电感传感器金属探测定位系统设计

2015-11-30 21:47:37来源: 互联网
摘要:本文以LDC1000电感传感器以及飞思卡尔Kinetis系列微控制器K60为核心,组成具有定位功能的金属探测系统。通过金属的涡流效应对金属物体进行检测,能够在一定范围内迅速定位出金属物体的精确位置。经实验表明,距离物体中心定位误差不超过4 mm,最小可以检测出2 cm2大小的金属物体。测量数据在单片机中进行处理,软件上采用了数字滤波,进一步减少了误差干扰信号,提高了系统的稳定性与精确性。该系统可通过LCD液晶显示屏显示当前金属物体所在具体位置,并利用按键实现人机交互。

关键词:金属探测仪;LDC1000;飞思卡尔;微控制器;LCD

引言

金属探测仪作为一种非接触式检测装置,在工业领域以及日常安检中有着十分广泛的应用,对于金属的检测,金属探测仪往往需要有较高的精确度以及较快的反应速度。本文以飞思卡尔Kinetis系列微控制器K60为控制核心,通过LDC1000电感传感器来探测金属物体的位置。LD C1000电感传感器是利用电磁感应的原理来探测与金属物体的间距,而且对于不同的金属材质,其感应的强度也不同。将LDC1000电感传感器的数据传输至微控制器中,经过软件处理后最终确定金属的位置。通过直线电机和滑轨来控制LDC1000电感传感器探头的运动与探测。由于横向扫描的精度要求高,所以选用步进电机的方法来扫描,而纵向扫描要求速度快,所以选用直线电机来扫描。

同时,系统可以通过拨码开关来选择探测的金属物体类型,且探测的时间和探测到的金属物体的位置可由液晶显示,具有较好的人机界面。

系统设计结构简单,制作成本低,控制精度高,可以广泛地用于机场、车站、码头等地方的安检,既可检测旅客包裹中带有的危险管制刀具等,也可以检测藏在人眼所观察不到的地方的金属。

1 LDC1000工作原理简介

LDC1000是一款非接触式、短程传感的电感检测传感器芯片,能够将模拟电感值转换为数值量,同时具有低成本、高分辨率遥感的导电性。它的内置处理芯片具有SPI通信接口,能够很方便地与单片机进行通信。LDC1000只需要外接一个PCB线圈或者自制线圈就可以实现非接触电感检测,测试外部金属物体和 LDC相连的测试线圈的空间位置关系。利用这个特性配以外部设计的金属物体,即可很方便地实现水平或垂直距离检测、角度检测、位移检测、运动检测、振动检测和金属成分检测。

LDC1000的电感检测利用的是电磁感应原理。如图1所示,传感器内部会产生一个交变电流,加在PCB线圈或者自制线圈上,线圈周围会产生交变电磁场,这时如果有金属物体进入这个电磁场,则会在金属物体表面产生涡流(感应电流)。由于涡流电流跟线圈电流方向相反,因此涡流产生的感应电磁场跟线圈的电磁场方向相反。涡流是金属物体的距离,大小、成分的函数。涡流产生的反向磁场与线圈耦合在一起,就像是有另一个次级线圈存在一样。LDC1000的线圈作为初级线圈,涡流效应作为次级线圈,这样就形成了一个变压器。由于变压器的互感作用,在初级线圈这一侧就可以检测到次级线圈的参数。

 

图1中,Ls是初级线圈电感值,Rs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,括号中的d表示L(d)和R(d)是距离的函数;交变电流只加在电感上(初级线圈),则在产生交变磁场的同时也会消耗大量的能量。这时将一个电容并联在电感上,由于LC的并联谐振作用能量损耗大大减小,只会损耗在Rs和R(d)上。如图2所示,可以看出,检测到R(d)的损耗就可以间接地检测到d。

 

LDC1000并不是直接检测串联的电阻,而是检测等效并联电阻,等效并联模型如图3所示,可以推导出等效并联电阻的计算公式:

 

在LDC1000中,等效并联电阻Rp被转换为数字量,这个数值的大小与Rp成反比。观察式(2)可知,Rp与Rs成反比,同时由于Rs大小与LC谐振损耗成正比,由此可得数字量数值大小与LC谐振损耗成正比,涡流越大,损耗越大。

2 金属探测定位系统硬件设计

本文以LDC1000电感传感器以及飞思卡尔Kinetis系列微控制器K60为核心,并且由直线电机驱动模块、步进电机驱动模块、直线电机、步进电机、LCD液晶显示屏、矩阵按键、电源模块电路、语音声光模块电路、红外线模块等组成,具体硬件连接图如图4所示。

 

为了在某个指定大小的区域内快速检测并定位不同材质的目标金属,系统采用步进电机以及直线电机,利用X轴和Y轴连续扫描工作模式。

(1)电源的选择

由于系统需要驱动步进电机、直流电机等,同时要求供电电源稳定可靠,所以直接选择数控稳压源进行供电。给直线电机与步进电机提供+12 V~-12 V的直流电压,然后进入降压电路,将电压降低到5 V以及3.3 V,给K60微控制器以及其他模块供电。

(2)传感器的选择

本文选择了OMROM反射式红外光电开关,感应距离为1~50 cm(可调),感应方式为漫反射(非透明物),工作电压为DC 4.5~5.5 V,工作电流为50 mA,输出方式为NPN常开,响应时间为2ms。用来检测直线电机伸出的长度,这样可以随意设置直线电机运动的位置范围,以达到快速定位的目的。

(3)电机的选择

通过比较各种电机的性能,选用了两种电机:一种是57步进电机,另一种是38直流电机。57步进电机具有高耐压性,可达到500 V,同时径向跳动最大0.02 mm(450g负载),轴向跳动最大0.08 mm(450g负载),步距精度可达5%。38直流电机出轴直径为5 mm,电机直径为38mm,电机长度为67 mm,转速可高达4 000转。因此,将它们结合使用既可以满足速度要求,又可以满足精度要求。

关键字:金属探测仪  电感传感器  定位系统

编辑:吕海英 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2015/1130/article_10346.html
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