电解质溶液对金属检测系统影响研究

马志伟，李丕丁

（上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093）

0 引言

金属探测设备是专门用于检测金属类物质的仪器［1］。金属探测广泛应用于社会各领域，尤其是食品安全方面。在医疗领域，从医用纱布、中药汤剂以及医用敷料中发现金属颗粒、金属丝等金属杂质的报道也屡见不鲜。根据食品药品监督总局规定，在食品生产过程中必须经过金属物质检测才能出厂销售［2-3］。因此，金属检测是食品及部分医用物品生产过程中不可或缺的一道关卡。目前，市场上金属检测设备种类繁多，国外金属检测技术经过近百年的发展已相对成熟，应用更加广泛，但价格昂贵。国内金属检测技术发展迅速，但起步较晚，相较于国外金属检测设备，无论是准确性还是稳定性都略有不及［4］。随着技术的发展，国内金属检测设备性能与国外差距将越来越小［5］。近年来，金属检测设备大多运用平衡式双线圈检测原理，这种设备精度虽高，在无自由导电离子的环境中能够准确地检测出微小金属颗粒，但是在富含自由导电离子环境中检测金属颗粒的准确性极大降低，甚至根本无法检测到。于是，腌制食品以及中药汤剂等一些富含自由导电离子的食品或药品在进行金属检测时的误报率大大提高，使得这些食品、药品的安全性降低。食品与药品中富含的自由导电离子基本来源于各种电解质，主要是NaCl 及各种微量元素。鉴于此，本文基于涡流传感器以及平衡式双线圈金属检测原理设计出一套金属检测系统，对金属导体以及电解质溶液经过系统时的输出数据进行采集、对比、研究和分析，以找出在富含自由导电离子环境中提高金属检测准确率的方法。

1 系统总体方案设计

基于平衡式双线圈原理［6］的金属探测系统总体方案设计如图1 所示。主控芯片为可编程逻辑器件FPGA，其输出的数字激励信号由D/A 模块转换为模拟激励信号，滤波处理后进行功率放大，传到发射线圈。金属经过传感器时引起的磁场变化由接收线圈接收，经过差分放大、模拟解调后，转化为数字信号传入FPGA，再采集信号数据，以便进行后续研究和分析。人机交互模块的主要作用是将激励信号的参数数据传入FPGA。

Fig.1 Overall scheme design of electromagnetic detection system图1 电磁检测系统总体方案设计

2 系统硬件设计

金属检测系统的硬件设计主要包括：功率放大模块、发射模块、接收模块以及信号解调模块。主控芯片采用Xilinx 公司的ZYNQ-7000。

2.1 功率放大模块

激励信号由FPGA 直接产生，由数模转换芯片将其转换为模拟信号，经滤波放大后输出。但此时信号的功率太小，若直接驱动发射线圈，发射线圈不能产生足够强度的交变磁场，当金属颗粒接近传感器时，其导致磁场的微弱变化难以被接收线圈捕捉到或者捕捉到的信号被淹没在噪声中。因此，激励信号需要经过功率放大才能驱动接入发射线圈。该系统的功率放大模块由源极跟随器与射极跟随器级联构成，源极跟随器与射极跟随器都有放大输入信号功率的功能，同时两者具有输入阻抗大、输出阻抗小、功耗低、动态范围大以及失真度小等优点。

Fig.2 Power amplifier module图2 功率放大模块

2.2 发射模块

基于平衡双线圈的金属检测系统的发射模块如图3所示，两边分别为接收线圈1 和接收线圈2，中间为发射线圈，这3 个线圈要求同轴等距平行放置。发射线圈施加有固定频率的正弦交流电压，由电磁感应定律可知，发射线圈的周围会产生一个按正弦变化的交变磁场［7-9］。根据麦克斯韦的电磁场理论，两侧的接收线圈会因为变化的磁场而产生感应电动势，由于两侧的接收线圈与发射线圈的距离相等且处于同一中心线，两侧的接收线圈上的感应电动势大小相等、方向相反，两者的差分输出为零。当金属物质通过时，金属会在发射线圈的变化磁场作用下产生电涡流［10-12］。金属物质的电涡流效应所产生的磁场会抵消一部分发射线圈的磁场，从而使得两个接收线圈处磁场的大小不再相等，即两个接收线圈的差分输出不再为零，由此可以判断出系统中是否有金属物质存在。

