CN2888444Y - 金属异物检测机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种金属异物检测机，它在现有控制电路增加了用于相位调节的移相电路(7)以及串接在接收开关调节电路(12)输出端与差动接收谐振电路(10)输入端之间的用于调节灵敏度的不平衡度采集电路(14)、调制电路(15)和平衡调节电路(16)。特点是可以调节电路的灵敏度，使得在空载状态下，得到最佳检测灵敏度，和在检测时可以分别独立控制铁磁性金属和非铁磁性金属的检测灵敏度。同现有技术相比，本实用新型具有结构简单、操作方便、灵敏度高等特点，而且可以调节控制铁磁性金属和非铁磁性金属的检测灵敏度，使用范围更广。可应用于食品、药品、轻纺、玩具、化工、塑料、服装、采矿等领域。

Description

金属异物检测机

技术领域

本实用新型涉及一种检测装置，特别是用于检测金属杂质的金属异物检测机。

背景技术

金属异物检测机主要应用于食品、药品、轻纺、玩具、化工、塑料、服装、采矿等工业领域。能够将上述行业生产流水线中产品或者原料中混有的金属杂质检测并自动排除，确保被检测产品没有金属杂质，以保障生产及人身安全。根据被检测测产品的形状及包装不同，所涉及的金属异物检测机包括：龙门式传送带输送式、粉末式自由落体输送式以及流体管道输送式3种形式。

其基本工作原理都相似：当含有金属杂质的检测物通过传送装置穿过检测孔时，检测传感器发现金属杂质，由检测处理电路判断检测物含有金属杂质，向执行机构控制电路发出排除指令，排除装置驱动电路驱动排除装置执行排除动作，含有金属杂质的被测物被排除。没有金属杂质的被测物顺利通过。

其控制电路是通过波形发生电路，产生20～350kHZ标准方波，经过波形整形后得到同频率正弦波。经过功率放大后传输到谐振输出电路，通过发射线圈在传感器的检测区域建立同频率的交变磁场。传感器接收线圈平衡对称放置，差动输出后得到平衡输出信号。通过电子补偿的方式，平衡调节电路将平衡输出信号调整到最佳状态。当金属杂质或被测物进入检测区域，将破坏原来的平衡状态，在金属杂质或被测物穿过检测区域的时候，平衡输出信号在幅度和相位上发生变化，相当于对平衡输出信号作了幅度和相位的调制。不同材料的物质对平衡输出信号的相位调制是不同的。通过相敏同步检波电路可以将不同材料对应的信号分开。当发现有金属物质信号时，监测器报警，并执行相应排除动作。根据杂质的材质不同，可以分为铁磁性金属和非铁磁性金属两种。铁磁性金属(如铁、镍、钴等)进入交变磁场，将导致检测区域磁力线分布发生变化，导致两个接收线圈区域内的磁通量变化，接收线圈两端的感应电压发生变化，同时由于铁磁性金属的导电性，在交变磁场中，金属杂质内将产生涡流，涡流的产生也将改变磁场的分布，导致接收线圈两端的感应电压发生变化。非铁磁性金属磁导很小，由于涡流效应同样将导致磁场分布发生变化，进而改变接收线圈两端的感应电压。

金属异物检测机的功能是从非金属介质中检测金属杂质，但由于许多被检测物含有丰富的矿物质以及水分和盐分，同样具有导电性或导磁性。检测产品穿过磁场时也同样会改变磁场分布，进而改变接收线圈两端的感应电压。因此，接收线圈两端的信号包含有平衡状态初始信号和磁场改变信号(由金属成分引起或产品本身引起)。存在着检测灵敏度不够的缺点，对于一些颗粒较小的金属杂质无法检测出来，而且无法针对不同材质的杂质进行有效的检测。因此使用效果不够理想。

