吳躍鋒, 鄧紅波

(湖南省林產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

廢棄木質(zhì)材料中金屬夾雜物檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳躍鋒, 鄧紅波

(湖南省林產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

介紹了廢棄木質(zhì)材料中金屬夾雜物檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理及系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)。該檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用電磁感應(yīng)原理，采用接收平衡式線圈檢測(cè)技術(shù)探測(cè)金屬，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、探測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

木質(zhì)材料； 金屬夾雜物； 檢測(cè)系統(tǒng)

廢棄木質(zhì)材料主要包括廢舊木制品、廢舊建筑模板、廢舊木質(zhì)構(gòu)件及建筑木質(zhì)廢棄物、工業(yè)產(chǎn)品木質(zhì)包裝廢棄物等，這些材料通過一定的處理，可以用來生產(chǎn)出高質(zhì)量的刨花板、纖維板等人造板。目前這些加工工藝和技術(shù)雖然已經(jīng)成熟，但是還存在一些問題，例如：廢棄木材中常常嵌有金屬鐵釘和金屬連接件等金屬夾雜物等，這些夾雜物如不清除，容易損壞生產(chǎn)設(shè)備，造成人身安全事故并影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，我們針對(duì)廢棄木質(zhì)材料中金屬夾雜物的性質(zhì)和特點(diǎn)，專門設(shè)計(jì)了一套檢測(cè)系統(tǒng)，用以檢測(cè)廢舊木質(zhì)材料中金屬夾雜物的大小、位置。該檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用電磁感應(yīng)原理，采用接收平衡式線圈檢測(cè)技術(shù)探測(cè)金屬，探測(cè)線圈直接套入物料傳送帶[1], 當(dāng)物料通過時(shí)，通過檢測(cè)探測(cè)線圈中電壓幅值的變化或兩者之間相位角的變化來探測(cè)金屬[2]。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

該系統(tǒng)由探測(cè)傳感器和信號(hào)處理及控制裝置組成[3](見圖1)。探測(cè)電路由多諧振蕩電路和探測(cè)傳感器組成，用于檢測(cè)物料輸送帶上的夾雜金屬物體。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)混有金屬的木料到達(dá)探測(cè)傳感器時(shí)，由于傳感器通有交變電流，使金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)反過來又影響原磁場(chǎng)，這種變化可以引起線圈電壓幅度和相位的變化[4]。信號(hào)處理電路主要是將傳感器輸出的信號(hào)通過相敏檢波、放大、濾波后輸送到單片機(jī)中，通過分析判斷是否有金屬夾雜物通過，并發(fā)出執(zhí)行指令，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行指令：報(bào)警或驅(qū)動(dòng)其它執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)組成圖Fig.1 System composition diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)以98C52單片機(jī)為核心，其硬件電路分為兩部分，一部分是檢測(cè)電路，包括多諧振蕩電路、放大電路和探測(cè)線圈；另一部分為信號(hào)處理和控制電路[5]，包括相敏檢波、直流放大、低通濾波和A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)及報(bào)警和控制電路。

2.1 多諧振蕩電路

在工作過程中，由多諧振蕩器產(chǎn)生方波信號(hào)，如圖2所示，該方波信號(hào)經(jīng)過放大后會(huì)形成頻率穩(wěn)定度高、功率較大的脈沖信號(hào)輸入到傳感器的發(fā)射線圈，使通電的線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。為了增大發(fā)射線圈的電流，在功率放大電路后，通過一個(gè)降壓變壓器將信號(hào)送入發(fā)射線圈，由于變壓器的前后級(jí)功率保持不變，因此，可有效地提高發(fā)射線圈的電流大小[6]。

圖2 多諧振蕩器電路圖Fig.2 Multivibrator Schematic

2.2 金屬探測(cè)傳感器

該傳感器采用接收平衡式線圈檢測(cè)技術(shù)[7]。以三個(gè)形狀、尺寸完全相同，同軸放置的線圈為探頭(如圖3所示)，中間為發(fā)射線圈，兩側(cè)為接收線圈。由發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，使兩接收線圈產(chǎn)生同頻、反相、等幅的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，兩者相消，使差分輸出為零。當(dāng)有金屬物體通過線圈時(shí)，金屬物體在交變磁場(chǎng)中感應(yīng)產(chǎn)生渦流，渦流又產(chǎn)生一個(gè)附加磁場(chǎng)，與原磁場(chǎng)相向，打破了原來的平衡狀態(tài)，使兩接收線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不同，差分放大器有相應(yīng)的信號(hào)輸出[8]。