Fig.3 Transmitting module图3 发射模块

2.3 接收模块

接收模块包括两个接收线圈以及之后的信号调理电路。

当金属物体通过线圈时，变化的电磁场使得两个接收线圈的差分输出不再为零，但由于金属物体体积较小，因此系统得到的输出也十分微小，且系统存在较大干扰，如果不对输出信号作处理，有效信号可能会完全被噪声淹没。因此，接收线圈输出的信号需经过调理后才能作进一步处理。

2.4 信号解调模块

接收线圈所接受的信号是一个搭载在激励信号频率上的调制信号，要想提取出系统真实的输出就需要对信号进行解调，本系统采用模拟方式对信号进行解调。首先利用信号发生器产生一路正弦信号与一路余弦信号，将其作为一组参考信号，并将这两路参考信号分别与输入的待测信号在乘法器内进行相关运算，运算后的两组信号在低通滤波后进行开方以及反三角运算即可得到待测信号的幅值与其余参考信号的相位差［13］，其中开方及反三角运算由FPGA 完成。解调原理如下：

设待测输入信号x(t)为：

参考信号y1(t)为：

两组信号经过乘法器后输出的信号V1为：

将信号V1送入低通滤波器，滤波器的截止频率设置为w，则得到信号V1：

同理设参考信号y2(t)为：

与输入的信号同样经过乘法器，得到的信号经过低通滤波器后输出V'2为：

则输入信号的幅值A为：

输入信号与参考信号的相位差为：

3 系统软件设计

系统流程如图4 所示。系统开始工作后，首先由FP⁃GA 对系统进行初始化，初始化结束后对激励信号进行参数设置。参数设置完成后，激励信号产生，系统开始运行。FPGA 读取A/D 转换后的数据，对数据执行式（7）与式（8）操作，求出输入信号的幅值与相位。将得到的结果与事先设置的阈值相比较，若小于阈值系统继续运行，若结果大于阈值，系统发出持续警告并中止等待。

3.1 I2S 传输协议

接收线圈所接收的差分信号在经过模拟解调后会产生两组信号，A/D 转换后进入FPGA，并在FPGA 内部进行一系列算术运算。信号在FPGA 内部实际上是一个个离散的点，这就要求在对两组信号计算时两组信号的数据点要一一对应，若偏差太多则会导致求出的信号幅值、相位与实际不符。

基于该实际问题，本系统采用I2S 数据传输协议。I2S协议是飞利浦公司专门为数字音频数据传输而制定的一种总线标准，它能够同时传输两个通道的数据，同时大多数音频AD 为24 位数据精度，完全能够满足系统对采集信号的数据精度要求。

Fig.4 System flow图4 系统流程

3.2 算法设计

由于实验对象过于微小，其对实验系统的影响微乎其微，导致系统对采集的信号波动难以作出有效判断。为了准确判断信号微弱变化，系统使用差分法对信号进行处理。处理后的信号反映信号变化量，有效放大了信号波动，使得信号波峰更加突出。差分法原理如下阐述。

设函数y=f(x)，y只在x为非负整数时有定义，即x依次取0，1，2，…时，相应的y的值为f(0)，f(1)，f(2)，…。将y的值简记为y0,y1,y2,...。

