一种金属探测器设计与实现

Ａ 矛 、＿ ， ， ‘ ＿ ． 、 ｏ． ＿ ＿
图 １ 金属物体在传送带上运动的示意图 实 际上金 属 在传送 带 上是 运 动 的 ，可 以取 一定 时间间隔内的信号进行分析 ，这种对称性仍然是很
因为 ｆ ）是频率为 ｆ的正 弦信号 ，所 以 Ａｏ （ ｔ ＝
Ａ ｓａ ； ｅ ｂ ｍ ｎｅ ｔ ｂ ｓｌ ｄ ｔ ｄ ｉ ａｍ ｔ ｄｔ ｔ ｓ Ｉ ｔｉｐｐｒ ａ ｓ ｅ ｅ ｈ ｍ ｔ ｂ ｒ ｔ Ｓｍ ｐｏｌ ｓ ｄ ｅ ｅ ｉ ｒ ｉ ｎｌ ａ ｅ ｃ ｒ ｎ ｓ ｅ， ｅ ｃ ｍ ｏ ｔ ｅ ｌ ｔ ｃ ｏ ｒ ｅ ｅ ｏ ｏ ｖ ｎ ｔ ａ ｏ ｅ ｌ ｏ ． ｈ ａ ｅ ｎｗ ｈ ｆ ａ ｅ ｄｔ ｔ ｂｓ ｏ ｆ ｑｅｃ－ｄｍ ｉａａ ｓ ｉｄｓ ｉ ｄ ｗ ｉ ｉａｌｔ ｓｉｄ ｅ ｄ ｅ ｅ ｎｅ ｔｅ ｆ ｅ ｅ ｃ ｒ ｅ ｎ ｕｎｙ ｏ ａ ｎｌ ｉ ｓ ｃｂ ， ｃ ｓ ｅ ｈ ｌｓｍ ｆｌ ｉ ｒ ｒ ｃ， ｒ ｏ ｅ ｏ ａ ｄ ｒ ｅ ｎ ｙ ｓ ｅ ｒ ｅ ｈ ｈ ｂ ｏ ｅ ｏ ｉ ｎ ｆ ｅ ｅ ｔ ｈ ｅｒ ｒ ｕｅ ｏｓ Ｔ ｅ ｔｅ ｉ ｏ ｈｒｗ ｒ， ｔａ ｉｅｐ ｉ ｄ Ｉ ｔ ｅｄ ｔｅ ｓ ｉ ｙ ｔｅ ｅｔ ｉ ｅ ｃ ｅ ｒ ｈｎ ｄｓ ｎ ａ ａ ｓｆ ｒ ｓ ｌｎ ． ｈ ｎ ， ｆ ｉｌ ｏ ｈ ｄｔ ｏ ｓ ｄ ｒ ． ｒ ｈ ｅ ｇ ｆ ｄ ｅ ｏ ｗ ｅ ｘ ａ ｅ ｎ ｅ ｈ ｅ ｂｉ ｆ ｅ ｃ ｒ ａ ｔ
可知 Ａ（ 、－ Ｘ ） ｆ ｘ （ ）关于 Ｘ ０轴对称 。 一
１ 频域算 法介绍
理想 的探测信号是频率 为 ｆ ，振 幅为 Ａ 的正弦 信号 ｆ ｔ。对 ｆ （） （）进行傅里叶级数展开 ： ｔ
Ｊ ｉ＝ 下 十 — Ｉ （ ｓ １ ｋ ｔ 于 ／ 八ｎ ＩＮＪ卞 饰 ｊ ： ７ ｕ 乙
电 子 测 量 技 术
Ｅ Ｅ ＴＲ Ｌ Ｃ ＯＮＩ Ｃ ＭＥ ＵＲＥ ＡＳ ＭＥ ＮＴ ＴＥ ＣＨＮＯＬ ＯＧＹ
第 ２卷 第 ３ ９ 期 ２０ 年 ６ ０６ 月
一种金属探测器设计与实现
张泉泉 张贵全 杜道山 李从心
（ 上海交通大学 模具 Ｃ Ｉ国家工程研究中心 上海 ２０３） Ａ） ０００
摘 要： 传统的金属探测方法存在抗干扰能力差、容易产生误动作的缺点。本文提出了一种基于频域分析的金 属探测方法。文中详细说明了系统的硬件组成、软件结构。试验结果表明，采用该方法设计的金属探测器在满 足灵敏度的基础上大大降低了误动作率。
关键词 ：金属探测器 ；频域分析 ห้องสมุดไป่ตู้微处理器
