文摘

双通道金属探测器,有两组垂直地面向传感器天线,提出了扩大探测的标准,从通过厘米毫米范围内,金属传感器,而传统金属传感器专用检测只在毫米或厘米。两个金属检测传感器通道的特点进行调查,分别和干涉效应,而在同时操作,两个传感器之间的通道进行了讨论。金属检测通道,在毫米尺度敏感性,显示检测灵敏度移动的黑色球体,直径0.7毫米,在50千赫激动人心的频率和增强灵敏度分布。和金属探测通道在厘米刻度显示敏感性更加统一的灵敏度分布的灵活性为未来模块化建设。干扰的影响,而在同时操作两个传感器,导致减少输出响应,但仍然有用的检测范围内。因此它是可行的操作两个传感器,有不同的灵敏度范围,同时从毫米到cm规模扩大探测范围,在实际接受的干扰。

1。介绍

金属探测传感器不仅是现在广泛应用于食品加工行业也国防工业(1,2检测金属块周围的物体,相当大的努力一直致力于提高灵敏度和选择性。外国材料不仅金属还木材、陶瓷(3)和细菌(4),不使用金属传感器检测。其他方法设想来检测这些材料不使用金属传感器检测。在这些外国材料,金属件的检测是很重要的(5在食品工业和各种研究集中于此。金属检测的需求是高的在食品行业,最近通过使用x射线检测方法(6和光线7)已经申请。然而该方法使用电磁波是主导,最近使用超导线圈的方法已经尝试(8,9]。理论分析(10,11和敏感性分析12,13]随着形状的金属传感器执行探索电磁金属传感器的灵敏度。另一方面,有尝试(14)通过信号处理来提高能见度的金属块。父的身体包含金属块重要的选择性,并努力发现外国片粉一直试图[15]。传感器头的结构金属探测器灵敏度方面扮演着重要的角色,和相关研究16在这方面)进行。活跃的研究一直在进行各种金属和形状金属传感器头(17]。然而单通道金属检测传感器灵敏度没有显示分辨率通过广泛的金属从毫米到cm大小规模。因此有必要级联传感器有不同的敏感性决议。金属探测传感器,利用电磁波,通常是强烈影响附近的电磁波在多次传感器宽度;这样是不可行的地方第二传感器附近的第一个传感器。本文涉及两个通道的实验开发金属传感器通过级联两个传感器具有不同的灵敏度解析相互干扰最小。Two-perpendicular-antennas模型介绍了最小化物理干扰,和最优信号检测方法研究拒绝之间的干扰金属传感器分辨率有不同的敏感度。

2。Two-Antenna模型

2.1。单通道模型

传统的金属探测传感器灵敏度与分辨率毫米尺度有天线组,一个发射天线和两个接收天线相连相反极性取消接收信号在稳定状态。以防当一个对象包含nonspherical金属块是美联储通过空心天线横向空间如图1,那么传感器显示了一个定向好敏感位置,金属块和天线之间,在电磁扰动通量联系成为最大。在单通道模型中,包含金属块的移动物体扰乱逐渐从第一电磁流量之间的联系TX天线# 1和RX天线# 1第二电磁流量之间的联系TX天线# 1和RX天线# 2。这些空间的数量不同电磁流量联系诱导电流RX天线# 1和# 2,和当前RX天线# 1和# 2的区别变得输出电流,这代表天线的电磁流量不平衡组# 1。

一组天线的等效电路,一个传输和两个接收天线,如图所示2。瞬时输出电压在空载条件下,可以表示为互感的差别,传输和各自的接收天线之间所示(1),也是令人兴奋的频率成正比所示(3)。在这个模型中,发射天线和接收天线之间的距离拉近的距离传递对象包含金属块;因此天线电感比互感较大,和。如果使用正弦信号发射天线很兴奋,,那么天线电流成为所示(2)。考虑

当用于磁链矢量表达式,然后相量电压由于磁链可以表示为(4),表示矢量电流:

有人指出互感方差在决定中发挥着关键作用的敏感性金属检测传感器。互感是表示为(5),和分别代表发射和接收天线之间的耦合系数。这些耦合系数值,:

在初始计量稳定状态,和调整到,输出电压。当高和同样大小的金属块更大,那么它就是有利的敏感性。

2.2。双通道模型

在两个天线设置如图3,移动物体经过天线设置# 1扰乱电磁流量之间的联系逐渐从第三TX天线# 2和RX天线# 4到第四电磁流量之间的联系TX天线# 2和RX天线# 3。空间的数量不同电磁流量联系诱导电流成RX天线# 4和# 3,和当前RX天线# 4和# 3的区别成为天线组# 2的输出电流。