当自变量x增加时，函数值y的变化量为：

Δyx被称为函数f(x)在点x处的一阶差分。

同理可得f(x)在点x处的二阶差分为：

以及f(x)在点x处的n阶差分为：

差分法的缺点是在放大信号变化量的同时会放大信号中的一些毛刺，因此在对信号进行差分处理之前需首先对信号进行平滑滤波处理。

4 系统影响因素分析

基于对金属检测系统的硬件搭建和软件设计，本文对搭建系统的影响因素进行分析，并设计实验方案。

4.1 激励信号频率对系统影响因素

在激励线圈上施加有固定频率和固定幅值的正弦交流信号，激励信号的频率会对涡流传感器的输出产生影响，由双线圈涡流传感器的数学模型可知，改变激励信号的频率大小会使得两个接收线圈输出的差分电压发生相应改变。当增加激励信号的频率时，涡流传感器的输出电压会增大。然而，激励信号频率增加的同时也会使得接收线圈的等效阻抗增大，导致涡流传感器输出的电压降低。接收线圈的等效阻抗随着激励信号频率增加而变大的原因可以通过涡流损耗的能量进行说明，当被测物质不是纯导体时，电涡流在被测导体内的功率损耗为［14-15］：

式中，h 是趋肤深度，f 是激励信号频率，B 为磁场强度，ρ 为导体密度，r1是涡流圆环的外径，r2是涡流圆环的内径。由上式可知，涡流损耗功率P 随着激励信号频率ω的增加而增大。

4.2 电解质溶液对系统的影响

金属检测系统的主要物理原理为电磁感应原理与电涡流原理。当金属颗粒进入发射磁场后，在变化的磁场作用下金属内部会产生电涡流，进而在金属物质周围的空间里会产生与原磁场相反的磁场［16-17］。由金属导体的电涡流效应所产生的感应磁场会使得接收线圈中的感应电流发生变化，从而使得接收线圈的阻抗发生变化，即接收线圈的感应电动势的大小和相位发生改变［18-19］。

电解质溶液是指溶质溶解于溶剂后完全或部分分解为离子的溶液，溶质即为电解质。电解质溶液的导电性是靠电解质离解出来的带正电荷的阳离子和带负电荷的阴离子在外电场作用下定向地向对应电极移动并在其上放电而实现。电解质导电属于离子导电，其大小随温度升高而增大。通常依靠自由电子导电的金属导体为第一类导体，而电解质溶液和熔体为第二类导体。

电解质溶液的导电性与金属导电性相同，都是由自由导电离子在电场作用下定向移动造成，因此电解质溶液对于系统产生的影响应该与金属导体对于系统产生的影响类似甚至相同。不同的是在金属探测系统中，金属导体对系统的影响所造成的输出属于被测信号，而电解质溶液对系统的影响所造成的输出为背景噪声。

5 系统实验分析

5.1 激励信号频率对探测系统影响分析

在研究激励信号频率对探测系统的影响时，改变激励信号的频率，记录各频率参数下1mm 直径Fe 的标准测试卡经过探测系统时的输出信号电压V0。不同激励信号频率对系统探测灵敏度的影响趋势如图5 所示，横坐标为激励信号频率（kHz），纵坐标为相应激励信号频率下输出信号的幅值。由该图可以观察出，输出电压变化量V 随着激励信号频率的增大而先变大后变小，即在中间出现一个峰值，该峰值的意义即是该类金属下的最佳激励频率。在该实验条件不变的情况下，选用相同直径的Gu 和Al 的标准测试卡，通过实验发现不同材料的最佳激励频率也不相同。

5.2 金属导体在系统下的输出

在研究金属导体经过系统的输出时，根据上述实验结果将激励信号的频率设置为300kHz，并将0.6mm、0.8mm、1mm、1.2mm Fe 的标准测试卡组合经过系统，并记录系统输出信号的幅值，绘制系统输出信号幅值随标准测试卡中铁珠的体积变化曲线图。

Fig.5 Variation of output signal amplitude of iron bead with excitation signal frequency图5 铁珠输出信号幅值随激励信号频率变化

