电子产品世界

田大军，王金枝，高华婷，刘洪波 （济南正平自动化设备有限公司，山东 济南 250000）

摘  要：本系统包括金属检测器、控制电路和分离系统三部分。主要原理是有1个发射线圈，2个接收线圈，发 射线圈，在通电后产生1个永久的交流电磁场，2个接收线圈互相连接，在有金属经过2个金属线圈时都会产生 信号变化，控制器在处理并判断该信号之后，给出金属信号。通过继电器控制输出给剔除装置，将带有金属杂 质的物料清除出去，对提高食品的安全性及保护精密工业机器具有重要的意义。 

关键词：金属检测；交流电磁场；继电器

0  引言 

随着人们生活质量的提高，对饮食安全和药品安全 要求越来越高，相应的安全问题也就得到人们的更加重 视，相应产品的金属检测系统设计的重要性也就日益显 现出来。 

本系统设计与探讨了高精度金属检测系统，该系统 可用于塑料、食品、化工和其他行业的原料中进行金 属检测和分离。它可以快速检测并自动分离原材料中的 铁、铜、铝和不锈钢等金属杂质，还可以安装在注塑机 和挤出机等设备上。作为金属检测设备，金属检测和分 离系统广泛用于塑料、添加剂或粉末状材料的检测，然 后再进行下一步处理，以保护后续设备。它也可以用于 细粉产品，例如奶粉和化学添加剂，进行质量测试；以 及食品工业，制药工业，药品和胶囊等细粉产品的组 合。这样可以保证和提高设备的生产效率，相应也更能 提高产品的质量，减少设备维护成本和停机造成的损 失，因此具有广阔的应用市场和社会价值。

1  系统原理及结构 

从结构方面看，该系统可以分成金属检测器、控制 器以及分离系统三大部分。同轴线圈包括起振电路、 发射线圈和接收线圈；控制器信主要包括信号采集和处 理、模数转换电路、电源电路及简单的数码管显示电路 等。分离系统包括继电器及相应的剔除装置。其原理是 发射线圈通电后产生1个频率为（30~600） kHz可调的 高频交流电磁场，两个接收线圈相互连接，在有金属 经过接收线圈时，2个接收线圈接收到的电磁场信号不 同，信号的相位和波幅引起信号的变化，利用检波及放 大电路、DAC数模转换电路等，在接收处理并判断信 号后，给出金属信号。单片机STM32F103的I/O口将得 到的金属信号通过驱动电路，来控制继电器输出给分离 器，将含有金属杂质的原料分离出去。

2  系统的功能组成 

从功能方面，该系统主要包括振荡电路、同轴线圈、检波与放大电路、电源电路、模数转换电路、数码 管显示和剔除装置等。 

金属检测与分离系统框图如图1所示。

2.1 金属检测线圈 

金属检测线圈结构紧凑，由1个产生交变磁场的发 射线圈和2个检测磁场感应变化的接收线圈组成。发射 线圈和接收线圈是同轴固定并且没有偏移。发射线圈和 接收线圈均采用漆包线缠绕，外表面由尼龙材料固定， 稳定性高，整个线圈被检测线圈包围。如图2所示，金 属检测线圈、发射线圈和接收线圈的示意图彼此完全平 行，中间是发射线。高频交流电会产生磁场，并且线圈 的两端都是接收线圈，因为2个接收线圈完全相同，间 距相同，并且感测信号完全相同。当金属杂质穿过线圈 时，位于接收线圈附近的高频磁场将被磁感应线依次切 断，相位和幅度的变化会引起信号的变化，并且接收线 圈会发送该变化到差分放大电路进行处理。

理想的状态是原料产品和检测到的金属杂质信号相 位成90°角，这样金属杂质被成功检测到，如图3所示。 但是大多数情况下检测到的原料和金属杂质不是理想的 90°角，大多数是介于0~90°角，这样基本都能检测到， 如图4所示是正常状态下的相位示意图，还有另外一种 极端情况就是原料产品和金属杂质有着相同的相位角， 这种情况下是无法检测到金属杂质的，这是本系统设计 所存在的缺点。

