一種抗現(xiàn)場(chǎng)干擾能力的新型智能金屬探測(cè)器

一種抗現(xiàn)場(chǎng)干擾能力的新型智能金屬探測(cè)器

在選集、造紙、制藥、木材和塑料制品加工等行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，在生產(chǎn)線上的材料中混合了大量浪費(fèi)物體，這可能會(huì)損壞加工設(shè)備，并影響正常生產(chǎn)。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備的安全運(yùn)行，通常需要檢測(cè)混合材料中的金屬物體。金屬探測(cè)器是一種進(jìn)行金屬檢測(cè)的機(jī)器。一般來(lái)說(shuō)，金屬探測(cè)器使用電磁感應(yīng)原理檢測(cè)金屬。當(dāng)金屬通過(guò)測(cè)量線圈時(shí)，測(cè)量線圈直接連接到料傳送帶附近，并測(cè)量線圈中電壓和電流頻率的變化、振幅的變化或相位角的變化來(lái)測(cè)量金屬。從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)具體應(yīng)用的要求來(lái)看,傳統(tǒng)的金屬探測(cè)器存在的主要問(wèn)題是:①提高檢測(cè)精度的要求,混在物料中的金屬常常形狀大小各異,而且在物料較厚時(shí)可能被埋在物料下,因此金屬探測(cè)器需要有較高的檢測(cè)精度.為了提高檢測(cè)精度,對(duì)于利用頻率變化原理進(jìn)行檢測(cè)的差拍式金屬探測(cè)器,需要提高電壓、電流頻率,但頻率增加會(huì)使探測(cè)器受到線圈分布電容及工作環(huán)境的影響,另一種提高檢測(cè)精度的方法是利用兩個(gè)或多個(gè)探測(cè)線圈(分為發(fā)射線圈和接收線圈),以平衡方式進(jìn)行探測(cè),如一些國(guó)外的金屬探測(cè)器,由于元器件參數(shù)的分散性、環(huán)境因素(如溫度)的變化及現(xiàn)場(chǎng)條件的惡劣性,探測(cè)器的安裝、調(diào)試的可操作性不好,而且儀器成本較高.②克服物料磁性影響的要求,由于金屬探測(cè)利用了電磁感應(yīng)原理,因此,如物料本身具有一定的導(dǎo)磁性將影響探測(cè)結(jié)果,例如引起探測(cè)器誤動(dòng)作等,雖然一些探測(cè)器對(duì)磁性物料的影響作了一些修正,但手工調(diào)整不方便、不準(zhǔn)確.③具有抗現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾的要求,利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行探測(cè)的金屬探測(cè)器,當(dāng)在探測(cè)器附近進(jìn)行電焊操作時(shí),探測(cè)器很容易產(chǎn)生頻繁的誤動(dòng)作,目前常見(jiàn)的利用電磁感應(yīng)原理檢測(cè)金屬的探測(cè)器都未采取較好的措施.本文設(shè)計(jì)的新型智能金屬探測(cè)器方案借鑒傳統(tǒng)金屬探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn),采用單個(gè)探測(cè)線圈,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)的可操作性;綜合探測(cè)線圈電壓變化檢測(cè)原理和頻率變化檢測(cè)原理,提高檢測(cè)精度,排除磁性物料的影響;處理部件采用用微控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)探測(cè)器的模擬電路器件,有效保證了檢測(cè)原理的實(shí)施,并且能辨識(shí)和排除電焊干擾.總之,新型智能金屬探測(cè)器是集金屬檢測(cè)與設(shè)備管理(如檢測(cè)金屬事件記錄和串行通信功能)于一體的新一代數(shù)字式智能儀器,具有較高的性能價(jià)格比和廣泛的應(yīng)用前景.1金屬探測(cè)器的原理1.1等效電阻分析下面分析探測(cè)金屬的理論依據(jù),著重分析金屬物體和磁性物料對(duì)具有交變電流的探測(cè)線圈的等效阻抗即等效電感和電阻的影響.