Ｄ ｓ ｎ ｄ ｐｅ ｅｔ ｉ ｏ ａ ｔ ｄｔ ｔ ｅ ｇ ａ ｉ ｌ ｎａｏ ｆ ｅ ｌ ｃ ｒ ｉ ｎ ｍ ｍ ｔ ｎ ｍ ａ ｅ ｏ ｅ
０ 引
言
近年来 ，金属探 测 器 在 纺织 、食 品加 工等行 业
中得到了广泛的应用 。但是传统 的金属探测器存在 抗 干扰能 力差 、容 易产生 误 动作 的缺 点 。 本文采 用 频域 分 析 的设 计 方 法 ，通 过 大量 试 验 ，对金属通过感应线圈时 的感应信号进行频域分 析 ，提取出其特征信息 ，进而归纳出规律 。以此为 理论 依 据 采 用 单 片 机 设 计 了一 种 新 型 的金 属 探 测 器 ，其 灵 敏度 和抗 干扰 能力 较传 统 金 属探测 器 有很
ａｐｏｅ ｂ ａｐｃｔ ｎ ｐｒｖｄ ｐｌａｏ． ｙ ｉ ｉ ｍｅ ｌ ｅｔｒ ａａ ｓ ｉ ｆ ｑｅｃ ｄｍ ｉ； ｃ ｐｏｅｓｒ ｔ ｄｔ ｏ； ｌ ｉ ｎ ｕｎｙ ａ ｍ ｒ ｒｃｓ ａ ｅｃ ｎ ｙ ｓ ｒ ｅ ｏ ｎ ｉｏ ｏ ｆ＝ ｆ ｔ （ ＜ ｔ ｔ （） （ ｔ ） ｏ ＜ ， ） ４
第３ 期
张泉泉等：一种金属探测器设计与实现
开始
来抗干扰 ，避免设备误动作 。
２ 硬件电路设计
本文介绍 的新型金属探测器采用 了频域分析 法 ，数值计算量 比较大 ，所 以如何实现频域分析是 系统的难点之一 。在这里选用 Ｔ ３０ Ｆ ４７为 ＭＳ ２Ｌ ２０ 处理器 ，Ｄ Ｐ处 理 器 的 运 算 能 力 强 ，适 宜 做 像 Ｓ Ｆ Ｔ分析这样运算量 比较大 的工作 。采用 Ｆ Ｔ算 Ｆ Ｆ 法对 Ｄ Ｐ编程实 现时域信 号 到频域信号 的转换 ， Ｓ 再对频域信号进行分析 。其他硬件设备包括 了探测 振荡器、Ａ／ Ｄ转化 电路 、存储 电路、执行 电路 、 光报警 电路 、时钟 电路等 ，其结 构示 意 图如 图 ２
ｒ Ｊ
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夕
周学才，李传芳．一种新型高稳定度金属探测及保
护系统 〔 ．电 １ 测与仪表， ９７ ３０ ６． ７ １９， ７） ４
ｑ Ｕ
习 ， 「
阂大槛， 朱学勇， 信号与系统分析 〔 ．成都：电 Ｍ］ 子科技大学出版社， ００ ２０．
３ ｍ钢球。 ｍ
・１９・ ２
明显 的。通过判断此对称信号判定是否有金属杂质
通过 。
向，金属物体在 ｘ轴上 的坐标 为 ｘ．假设 物体在 ｘ 点 不动 ，获得 时域 上 的一 段 探 测信 号 ：
１８ ・ ２
当有 电磁 干扰 时 ，探测 信 号 的频 率 、振 幅会 发 生变化 。但这种变化有别于金属物体通过探测线 圈 时 的情 况 ，其 Ａ（ ） ＿ ｘ ｘ ， （ ）不 具 有 对 称 性 ，以此 ｆ