很难计算出移动物体的互感系数的方差;因此实验方法是尝试。通过使用模型图4,每一个天线的输出电压设置成为互感矩阵和瞬时电流的产品的每个发射天线

假设相量目前在一个导体的TX天线# 1,是距离,在天线外下标是远程点,在第一个下标字母是发射天线,在第一个下标字母是接收天线,在第二个下标数字天线数量,数量在第三个下标数字是导线天线的数量,并通过6日4日字母和数字遵循相同的约定在1日3日字母和数字。然后之间的距离是一个导体RX天线的# 1和TX天线导体之一# 1,然后呢之间的距离是一个导体TX天线的# 1和远程点吗。的磁链与一个导体的RX天线由于TX天线导体之一# 1 # 1可以表示为

如果我们考虑磁链一导体从两个发射机天线,接收天线# 1磁链可以表示为在吗

在这个配置中,两个电流的总和TX天线# 1是零,;也同样地TX天线# 2。让点移动无限远,这样的条款包含对数比率的距离变成了无穷小;然后距离之比接近1。用这些为(8)和重组一些对数项,我们有(9)单位weber-turns /计:

因此,磁链在RX天线# 1的总和和所示

同样所有相互电感包括和以类似的方式表达所示

当一个外国对象,例如,一个金属立方体,经过上面的磁链,然后上面的互感将摄动和摄动磁链在传感器输出端口转换为电压。的金属球体,半径,这是米从天线的中心导体,场强的通量密度,因此距离是韦伯夫妇/ m²。因此磁链通过金属球体就如(12),这扰乱相互电感量稳定状态:

3所示。信号检测方法

3.1。噪音抑制使用带通滤波器

双通道金属探测传感器之间使用两个不同的频率天线组# 1和# 2,以避免干扰。在频域,可以最小化这种干扰,提高接收机的频率选择性。假设带通滤波器的特点(瘘)接收机# 1和接收机# 2和输入信号的功率谱密度为接收机# 1和接收机# 2。然后,功率谱密度接收机的# 1和接收机的# 2成为

带通滤波器的带宽变得更窄,该系统将更受环境噪音。但是这也会增加不稳定在维护中心频率的带通滤波器,因为组件值随温度的变化。所以存在最优带通滤波器的价值,从实用的角度来看,这是需要由实验决定。

3.2。噪音抑制使用PSD

带通滤波器后输入信号送入相敏检波器(PSD)增加选择性对干扰噪声如图5。在时域中,两个接收天线的输出信号,连接到相互抵消,喂给接收机。带通滤波器后,是过滤和的产物与通过将导致再次过滤。如果输入信号是信号的混合传输天线# 1和# 2和噪音,然后表示为(14),在(15)。因此, 带通滤波器是最理想的调优和低通滤波器最理想的切断不必要的频率分量,那么传感器的输出信号检测器就如(16)。这个输出信号在(16)显示成正比的直流信号电平接收机输入信号干扰最小:

如果干扰信号具有相同的频率作为传感器检测信号,但由于不同的相位关系,然后在数字滤波器后的输出信号5将在直流转移水平,这取决于程度的干扰,在一个理想的情况。

4所示。系统设计

4.1。金属检测传感器在毫米尺度敏感性

三个频率,50 kHz, 200 kHz,和400 kHz,设计注入实验传感器的设置,在毫米尺度敏感性,探讨频率依赖的敏感性在同时操作的传感器在厘米尺度敏感性。天线组# 1中包含的是金属外壳的外尺寸与开幕式和厘米厘米为传感进入盾外干扰噪声是如图6。单匝的天线用于简单的天线之间的平衡。

接收天线的输出电压,在相反极性连接,调整生产几乎为零电压通过使用两个螺丝,如图7。和零输出信号测量的程度,CMRR(共模抑制比)。调整后空位置,内部空腔天线组# 1充满了环氧抗外部冲击或振动。

器框图天线组# 1图所示8。8 MHz晶体振荡器用于温度稳定性,和基本频率分为所需的频率。时分开关是促进选择单一或混合频率。这个发射机信号的一部分是输入相敏检测器的接收机同步触发信号源。天线与发射机天线阻抗匹配电路是用于匹配阻抗。

天线设置# 1的接收机框图如图9。输入信号从接收天线对输入天线匹配电路不仅对阻抗匹配,还对提高电压。在PRE AMP屏蔽和过滤干扰信号放大后在带通滤波器,输入信号的相位与同步触发信号在PSD块中。最后高频组件在滤波器过滤掉,只和直流分量,相位差成正比,和在音箱放大块作为信号输出。微处理器是用来控制频率选择和其他控制参数MICOM块。

