基于电涡流数字传感器的卷烟包裹无损检测设备的设计与实现

陈思源，黄曾贞，刘 嘉，曾 璨，李朝辉

（河南省信阳市烟草专卖局，河南信阳 464000）

近年来随着网络、物流行业的高速发展，卷烟违法经营者利用快递进行卷烟运输的情况屡见不鲜，给烟草专卖执法人员的监管工作带来很大困难。尽管当前物流快递行业的相关检测手段已经日趋成熟，但这些方法多数基于X 光散射或太赫兹辐射的原理对违禁包裹进行检测，对人体具有一定的损害，此外，在卷烟包裹的识别方面也未能达到理想的检测结果。因此，迫切需要应用现代电磁检测技术，研制一种卷烟包裹检测装置，对快递环节进行有效监管，以打击涉烟犯罪，减少国家财产损失。文章基于电磁感应原理，应用TI 公司的LDC1000数字电感传感器，设计并制作了一款可装备于快递分拣中心的卷烟包裹无损检测设备（简称“检测设备”），试验室测试和实际应用环境测试证明了该设备的有效性。

1 LDC1000检测原理

LDC1000是一款非触摸式、短程传感的电感检测传感器芯片，其中LRC 部分是片外电感和谐振电容的等效原理，L为等效电感、R为等效电阻、C为等效电容，三者共同构成LRC 谐振电路。当有激励信号时，LRC 中的电感附近会产生一个高频磁场，此时外界有金属物体靠近电感时，高频磁场就会在金属物内部产生电涡流效应，这种涡流电流会产生新的磁场进而影响LRC 的谐振特性。金属物体不同的接近距离、金属类型、尺寸都会使LRC 的谐振频率和等效阻抗产生不同的变化。

上述并联网络并非理想谐振网络，谐振时其谐振频率为：

通常CR2要远小于L，因此式（1）可近似为：

当LRC 电路谐振时，LDC1000内部定时计数器可以完成对谐振频率f0的测量，而电容C是已知的，因此由式（2）即可确定电感值L。

此外，LRC 电路谐振时的阻抗为：

网络阻抗表现为电阻特性，可以通过LDC1000内部的阻抗测量单元实现对阻抗的测量。当电感线圈附近有金属物体靠近时，由电磁感应定律可知，该谐振场会在金属表面产生感应涡旋电流，该涡旋电流也会反作用于LRC 谐振电路，导致谐振阻抗式（3）变为：

式中，Ls为靠近的金属物体产生的感应电感，Rs为寄生电阻。

由此可见，当LRC 谐振电路附近出现金属物体时，会导致LRC 电路谐振频率和谐振阻抗发生改变，这种变化量受到金属物体的外形尺寸、靠近距离以及金属的材料类型等参数的影响。基于此原理，通过恰当设计，在已知金属接近距离的前提下，利用卷烟包装的锡箔金属特性及外形尺寸参数，即可实现对卷烟包裹的无损识别探测。

2 检测设备硬件设计方案

为使检测设备具有较好的适应能力，降低系统成本，并且具有可升级性和可扩展性，对整个检测设备的硬件电路系统进行模块化设计。设备主体主要构成分为：MCU 主控电路模块、数据采集模块、传感器模块、网络模块、人机交互模块以及电源模块。主控MCU 采用恩智浦公司的ARM7内核iMX6ULL 芯片，作为整个设备的控制核心；人机交互模块采用一块7英寸电容触摸液晶屏作为设备的输入输出终端；网络模块用于与互联网通信；数据采集和6个通道的传感器实现包裹探测功能；电源模块则为各个子系统提供需要的直流电平。

采用LDC1000 作为传感器数据采集芯片。LDC1000是德州仪器（TI）公司推出的一款低功耗、小封装，低成本的电感数字转换器，通过对其片内16位阻抗寄存器和24位电感寄存器的读取，可获得LRC 谐振电路的谐振频率和等效阻抗。LDC1000与主控芯片MCU 通过SPI 协议总线进行数据通信。

SCLK 为时钟输入信号，SDI 为数据输入IO，SDO 为数据输出IO，INTB 为芯片的中断输出IO，CSB 为片选信号，低电平有效，INA 和INB 连接并联LRC 电路两端。本设计中选用电容C 为33pF 的贴片层叠电容器，电感L 采用PCB 印刷线圈设计。为覆盖物流分拣中心输送带的宽度范围，采用6 片LDC1000的架构，实现6通道检测。如图1所示，此6通道LDC1000的片选信号CSB1-6通过8位移位寄存器芯片74HC595与主控芯片MCU 连接。

