CN113341473A

CN113341473A - 一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测装置及方法

Info

Publication number: CN113341473A
Application number: CN202110731737.0A
Authority: CN
Inventors: 刘宇; 魏东; 张立清
Original assignee: Shandong High Brightness Electromechanical Technology Co ltd
Current assignee: Shandong High Brightness Electromechanical Technology Co ltd
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2041-06-30
Also published as: CN113341473B

Abstract

本发明公开了一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测装置及方法，涉及金属检测设备技术领域，包括相互之间电连接的检测电路模块、发射线圈模块、接收线圈模块，检测电路模块位于传送带一侧，发射线圈模块位于传送带上部，接收线圈模块位于传送带下部，发射线圈模块包括若干组发射线圈，若干组发射线圈采用多层多列矩阵式结构排列，发射线圈固定在线圈支架上，线圈支架固定在传送带两侧。在空间结构上，发射线圈多层结构用于聚拢磁力线分布，减少漏磁通，增加了金属检测物的检测距离，保证检测精度；发射线圈多组结构用于区分金属检测物的形状和大小。

Description

一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测装置及方法

技术领域

本发明涉及金属检测设备技术领域，特别涉及一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测装置及方法。

背景技术

金属检测装置在食品、原材料加工、公共安全等各个领域都有着广泛应用，尤其是在工矿企业中，与其他领域的不同在于工矿现场的环境复杂、恶劣。既有各种大功率设备的强电磁干扰，又有振动、高温、低温、灰尘等各种恶劣的现场环境。同时，工矿企业为了满足自身的产能需求，不断的扩大原材料的体积，这就需要大幅增加检测线圈高度，从而导致金属检测装置的信噪比下降，检测精度降低，严重威胁着设备安全和连续生产的稳定性。

目前，现有的金属检测装置仅对部分形状规则的大块金属异物起到检测作用，而对不规则形状、大小的金属异物却束手无策。现有的金属检测方法普遍采用在检测区域上下方各安装一个发射线圈和一个接收线圈，两个线圈的间距不超过0.6米，无法应用于大块原材料加工的生产场合。在上述条件下，如何使金属检测装置在保证检测精度的前提下增加检测高度，克服现场干扰，准确可靠地检出金属异物的形状和大小，成为人们一直困扰的技术难题。

发明内容

针对以上缺陷，本发明的目的是提供一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测装置及方法，此基于矩阵线圈的平衡式金属检测装置及方法能够在保证检测精度的前提下增加检测高度，并区分出金属异物的形状和大小，实现了对工矿业原材料中金属异物的筛查。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测装置，包括相互之间电连接的检测电路模块、发射线圈模块、接收线圈模块，所述检测电路模块位于传送带一侧，所述发射线圈模块位于所述传送带上部，所述接收线圈模块位于所述传送带下部，所述发射线圈模块包括若干组发射线圈，若干组所述发射线圈采用多层多列矩阵式结构排列，所述发射线圈固定在线圈支架上，所述线圈支架固定在所述传送带两侧。

其中，所述发射线圈模块包括四组所述发射线圈，四组所述发射线圈采用两层四组矩阵式结构排列。

其中，所述检测电路模块包括CPU电路及分别与所述CPU电路电连接的发射电路、接收电路、报警电路、键盘显示电路；所述发射电路与所述发射线圈模块电连接，所述接收电路与所述接收线圈模块电连接；所述检测电路还包括用于给所述CPU电路、所述发射电路、所述接收电路、所述报警电路和所述键盘显示电路供电的电源电路。

其中，两组所述接收线圈呈左右并列排列，两组所述接收线圈相互连接呈一整体，两组所述接收线圈的水平覆盖面积不小于所述发射线圈的水平覆盖面积。

其中，所述发射电路包括功率驱动放大器。

其中，所述接收电路包括滤波电路和放大电路。

其中，所述放大电路设置有两级。

一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测方法，包括以下步骤：S1、CPU电路产生连续波激励信号给发射电路，发射电路产生的连续波激励信号输出给发射线圈模块，发射线圈模块分组发射四路连续波激励信号，接收线圈模块接收金属检测物的感应电动势EMF信号并传输给接收电路；S2、接收电路接受接收线圈模块获取的金属检测物的感应电动势EMF信号，将获取的信号进行差分运算、电路调理、两级放大、滤波后送到CPU电路中进行计算；S3、CPU电路将接收到的EMF信号转换成数字波形数据，并进行计算出各组波形数据所对应的相位和幅值；S4、根据采样算法保留有效的金属检测物所对应的数字波形数据，由此保留金属检测物的时间值和幅值；S5、在一个完整的发射周期循环中，所述发射线圈模块在不同位置分组进行发射连续波激励信号，由此获得一个周期内的感应电动势EMF信号，在信号接收的有效周期内，将所述信号进行数字信号处理，根据信号的相位和幅值进行计算，通过最小二乘法进行回归分析，建立相应的拟合函数，由此得出所述金属检测物的大小和形状信息。

