基于DSP的金属探测器设计

发布时间：2016-06-19 05:28

1.  绪论 

1.1  课题研究的背景和意义
金属探测器最早应用于军事领域，探雷器就是它的雏形(探雷器能够检测出带有金属部件的地雷)。二十世纪中叶，世界上第一台金属探测器问世[1]，它的功能是：检测出工矿业矿石中混入的金属块，并驱动相应的设备剔除金属块。金属检测技术的发展离不开电力电子技术。上世纪六、七十年代，电力电子技术[2]、印刷电路板技术的快速发展，才出现便捷式的金属探测器，如公安部门常用的搜身器和公共场所或大公司的安全门。60 年代以后，金属探测器的开始使用平衡式接收线圈[3]，同时电路中增加同步解调器，不仅能检测到接收信号的振幅，而且还能检测到接收信号的相位，提高探测器的灵敏度和对接收信号的处理能力。早在 70 年代，国内就在食品安全领域引入金属探测器，当时，探测器使用大量的电子管和晶体管，导致线路庞大，功耗较大。随着电子元器件进入集成电路时代和微处理芯片的使用，让金属探测器走向自动化、智能化的道路。随后出现了能够自动进行自动大地效应平衡  (AGEB)技术和数据处理功能的金属探测器，使金属探测器有了质的飞跃，硬件上从单纯模拟电路转向模拟与数字电路相结合。软 件 上 从 单 片 机 发 展 到 数 字 信 号 处 理 器   (DSP) 和 Advanced  RISC Machine(ARM)，数字化芯片的使用提高了金属探测器的性能、扩展了金属探测器的功能、扩大了金属探测器的应用范围。 金属探测器的价值体现在军事、食品、药品、原材料加工、公共安全等各个领域。最直接的体现就是在如火车站、汽车站等公共场所，或世博会、奥运会、亚运会、全运会等各种大型活动，人员大量聚集，安保工作好坏成为判定活动成功与否的重要因素之一。金属探测器的使用，可以及时有效地检测出潜在的危险物品，如犯罪分子(尤其是恐怖分子)携带的管制刀具或金属违禁品，提醒安保人员提前采取应对措施，保证广大公众的人身、财产安全[4]。医疗、食品等行业，直接关系到每个人的生命健康，因此无论是民间还是政府对其品质成分含量要求越来越严格，要求达到国内或国际上一系列技术标准，如国际食品技术委员会的危害分析、关键控制点 HACCP 体系[5]和我国的食品质量安全 QS 体系和 ISO 体系等[6]，在这些标准体系中，都将金属颗粒的含量检测作为关键的标准之一。因此，金属探测器成为食品、药品加工等领域必不可少的检测设备。并且对于某些特殊的加工行业，政府明确规定，如果其加工生产线没有金属颗粒物的检测设备，是禁止开工的。在原材料加工行业，金属探测器也是不可缺少的保护性设备之一。
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1.2  国内外发展概况
金属探测器的应用范围越来越广泛，而且达到了良好的效益。一台普通的矿用金属探测器便可以保护昂贵的矿石粉碎机（破碎机）；在机场一台性能良好的安全门式金属探测器就可以保护价值上亿元的飞机和数百人甚至数万人的生命安全。因此，对金属探测器的研发引起政府和专家的高度重视。我国在冶金、医疗、食品、原材料加工等行业中，先后引进美国、日本、澳大利亚、等国和欧洲国家研制的金属探测器，在北京、广州、上海、深圳等地进行各种型号的金属探测器的设计和研究，并投入到广泛的生产生活应用中。 现在，金属探测器的应用已经从军工、矿业、纺织等领域逐渐扩展到木材加工、药品、玩具、安检、野外探险等领域。此外，国外还研制出了 X 光、红外线式金属探测器，能够准确指示出金属碎片的位置和大小，达到精确除铁的目的。此外，这些探测器也能应用在安检方面，提升其检测的精度。目前，有一部分科研人员正在研究利用超高频的电磁波谱：万亿赫兹辐射或称 T 射线。T 射线的引用可能使安全监测、医学成像、食品加工等领域的检测精度发生质的变化。食品加工商可以通过使用 T 射线检测装置来检测密封包装食品得知其含水量，确保食品的新鲜度达到最好。英国的 TeraView 公司设计出能够运用到码头的金属探测器，这种探测器的检测精度可以达到：随身携带的剃须刀或行李中的塑料炸药。 随着科学技术的发展，电子元器件的精度有了很大的提高，使金属探测能够达到较高灵敏度的要求。国产的 JTJ 型金属探测器能够检测到直径为 0.44cm 的铁球；南非生产的金手指(GOLD  FINGER)型金属探测器，通过二维检测，能够在显示屏上标出被检测到的金属块的大小、位置，其灵敏度最高可检测出 0.5g的黄金；随着灵敏度的提高，误报警率也大幅提高；较高的灵敏度和准确报警之间相互矛盾；故研制出适用于各个领域，且能够精确报警的探测器成为电磁检测行业的重中之重。 
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2.  探测器的原理分析及整体设计

