食品流水线安全探测装置设计

李欢

(西安科技大学高新学院 信息与科技工程学院，陕西西安，710109)

0 引言

随着科学技术的发展和人们的生活水平不断的提高,人们对于生活的需求也在不断的提升。尤其食品安全这方面，如果入场食用的食物中混着金属杂质则可能会产生非常严重的后果。因此，国内外对金属探测器的研究与应用越来越受到广泛的重视。近年来食品安全的关注度也一再提高，在食品生产加工、食品的外部包装、衣物的生产制造、木料的加工等等都需要对其进行产安全监测,判断其是否符合我们的实际安全需求,是否存在有威胁人体健康的物质。根据全国安全食品技术委会的规定，所有加工生产的产品必须要符合“危害分析及临界控制点”的规定,防止因为危害物质超标而对人体的健康造成影响[1]。

近几年以来,食品安全事故多发，因此对于食品安全检测来说就显得意义重大。传统的金属探测器经历了多次改良发展，已经从原来最简单的信号模拟技术一直不断发展进步改良到了现在的连续波技术以及现代科技化十足的数字脉冲技术，能够很好的克服检测的局限性，并且创新性的将磁场切割这一物理原理用到了检测装置中来，为目前的金属检测器提供极为精准的探测、精细的灵敏度、高清分辨率、超强仪器性能上都有了一个显著的提高。

金属探测器的使用可以有效地发现并防止异物进入到生产流水线的产品之中。本文主要针对食品生产过程中的金属异物检测的问题进行研究，并给出相应的设计方案。

1 总体设计

1.1 设计原理

金属检测装置的主要原理是采用线圈的电磁感应。对于半径大小为R的单匝圆型线圈，当给线圈通入交流电时，线圈的周围就会有交变磁场的产生。根据毕奥萨伐尔定律可以判断出该线圈的轴心出磁感线的感应强大小为B为[2]：

其中µ=µ0µr，µ为介质的磁导率，µr为相对磁导率，µ0为真空磁导率。

由公式(1)假设线圈可检测范围之内不存在金属材料（即物质不具有磁导率属性，µr=1）线圈处于最中心位置的磁感应强度B大小不改变。当线圈可检测范围之内存在金属物质（即具有磁导率属性µr＞1）。其线圈周围的感应强度大小B随µr增大。

当线圈附近存在非磁性的金属物质时µr＜1,由于金属本身的磁导率改变了线圈周围的磁场,所以使线圈周围的磁感应强度随随µr降低。由此可见,使线圈磁感应发生变化是由金属的磁导率决定的。

1.2 涡流效应

当金属进入变化的磁场中，金属内部会产生感生电动势，由于金属有内阻，所以就会有感应电流的出现，感应电流会沿着金属内部的闭合回路流动，电流流动的情况就像旋涡，所以被称为涡电流，简称涡流。

用导线绕成线圈，并给线圈通入交流电，那么线圈就产生交变磁场。将金属放入线圈磁场中，金属内部就会产生涡流[4]。涡流会产生磁场且与线圈产生的磁场的相位相反，会对线圈产生的磁场产生削弱作用,即会减小原磁场的频率。涡电流的强度大小和金属物质的电导率δ、线圈中的电流的频率ω成正比，即涡电流越大，抑制原磁场的能力就越强[3]。

1.3 基于霍尔元件的金属探测装置

基于霍尔元件的金属探测装置由振荡电路、探测线圈、霍尔元件、放大电路、峰值检波电路、AD转换、单电机系统、液晶显示和报警电路组成。

在霍尔半导体片两端通电流I，并在垂直方向施加磁感应强度B，在霍尔半导体的两侧会产生电动势U。基于霍尔元件的金属探测装置原理图如图1所示。

图1 基于霍尔元件的金属探测装置

1.4 设计思路

通过分析表明，在线圈可检测的范围内，当有金属材料慢慢靠近时，该金属材质的物体内部会产生涡电流，涡电流产生的磁场会对原来的磁场造成影响，并使其频率减小。用导线绕成线圈，并给线圈通入交流电，那么线圈就会产生交变磁场。通过实验分析表明，在线圈可检测的范围内，当有金属材料慢慢靠近时，金属材质的物体内部产生的涡电流，会对原来的磁场造成影响。本文就是利用金属的涡流效应，寻找一种合适的部件来感应涡流导致的线圈磁场频率的变化，且能够对这种变化量进行接收和处理,进而利用单片机实现控制，达到检测异物的目的[5]。结合分析，给出总体设计的几个部分。总体设计主要包含有振荡电路、信号处理电路、控制器、液晶显示和报警模块五个部分构成，功能如下：

