CPU干预即可直接相互通信。将模拟比较器模块ACMP与计数器模块Timer互联，模拟比较器模块ACMP的控制信号直接传输给计数器模块Timer，控制计数器模块Timer是否计数。

模数转换模块ADC：采集外部温度数据，后期实现温度补偿功能。

线圈的衰减振荡信号经波形变换模块进行放大和比较后，转换成方波信号。图4中通道2为线圈的自由衰减振荡信号波形，通道3位进行放大后的波形。图5中通道1位作为激励信号的第一方波信号波形，通道3为线圈自由衰减振荡信号进行放大后的波形，通道4为对通道3的波形进行比较后获得的第二方波信号。

作为一种实施例，所述微处理器还包括模数转换模块AD，所述微处理器还用于通过所述模数转换模块AD获取外部温度数据进行温度补偿。

作为一种实施例，还包括温度采集模块temperature；所述温度采集模块temperature用于采集所述外部温度数据发送至所述模数转换模块AD。

作为一种实施例，所述谐振模块还包括：直流电源、第一电容；

所述直流电源、第一电容以及所述线圈的一端分别与所述电子开关Switch的三个端口相连，另一端共联接地，所述电子开关Switch通过所述激励信号进行所述状态的切换，

所述电子开关Switch导通所述直流电源与所述线圈的状态下，所述直流电源给所述线圈充电，

所述电子开关Switch导通所述线圈与第一电容的状态下，所述线圈通过所述第一电容释能并进入所述自由衰减振荡的状态。

图1为本发明的一种振荡模块的实施例原理图。如图1中第一电容C1与线圈L共同组成检测系统的谐振模块，通过作为激励信号的第一方波使电子开关Switch处于切换状态，当开关打向左边，直流电源+5V给线圈L充电；当电子开关Switch打向右边，线圈L通过第一电容C1释放储能产生磁场，谐振模块进入自由衰减振荡的状态。根据图1所示的振荡模块的基本原理，通过微处理器对振荡信号进行采集，可以直观的观察到谐振模块的自由衰减振荡的情况。本实施例中第一方波信号为高电平时，电感L储能，当第一方波信号为低电平后，可以看到衰减的振荡信号，直至能量释放结束。

电子开关Switch由微控制器发出的激励信号控制导通“直流电源-线圈”或“线圈-第一电容”，切换至电源给线圈进行充电，再切换至第一电容进行放电，使得线圈进入自由衰减振荡过程。所述电子开关Switch可以是由晶闸管、晶体管、场效应管、可控硅的一种或多种组成等。

作为一种实施例，还包括输出模块，所述输出模块与所述微处理器相连，所述输出模块用于输出所述第一方波信号，和/或第二方波信号。

基于上述检测系统，本发明还提供一种基于自由衰减振荡技术的电涡流检测方法，包括：

步骤1，探测端无目标时的状态下根据所述金属检测系统检测所述第一时间间隔获得初始间隔；

步骤2，将被测目标置于探测端检测所述第一时间间隔与所述初始间隔进行比较，

若此时获得的第一时间间隔比所述初始间隔大，则所述被测目标为铁磁性材料，

若此时获得的第一时间间隔比所述初始间隔小，则所述被测目标为非铁磁性材料。

对铁磁性材料，非铁磁性材料的区分检测原理：根据试验现象可以很容易的发现，当被测目标是铁磁性材料，靠近线圈的时候，图6中的A点几乎不动，B点位置向右移动，AB之间的第一时间间隔t增加；当被测目标是非铁磁性材料，靠近线圈的时候，图6中A点还是几乎不动，B点位置向左移动，AB之间的第一时间间隔t减少。图6为第二方波的示意图，A点为第一上升沿位置，B点为第二下降沿位置，由图可知，在第二方波中，是先检测到第一下降沿，进入低电平，再出现第一上升沿后进入高电平，该高电平持续第一时间间隔后出现第二下降沿再次进入低电平，通过B的移动方向，即第一时间间隔的变化可以检测被测目标是磁性材料F还是非磁性材料NF。

