摘 要： 在分析傳統(tǒng)平衡線(xiàn)圈原理的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的平衡線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求。首先對(duì)該種平衡線(xiàn)圈的原理進(jìn)行分析，據(jù)此設(shè)計(jì)了一種由平衡線(xiàn)圈、信號(hào)處理電路和ATmega8等構(gòu)成的高靈敏度金屬檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該金屬探測(cè)器的檢測(cè)效果，并提出了部分改進(jìn)措施。

　　關(guān)鍵詞： 金屬探測(cè)；平衡線(xiàn)圈技術(shù)； ATmega8

　　金屬檢測(cè)系統(tǒng)可用于農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)中化工、橡膠、制塑、食品加工、采礦、采煤等行業(yè)，還可應(yīng)用于食品、藥品、玩具等領(lǐng)域。食品是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡奈镔|(zhì)資源，其質(zhì)量的好壞將直接影響人們的生活質(zhì)量與身體健康。在食品生產(chǎn)過(guò)程中，金屬探測(cè)器的應(yīng)用是質(zhì)量控制的有效手段之一[1]。目前，在實(shí)踐中得到應(yīng)用的感應(yīng)式金屬探測(cè)技術(shù)主要有巨磁電阻傳感器檢測(cè)技術(shù)、LC諧振檢測(cè)技術(shù)和平衡線(xiàn)圈檢測(cè)技術(shù)3種。

　　其中，巨磁電阻(GMR)傳感器是20世紀(jì)90年代中期引入到金屬探測(cè)中的一種新技術(shù)，基于GMR效應(yīng)的磁傳感器具有體積小、靈敏度高、線(xiàn)性范圍寬、響應(yīng)頻率高和溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是檢測(cè)盲區(qū)大[2]；LC諧振檢測(cè)技術(shù)是利用金屬物體靠近LC諧振電路時(shí)會(huì)使電路失諧的特點(diǎn)來(lái)檢測(cè)金屬的，其靈活性高，但參數(shù)受溫漂影響，容易失諧； 平衡線(xiàn)圈技術(shù)檢測(cè)靈敏度高，抗干擾強(qiáng)，已得到較多應(yīng)用，由于其占用空間較大，其某些應(yīng)用受到限制。

　　基于此，本文提出一種改進(jìn)的平衡線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求。

1 傳統(tǒng)平衡線(xiàn)圈技術(shù)

　　平衡線(xiàn)圈技術(shù)在高精度金屬探測(cè)器中已經(jīng)得到應(yīng)用，其一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。3個(gè)圓形線(xiàn)圈等直徑，且中心軸在一條直線(xiàn)上，發(fā)射線(xiàn)圈在中間，接收線(xiàn)圈位于兩側(cè)。兩個(gè)接收線(xiàn)圈與發(fā)射線(xiàn)圈等距排列，金屬物體沿線(xiàn)圈中心軸線(xiàn)進(jìn)入裝置。發(fā)射線(xiàn)圈中通有特定頻率的正弦電流，在線(xiàn)圈周?chē)a(chǎn)生一個(gè)正弦交變磁場(chǎng)。交變的磁場(chǎng)會(huì)在兩個(gè)接收線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，接收線(xiàn)圈#1和#2中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等大反向，將這兩個(gè)信號(hào)接入到高精度微分放大器中，放大器的輸出信號(hào)為零。當(dāng)有金屬異物沿中心軸先后通過(guò)兩個(gè)接收線(xiàn)圈時(shí)，因?yàn)榫嚯x的不同，渦流在兩個(gè)線(xiàn)圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不同，從而得到差分電壓信號(hào)[3]。

2 改進(jìn)的平衡線(xiàn)圈技術(shù)