當(dāng)金屬物體和磁性物料在線圈平面附近時(shí),依據(jù)電磁感應(yīng)的原理,將發(fā)生如下的現(xiàn)象和效應(yīng):(1)線圈介質(zhì)條件的變化當(dāng)金屬物體和磁性物料接近線圈時(shí),將使其周?chē)拇艌?chǎng)發(fā)生變化.對(duì)于圓形電感線圈,當(dāng)其中通過(guò)交變電流i=Imcosωt時(shí),中心磁感應(yīng)強(qiáng)度B=μDImcosωt?B=μDΙmcosωt?其中,μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率,D為線圈的直徑.對(duì)于緊密纏繞N匝的線圈,其等效電感L=NΦi(1)L=ΝΦi(1)其中,Φ為單匝線圈的磁通量.可見(jiàn),當(dāng)磁性金屬物體和磁性物料穿過(guò)線圈時(shí),由于其磁導(dǎo)率較大,引起磁感應(yīng)強(qiáng)度變大,因此,等效電感會(huì)有所增大.(2)渦流效應(yīng)和磁滯效應(yīng)電磁感應(yīng)在金屬中產(chǎn)生渦流,渦流又產(chǎn)生渦流磁場(chǎng),與原磁場(chǎng)方向相反,削弱線圈磁場(chǎng)的變化,從而使得線圈的等效電感有減小的趨勢(shì).此外,磁性金屬和磁性物料還產(chǎn)生磁滯效應(yīng).(3)渦流損耗和磁滯損耗渦流在金屬中流過(guò)必然產(chǎn)生發(fā)熱的損耗,其表達(dá)式如下WC=WXf2B2m?WC=WXf2Bm2?其中,WX為渦流損耗因子,f為頻率,Bm為磁感應(yīng)強(qiáng)度的幅值.渦流效應(yīng)和磁滯效應(yīng)引起功率損耗,使得線圈的等效電阻增大.為了從物料中探測(cè)出金屬物體,利用上述理論對(duì)物料和金屬物體在探測(cè)線圈附近引起的等效電感和電阻的變化進(jìn)行定性分析,可得到如下結(jié)論:①導(dǎo)電導(dǎo)磁的金屬,如鐵,其導(dǎo)電性好,故渦流損耗和磁滯損耗較大,線圈的等效電阻增加較大;其導(dǎo)磁性與渦流的作用相反,使電感增加較小.②導(dǎo)電不導(dǎo)磁的金屬,如一些有色金屬,其導(dǎo)電性好,故渦流損耗也較大,線圈的等效電阻增稍大,而渦流的去磁作用使電感略有減小.③多數(shù)磁性物料,如多數(shù)磁性礦石,其導(dǎo)電性不好,故渦流損耗和磁滯損耗較小,線圈的等效電阻增加較小;其較好的導(dǎo)磁性及較小渦流的去磁作用使電感增加較大.④不導(dǎo)電導(dǎo)磁的物料,如多數(shù)非磁性礦石,其導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性不好,故線圈的等效電阻和電感變化很小.同時(shí),多種物料對(duì)探測(cè)線圈電感電阻影響的試驗(yàn)也證明了這些結(jié)論的的正確性.1.2等幅振蕩電位器的選擇檢測(cè)電路將探測(cè)線圈的等效電阻和等效電感的變化轉(zhuǎn)化為可直接測(cè)量和采集的電壓和頻率信號(hào),采用如圖1所示的電感、電容3點(diǎn)式振蕩電路,其中所標(biāo)L和r分別為探測(cè)線圈等效的電感值和電阻值,電位器用于克服磁性物料對(duì)探測(cè)的影響,為三極管發(fā)射極電位值,當(dāng)電路參數(shù)滿(mǎn)足諧振條件下,該電路可產(chǎn)生等幅振蕩,振蕩頻率f=(2πLC1C2C1+C2??????√)?1(2)f=(2πLC1C2C1+C2)-1(2)由三極管的微變等效電路推導(dǎo)得出UE的電位微增量ΔUE≈a?ΔL?b?Δr(3)ΔUE≈a?ΔL-b?Δr(3)式中,a、b是隨UE、R及電路其它參數(shù)變化的參數(shù).由式(1)和式(2)可知,f受磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響.當(dāng)金屬置于探測(cè)線圈時(shí),電路的UE和f從一種平衡狀態(tài)變化到另一種平衡狀態(tài),并且UE和f會(huì)有所變化.1.3試驗(yàn)原理的實(shí)施(1)克服磁體材料的影響原理從式(3)及試驗(yàn)可知,通過(guò)在一定范圍內(nèi)調(diào)整可變電阻R,可使磁性物料引起ΔUE=0,而金屬引起ΔUE<0.