其中，在所述步骤S1中，信号的发射方式采用连续波激励方式，发射信号采用正弦波形式。

其中，在所述步骤S5中，所述发射线圈模块循环作为发射装置工作，每个发射周期中每组发射线圈进行一次发射，发射结束后所述两组接收线圈进入接收模式。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

1.在空间结构上，发射线圈模块中发射线圈采用多层多组的平衡式矩阵结构，发射线圈多层结构用于聚拢磁力线分布，减少漏磁通，增加了金属检测物的检测距离，保证检测精度；发射线圈多组结构用于区分金属检测物的形状和大小。接收线圈对称结构仅检测非对称的电磁信号，保证了接收信号中的空间电磁干扰信号为零，从根本上克服了现场环境中的强电磁干扰，保证了在钢丝皮带输送机生产场合下进行金属检测物的检测。

2.在时间序列上，实现了具有窗口选择特性检测，检测装置只提取特征匹配的非对称信号进行放大和滤波处理。

3.在信号激励形式上，同现有的检测装置以幅值大小为判定的方式相比，采用数字控制系统在固定周期内通过发射线圈输出受控的连续正弦波激励信号，在特定的时间内分别对不同位置发射线圈返回的信号进行采样分析，分段计算信号的幅值和相位，用以区分出金属检测物的大小、形状。

综上所述，本发明一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测装置及方法，能够有效克服现场环境中的强电磁干扰，保证了在钢丝皮带输送机生产场合下进行金属异物的检测，在保证检测精度的同时增加检测高度，区分出检测物的形状和大小，实现了对工矿业原材料中金属异物的筛查，并根据不同的检测结果产生相应的报警输出，连锁后续金属清除装置动作，从而有效地保障现场设备的安全性和生产运行的连续性。

附图说明

图1是金属检测装置工作流程图；

图2是金属检测装置结构框图；

图3是金属检测装置安装位置示意图；

图4是金属检测装置的检测电路模块CPU电路原理图；

图5是金属检测装置的检测电路模块控制程序框图；

图6是金属检测装置的检测电路模块接收电路原理图；

图7是金属检测装置的检测电路模块发射电路原理图；

图8a是金属检测装置的检测电路模块显示电路原理图；

图8b是金属检测装置的检测电路模块键盘电路原理图；

图9a是金属检测装置的检测电路模块显示电路的程序框图；

图9b是金属检测装置的检测电路模块键盘电路的程序框图；

图10是金属检测装置的检测电路模块报警电路原理图；

图11a是金属检测装置的检测电路模块电源电路原理图；

图11b是金属检测装置的检测电路模块电源电路原理图；

图12是金属检测装置的检测方法检测线圈计算模型示意图；

图13是金属检测装置的检测方法磁场强度计算模型示意图；

图14是金属检测装置的检测方法差分计算模型示意图；

图中：1、第一发射线圈，2、第二发射线圈，3、第三发射线圈，4、第四发射线圈，5、金属检测物，6、第一接收线圈，7、第二接收线圈，8、检测电路模块，9、线圈支架，10、传送带。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。

本说明书中涉及到的方位均以附图所示方位为准，仅代表相对的位置关系，不代表绝对的位置关系。

实施例一：

如图1和图2共同所示，一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测装置，安装在矿石检测区，用来检测矿石原料中是否存在金属检测物，直接或间接的对金属清除装置进行操控。一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测装置包括相互之间电连接的检测电路模块、发射线圈模块、接收线圈模块。

如图2和图3共同，所示，检测电路模块8由外壳（图中未示出）和内部电路板组成。外壳由金属材料制成，外壳宽、高、深分别为45*70*30mm，安装在传送带10一侧，与发射线圈模块和接收线圈模块进行有线连接。内部电路板包括CPU电路及分别与CPU电路电连接的发射电路、接收电路、报警电路、键盘显示电路；发射电路与发射线圈模块电连接，接收电路与接收线圈模块电连接；检测电路还包括用于给CPU电路、发射电路、接收电路、报警电路和键盘显示电路供电的电源电路。

