金屬純度智能檢測裝置的研究

王 興， 高 菲*， 白 雪， 李彩霞， 崔志強(qiáng)， 董 佳

(1.太原科技大學(xué)，山西 太原 030024； 2.山西瑞諾風(fēng)電子科技有限公司，山西 太原 030043；3.河北省科學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所，河北 石家莊 050081)

金屬在人們的日常生活中是重要的物質(zhì)資源。純金屬元素還可以制作一些合金或高純金屬片、金屬棒并在工業(yè)上得到應(yīng)用。高純金屬是電子工業(yè)、宇航、通信及高科技尖端產(chǎn)業(yè)中的重要基礎(chǔ)材料。隨著科技的發(fā)展，純金屬的需求量越來越大，產(chǎn)量越來越多，然而一些商家在純金屬制造環(huán)節(jié)混合摻雜以獲取更多的利潤，出現(xiàn)了金屬純度不足的問題。到目前為止，許多金屬特性方面的研究為金屬純度的檢測奠定了基礎(chǔ)，這些研究使用的方法多種多樣，例如用電極電導(dǎo)法測量金屬鹽溶液的電導(dǎo)率[1]、對(duì)金屬復(fù)合材料通電來研究其特性[2]等，同時(shí)也有了許多金屬純度檢測技術(shù)[3]。在檢測數(shù)據(jù)采集方面，國外對(duì)數(shù)據(jù)在線采集系統(tǒng)的研究比較豐富，例如在一種溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究[4]中，采用光纖將溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸給溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過RS485串口完成溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的通信，并已將該系統(tǒng)用于電力變壓器的溫度在線監(jiān)測。針對(duì)現(xiàn)有的金屬純度檢測方法檢測準(zhǔn)確率低、受人為因素影響較大等問題[5]，筆者研究了超穩(wěn)定恒流源金屬檢測裝置，使用電壓、溫度傳感器將實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到主控電路板，采用串行通信方式接收檢測數(shù)據(jù)并以圖像的形式顯示在PC端，通過操作PC端實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測過程的控制，從而可以便捷、智能、快速、有效地檢測金屬純度。以規(guī)則體積的金屬銅和鋁為例進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明所研制的裝置可以有效識(shí)別銅和鋁并且得出純度，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集與上傳，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其他金屬的純度檢測。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)備組成

金屬純度智能檢測裝置總體由3個(gè)部分組成，分別是檢測部分、采集部分、控制部分。檢測部分包括兩個(gè)放置金屬待測物的水槽和正負(fù)極電極片；采集部分由電壓傳感器和熱電偶進(jìn)行電壓的感知和溫度的測量，并由PC端完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集和上傳;控制部分電路主板通過自身集成的I/O接口接收電壓傳感器和熱電偶的輸入信號(hào)，通過通信接口與PC端進(jìn)行通信,PC端與云服務(wù)器連接，終端采集數(shù)據(jù)被存放在云端。

1.2 工作原理

金屬純度智能檢測裝置基于物聯(lián)網(wǎng)的三層基本架構(gòu)[6-7]，分別為控制層、感知層和應(yīng)用層，輸入電源為220 V交流電?？刂茖拥闹骺仉娐钒寮闪穗妷簜鞲衅?、熱電偶模塊、電流的輸出端口，以及通信接口。感知層包括電壓傳感器、熱電偶。應(yīng)用層對(duì)感知層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先，PC端通過通信接口向控制層主控電路板發(fā)送信號(hào)來控制檢測部分和采集部分；主控電路板接收到信號(hào)后，輸出0～2 mA恒定電流到金屬檢測部分的水槽1和水槽2。其次，對(duì)于每個(gè)水槽，感知層的電壓傳感器和熱電偶分別采集金屬兩端的電壓和水溫，通過輸入端口輸入到CPU；主控電路板CPU接收到傳感器采集的數(shù)據(jù)信息后，將數(shù)據(jù)通過通信接口反饋給PC端，PC端將這些信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中并上傳到云端，同時(shí)通過編程軟件將數(shù)據(jù)以圖像的形式呈現(xiàn)出來方便進(jìn)行比對(duì)。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)將作為比對(duì)時(shí)的參考值，云服務(wù)器可以對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[8]。設(shè)備工作原理圖如圖1所示，用到的通信接口包括RS232串口、USB接口和以太網(wǎng)口。