　　前文介紹的具有軸對(duì)稱(chēng)特性的圓形平衡線(xiàn)圈是比較常見(jiàn)的一種結(jié)構(gòu)，而考慮到食品行業(yè)金屬探測(cè)器現(xiàn)場(chǎng)的要求，比如給出的空間很小的情況下，可以對(duì)線(xiàn)圈的形狀和排列方式進(jìn)行一定的變化，把檢測(cè)線(xiàn)圈設(shè)計(jì)為銅導(dǎo)線(xiàn)兩半圓反向繞制，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　發(fā)射線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈平行上下排列。接收線(xiàn)圈不再是兩個(gè)獨(dú)立的線(xiàn)圈平行排列，而是由大小和匝數(shù)相同的兩個(gè)半圓形線(xiàn)圈構(gòu)成，且左右兩個(gè)半圓形線(xiàn)圈的繞向相反。發(fā)射線(xiàn)圈與兩個(gè)接收線(xiàn)圈邊界大小一致。

　　發(fā)射線(xiàn)圈通入角頻率為ω的交變電流Ι，產(chǎn)生均勻分布的交變磁場(chǎng)。磁場(chǎng)在兩個(gè)接收線(xiàn)圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相同，但由于左側(cè)線(xiàn)圈中的電流方向和右側(cè)線(xiàn)圈中的電流方向相反，從而使得兩個(gè)線(xiàn)圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互抵消。

3 檢測(cè)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　3.1 基本原理

　　本文采用的檢測(cè)電路為平衡式檢測(cè)電路。發(fā)射線(xiàn)圈在有脈沖信號(hào)通入后，即可在線(xiàn)圈周?chē)⑵鸾蛔兇艌?chǎng)，使得接收線(xiàn)圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。設(shè)計(jì)中，采用改進(jìn)的平衡線(xiàn)圈作為傳感器探頭結(jié)構(gòu)，兩個(gè)半圓形線(xiàn)圈反向纏繞，并且完全對(duì)稱(chēng)，由于發(fā)射線(xiàn)圈本身為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，其垂直方向上產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是軸對(duì)稱(chēng)的，這樣與發(fā)射線(xiàn)圈同軸放置的接收線(xiàn)圈中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)等大反向，相互抵消，理想情況下線(xiàn)圈中無(wú)電動(dòng)勢(shì)輸出。當(dāng)有金屬物體從線(xiàn)圈之間經(jīng)過(guò)時(shí)，由于金屬物體自身在交變磁場(chǎng)中的渦流和磁滯效應(yīng)，必將破壞接收線(xiàn)圈的電動(dòng)勢(shì)平衡，所以通過(guò)探測(cè)接收線(xiàn)圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，可以判斷金屬物體是否存在[4]。

　　3.2 硬件檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)

　　整個(gè)硬件檢測(cè)電路主要由信號(hào)處理和單片機(jī)控制兩部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　3.2.1 信號(hào)處理部分

　　該部分主要包括對(duì)檢測(cè)線(xiàn)圈中電壓差值的放大、濾波、整流和峰值保持，確保將信號(hào)的有關(guān)特征值準(zhǔn)確完整地輸送給控制電路。

　　其中，峰值保持電路如圖4所示，作為檢測(cè)電路的重要部分，它是為了更準(zhǔn)確地檢測(cè)接收信號(hào)的幅值。前后兩級(jí)的電壓跟隨器，保證了峰值保持的準(zhǔn)確性和完整性。

　　由于二極管的存在，使得電路只能單向?qū)?，在不觸發(fā)放電信號(hào)的情況下，電容只能充電而不能放電，在經(jīng)歷過(guò)若干個(gè)周期之后，電容上的電壓即為正弦信號(hào)的峰值電壓。選擇充電電容，既不能太大，太大導(dǎo)致充電速度慢；也不能太小，太小導(dǎo)致捕獲的電壓不穩(wěn)定。設(shè)置放電按鈕，一是為了實(shí)驗(yàn)方便，二是為設(shè)備的重新整定提供便利。