如图3所示，发射线圈模块设置在传送带10上部，包括第一发射线圈1、第二发射线圈2、第三发射线圈3、第四发射线圈4，四组发射线圈相互平行并且与传送带10平行，四组发射线圈相互独立，每两组为一层，共两层四组呈矩阵式结构上下平行分布，分别安装在线圈支架9上。线圈支架9设置四个，分别对称固定在传送带10两侧，并向上延伸顶端距离传送带10至少0.6米，向下延伸底端距离传送带10至少0.5米。本实施例优选为第一发射线圈1和第二发射线圈2为上层发射线圈，第三发射线圈3和第四发射线圈4为下层发射线圈。上层发射线圈安装在距离传送带10上方高度0.6米处，下层发射线圈安装在距离传送带10上方高度0.5米处，两层线圈间距为0.1米。每组发射线圈长为1.6米，宽为0.4米。

如图3所示，接收线圈模块设置在传送带10下方，包括第一接收线圈6、第二接收线圈7，两组接收线圈相互连接组成不独立的一个整体，两组接收线圈呈左右并列分布，安装在传送带10下方的线圈支架9上。接收线圈模块安装在距离传送带10下方高度0.5米处，因两组接收线圈为一个整体，所以长同单组发射线圈长度一致为1.6米，宽为单组发射线圈的两倍即0.8米，两组接收线圈的水平覆盖面积不小于发射线圈的水平覆盖面积。

如图4和图5共同所示，CPU电路包括一个STM32F103R8T6控制芯片、时钟电路、唤醒电路、复位电路、启动模式电路。检测电路模块控制程序（图5所示）存储在STM32F103R8T6控制芯片内；时钟电路由一个石英晶体振荡器Y1、一个电阻R22、两个电容C9、C10组成；唤醒电路由两个电阻R16、R17组成；复位电路由一个电阻R25和一个电容C8组成；启动模式电路由两个电阻R23、R24组成。CPU电路用于产生连续波激励信号给发射电路，接收和处理接收电路传输的信号，得出金属检测物的形状和大小。

如图7所示，发射电路用于将CPU电路产生的连续波激励信号输出给发射线圈模块以产生交变电磁场。发射电路为功率驱动放大器，即四组激励发射线圈的功率驱动电路，每组激励发射线圈功率驱动电路组成均相同，四组激励发射线圈的功率驱动电路分别电连接一组发射线圈。其中一组激励发射线圈的功率驱动电路由四个MOS管Q1、Q2、Q3、Q4，两个二极管D1、D2，四个电阻R1、R2、R3组成。

如图6所示，接收电路包括滤波电路和放大电路，放大电路设置有两级。滤波电路由四个电阻R1、R2、R3、R4，三个电容C1、C2、C3，两个电感L1、L2组成；一级放大电路由运算放大器INA128，三个电阻R5组成；二级放大电路由运算放大器OP176、四个电阻R6、R7、R8、R15，一个电容C4组成。通过接受线圈模块获取金属检测物的感应电动势EMF信号，并将获取的信号进行滤波放大后传输给CPU电路。

如图8a、图8b所示，键盘显示电路包括显示电路和按键电路。显示电路由一个STC12C5A48S2控制芯片、一个LCD1显示屏、一个石英晶体振荡器X1、三个电容C1、C2、C3，三个电阻R1、R6、R7，一个三极管T1、一个电位器RP1组成。按键电路由六个电阻R9、R10、R11、R12、R13、R14，六个电容C9、C10、C11、C12、C13、C14，六个按钮S1、S2、S3、S4、S5、S6组成。

如图9a、图9b所示，显示电路控制程序和按键电路中断程序均存储在STC12C5A48S2控制芯片内。

如图10所示，报警电路包括信号隔离电路和继电器开关电路。信号隔离电路由一个光电耦合器4N33和一个电阻R4组成；继电器开关电路由一个继电器和一个电阻R5组成。

如图11a、图11b所示，电源电路包括一个变压整流电路、一个+24V供电电路、一个+12V供电电路、一个-12V供电电路、一个-5V供电电路、一个+15V供电电路、一个+5V供电电路。变压整流电路由一个变压器T1、一个压敏电阻R2、三个保险丝F1、F2、F3，两个整流桥D1、D2组成。+24V供电电路由一个电源转换芯片7824、两个电容C2、C3组成。+12V供电电路由一个电源转换芯片7812、两个电容C4、C6组成。-12V供电电路由一个电源转换芯片7912、两个电容C5、C7组成。-5V供电电路由一个电源转换芯片7905、一个电感L3、一个电阻R7、两个电容C12、C13组成。+15V供电电路由一个电源转换芯片7815、一个电感L1、一个电阻R1、两个电容C8、C9组成。+5V供电电路由一个电源转换芯片7805、一个电感L2、一个电阻R3、两个电容C10、C11组成。

