CN1603802A - 智能金属探测器 - Google Patents

Abstract

一种无损电磁检测技术领域的智能金属探测器，数字信号处理器通过直接数字合成芯片产生正弦波，经过发射电路放大电路后送到发射线圈，接收线圈将信号传到接收电路，分为两路分别送到两个乘法器，数字信号处理器通过两个直接数字合成芯片产生两路信号分别送到两个乘法器，两个乘法器经过两个低通滤波器得到两路分离的信号，这两路信号送入A/D转换器，经过A/D转换得到的数据传入数字信号处理器，数字信号处理器对采集的数据进行分析判断，人机对话系统由单片机构成，与数字信号处理器串行通讯。本发明采用DSP和直接数字合成技术替代模拟电路，同时采用独立的单片机完成人机对话功能，提高了稳定性，从根本上改变了模拟电路的缺陷。

Description

智能金属探测器

技术领域

本发明涉及一种无损电磁检测技术领域的探测器，具体说，涉及一种智能金属探测器。

背景技术

金属探测器根据基本原理和检测线路的不同，大致可分为差拍式、自激感应式、耗能式(功率吸收式)和平衡式。采用平衡式可以得到比较高的灵敏度，能够检测出1mm以下的金属颗粒。目前市场上的金属探测器基本上采用模拟电路实现。采用模拟电路的优点是线路简单，实现容易。缺点是模拟系统抗干扰性、稳定性差。参数调整困难。而采用数字技术则可以克服模拟线路存在的问题。用于金属探测器的数字技术方案有两种：一种是基本采用模拟电路结构，只是在输出部分通过A/D转换器将输出值送到微处理器中进行判断，同时增加了人机对话功能。另一种采用直接数字合成方法产生调制正弦波，能够对正弦波的相位进行控制。这种方法不仅提高了相位的分辨率和系统的稳定性，而且为参数自调整提供了方便。目前市场上的金属探测器大都由模拟电路构成，模拟电路的缺点就是调节困难，稳定性差。虽然有一部分金属探测器采用微处理器，但只用于输出部分和人机对话，没有从根本上改变模拟电路的缺陷。

经对现有技术文献的检索发现，美国专利专利号5,786,696，发明名称：METAL DETECTOR FOR IDENTIFYING TARGET ELECTRICAL CHARACTERISTICS，DEPTHAND SIZE，(“能够探测金属物体类别及深度和大小的金属探测器”)。该金属探测器采用DSP处理采集的信号，单片机处理外围接口和液晶显示，采用快速傅立叶方法处理得到物体的类别。该专利使用的正弦波不是通过DSP和数字合成芯片产生的，因此不能对相位进行移动和控制，不能用于参数的调整和自学习。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出了一种智能金属探测器，使其采用DSP和直接数字合成技术替代模拟电路，同时采用独立的单片机完成人机对话功能，提高了稳定性，从根本上改变了模拟电路的缺陷。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：数字信号处理器(DSP)、人机对话系统、三个直接数字合成芯片、两个乘法器、两个低通滤波器、电可擦除存储器(E²PROM)、发射线圈、发射电路、接收线圈、接收电路。

数字信号处理器通过直接数字合成芯片产生一个50～400kHz的标准正弦波，经过发射电路放大电路后送到发射线圈，建立一个交变的电磁场。接收线圈对称分布在发射线圈的两侧。接收线圈将信号传到接收电路，分为两路分别送到两个乘法器。数字信号处理器通过第一直接数字合成芯片和第二直接数字合成芯片产生两路相位相差90°的正交信号分别送到两个乘法器。两个乘法器经过两个低通滤波器得到两路分离的对铁灵敏和对不锈钢灵敏的信号，这两路信号送入A/D转换器，经过A/D转换得到的数据传入数字信号处理器，数字信号处理器对采集的数据进行分析判断是否存在金属颗粒。人机对话系统由单片机构成，与数字信号处理器串行通讯。

本发明由单片机构成的人机对话系统与点阵式液晶显示器、电可擦除存储器(E²PROM)、光电开关和键盘配合，用于人机对话和参数修改。单片机和DSP之间采用max485串口连接，DSP为下位机，负责执行单片机传送下来的命令。单片机为上位机，负责实现人机对话，具体通过键盘、光电开关和点阵式液晶显示器、电可擦除存储器(E²PROM)来实现。点阵式液晶显示器为点阵式用于显示中文菜单。光电开关17用于显示输出信号的大小和报警。键盘用于参数输入。电可擦除存储器(E²PROM)用于存储参数。用于报警用的LED和蜂鸣器连接到单片机，受单片机控制。自学习功能的实现：为提高金属探测器的智能化程度，本发明加入了参数自调整功能。当启动自学习功能后，金属探测器能够根据采集的信号自动调整相位，抑制产品效应。

