電感傳感器金屬探測定位系統(tǒng)設(shè)計＊

吳煒，嚴(yán)利平，鮑志業(yè)，陳科

（浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院，杭州310018）

引 言

金屬探測儀作為一種非接觸式檢測裝置，在工業(yè)領(lǐng)域以及日常安檢中有著十分廣泛的應(yīng)用，對于金屬的檢測，金屬探測儀往往需要有較高的精確度以及較快的反應(yīng)速度。本文以飛思卡爾Kinetis系列微控制器K60為控制核心，通過LDC1000電感傳感器來探測金屬物體的位置。LDC1000電感傳感器是利用電磁感應(yīng)的原理來探測與金屬物體的間距，而且對于不同的金屬材質(zhì)，其感應(yīng)的強(qiáng)度也不同。將LDC1000電感傳感器的數(shù)據(jù)傳輸至微控制器中，經(jīng)過軟件處理后最終確定金屬的位置。通過直線電機(jī)和滑軌來控制LDC1000電感傳感器探頭的運(yùn)動與探測。由于橫向掃描的精度要求高，所以選用步進(jìn)電機(jī)的方法來掃描，而縱向掃描要求速度快，所以選用直線電機(jī)來掃描。同時，系統(tǒng)可以通過撥碼開關(guān)來選擇探測的金屬物體類型，且探測的時間和探測到的金屬物體的位置可由液晶顯示，具有較好的人機(jī)界面。

系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，控制精度高，可以廣泛地用于機(jī)場、車站、碼頭等地方的安檢，既可檢測旅客包裹中帶有的危險管制刀具等，也可以檢測藏在人眼所觀察不到的地方的金屬。

1 LDC1000工作原理簡介

LDC1000是一款非接觸式、短程傳感的電感檢測傳感器芯片，能夠?qū)⒛M電感值轉(zhuǎn)換為數(shù)值量，同時具有低成本、高分辨率遙感的導(dǎo)電性。它的內(nèi)置處理芯片具有SPI通信接口，能夠很方便地與單片機(jī)進(jìn)行通信。LDC1000只需要外接一個PCB線圈或者自制線圈就可以實(shí)現(xiàn)非接觸電感檢測，測試外部金屬物體和LDC相連的測試線圈的空間位置關(guān)系。利用這個特性配以外部設(shè)計的金屬物體，即可很方便地實(shí)現(xiàn)水平或垂直距離檢測、角度檢測、位移檢測、運(yùn)動檢測、振動檢測和金屬成分檢測[1]。

LDC1000的電感檢測利用的是電磁感應(yīng)原理。如圖1所示，傳感器內(nèi)部會產(chǎn)生一個交變電流，加在PCB線圈或者自制線圈上，線圈周圍會產(chǎn)生交變電磁場，這時如果有金屬物體進(jìn)入這個電磁場，則會在金屬物體表面產(chǎn)生渦流（感應(yīng)電流）。由于渦流電流跟線圈電流方向相反，因此渦流產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場跟線圈的電磁場方向相反。渦流是金屬物體的距離，大小、成分的函數(shù)。渦流產(chǎn)生的反向磁場與線圈耦合在一起，就像是有另一個次級線圈存在一樣。LDC1000的線圈作為初級線圈，渦流效應(yīng)作為次級線圈，這樣就形成了一個變壓器。由于變壓器的互感作用，在初級線圈這一側(cè)就可以檢測到次級線圈的參數(shù)[1]。

圖1中，Ls是初級線圈電感值，Rs是初級線圈的寄生電阻；L（d）是互感值，R（d）是互感的寄生電阻，括號中的d表示L（d）和R（d）是距離的函數(shù)；交變電流只加在電感上（初級線圈），則在產(chǎn)生交變磁場的同時也會消耗大量的能量。這時將一個電容并聯(lián)在電感上，由于LC的并聯(lián)諧振作用能量損耗大大減小，只會損耗在Rs和R（d）上。如圖2所示，可以看出，檢測到R（d）的損耗就可以間接地檢測到d[1]。

圖1 產(chǎn)生互感的LDC1000線圈等效圖

圖2 并聯(lián)電容C后線圈原理圖

LDC1000并不是直接檢測串聯(lián)的電阻，而是檢測等效并聯(lián)電阻，等效并聯(lián)模型如圖3所示，可以推導(dǎo)出等效并聯(lián)電阻的計算公式：

當(dāng)外部沒有金屬物體的時候，去掉與d相關(guān)的物理量，可以得到：

在LDC1000中，等效并聯(lián)電阻Rp被轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這個數(shù)值的大小與Rp成反比。觀察式（2）可知，Rp與Rs成反比，同時由于Rs大小與LC諧振損耗成正比，由此可得數(shù)字量數(shù)值大小與LC諧振損耗成正比，渦流越大，損耗越大[1]。