发明内容

本实用新型的目的在于，提供一种金属异物检测机。该检测机可以得到最佳灵敏度，同时可以控制对不同材质杂质的检测灵敏度。

本实用新型是这样构成的。金属异物检测机，它包括探测头、传送机架和控制电路，探测头安装在传送机架上；所述的控制电路包括波形发生器(1)，对波形发生器(1)的信号整形和放大的波形整形电路(2)和功率放大电路(3)，接收功率放大电路(3)输出的谐振发射电路(4)，分别接收谐振发射电路(4)信号的传感器发射线圈(5)和载波处理电路(6)，传感器发射线圈(5)安装在探测头上；还包括载波处理电路(6)信号整形的波形整形电路(8)和接收波形整形电路(8)输出的开关解调电路(12)，以及接收传感器发射线圈(5)信号的2个传感器接收线圈(9)，对2个传感器接收线圈(9)信号进行比较的差动接收谐振电路(10)，差动接收谐振电路(10)的信号通过信号放大电路(11)放大后输入开关解调电路(12)；还包括对开关解调电路(12)信号进行滤波的积分滤波电路(13)，对积分滤波电路(13)输出进行放大的微分及灵敏度调节电路(17)和低频放大电路(18)，对低频放大电路(18)输出整形的波形整形电路(19)，接收波形整形电路(19)输出的门限比较电路(20)，连接门限比较电路输出的逻辑控制电路(22)；还包括接收逻辑控制电路(22)一个输出端的排除装置控制电路(29)和排除装置控制电路(29)控制的排除装置(30)；其特征在于：所述控制电路还包括，连接在载波处理电路(6)和波形整形电路(8)之间的用于相位调节的移相电路(7)，串接在接收开关调节电路(12)输出端与差动接收谐振电路(10)输入端之间的用于调节灵敏度的不平衡度采集电路(14)、调制电路(15)和平衡调节电路(16)；调制电路(15)的一个输入端连接谐振发射电路(4)的输出端。

上述的金属异物检测机，逻辑控制电路(22)的一个输入端连接有键盘(21)。

上述的金属异物检测机，逻辑控制电路(22)的一个输出端连接有报警驱动电路(25)和报警器(26)。

上述的金属异物检测机，波形整形电路(19)的一个输出端连接有信号指示驱动电路(23)和信号指示灯(24)。

上述的金属异物检测机，移相电路(7)的构成包括一个由运算放大器(U601)和用于移相的电阻(P601)组成的二阶滤波电路以及一个由运算放大器(U602)和用于移相的电阻(P602)组成的二阶滤波电路。

上述的金属异物检测机，不平衡度采集电路(14)的构成包括一个由运算放大器(U901A)组成的积分电路以及一个由运算放大器(U901B)组成的积分电路。

上述的金属异物检测机，调制电路(15)的构成包括一个由模拟乘法器(U801)和运算放大器(U802)组成的乘法电路以及一个由模拟乘法器(U803)和运算放大器(U804)组成的乘法电路。

上述的金属异物检测机，平衡调节电路(16)的构成包括由三极管(Q1101)和(Q1102)组成的将反馈分量混合的加法器。

本实用新型与现有的金属异物检测机相比，特点在于平衡调节功能和产品效应抑制功能，其中平衡调节电路可以调节电路的灵敏度，使得在空载状态下，得到最佳检测灵敏度。产品效应抑制功能由移相电路实现，研究发现，铁磁性金属和非铁磁性金属的信号的相位角为п/2。所以在实际使用时，当产品效应信号不是主要因素时，将初始相角调节在两路信号分别对铁和不锈钢最敏感的位置，检测时可以分别单独控制铁磁性金属和非铁磁性金属的检测灵敏度。通过移相电路改变相敏同步开关解调电路两路信号的相位角，将两路信号中对产品效应信号最敏感的一路灵敏度调节至最低，这时单独考察另一路信号就可以实现金属异物检测目的。因此本实用新型具有结构简单、操作方便、灵敏度高等特点，而且可以调节控制铁磁性金属和非铁磁性金属的检测灵敏度，使用范围更广。可应用于食品、药品、轻纺、玩具、化工、塑料、服装、采矿等领域。

