CN105676297B - 可用于铝箔包装类产品的全金属异物检测装置 - Google Patents

可用于铝箔包装类产品的全金属异物检测装置 Download PDF

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Abstract

可用于铝箔包装类产品的全金属异物检测装置，涉及对铝箔包装类产品进行全金属异物检测技术，适用于对铝箔包装类产品与一般类产品进行全金属异物检测。由传感器(探头)、检测信号接收模块、检测信号处理模块、检测信号激励模块，基准信号源、中央控制单元、IO模块、人机接口和电源系统构成，检测信号接收模块接收传感器采集到的检测信号，经检测信号自动平衡电路处理后，再经检测信号处理模块对信号进行处理，提高了信号检测的可靠性、稳定性和灵敏度。本发明结构合理，操作方便，检测效果好，不仅能够对铝箔包装类产品的全金属异物检测，而且还可用于对非铝箔包装，但自身“产品效应”很大的产品的全金属异物检测，具有良好的经济效益。

Description

可用于铝箔包装类产品的全金属异物检测装置
技术领域
可用于铝箔包装类产品的全金属异物检测装置，涉及对铝箔包装类产品进行全金属异物检测技术，适用于对铝箔包装类产品与一般类产品进行全金属异物检测。
技术背景
现有的在食品生产过程中使用的金属异物检测器主要有两种：一种是采用静磁场技术的检测设备，这种设备只能检测铁磁材质的金属颗粒异物，而不能检测铜、铝等非铁磁或弱铁磁材质的金属颗粒异物。另一种则是采用电磁场技术，这种设备虽然可用于检测包括铁、不锈钢、铜、铝等全部金属材质的金属颗粒异物，但是这种电磁场技术检测设备中的检测信号接收和检测信号处理的不足，使得其对采用铝箔包装类的产品检测时，由于包装产品自身产生很大的“产品效应”，而无法检测采用铝箔包装的产品中是否混入了微小金属颗粒异物。
而尤其在食品等行业中，越来越多的产品采用的是铝箔类包装，且生产过程中可能出现的微小金属颗粒异物主要是不锈钢等非铁磁或弱铁磁材质的金属，上述两种设备都无法对采用铝箔类包装的产品进行有效的全金属异物检测，使得生成的产品存在着很大的安全隐患。
发明内容
针对现有的金属异物检测设备的不足，本发明人经过长期研究，提出了一种能够有效区分和排除铝箔包装类产品自身产生的“产品效应”干扰，检测的可靠性和灵敏度高的铝箔包装类产品的全金属异物检测装置，而且这种装置还可用于非铝箔包装，但自身“产品效应”很大的产品及一般产品的全金属异物检测。
本发明装置由传感器(探头)、检测信号接收模块、检测信号处理模块、检测信号激励模块，基准信号源、中央控制单元、IO模块、人机接口(HMI)和电源系统构成。
传感器(探头)主要由接收线圈1，接收线圈2和发射线圈组成，是生成检测用电磁场及检测信号采集的装置。
检测信号激励模块将基准信号功率放大，以在探头生成检测用电磁场。
检测信号接收模块接收传感器采集到的检测信号，通过由I-V转换器、带通滤波器、移相器、幅值调节器、差动放大器、AD转换器及中央控制单元组成的检测信号自动平衡电路，经用滤波器筛选出有效的信号后，控制移相器和幅值调节器，对从接收线圈1和接收线圈2上接收到的有效检测信号自动平衡，使得接收线圈1和接收线圈2上的正弦波信号的幅值和相位基本相等，提高信号检测的可靠性、稳定性和灵敏度。
检测信号处理模块对从传感器采集并经过相应转换后的检测信号通过乘法器、低通滤波器、除法器、平方根运算器、信号放大器、AD转换器及中央控制单元构成的进行相应的信号处理，对铝箔包装类产品中是否混有全金属异物进行准确检测。
基准信号源模块采用三块ADI的AD9833来实现基准信号的数字式控制。根据中央控制单元的参数，生成系统所需的各种基准信号。
中央控制单元采用TI的TMS320F28235数字信号处理器，控制各模块及检测算法运行。
IO模块是执行机构和控制机构的输入输出模块。
人机接口(HMI)采用触摸屏，可实现丰富人机界面的快速开发，接口通过相应的通讯协议与中央控制单元进行数据交换，接收操作员的操作指令，并呈现检测信息。
电源系统对整个装置提供各种不同的电源。
本发明检测装置工作时，基准信号源根据中央控制单元设定的参数生成一个基准信号sin(ωt)(ω的值为几十至几百千赫兹)。检测信号激励模块将此信号功率放大后，推送到传感器的发射线圈上，在传感器的检测空间生成电磁场，其中发射线圈中的信号为：Asin(ωt)。传感器上的接收线圈1和接收线圈2上分别生成感应信号a1sin(ωt+α1)和a2sin(ωt+α2)，通过调节接收线圈1、接收线圈2与发射线圈的位置，使a1≈a2，α1≈α2，合并后的接收信号为asin(ωt+α)(a和α均为较小的值)。
