電解質溶液對金屬檢測系統影響研究

馬志偉，李丕丁

（上海理工大學醫療器械與食品學院，上海 200093）

0 引言

金屬探測設備是專門用于檢測金屬類物質的儀器［1］。金屬探測廣泛應用于社會各領域，尤其是食品安全方面。在醫療領域，從醫用紗布、中藥湯劑以及醫用敷料中發現金屬顆粒、金屬絲等金屬雜質的報道也屢見不鮮。根據食品藥品監督總局規定，在食品生產過程中必須經過金屬物質檢測才能出廠銷售［2-3］。因此，金屬檢測是食品及部分醫用物品生產過程中不可或缺的一道關卡。目前，市場上金屬檢測設備種類繁多，國外金屬檢測技術經過近百年的發展已相對成熟，應用更加廣泛，但價格昂貴。國內金屬檢測技術發展迅速，但起步較晚，相較于國外金屬檢測設備，無論是準確性還是穩定性都略有不及［4］。隨著技術的發展，國內金屬檢測設備性能與國外差距將越來越小［5］。近年來，金屬檢測設備大多運用平衡式雙線圈檢測原理，這種設備精度雖高，在無自由導電離子的環境中能夠準確地檢測出微小金屬顆粒，但是在富含自由導電離子環境中檢測金屬顆粒的準確性極大降低，甚至根本無法檢測到。于是，腌制食品以及中藥湯劑等一些富含自由導電離子的食品或藥品在進行金屬檢測時的誤報率大大提高，使得這些食品、藥品的安全性降低。食品與藥品中富含的自由導電離子基本來源于各種電解質，主要是NaCl 及各種微量元素。鑒于此，本文基于渦流傳感器以及平衡式雙線圈金屬檢測原理設計出一套金屬檢測系統，對金屬導體以及電解質溶液經過系統時的輸出數據進行采集、對比、研究和分析，以找出在富含自由導電離子環境中提高金屬檢測準確率的方法。

1 系統總體方案設計

基于平衡式雙線圈原理［6］的金屬探測系統總體方案設計如圖1 所示。主控芯片為可編程邏輯器件FPGA，其輸出的數字激勵信號由D/A 模塊轉換為模擬激勵信號，濾波處理后進行功率放大，傳到發射線圈。金屬經過傳感器時引起的磁場變化由接收線圈接收，經過差分放大、模擬解調后，轉化為數字信號傳入FPGA，再采集信號數據，以便進行后續研究和分析。人機交互模塊的主要作用是將激勵信號的參數數據傳入FPGA。

Fig.1 Overall scheme design of electromagnetic detection system圖1 電磁檢測系統總體方案設計

2 系統硬件設計

金屬檢測系統的硬件設計主要包括：功率放大模塊、發射模塊、接收模塊以及信號解調模塊。主控芯片采用Xilinx 公司的ZYNQ-7000。

2.1 功率放大模塊

激勵信號由FPGA 直接產生，由數模轉換芯片將其轉換為模擬信號，經濾波放大后輸出。但此時信號的功率太小，若直接驅動發射線圈，發射線圈不能產生足夠強度的交變磁場，當金屬顆粒接近傳感器時，其導致磁場的微弱變化難以被接收線圈捕捉到或者捕捉到的信號被淹沒在噪聲中。因此，激勵信號需要經過功率放大才能驅動接入發射線圈。該系統的功率放大模塊由源極跟隨器與射極跟隨器級聯構成，源極跟隨器與射極跟隨器都有放大輸入信號功率的功能，同時兩者具有輸入阻抗大、輸出阻抗小、功耗低、動態范圍大以及失真度小等優點。