本发明实施方式还可以设计其它线圈排列检测方式，根据现代计算机智能优化算法，实现更加友好的金属异物检测、报警、定位等功能，为应用场合维护、检修提供方便。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

实施例二：

由实施例一所述一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测装置形成的检测方法，包括如下步骤：

S1、CPU电路产生连续波激励信号给发射电路，发射电路产生的连续波激励信号输出给发射线圈模块，发射线圈模块分组发射四路连续波激励信号，接收线圈模块接收金属检测物的感应电动势EMF信号并传输给接收电路。

S2、接收电路接受接收线圈模块获取的金属检测物的感应电动势EMF信号，将获取的信号进行差分运算、电路调理、两级放大、滤波后送到CPU电路中进行计算。

S3、CPU电路将接收到的EMF信号转换成数字波形数据，并进行计算出各组波形数据所对应的相位和幅值。

S4、根据采样算法保留有效的金属检测物所对应的数字波形数据，由此保留金属检测物的时间值和幅值；

S5、在一个完整的发射周期循环中，所述发射线圈模块在不同位置分组进行发射连续波激励信号，由此获得一个周期内的感应电动势EMF信号。在信号接收的有效周期内，将所述信号进行数字信号处理，根据信号的相位和幅值进行计算，通过最小二乘法进行回归分析，建立相应的拟合函数，由此得出所述金属检测物的大小和形状信息。

在步骤S1中，发射线圈模块每组线圈材质、尺寸均相同。信号发射方式采用连续波激励，发射信号采用正弦波形式，频率为100KHz，输出信号具体计算如式(1)(2)(3)(4)：

(1)(2)

(3)

(4)

式中：、、、分别为第一发射线圈1、第二发射线圈2、第三发射线圈3、第四发射线圈4的输出量，t为时间（s）。

如图12所示，当任一单组发射线圈通入交变电流，在其周围产生一个交变磁场H1。球形金属检测物感应到交变磁场H1时，内部产生感应涡电流，同时也在周围产生一个新磁场H2。新磁场H2与原磁场H1方向相反，抵消原磁场H1的部分场强，导致发射线圈电感量、阻抗值和品质因数发生变化。由图中等效电路模型可知，发射线圈两端的电压为，电阻值为R1，电感量为L1；球形金属检测物的电阻值为R2，电感量为H2，M(X)为两者之间的互感量；变化后的发射线圈等效参数 , ,Z,R,L计算过程如式(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)所示：

(5)

(6)

(7)

(8)

发射线圈的等效阻抗为：

(9)

发射线圈的等效电阻为：

(10)

发射线圈的等效电感为：

(11)

如图13所示，当球型金属检测物穿过检测区域时，其只受沿Z轴方向的磁场分量影响，当发射线圈输入电流I时，单组发射线圈的长为a、宽为b。发射线圈在空间中任意点沿轴方向的磁感应强度Bz计算过程如式(12)为:

(12)

如图14所示，在步骤S2中，以球形金属检测物为中心原点建立直角坐标系，发射线圈和接收线圈的轴心为坐标系的Z轴，其等效半径大小分别为R_t、R_s。发射线圈、接收线圈的截面与XOY平面平行。坐标系原点到发射线圈、接收线圈的距离分别为r_t和r_s，球体半径为a，电导率为σ，磁导率为μ。发射线圈通入大小为I、角频率为ω的交变电流时，由涡电流产生的新磁场与原磁场相互叠加。所述接收线圈模块中两组接收线圈产生的感应电动势分别记为EMF₁和EMF₂。当检测区域没有被测金属物时，由对称性可知EMF₁和EMF₂等大反向，接收信号输出为0；当检测区域有被测金属物时，通过矢量磁位计算出EMF₁和EMF₂的矢量叠加结果，得出差分输出的电压信号V。V的计算过程如式(13)(14)(15)(16)(17)所示：

