用于操作金属检测器的方法和金属检测器与流程

本发明涉及一种用于操作使用一个或多个操作频率的金属检测器的方法，并且涉及一种根据所述方法操作的金属检测器。

背景技术：

1、例如在us8587301b2中描述的金属检测器用于检测产品中的金属污染。如果调整和操作得当，将有助于减少产品中的金属污染。大多数现代金属检测器使用具有平衡线圈系统的探测头。这种设计的检测器可以检测各种各样的产品(诸如新鲜和冷冻产品)中的所有金属污染物类型，包括黑色金属、有色金属和不锈钢。

2、根据平衡线圈原理操作的金属检测器通常包括三个线圈，即缠绕在非金属框架上的发射器线圈和两个相同的接收器线圈，每个线圈通常与其他线圈平行。由于接收器线圈(它们通常围着在它们之间居中的发射器线圈)是相同的，因此在它们中的每一个中感应出相同的电压。为了在系统处于平衡时接收为零的输出信号，第一接收器线圈与具有相反绕组方向的第二接收器线圈串联连接。因此，如果系统处于平衡并且在所观察的产品中不存在污染物，则在接收器线圈中感应出的具有相同幅度和相反极性的电压彼此抵消。

3、然而，一旦金属颗粒穿过线圈布置并暴露于磁场，就迫使涡电流在金属颗粒中流动。涡电流产生次级磁场，其首先在一个接收器线圈附近并且然后在另一个接收器线圈附近干扰初级电磁场。当金属颗粒被输送通过接收器线圈时，在每个接收器线圈中感应出的电压通常以纳伏改变。这种平衡的变化在检测线圈的输出端处产生信号，所述信号可以在接收器单元中被处理、放大，并且随后用于检测所观察的产品中金属污染物的存在。

4、因此，为了最佳的信号检测，金属检测器应当没有或不受可能损害测量的不平衡和干扰。金属检测器的所有模块和部件都应符合最高标准。

5、在接收器单元中，从平衡线圈系统接收的输入信号通常被分成同相分量和正交分量。由这些分量组成的矢量具有幅度和相位角，这是被输送通过线圈系统的产品和污染物的特征。为了识别金属污染物，需要去除或减少“产品效应”。

6、应用于从信号频谱中消除不想要的信号的方法利用了以下事实：金属污染物、产品和其它干扰对磁场具有不同的影响，使得检测到的信号在相位和幅度上有所不同。具有高电导率的材料引起具有较高负电抗信号分量和较小电阻信号分量的信号。具有高磁导率的材料引起具有较小电阻信号分量和较高正电抗信号分量的信号。由铁氧体引起的信号主要是电抗性的，而由不锈钢引起的信号主要是电阻性的。导电的产品通常产生具有强电阻分量的信号。当产品或污染物被输送通过金属检测器时，信号矢量的电阻信号分量与电抗信号分量之间的相位角通常保持恒定。如果产品矢量的相位是已知的，则可以抑制相应的信号矢量，使得对于检测源自金属污染物的信号产生更高的灵敏度。

7、如us8587301b2中所描述的，借助于相敏检测器在不同来源的信号分量的相位之间进行区分允许获得关于产品和污染物的信息。相敏检测器(例如混频器或模拟乘法器电路)允许解调经调制的接收器信号，并提供基带信号，所述基带信号具有与产品、污染物和对金属检测过程有影响的干扰有关的信号分量的幅度和相位信息。如果源自污染物的信号的相位不同于产品信号的相位，则产品信号可以被抑制，而污染物的信号可以被进一步处理。然而，如果污染物的信号的相位接近于产品信号的相位，则污染物的检测失败，因为污染物的信号与产品信号一起被抑制。为了将产品信号的相位角与污染物的相位角分离，确定并应用合适的操作频率。