Fig.2 Power amplifier module圖2 功率放大模塊

2.2 發射模塊

基于平衡雙線圈的金屬檢測系統的發射模塊如圖3所示，兩邊分別為接收線圈1 和接收線圈2，中間為發射線圈，這3 個線圈要求同軸等距平行放置。發射線圈施加有固定頻率的正弦交流電壓，由電磁感應定律可知，發射線圈的周圍會產生一個按正弦變化的交變磁場［7-9］。根據麥克斯韋的電磁場理論，兩側的接收線圈會因為變化的磁場而產生感應電動勢，由于兩側的接收線圈與發射線圈的距離相等且處于同一中心線，兩側的接收線圈上的感應電動勢大小相等、方向相反，兩者的差分輸出為零。當金屬物質通過時，金屬會在發射線圈的變化磁場作用下產生電渦流［10-12］。金屬物質的電渦流效應所產生的磁場會抵消一部分發射線圈的磁場，從而使得兩個接收線圈處磁場的大小不再相等，即兩個接收線圈的差分輸出不再為零，由此可以判斷出系統中是否有金屬物質存在。

Fig.3 Transmitting module圖3 發射模塊

2.3 接收模塊

接收模塊包括兩個接收線圈以及之后的信號調理電路。

當金屬物體通過線圈時，變化的電磁場使得兩個接收線圈的差分輸出不再為零，但由于金屬物體體積較小，因此系統得到的輸出也十分微小，且系統存在較大干擾，如果不對輸出信號作處理，有效信號可能會完全被噪聲淹沒。因此，接收線圈輸出的信號需經過調理后才能作進一步處理。

2.4 信號解調模塊

接收線圈所接受的信號是一個搭載在激勵信號頻率上的調制信號，要想提取出系統真實的輸出就需要對信號進行解調，本系統采用模擬方式對信號進行解調。首先利用信號發生器產生一路正弦信號與一路余弦信號，將其作為一組參考信號，并將這兩路參考信號分別與輸入的待測信號在乘法器內進行相關運算，運算后的兩組信號在低通濾波后進行開方以及反三角運算即可得到待測信號的幅值與其余參考信號的相位差［13］，其中開方及反三角運算由FPGA 完成。解調原理如下：

設待測輸入信號x(t)為：

參考信號y1(t)為：

兩組信號經過乘法器后輸出的信號V1為：

將信號V1送入低通濾波器，濾波器的截止頻率設置為w，則得到信號V1：

同理設參考信號y2(t)為：

與輸入的信號同樣經過乘法器，得到的信號經過低通濾波器后輸出V'2為：

則輸入信號的幅值A為：

輸入信號與參考信號的相位差為：

3 系統軟件設計

系統流程如圖4 所示。系統開始工作后，首先由FP?GA 對系統進行初始化，初始化結束后對激勵信號進行參數設置。參數設置完成后，激勵信號產生，系統開始運行。FPGA 讀取A/D 轉換后的數據，對數據執行式（7）與式（8）操作，求出輸入信號的幅值與相位。將得到的結果與事先設置的閾值相比較，若小于閾值系統繼續運行，若結果大于閾值，系統發出持續警告并中止等待。

3.1 I2S 傳輸協議

接收線圈所接收的差分信號在經過模擬解調后會產生兩組信號，A/D 轉換后進入FPGA，并在FPGA 內部進行一系列算術運算。信號在FPGA 內部實際上是一個個離散的點，這就要求在對兩組信號計算時兩組信號的數據點要一一對應，若偏差太多則會導致求出的信號幅值、相位與實際不符。

基于該實際問題，本系統采用I2S 數據傳輸協議。I2S協議是飛利浦公司專門為數字音頻數據傳輸而制定的一種總線標準，它能夠同時傳輸兩個通道的數據，同時大多數音頻AD 為24 位數據精度，完全能夠滿足系統對采集信號的數據精度要求。

Fig.4 System flow圖4 系統流程

3.2 算法設計

由于實驗對象過于微小，其對實驗系統的影響微乎其微，導致系統對采集的信號波動難以作出有效判斷。為了準確判斷信號微弱變化，系統使用差分法對信號進行處理。處理后的信號反映信號變化量，有效放大了信號波動，使得信號波峰更加突出。差分法原理如下闡述。

設函數y=f(x)，y只在x為非負整數時有定義，即x依次取0，1，2，…時，相應的y的值為f(0)，f(1)，f(2)，…。將y的值簡記為y0,y1,y2,...。

