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

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

　　金屬檢測系統(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)過程中，金屬探測器的應(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)式金屬探測技術(shù)主要有巨磁電阻傳感器檢測技術(shù)、LC諧振檢測技術(shù)和平衡線圈檢測技術(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)是檢測盲區(qū)大[2],；LC諧振檢測技術(shù)是利用金屬物體靠近LC諧振電路時(shí)會使電路失諧的特點(diǎn)來檢測金屬的，其靈活性高,，但參數(shù)受溫漂影響,，容易失諧； 平衡線圈技術(shù)檢測靈敏度高,，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)的平衡線圈結(jié)構(gòu),，以滿足不同的應(yīng)用需求,。

1 傳統(tǒng)平衡線圈技術(shù)

　　平衡線圈技術(shù)在高精度金屬探測器中已經(jīng)得到應(yīng)用,，其一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。3個(gè)圓形線圈等直徑,，且中心軸在一條直線上,，發(fā)射線圈在中間，接收線圈位于兩側(cè),。兩個(gè)接收線圈與發(fā)射線圈等距排列,，金屬物體沿線圈中心軸線進(jìn)入裝置。發(fā)射線圈中通有特定頻率的正弦電流,，在線圈周圍產(chǎn)生一個(gè)正弦交變磁場,。交變的磁場會在兩個(gè)接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，根據(jù)對稱性,，接收線圈#1和#2中的感應(yīng)電動(dòng)勢等大反向,，將這兩個(gè)信號接入到高精度微分放大器中，放大器的輸出信號為零,。當(dāng)有金屬異物沿中心軸先后通過兩個(gè)接收線圈時(shí),，因?yàn)榫嚯x的不同，渦流在兩個(gè)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢不同,，從而得到差分電壓信號[3],。

2 改進(jìn)的平衡線圈技術(shù)

　　前文介紹的具有軸對稱特性的圓形平衡線圈是比較常見的一種結(jié)構(gòu),，而考慮到食品行業(yè)金屬探測器現(xiàn)場的要求,，比如給出的空間很小的情況下，可以對線圈的形狀和排列方式進(jìn)行一定的變化,，把檢測線圈設(shè)計(jì)為銅導(dǎo)線兩半圓反向繞制,，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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

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

3 檢測原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　3.1 基本原理

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

　　3.2 硬件檢測電路結(jié)構(gòu)

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

　　3.2.1 信號處理部分

　　該部分主要包括對檢測線圈中電壓差值的放大、濾波,、整流和峰值保持,，確保將信號的有關(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,，作為檢測電路的重要部分，它是為了更準(zhǔn)確地檢測接收信號的幅值,。前后兩級的電壓跟隨器,，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)放電信號的情況下，電容只能充電而不能放電,，在經(jīng)歷過若干個(gè)周期之后,，電容上的電壓即為正弦信號的峰值電壓。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

　　主要包括對輸入信號進(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)檢測到金屬時(shí),，輸出特定的信號點(diǎn)亮指示燈,，并通過驅(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，通過復(fù)位引腳引出,。晶振部分采用外部晶振來提供高精度的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率,。

　　(3)軟件設(shè)計(jì)。軟件是檢測控制系統(tǒng)的核心,，整個(gè)系統(tǒng)的檢測功能是否完備和實(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)射線圈：直徑為20 cm的圓形線圈，由直徑1.5 cm的30匝利茲線繞制,；

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

　　接收線圈：直徑為20 cm,；由10匝直徑為0.2 mm的利茲線兩半圓反向繞制,，實(shí)物如圖6所示。

　　4.2 檢測信號的波形

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

　　總體而言，在發(fā)射信號強(qiáng)度確定的情況下,，金屬探測器檢測精度主要與雙線圈之間的距離有關(guān),。通過一系列實(shí)驗(yàn)，可以得出不同半徑的金屬異物進(jìn)入到檢測線圈前后所對應(yīng)的檢測信號幅值的變化,。以鐵磁性樣品,，探頭高度70 mm為條件，以兩線圈的豎直距離為橫坐標(biāo),，可以繪制出如圖9所示對應(yīng)的檢測信號幅值的變化曲線,。

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

　　本文在傳統(tǒng)平衡線圈原理的基礎(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)用到的檢測原理以及電路構(gòu)成，設(shè)計(jì)了一種新形的金屬探測器,。通過實(shí)驗(yàn)說明本文設(shè)計(jì)能夠達(dá)到較高的精度,，滿足市場的需求。

參考文獻(xiàn)

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