通 过 ，若 有金 属通 过 ，则启 动 执行 机构 动作 ，同时 发 出光 报警 。
ｒ ． 七 １
Ｊ
５ ．输棉管直径 ：３０ ｍ ０ｒ ｎ ６ ．环境温度 ：０ ０ －４ １ Ｃ ７ ．环境湿度 ：２ ％一６ ％相对湿度 ０ ０
５ 结束语
本文采用 单 片 机 设 计 了一 种 新 型 的金 属 探 测 器 。实际应用证 明 ，该金属探测器检测精度高 ，抗 干 扰 性 能强 。
大提高 。
经 Ｆ Ｔ分析后获得其最大振 幅 Ａ，最大振幅 Ｆ 对应的频率 ｆ 。金属处在不同的位置 ｘ对应不同的 Ａ和ｆ ，建立了 Ａ， ｆ关于ｘ的关系：
Ａ ＝ Ａ（ ） ． ｘ （） ５
ｆ＝ ｆ Ｘ （） （） ６
Ｚ ａｇ ａｑａ ｏ ｕ ｏｈｎ ｉ ｇｉ ｈｎ Ｑ ｎｕｎ ｈｎ Ｇ ｉ Ｄ Ｄ ｓａ Ｌ Ｃ ｎｘ ｕ Ｚ ａｇ ｂ ｕａ ａ ｏ ｎ
（ ａ ｏａ Ｄｅ Ｍｏ Ｃ Ｄ ｇ ｅｒ ｇ ｓａｃ Ｃ ｎｅ， ｎ ｈｉ ｔ ｇ ｉ ｒ ｔ， ｎ ｈｉ ２０３ ） Ｎ ｔ ｎｌ ａｄ ｌ Ａ Ｅ ｉ ｅｉ Ｒ ｅｒ ｅｔｒ Ｓ ａｇ ａＪ ｏｏ Ｕ ｖ ｓ ｙ Ｓ ａｇ ａ ００ ０ ｉ ｉ ｎ ｄ ｎｎ ｎ ｅ ｈ ｈ ｉ ｎ ｎｅｉ ａ ｈ ，
采样 ，Ａ Ｄ采样后 的数据送 人存储 电路存储。当 ／ 粉 Ｄ采样数据达到 １２ 个时，对这些数据作 １２ ０４ ０４ 点 的 Ｆ Ｔ 分析 ，随后将 Ｆ Ｔ分 析得 到 的信 号存 Ｆ Ｆ 储 ，并与相关 信号 （ 相关信号指 的是关于探测线圈 对称点处 的采集信号）进行 比较 ，确定是否有金属
所示 。
系统初始化
Ａ Ｍ采样
启动执行机构
启动光报警
图３ 主程序流程图
图 ２ 金属探测系统硬件结构示意图 ３ ．功耗 ：＜ ３ ＶＡ ０ ４ ．输棉管棉流速度范围 ：５ －８ Ｓ Ｃ ＾ １ｍ／ Ｅ
３ 软件流程 实现
金 属探测器 的主程 序 流程 图如 图 ３ 示 。首 先 所
对系统初始化， 随后系统持续地作等间隔周期 Ａ Ｄ ／
０ ｗ ７／ ；ｃＡ２ ｆ ｎ时 ，Ａ， Ｏ ＝ ｒ 一 ａ
由探测信号 （）的振幅频谱 图 Ａ （ ）可知 ， ｆ ｔ ｎ Ｏ Ｃ 只有在 。 叮 ／ 点处 Ａ （ ）共。 一２ ｎ ． ｍ ，其余点 Ａｎ动 （
都为 Ｏ ａ 如 图 １所 示 ，ｘ轴 正 方 向 为 传 送 带 的 运 动 方
参 考 文 献
，
门
４ 技 术现 状
厂
王伟， 金属探测器原理及其应用 ［］ 矿冶， ９６ １。 １９，
５４ ． （）
门 引
本金属探测器已应用于棉纺厂前纺工序 ，主要 技术数据如下 ： １ Ｃ ２０ ０ ％，５ Ｈｚ ．电源 ：Ａ （２ 士１） ０ ｏ ２ 度 ：铁 磁 材 料 ，能 探 测 直 径 不 小 于 ．灵 敏