8、如上所述，金属检测器中的不平衡应当被避免或补偿。us2020333498a1公开了一种方法，利用所述方法，针对从接收器信号提取的不平衡信号分量，将控制数据提供给用于补偿不平衡信号的补偿单元。不平衡信号的数字同相分量被施加到第一控制单元，所述第一控制单元提供针对不平衡信号的同相控制分量，并且不平衡信号的数字正交分量被施加到第二控制单元，所述第二控制单元提供针对不平衡信号的正交控制分量。在补偿单元中，利用根据针对不平衡信号提供的同相控制分量和正交控制分量的相位和幅度，合成具有不平衡信号的频率的数字补偿信号。然后将合成的数字补偿信号转换成模拟补偿信号，并将其施加到平衡线圈系统或接收器信号，用于补偿不平衡信号。

9、us20070296415a1公开了一种用于检测地面中的金属的装置，并且因此与本发明的金属检测设备非常不同。当地面变化时或当搜索点与地面之间的距离变化时，线圈电流发生变化。通过监测和优化发射器线圈中的线圈电流来校正这样的变化。通过优化发射器线圈中的线圈电流，还校正了接收器信号中的缓慢漂移。然而，仅校正了发射器线圈中的线圈电流，而不是直接校正接收器信号本身。这种校正甚至可能导致接收器信号中的快速干扰，这在本发明的金属检测设备中是期望的，但是在us20070296415a1的金属检测设备中是可忽略的。

10、de102017124407a1公开了一种金属检测器，其中参考信号从发射器导出，在接收线圈的连接点处被拾取，并且可选地经由放大器和/或低通滤波器，被馈送到乘法器。然后，所述信号可以在随后的处理中用作参考信号，用于将测量信号分解成实部和虚部，并且为此必须转换成中频。导出用于将测量信号分解成实部和虚部的参考信号不同于导出用于校正接收器信号的复数测量或校正信号(complex measurement or correction signal)。

11、为补偿不平衡而实施的校正回路具有相对高的时间常数和低的基带带宽，以便不影响源自被扫描对象的信号。因此，校正回路忽略了可能发生在金属检测器中的较高频率不稳定性，使得接收到的信号受到较高频率不稳定性的影响，这限制了可实现的信噪比和辨别性能，并且可能导致错误警报。

12、因此，本发明所基于的目的是提供一种用于操作使用一个或多个操作频率的金属检测器的改进的方法以及一种根据所述方法操作的改进的金属检测器。

13、本发明的方法将允许可靠地补偿和/或消除金属检测器中的不平衡、特别是具有较高频率的不平衡和干扰。将去除接收到的信号中的不平衡，使得能够以较高的信噪比检测与污染物相关的信号。本发明的方法将允许校正或补偿动态不平衡和干扰和/或基本上静态的不平衡。因此，由低频或较高频不稳定性对被接收信号在相位和/或幅度上的不期望的调制将被校正或补偿。此外，接收器信号的相位和/或幅度的漂移将是可检测和可校正的。

14、将改进用于控制低频不平衡的控制回路，使得较高频率不平衡不会干扰低频不平衡的补偿。

技术实现思路

1、所述方法用于操作金属检测器，所述金属检测器包括平衡线圈系统，所述平衡线圈系统具有连接到发射器单元的发射器线圈以及连接到接收器单元的输入端的第一和第二接收器线圈，所述发射器单元包括发射器信号路径，针对所述发射器信号路径，通过内部或外部频率源，提供具有至少一个固定的或可选择的操作频率或发射器频率的发射器信号和相关的正交信号，所述发射器信号被施加到发射器放大器的输入端，所述发射器放大器将经放大的发射器信号直接或经由发射器匹配单元转发到所述发射器线圈；所述接收器单元包括至少一个接收器信号路径，在所述接收器信号路径中，从所述平衡线圈系统接收的经调制的接收器信号被直接或经由接收器匹配单元施加到接收器放大器，所述接收器放大器将经放大的经调制的接收器信号直接或间接地转发到接收器相敏检测器，所述接收器相敏检测器利用与对应于发射器信号和正交信号的参考信号解调经调制的接收器信号，以产生具有同相接收器信号分量和正交接收器信号分量的经解调的复数接收器信号(complexreceiver signal)，所述同相接收器信号分量和正交接收器信号分量在包括至少一个信号处理路径的信号处理单元中被处理，在所述信号处理路径中，所述复数接收器信号的与货物或噪声相关的信号分量被抑制、并且源自金属污染物的信号分量被进一步处理。