2.1  基本原理
麦克斯韦提出了位移电流假说：在任何随时间变化的电场都要在附近空间激发磁场；十九世纪早期，丹麦的物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，推翻了几百年来电和磁无关的定论。同期的法国的物理学家毕奥和萨伐尔在拉普拉斯的帮助下总结出了毕奥-萨伐尔定律，定理描述变化的电流周围产生变化的磁场，在电流附近某点的瞬时磁感应强度可由公式 2.1 和 2.2 求的。传统的检测金属方法是：当有金属物体通过探测器的检测区域时，其等效电阻由原来的 R1变为公式(2.21)中的 R，阻值增大；等效电感由原来的 L1  变为式(2.22)中的 L，电感量减小。从而导致检测线圈两端电压的幅值和相位发生变化，通过检测这些变量可以判断被测物是否为金属。涡流的作用导致阻抗的实部(电阻部分)增大，而虚部等效电感量是增大或者减小，由下部金属的材料决定。当金属为非磁性材料时，电感量减小；为磁性材料时，由于金属材料被磁化使其电感量增大。新的检测方式是：切断原线圈两端电流时，被测物中的涡电流不会立即消失，会以某种方式衰弱，如果在被测物下部又有一个线圈时，线圈两端会产生一个感应电动势 EMF，测量 EMF 的大小也可以判断被测物是否为金属，甚至可以判定金属的种类。发生线圈输入信号为脉冲信号时，这种测量接收信号衰减曲线的方法在 2.6 节详细介绍。 
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2.2  金属导体在线圈中的磁场分析
假定存在一个球形导体固定在某个发射线圈和接收线圈的中间，如图 2.3 所示，以球形导体的中心为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，其半径大小分别为 Rt、Rs。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 rt和 rs，设球形导体的半径为 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，在周围产生一个交变磁场，球形导体感应到交变磁场时，就会在导体内部产生涡电流；由涡电流产生的新磁场与原磁场相互叠加。假定某一时刻原磁场保持不变，接收线圈的 EMF只与新磁场有关。新磁场随着涡电流的变换而变化，涡电流的大小不仅与原磁场有关，而且与自身的电阻率、磁导率等有关；判断新磁场的变化情况最有效的方式是测定接收线圈 EMF 的变化。金属探测器从最初的模拟信号技术[22]到数字脉冲技术，由原来“涡流效应”到现在的巨磁电阻传感器等科学技术成果。探测器由原来的笨重、功能简单发展到现在的轻便、智能化。无论是探测精度，还是稳定性，都有了质的飞跃。金属探测器一般根据检测原理分为差拍式、自激感应式、耗能式、平衡式等。现在国内的检测精度较低的金属探测器大都采用从差拍式、自激感应式、耗能式等探测技术，检测精度较高的采用平衡式原理。平衡式相对其它式金属探测器性能更加稳定、可靠。下面对这几种金属探测器[23]的工作原理作简要介绍。 
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3. 硬件电路设计....21 
3.1 发射模块 .....21 
3.1.1 脉冲信号的产生 ..........21 
3.1.2 接收线圈上的信号 ........23 
3.2 接收模块设计 .........24 
3.3 主控芯片 .....25 
3.3.1 DSP 系统 ........26 
3.3.2 DSP 电源电路 ....27 
3.3.3 DSP 的晶振及复位电路 ....28
3.4 电源模块 .....30 
3.5 RS485 通信模块 .......30 
3.6 输出驱动模块 .........31 
3.7 人机界面模块 .........31
3.8 键盘模块 .....34 
3.9 PCB 的制作 ...........35 
3.10 本章小结 ....36 
4. 软件设计........37 
4.1 DSP 程序设计 .........37
4.2 人机界面的软件设计 ...........42
4.3 本章小结 .....44 
5. 实验结果分析及改进措施..........45 
5.1 实验准备 .....45 
5.2 实验结果 .....46 
5.3 抗干扰措施 ...........51 
5.4 本章小结 .....51 

