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行分析，據(jù)此設(shè)計了一種由平衡線圈、信號處理電路和ATmega8等構(gòu)成的高靈敏度金屬檢測系統(tǒng)。通過實驗驗證了該金屬探測器的檢測效果，并提出了部分改進措施。

　　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，缺點是檢測盲區(qū)大[2]；LC諧振檢測技術(shù)是利用金屬物體靠近LC諧振電路時會使電路失諧的特點來檢測金屬的，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，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)生一個正弦交變磁場。交變的磁場會在兩個接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，根據(jù)對稱性，接收線圈#1和#2中的感應(yīng)電動勢等大反向，將這兩個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接收線圈時，因為距離的不同，渦流在兩個線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢不同，從而得到差分電壓信號[3]。

2 改進的平衡線圈技術(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行一定的變化，把檢測線圈設(shè)計為銅導(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獨立的線圈平行排列，而是由大小和匝數(shù)相同的兩個半圓形線圈構(gòu)成，且左右兩個半圓形線圈的繞向相反。發(fā)射線圈與兩個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。磁場在兩個接收線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相同，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，從而使得兩個線圈中的感應(yīng)電動勢相互抵消。

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)電動勢。設(shè)計中，采用改進的平衡線圈作為傳感器探頭結(jié)構(gòu)，兩個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)生的電動勢等大反向，相互抵消，理想情況下線圈中無電動勢輸出。當(dāng)有金屬物體從線圈之間經(jīng)過時，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勢平衡，所以通過探測接收線圈的感應(yīng)電動勢，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)

　　整個硬件檢測電路主要由信號處理和單片機控制兩部分構(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確性和完整性。

　　由于二極管的存在，使得電路只能單向?qū)ǎ诓挥|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，一是為了實驗方便，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行A/D轉(zhuǎn)換和讀取，單片機最小系統(tǒng)以及軟件的設(shè)計，當(dāng)檢測到金屬時，輸出特定的信號點亮指示燈，并通過驅(qū)動電路執(zhí)行相關(guān)動作。

　　(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)單片機最小系統(tǒng)設(shè)計。ATmega8單片機的最小系統(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)時鐘頻率。

　　(3)軟件設(shè)計。軟件是檢測控制系統(tǒng)的核心，整個系統(tǒng)的檢測功能是否完備和實用主要看應(yīng)用軟件的設(shè)計水平。本文從系統(tǒng)的實用性、可靠性及方便靈活性等幾個方面出發(fā)，使程序滿足設(shè)計的功能要求[5]。整個系統(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)光報警等若干子程序，系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

4 實驗分析

　　4.1 實驗條件

　　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，將兩個信號同時顯示，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)。通過一系列實驗，可以得出不同半徑的金屬異物進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，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，在脈沖信號強度與線圈距離不變時，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)計了一種新形的金屬探測器。通過實驗說明本文設(shè)計能夠達到較高的精度，滿足市場的需求。

參考文獻

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