基于移动二维平台的金属探测定位器的研究 吕庭 王彬 毛丽民 常熟理工学院电气与自动化工程学院 摘 要： 针对食品生产中的安全问题, 提出了一种基于二维移动平台的金属物体探测定位器。选用 1 角、1 元硬币和直径 40 mm 的铁圈作为研究对象, 通过上位机控制系统运行, 并监控金属探测的过程, 同时显示探测金属的种类及位置坐标。实验结果表明, 该系统通过对 X、Y 轴的独立运动方向控制, 在一定范围内实现金属检测、判别和精确定位, 并能准确、直观的显示结果, 对食品行业具有一定的应用价值。关键词： AY-LDC1000 金属探测器; 二维移动平台; 金属探测; 定位; 作者简介：吕庭 (1977) , 男, 硕士, 实验师, 研究方向为电力电子及电气传动。E-mail:lvting_1163.com。收稿日期：2016-07-26基金：苏州市科技计划项目 (SYG201504) Research of Metal Detection Locator Based on Mobile Two Dimensional PlatformLV Ting WANG Bin MAO Limin School of Electrical Engineering and Automation, Changshu Institute of Technology; Abstract： For safety issues in food production, a metal object detection locator based on two dimensional mobile platform was proposed. The system was controlled by the upper computer, to monitor the process of metal detection, and to display the type and position coordinates of the probe, taking 1 dime coin, 1 RMB coin and a iron ring with 40 mm diameter as the research objects. Experimental results show that the metal detector system can be used to achieve metal object detection, discrimination and precise positioning, by the independent motion control along X and Y axes, and can display the results accurately and intuitively. It has a certain research significance.Keyword： AY-LDC1000 metal detector; Two dimensional mobile platform; Metal detection; Location; Received： 2016-07-26随着现代工业的发展, 自动化技术应用到工业生产的各行各业, 但是由于人为或者是某些工艺方面的不完善等因素, 在食品生产线中经常会混入某些金属杂质物。这些金属杂质不仅会损坏生产设备, 影响生产的正常进行, 而且会给食品带来严重的安全隐患1。随着国内食品行业的发展, 出现了多个生产应用于食品领域的金属探测器的厂商, 但在国内市场上国外的金属探测器占 80%, 国内金属探测器市场占有率一直处在较低水平2。国外在金属探测器领域的研究起步比较早, 很多采用超声波和图像扫描方式, 有的用电涡流和电磁场方式3。比如日本安利公司开发的 DUW 系列金属探测仪, 使用的是相位跟踪技术和自动算法设定。金属探测仪向着多功能化和智能化的方向发展, 南非开发的一款 GOLDFINGER 型的金属探测器, 通过二维检测, 可以在显示屏幕上显示出被检测人员携带金属物的具体位置, 灵敏度和精确度比较高4。1 金属探测定位器的硬件设计1.1 系统整体设计选择 TI 公司的 MSP430 单片机作为金属探测定位器主控单元, 采用 AY-LDC1000检测金属物体, 这是一款 TI 公司的电感数据转换器, 利用一个外接的自制线圈, 以非接触方式实现金属物体的检测。AY-LDC1000 金属探测器可以自动对多个金属物体进行识别和定位5。金属定位的平台是一个 500 mm500 mm 的二维移动平台, 当检测到金属物体时, 探测器能够对金属物体进行定位并判别金属类型, 然后在 LCD 屏上显示金属物体的种类和坐标等信息。探测器系统的结构如图 1 所示。图 1 系统结构图 下载原图二维移动平台主要由直线导轨、滑块轴承、圆柱导轨支撑座、直线滑块、橡胶同步带、同步带轮、木板等构成, 如图 2 所示。通过 X 和 Y 轴方向上同步带的配合, 直线滑块可以到达铁框范围的任意位置, 判别和定位金属物体6。图 2 二维移动平台 下载原图1.2 LDC1000 电路设计以 LDC1000 检测金属的原理如图 3 所示:LDC1000 的线圈作为初级线圈, 所测金属物理即为次级线圈, 形成一个变压器, 利用次级线圈的涡流效应检测金属。具体的实现是在 LDC1000 的线圈上加入交流电源, 根据电磁感应的原理会产生一交变磁场, 当金属物体进入这一交变磁场时, 被测金属物体上会产生感应电流即涡流, 涡流是金属物体距离、大小、成分的函数, 涡流产生的反向交变磁场与 LDC1000 线圈产生的交变磁场互相叠加, 利用这一原理在初级线圈一侧就可以检测到次级线圈的参数7。