根据电磁场理论，发射线圈产生的交变在两个差动连接的接收线圈中分别产生一个同频率、反相、等幅的感应电动势，两者相消即形成接收平衡。在交变磁场中的金属由于涡流效应(与电导率有关)或磁效应(与磁导率有关)将产生一个一个附加磁场，破坏一次场的磁力线分布，该附加磁场又称为二次场。非铁磁性金属电导率较大，它包括顺磁体(如锰、钛)和抗磁体(如金、银)，可以认为是导电不导磁的物质，主要产生涡流效应，磁效应可以忽略不计；铁磁性金属(如铁、镍、钴)导磁率很大，电导率也较大，可以认为即导电又导磁物质，主要产生磁效应，同时又有涡流效应。金属目标所产生的二次场会使接收线圈中电流的大小和相位发生变化，因此可以通过对接收先线圈的信号处理来判断是否存在金属。

本发明采用相位检测的方法，具体实现是通过两个乘法器。其基本原理是：假设接收线圈的输出为Uo＝Asin(ωt-φ)，调制的两个输入为同频率的正交正弦波，分别为Us＝Bsinωt和Uc＝Bsin(ωt+90°)。

通过乘法器后输出分别为：

Ur＝Uo*Us＝Asin(ωt-φ)*Bsinωt＝-AB/2[cos(2ωt-φ)-cosφ]

Ux＝Uo*Uc＝Asin(ωt-φ)*Bsin(ωt+90)＝-AB/2[sin(2ωt-φ)-sinφ]

经过低通滤波器之后，高频成分被滤掉，输出为：

                    U_R＝AB/2cosφ

                    U_X＝AB/2sinφ

由于B为可控制常量，所以U_R和U_X的大小决定于相位φ和幅值A。研究表明幅值与物体的大小相关，而物体的种类与相位相关。当物体随着传送带运动时将形成通过U_R、U_X对传送带速度的曲线。通过对这个曲线的幅值和方向的检测可以判断物体的种类。在本发明中，相位φ的大小可由数字设定，对于不同的待检测物体只要改变φ的大小就能够将待金属物体的信号突出，从而探测出金属物体。这就是本发明基本工作原理。

本发明的特别之处是采用单片机、数字信号处理器(DSP)和直接数字合成技术(DDS)产生一个频率、相位均可以通过数字调节的正弦波。

本发明具有自学习功能，使该金属探测器具有智能化。学习的方法是将U_R和U_X的波形采集到DSP内，然后通过对两路波形的分析得出相位移动的方向和大小。研究表明铁磁材料的两路波形处于同一方向则表示是铁质(fe)的特性，波形为反向时呈现的是不绣钢(sus)特性。只要能够将初始相位设定在fe和sus之间，则可以根据采集信号的大小和方向来调整初始相位φ的大小，使得产品通过时两路信号处于阀值以下，满足产品效应抑制的要求，从而使金属物体和弱导电物体分离。当自学习完成后，设定的参数就能够满足产品和金属物体分离的目的，当产品通过时，输出信号处于阀值以下，当混有金属的产品通过时，输出信号处于阀值以上，这样机器就可以把金屋物体检测出来。

本发明采用单片机、数字信号处理器(DSP)和直接数字合成技术(DDS)产生一个频率、相位均可以通过数字调节的正弦波，这种结构不仅使得参数设置方便，而且能够得到频率和相位线性改变的正弦波，而采用模拟方法得到的正弦波在频率和相位改变上很困难，而且频率和相位的改变呈现非线性变化。本发明中DSP不仅作为信号处理，而且还用于产生调制的正弦波以及I/O口的控制；根据信号的方向和大小采用跟踪的方法来得到物体的类别，并据此自动调整相位，抑制产品效应。本发明具有自学习功能，使该金属探测器具有智能化。另外本发明采用DSP、单片机上下位机结构，单片机负责人机对话，DSP负责产生信号和A/D转换及信号处理。极大增强了系统的功能和可扩展性。本发明不仅使金属探测器的稳定性和可靠性得到改善，而且极大提高了金属探测器的智能化水平，极大提高了金属探测器的性能价格比，从而使该金属探测器具有更强的市场竞争力。本发明广泛应用于食品、医药、纺织、服装、玩具等，能够将混入其中的金属颗粒检测并排除，确保食品和人身安全。

附图说明

图1本发明结构框图

图2DDS基本原理框图

图3单片机、数字信号处理器、直接数字合成芯片连接框图

图4本发明工作流程图

图5为本发明自学习主流程图

图6为本发明自学习数据采集与处理示意图

具体实施方式

如图1-3所示，本发明包括：数字信号处理器1，人机对话系统2，直接数字合成芯片3、4、5，乘法器6、7，低通滤波器8和9，发射线圈11，发射电路12，接收线圈13，接收电路14。数字信号处理器1通过直接数字合成芯片3产生一个50～400kHz的标准正弦波，经过发射电路12放大电路后送到发射线圈11，建立一个交变的电磁场。接收线圈13对称分布在发射线圈的两侧。接收线圈13将信号传到接收电路14，分为两路分别送到乘法器6和乘法器7。数字信号处理器1通过直接数字合成芯片4和直接数字合成芯片5产生两路相位相差90°的正交信号分别送到乘法器7和乘法器6。乘法器6和乘法器7经过低通滤波器8和9得到两路分离的对铁灵敏和对不锈钢灵敏的信号，这两路信号送入A/D转换器，经过A/D转换得到的数据传入数字信号处理器，数字信号处理器对采集的数据进行分析判断是否存在金属颗粒。人机对话系统2由单片机构成，与数字信号处理器1串行通讯。