圖1 設(shè)備工作原理圖

1.3 檢測方法設(shè)計(jì)

目前，常用的檢測方法有以下3種：① 當(dāng)有標(biāo)準(zhǔn)金屬作為參考時(shí)，比較被測金屬和標(biāo)準(zhǔn)金屬在相同檢測環(huán)境下的電壓曲線偏差；② 當(dāng)沒有標(biāo)準(zhǔn)金屬時(shí)，以數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)作為參考，比對(duì)在相同溫度、相同電流下待測金屬電壓數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中該金屬電壓數(shù)據(jù)的差距；③ 當(dāng)數(shù)據(jù)庫中沒有可以參考的數(shù)據(jù)時(shí)，被檢測金屬自建標(biāo)準(zhǔn)曲線，將兩個(gè)待測金屬的實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。若兩個(gè)待測金屬的數(shù)據(jù)接近，那么兩個(gè)待測金屬都合格；如果兩個(gè)待測金屬數(shù)據(jù)差距較大，那么分別與其他待測金屬進(jìn)行比較。最后將合格的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中記錄，并上傳到云端。檢測方法流程如圖2所示。

圖2 檢測方法流程圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊設(shè)計(jì)

主控電路板是整個(gè)裝置的核心模塊，檢測模塊和PC端通過主控電路板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。它集成了CPU、電源、電壓傳感器、熱電偶、I/O單元、串口模塊等。主要完成的工作有：主控電路板控制電流輸入到檢測裝置；通過RS232串口、USB接口和以太網(wǎng)接口這3種通信接口與PC端連接，完成數(shù)據(jù)通信并對(duì)采集到的電壓、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)采用以太網(wǎng)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包?？刂颇K功能示意圖如圖3所示。

圖3 控制模塊功能示意圖

2.2 采集模塊設(shè)計(jì)

主控電路板上添加了電壓傳感器和熱電偶模塊[9]。電壓傳感器感知到被測金屬的電壓信號(hào)后，利用內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成方便傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，發(fā)送給主控電路板。熱電偶通過測量由自身的溫度梯度形成的熱電動(dòng)勢來得到被測金屬所在水槽的水溫，并將水溫?cái)?shù)據(jù)傳送給主控電路板[10]。主控電路板與PC端控制程序通過RS232串口進(jìn)行通信，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端，PC端采用串行通信方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在顯示屏幕上顯示電壓傳感器單元采集到的兩個(gè)金屬的實(shí)時(shí)電壓數(shù)據(jù)和熱電偶單元傳輸?shù)膬蓚€(gè)水槽中水的溫度數(shù)據(jù)。

2.3 測量模塊設(shè)計(jì)

測量模塊由2個(gè)水槽、2對(duì)電極片、金屬待測物組成。控制主板與水槽連接，接收數(shù)據(jù)，通過RS232串口和PC端的USB接口實(shí)現(xiàn)串行通信。利用標(biāo)準(zhǔn)待測金屬或數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，根據(jù)3種測量方法進(jìn)行檢測。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

金屬純度智能檢測裝置采用分布式模塊化設(shè)計(jì)總體架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)模塊之間的協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了電壓信號(hào)和溫度信號(hào)的采集、變換、存儲(chǔ)和監(jiān)控。在本設(shè)計(jì)中采用Visual Basic+SQL Server 為整體架構(gòu)，結(jié)合串口通信技術(shù)開發(fā)出電壓采集上位機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫讀寫模塊、數(shù)據(jù)參數(shù)采集模塊、電壓曲線顯示模塊、串口通信模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊、用戶管理模塊和系統(tǒng)幫助模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 模塊功能設(shè)計(jì)

