自主移動智能金屬探測器研制*

許江淳， 余麗玲， 黃生旺

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

自主移動智能金屬探測器研制*

許江淳， 余麗玲， 黃生旺

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

為提升民用金屬探測器探測精度和智能化程度，設計并制作了一種可自主移動探測的金屬探測器。可自主移動的小車承載AY—LDC1000傳感器探頭，利用金屬的渦流效應，采用STM32作為微處理器，檢測探測頻率的變化，并控制探測器自主移動，能在指定范圍內自動、準確地探測出金屬位置。通過實驗檢測該系統的可行性和穩定性，結果表明：探測器能精確自動探測出金屬目標，且具有較高的探測率。

自主移動； 金屬探測器； AY—LDC1000； 渦流效應； STM32

0 引 言

金屬探測器[1～3]設計技術經歷了從最初的模擬電路檢測處理技術到現如今的數字電路檢測處理技術的演變，其分辨率、智能化以及靈敏度都有很大程度的提高。傳統金屬探測器探頭在原理設計上一般利用正弦波振蕩電路，該種電路設計較為復雜，探測靈敏度低且抗干擾能力差，環境及元件的改變都會導致波形失真。為了提高檢測精度、靈敏度及穩定度，本設計以STM32為控制芯片，通過LDC1000數字傳感器來探測導電或導磁金屬的精確位置，利用LDC1000在金屬探測上的特性，處理器通過探測反饋信號調整探測小車自身速度和位置，從而實現了快速、準確的金屬物體定位。

1 金屬探測的原理

金屬物體探測的最基本原理是物理中的電磁感應原理，金屬探測器原理圖如圖1所示，原始探測線圈的電感

L1、電阻R1、電壓有效值E、電流有效值I1、角頻率ω，被探測金屬的等效渦流電感L2、電阻R2、渦流有效值I2，激勵線圈與被探測金屬的互感M之間的對應關系見式(1)和式(2)

I1R1+jL1ωI1=E+jMωI2

(1)

jMωI1=I2R2+jL2ωI2

(2)

圖1 金屬探測器原理圖

根據式 (1)、式(2)得

(3)

由式(3)可知，當線圈靠近金屬物體時，由于渦流效應導致線圈的等效電感、等效電阻發生改變，從而可以通過檢測線圈的電壓變化達到金屬檢測的目的[4]。

但是，上述方法在探測時等效電感與等效電阻的變化同時發生，當兩變量耦合時，可能使探測線圈的電壓為0，從而導致檢測出錯。由于在穩定的工作狀態下，金屬探測器探測線圈中的振蕩頻率幾乎是一個定值，當檢測有金屬物體時頻率改變。為提升探測精度，提出并采用了一種利用頻率變化原理來進行金屬探測的方法。頻率變化公式

Δf=-kf30ΔL

(4)

式中 k與c相關，f0為初始穩定電路中的頻率，ΔL為線圈電感變化量[5]。

電磁感應在金屬中會產生渦流損耗和磁滯損耗。功率損耗P，渦流損耗因子Wx,磁場交變頻率f,磁感應強度的幅值B[4]之間的對應關系

P=Wxf2B2

(5)

從式(4)中可看出頻率的變化受線圈等效電感變化的影響，從式(5)中可看出頻率還與損耗功率有關。以下分析不同情況下頻率的變化規律：

1)導電導磁的金屬：導電性及導磁性都較好，由于渦流電流比較大，產生的磁場極大地削弱了原磁場，使電感略有降低，導致頻率只有小幅度的上升。

2)導電不導磁的金屬：導電性好但不導磁，致使在探測過程中渦流損耗大，但磁滯損耗小，使電感有小幅度的增加，導致頻率會有一定幅度的下降。

3)導磁不導電金屬：導磁性好但不導電，致使其渦流損耗小，而磁滯損耗很大，電感降低幅度比較大，導致頻率有明顯的上升幅度。

4)不導電不導磁的非金屬物料：導電性和導磁性都不好，電感及頻率幾乎沒有變化[4]。

2 系統硬件設計

本設計使用LDC1000作為探測器探頭，系統微控制器選用STM32。當探頭通過金屬物體上方時，探頭內部工作頻率會發生變化，從而能方便地實現金屬探測。系統整體結構簡圖如圖2所示。LCD1000電感傳感器將檢測到的信號傳給STM32，STM32對檢測到的數據進行分析處理后通過調節占空比從而改變舵機的方向和速度。當檢測到金屬，電機停止轉動此時蜂鳴器響且發光二極管發光顯示屏顯示檢測到物體。

2.1 主控電路模塊

根據功能需求，本設計采用微處理器選用ST公司的型號為STM32F103芯片，其內核工作頻率可高達72 MHz，片內RAM為256 kB，系統對數據存儲和對數據的運算處理有較大裕量，其豐富外設接口，如UART,I2C,SPI等，以及豐富的固件庫資源。硬件上系統的電路體積會更小，性能更高，軟件上編程更簡單。

