废弃木质材料中金属夹杂物检测系统的设计

吴跃锋, 邓红波

(湖南省林产品质量检验检测中心， 湖南 长沙 410004)

废弃木质材料中金属夹杂物检测系统的设计

吴跃锋, 邓红波

(湖南省林产品质量检验检测中心， 湖南 长沙 410004)

介绍了废弃木质材料中金属夹杂物检测系统的工作原理及系统硬件和软件的设计。该检测系统运用电磁感应原理，采用接收平衡式线圈检测技术探测金属，具有结构简单、抗干扰能力强、探测灵敏度高等优点。

木质材料； 金属夹杂物； 检测系统

废弃木质材料主要包括废旧木制品、废旧建筑模板、废旧木质构件及建筑木质废弃物、工业产品木质包装废弃物等，这些材料通过一定的处理，可以用来生产出高质量的刨花板、纤维板等人造板。目前这些加工工艺和技术虽然已经成熟，但是还存在一些问题，例如：废弃木材中常常嵌有金属铁钉和金属连接件等金属夹杂物等，这些夹杂物如不清除，容易损坏生产设备，造成人身安全事故并影响产品质量。因此，我们针对废弃木质材料中金属夹杂物的性质和特点，专门设计了一套检测系统，用以检测废旧木质材料中金属夹杂物的大小、位置。该检测系统运用电磁感应原理，采用接收平衡式线圈检测技术探测金属，探测线圈直接套入物料传送带[1], 当物料通过时，通过检测探测线圈中电压幅值的变化或两者之间相位角的变化来探测金属[2]。

1 系统组成和工作原理

该系统由探测传感器和信号处理及控制装置组成[3](见图1)。探测电路由多谐振荡电路和探测传感器组成，用于检测物料输送带上的夹杂金属物体。根据法拉第电磁感应定律，当混有金属的木料到达探测传感器时，由于传感器通有交变电流，使金属物体内部产生涡流，涡流产生的磁场反过来又影响原磁场，这种变化可以引起线圈电压幅度和相位的变化[4]。信号处理电路主要是将传感器输出的信号通过相敏检波、放大、滤波后输送到单片机中，通过分析判断是否有金属夹杂物通过，并发出执行指令，驱动执行机构执行指令：报警或驱动其它执行机构。

图1 系统组成图Fig.1 System composition diagram

2 系统硬件设计

整个系统以98C52单片机为核心，其硬件电路分为两部分，一部分是检测电路，包括多谐振荡电路、放大电路和探测线圈；另一部分为信号处理和控制电路[5]，包括相敏检波、直流放大、低通滤波和A/D转换、单片机及报警和控制电路。

2.1 多谐振荡电路

在工作过程中，由多谐振荡器产生方波信号，如图2所示，该方波信号经过放大后会形成频率稳定度高、功率较大的脉冲信号输入到传感器的发射线圈，使通电的线圈周围产生磁场。为了增大发射线圈的电流，在功率放大电路后，通过一个降压变压器将信号送入发射线圈，由于变压器的前后级功率保持不变，因此，可有效地提高发射线圈的电流大小[6]。

图2 多谐振荡器电路图Fig.2 Multivibrator Schematic

2.2 金属探测传感器

该传感器采用接收平衡式线圈检测技术[7]。以三个形状、尺寸完全相同，同轴放置的线圈为探头(如图3所示)，中间为发射线圈，两侧为接收线圈。由发射线圈产生的磁场，使两接收线圈产生同频、反相、等幅的感应电动势，两者相消，使差分输出为零。当有金属物体通过线圈时，金属物体在交变磁场中感应产生涡流，涡流又产生一个附加磁场，与原磁场相向，打破了原来的平衡状态，使两接收线圈的感应电动势不同，差分放大器有相应的信号输出[8]。

图3 金属探测传感器电路图Fig.3 Metal detection sensor schematic

下面用等效阻抗法分析金属目标对电磁感应信号幅度和相位的影响。

金属物体通过传感器区时与发射线圈之间形成互感的等效电路如图4所示。图中，R1为线圈电阻，L1为线圈电感，R2为金属物体的等效电阻，L2金属物体的等效电感，US为激励电压，M为线圈与短路环的互感系数[9]。

图4 金属物体通过传感器区时与发射线圈之间形成互感的等效电路图Fig.4 The mutual inductance equivalent circuit between the metal objects through sensor area and transmitting coil

当没有金属物体通过传感器时，线圈的阻抗：

Z0=R1+jωL1

当有金属物体通过传感器时，根据克希霍夫电压平衡方程式可得[10]：

R1I1+jωL1I1-jωMI2=US

R2I2+JωL2I2-jωMI1=0

求解上述方程，可得I1和I2：

由此可求得线圈受涡流影响后的等效阻抗为：

由上式可知，线圈受电涡流影响后，其等效电阻和等效电感分别为：

当有金属通过传感器探测区时，其等效电阻由原来的R1变为R，等效电感由原来的L1变成L。由此可知，当金属为非磁性材料时，L1不变，等效电感L就减小；当金属为磁性材料时，由于导体被磁化使L1增大。综上分析可知，我们可根据探测线圈探测到的电信号幅度大小来判断金属物体的大小及远近，根据探测线圈探测到的电信号的相位来判断金属物体的属性[11]。

2.3 相敏检波电路

相敏检波的功能是去除噪声信号，提取有用的信息，是传感器探测线圈阻抗信号进行二维分析的核心，其检波原理图如图5所示[12]。在对探测线圈阻抗信号进行相敏检波时，相敏检波对输入探测线圈阻抗信号和参考信号进行乘法运算，得到的输出信号是输入的阻抗信号和参考信号的和频和差频信号。然后把输出信号通过低通滤波器，除去高频的和频信号，得到低频的差频信号[13]。

图5 相敏检波电路图Fig.5 The phase sensitive detection circuit diagram

3 系统软件设计

系统软件采用模块化设计(见图6)，系统初始化主要是89C52区清零、初始化变量值和中断初始化设置[14]，信号采集的主要功能是放大探测线圈阻抗产生的电信号并进行A/D转换、采样[15]。信号处理的主要功能是实时采样探测线圈阻抗信号，处理采样得到的数据并与预先设定的金属物磁感应强度和电压幅度变化作匹配，从而判断该金属物体的大小和材质。

图6 系统软件流程图Fig.6 Flowchart of system software

4 结束语

废弃木质材料中金属夹杂物检测系统是基于电磁感应原理，采用平衡式线圈进行探测，具有结构简单、抗干扰能力强、探测灵敏度高等优点。实际应用表明，该系统既适合大件实木废料或成捆废弃木材金属夹杂物的检测，又适合经辊压破碎后的散碎废木料中金属夹杂物的检测。该系统能探测出大于2mm×40mm铁钉以上的金属物体，防止对后面研磨、热压设备的破坏。

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(文字编校：张 珉)

Designofmetalinclusionsdetectionsystemofwastewoodmaterials

WU Yuefeng, DENG Hongbo

(Hunan Forest Product Quality Check and Inspection Center, Changsha 410004, China)

The work principle and the hardware and software design of the metallic inclusions detection system of waste wood materials were introduced. The detection system using the electromagnetic induction principle identified the metal by receiving balance coil detection technology, which had the advantages of simple structure, strong anti-interference ability and high sensitivity detection.

wood material; metallic inclusions; detection system

2013 — 07 — 16

吴跃锋(1963 — )，男，湖南省涟源市人，副研究员，主要从事木材加工与质量检测研究。

S 776

A

1003 — 5710(2013)05 — 0054 — 03

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2013. 05. 015