作为一种实施例，所述步骤1所述初始时间间隔为具有预设时间半径的时间窗口，该第一时间间隔大于所述时间窗口的下限且小于所述时间窗口的上限。

通过微控制器MCU，捕获AB之间的第一时间间隔t，计算有无被测金属时，产生的时间差，即可得出时间的变化量与距离的关系，所述距离为被测目标与探测端的探测面之间的距离，由此很容易的做到了材料的区分。有了MCU的帮助，通过设置时间窗口，对不同金属检测距离可实现无衰减。由于探测不同金属，图6中B点相对于置空状态，在发生向左或是向右的移动，也是第一时间间隔A-B即脉宽时间的变化，为了实现对金属的无衰减，设置上下阀值区间，即时间窗口，无论高于上限阀值还是低于下限阀值，传感器都认为检测到物体，由此实现无衰减的功能。

作为一种实施例，所述步骤1还包括：

探测端无目标时的状态下调制不同的外部温度，获取所述第一时间间隔与所述外部温度的关系曲线，从而获得温度补偿系数；

根据探测端无目标时的状态下所述第一时间间隔以及所述温度补偿系数获得所述初始间隔。

线圈在高低温环境下，电感量L及Q值会发生改变，会改变谐振信号的幅度及相位，直接影响输入到MCU的方波信号宽度，及AB之间的时间t，为了将这个变化量补偿回来，增加外部温度检测，作为补偿。最后会得到一个温度值与时间的关系式。

温度补偿可以由一个热敏电阻和一个固定电阻串联，对电源电压VCC做分压，环境温度的变化引起热敏电阻阻值的变化，总阻值的变化又引起电流I的变化，在热敏电阻上的分压U＝IR也相应变化，再通过AD采集数据。每一个温度点T都会对应一个第一时间间隔t1，拟合出如图8所示的曲线公式。再通过采集外部环境温度，计算得出脉宽时间t2，t2非常接近于t1，几乎相等，通过MCU中的程序自动将时间窗口(上下阀值)补偿到每一个温度点，因此任何温度点时的脉宽时间与设置的阀值位置保持不变，距离也不会改变。

图8所示的关系式仅仅为一种实施例，此关系式包含了传感器整个温度范围内的补偿信息，MCU采集温度参数，通过公式计算出脉宽时间(非常接近于实真实值，由于是拟合得出的公式，有误差，但是非常小，可忽略)，在计算得出的脉宽时间上确定时间窗口或是阀值，再采集真实的脉宽时间，与现在的时间窗口或是阀值做比较运算即可。

假设传感器可检测距离30mm；

空闲状态时间AB＝1000；

铁磁性物体靠近时AB增大至1100，此时物体与感应面之间距离是30mm(程序已提前设定)；

非铁磁性物体靠近时AB减小至900，此时物体与感应面之间距离是30mm(程序已提前设定)；

可以看出，900和1100就是所指的时间窗口。

与背景技术中的公开的102207487A专利相比，本发明具有以下优势：

1.102207487A中使用两路信号，分别是幅值谱信号及相位谱信号，需要分别检测幅值比及相位差再进行判断；而本发明中仅需一路信号，即自由衰减振荡信号受到被测目标金属的影响，幅度相位同时变化，通过比较器，幅度相位均会引起比较器输出信号的占空比变化，形成一个叠加量，通过计算脉宽的时间(即上述第一时间间隔t)，作为距离判断的依据，较102207487A公开的需要分别采集幅值及相位来讲，102207487A相对复杂，本发明更简单，本发明这种检测方法，单线圈即可实现检测，电路较简单，信号特征量采集也较容易。

2.102207487A中使用正弦信号，首先是作为激励信号，驱动线圈产生磁场，再也是作为后端的基准信号，为后端相位差检测作为判断依据。本发明公开的方案是由脉冲信号给线圈充电，再通过电容放电，构成自由衰减振荡，进行能量的释放，这一能量释放的过程(幅度降低，振荡衰减)很快，时间很短，当有被测目标置于探测位置的时候，会加速这一过程，幅度相位变化的特征量，会更明显，信号进过比较器输出的占空比变化量相应变大，较远位置的金属，就会引起较大的占空比变化，检测距离远，反映出灵敏度高的特点。