附图说明

附图1为本实用新型的控制原理图；

附图2为波形发生电路的电路原理图；

附图3为波形整形电路的电路原理图；

附图4为谐振发射电路和功率放大电路的电路原理图；

附图5为载波处理电路的电路原理图；

附图6为移相电路的电路原理图；

附图7为开关解调电路的电路原理图；

附图8为调制电路的电路原理图；

附图9为不平衡度采集电路的电路原理图；

附图10为微分与灵敏度调节电路的电路原理图；

附图11为平衡调节电路和差动接收谐振电路连接电路原理图。

具体实施方式

本实用新型的实施例。金属异物检测机，它包括探测头、传送机架和控制电路，探测头安装在传送机架上；如附图1所示，所述的控制电路包括波形发生器1，产生标准方波，然后连接波形整形电路2和功率放大电路3，通过对波形发生器1的信号整形和放大后得到正弦波，功率放大电路3的输出连接有谐振发射电路4，谐振发射电路4的信号分别发送至传感器发射线圈5和载波处理电路6，传感器发射线圈5安装在探测头上，形成一个正弦交变磁场；电路中还包括对载波处理电路6信号整形的波形整形电路8和接收波形整形电路8输出的开关解调电路12，以及接收传感器发射线圈5信号的二个传感器接收线圈9，传感器接收线圈9由二个单独线圈对称分布于传感器发射线圈5的两侧；传感器接收线圈9连接差动接收谐振电路10，差动接收谐振电路10对二个传感器接收线圈9信号进行比较，差动接收谐振电路10的信号通过信号放大电路11放大后输入开关解调电路12；开关解调电路12连接对其信号进行滤波的积分滤波电路13，以及对积分滤波电路13输出进行放大的微分及灵敏度调节电路17和低频放大电路18，对低频放大电路18输出进行整形的波形整形电路19，接收波形整形电路19输出的门限比较电路20，连接门限比较电路20输出的逻辑控制电路22；逻辑控制电路22一个输出端连接有排除装置控制电路29和排除装置控制电路29控制的排除装置30。特点是：电路中还包括，连接在载波处理电路6和波形整形电路8之间的用于相位调节的移相电路7，移相电路7用于调节开关解调电路12两路信号的相位角，通过相位角的调节，在分别检测铁磁性金属和非铁磁性金属时，调节各自的检测灵敏度；还包括串接在开关调节电路12输出端与差动接收谐振电路10输入端之间的不平衡度采集电路14、调制电路15和平衡调节电路16；调制电路15的一个输入端连接谐振发射电路4的输出端，作用是使得设备在空载状态下，得到最佳检测灵敏度。在逻辑控制电路22的一个输入端连接有键盘21，另一个输出端连接有报警驱动电路25和报警器26。在波形整形电路19的一个输出端连接有信号指示驱动电路23和信号指示灯24。

金属异物检测机的波形发生器1、波形整形电路2、功率放大电路3、谐振发射电路4、传感器发射线圈5和载波处理电路6采用现有技术的结构，具体电路如图2至图5所示。移相电路7、波形整形电路8、差动接收谐振电路10、信号放大电路11、不平衡度采集电路14和调制电路15均为双信号通道电路，如图6所示，移相电路7的构成包括一个由运算放大器U601和用于移相的电阻P601组成的二阶滤波电路；以及一个运算放大器U602和用于移相的电阻P602组成的二阶滤波电路。波形整形电路8是由通用过零比较器组成的整形电路，其功能是将移相电路输出的正弦波转换为同频方波，以驱动同步开关检波电路。

传感器接收线圈9由二个单独线圈对称对称分布于传感器发射线圈5两侧，差动接收谐振电路10接收传感器接收线圈9的信号，差动接收谐振电路10的构造包括LC谐振电路TR1和由运算放大器U1101组成的减法电路，结构如图11所示。开关解调电路12采用现有技术，具体电路如图7所示。

如图8所示，调制电路15的构成包括一个模拟乘法器U801连接运算放大器U802组成的乘法电路，以及一个模拟乘法器U803连接运算放大器U804组成的乘法电路。作用是用于将载波信号和一个直流电压相乘，其输出信号为幅度正比于该直流电压的波形与载波信号完全相同的信号。