同时基准信号还生成两个基准信号sin(ωt+β)和cos(ωt+β)用于后续的接收信号的检测处理，其中β值则根据检测需要进行调整。
由于铝箔包装类产品的全金属检测，对接收型号要求较高，要求a≈0，α≈0。但是在实际检测过程中，因机械、电气的误差，以及时间变化等因素的影响，很难用手动的方式做到a≈0，α≈0，因此采用电子的方式对接收信号进行自动调节。接收信号1与接收信号2分别通过I-V转换器，将信号由电流型转换为电压型，通过带通滤波器，移相器和幅值调节器，经过上述处理的接收信号1与接收信号2送入一个可控制增益的差动放大器，得到后续模块(检测信号处理模块)的输入；此信号同时经AD转换后送到中央控制单元，中央控制单元则通过控制移相器、幅值调节器和差动放大器增益的参数，使得经差动放大后的信号的参数符合a≈0，α≈0。
接收信号通过自动调节后，传入到后续的检测信号处理模块，通过乘法器、低通滤波器、除法器、平方根运算、信号放大器、AD转换器进行信号处理，对铝箔包装类产品进行全金属异物检测。
当有铝箔包装类产品通过传感器(探头)检测区域时，设铝箔包装类产品通过传感器(探头)检测区域时，经检测信号接收模块处理后的接收信号为b1sin(ωt+θ1)。
此时，接收信号与两个基准信号进行乘法运算，其表达式分别为：b1sin(ωt+θ1)×sin(ωt+β)和b1sin(ωt+θ1)×cos(ωt+β)。上述表达式进行三角积化和差变换后，得到：和
通过低通滤波模块后，保留了上式中的低频部分的信号：和 和分别通过除法器和平方根运算后，得到信号表达式分别为tan(θ1-β)和我们可以预先调整β，使得tan(θ1-β)≈0，并将的值预先存储在中央控制单元中。
因为铝箔包装本身有很大的“产品效应”，所以和中至少有一路信号经过信号放大后的值会很大(甚至超AD转换的量程)，这样中央控制单元通过AD模块采集的数据就可以知道此时有产品通过检测区域。
而中央控制单元从除法器通道得到的值tan(θ1-β)≈0，平方根运算通道得到的值约等于中央控制单元之前预先存储的值此时，系统认为产品中没有混入金属异物，不产生报警信号，将产品放行。
当混有金属颗粒异物的产品通过探头检测区域时，经检测信号接收模块处理后的接收信号为(b1+b2)sin(ωt+θ1+θ2)。
此时，接收信号与两个基准信号进行乘法运算，其表达式分别为：(b1+b2)sin(ωt+θ1+θ2)×sin(ωt+β)和(b1+b2)sin(ωt+θ1+θ2)×cos(ωt+β)；上述表达式进行三角积化和差变换后，得到：和
通过低通滤波模块后，保留了上式中的低频部分的信号：和和中至少有一路信号经过信号放大后的值会很大，这样中央控制单元通过AD模块采集的数据就可以知道此时有产品通过检测区域。
这时，除法器通道和平方根通道中信号的表达式分别为：tan(θ1+θ2-β)和从之前的描述可知道tan(θ1+θ2-β)≠0或者此时，装置识别出铝箔包装的产品中混有金属异物，于是产生报警信号，检出混入有金属颗粒异物的铝箔包装类产品。
本发明的特点是：对检测信号通过数字电位器控制的移相器和幅值调节器，对接收到的检测信号进行自动平衡，提高了检测信号的可靠性，经自动平衡的检测信号通过检测信号处理模块的乘法器、低通滤波器、除法器、平方根运算器、信号放大器、AD转换器相应的信号处理，有效提高了本发明检测装置对铝箔包装类产品全金属异物检测的准确性。本发明结构合理，操作方便，检测效果好，不仅能够对铝箔包装类产品的全金属异物检测，而且还可用于对非铝箔包装，但自身“产品效应”很大的产品的全金属异物检测，具有良好的经济效益。
附图说明
附图为本发明检测装置的示意图，其中：
图1.是本发明检测装置的传感器结构示意图，
图2.是本发明检测装置的结构和工作示意图，
图3.是本发明检测装置的检测信号自动平衡电路示意图，
图4.是本发明检测装置的检测信号自动平衡流程示意图，
图5.是本发明检测装置的信号处理模块电路示意图，
图6.是本发明检测装置工作流程示意图。
具体实施方式
根据附图对本发明装置作进一步描述。
本发明装置由传感器(探头)、检测信号接收模块、检测信号处理模块、检测信号激励模块、基准信号源模块、中央控制单元、IO模块、人机接口(HMI)和电源系统等构成。
传感器(探头)主要由接收线圈1，接收线圈2和发射线圈组成，是生成检测用电磁场及检测信号采集的装置。
检测信号激励模块将基准信号功率放大，以在传感器生成检测用电磁场。