(2)ue>0檢測(cè)對(duì)于磁性金屬,UE減少得較大,可以直接判斷出;對(duì)于非磁性金屬,原則上可采用ΔUE<0進(jìn)行判斷,由于其幅值變化不大,有時(shí)難于判斷是磁性物料還是該類(lèi)金屬影響,所以,可以結(jié)合頻率增量原理進(jìn)行判斷,由于該類(lèi)金屬引起等效電感減小,故振蕩頻率會(huì)略為增大,而磁性物料則使振蕩頻率減小.這樣提高了探測(cè)金屬的準(zhǔn)確性,即提高了檢測(cè)精度.(3)探測(cè)器誤動(dòng)作的測(cè)量電焊干擾是焊條在起焊,斷弧或在焊接過(guò)程中,由于焊接電流的陡然變化引起電磁場(chǎng)的變化,并且該電磁場(chǎng)感應(yīng)到探頭線圈,引起線圈參數(shù)的變化導(dǎo)致探測(cè)器誤動(dòng)作.經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明,這種電磁場(chǎng)的對(duì)線圈參數(shù)的影響不同于金屬通過(guò)時(shí)的情況,它將引起線圈電壓幅值較大的變化,并且頻率波動(dòng)很大,而金屬通過(guò)或接近線圈時(shí),引起線圈電壓幅值變化較小(一般在mV級(jí)),頻率波動(dòng)也較小,由此,可利用微處理器的數(shù)據(jù)處理功能,辨別出電焊干擾信號(hào),保證探測(cè)效果的準(zhǔn)確性.2金屬探測(cè)器的設(shè)計(jì)2.1硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)智能金屬探測(cè)器從功能上分為探測(cè)器線圈、信號(hào)處理電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路.探測(cè)線圈的作用是感知從其中穿過(guò)或接近它的金屬物體,以引起其等效電阻和電感的變化.信號(hào)處理電路將這種變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷涸隽亢皖l率增量,并對(duì)這些增量變化進(jìn)行判斷,對(duì)于金屬類(lèi)的物體作出反應(yīng),向執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路發(fā)出信號(hào),并自動(dòng)記錄下動(dòng)作時(shí)的時(shí)間,執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路發(fā)出報(bào)警或引起其它聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作,如報(bào)警閃爍,觸發(fā)自動(dòng)除鐵器動(dòng)作等.智能金屬探測(cè)器硬件電路設(shè)計(jì)以單片機(jī)89C2051為核心構(gòu)成微機(jī)處理系統(tǒng),包括了探測(cè)線圈振蕩探測(cè)線圈振蕩電路,電壓模擬量A/D轉(zhuǎn)換電路,頻率量測(cè)量電路,鍵盤(pán)顯示電路,時(shí)鐘及存儲(chǔ)電路,繼電器執(zhí)行電路,串行接口電路和電源電路(未示出)等,如圖2所示.其設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于:①采用高性能價(jià)格比的89C2051單片機(jī)作為核心處理器件,以串行總線(SPI和I2C)方式連接主要器件,如電壓模擬量A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字電位器R、液晶顯示電路、時(shí)鐘及存儲(chǔ)電路等,構(gòu)成全數(shù)字系統(tǒng),與傳統(tǒng)的模擬電路組成的金屬探測(cè)器相比,提高了系統(tǒng)性能和抗干擾能力.②探測(cè)器振蕩電路中的電位器R采用一種新型的數(shù)字電位器,由89C2051直接控制,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)修改.③易于掌握的人機(jī)界面設(shè)計(jì):鍵盤(pán)顯示電路采用三個(gè)功能鍵和2行20列的字符型液晶顯示器,菜單式設(shè)計(jì)方式,使得儀器的各項(xiàng)功能使用起來(lái)非常方便;在儀器運(yùn)行過(guò)程中,能顯示線圈幅值及頻率的變化情況,相當(dāng)于傳統(tǒng)探測(cè)器中的模擬電流表,并能顯示當(dāng)前檢測(cè)精度設(shè)定等級(jí)(0~9級(jí),由設(shè)定的ΔUE決定),完成探測(cè)器的參數(shù)設(shè)定、時(shí)鐘設(shè)定,動(dòng)作事件瀏覽等功能,為用戶(hù)提供了一種易于使用儀器的工具.