专利名称：金属异物检测的自动平衡技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属异物检测的自动平衡技术，特别是涉及一种开机即进行自动平衡 调节的金属异物检测的自动平衡技术。
背景技术：
金属异物检测机已经成为食品、化工、建材和塑料等工业行业生产过程中越来越重要 的关键设备。为确保产品或原料的纯净，保护人身安全或产品品质，保护关键设备安全， 杜绝生产安全事故或检修成本，都需要金属检测机来检测物料中是否含有金属杂质。
平衡式金属检测机应用平衡交变磁场中的磁场微变检测技术来检测非金属物料中是 否含有金属杂质。实践证明，基于该技术原理的金属检测机具有灵敏度高、抗干扰能力强、 金属与非金属区分效果好、不同材质金属可以分辨、易于生产等显著优点。但其致命的缺 点就是其检测传感器因为受应力变形、热胀冷縮等不可回避自然因素的影响导致其原始静 态平衡状态发生一定的变化后，初期可能出现检测灵敏度降低、噪声信号大、稳定性变差 等关键质量指标下降，进一步变化后将可能使得设备完全丧失检测灵敏度。
现有的技术所采取的保证金属检测机检测灵敏度的方法有(1)生产制作上尽可能将 传感器结构制作扎实，内外腔体间采用环氧树脂等胶粘剂固定、填充，尽可能减少变化；
(2)传感器在出厂前进行应力释放；(3)采用周长余量法、金属置入法、位置调整法机 械式方法进行平衡调节；(4)桥式接收电路还采用电位器进行调节。
以上方法的(1)、 (2)为减少变化的方法，并不能消除或避免检测传感器原始静态平 衡状态发生一定的变化。第(3)种通常在设备出厂以后，在客户的适用环境下进行，操 作起来非常困难，而且必须由生产工厂专业技术人员才能完成，所以只有在迫不得已的情 况下才会釆用，这种方法一方面需要花费大量的人力、物力，另一方面当客户与生产厂家 的距离很远，甚至是不同国家时将越发困难；更有甚者，每次调节只能针对某一具体对象， 不存在普遍性，使得设备没有广泛的适用性，维护也相当困难。第(4)种方法的调节精 度难以控制，调节的效果也直接影响到设备的检测效果，技术难以把握。
为发扬平衡式金属检测技术的众多优点，同时摒弃其致命弱点，提高平衡式金属检测 机的性能，减少使用与维护成本，加入自动平衡调节功能就是本发明的技术核心内容。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属异物检测的自动平衡技术，也就是提供一种开机即进行自动平衡调节的金属异物检测的自动平衡技术。本发明解决了金属异物检测机因原始静态 平衡状态发生一定的变化后检测灵敏度低和稳定性差的问题，弥补了现有技术难以自动平 衡、没有广泛适用性的不足。
本发明的一种金属异物检测的自动平衡技术，是一种开机即进行自动平衡调节的金属 异物检测的自动平衡技术，包括以下步骤
1) 由DSP+ARM组成的控制器控制激励信号源产生正弦激励信号；
2) 激励信号产生交变磁场；
3) 接收传感器感应交变磁场；
4) 接收传感器差动输出信号到混合器；
5) 比例放大器把混合器的信号进行比例放大；
6) 平衡状态提取单元对比例放大的差动信号进行解调和滤波；
7) 上一步获得的信号经过A/D转换器后变成数字信号输入到由DSP+ARM组成的控
制器；
8) 经过DSP的信号分析与处理以后，控制反馈信号合成器生成反馈信号；
9) 反馈信号反馈到混合器；
10) 混合器接收反馈信号和接收传感器的信号并进行混合；
11) 混合信号输出；
12) 若混合信号输出的弧值超出预设范围，则循环第5)步 第11)步，直到混合信 号输出的弧值在预设范围内。具体的预设范围根据调整时间、检测电路的线性工作范围以 及最终应用该检测技术的检测机的噪声来现场调试得到。
作为优选的技术方案
如上所述的一种金属异物检测的自动平衡技术，其中，所述的激励信号源采用DDS 芯片。
如上所述的一种金属异物检测的自动平衡技术，其中，所述的正弦激励信号的频率为 20 卯0kHz。
如上所述的一种金属异物检测的自动平衡技术，其中，所述的DSP的信号分析与处理 采用FIR滤波和反正切变换的算法。