检测信号接收模块接收传感器采集的检测信号，通过由I-V转换器、带通滤波器、移相器、幅值调节器、差动放大器、AD转换器及中央控制单元组成的检测信号自动平衡电路，经用滤波器筛选出有效的信号后，分别控制两个移相器和两个幅值调节器，对从接收线圈1和接收线圈2上接收到的检测信号自动平衡，使得接收线圈1和接收线圈2上的正弦波信号的幅值和相位基本相等，提高了信号检测的可靠性、稳定性和灵敏度。
检测信号处理模块对从传感器中采集并经过检测信号接收模块平衡处理后的检测信号通过乘法器、低通滤波器、除法器、平方根运算器、信号放大器、AD转换器进行相应的信号处理，使本发明检测装置能够对铝箔包装类产品中是否混有全金属异物进行准确检测。
基准信号源模块采用三块ADI的AD9833来实现基准信号的数字式控制。AD9833输出的频率和相位可进行数字式编程控制；频率最高精度为0.004Hz，相位精度≈0.088°，DAC的输出精度为10位；其中一块产生检测信号激励模块用的基准信号，另外两块产生检测信号处理模块用的两个基准信号。根据中央控制单元块的参数，生成系统所需的各种基准信号，输出的正弦信号再经过信号放大至需要的值，送至相应的处理模块。
中央控制单元采用TI的TMS320F28235数字信号处理器。它高性能的32位CPU的处理速度高达150MHz；支持SCI，SPI，CAN，I2C，McBSP，和并行I/O等多种接口，方便对外围子模块进行控制，内置的16个12位模数转换器(ADC)通道的转换速率高达80ns，有效控制各子模块运行及完成检测运行。
人机接口(HMI)采用触摸屏，可实现丰富人机界面的快速开发，接口通过相应的通讯协议与中央控制单元进行数据交换，接收操作员的操作指令，并呈现检测信息。
电源系统对整个装置提供各种不同的电源。
实施例：
以检测包装的乳制品产品为例，说明本发明装置的工作过程。
如果之前未在装置上检测过同样的物体，本发明检测装置上电后，设备会提示操作员进行检测参数设置。这时，操作员先根据所测物体的特点，按HMI上的提示选择“铝箔包装液态物品”选项。
确定后，中央处理单元依据操作员的选择，将检测电磁场的工作频率ω设置为20～30KHz范围，并将参数保持后传递给基准信号源。基准信号源根据中央处理单元给定的参数生成系统所需的各种基准信号，输出的正弦信号经过信号放大至需要的值，再送至相应的模块。其中检测信号激励模块将此信号功率放大后，推送到传感器的发射线圈上，在传感器的检测空间生成电磁场，其中发射线圈中的激励信号为：A sin(ωt)。传感器上的接收线圈1和接收线圈2上分别生成感应信号a1sin(ωt+α1)和a2sin(ωt+α2)，同时基准信号源生成两个基准信号sin(ωt+β)和cos(ωt+β)(先设置β＝0°)用于后续的接收信号的检测处理。
然后接收线圈1与接收线圈2上的接收信号1与接收信号2分别通过I-V转换器，将信号由电流型转换为电压型。再通过带通滤波器，移相器和幅值调节器。然后，经过上述处理的接收信号1与接收信号2送入一个可控制增益的差动放大器，得到后续模块(检测信号处理模块)的输入；此信号同时经AD转换后送到中央控制单元，中央控制单元则通过控制移相器、幅值调节器和差动放大器增益的参数，使得经差动放大后的接收信号asin(ωt+α)中的参数符合a≈0，α≈0。
然后，HMI提示操作员将被物品通过传感器中间的检测区域。在物品通过检测区域时，装置将采集并处理被测物品的电磁信息(接收信号)。这些信息通过乘法器、低通滤波器、除法器、平方根运算、信号放大器、AD转换器进行信号处理，中央处理单元得到包括tan(θ1-β)和等值。中央处理单元记录这些值，并依据这些值，计算出tan(θ1-β)＝0时，β的值，再将基准信号源中sin(ωt+β)和cos(ωt+β)中的β在原来的基础上调整到相应的值，并将该值保存下来。
这时装置进入待机状态，提示操作员进行检测操作。如果装置之前保持了同样物品的上述检测参数，则上电后直接进入此状态。
操作员通过HMI向装置发送检测指令后，装置就可以进入检测工作，接收信号通过自动平衡处理后，传送到后续的检测信号处理模块，通过乘法器、低通滤波器、除法器、平方根运算器、信号放大器、AD转换器进行信号处理，对铝箔包装类产品进行全金属异物检测或对非铝箔包装，但自身“产品效应”很大的产品及一般产品的全金属异物检测。
当本发明检测装置检测到铝箔包装类产品中或在自身“产品效应”很大的产品及一般产品中检测到金属异物，触摸屏上即呈现警示信号和检测装置发出报警声，并IO模块触发相应机构完成停机、自动剔除等动作。