如图9所示，不平衡度采集电路14的构成包括一个由运算放大器U901A组成的积分电路；以及一个由运算放大器U901B组成的积分电路。

如图11所示，平衡调节电路16的构成包括由三极管Q1101和Q1102组成的加法器，作用是由加法器来将相互正交反馈分量混合，实现对接收传感器输出正弦信号的幅值和相位反馈。平衡调节电路16的输出信号连接到差动接收谐振电路10减法电路的负输入端。

微分及灵敏度调节电路17实现灵敏度调节功能。目的就是改变低频放大电路的分压比。具体电路结构如图10所示。

低频放大电路18实现信号的放大，电路的实现由简单反相放大电路完成。

波形整形电路19由通用全波整流电路即可实现。

门限比较电路20由通用比较器实现，将输入信号与门限值作比较，输出高、低电平信号。

键盘21是由通用D触发器实现。键盘按下一次，给D触发器时钟端一个时钟信号，实现控制指令的锁存。

逻辑控制电路22由通用逻辑电路实现，通过74系列和4000系列通用逻辑电路和触发器组成，其作用是当检测到金属杂质，控制相应的排除机构动作。

信号指示灯24、报警器26、传送装置28、排除装置30均采用现有技术，它们的控制由继电器和电磁开关完成。

金属异物检测机工作原理如下：

波形发生电路1产生20～350kHZ标准方波，经波形整形电路2后，输出20～350kHZ峰-峰值16V标准正弦波，经过功率放大电路3和谐振发射电路4在传感器发射线圈5上形成峰-峰值16V标准正弦波S＝Acosωt，在检测孔内产生正弦交变磁场。

传感器接收线圈9由二个单独线圈对称对称分布于传感器发射线圈5两侧。

一个接收线圈两端的信号S1＝a1*cos(ωt+1)+f(t)；            (1.1)

另一个接收线圈两端的信号S2＝a2*cos(ωt+2)+g(t)；          (1.2)

其中：a1，a2分别表示S1，S2对应于频率为ω/2п的信号的幅度；

1，2分别表示S1，S2对应于发射线圈信号S的相角；

f(t)，g(t)分别表示接收线圈两端对应于其它频率信号。

经过差动接收谐振电路10后，Sm＝S1-S2+Sb；                    (1.3)

其中：Sb表示平衡调节信号。

谐振滤波后，谐振频率点在ω/2п，

Sm＝a1*cos(ωt+1)-a2*cos(ωt+2)+Sb

＝(a1cos1-a2cos2)cosωt-(a1sin1-a2sin2)sinωt+Sb    (1.4)

令x1＝(a1cos1-a2cos2)；                                 (1.5)

  x2＝(a1sin1-a2sin2)；                                 (1.6)

(1.4)式可以表示为：Sm＝x1cosωt-x2sinωt+Sb

                     ＝a3cos(ωt+3)+Sb                    (1.7)

其中：3＝arcos(x1/squr(x1*x1+x2*x2)；

      a3＝squr(x1*x1+x2*x2)；

理论上，当两个接收线圈相对应于发射线圈完全对称，两个接收线圈完全一致时，a3＝0。但因为理论上的完全对称与完全一致在实际生产中都是不实际的，因此，a3≠0。经过信号放大电路11后，输出信号

Sm＝K[a3cos(ωt+3)+Sb]；                                  (1.8)

其中：K11表示信号放大电路11的放大倍数。

金属异物检测机空载状态下，磁场处于稳定状态，信号放大电路11的输出信号可以表示为：

Sm＝K[a3cos(ωt+3)+Sb]

  ＝K[a3*(cosωt*cos3-sinωt*sin3)+Sb]                  (1.9)

理论上最佳状态为Sm＝0，这样可以得到最佳检测灵敏度。平衡调节电路的功能就是使得空载状态下Sm的幅度最小。

令Sm0＝Ka3cos(ωt+3)