（1）振荡电路：产生交变磁场，作为金属检测传感器。

（2）信号处理电路：将正弦波转化为方波，使单片机能够接收由振荡电路产生的信号。

（3）控制器：接收信号处理电路传来的信号，驱动按键和蜂鸣器，并兼顾与LCD的通信。

（4）液晶显示：显示实时频率和基准频率，方便观测频率的变化及调整基准频率。

（5）报警模块：当探测到金属，蜂鸣器发声报警。

2 硬件部分设计

2.1 振荡电路的设计

检测金属，交变磁场是必要条件，交变磁场由振荡电路产生。在振荡电路的选择上，设计选择了电容三点式振荡电路，这是一种LC正弦波振荡电路。

振荡电路主要由选频网络、反馈、放大电路和稳幅环节构成，而电容三点式振荡电路使用了三极管放大电路，由于三极管的非线性特性，使得三极管本身就可以作为稳幅环节使用，因此，不需要额外加入稳幅环节。

振荡电路的主要原理：当给电容三点式振荡电路通电时，电路会产生一个幅值很小的输出量，它的频率很丰富，但因为有选频网络的存在，电路只会对特定单一频率的正弦产生正反馈，在反馈的过程中，输出信号越来越大[6]。由于三极管的非线性特性，输出信号的幅值不会无限增大，当输出信号达到一定数值时，三极管的放大倍数会减小，电路成为一个动态平衡的系统。此时，输出信号经过正反馈网络放大，其作为放大电路的输入信号，而这个输入信号又通过放大电路成为输入量。电容三点式振荡电路的组成及参数如图2所示。振荡电路的频率大小约为39KHz。

图2 电容三点式振荡电路

该振荡电路的起振条件为：Au F>1

2.2 控制器的选择

控制器选择了性能高、功率低、有抗干扰能力强的单片机STC89C52RC，还可以同时实现8051型号芯片单片机的兼容[7]。且在功能上做出了创新。在设计中控制器的作用是测量经过信号处理电路转化的波形的频率，对比金属进入磁场后的频率和没有金属进入磁场范围的频率大小，与显示模块通信，显示基准频率和实时频率，驱动蜂鸣器[8]。

2.3 信号处理电路

电压比较器可以完美的实现对输入信号的分析鉴别作用。在方案设计中，利用电压比较器只输出高电平和低电平两种状态的特性，将其作为信号处理电路使用。用电压比较器实现波形的转换，将正弦波转化为单片机能够接收的脉冲波信号[9]。

通过电位器调节电压比较器的反向输入端的电压，使反向输入端电压略小于正向输入端输入的正弦波电压的最大值，就能达到将正弦波转化为方波的目的。

图3为Multism仿真的LM393将正弦波转化为脉冲波的电路图。波形转换结果如图4所示。

图3 电压比较器LM393波形转换电路图

图4 电压比较器LM393波形转换结果

2.4 显示及报警部分

显示模块采用的型号为LCD1602。该模块能够显示2*16个字符，用其显示实时频率和基准频率。单片机通过程序驱动LCD1602、两个微动开关和0905有源蜂鸣器，分别完成频率的显示、基准频率调整和报警[10]。

3 软件部分设计

软件决定了系统的精确度、稳定性、实用性和智能性。程序主要分为两个部分，数据处理和驱动外部电路。在编写程序的时候把各个功能都写成模块，方便使用而且便于修改。而金属探测器设计的软件部分就是由各个模块的协同工作来实现的。软件需要实现频率的测定、基准频率设置、频率比较、报警和数据显示。

3.1 主程序流程

主程序包含了定时计数器的初始化、LCD1602的初始化和循环。其中循环包括实时频率检测、按键调整基准频率、控制蜂鸣器开关报警。主程序的各个部分共同完成了根据磁场频率的变化进行金属探测的工作。

4 结论与展望

设计制作的实物能够实现探测金属的功能，适合食品流水线使用，有一定的经济价值。但本设计的稳定性还有提升空间，频率会在0.15kHz范围波动，并且频率比较低，这对探测较小金属的灵敏度有比较大的影响。另外功能上还可以扩展：还可以增加外部扩展，如增加蓝牙模块与手机连接，可以进行实时的监控及对基准频率的调整[11]。

随着现代的通信技术以及计算机技术的不断发展已经变得越发成熟,使金属探测装置的提升空间及可靠性及发展前景也越加的广阔。

图5 系统主程序流程图