数据处理：

通过试验，将线圈部分、温度采集模块、波形变换模块放置于温控箱内，为了符合电涡流传感器标准，温飘试验从-25℃到70℃，以每10度为一个测试点。

得到如下数据：

将数据做曲线拟合，再得出图8所示的拟合公式，在程序代码中加入。

从拟合的情况来看，拟合度R²＝0.999822，接近于1，公式拟合程度比较理想。

本发明公开的检测系统由于增加了MCU，在输出方式上，可以更灵活，根据需要可以是开关量输出，也可以是模拟量输出，也可以作为IO-Link接口传输数据等等，金属检测系统将越来越智能化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于自由衰减振荡技术的金属检测系统，其特征在于，包括：谐振模块、波形变换模块、微处理器；所述谐振模块包括线圈和电子开关；

所述微处理器通过激励信号控制所述电子开关的状态使得所述线圈进入自由衰减振荡的状态，

所述波形变换模块获得所述线圈的衰减振荡波形并变换为第二方波信号传输至所述微处理器，

所述微处理器检测所述第二方波信号的第一上升沿至第二下降沿之间的第一时间间隔，以及根据该第一时间间隔与预设值的比较获得被测目标的特征。

2.根据权利要求1所述的一种基于自由衰减振荡技术的金属检测系统，其特征在于，所述微处理器包括：通用输入输出模块、计数器模块、外设互联总线、模拟比较器模块以及处理器内核；

所述处理器内核分别与所述通用输入输出模块、计数器模块、外设互联总线、模拟比较器模块相连，所述计数器模块通过所述外设互联总线与所述模拟比较器模块互联；

所述输入输出模块根据所述处理器内核生成的指令向所述电子开关发送第一方波信号，控制所述电子开关的状态；

所述模拟比较器模块获取所述波形变换模块中的第二方波信号进行比较检测，在检测到所述第一上升沿后所述计数器模块开始计数，直到检测到所述第二下降沿停止计数获得所述第一时间间隔。

3.根据权利要求2所述的一种基于自由衰减振荡技术的金属检测系统，其特征在于，所述微处理器还包括模数转换模块，所述微处理器还用于通过所述模数转换模块获取外部温度数据进行温度补偿。

4.根据权利要求3所述的一种基于自由衰减振荡技术的金属检测系统，其特征在于，还包括温度采集模块；所述温度采集模块用于采集所述外部温度数据发送至所述模数转换模块。

5.根据权利要求1所述的一种基于自由衰减振荡技术的金属检测系统，其特征在于，所述谐振模块还包括：直流电源、第一电容；

所述直流电源、第一电容以及所述线圈的一端分别与所述电子开关的三个端口相连，另一端共联接地，所述电子开关通过所述激励信号进行所述状态的切换，

所述电子开关导通所述直流电源与所述线圈的状态下，所述直流电源给所述线圈充电，

所述电子开关导通所述线圈与第一电容的状态下，所述线圈通过所述第一电容释能并进入所述自由衰减振荡的状态。

6.根据权利要求1所述的一种基于自由衰减振荡技术的金属检测系统，其特征在于，还包括输出模块，所述输出模块与所述微处理器相连，所述输出模块用于输出所述第一方波信号，和/或第二方波信号。

7.一种基于自由衰减振荡技术的金属检测方法，其特征在于，包括：

步骤1，探测端无目标时的状态下根据权利要求1-6任一所述金属检测系统检测所述第一时间间隔获得初始间隔；

步骤2，将被测目标置于探测端检测所述第一时间间隔与所述初始间隔进行比较，

若此时获得的第一时间间隔比所述初始间隔大，则所述被测目标为铁磁性材料

若此时获得的第一时间间隔比所述初始间隔小，则所述被测目标为非铁磁性材料。

8.根据权利要求7所述的一种基于自由衰减振荡技术的金属检测方法，其特征在于，

所述步骤1所述初始时间间隔为具有预设时间半径的时间窗口，该第一时间间隔大于所述时间窗口的下限且小于所述时间窗口的上限。

9.根据权利要求7所述的一种基于自由衰减振荡技术的金属检测方法，其特征在于，所述步骤1还包括：

探测端无目标时的状态下调制不同的外部温度，获取所述第一时间间隔与所述外部温度的关系曲线，从而获得温度补偿系数；

根据探测端无目标时的状态下所述第一时间间隔以及所述温度补偿系数获得所述初始间隔。