基于电涡流传感器的金属识别系统设计

李海铭

（吉林工业职业技术学院自动化系，吉林 吉林 132000）

基于电涡流传感器的金属识别系统设计

李海铭

（吉林工业职业技术学院自动化系，吉林 吉林 132000）

电涡流传感器在金属识别领域有着较广泛的应用，它不仅可以对大型旋转机械的轴的径向振动、轴向位移、轴转速等参数进行在线测量，还可以对零件的尺寸进行检验。本文主要应用电涡流传感器能够实现对金属进行探测的特点，来通过单片机控制完成设计一个金属识别系统。通过本系统作为一个实验模型对电涡流传感器的工作原理和测量方法进行研究。

电涡流传感器；电桥法；金属识别

1 传感器工作原理

电涡流传感器属于电感式传感器的一种，它是利用线圈与传感器之间的交互模式来引导电流系数变化的数据模型，它的实现方式是通过转换电感量的传感系统进行的。高频反射式电涡流传感器主要是由线圈在框架上的缠绕构成，这种线圈的形状呈现扁平状态，它可以固定在仪器的顶端，也可以将其粘连在整个框架的周围，紧贴仪器的槽内安置。

说到此类型的传感器的结构安装，相信大家都能够理解。它是由系统内部的电圈组成，电圈在外形框架上缠绕，将整体结构稳定住。它的缠绕方式也分为许多种，可以是在仪器的顶部进行互换，也可以在框架的周围进行购置。电涡流传感器的特殊性就在于它是通过线圈与金属导体产生反应来进行操作的，而它们之间也可以称作是一种耦合性吸引。耦合程度的不同则说明电涡流传感器的变化规律也是不同的。电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，且呈闭合回路，类似于水涡流形状，故称之为电涡流也叫做电涡流效应，其实是电磁感应原理的延伸。涡流的大小与金属体的电阻率ρ、磁导率μ、金属板的厚度d、线圈与金属导体的距离x、线圈的励磁电流频率f等参数有关。电涡流传感器的运动规则相对简单，它主要是通过电涡流信息感应来完成的，将电涡流内部的电量剔除，非电量留下，与线圈的阻抗规律形成变化趋势，进行通过二者不同程度的反映进行测量。所以，我们可以由此得出，测量仪器的内部结构与许多方面都相关，其中包括设备的性能、仪器的感应效率、设备的规格等等。通常情况下来说，传感器的灵敏度取决于被测物体的基本属性，被测物体的基本属性比较好，传感器的灵敏程度也就相对较高。所以，为了充分发挥传感器的功能，被测物体的形态非常重要。例如：如果其形状是圆柱体，被测导体与项圈直径的倍数不能低于三点五，不然则会影响系统的基本功能与实现效益。就电磁的传感原则而言，传感器线圈通电时，并且以交变电流的形态呈现。系统周围一定会形成内部感应，也就是我们通常所说的磁场。交变磁场的形成会使得此过程循环，金属导体转化为感应电涡流，在二者进行不断的反复，进而构成新的交叉磁场。根据楞次定律所得，它能够反映原磁场的发展动态，并且使新、旧磁场之间产生对抗，导致等效电感的出现。等效电路如图1所示。

图1 等效电路图

2 测量方法

根据电涡流测量的基本原理，不同测量对象所对应的等效阻抗是不同的，因此需要测量电路把阻抗变化转变成电压进行测量。对电涡流传感器变量的测量采用的方法是电桥法。电桥法是将传感器线圈的阻抗变化转化为电压或电流的变化。传感器线圈的阻抗作为电桥的桥臂，起始状态，使电桥平衡。在进行测量时，由于传感器线圈的阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡造成的输出信号进行放大并检波，就可得到与被测量成正比的输出。电桥将传感器线圈的阻抗变化转变成电压幅值变化，主要用于差动式电涡流传感器。

我国虽然建立了“三位一体”的会计监督体系，即单位内部监督、政府部门监督及社会审计监督，并要求国有大中型企业和上市公司的财务报告必须经过会计师事务所的审计后方为有效，但实际执行效果并不理想。

被测物体的表面要光滑、平坦。非钢材被测体和小于三倍传感器直径的被测表面影响传感器输出特性。应当保持传感器探头周围有足够的空间，在3倍探头直径范围内，不应由金属体，传感器安装应远离转动体台阶面，这样可避免周围金属结构的干扰，准确测量振动值。传感器可在有酸碱腐蚀的环境中使用。

3 系统设计

单片机采用宏晶科技生产的STC12C5A60S2系列单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。具有2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/ S）。

传感器由探头和测量电路组成，测量电路的输出端为电压信号，通过单片机自带的AD功能将测量电路的模拟电压信号转换成数字信号进行处理；单片机将实时数据通过LCD显示，便于观察和记录数据。电涡流传感器采用自制探头，通过漆包线自行缠绕成环形，用模具和胶带固定好，引出的两根线接入电桥电路中。

采用SPSS11.0统计软件进行分析,计量资料以(±s)描述,采用两独立样本t检验。P<0.05为差异有统计学意义。

LCD采用12864液晶屏。通过LCD实时显示传感器采集回的数值，以及查表识别的金属名称和类别。

迄今为止，功能性便秘尚无彻底的根治方法。但对患者实施系统的护理干预，帮助患者建立良好的生活习惯，可以有效的减少便秘的发生，提高老年患者的生活质量。

选择几种不同形状，不同材质的待测金属，测出对应的数组，编入列表程序，在传感器经过被测金属时，传感器采集到的模拟信号经A/D转换成数字信号给单片机处理，单片机根据查表筛选出对应的材料和名称，将结果显示到12864液晶屏上。

测试不同的金属种类，不同的金属形状对应不同的电压值，把电压值列表统计，即可根据传感器采集到的电压值来判断金属的种类或者形状，采用此方案即可实现金属识别的功能。

4 结论

采用电涡流传感器实现的金属识别功能具有结构简单、成本低、采集方便等优点。为了充分有效地利用电涡流效应，如果其形状是圆柱体，被测导体与项圈直径的倍数不能低于三点五，不然则会影响系统的基本功能与实现效益。因此电涡流传感器的尺寸不能做的太大。本系统较适用于作为一个实验模型对电涡流传感器的工作原理和特点进行研究。

［1］刘利秋.基于电涡流传感器测厚及材质鉴别的研究［J］.沈阳航空工业学院学报，2006（05）.

［2］廖雅琴.电涡流传感器的仿真与设计［D］.电子科技大学，2007.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.030