如上所述的一种金属异物检测的自动平衡技术，其中，所述的反馈信号与平衡接收信 号同频、同相并且幅值与接收信号比例固定。
如上所述的一种金属异物检测的自动平衡技术，其中，所述的混合器的信号正比于平衡状态信号。
如上所述的一种金属异物检测的自动平衡技术，其中，所述的接收传感器为差动式传 感器。
本发明的一种金属异物检测的自动平衡技术，是一种开机即进行自动平衡调节的金属 异物检测的自动平衡技术。平衡式金属检测机的检测传感器结构如图2所示中间为发射 线圈，两边为接收线圈。接收线圈对称分布在发射线圈两侧，两接收线圈差动连接。
发射线圈发射固定频率的正弦交变磁场信号
X(t)=Acos (2 nft) ........................................(1.1)
在接收线圈上感应到等幅同相同频交流电压信号。两接收线圈差动连接，理想状态下， 在检测区域无外来金属或磁场影响时接收线圈的输出信号幅值为零。但实际上由于加工误 差、材料误差等存在，该信号幅值为取决于众多误差等因素的一个不确定值。为保证检测 灵敏度，往往需要对该信号进行放大倍数为1K 10K放大。放大后的信号在检测时就是判 断是否含有金属的原始信号。
R(t)=(a(t)+a)cos( (2冗ft+e+e(t)) ....................(1.2)
一般会对该信号进行同步解调，提取出仅包含金属信号(金属调制磁场的信号)和白 色噪声信号。
实践证明，当静态幅值a由于热胀冷缩、应力变形等因素的影响，会逐步变化。当幅 值超过500mv时检测信号的信噪比明显下降，稳定性和检测灵敏度变差。当a超过2000mv 时，可能无法正常工作，误报警将远远超过可接受的范围。
本发明的技术为，在检测线路中加入自动平衡调节功能。通过基于DSP (digital signal processor)和DDS(direct digital synthesis)数字化控制的自动平衡调节反馈系统来实现自动 跟踪平衡调节。
如图3所示，是本发明一种金属异物检测的自动平衡技术的电路实现原理框图。静态 接收线圈的差动接收信号为
R(t)=a*cos( (2;ift+e)...................................(1.3)
自动平衡调节的目的是将静态下的信号的幅值调整到最低，理论最佳状态为0。 开环状态下，比例放大器3的输出为
S3(t)=a*k* cos( (2兀ft+e) ..............................(1.4)
信源DDS4和DDS5的输出分别为
S4(t)=cos (2兀ft) .........................................(1.5)S5(t)=sin (2Tift) ..........................................(1.6)
经乘法器8和9后的输出分别为
S8(t)=a*cos( (2兀ft+e) *cos (2;ift) ...............(1.7)
S9(t)=a*cos( (2兀ft+e) *sin (2 ift) ................(1.8)
低通滤波器12和13的输出为
S12(t)=-a/2*cos(9) .......................................(1.9)
S13(t)=a/2*sin(6) ........................................(1.10)
以上S12(t)， S13(t)的信号经A/D采样后读入DSP，经过FIR虑波器去除干扰和动态变 化后，得到初始平衡信号的幅值与相位。由于接收信号的初始平衡信号是与发射信号同频 的正弦信号，因此的频率是固定的，取决于发射信号的频率。所以幅值与相位的确定就得 到了初始平衡信号的基本信息。
将初始平衡信号的幅值在标准正交单位同频正弦信号上进行投影，得到两个正交分 量，分量值经D/A转换器输出。
D/A的输出信号与DDS生成的标准载波正弦信号在10和11乘法器分别相乘，输出信 号就是反馈调节信号