4.2。金属检测传感器在厘米尺度敏感性

单20 kHz频率注入实验传感器设置,在厘米尺度敏感性,探讨干扰效果与前传感器,在毫米尺度敏感性,而在同时操作。天线组# 2的安排设计与天线垂直设置# 1,以避免干扰。多匝的天线是用来补偿缺乏敏感性,由于发射和接收天线之间的距离相对较长,如图10。发射天线制作了使用数控机床来获得足够的厚度,减少阻力,和接收天线被模式在PCB制造。接收天线对连接相反极性,调整至接近零的水平偏移量。

器框图如图11。令人兴奋的频率可调通过电位器来选择最佳操作的频率。

在接收机端如图12,从接收天线对输入信号直接放大在PRE AMP块没有天线匹配电路。在带通滤波器过滤干扰信号后,输入信号的相位与同步触发信号从发射机PSD块。最后高频组件在滤波器过滤掉了块和音箱放大块作为信号输出。只有直流分量,正比于输入信号之间的相位差和同步触发信号,信号输出。

5。测量

5.1。金属检测传感器在毫米尺度敏感性

对于这个传感通道,传感器的灵敏度是关键部分。探测金属件的最小尺寸是相关程度的取消接收天线的信号,因为这限制了最大放大比率。这品质因数(FOM)由CMRR表示,这是对数微分的价值输出,2 mV_页(放大之前),在单通道输出,10 V_页。所示的测量CMRR−74 dB

输出电压大小对黑色金属的依赖是调查,使用黑色测试球直径0.8毫米,1.0毫米,1.2毫米50千赫激动人心的频率和33赫兹滤波器(低通滤波器)截止频率后PSD(相敏检测器)。测量数据显示,输出电压几乎是线性正比于体积如图13。最低可检测的尺寸是0.8毫米的直径用33赫兹滤波器(低通滤波器)截止频率。

输出电压的依赖应用频率(50 kHz, 200 kHz,和400 kHz)研究使用铁球的1.2毫米直径,如图14。测量数据显示,输出电压与应用频率增加,这是密切匹配,如果我们增加天线匹配电路的频率特性的理论预期值。

金属探测传感器使用微分环天线通常存在一个非均匀的敏感性分布在空心线圈的中心区域用于样本通道由于环形线圈的本质。它是必要的,理想情况下,保持平等的敏感性在感应区域。否则样品金属球时将无法觉察的中心区域,即使是检测时通过边缘区域。因此有必要补偿灵敏度分布接近相等的敏感性。上述传感灵敏度分布测量条目,毫米,通过应用50千赫,使用铁测试球的1.2毫米直径,如图(15日)。两个小铜盘子接收天线线圈的中心,在水平方向上,修补补偿敏感性感应电磁流量入口通过提供更多的联系。测量数据表明,敏感性−6 dB的中心传感条目如图15 (b),+ 4 dB增强相比没有补丁。

滤波器的带宽PSD对敏感性增强至关重要。在传统的滤波器,带宽越窄,噪音水平越低。然而,对于移动物体检测的金属传感器,灵敏度下降如果滤波器的带宽太窄,因为频率分量由于移动物体是衰减的。相反,噪音水平上升如果滤波器的带宽太大,导致退化的信噪比(信噪比)。LPF的信噪比提高了收窄带宽并不意味着增加灵敏度,除非它是放大。因此这个超高灵敏度金属传感器的信号,操作接近检测极限,只能被放大后降低噪音水平在不牺牲可用移动物体的频率分量。通滤波器带宽测量的影响,通过不同的截止频率,找到最佳灵敏度时激动人心的50 kHz的频率。在实验过程中,信号被放大的水平相当于减少噪声,同时保持整个系统的增益,因为不存在信号放大的边缘由于固有噪声水平超高灵敏度金属传感器操作接近检出限。滤波器的截止频率,从33赫兹到低于11赫兹,未遂,低于11赫兹频率由于太深导致较弱的信号输出信号频率分量的衰减。11个赫兹的截止频率显示移动物体的最佳性能类似于实际应用。 The signal responses at 11 Hz cutoff frequency together with 33 Hz cutoff frequency are shown in Figure16比较的目的。

进一步测试是由50千赫申请亚铁试样球有0.8毫米和0.7毫米直径使用相同的滤波器赫兹发现检测极限,如图17。测量表明,这种金属传感器能够检测试样亚铁球到0.7毫米直径。因此铁球是扩展的最小可检测大小直径从0.8毫米到0.7毫米直径通过优化滤波器的截止频率。