Λ1＝Sm0*cosωt

   ＝K*a3*(cosωt*cos3-sinωt*sin3)*cosωt

   ＝K*a3*(cosωt*cosωt*cos3-sinωt*cosωt*sin3)

   ＝K*a3[cos3(cos2ωt-1)/2-(sin2ωt*sin3)/2]

   ＝K*a3[cos3*cos2ωt/2-(sin2ωt*sin3)/2+(cos3)/2]

经过低通滤波后，留下：

Λ1＝K*a3*(cos3)/2                                        (1.10)

Λ2＝Sm0*sinωt

   ＝K*a3*(cosωt*cos3-sinωt*sin3)*sinωt

＝K*a3*(cosωt*sinωt*cos3-sinωt*sinωt*sin3)

＝K*a3[(sin2ωt*sin3)/2-sin3(1-cos2ωt)/2]

＝K*a3[cos3*cos2ωt/2-(sin2ωt*sin3)/2-(sin3)/2]

经过低通滤波后，留下：

Λ2＝-K*a3*(sin3)/2                                     (1.11)

若令Sb＝[-2*(Λ1*cosωt+Λ2*sinωt)]/K                    (1.12)

代入(1.9)式，可以得到：

Sm＝0                                                     (1.13)

Λ1和Λ2可以通过对原始平衡输出信号进行解调，滤除载波二倍频成分，取出直流成分即可。在电路上由Sb的实现是由不平衡度采集电路14来实现的，具体电路结构如图10所示；Sb的合成由调制电路15来实现，具体电路结构如图9所示。合成的信号由平衡调节电路16输入至差动接收谐振电路10。

产品效应抑制功能的实现：

金属杂质或被测物进入检测孔时，磁场原始平衡状态被打破，信号放大电路11的输出信号为：

ΔSm＝ΔA(t)cos[ωt+Δ(t)]                                (1.14)

其中：ΔA表示接收信号幅度的变化量；

      Δ表示接收信号相角的变化。

Δ的大小取决于通过检测区域的物体的导电性和导磁性。研究发现：导电性大，Δ＜0；导磁性大Δ＞0。Δ∝磁导率/电导率。ΔA取决于通过物体的大小。被测物或金属杂质体积越大，ΔA越大，体积越小，ΔA越小。

经过开关解调电路12(具体电路结构如图8所示)后输出信号为：

Sdm1＝ΔSm*cosωt                                           (1.15)

    ＝ΔA(cosωt*cosΔ-sinωt*sinΔ)*cosωt

    ＝ΔA*(cosωt*cosωt*cosΔ-sinωt*cosωt*sinΔ)

    ＝ΔA[cosΔ(cos2ωt-1)/2-(sin2ωt*sinΔ)/2]

    ＝ΔA[cosΔ*cos2ωt/2-(sin2ωt*sinΔ)/2+(cosΔ)/2]

Sdm2＝ΔSm*sinωt                                           (1.16)

    ＝ΔA(cosωt*cosΔ-sinωt*sinΔ)*sinωt

    ＝ΔA(cosωt*sinωt*cosΔ-sinωt*sinωt*sinΔ)

    ＝ΔA[(sin2ωt*sin3)/2-sin3(1-cos2ωt)/2]

    ＝ΔA[cosΔ*cos2ωt/2-(sin2ωt*sinΔ3)/2-(sinΔ)/2]

经过积分滤波电路13(积分滤波电路13为常规二阶低通滤波电路)后，输出信号为：

Sfil1＝ΔA(cosΔ)/2          (1.17)

Sfil2＝-ΔA(sinΔ)/2         (1.18)

将(1.17)和(1.18)对Δ求导，得

dSfil1＝-ΔA(sinΔ)/2        (1.19)

dSfil2＝-ΔA(cosΔ)/2        (1.20)