本发明由单片机构成的人机对话系统2连接有点阵式液晶显示器16、电可擦除存储器(E²PROM)10、用于报警用的LED和蜂鸣器15、光电开关17和键盘18配合，用于人机对话和参数修改。单片机2和DSP1之间采用max485串口连接，DSP1为下位机，负责执行单片机传送下来的命令。单片机为上位机，负责实现人机对话，具体通过键盘18、光电开关17和点阵式液晶16、电可擦除存储器(E²PROM)10来实现。液晶16为点阵式用于显示中文菜单。光电开关17用于显示输出信号的大小。用于报警用的LED和蜂鸣器15受单片机控制，当输出信号大于设定信号时LED和蜂鸣器15动作，发出蜂鸣声。键盘用于参数输入。电可擦除存储器(E²PROM)10用于存储参数DSP1根据设定的频率和相位输出所需要的正弦波以及A/D转换和信号处理。自学习功能的实现：为提高金属探测器的智能化程度，本发明加入了参数自调整功能。当启动自学习功能后，金属探测器能够根据采集的信号自动调整相位，抑制产品效应。

如图4所示，金属探测器开关打开，机器上电后，系统将进行初始化的工作，然后经过一个比较长的时间的调整，进入选择阶段，在金属探测器内预先设定了一组参数，可以直接运行。也可以进入参数修改，重新设定灵敏度、相位，然后将这个参数存储到E²PROM中，以便于下次调用。

如图5所示，首先设定学习次数为M，M次后还是不能满足要求就放弃。启动自学习程序后，计数器、传送带、AD转换器打开，产品流入，数字系统开始采集数据，根据采集的计算出曲线的大小和方向。然后根据曲线的大小和方向来判断下一次相位改变的方向和大小。如此反复进行，一直到信号减小到阀值以下。如果学习成功，则将学习得到的参数存储到E²PROM中。

如图6所示，根据每一次采样取得的波形数据判断同向反向，确定增减方向。再根据幅值判断是否更改参数设置，每次增减的相位角为前一次的1/2，新的参数设置更改有效后，再判断幅值是否＜1.0V以下，如果是则表示设定成功，并且保存现有的参数设置。起始条件设定为：＝常数A，SENSA＝SENSB＝32.4(比值)，阈值＝2V。

Claims (5)

1、一种智能金属探测器，包括：人机对话系统(2)、乘法器(6、7)、低通滤波器(8、9)、发射线圈(11)、发射电路(12)、接收线圈(13)、接收电路(14)，其特征在于，还包括：数字信号处理器(1)、直接数字合成芯片(3、4、5)，数字信号处理器(1)通过直接数字合成芯片(3)产生正弦波，经过发射电路(12)放大电路后送到发射线圈(11)，接收线圈(13)将信号传到接收电路(14)，分为两路分别送到乘法器(6)和乘法器(7)，数字信号处理器(1)通过直接数字合成芯片(4、5)产生两路信号分别送到乘法器(7、6)，乘法器(6、7)经过低通滤波器(8、9)得到两路分离的信号，这两路信号送入A/D转换器，经过A/D转换得到的数据传入数字信号处理器(1)，数字信号处理器(1)对采集的数据进行分析判断，人机对话系统(2)由单片机构成，与数字信号处理器(1)串行通讯。

2、根据权利要求1所述的智能金属探测器，其特征是，由单片机构成的人机对话系统(2)还连接有电可擦除存储器(10)、用于报警用的LED和蜂鸣器(15)、点阵式液晶显示器(16)、光电开关(17)和键盘(18)，单片机(2)和DSP(1)之间采用max485串口连接，DSP(1)为下位机，负责执行单片机(2)传送下来的命令，单片机(2)为上位机，负责实现人机对话，具体通过键盘(18)、光电开关(17)和点阵式液晶(16)、电可擦除存储器(10)来实现，用于报警用的LED和蜂鸣器(15)受单片机控制，液晶显示器(16)为点阵式，光电开关(17)用于显示输出信号的大小，电可擦除存储器(10)用于存储参数DSP(1)根据设定的频率和相位输出所需要的正弦波以及A/D转换和信号处理。

3、根据权利要求1所述的智能金属探测器，其特征是，接收线圈(13)对称分布在发射线圈(11)的两侧。

4、根据权利要求1所述的智能金属探测器，其特征是，所述的数字信号处理器(1)通过直接数字合成芯片(3)产生正弦波，所产生的正弦波为：50～400kHz的标准正弦波，经过发射电路(12)放大电路后送到发射线圈(11)，建立一个交变的电磁场。

5、根据权利要求1所述的智能金属探测器，其特征是，数字信号处理器(1)通过直接数字合成芯片(4、5)产生两路相位相差90°的正交信号分别送到乘法器(7、6)。

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