　　3.2.2 控制部分

　　主要包括對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和讀取，單片機(jī)最小系統(tǒng)以及軟件的設(shè)計(jì)，當(dāng)檢測(cè)到金屬時(shí)，輸出特定的信號(hào)點(diǎn)亮指示燈，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。

　　(1) A/D轉(zhuǎn)換。為了提高檢測(cè)精度，需要將數(shù)字量的位數(shù)盡量提高，而單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換通道只有8位，因此，我們采用外置的A/D轉(zhuǎn)換模塊MAX187。

　　(2)單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)。ATmega8單片機(jī)的最小系統(tǒng)由電源部分、復(fù)位部分以及晶振部分3部分實(shí)現(xiàn)。其中，電源部分由5 V直流穩(wěn)壓電源提供。復(fù)位部分在單片機(jī)內(nèi)部設(shè)置后，通過(guò)復(fù)位引腳引出。晶振部分采用外部晶振來(lái)提供高精度的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。

　　(3)軟件設(shè)計(jì)。軟件是檢測(cè)控制系統(tǒng)的核心，整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)功能是否完備和實(shí)用主要看應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)水平。本文從系統(tǒng)的實(shí)用性、可靠性及方便靈活性等幾個(gè)方面出發(fā)，使程序滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的功能要求[5]。整個(gè)系統(tǒng)的軟件包括主程序、外部中斷程序、數(shù)字濾波程序、比較判斷子程序及發(fā)光報(bào)警等若干子程序，系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)分析

　　4.1 實(shí)驗(yàn)條件

　　發(fā)射線(xiàn)圈：直徑為20 cm的圓形線(xiàn)圈，由直徑1.5 cm的30匝利茲線(xiàn)繞制；

　　發(fā)射信號(hào)：110 V/20 kHz的正弦脈沖，功率為500 W；

　　接收線(xiàn)圈：直徑為20 cm；由10匝直徑為0.2 mm的利茲線(xiàn)兩半圓反向繞制，實(shí)物如圖6所示。

　　4.2 檢測(cè)信號(hào)的波形

　　向發(fā)射線(xiàn)圈通入圖7所示的正弦脈沖信號(hào)，通過(guò)示波器測(cè)量某金屬異物通過(guò)探頭前后，接收信號(hào)幅值的變化，將兩個(gè)信號(hào)同時(shí)顯示，幅值比較波形如圖8所示，來(lái)反映金屬物體的存在。

　　總體而言，在發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度確定的情況下，金屬探測(cè)器檢測(cè)精度主要與雙線(xiàn)圈之間的距離有關(guān)。通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，可以得出不同半徑的金屬異物進(jìn)入到檢測(cè)線(xiàn)圈前后所對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)幅值的變化。以鐵磁性樣品，探頭高度70 mm為條件，以?xún)删€(xiàn)圈的豎直距離為橫坐標(biāo)，可以繪制出如圖9所示對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)幅值的變化曲線(xiàn)。

　　由圖9可見(jiàn)，在發(fā)射線(xiàn)圈中脈沖信號(hào)強(qiáng)度一定的前提下，隨著探頭高度增加，即雙線(xiàn)圈之間距離增大，檢測(cè)信號(hào)的幅值變化量呈遞減趨勢(shì)，也就是線(xiàn)圈距離越大，檢測(cè)精度越低；同時(shí)，在脈沖信號(hào)強(qiáng)度與線(xiàn)圈距離不變時(shí)，檢測(cè)信號(hào)的幅值變化量會(huì)隨著金屬異物直徑的增大而變大。

　　本文在傳統(tǒng)平衡線(xiàn)圈原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了靈敏度和可靠性更高的新式平衡線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，并以此理論技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合應(yīng)用到的檢測(cè)原理以及電路構(gòu)成，設(shè)計(jì)了一種新形的金屬探測(cè)器。通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明本文設(shè)計(jì)能夠達(dá)到較高的精度，滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。

參考文獻(xiàn)

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