S10(t)=-a/2*cos( (2兀ft) cos(9)..........................(1.11)
Sll(t)=a/2*sin(27ift) * sin (9) ..........................(1.12)
S10和S11的信号输出至比例放大器S6，经增益调整后得到以下用于自动跟踪静态平 衡信号的信号S6:
S6=a*cos( (2兀ft+e) R(T)-S6(t)=0。
该跟踪过程仅仅在设备开机的时侯进行，因此对动态信号(包含金属有用信号)不会 有影响。
本发明的有益效果是
本发明的一种金属异物检测的自动平衡技术解决平衡式金属检测机因检测传感器自 身平衡状态发生变化后检测灵敏度、稳定性下降的难题，提高检测的稳定性和环境适应能 力。
图1是本发明一种金属异物检测的自动平衡技术的原理框2是传感器结构示意图
图3是本发明一种金属异物检测的自动平衡技术的电路实现原理框图 其中1是差动接收传感器 2是信号混合器 3是比例放大器
4是DDS信号和成器 5是DDS信号和成器 6是比例放大器 7是激励信号源 8是乘法器(解调器) 9是乘法器(解调器) 10是调制器(乘法器) 11是调制器(乘法器) 12是低通滤波器 13是低通滤波器 14是A/D转换器 15是A/D转换器 16是D/A转换器 17是D/A转换器 18是DSP数字信号处理器
具体实施例方式
下面结合具体实施方式
，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术 人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限 定的范围。
如图1所示，是本发明一种金属异物检测的自动平衡技术的原理框图，本发明的一种 金属异物检测的自动平衡技术，是一种开机即进行自动平衡调节的金属异物检测自动平 衡技术，包括以下步骤
1) 由DSP+ARM组成的控制器控制激励信号源产生正弦激励信号；
2) 激励信号产生交变磁场；
3) 接收传感器感应交变磁场；
4) 接收传感器差动输出信号到混合器；
5) 比例放大器把混合器的信号进行比例放大；
6) 平衡状态提取单元对比例放大的差动信号进行解调和滤波；
7) 上一步获得的信号经过A/D转换器后变成数字信号输入到由DSP+ARM组成的控
制器；
8) 经过DSP的信号分析与处理以后，控制反馈信号合成器生成反馈信号；
9) 反馈信号反馈到混合器；
10) 混合器接收反馈信号和接收传感器的信号并进行混合；
11) 混合信号输出；
12) 若混合信号输出的弧值超出预设范围，则循环第5)步 第11)步，直到混合信号输出的弧值在预设范围内。具体的预设范围根据调整时间、检测电路的线性工作范围以 及最终应用该检测技术的检测机的噪声来现场调试得到，使得检测灵敏度和稳定性在正常 状态的一个范围。
其中，所述的激励信号源采用DDS芯片，所述的正弦激励信号的频率为20 900kHz。 如上所述的一种金属异物检测的自动平衡技术，其中，所述的DSP的信号分析与处 理采用FIR滤波和反正切变换的算法，所述的反馈信号与平衡接收信号同频、同相并且幅 值与接收信号比例固定，所述的混合器的信号正比于平衡状态信号，所述的接收传感器为 差动式传感器。
如图3所示，是本发明一种金属异物检测的自动平衡技术的电路实现原理框图。静态 接收线圈的差动接收信号为
R(t)=a*cos( (2兀ft+e) ...................................(1.3)
自动平衡调节的目的是将静态下的信号的幅值调整到最低，理论最佳状态为0。 开环状态下，比例放大器3的输出为
S3(t)=a*k* cos( (2兀ft+e) ..............................(1.4)
信源DDS4和DDS5的输出分别为
S4(t)=cos (2兀ft) .........................................(1.5)