圖3 線圈檢測等效圖

2 金屬探測定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本文以LDC1000電感傳感器以及飛思卡爾Kinetis系列微控制器K60為核心，并且由直線電機(jī)驅(qū)動模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、直線電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、LCD液晶顯示屏、矩陣按鍵、電源模塊電路、語音聲光模塊電路、紅外線模塊等組成，具體硬件連接圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

為了在某個指定大小的區(qū)域內(nèi)快速檢測并定位不同材質(zhì)的目標(biāo)金屬，系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)以及直線電機(jī)，利用X軸和Y軸連續(xù)掃描工作模式。

（1）電源的選擇

由于系統(tǒng)需要驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)等，同時要求供電電源穩(wěn)定可靠，所以直接選擇數(shù)控穩(wěn)壓源進(jìn)行供電。給直線電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)提供＋12 V～ -12 V的直流電壓，然后進(jìn)入降壓電路，將電壓降低到5 V以及3.3 V，給K60微控制器以及其他模塊供電。

（2）傳感器的選擇

本文選擇了OMROM反射式紅外光電開關(guān)，感應(yīng)距離為1～50 cm（可調(diào)），感應(yīng)方式為漫反射（非透明物），工作電壓為DC 4.5～5.5 V，工作電流為50 m A，輸出方式為NPN常開，響應(yīng)時間為2 ms。用來檢測直線電機(jī)伸出的長度，這樣可以隨意設(shè)置直線電機(jī)運(yùn)動的位置范圍，以達(dá)到快速定位的目的。

（3）電機(jī)的選擇

通過比較各種電機(jī)的性能，選用了兩種電機(jī)：一種是57步進(jìn)電機(jī)，另一種是38直流電機(jī)。57步進(jìn)電機(jī)具有高耐壓性，可達(dá)到500 V，同時徑向跳動最大0.02 mm（450g負(fù)載），軸向跳動最大0.08 mm（450g負(fù)載），步距精度可達(dá)5%。38直流電機(jī)出軸直徑為5 mm，電機(jī)直徑為38 mm，電機(jī)長度為67 mm，轉(zhuǎn)速可高達(dá)4 000轉(zhuǎn)。因此，將它們結(jié)合使用既可以滿足速度要求，又可以滿足精度要求。

由于LDC1000與K60控制器之間的通信是通過SPI通信協(xié)議進(jìn)行傳輸?shù)模虼诵枰獙DC1000上與SPI通信相關(guān)的4個端口SCLK、CS、SDI、SDO，與K60微控制器上的四個端口D0、D1、D2、D3相連接。D0口輸出一定頻率的高低電平來模擬時鐘信號，D1口輸出高電平，使能LDC1000的SPI通信模塊，SDI、SDO與D2、D3進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成數(shù)據(jù)通信，使得K60控制器能夠進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

系統(tǒng)需要有較好的人機(jī)交互功能，因此在外圍電路中采用4×4矩陣按鍵和Nokia5110LCD液晶顯示屏與K60微控制器的通用I/O口相連接，采用4×4矩陣按鍵可以只通過8個I/O口達(dá)到對16個按鍵進(jìn)行識別，相對于普通按鍵，節(jié)省了一半的I/O口資源。在液晶屏的選擇上，由于系統(tǒng)需要顯示的字符并不多，Nokia5110 LCD液晶屏完全能夠滿足系統(tǒng)的要求，同時具有價格便宜的優(yōu)勢。

在系統(tǒng)中，金屬探測儀需要實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的自動探測功能，因此選擇在X軸上通過步進(jìn)電機(jī)來進(jìn)行橫向的移動，以達(dá)到精確度高這一要求。在達(dá)到高精確度要求的同時需要具有較快的速度，因此在Y軸上選用直線電機(jī)來進(jìn)行縱向移動，兩者相結(jié)合可以進(jìn)行一定范圍內(nèi)的面掃描。

對于步進(jìn)電機(jī)的控制，K60微控制器通過C1口以及E1口與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊相連接，E1口輸出高低電平控制步進(jìn)電機(jī)移動的方向，C1口輸出PWM波控制步進(jìn)電機(jī)移動的速度與距離，最終步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊通過A、B雙相輸出相應(yīng)的電壓驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)移動。

對于直線電機(jī)的控制，K60微控制器通過B0、B1、B2三個端口與電機(jī)驅(qū)動模塊相連接，該電機(jī)驅(qū)動模塊選擇的是簡單的H橋驅(qū)動，可以通過改變PWM來實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小與方向。同時為了能夠精確地檢測以及控制直線電機(jī)移動的距離，系統(tǒng)通過紅外傳感器模塊進(jìn)行檢測，同時信號通過A16端口輸入到K60微控制器中去。