2.2 電源模塊

電源模塊采用LM2596開關電壓調節器，為降壓型電源管理單片集成電路，具有自我保護電路和很好的負載調節特性。由于該器件可以使用通用的標準電感，簡化了開關電源電路的設計，是理想的電源模塊使用芯片。固定輸出版本有3.3,5,12 V，可調版本可以輸出小于37 V的各種電壓。此處使用LM2596將7.2 V電壓降為5 V電壓給舵機供電。

2.3 電機驅動模塊

本模塊選用的是可自由旋轉的舵機，它由直流電機、傳感器和控制電路組成自動控制系統[6]。可以根據需要給控制電路傳送信號得到想要的旋轉角度。舵機有自己的最大旋轉角度，此處選擇最多可旋轉180°的舵機。此處用舵機同時控制小車轉動和前進的速度。舵機的轉角及速度是由STM32單片機產生脈寬調制(PWM)波控制的，小車的兩個輪子分別由兩個同型號的電機控制，最優占空比的變換是通過多次試驗得出來的。通過程序中的算法和多次測試，選出最佳的數據，小車移動精度為0.1 mm，旋轉角精度可達0.5°，高精度運動控制可使主控模塊更好地控制小車，使其更快更準地接近金屬物體。

2.4 傳感器檢測模塊

LDC1000是世界上首款電感/數字轉換器，能夠直接輸出數字量，在惡劣環境中，具有非常高的可靠性。提供SPI接口可以方便連接MCU，只需外接一個線圈就可以實現非接觸式電感檢測。當通有交流信號的傳感器線圈靠近金屬物體時，線圈中的信號發生改變，根據信號的變化來檢測金屬[7]。LDC不僅可以測出不同屬性的金屬物體而且還可以檢測金屬與傳感器線圈的距離，可以方便小車自動搜索到金屬物體。LDC數據讀寫時序如圖3。

圖3 LDC讀/寫時序

2.5 聲光顯示模塊

利用LDC1000可以檢測金屬與檢測線圈距離的特性，小車自動尋找金屬物體。未處理其根據LDC1000探測信號反饋信息逐漸調整舵機的轉角和速度。當探頭停止在金屬物體的正上方時，小車停止運動，啟動聲光報警提示，顯示屏上顯示找到金屬。

3 系統軟件設計

先初始化程序，根據LDC1000 數據手冊及實際測試可知,如果響應時間在2 592～12 000 μs的范圍內,說明LDC1000初始化成功，STM32將讀取LDC1000的數據并繼續判斷頻率的變化情況，否則程序將返回初始狀態重新開始;如果頻率沒有變化STM32將重新讀取LDC的數據;如果金屬探測器在探測目標正上方時頻率有小范圍下降，則可判定為導電的金屬;如果有小范圍上升,則可判斷為導電導磁的金屬;如果頻率上升較大,則判斷為導磁的金屬。系統主流程圖如圖4所示。

依據LDC1000 使用手冊及試驗可知傳感器測量距離的原理就是距離d與Rp值成比例，通過Rp可以推算出金屬的距離，線圈中的等效電阻Rp與諧振頻率f的計算

R=(Rmax×Rmin)/[Rmin×(1-Y)+Rmax×Y]

(6)

Y=Pdata/215

(7)

F=(1/3) ×(Fext/Fcount)×t

(8)

式中Pdata為LDC輸出的數據與距離d有關，其寄存器的地址為0x21和0x22，Rmax和Rmin為線圈周圍無金屬時和線圈距離金屬最近時實際測量中線圈的等效電阻值(事先寫入寄存器中)。Fext是外部基準時鐘頻率，Fcount是LDC內部計數器值，t為響應時間。將系統初始化時的Rp和f顯示在屏上作為參考點，用檢測到金屬物體的信號值與參考點的信號值相減得到變化值Δf，不同的金屬檢測得到的Δf也不同，據此即可進行相應的判斷。依次按照設定對LCD1000的寄存器寫入對應的控制字，利用spi_readBytes函數可以一次性將所有寄存器內的值全部讀出。

數據在程序中的處理：

spi_readBytes(LDC1000_CMD_REVID,&orgVal[0],12);

writerByte(LDC1000_CMD_RpMAX,RpMAX);

writerByte(LDC1000_CMD_RpMIN,RpMIN);

writerByte(LDC1000_CMD_SENSORFREQ,0x94);

writerByte(LDC1000_CMD_LDCCONFIG,0x17);

writerByte(LDC1000_CMD_CLKCONFIG,0x02);

writerByte(LDC1000_CMD_INTCONFIG,0x02);

writerByte(LDC1000_CMD_THRESHILSB,0x50);

writerByte(LDC1000_CMD_THRESHIMSB,0x14)。

4 測試方案與測試數據

4.1 測試方案

為了驗證本文設計的硬件電路和軟件系統的有效性和可靠性，以1 m2無機玻璃板作為檢測區域[8]，將待測物置于玻璃板下方，如圖5(a)所示。小車進入探測區后，讓小車緩慢前進，探頭左右掃描金屬物體，由于探頭掃描的圓半徑為10 mm，所以,當探頭檢測到邊緣的金屬絲時讓小車后退5 mm后旋轉大約90°，讓小車前進5 mm后讓其再轉90°往回繼續掃描，當快掃描到金屬物體時減慢小車的前進速度并做微小的調整讓探頭準確接近金屬物體[9]。多次測量發現線圈中的振蕩頻率在沒有金屬物體時穩定在1.5 MHz。金屬物體探測器的實物圖如圖5(b)。