5.  实验结果分析及改进措施

本系统针对矿业中输送煤炭、金属矿石、非金属矿石设计的，在矿中需要检测出来的金属主要是：铲斗齿块、齿锰钢块、镗孔齿块、条钢、条链、铁制工具等。输送矿石主要用的是传送带(或输送带)，传送带主要由牵引件、承载构架、驱动装置、支撑件、皮带等组成，能够影响金属探测器的主要因素是皮带、支撑件，因为探测器完全可以通过移动位置来避开其它部件的影响。皮带中含有铁丝网，皮带的接头或修补处都是用的铁钉；在设置探测器灵敏度时都需要考虑。 金属探测器的灵敏度设计上需要对矿石背景分类；金属矿石的品位对灵敏度影响较大，而非金属矿石则对灵敏度没有影响。 

5.1  实验准备

利用 Altium Designer 软件将硬件图设计成 PCB 板，能够实现焊接任务，并完成相应的焊接组装工作，其次通过程序下载然后将程序下载至 TMS320F2812型 DSP 和 STC12C5A60S2 单片机中进行最后的调试。接收面板的尺寸为 200cm×40cm×2cm；发射面板为 200cm×20cm×2cm。硬件电路板焊接完成后需要进行一系列的测试，来确定硬件系统能否正常工作。测试主要完成以下内容[39]： (1)查看硬件电路板有没有焊接好、漏焊、短路，，关键是查看在各个元器件同地线之间有没有短路。 (2)检查发射面板、接收面板的电缆和是不是正确连接到控制器上。 (3)给系统上电后，检测各个器件的两端电压是不是达到正常值，大功率器件有没有发热、发烫迹象；完成的金属探测器硬件结构的调试，实物图如图 5.2所示。调试好的金属探测器的显示面板如图 5.1 所示。

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总结

本文介绍了多种原理的金属探测器。描述了圆形和矩形线圈的磁场分布和平衡线圈的基本原理，并在圆形平衡线圈模型的基础上提出灵敏度、可靠性更高的矩形平衡线圈模型，并加以改进得出改进平衡式金属检测原理。以此理论为基础，结合检测原理以及电路知识，设计出应用在矿业中检测金属杂质的金属探测器。通过金属探测器实验，将的到的结果与理论设定值相比较，验证探测器的灵敏度和可靠性。结合现场对产品技术性能的要求，通过多次实验测试探测器的检测效果，本文设计的金属探测器的检测精度能够满足市场的需求；需要注意，为了最大程度上抑制干扰，提高检测精度，加入了数字滤波电路；同时加入了屏蔽罩和稳固措施，使探测器的稳定性到了较大的提高。 设计的不足之处是不能消除输送带和补丁处铁钉的影响。需要设计出能够使探测器识别出皮带接头，在皮带接头处降低探测器的灵敏度，减少误报。 
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参考文献(略) 

本文编号：58913