軟件主界面分為數(shù)據(jù)參數(shù)采集區(qū)、檢測數(shù)據(jù)分析區(qū)、曲線顯示區(qū)，還有參數(shù)設(shè)置、用戶管理、故障報(bào)警、查詢打印、系統(tǒng)幫助等功能按鈕。其中，兩個(gè)參數(shù)采集區(qū)分別顯示兩個(gè)水槽檢測過程中的電流電壓數(shù)據(jù)、溶液溫度、電路狀態(tài)；檢測數(shù)據(jù)分析區(qū)提供了檢測過程中兩條曲線電壓數(shù)據(jù)的最大差值、最小差值、平均差值和實(shí)時(shí)電流與設(shè)定電流之間的差值、兩個(gè)水槽的溶液溫度之差；曲線顯示區(qū)根據(jù)下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新電壓數(shù)據(jù)并顯示不同顏色的兩條曲線，分別表示標(biāo)準(zhǔn)金屬電壓數(shù)據(jù)隨電流變化的檢測曲線和被測金屬電壓數(shù)據(jù)隨電流變化的檢測曲線?！皡?shù)設(shè)置”按鈕用于設(shè)置電流的自動(dòng)取值間隔，還可以對(duì)電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié)?！坝脩艄芾怼卑粹o可供用戶進(jìn)行登錄操作和完成用戶信息的更新與刪除，通過數(shù)據(jù)庫讀寫模塊可以完成歷史數(shù)據(jù)的查詢、更新、刪除。“系統(tǒng)幫助”按鈕為用戶提供了系統(tǒng)的操作方法和指導(dǎo)，幫助用戶學(xué)會(huì)使用系統(tǒng)軟件。軟件主監(jiān)控界面如圖5所示。

圖5 軟件主監(jiān)控界面圖

3.3 通信指令設(shè)計(jì)

用戶在對(duì)PC端屏幕按鈕進(jìn)行操作時(shí)，這些操作會(huì)轉(zhuǎn)換成指令，主控電路板針對(duì)不同的指令做出不同的反饋。通過發(fā)送指令申請(qǐng)反饋電流電壓數(shù)據(jù)、申請(qǐng)修改檢測電流數(shù)據(jù)。部分指令發(fā)送與反饋設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 指令設(shè)計(jì)表

其中，電流設(shè)置指令值有6位，恒流源電路數(shù)據(jù)采集反饋信息包括20位，分別是恒流源電路輸出電流值6位、恒流源電路輸出電壓值6位、溫度數(shù)據(jù)4位、恒流源電路狀態(tài)及故障碼4位。

3.4 串行通信設(shè)計(jì)

主控電路板與計(jì)算機(jī)間通過數(shù)據(jù)信號(hào)線按位發(fā)送或接收字節(jié)數(shù)據(jù)[7]。計(jì)算機(jī)的USB接口與RS232串口連接，采用半雙工模式與控制主板進(jìn)行串行通信。串口在發(fā)送讀取指令和設(shè)置指令時(shí)需要調(diào)用延時(shí)指令，停止數(shù)據(jù)的讀取。

計(jì)算機(jī)編程軟件接口采用MSComm控件。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集[10]，避免因?yàn)榻邮站彌_區(qū)的大小限制產(chǎn)生溢出而導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)不完整，造成數(shù)據(jù)讀取的失敗，串口接收數(shù)據(jù)采用事件驅(qū)動(dòng)方式。當(dāng)接收到事件驅(qū)動(dòng)時(shí)，將Input獲取到的字符賦值到臨時(shí)變量S中，并判斷是否是起始字符；將臨時(shí)變量S數(shù)據(jù)累加保存到SS中，在接收到結(jié)束字符后對(duì)SS中的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)換處理。根據(jù)通信指令的設(shè)計(jì)區(qū)分接收到的數(shù)據(jù)中每位數(shù)據(jù)位，并將實(shí)時(shí)電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)顯示在PC端。串口接收數(shù)據(jù)指令流程如圖6所示。