如图6 所示，在激励频率为300kHz 的条件下，系统输出信号幅值随标准测试卡中铁珠的体积变化情况。可以看出，随着金属体积的增加，系统输出信号的幅值也随之增加，且可以看出两者为线性关系。

Fig.6 Amplitude of output signal varies with metal volume图6 输出信号幅值随金属体积变化

5.3 电解质溶液在系统下的输出

在研究电解质溶液经过系统的输出时，由于本文所设计的金属探测系统主要用于食品、药品检测，其中主要的电解质溶液为NaCl 溶液，因此这里使用NaCl 溶液作为实验对象。将实验对象换成不同浓度的NaCl 溶液，重复上述实验。

在激励频率为300kHz 的条件下，系统输出信号的幅值随NaCl 溶液浓度变化如图7 所示。可以明显看出，系统输出信号的幅值随着NaCl 溶液浓度的升高而变大，且呈线性关系。

Fig.7 Variation of output signal amplitude with NaCl solution concentration图7 输出信号幅值随NaCl 溶液浓度变化

5.4 实验结果分析

通过上述实验，分别研究激励信号频率、金属导体体积以及电解质溶液浓度对系统输出信号幅值的影响。激励信号频率对于系统的影响巨大，不合适的激励信号频率会导致整个系统灵敏度大幅度下降。在本系统中，激励信号频率的选择要尽量接近于待测金属Fe 的最佳激励频率而远离NaCl 溶液的最佳激励频率。对比Fe 的标准测试卡经过系统时所产生的输出与NaCl 溶液经过系统时所产生的输出，两者皆与测试对象的质量成正比。

6 成果展示

对Fe、SUS、Gu、Al 4 种不同元素在4 种不同尺寸下各进行100 次测试，测试结果如表1 所示。

Table 1 Test results of Fe，SUS，Gu and Al in four sizes（unit：%）表1 Fe、SUS、Gu、Al 在4 种尺寸下的测试结果（单位：%）

由表1 可知，对于尺寸在0.8mm 直径及以上的Fe、SUS、Gu、Al 4 种元素，系统识别准确率为100%，而在直径为0.6mm 时系统识别的准确率也都在95% 以上。这说明基于平衡式双线圈的金属检测系统具有极高精度与准确率。

图8 是直径0.8mm 铁珠经过系统时的信号输出，然而将0.8mm 的铁珠与7.6% 的NaCl 溶液同时经过系统时，系统输出如图9 所示，铁珠对系统的影响完全淹没在NaCl溶液所产生的噪声中。而在实际食品生产过程中，其中的NaCl 浓度可能远高于7.6%，尤其是一些腌制食品，因此本系统难以满足在生产过程中对于含水含盐食品的检测要求。

Fig.8 Output signal of 0.8mm diameter iron ball system图8 直径0.8mm 铁珠系统输出信号

Fig.9 Output signal of 0.8mm diameter iron bead and 7.6% NaCl solution图9 直径0.8mm 铁珠与7.6% 的NaCl 溶液的输出信号

7 结语

本文基于平衡式双线圈的金属探测原理，运用模拟信号解调方式，设计了一套用于食品的金属检测系统。通过一系列实验分析并验证了激励信号频率、金属导体以及电解质溶液对于系统输出信号的影响关系。通过调整系统参数进行系统测试，经测试该系统能够准确地检测出直径在0.8mm 以上的金属颗粒，应用前景广阔。但该系统对于在含水含盐的物质中检测金属物质仍具有较大局限性，这可以从最后一个实验中看出，自由导电离子对于系统的影响与金属导体对于系统的影响十分类似，并且在实际生产过程中，电解质的质量要远大于所需检测的金属杂质的质量，因此难以从硬件电路中对两者加以区分。因此，算法设计是金属检测系统在含水含盐物质中提高检测准确率的突破口，而要在复杂的背景噪声中提取出待测信号，卡尔曼滤波是一个很好的选择。