2、根据本发明，提供至少一个发射器测量通道，所述发射器测量通道接收从发射器信号路径获取的测量信号并且包括测量放大器，所述测量放大器放大所述测量信号并且将所述测量信号直接或间接地转发到测量相敏检测器，所述测量相敏检测器利用与对应于发射器信号和正交信号的参考信号解调所述测量信号，以产生具有同相测量信号分量和正交测量分量的复数测量信号，所述复数测量信号和复数接收器信号被施加到第一校正模块，在所述第一校正模块中，从所述复数接收器信号中去除由所述发射器单元的不稳定性引起的信号分量。

3、发射器信号路径和接收器信号路径可以包括另外的电子模块、例如用于处理发射器信号和经调制的或经解调的接收器信号的附加放大器和滤波器单元。信号处理路径也可以包括另外的模块、例如滤波器模块。

4、此外，可以在模拟域或数字域中实施功能模块、例如相敏检测器。因此，接收器放大器和测量放大器的输出信号可以相应地被施加到接收器相敏检测器和测量相敏检测器的输入端，接收器相敏检测器和测量相敏检测器在输出端处均经由模数转换器连接到信号处理单元。替代性地，接收器相敏检测器和测量相敏检测器可以被实施为信号处理单元或信号处理路径中的软件模块。

5、优选地，在发射器信号路径的端部处或在平衡线圈系统的发射器线圈处拾取测量信号，该测量信号对应于发射器信号路径中的特定点处的发射器信号。在一个优选实施例中，测量信号可从发射器放大器的输出端传递到测量放大器的输入端。在另一个优选实施例中，发射器匹配单元包括具有至少一个初级线圈和至少一个次级线圈的耦合变压器，来自所述耦合变压器的测量信号可从所述至少一个初级线圈或在所述至少一个次级线圈处传递到测量放大器的输入端。在另一优选实施例中，测量线圈耦合到平衡线圈系统的发射器线圈，来自所述测量线圈的测量信号可传递到测量放大器的输入端。由于测量信号在测量相敏检测器中与参考信号、即由频率源提供的发射器信号和相关的正交信号进行比较，在测量相敏检测器的输出端处将可检测到沿着所观察的发射器信号路径已经发生的相位或幅度的任何不稳定性或漂移。因此，对经调制的接收器信号具有影响的与发射器通道的不稳定性和漂移相关的信息和信号可以有利地施加到设置在信号处理单元的信号处理路径中的校正模块，以去除发射器不稳定性和发射器漂移的影响的至少一部分。

6、与平衡线圈系统的不平衡相比，发射器不稳定性或干扰通常以较高的频率发生，例如可能由热条件的变化引起的不平衡。由于取消或补偿了在常规金属检测器中被忽略的较高频率的发射器不稳定性，所以可以以较高的信噪比检测与货物和污染物有关的信号。此外，还避免了由发射器不稳定性引起的错误警报。

7、优选地，连续地观察测量信号，并且将表示发射器单元的连续不稳定性对经调制的接收器信号的影响的相关的复数测量信号与复数接收器信号一起连续地施加到第一校正模块，在所述第一校正模块中，发射器单元的连续出现的不稳定性的影响被去除。与输送通过金属检测器的产品和污染物相关的信号分量优选地在金属检测模块中的稍后阶段被去除。