圖3 金屬探測(cè)傳感器電路圖Fig.3 Metal detection sensor schematic

下面用等效阻抗法分析金屬目標(biāo)對(duì)電磁感應(yīng)信號(hào)幅度和相位的影響。

金屬物體通過傳感器區(qū)時(shí)與發(fā)射線圈之間形成互感的等效電路如圖4所示。圖中，R1為線圈電阻，L1為線圈電感，R2為金屬物體的等效電阻，L2金屬物體的等效電感，US為激勵(lì)電壓，M為線圈與短路環(huán)的互感系數(shù)[9]。

圖4 金屬物體通過傳感器區(qū)時(shí)與發(fā)射線圈之間形成互感的等效電路圖Fig.4 The mutual inductance equivalent circuit between the metal objects through sensor area and transmitting coil

當(dāng)沒有金屬物體通過傳感器時(shí)，線圈的阻抗：

Z0=R1+jωL1

當(dāng)有金屬物體通過傳感器時(shí)，根據(jù)克?；舴螂妷浩胶夥匠淌娇傻肹10]：

R1I1+jωL1I1-jωMI2=US

R2I2+JωL2I2-jωMI1=0

求解上述方程，可得I1和I2：

由此可求得線圈受渦流影響后的等效阻抗為：

由上式可知，線圈受電渦流影響后，其等效電阻和等效電感分別為：

當(dāng)有金屬通過傳感器探測(cè)區(qū)時(shí)，其等效電阻由原來的R1變?yōu)镽，等效電感由原來的L1變成L。由此可知，當(dāng)金屬為非磁性材料時(shí)，L1不變，等效電感L就減??；當(dāng)金屬為磁性材料時(shí)，由于導(dǎo)體被磁化使L1增大。綜上分析可知，我們可根據(jù)探測(cè)線圈探測(cè)到的電信號(hào)幅度大小來判斷金屬物體的大小及遠(yuǎn)近，根據(jù)探測(cè)線圈探測(cè)到的電信號(hào)的相位來判斷金屬物體的屬性[11]。

2.3 相敏檢波電路

相敏檢波的功能是去除噪聲信號(hào)，提取有用的信息，是傳感器探測(cè)線圈阻抗信號(hào)進(jìn)行二維分析的核心，其檢波原理圖如圖5所示[12]。在對(duì)探測(cè)線圈阻抗信號(hào)進(jìn)行相敏檢波時(shí)，相敏檢波對(duì)輸入探測(cè)線圈阻抗信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算，得到的輸出信號(hào)是輸入的阻抗信號(hào)和參考信號(hào)的和頻和差頻信號(hào)。然后把輸出信號(hào)通過低通濾波器，除去高頻的和頻信號(hào)，得到低頻的差頻信號(hào)[13]。

圖5 相敏檢波電路圖Fig.5 The phase sensitive detection circuit diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)(見圖6)，系統(tǒng)初始化主要是89C52區(qū)清零、初始化變量值和中斷初始化設(shè)置[14]，信號(hào)采集的主要功能是放大探測(cè)線圈阻抗產(chǎn)生的電信號(hào)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、采樣[15]。信號(hào)處理的主要功能是實(shí)時(shí)采樣探測(cè)線圈阻抗信號(hào)，處理采樣得到的數(shù)據(jù)并與預(yù)先設(shè)定的金屬物磁感應(yīng)強(qiáng)度和電壓幅度變化作匹配，從而判斷該金屬物體的大小和材質(zhì)。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.6 Flowchart of system software

4 結(jié)束語

廢棄木質(zhì)材料中金屬夾雜物檢測(cè)系統(tǒng)是基于電磁感應(yīng)原理，采用平衡式線圈進(jìn)行探測(cè)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、探測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)既適合大件實(shí)木廢料或成捆廢棄木材金屬夾雜物的檢測(cè)，又適合經(jīng)輥壓破碎后的散碎廢木料中金屬夾雜物的檢測(cè)。該系統(tǒng)能探測(cè)出大于2mm×40mm鐵釘以上的金屬物體，防止對(duì)后面研磨、熱壓設(shè)備的破壞。

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(文字編校：張 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

吳躍鋒(1963 — )，男，湖南省漣源市人，副研究員，主要從事木材加工與質(zhì)量檢測(cè)研究。

S 776

A

1003 — 5710(2013)05 — 0054 — 03

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