实际检测时需要金属信号最大，被测物本身信号最小。因此，只要使得Δ＝0，或者Δ＝п/2时，dSfil1＝0，或者dSfil2＝0。

产品效应抑制功能的实现就是将开关同步检波的两路信号的相位差调节在0或п/2，这时同步检波后的信号经过低通滤波后，两路输出信号一路对产品效应信号(由于被测产品本身的导电性或导磁性引起的信号)最抑制效果最好，同时另一路对产品效应信号最敏感。我们在实际使用时将两路信号中对产品效应信号最敏感的一路灵敏度调节至最低，这时单独考察另一路信号就可以实现金属异物检测目的。

研究发现，铁磁性金属和非铁磁性金属的信号的相位角为п/2。所以在实际使用时，当产品效应信号不是主要因素时，可以将初始相角调节在两路信号分别对铁和不锈钢最敏感的位置，检测时可以分别独立控制铁磁性金属和非铁磁性金属的检测灵敏度。

产品效应抑制功能的实现就是改变相敏同步开关解调电路两路信号的相位角，这个功能由移相电路7完成，具体电路结构如图7所示。

Claims (8)

1、一种金属异物检测机，它包括探测头、传送机架和控制电路，探测头安装在传送机架上；所述的控制电路包括波形发生器(1)，对波形发生器(1)的信号整形及放大的波形整形电路(2)和功率放大电路(3)，接收功率放大电路(3)输出的谐振发射电路(4)，分别接收谐振发射电路(4)信号的传感器发射线圈(5)和载波处理电路(6)，传感器发射线圈(5)安装在探测头上；还包括对载波处理电路(6)信号整形的波形整形电路(8)和接收波形整形电路(8)输出的开关解调电路(12)，以及接收传感器发射线圈(5)信号的2个传感器接收线圈(9)，对2个传感器接收线圈(9)信号进行比较的差动接收谐振电路(10)，差动接收谐振电路(10)的信号通过信号放大电路(11)放大后输入开关解调电路(12)；还包括对开关解调电路(12)信号进行滤波的积分滤波电路(13)，对积分滤波电路(13)输出进行放大的微分及灵敏度调节电路(17)和低频放大电路(18)，对低频放大电路(18)输出整形的波形整形电路(19)，接收波形整形电路(19)输出的门限比较电路(20)，连接门限比较电路输出的逻辑控制电路(22)；还包括接在逻辑控制电路(22)一个输出端的排除装置控制电路(29)以及排除装置控制电路(29)控制的排除装置(30)；其特征在于：所述控制电路还包括，连接在载波处理电路(6)和波形整形电路(8)之间的用于相位调节的移相电路(7)，串接在接收开关调节电路(12)输出端与差动接收谐振电路(10)输入端之间的用于调节灵敏度的不平衡度采集电路(14)、调制电路(15)和平衡调节电路(16)；调制电路(15)的一个输入端连接谐振发射电路(4)的输出端。

2、根据权利要求1所述的金属异物检测机，其特征在于：逻辑控制电路(22)的一个输入端连接有键盘(21)。

3、根据权利要求1或2所述的金属异物检测机，其特征在于：逻辑控制电路(22)的一个输出端连接有报警驱动电路(25)和报警器(26)。

4、根据权利要求3所述的金属异物检测机，其特征在于：波形整形电路(19)的一个输出端连接有信号指示驱动电路(23)和信号指示灯(24)。

5、根据权利要求4所述的金属异物检测机，其特征在于：移相电路(7)的构成包括一个由运算放大器(U601)和用于移相的电阻(P601)组成的二阶滤波电路以及一个由运算放大器(U602)和用于移相的电阻(P602)组成的二阶滤波电路。

6、根据权利要求5所述的金属异物检测机，其特征在于：不平衡度采集电路(14)的构成包括一个由运算放大器(U901A)组成的积分电路以及一个由运算放大器(U901B)组成的积分电路。

7、根据权利要求6所述的金属异物检测机，其特征在于：调制电路(15)的构成包括一个由模拟乘法器(U801)和运算放大器(U802)组成的乘法电路以及一个由模拟乘法器(U803)和运算放大器(U804)组成的乘法电路。

8、根据权利要求7所述的金属异物检测机，其特征在于：平衡调节电路(16)的构成包括由三极管(Q1101)和(Q1102)组成的将反馈分量混合的加法器。

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