圖5 金屬探測器環境示意圖和實物圖

4.2 探測頻率測試

為驗證導電金屬、導磁金屬、既導電又導磁金屬的頻率變化特性，對探測頻率進行如下測試：將探測小車置于1 m2有機玻璃板上，測出探頭未檢測金屬時模塊輸出的初始頻率值，然后再分別測出探測器在探測一元硬幣大小的木塊(既不導電也不導磁)、一角硬幣(鋁制不導磁)、一元硬幣(導電導磁)、一元硬幣大小的磁性物體時模塊輸出的頻率值，將檢測到不同物體時的頻率值與初始值相減得到相對頻率值Δf，除木塊Δf為0外，其他物體探測得到的Δf會隨著探測距離的變化而變化。以步進距離為0.5 mm對相對頻率Δf進行采樣，不同材質金屬的頻率變化Δf變化情況如圖6所示。

圖6 不同材質金屬的頻率變化

4.3 測試結果

本設計以LDC1000線圈附近無金屬物時的頻率1.5 MHz為基準頻率,當線圈在導電導磁(鎳合金)物體正上方時，頻率上升22 kHz左右。當線圈在磁性物體正上方時，頻率上升45 kHz左右；當線圈在導電不導磁物體(銅塊)正上方時，頻率下降40 kHz左右。將測得的頻率與設定的頻率變化范圍進行對比，在一定的誤差范圍內，如果檢測頻率在此范圍內，則認為檢測到了對應的金屬物體。通過可自主移動小車尋找金屬物體時線圈頻率變化的規律，可尋找到不同材質的金屬并給出定位指示。

對不同材質的目標物體進行探測實驗，每種實驗80次，并分別統計檢測時間和探測識別次數，測試結果如表1。

表1 測試結果

對木塊的識別率為0；對鋁質目標識別率為100 %，平均耗時87 s；對鎳合金材質目標探測識別率為95 %，平均耗時92 s；對磁性材質探測識別率為97.5 %，平均耗時84 s。

5 結 論

實驗表明：研究設計的可移動自主式金屬探測器具有較強的自主探測能力，探測精度高、識別效果好、系統穩定性高。后期可在此次研制基礎上進行放大制作和改進，以便應用于實際生產生活中。

[1] 周靈彬,疏曉宇.金屬物體探測定位器設計[J].工業儀表與自動化裝置,2016(1):111-114.

[2] Xu Fengqiu,Xu Xianze,Li Zhongbing,et al.A differential probe design for large-range metal detector[J].Sensor Review,2014,341:67-74.

[3] 殷建國.單片機金屬檢測器系統研究[J].現代電子技術,2010(4):183-186.

[4] 彭建學,葉銀忠,侍 尉,等.基于跨導測量的金屬探測方法[J].電測與儀表,2013(4):82-85.

[5] 劉慧娟,李志剛.一種基于電壓和頻率的金屬探測方法[J].儀器儀表學報,2006(7):769-772.

[6] 花加麗,李開霞,葉曉東,等.高靈敏度金屬分離器傳感線圈的設計[J].自動化與儀器儀表,2011(6):50-51.

[7] Zhang Q B,Zhao J.A review of dynamic experimental techniques and mechanical behaviour of rock materials[J].Rock Mechanics and Rock Engineering,2014(47):1411-1478.

[8] 陳 庚,李 擎,時佳斌,等.未知環境中機器人可行區域的認知研究[J].傳感器與微系統,2015,34(1):66-68.

Research and fabrication of autonomous mobile intelligent metal detector*

XU Jiang-chun， YU Li-ling， HUANG Sheng-wang

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China )

In order to improve detection precising and intelligentia- lize degree a metal detector which can be used for autonomous mobile detection is designed and fabricated.Using metal eddy current effect detect change of frequency use STM32,as microprocessor AY—LDC1000 sensor probe carried by autonomous mobile car can automatically and accurately detect metal position.Feasibility and stability of the system are tested by experiments.The experimental results show that the detector can detect metal target accurately and automatically, and has high detection rate.

autonomous mobile; metal detector; AY—LDC1000; eddy current effect; STM32

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0107—04

2016—04—22

云南省科技廳項目(2009GJF30050)；國家質檢總局科技計劃項目(2013QK104)

TP 311

A

1000—9787(2017)04—0107—04

許江淳(1962-)，男，副教授，碩士生導師，從事嵌入式系統技術及應用、SOC及FPGA系統技術應用等研究工作。