一种抗现场干扰能力的新型智能金属探测器

一种抗现场干扰能力的新型智能金属探测器

在选集、造纸、制药、木材和塑料制品加工等行业的生产过程中，在生产线上的材料中混合了大量浪费物体，这可能会损坏加工设备，并影响正常生产。为了保证产品质量和设备的安全运行，通常需要检测混合材料中的金属物体。金属探测器是一种进行金属检测的机器。一般来说，金属探测器使用电磁感应原理检测金属。当金属通过测量线圈时，测量线圈直接连接到料传送带附近，并测量线圈中电压和电流频率的变化、振幅的变化或相位角的变化来测量金属。从工业现场具体应用的要求来看,传统的金属探测器存在的主要问题是:①提高检测精度的要求,混在物料中的金属常常形状大小各异,而且在物料较厚时可能被埋在物料下,因此金属探测器需要有较高的检测精度.为了提高检测精度,对于利用频率变化原理进行检测的差拍式金属探测器,需要提高电压、电流频率,但频率增加会使探测器受到线圈分布电容及工作环境的影响,另一种提高检测精度的方法是利用两个或多个探测线圈(分为发射线圈和接收线圈),以平衡方式进行探测,如一些国外的金属探测器,由于元器件参数的分散性、环境因素(如温度)的变化及现场条件的恶劣性,探测器的安装、调试的可操作性不好,而且仪器成本较高.②克服物料磁性影响的要求,由于金属探测利用了电磁感应原理,因此,如物料本身具有一定的导磁性将影响探测结果,例如引起探测器误动作等,虽然一些探测器对磁性物料的影响作了一些修正,但手工调整不方便、不准确.③具有抗现场电磁干扰的要求,利用电磁感应原理进行探测的金属探测器,当在探测器附近进行电焊操作时,探测器很容易产生频繁的误动作,目前常见的利用电磁感应原理检测金属的探测器都未采取较好的措施.本文设计的新型智能金属探测器方案借鉴传统金属探测器的优点,采用单个探测线圈,结构简单,增强了现场的可操作性;综合探测线圈电压变化检测原理和频率变化检测原理,提高检测精度,排除磁性物料的影响;处理部件采用用微控制器代替传统探测器的模拟电路器件,有效保证了检测原理的实施,并且能辨识和排除电焊干扰.总之,新型智能金属探测器是集金属检测与设备管理(如检测金属事件记录和串行通信功能)于一体的新一代数字式智能仪器,具有较高的性能价格比和广泛的应用前景.1金属探测器的原理1.1等效电阻分析下面分析探测金属的理论依据,着重分析金属物体和磁性物料对具有交变电流的探测线圈的等效阻抗即等效电感和电阻的影响.当金属物体和磁性物料在线圈平面附近时,依据电磁感应的原理,将发生如下的现象和效应:(1)线圈介质条件的变化当金属物体和磁性物料接近线圈时,将使其周围的磁场发生变化.对于圆形电感线圈,当其中通过交变电流i=Imcosωt时,中心磁感应强度B=μDImcosωt‚B=μDΙmcosωt‚其中,μ为介质的磁导率,D为线圈的直径.对于紧密缠绕N匝的线圈,其等效电感L=NΦi(1)L=ΝΦi(1)其中,Φ为单匝线圈的磁通量.可见,当磁性金属物体和磁性物料穿过线圈时,由于其磁导率较大,引起磁感应强度变大,因此,等效电感会有所增大.(2)涡流效应和磁滞效应电磁感应在金属中产生涡流,涡流又产生涡流磁场,与原磁场方向相反,削弱线圈磁场的变化,从而使得线圈的等效电感有减小的趋势.此外,磁性金属和磁性物料还产生磁滞效应.(3)涡流损耗和磁滞损耗涡流在金属中流过必然产生发热的损耗,其表达式如下WC=WXf2B2m‚WC=WXf2Bm2‚其中,WX为涡流损耗因子,f为频率,Bm为磁感应强度的幅值.