实际应用时在初级线圈处并联电容 C, 使电路工作在并联谐振状态, 交流电源侧 Ls是初级线圈电感值, R s是初级线圈的寄生电阻。L (d) 是互感值, R (d) 是互感的寄生电阻, d 为初级线圈与被测金属间的距离。图 3 互感原理图 下载原图基于 LDC1000 金属探测传感器的电路原理图如图 4 所示。图 4 LDC1000 电路图 下载原图该电路对滤波电容的要求比较高, 需要滤波电容温度稳定性好、低泄漏和电压噪声低。为了减小寄生参数, 滤波电容应该尽量靠近芯片, 走线要短8。当LDC1000 接近金属物体时, 由于涡流反向磁场的影响使电路等效电感降低, 谐振频率增加;反之, 远离金属物体时, 不存在反向磁场的影响, 电路等效电感较大, 谐振频率较低。即根据谐振频率的变化即能知道是否探测到金属。2 金属探测定位器探头路径规划及定位2.1 探测定位器检测路径规划二维移动平台是一个 500 mm500 mm 的正方形, 即为金属探测区域。当探头从如图 5 所示区域进入, 为金属探测器探头进入探测区域与 X 轴正方向之间的角度。图中带箭头的线段为金属探测器的运动路径, 直到检测到金属物体停止扫描9, 执行定位程序。图 5 金属探测器检测示意图 下载原图2.2 金属探测器探头定位以圆形截面的金属物体为研究对象, 定位策略如图 6 所示。当探头移到点 A, 检测到金属物体, 为了能定位到金属物体中心, 探头第一步移动到边缘点 B, 线段 AB 即圆的弦;第二步移动到弦 AB 的中点 C, 点 C 和圆心两点连线的线段与圆的一根直径重合;第三步垂直于弦 AB 向下移动到金属物体的边缘点 D;第四步向上移动到金属物体的边缘点 E, 线段 DE 即是圆的直径, 直径的中点是圆的圆心;第五步与第四步反方向移动到直径 DE 的中点点 O, 点 O 即是金属物体的中心。图 6 定位示意图 下载原图3 金属物体中心坐标及其特征值的获取3.1 金属物体中心坐标计算原理由于所检金属物体为圆形, 金属探头在移动过程中探测到金属物体时有两种情况:当探头从左往右运动时, 探测到金属的起点是点 A;当探头从右往左运动时, 探测到金属的起点是点 B。具体计算原理如图 7 所示。图 7 中心坐标计算分析图 下载原图(1) 当探测器探头检测到金属的起点是点 A, 设点 A 的坐标为 (x 0, y0) , 设硬币的圆心 O 的坐标为 (x, y) , 检测范围的原点 (0, 0) 在检测范围的左下角, 由图 7 可得, x=x 0+x1, y=y0+ (y1-y2) 。(2) 当探测器的探头检测到金属的起点是点 B, 设点 B 的坐标为 (x 0, y0) , 设硬币的圆心 O 的坐标为 (x, y) , 由图 7 同样有 x=x0-x1, y=y0+ (y1-y2) 。定位点 A 至点 B 的中点对定位圆形金属的中心具有重要意义, 因此在计算时采用了数值补偿的方法, 将探头移动距离的数值乘以一个大于 1 的系数使数值变大, 这样可以使探头精确地定位到金属物体两个边缘的中点位置。3.2 金属物体位置显示为金属探测定位器设计了良好的人机交互界面, 上下位机都能进行实时显示。下位机采用 LCD 方便装置的现场调试, 计算机能够更直观清晰地显示定位信息。按比例将 500 mm500 mm 的二维移动平台区域缩放为 200200 像素的正方形。图 8 所示为显示屏显示示意图, 图中右侧显示相关数据, 其中“X:xx Y:xx”代表检测到的金属物体实际坐标, 坐标的单位是毫米 (mm) , 三行“X:xxY:xx”分别用蓝色、粉色和红色标识, 蓝色代表铁圈, 粉色代表 1 元硬币, 红色代表1 角硬币;x11 代表金属探测器在正方形中 X 方向的位置坐标;x1 代表线段 AC 的长度;y1 代表线段 EC 的长度;y2 代表线段 EO 的长度;time11 代表的是金属探测器水平方向上的位移;flag3 代表金属探测器在 X 轴方向的探测方向, 0 代表从左向右, 1 代表从右向左。图中左侧的正方形为金属探测区域, 正方形内小圆代表金属探测器的位置, 在检测过程中, 小圆会随着探测器的位置改变而移动。当定位并判别金属物体后, 小圆将保留在当前位置, 而且小圆的颜色将变成代表某种金属物体的色彩, 同时右侧对应颜色的“X:xxY:xx”将显示检测到的金属物体实际坐标值。图 9 为实际 LCD 的显示效果, 其中黑色边框的正方形表示扫描区域, 靠近下边框的两个圆代表水平方向扫描的移动边界, 防止金属探测器探头的显示超出这两个圆却没有发现的情况发生, 第三个圆用来探测器探头当前所处的相对位置。图 10 所示为金属探测器移动轨迹, 在扫描的过程中, 每移动一段距离 LCD 就会显示一个圆代表金属探测器移动到了地图上的该位置, 每扫描一行显示 34 个相应的圆, 图中共有 22 行, 代表金属探测器的探头要在检测范围进行 22 次行扫描。图 8 显示屏显示示意图 下载原图图 9 探测器相对位置显示 下载原图图 1 0 探测器移动轨迹 下载原图3.3 金属物体特征值为了能够准确判断出扫描到的金属物体类型, 需要对不同的金属物体类型进行标定, 标定的依据是金属探测器探头定位得到的金属物体中心点数据。当金属探测器探头定位到金属物体中心时的返回值最大, 为了确保识别的可靠性, 将3 种不同的金属物体放在二维平台的不同位置, 探头移动到金属物体的中心记下返回值, 得到如表 1 所示的铁圈、1 元硬币和 1 角硬币特征值数据。对表 1中的数据进行归纳可以得到以下结论:不同的金属物体的最大值是不同的, 通过实验数据的统计与分析, 将返回值为 7 00011 000 的标定为铁圈, 返回值为11 00022 000 的标定为 1 元硬币, 返回值大于 22 000 的标定为 1 角硬币;此外铁圈的特征值变化区间不大, 而 1 元和 1 角硬币