S5(t)=sin (2兀ft) ..........................................(1.6)
经乘法器8和9后的输出分别为
S8(t)=a*cos( (2兀ft+e) *cos (2兀ft) ...............(1.7)
S9(t)=a*cos( (2兀ft+e) *sin (2Tift) ................(1.8)
低通滤波器12和13的输出为
S12(t)=-a/2*cos(0) .......................................(1.9)
S13(t)=a/2*sin(9) ........................................(1.10)
以上S12(t)， S13(t)的信号经A/D采样后读入DSP,经过FIR虑波器去除干扰和动态变 化后，得到初始平衡信号的幅值与相位。由于接收信号的初始平衡信号是与发射信号同频 的正弦信号，因此的频率是固定的，取决于发射信号的频率。所以幅值与相位的确定就得 到了初始平衡信号的基本信息。
将初始平衡信号的幅值在标准正交单位同频正弦信号上进行投影，得到两个正交分 量，分量值经D/A转换器输出。
D/A的输出信号与DDS生成的标准载波正弦信号在10和11乘法器分别相乘，输出信
8号就是反馈调节信号
S10(t)=-a/2*cos( (2兀ft) cos(9)..........................(Ul)
Sll(t)=a/2*sin(2;ift) * sin (9) ..........................(1.12)
S10和S11的信号输出至比例放大器S6，经增益调整后得到以下用于自动跟踪静态平 衡信号的信号S6:
S6=a*cos( (27rft+9) R(T)-S6(t)=0。
该跟踪过程仅仅在设备开机的时侯进行，因此对动态信号(包含金属有用信号)不会 有影响。
权利要求
1.一种金属异物检测的自动平衡技术，其特征是包括以下步骤1)由DSP+ARM组成的控制器控制激励信号源产生正弦激励信号；2)激励信号产生交变磁场；3)接收传感器感应交变磁场；4)接收传感器差动输出信号到混合器；5)比例放大器把混合器的信号进行比例放大；6)平衡状态提取单元对比例放大的差动信号进行解调和滤波；7)上一步获得的信号经过A/D转换器后变成数字信号输入到由DSP+ARM组成的控制器；8)经过DSP的信号分析与处理以后，控制反馈信号合成器生成反馈信号；9)反馈信号反馈到混合器；10)混合器接收反馈信号和接收传感器的信号并进行混合；11)混合信号输出；12)若混合信号输出的弧值超出预设范围，则循环第5)步～第11)步，直到混合信号输出的弧值在预设范围内。
2. 如权利要求1所述的一种金属异物检测的自动平衡技术，其特征在于，所述的激励信 号源采用DDS芯片。
3. 如权利要求1所述的一种金属异物检测的自动平衡技术，其特征在于，所述的正弦激 励信号的频率为20 900kHz。
4. 如权利要求l所述的一种金属异物检测的自动平衡技术，其特征在于，所述的DSP的 信号分析与处理采用FIR滤波和反正切变换的算法。
5. 如权利要求1所述的一种金属异物检测的自动平衡技术，其特征在于，所述的反馈信 号与平衡接收信号同频、同相并且幅值与接收信号比例固定。
6. 如权利要求1所述的一种金属异物检测的自动平衡技术，其特征在于，所述的混合器 的信号正比于平衡状态信号。
7. 如权利要求1所述的一种金属异物检测的自动平衡技术，其特征在于，所述的接收传 感器为差动式传感器。
全文摘要
本发明涉及一种金属异物检测的自动平衡技术，特别是涉及一种开机即进行自动平衡调节的金属异物检测的自动平衡技术。本发明解决了金属异物检测机因原始静态平衡状态发生一定的变化后检测灵敏度低和稳定性差的问题，弥补了现有技术难以自动平衡、没有广泛适用性的不足。
文档编号G01N27/82GK101315349SQ200810040660
公开日2008年12月3日 申请日期2008年7月17日 优先权日2008年7月17日
发明者坚 洪 申请人:坚 洪