图1 移位寄存电路

采用印制PCB 电路板线圈的方式实现电感传感器的设计。传感器线圈设计的几何参数主要有：线圈直径（D）、线圈线径（w）、线圈线距（s）以及线圈层数。线圈直径决定了线圈附近磁力线的分布，也就决定了传感器的有效感应距离，同时也会影响传感器对于目标物距离变化的感应灵敏度。此外线圈PCB层数、线径、线距等参数也会影响线圈的品质因数Q值、阻抗及自谐振频率等参数。经过仿真计算和试验测试，最终确定设计的传感器线圈参数为：线圈层数2层、线径0.4 mm、线距0.4 mm、线圈直径12 cm。考虑到支撑强度的需要，将设计制作的六通道传感器，放置于强化玻璃钢板壳内，其实物玻璃钢面板的长宽分别为80 cm×30 cm，厚度为4 cm。

3 检测设备软件设计方案

检测设备的嵌入式软件设计主要由人机交互模块、网络数据交互模块和传感器数据采集模块3部分构成。其中，人机交互模块和网络数据交互模块采用跨平台C++图形用户界面开发环境Qt Creator 进行设计开发，传感器数据采集检测模块由C 语言进行开发。人机交互模块主要实现操作人员对检测设备的参数设置、检测结果、系统运行状态及工作环境等参数的液晶屏显示等功能。互联网数据交互模块实现检测设备相关参数上传网络服务器统计汇总、系统任务下发及设备运行软件自动更新等功能。软件系统的核心部分为传感器数据采集模块，该部分的功能主要是实现卷烟包裹的实时检测。系统运行时，分别对6通道的LDC1000芯片进行轮询读取，实时检测经过物流中心输送带上的快递包裹，如果发现疑似卷烟包裹则进行声光报警，并上传检测结果至网络服务器进行数据汇总。

4 测试结果与分析

依据上述软硬件设计方案，制作了该检测设备的实物，并进行试验室测试和实际应用环境测试。在试验室测试环节，搭建了一台和物流中心相同规格的输送带，将线圈传感器安装于输送带皮带下方，对不同试验待测物品进行测试。

图2给出了一条卷烟以不同摆放角度通过输送带时，检测设备所记录的谐振频率的二维图像。图中x轴坐标为传感器线圈编号，y轴坐标为传感器数据取样次数，z轴数据为LRC 谐振频率。可以看出，该检测设备可以清晰表达金属物品的外形特征，对于卷烟包裹的识别具有良好的分辨能力。

图2 整条卷烟放置角度的二维图像

样品3为一卷铜芯导线，其谐振特性与样品1的卷烟差异较大，易于区分。样品2为具有金属铝外壳的电子设备，尽管其在外形上与样品1较为相似，但由于材料特性不同，其谐振频率远低于卷烟物品的谐振频率，因此实际测试中，此类包裹也易于从程序算法上加以区分。

在实际应用环境测试环节，将制作的检测设备安装于某物流快递分拣中心，进行了5次实际批量包裹的检测试验。每次试验时，在测试样品中随机混入测试人员提前制作的10个卷烟包裹，并定义设备的检测率和误检率分别为：

5次试验的测试结果见表1。

表1 实际应用环境测试结果

从表1可以看出，5次试验中除第二次漏检了1个卷烟包裹，其余4次均全部检出10个卷烟包裹，检测率达到98%。此外由于实际快递包裹种类的复杂多样性，每次试验均有误检现象发生，即设备告警后，经人工确认并非卷烟包裹。5次试验误检率最高为1.67%，总计误检率仅为1.2%，满足设计指标要求。

5 结束语

基于电涡流效应，应用TI 公司的LDC1000数字电感传感器设计制作了一款卷烟包裹无损检测设备。该设备由6通道数字采集传感器构成，每通道传感器采用印制电路板线圈构成，由主控ARM 芯片imull6通过SPI 总线协议对传感器数据进行读写，并将测试结果通过人机交互界面显示及网络上传汇总。试验测试显示所设计的检测设备在快递分拣环节可有效对运输包裹进行监管检测，设备的综合检测率达到98%，误检率仅为1.2%。检测设备工作稳定，界面友好，操作简单，具有良好的市场应用前景。