Claims (3)

1.可用于铝箔包装类产品的全金属异物检测装置，由传感器、检测信号接收模块、检测信号处理模块、检测信号激励模块，基准信号源、中央控制单元、IO模块、人机接口（HMI）和电源系统构成，其特征在于：检测信号接收模块接收传感器上的两路接收线圈采集到的两路感应信号，分别通过各自通道的I-V转换器，将信号由电流型转换为电压型，两路信号再通过带通滤波器，移相器和幅值调节器处理；经过上述处理的两路信号送入一个可控制增益的差动放大器，得到后续检测信号处理模块的输入；经过差动放大器后的检测信号经AD转换后送到中央控制单元, 中央控制单元则通过控制移相器、幅值调节器和差动放大器增益的参数，使得经差动放大后的信号中的参数符合，；通过自动调节后的接收信号，传入到后续的检测信号处理模块，通过乘法器、低通滤波器、除法器、平方根运算、信号放大器、AD转换器进行信号处理，对铝箔包装类产品进行全金属异物检测。
2.根据权利要求1所述的全金属异物检测装置，其特征在于：检测信号自动平衡电路由I-V转换器、带通滤波器、移相器、幅值调节器、差动放大器、AD转换器及中央控制单元组成。
3.根据权利要求1所述的全金属异物检测装置，其特征在于：检测信号处理模块由乘法器、低通滤波器、除法器、平方根运算器、信号放大器、AD转换器及中央控制单元构成。
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