K60微控制器的E0、E2口連接LED以及語音報警系統(tǒng)，在檢測到金屬時，K60微控制器通過在E0和E2口輸出高電平，驅(qū)動LED發(fā)光的同時語音報警系統(tǒng)發(fā)出提示音。

3 金屬探測定位系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

軟件設(shè)計的關(guān)鍵是控制X軸步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)長度和Y軸直線電機(jī)的移動范圍，以及控制LCD液晶顯示屏顯示當(dāng)前探測到的金屬位置和距離。軟件的初始化包括系統(tǒng)時鐘初始化、傳感器LDC1000初始化、液晶顯示屏LCD初始化以及PWM波初始化。主程序開始時，先要通過鍵盤輸入一個閾值，該閾值與要檢測的金屬性質(zhì)有關(guān)，檢測不同金屬會輸入不同的閾值。當(dāng)輸入完閾值后，控制器會讀取LDC1000傳來的數(shù)據(jù)，比較該數(shù)據(jù)和閾值的關(guān)系。

如果該數(shù)據(jù)小于閾值的1/4，則步進(jìn)長度控制為3 cm；如果該數(shù)據(jù)大于閾值的1/4，則步進(jìn)長度控制為1 cm。對于直線電機(jī)的移動范圍控制是通過反射式紅外光電開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的，在直線電機(jī)上會有初始位置、終止位置兩個黑色標(biāo)記。若紅外光電開關(guān)照射到這兩個黑色標(biāo)記，則會輸出高電平到I/O口，當(dāng)控制器的I/O口判斷當(dāng)前的電平為高電平時，就會改變直線機(jī)電驅(qū)動電壓的極性，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反向、正向來回運(yùn)行。LDC1000傳來的數(shù)據(jù)在0.9～1.1閾值范圍內(nèi)時，表示當(dāng)前LDC1000傳感器已經(jīng)探測到金屬了，步進(jìn)電機(jī)和直線電機(jī)將停止運(yùn)行。液晶顯示屏將顯示當(dāng)前金屬的位置和距離。同時，I/O口E0輸出高電平信號，驅(qū)動語音模塊進(jìn)行聲音報警，I/O口E2輸出高電平信號驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光報警。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)對于檢測不同材質(zhì)和大小的金屬物體的精確度，實(shí)驗(yàn)選取了1角硬幣（直徑19 mm，材質(zhì)為鍍鎳鋼芯）、1元硬幣（直徑25 mm，材質(zhì)為鍍鎳鋼芯）和自制鐵絲環(huán)（直徑4 cm，材質(zhì)為鐵）3種金屬作為被檢測金屬物體，放置在50 cm×50 cm范圍內(nèi)任意一處。然后運(yùn)行金屬定位探測系統(tǒng)，對金屬物體進(jìn)行檢測以及定位，最后測量系統(tǒng)定位點(diǎn)與金屬中心點(diǎn)之間的距離誤差，并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，具體結(jié)果如表1所列。

表1 不同金屬檢測定位誤差

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對于不同金屬材質(zhì)以及不同金屬大小的被測物，實(shí)驗(yàn)誤差不同。1角硬幣作為被測物，中心點(diǎn)定位精確度最高，自制鐵環(huán)由于鐵環(huán)只有外圍一圈是金屬，中心部分為空心，因此誤差最大。總體來說，定位誤差在3.6 mm以內(nèi)。

結(jié) 語

本文利用LDC1000電感傳感器來實(shí)現(xiàn)金屬探測定位系統(tǒng)，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可知，該方案定位精度高，定位誤差在3.6 mm以內(nèi)。此外，該系統(tǒng)成本低、結(jié)構(gòu)簡單，只需進(jìn)行X、Y軸掃描，便能快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)金屬探測定位功能，結(jié)合液晶顯示和語音報警功能，可增強(qiáng)人機(jī)互動。該系統(tǒng)可應(yīng)用于建筑施工中墻壁內(nèi)鋼筋、電線的檢測，還可應(yīng)用于機(jī)場、火車站和大型會場安檢時對金屬刀具、槍子彈藥等危險物品的檢測。

[1]Hpati.AY-LDC1000 Datasheet[EB/OL].[2014-12].http：//www.hpati.com.

[2]Freescale.Freescale Kinetis MK60 Datasheet[EB/OL].[2014-12].http：//www.freescale.com.

[3]許卓斌.便攜手金屬探測儀的設(shè)計[J].電子技術(shù)，2001（10）.

[4]賀桂芳.一種新型智能金屬探測儀的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2006（1）.

[5]李偉鋒.基于電磁感應(yīng)法的地下金屬管線無損檢測技術(shù)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2011.

[6]陳金勇.基于ARM的金屬檢測機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)[D].上海：上海海事大學(xué)，2006.