④易于設(shè)備管理的功能:在該探測(cè)器的設(shè)計(jì)中,有一塊帶有后備電池的時(shí)鐘存儲(chǔ)芯片,能記錄5次探測(cè)器動(dòng)作事件的日期和時(shí)間值,并可以通過(guò)儀器的顯示器方便地查詢(xún)記錄的事件.⑤標(biāo)準(zhǔn)的RS-485串行接口電路可以方便地與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)接,實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定和信息交換.2.2菜單及子程序設(shè)計(jì)探測(cè)器應(yīng)用軟件程序包括一個(gè)主程序,一個(gè)中斷服務(wù)程序和若干子程序,軟件設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě).主程序的主要功能是完成菜單設(shè)計(jì),并實(shí)現(xiàn)各個(gè)菜單功能,時(shí)鐘菜單的功能是修改實(shí)時(shí)時(shí)鐘,為系統(tǒng)運(yùn)行提供準(zhǔn)確的時(shí)間,參數(shù)設(shè)定菜單的功能是設(shè)定電位器R的參數(shù),設(shè)定檢測(cè)精度等級(jí),瀏覽菜單的功能是查看探測(cè)器動(dòng)作的次數(shù),及每次動(dòng)作事件發(fā)生的時(shí)刻,供儀器管理使用,運(yùn)行菜單的功能是根據(jù)電壓值及頻率變化值,經(jīng)濾波處理來(lái)判斷是否有金屬接近或通過(guò)探頭線圈.中斷服務(wù)程序巡回采集電壓增量和頻率值,送給主程序進(jìn)行處理.子程序是主程序或中斷服務(wù)程序中調(diào)用的各個(gè)程序模塊.3鐵塊及其衍生物的電壓變化規(guī)律在實(shí)驗(yàn)室條件下做模擬試驗(yàn),試驗(yàn)儀器設(shè)備包括一臺(tái)研制的智能金屬探測(cè)器、自制探頭線圈及一些收集到的物料和鐵塊.其中,磁性物料的最大尺寸為長(zhǎng)29mm,寬25mm,厚12mm,重20.5kg;圓柱體鐵塊的尺寸為ue14890mm,高65mm,重約3.3kg.在實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)結(jié)果如表1所示,其中,“空”代表空線圈,“鐵”代表鐵塊進(jìn)入線圈,“磁”代表磁性物料進(jìn)入線圈,ΔU磁與ΔU鐵分別表示磁性物料和鐵塊引起的電壓變化.檢測(cè)結(jié)果表明:①利用磁性物料和鐵塊引起的電壓變化ΔU磁與ΔU鐵不同,可以探測(cè)出鐵塊.②在使用中調(diào)節(jié)電位器R=300Ω,這樣ΔU磁=0mV,基本上克服了磁性物料的影響,這時(shí)ΔU磁與ΔU鐵相差較大,易于探測(cè).③如果具體應(yīng)用中將上述鐵塊作為檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn),可以將探測(cè)器的靈敏度對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電壓設(shè)置為9.9mV,如果需要將靈敏度提高一些,即探測(cè)出更小的鐵塊,可以將靈敏度對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電壓降低,如設(shè)置為5mV等.4金屬探測(cè)器的應(yīng)用金屬探測(cè)器是在加工和制造業(yè)應(yīng)用較多的一種探測(cè)儀器,本文利用計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)較新的成果,提出一種能穩(wěn)定、可靠使用的新型智能金屬探測(cè)儀器,提高檢測(cè)精度,解決實(shí)際應(yīng)用中的抗干擾問(wèn)題,樣機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了儀器的可適用性.金屬探測(cè)器在具體應(yīng)用中,需要根據(jù)檢測(cè)物料性質(zhì)的不同以及檢測(cè)