涡流效应和磁滞效应引起功率损耗,使得线圈的等效电阻增大.为了从物料中探测出金属物体,利用上述理论对物料和金属物体在探测线圈附近引起的等效电感和电阻的变化进行定性分析,可得到如下结论:①导电导磁的金属,如铁,其导电性好,故涡流损耗和磁滞损耗较大,线圈的等效电阻增加较大;其导磁性与涡流的作用相反,使电感增加较小.②导电不导磁的金属,如一些有色金属,其导电性好,故涡流损耗也较大,线圈的等效电阻增稍大,而涡流的去磁作用使电感略有减小.③多数磁性物料,如多数磁性矿石,其导电性不好,故涡流损耗和磁滞损耗较小,线圈的等效电阻增加较小;其较好的导磁性及较小涡流的去磁作用使电感增加较大.④不导电导磁的物料,如多数非磁性矿石,其导电性和导磁性不好,故线圈的等效电阻和电感变化很小.同时,多种物料对探测线圈电感电阻影响的试验也证明了这些结论的的正确性.1.2等幅振荡电位器的选择检测电路将探测线圈的等效电阻和等效电感的变化转化为可直接测量和采集的电压和频率信号,采用如图1所示的电感、电容3点式振荡电路,其中所标L和r分别为探测线圈等效的电感值和电阻值,电位器用于克服磁性物料对探测的影响,为三极管发射极电位值,当电路参数满足谐振条件下,该电路可产生等幅振荡,振荡频率f=(2πLC1C2C1+C2−−−−−−√)−1(2)f=(2πLC1C2C1+C2)-1(2)由三极管的微变等效电路推导得出UE的电位微增量ΔUE≈a⋅ΔL−b⋅Δr(3)ΔUE≈a⋅ΔL-b⋅Δr(3)式中,a、b是随UE、R及电路其它参数变化的参数.由式(1)和式(2)可知,f受磁感应强度的影响.当金属置于探测线圈时,电路的UE和f从一种平衡状态变化到另一种平衡状态,并且UE和f会有所变化.1.3试验原理的实施(1)克服磁体材料的影响原理从式(3)及试验可知,通过在一定范围内调整可变电阻R,可使磁性物料引起ΔUE=0,而金属引起ΔUE<0.(2)ue>0检测对于磁性金属,UE减少得较大,可以直接判断出;对于非磁性金属,原则上可采用ΔUE<0进行判断,由于其幅值变化不大,有时难于判断是磁性物料还是该类金属影响,所以,可以结合频率增量原理进行判断,由于该类金属引起等效电感减小,故振荡频率会略为增大,而磁性物料则使振荡频率减小.这样提高了探测金属的准确性,即提高了检测精度.(3)探测器误动作的测量电焊干扰是焊条在起焊,断弧或在焊接过程中,由于焊接电流的陡然变化引起电磁场的变化,并且该电磁场感应到探头线圈,引起线圈参数的变化导致探测器误动作.经现场测试表明,这种电磁场的对线圈参数的影响不同于金属通过时的情况,它将引起线圈电压幅值较大的变化,并且频率波动很大,而金属通过或接近线圈时,引起线圈电压幅值变化较小(一般在mV级),频率波动也较小,由此,可利用微处理器的数据处理功能,辨别出电焊干扰信号,保证探测效果的准确性.2金属探测器的设计2.1硬件结构设计智能金属探测器从功能上分为探测器线圈、信号处理电路和执行机构电路.探测线圈的作用是感知从其中穿过或接近它的金属物体,以引起其等效电阻和电感的变化.信号处理电路将这种变化转变为电压增量和频率增量,并对这些增量变化进行判断,对于金属类的物体作出反应,向执行机构电路发出信号,并自动记录下动作时的时间,执行机构电路发出报警或引起其它联动机构的动作,如报警闪烁,触发自动除铁器动作等.