當自變量x增加時，函數值y的變化量為：

Δyx被稱為函數f(x)在點x處的一階差分。

同理可得f(x)在點x處的二階差分為：

以及f(x)在點x處的n階差分為：

差分法的缺點是在放大信號變化量的同時會放大信號中的一些毛刺，因此在對信號進行差分處理之前需首先對信號進行平滑濾波處理。

4 系統影響因素分析

基于對金屬檢測系統的硬件搭建和軟件設計，本文對搭建系統的影響因素進行分析，并設計實驗方案。

4.1 激勵信號頻率對系統影響因素

在激勵線圈上施加有固定頻率和固定幅值的正弦交流信號，激勵信號的頻率會對渦流傳感器的輸出產生影響，由雙線圈渦流傳感器的數學模型可知，改變激勵信號的頻率大小會使得兩個接收線圈輸出的差分電壓發生相應改變。當增加激勵信號的頻率時，渦流傳感器的輸出電壓會增大。然而，激勵信號頻率增加的同時也會使得接收線圈的等效阻抗增大，導致渦流傳感器輸出的電壓降低。接收線圈的等效阻抗隨著激勵信號頻率增加而變大的原因可以通過渦流損耗的能量進行說明，當被測物質不是純導體時，電渦流在被測導體內的功率損耗為［14-15］：

式中，h 是趨膚深度，f 是激勵信號頻率，B 為磁場強度，ρ 為導體密度，r1是渦流圓環的外徑，r2是渦流圓環的內徑。由上式可知，渦流損耗功率P 隨著激勵信號頻率ω的增加而增大。

4.2 電解質溶液對系統的影響

金屬檢測系統的主要物理原理為電磁感應原理與電渦流原理。當金屬顆粒進入發射磁場后，在變化的磁場作用下金屬內部會產生電渦流，進而在金屬物質周圍的空間里會產生與原磁場相反的磁場［16-17］。由金屬導體的電渦流效應所產生的感應磁場會使得接收線圈中的感應電流發生變化，從而使得接收線圈的阻抗發生變化，即接收線圈的感應電動勢的大小和相位發生改變［18-19］。

電解質溶液是指溶質溶解于溶劑后完全或部分分解為離子的溶液，溶質即為電解質。電解質溶液的導電性是靠電解質離解出來的帶正電荷的陽離子和帶負電荷的陰離子在外電場作用下定向地向對應電極移動并在其上放電而實現。電解質導電屬于離子導電，其大小隨溫度升高而增大。通常依靠自由電子導電的金屬導體為第一類導體，而電解質溶液和熔體為第二類導體。

電解質溶液的導電性與金屬導電性相同，都是由自由導電離子在電場作用下定向移動造成，因此電解質溶液對于系統產生的影響應該與金屬導體對于系統產生的影響類似甚至相同。不同的是在金屬探測系統中，金屬導體對系統的影響所造成的輸出屬于被測信號，而電解質溶液對系統的影響所造成的輸出為背景噪聲。

5 系統實驗分析

5.1 激勵信號頻率對探測系統影響分析

在研究激勵信號頻率對探測系統的影響時，改變激勵信號的頻率，記錄各頻率參數下1mm 直徑Fe 的標準測試卡經過探測系統時的輸出信號電壓V0。不同激勵信號頻率對系統探測靈敏度的影響趨勢如圖5 所示，橫坐標為激勵信號頻率（kHz），縱坐標為相應激勵信號頻率下輸出信號的幅值。由該圖可以觀察出，輸出電壓變化量V 隨著激勵信號頻率的增大而先變大后變小，即在中間出現一個峰值，該峰值的意義即是該類金屬下的最佳激勵頻率。在該實驗條件不變的情況下，選用相同直徑的Gu 和Al 的標準測試卡，通過實驗發現不同材料的最佳激勵頻率也不相同。

5.2 金屬導體在系統下的輸出

在研究金屬導體經過系統的輸出時，根據上述實驗結果將激勵信號的頻率設置為300kHz，并將0.6mm、0.8mm、1mm、1.2mm Fe 的標準測試卡組合經過系統，并記錄系統輸出信號的幅值，繪制系統輸出信號幅值隨標準測試卡中鐵珠的體積變化曲線圖。