8、在一个优选实施例中，在金属检测器的校准期间处理复数测量信号以获得复数或非复数恒定参考值，所述复数或非复数恒定参考值表示发射器单元对经调制的接收器信号的恒定影响。该参考值是反映在金属检测器被校准时发射器单元的状态的参考，并且用于归一化复数接收器信号或复数测量信号。为此目的，如下所述，参考值可以施加到复数接收器信号或复数测量信号。然后，经归一化的测量信号ms不再表示发射器通道的绝对测量，而是仅表示在已经进行的校准和实际测量之间的时间间隔中发射器通道的测量的变化。

9、在一个实施例中，恒定参考值和复数接收器信号被施加到第二校正模块，在所述第二校正模块中，复数接收器信号被归一化。

10、在另一个实施例中，恒定参考值和复数测量信号被施加到归一化模块，在所述归一化模块中，复数测量信号在被施加到第一校正模块之前被归一化。

11、本发明的金属检测器优选地包括控制回路，利用所述控制回路，例如由平衡线圈系统引起的低频不平衡被补偿。为此目的，控制回路包括回路控制模块，所述回路控制模块从复数接收器信号中去除与产品和污染物相关的信号分量，以获得复数不平衡信号。基于所确定的复数不平衡信号和所实施的控制功能、例如pid功能，回路控制模块提供复数补偿信号。如us2020333498a1中所述，提取的不平衡信号分量或提取的不平衡信号信息也可以用于合成补偿信号。

12、如下所述，补偿信号优选地在一个或多个修改模块中被修改，并且然后利用操作频率进行调制。然后，在数模转换器中转换经调制的数字补偿信号，所述数模转换器向平衡线圈系统或接收器单元中的经调制的接收器信号提供经调制的模拟补偿信号，用于补偿包含在经调制的接收器信号中的不平衡信号分量。优选地，补偿信号被施加到设置在优选地布置于接收器放大器之前的接收器信号路径中的补偿单元、例如求和或减法单元。经调制的模拟补偿信号可以根据需要在至少一个放大器级中被放大。

13、最优选地，补偿信号由复数测量信号修改，使得补偿信号精确地对应于在接收器通道中出现的不平衡，所述不平衡由于例如在平衡线圈系统中出现的不平衡或发射器单元的不稳定性而被修改。以这种方式，确保了在接收器通道中出现的受发射器不稳定性影响的低频不平衡被完全补偿或取消或从接收器信号中减去。因此，必须通过修改所导出的补偿信号来撤销对导出补偿信号的复数接收器信号施加的校正。因此，补偿信号从提取的不平衡信号或不平衡信号信息与测量信号或测量信号信息的组合导出。

14、因此，通过将复数补偿信号和复数测量信号施加到第一修改模块，从复数补偿信号中去除在第一校正模块中施加到复数接收器信号的校正。通过将经一次修改的复数补偿信号和恒定参考值施加到第二修改模块，从经一次修改的复数补偿信号中去除在第二校正模块中施加到复数接收器信号的校正。第一修改模块和第二修改模块以任何顺序彼此串联布置。

15、如果复数测量信号已经通过恒定参考值归一化并且然后被施加到第一校正模块，则通过将经归一化的复数测量信号以及复数补偿信号施加到单个修改模块来从补偿信号中去除这些校正，在所述单个修改模块中，通过恒定参考值对复数测量信号进行的归一化以及通过经归一化的复数测量信号对复数接收器信号进行的校正都被撤销。

16、因此，通过去除发射器单元的不期望的影响，本发明的方法允许获得具有较高信噪比的与产品和污染物相关的接收器信号，并且以较高精度去除接收器单元中的低频不平衡。

17、本发明的金属检测器可以以一个或多个操作频率操作。如果使用两个或更多个操作频率，则优选地针对每个操作频率在专用的接收器信号路径和专用的信号处理路径中单独地处理接收器信号。对于每个操作频率，在专用的发射器测量通道中处理测量信号。因此，针对每个操作频率并行地处理接收器信号和测量信号。