智能金属探测器硬件电路设计以单片机89C2051为核心构成微机处理系统,包括了探测线圈振荡探测线圈振荡电路,电压模拟量A/D转换电路,频率量测量电路,键盘显示电路,时钟及存储电路,继电器执行电路,串行接口电路和电源电路(未示出)等,如图2所示.其设计特点在于:①采用高性能价格比的89C2051单片机作为核心处理器件,以串行总线(SPI和I2C)方式连接主要器件,如电压模拟量A/D转换电路、数字电位器R、液晶显示电路、时钟及存储电路等,构成全数字系统,与传统的模拟电路组成的金属探测器相比,提高了系统性能和抗干扰能力.②探测器振荡电路中的电位器R采用一种新型的数字电位器,由89C2051直接控制,可实现系统的自动修改.③易于掌握的人机界面设计:键盘显示电路采用三个功能键和2行20列的字符型液晶显示器,菜单式设计方式,使得仪器的各项功能使用起来非常方便;在仪器运行过程中,能显示线圈幅值及频率的变化情况,相当于传统探测器中的模拟电流表,并能显示当前检测精度设定等级(0~9级,由设定的ΔUE决定),完成探测器的参数设定、时钟设定,动作事件浏览等功能,为用户提供了一种易于使用仪器的工具.④易于设备管理的功能:在该探测器的设计中,有一块带有后备电池的时钟存储芯片,能记录5次探测器动作事件的日期和时间值,并可以通过仪器的显示器方便地查询记录的事件.⑤标准的RS-485串行接口电路可以方便地与工业控制网络相联接,实现探测器的远程参数设定和信息交换.2.2菜单及子程序设计探测器应用软件程序包括一个主程序,一个中断服务程序和若干子程序,软件设计采用汇编语言编写.主程序的主要功能是完成菜单设计,并实现各个菜单功能,时钟菜单的功能是修改实时时钟,为系统运行提供准确的时间,参数设定菜单的功能是设定电位器R的参数,设定检测精度等级,浏览菜单的功能是查看探测器动作的次数,及每次动作事件发生的时刻,供仪器管理使用,运行菜单的功能是根据电压值及频率变化值,经滤波处理来判断是否有金属接近或通过探头线圈.中断服务程序巡回采集电压增量和频率值,送给主程序进行处理.子程序是主程序或中断服务程序中调用的各个程序模块.3铁块及其衍生物的电压变化规律在实验室条件下做模拟试验,试验仪器设备包括一台研制的智能金属探测器、自制探头线圈及一些收集到的物料和铁块.其中,磁性物料的最大尺寸为长29mm,宽25mm,厚12mm,重20.5kg;圆柱体铁块的尺寸为ue14890mm,高65mm,重约3.3kg.在实验室的检测结果如表1所示,其中,“空”代表空线圈,“铁”代表铁块进入线圈,“磁”代表磁性物料进入线圈,ΔU磁与ΔU铁分别表示磁性物料和铁块引起的电压变化.检测结果表明:①利用磁性物料和铁块引起的电压变化ΔU磁与ΔU铁不同,可以探测出铁块.②在使用中调节电位器R=300Ω,这样ΔU磁=0mV,基本上克服了磁性物料的影响,这时ΔU磁与ΔU铁相差较大,易于探测.③如果具体应用中将上述铁块作为检测的标准,可以将探测器的灵敏度对应的检测电压设置为9.9mV,如果需要将灵敏度提高一些,即探测出更小的铁块,可以将灵敏度对应的检测电压降低,如设置为5mV等.4金属探测器的应用金属探测器是在加工和制造业应用较多的一种探测仪器,本文利用计算机和电子技术较新的成果,提出一种能稳定、可靠使用的新型智能金属探测仪器,提高检测精度,解决实际应用中的抗干扰问题,样机的试验数据证明了仪器的可适用性.金属探测器在具体应用中,需要根据检测物料性质的不同以及检测