Fig.5 Variation of output signal amplitude of iron bead with excitation signal frequency圖5 鐵珠輸出信號幅值隨激勵信號頻率變化

如圖6 所示，在激勵頻率為300kHz 的條件下，系統輸出信號幅值隨標準測試卡中鐵珠的體積變化情況。可以看出，隨著金屬體積的增加，系統輸出信號的幅值也隨之增加，且可以看出兩者為線性關系。

Fig.6 Amplitude of output signal varies with metal volume圖6 輸出信號幅值隨金屬體積變化

5.3 電解質溶液在系統下的輸出

在研究電解質溶液經過系統的輸出時，由于本文所設計的金屬探測系統主要用于食品、藥品檢測，其中主要的電解質溶液為NaCl 溶液，因此這里使用NaCl 溶液作為實驗對象。將實驗對象換成不同濃度的NaCl 溶液，重復上述實驗。

在激勵頻率為300kHz 的條件下，系統輸出信號的幅值隨NaCl 溶液濃度變化如圖7 所示。可以明顯看出，系統輸出信號的幅值隨著NaCl 溶液濃度的升高而變大，且呈線性關系。

Fig.7 Variation of output signal amplitude with NaCl solution concentration圖7 輸出信號幅值隨NaCl 溶液濃度變化

5.4 實驗結果分析

通過上述實驗，分別研究激勵信號頻率、金屬導體體積以及電解質溶液濃度對系統輸出信號幅值的影響。激勵信號頻率對于系統的影響巨大，不合適的激勵信號頻率會導致整個系統靈敏度大幅度下降。在本系統中，激勵信號頻率的選擇要盡量接近于待測金屬Fe 的最佳激勵頻率而遠離NaCl 溶液的最佳激勵頻率。對比Fe 的標準測試卡經過系統時所產生的輸出與NaCl 溶液經過系統時所產生的輸出，兩者皆與測試對象的質量成正比。

6 成果展示

對Fe、SUS、Gu、Al 4 種不同元素在4 種不同尺寸下各進行100 次測試，測試結果如表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 種尺寸下的測試結果（單位：%）

由表1 可知，對于尺寸在0.8mm 直徑及以上的Fe、SUS、Gu、Al 4 種元素，系統識別準確率為100%，而在直徑為0.6mm 時系統識別的準確率也都在95% 以上。這說明基于平衡式雙線圈的金屬檢測系統具有極高精度與準確率。

圖8 是直徑0.8mm 鐵珠經過系統時的信號輸出，然而將0.8mm 的鐵珠與7.6% 的NaCl 溶液同時經過系統時，系統輸出如圖9 所示，鐵珠對系統的影響完全淹沒在NaCl溶液所產生的噪聲中。而在實際食品生產過程中，其中的NaCl 濃度可能遠高于7.6%，尤其是一些腌制食品，因此本系統難以滿足在生產過程中對于含水含鹽食品的檢測要求。

Fig.8 Output signal of 0.8mm diameter iron ball system圖8 直徑0.8mm 鐵珠系統輸出信號

Fig.9 Output signal of 0.8mm diameter iron bead and 7.6% NaCl solution圖9 直徑0.8mm 鐵珠與7.6% 的NaCl 溶液的輸出信號

7 結語

本文基于平衡式雙線圈的金屬探測原理，運用模擬信號解調方式，設計了一套用于食品的金屬檢測系統。通過一系列實驗分析并驗證了激勵信號頻率、金屬導體以及電解質溶液對于系統輸出信號的影響關系。通過調整系統參數進行系統測試，經測試該系統能夠準確地檢測出直徑在0.8mm 以上的金屬顆粒，應用前景廣闊。但該系統對于在含水含鹽的物質中檢測金屬物質仍具有較大局限性，這可以從最后一個實驗中看出，自由導電離子對于系統的影響與金屬導體對于系統的影響十分類似，并且在實際生產過程中，電解質的質量要遠大于所需檢測的金屬雜質的質量，因此難以從硬件電路中對兩者加以區分。因此，算法設計是金屬檢測系統在含水含鹽物質中提高檢測準確率的突破口，而要在復雜的背景噪聲中提取出待測信號，卡爾曼濾波是一個很好的選擇。