圖6 串口接收數(shù)據(jù)指令流程圖

4 智能檢測技術(shù)

4.1 串口通信協(xié)議

兩個(gè)端口進(jìn)行通信時(shí)，端口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)位要保持一致。當(dāng)數(shù)據(jù)從 CPU 經(jīng)過串行端口發(fā)送出去時(shí)，字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的位數(shù)據(jù)；在接收數(shù)據(jù)時(shí)，串行的位數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。在金屬純度智能檢測裝置中，通過PC端應(yīng)用程序接收主控電路板反饋的串口通信數(shù)據(jù)并顯示。PC端應(yīng)用程序要使用串口進(jìn)行通信時(shí)，必須在使用之前向操作系統(tǒng)申請(qǐng)資源打開串口，在通信完成后關(guān)閉串口。主控電路板與PC端進(jìn)行通信的指令協(xié)議如表2所示。

表2 通信指令協(xié)議表

4.2 純度識(shí)別算法

為金屬純度智能檢測裝置設(shè)計(jì)了一種純度識(shí)別算法，可根據(jù)采集到的電壓數(shù)據(jù)有效地識(shí)別金屬純度。

進(jìn)行對(duì)比的兩個(gè)金屬電壓數(shù)據(jù)的最大、最小偏差為

(1)

進(jìn)行對(duì)比的兩個(gè)金屬電壓數(shù)據(jù)的平均偏差為

(2)

式中：Umetali和Umetalj分別為參與比對(duì)的兩個(gè)金屬在同一電流狀態(tài)下的電壓數(shù)據(jù)。

該純度識(shí)別算法流程如下。

④ 若當(dāng)前最大偏差、最小偏差、平均偏差皆小于數(shù)據(jù)庫中的值，則該金屬純度與進(jìn)行對(duì)比的數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的金屬純度相符，可與更高純度的金屬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而進(jìn)一步精確判斷。為了提高識(shí)別精確度及識(shí)別效率，若在4個(gè)數(shù)值點(diǎn)以內(nèi)最大偏差和最小偏差不滿足條件，則提高精度再次測量；否則，該金屬純度低于與之進(jìn)行比較的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的金屬純度。

⑤ 將數(shù)據(jù)檢測結(jié)果添加至數(shù)據(jù)庫中，方便進(jìn)行測量對(duì)比。

上述提高測量精度的方法包括：采用更高精度的電壓傳感器、熱電偶；穩(wěn)定現(xiàn)場測試的環(huán)境，避免由于溫度的改變?cè)斐蓴?shù)值的波動(dòng)等。

4.3 智能檢測

金屬純度智能檢測裝置的主要的通信位于PC端與主控電路板之間。PC端對(duì)被測金屬的數(shù)據(jù)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，用戶可以在PC端觀察到純度檢測模塊金屬電壓數(shù)據(jù)、輸出電流、溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化，也可以通過PC端顯示屏對(duì)檢測電流的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。智能檢測的檢測工作[11-12]分為兩種，一種是離線檢測，另一種是在線檢測。在線檢測是在檢測過程中實(shí)時(shí)進(jìn)行的，離線檢測則是等檢測過程完成后對(duì)采取的樣本進(jìn)行操作。筆者采用智能在線監(jiān)測和控制技術(shù)，將信號(hào)檢測、數(shù)據(jù)處理和計(jì)算機(jī)控制融合在一起，實(shí)現(xiàn)檢測過程智能化和自動(dòng)化。

用戶通過PC端軟件界面可進(jìn)行電流的參數(shù)設(shè)置，通過Visual Basic編程設(shè)計(jì)來控制電流按設(shè)定的取值間隔自動(dòng)變化，主控電路板接收PC端傳出的電流值，將電流調(diào)節(jié)為接收到的電流值，并根據(jù)串口通信協(xié)議做出反饋，同時(shí)將電流輸入到金屬檢測部分。主控電路板將電壓數(shù)據(jù)通過USB接口發(fā)送給PC端，PC端通過Visual Basic通信接口接收數(shù)據(jù)，用Visual Basic程序檢測接收到的電壓數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定，待穩(wěn)定后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在軟件的曲線繪制界面繪制采集到的被檢測金屬電壓數(shù)據(jù)隨電流自動(dòng)連續(xù)取值變化的曲線圖。