5.2。金属检测传感器在厘米尺度敏感性

测量数据表明,先前的超高灵敏度金属传感器的线性响应范围约0.7毫米~ 4毫米的铁球直径时令人兴奋的频率是50 kHz和滤波器的截止频率是11赫兹。在这大小限制,传感器检测到金属的存在,但是输出响应变得饱和,无法进一步设置阈值点为不同大小的铁球测试。当然,可检测的大小可以被改变通过改变传感器获得;然而,探测距离仍类似于上面的。金属传感器具有灵敏度在cm中规模设计的灵活性来定位其他相邻轴补偿方向传感器灵敏度的依赖。因此这种传感器使传感在广泛的金属大小规模从毫米厘米,如果是结合前面的超高灵敏度金属传感器。

单通道响应测量,降低增益,描述传感器的频率特性采用TX天线# 2和RX天线# 3,如图18。在实验测试中占据66%的金属板天线表面插入找到金属在敏感性的影响预计频率范围。50千赫观察周围的高峰,这被认为是天线与发射机频率匹配特征。然而金属块的影响是类似的40 ~ 60%范围内,插入后被定义为输出电压与输出电压在插入之前,如图19。指出,灵敏度是如预期增加随着频率增加,即使输出电压的绝对值减少高频率地区由于频率匹配特征。

距离”的影响发射天线和接收天线之间被两次调查分离的距离,比率计算,输出电压在输出电压,如图20.。测量的结果显示趋势,接近的统治。理想的数据和测量数据之间的偏差是由于电磁泄露通量随着距离更远。

灵敏度分布在水平方向上,被逐步覆盖调查沿着中线天线发射天线和接收天线之间的金属板与测试。测量数据显示相当不错的水平线性,非线性只有6.5%。敏感性变异,在垂直方向,测量沿着20 ~ 13% ~ 80%线连接在发射天线和接收天线之间。这意味着彼此面临的环形天线配置提供更均匀分布在敏感性。

单通道实验后,在差模两个接收天线连接,获得相应增加。CMRR被以类似的方式前传感器通道和被计算为-52分贝,不到22分贝相比,前者传感器。因此这个传感器通道被认为是足够的金属物体在厘米尺寸规模。亚铁试样球尺寸(毫米)找到3轴的敏感性测试。和结果总结在表1。如果我们延长天线配置的概念在水平方向上,而不是目前的垂直方向,那么我们就可以获得旋转灵敏度分布。以防我们级联这两个天线配置,然后我们能够获得更多统一的灵敏度分布相互补偿的敏感性。

5.3。同时操作两个传感器

本研究的目标是获得广泛的传感器响应在整个对象从mm规模扩展到厘米级联两个传感器有不同的敏感性和分布。然而金属探测传感器,在微分模式下操作,保持极高的增益提高灵敏度;因此,强烈影响附近的电磁波。因此从其他传感器的影响主要是通过测量调查使用目前的实验装置来检查这个概念的可行性。由于实验装置外部振动非常敏感和电磁波,所有的天线都坚定地安装,调整,使用环氧树脂和固定;因此这不是可行的改变尺寸和距离等参数。来自传感器的响应在毫米尺度敏感性表现出较低的~ 30%响应如图21,而在同时操作与传感器灵敏度在cm中规模相比,独立操作。从PSD的特点,因为这被认为是PSD的输出有减少的趋势随着外界噪声增加。但是不可能分离每个单独的影响,如带通滤波器的影响,屏蔽效果,和PSD的影响,由于巧妙地综合传感器系统。

相反情况下,传感器的响应灵敏度在厘米尺度显示少一点~ 85%的反应,而在同时操作的传感器在毫米范围,灵敏度相比,独立操作。从PSD的特点,这也被认为是但以更少的效果由于低增益水平传感器在厘米尺度敏感性。

6。结论

金属检测传感器的特点有两套垂直地面向传感器天线进行了延长传感范围从毫米尺度到cm范围内用更少的干扰通过级联两个传感器。金属探测传感器在毫米尺度敏感性优于黑色球体的敏感性下降到0.7毫米直径用50千赫激动人心的频率在独立操作。传感器的反应是令人兴奋的频率和亚铁的体积成比例测试样本。对象通过显示增强的灵敏度分布均匀性通过附加铜绕组线圈上的补丁。11赫兹的带宽,具有相敏检测器之后被发现最佳的敏感性增强。金属检测传感器在灵敏度厘米刻度显示更加统一的灵敏度分布,但灵敏度低的顺序,这是适合传感范围扩展到厘米尺度干扰最小。这种天线结构,面对彼此,增加轴的优势在一个简单的方法;因此它使附近的模块化建设实现统一的灵敏度分布没有方向相关的敏感性。干扰的影响而在同时操作两个传感器研究,测量结果显示,减少输出响应但仍然有用的检测范围内。因此它是可行的操作两个传感器,有不同的灵敏度范围,同时从毫米到cm规模扩大探测范围,在实际接受的干扰。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项工作是由2013年仁川国立大学科研资助。