2.2 主控制芯片 

系统以STM32F103单片机为主控制芯片，该芯片 现在是大众化市场产品，相应的外围电路、晶体振荡电 路、复位电路和下载口程序等技术都非常成熟，硬件设 计和后期调试过程也相对简单，且该芯片是基于要求高 性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计，完全能满足系统可靠和稳定运行的能力。 

2.3 电源电路 

该系统对电源的要求比较高，而且芯片供电电压也 不尽相同。本系统主要采用市电220 V给系统供电，由 于市电220 V各个地方会有波动或者不稳定，就会给系 统造成很大的干扰，影响系统的精度及造成误判，系 统中主要采用了2个AC 220 V-DC 15 V电压转换模块及 相应的滤波器和滤波电路，将电压转换为较为稳定的 DC±15 V，然后利用传统的LM78XX系列稳压芯片得 到稳定的DC±12 V和DC 5 V电压，并配有相应的指示 灯。这样得到的电压杂波少、稳定，而且受外界电压干 扰比较少，可以满足控制系统可靠稳定地工作。 

2.4 检波与放大电路 

检波放大电路主要是运放LT1122和NPN型三极管 BCP56-16T1G组成，分别将由DAC8043数模转换的模 拟信号和接收线圈接收到的信号进行滤波放大，将分析 处理后金属信号最后传给单片机，由单片机做出判断和 处理。该处三极管BCP56-16T1G的基级是有DC±12 V 合成的基准电压0 V，所以容易受到外围电路电压的影 响，故对供电电源要求比较高。 

图5是部分检波与放大电路图。

2.5 数模转换电路 

根据系统电路的要求，系统使用DAC8043作为数 模转换电路芯片。它是8引脚PDIP封装的高精度12位 CMOS乘法DAC。DAC8043具有串行数据输入、双缓冲和出色的模拟性能，是电路板设计和应用的理想选择。 另外，线性度的改善及增益误差性能的改善可以不需要 调整设备，这样就可以减少元器件的数量。另外输入时 钟和负载DAC具有独立的控制电路设计，使用户可以完 全控制数据负载和模拟输出。 

该电路包括1个12位串行输入、并行输出移位寄 存器，1个12位DAC寄存器，1个12位CMOS的 DAC 和控制逻辑。串行数据在CLK脉冲的上升沿进入输入 寄存器。当输入新的数据字时，DAC寄存器通过LD 输入引脚加载。

DAC寄存器中的数据通过数模转换器 （DAC）转换为输出电流。 DAC8043具有快速接口定时功能，可减少定时设计 注意事项和微处理器等待状态。对于需要异步清零或更 强大的微处理器接口逻辑的应用，DAC8043利用5 V单 电源供电，并采用其低功耗、高性能的解决方案。在系 统中使用其单放大器电路，满足系统设计要求。具体应 用电路如图6所示。

2.6 剔除装置 

原料产品需要经过传送带才能通过检测线圈内部通 道，在检测线圈检测到金属杂质时，单片机就会通过驱 动电路控制继电器，从而控制外部机械设备自动剔除含 有金属杂质的原料产品，这就是剔除装置的原理。当然 可以根据实际需要设计多种样式的剔除装置，以满足各 种类型的原料产品的需要。 

2.7 数码管显示 

数码管显示主要是单片机驱动的2个8位数码管，其 主要作用是简单显示错误代码以及检测到的金属杂质数 量等信息，辅助系统调试和系统正常工作时的一些提示 信息，提高系统的可视性。

3  结语 

金属检测与分离系统的设计是依据电和磁的原理对 产品中的金属杂质切割磁感线产生相位和幅度的小脉 冲，进而对此小脉冲进行检波与放大处理的过程，然后 去除含有金属杂质的原料，达到纯化原料的目的，可应 用于食品和药品，以及工业塑料等场合。产品的安全性 和质量将提高到一个新的水平，并有良好的市场应用。 

但是，该系统仍然受到许多技术问题的困扰，例如 周围工作环境的影响，当原料和金属杂质的相角或相角 相对均匀时，会影响金属杂质的检测。将来，应该努力 解决缺点，以进一步改善系统并提高系统的可靠性。

参考文献： 

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本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第03期第40页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。

关键词： 202003 金属检测 交流电磁场 继电器