4.4 信號(hào)處理

電壓傳感器檢測到的電壓數(shù)據(jù)模擬信號(hào)，需要通過控制單元模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接收的數(shù)字信號(hào)傳給主控電路板，然后通過端口送入計(jì)算機(jī)[13]。熱電偶通過自身的溫度梯度形成的熱電動(dòng)勢得到被測金屬所在水槽的水溫，并將水溫?cái)?shù)據(jù)傳送給主控電路板[14]。用戶設(shè)置的電流信號(hào)為通過計(jì)算機(jī)端口輸出的數(shù)字量信號(hào)，通過控制單元數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(DAC)轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)后輸出。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換原理如圖7所示。

圖7 模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換原理圖

5 實(shí)驗(yàn)檢測

5.1 同種金屬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)PC端呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，同種金屬的曲線基本吻合，選取0.6～1.2 mA電流區(qū)間的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不同銅塊偏差不超過2%，不同鋁塊偏差不超過1%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，電壓曲線對(duì)比如圖8所示。

表3 同種金屬數(shù)據(jù)對(duì)比表

圖8 電壓曲線對(duì)比圖

如圖8所示，上方的兩條線表示不同鋁塊的電壓數(shù)據(jù)曲線，下方的兩條線表示不同銅塊的電壓數(shù)據(jù)曲線?？梢钥闯觯N金屬的曲線重合度較高，不同種金屬的曲線差別較大。

5.2 不同金屬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

選取不同金屬之間差距最小的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在0.6～1.2 mA的電流區(qū)間里，最小偏差為9.94%，最大偏差達(dá)19.58%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同金屬數(shù)據(jù)對(duì)比表

5.3 純金屬與摻雜金屬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

測量了摻雜鋁塊的金屬電壓值曲線，并選取0.6～1.2 mA的電流區(qū)間與純鋁塊數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。純度為98%的鋁塊與純鋁塊最小偏差為5.15%，最大偏差為11.17%；純度為99.5%的鋁塊與純鋁塊最小偏差為3.34%，最大偏差為5.95%。根據(jù)同種金屬對(duì)比實(shí)驗(yàn)中結(jié)果可得出，同種金屬不同個(gè)體的最大偏差小于2%，而摻雜之后的金屬與純金屬對(duì)比時(shí)，最小偏差超過了3%，且純度越低偏差越大。由此，可以識(shí)別出摻雜金屬與純金屬。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示，電壓曲線對(duì)比如圖9所示。

表5 純金屬與摻雜金屬數(shù)據(jù)對(duì)比表

如圖9所示，上、中、下三條線分別表示純鋁、99.5%純度鋁、98%純度鋁的電壓數(shù)據(jù)曲線。因此能夠得出結(jié)論，金屬純度智能檢測裝置可以識(shí)別純度98%以上的金屬。

圖9 摻雜金屬電壓曲線對(duì)比圖

6 結(jié)束語

隨著純金屬需求量的增加，純金屬的產(chǎn)量越來越大，為了避免一些商家在純金屬制造環(huán)節(jié)混合摻雜導(dǎo)致金屬純度不夠，設(shè)計(jì)了金屬純度智能檢測裝置。它包括了PC端、金屬檢測端、控制電路主板這3個(gè)主要部分，提供了3種檢測金屬純度的方法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，通過檢測多種金屬，保存金屬的數(shù)據(jù)曲線，從而可以建立各種金屬的數(shù)據(jù)庫，方便對(duì)更多的金屬進(jìn)行檢測。利用Visual Basic編程設(shè)計(jì)軟件將控制功能、調(diào)度策略集成在PC端的面板上，實(shí)現(xiàn)了金屬純度檢測過程的智能化、可視化，具有高效性、便攜性、實(shí)時(shí)性、可操作性。