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

注：式中A_r为接收线圈上的矢量磁位，为勒让德函数：I_n+1/2(x)为(n+1)/2阶修正贝塞尔函数，I_n-1/2(x)为(n-1)/2阶修正贝塞尔函数。

如图3所示，在所述步骤S5中，发射线圈模块作为发射装置循环工作，每组发射线圈每个周期内发射一次，发射结束后所述两组接收线圈进入接收模式。当超过预设的信号传输接收时间后，结束接收信号过程，进入后续信号处理及计算流程，由此完成一个完整发射周期。在一个完整周期内，第一发射线圈和第三同发射线圈同时发射信号，第二发射线圈和第四发射线圈同时发射信号，每个周期交替进行。同侧发射线圈同时发射从而增加磁感线强度，减少漏磁通，保证检测精度。两侧发射线圈交替发射产生的接收信号，用于判别金属检测物的等效形状和大小。通过最小二乘法将多个周期的接收信号进行回归分析，建立相应的拟合函数，由此得出所述金属检测物的大小和形状信息。拟合函数输出结果计算过程如式(18)(19)(20)所示：

（18）

（19）

（20）

式中，

、

为拟合函数系数，X为输入量，Y为输出量。

由上述实施例可知，本发明一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测装置及方法，采用连续正弦波激励、平衡式线圈接收方式进行金属异物检测，能够有效克服现场环境中的强电磁干扰。在保证金属异物检测精度的前提下，增加检测高度并区分出检测物的形状和大小，实现了对工矿业原材料中金属异物的筛查。同时根据不同的检测结果产生相应的报警输出，连锁动作后续金属清除装置，从而保障现场设备的安全性和生产运行的连续性。

本发明不局限于上述具体的实施方式，其中包括所述发射线圈模块和接收线圈模块的多层多组矩阵式结构。本领域的技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所做出的种种变换形式，均落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测装置，包括相互之间电连接的检测电路模块、发射线圈模块、接收线圈模块，所述检测电路模块位于传送带一侧，所述发射线圈模块位于所述传送带上部，所述接收线圈模块位于所述传送带下部，其特征在于，所述发射线圈模块包括若干组发射线圈，若干组所述发射线圈采用多层多列矩阵式结构排列，所述发射线圈固定在线圈支架上，所述线圈支架固定在所述传送带两侧。

2.根据权利要求1所述的一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测装置，其特征在于，所述发射线圈模块包括四组所述发射线圈，四组所述发射线圈采用两层四组矩阵式结构排列。

3.根据权利要求1所述的一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测装置，其特征在于，所述检测电路模块包括CPU电路及分别与所述CPU电路电连接的发射电路、接收电路、报警电路、键盘显示电路；所述发射电路与所述发射线圈模块电连接，所述接收电路与所述接收线圈模块电连接；所述检测电路还包括用于给所述CPU电路、所述发射电路、所述接收电路、所述报警电路和所述键盘显示电路供电的电源电路。

4.根据权利要求1所述的一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测装置，其特征在于，所述接收线圈模块包括两组接收线圈，两组所述接收线圈呈左右并列排列，两组所述接收线圈相互连接呈一整体，两组所述接收线圈的水平覆盖面积不小于所述发射线圈的水平覆盖面积。

5.根据权利要求1所述的一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测装置，其特征在于，所述发射电路包括功率驱动放大器。

6.根据权利要求1所述的一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测装置，其特征在于，所述接收电路包括滤波电路和放大电路。

7.根据权利要求6所述的一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测装置，其特征在于，所述放大电路设置有两级。

8.一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、CPU电路产生连续波激励信号给发射电路，发射电路产生的连续波激励信号输出给发射线圈模块，发射线圈模块分组发射四路连续波激励信号，接收线圈模块接收金属检测物的感应电动势EMF信号并传输给接收电路；

S2、接收电路接受接收线圈模块获取的金属检测物的感应电动势EMF信号，将获取的信号进行差分运算、电路调理、两级放大、滤波后送到CPU电路中进行计算；

S3、CPU电路将接收到的EMF信号转换成数字波形数据，并进行计算出各组波形数据所对应的相位和幅值；

S5、在一个完整的发射周期循环中，所述发射线圈模块在不同位置分组进行发射连续波激励信号，由此获得一个周期内的感应电动势EMF信号，在信号接收的有效周期内，将所述信号进行数字信号处理，根据信号的相位和幅值进行计算，通过最小二乘法进行回归分析，建立相应的拟合函数，由此得出所述金属检测物的大小和形状信息。

9.根据权利要求8所述的一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测方法，其特征在于，在所述步骤S1中，信号的发射方式采用连续波激励方式，发射信号采用正弦波形式。

10.根据权利要求8所述的一种基于矩阵线圈的平衡式金属检测方法，其特征在于，在所述步骤S5中，所述发射线圈模块循环作为发射装置工作，每个发射周期中每组所述发射线圈进行一次发射，发射结束后两组所述接收线圈进入接收模式。