電解質(zhì)溶液對金屬檢測系統(tǒng)影響研究

馬志偉，李丕丁

（上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093）

0 引言

金屬探測設(shè)備是專門用于檢測金屬類物質(zhì)的儀器［1］。金屬探測廣泛應(yīng)用于社會各領(lǐng)域，尤其是食品安全方面。在醫(yī)療領(lǐng)域，從醫(yī)用紗布、中藥湯劑以及醫(yī)用敷料中發(fā)現(xiàn)金屬顆粒、金屬絲等金屬雜質(zhì)的報道也屢見不鮮。根據(jù)食品藥品監(jiān)督總局規(guī)定，在食品生產(chǎn)過程中必須經(jīng)過金屬物質(zhì)檢測才能出廠銷售［2-3］。因此，金屬檢測是食品及部分醫(yī)用物品生產(chǎn)過程中不可或缺的一道關(guān)卡。目前，市場上金屬檢測設(shè)備種類繁多，國外金屬檢測技術(shù)經(jīng)過近百年的發(fā)展已相對成熟，應(yīng)用更加廣泛，但價格昂貴。國內(nèi)金屬檢測技術(shù)發(fā)展迅速，但起步較晚，相較于國外金屬檢測設(shè)備，無論是準(zhǔn)確性還是穩(wěn)定性都略有不及［4］。隨著技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)金屬檢測設(shè)備性能與國外差距將越來越?。?］。近年來，金屬檢測設(shè)備大多運(yùn)用平衡式雙線圈檢測原理，這種設(shè)備精度雖高，在無自由導(dǎo)電離子的環(huán)境中能夠準(zhǔn)確地檢測出微小金屬顆粒，但是在富含自由導(dǎo)電離子環(huán)境中檢測金屬顆粒的準(zhǔn)確性極大降低，甚至根本無法檢測到。于是，腌制食品以及中藥湯劑等一些富含自由導(dǎo)電離子的食品或藥品在進(jìn)行金屬檢測時的誤報率大大提高，使得這些食品、藥品的安全性降低。食品與藥品中富含的自由導(dǎo)電離子基本來源于各種電解質(zhì)，主要是NaCl 及各種微量元素。鑒于此，本文基于渦流傳感器以及平衡式雙線圈金屬檢測原理設(shè)計(jì)出一套金屬檢測系統(tǒng)，對金屬導(dǎo)體以及電解質(zhì)溶液經(jīng)過系統(tǒng)時的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、對比、研究和分析，以找出在富含自由導(dǎo)電離子環(huán)境中提高金屬檢測準(zhǔn)確率的方法。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于平衡式雙線圈原理［6］的金屬探測系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1 所示。主控芯片為可編程邏輯器件FPGA，其輸出的數(shù)字激勵信號由D/A 模塊轉(zhuǎn)換為模擬激勵信號，濾波處理后進(jìn)行功率放大，傳到發(fā)射線圈。金屬經(jīng)過傳感器時引起的磁場變化由接收線圈接收，經(jīng)過差分放大、模擬解調(diào)后，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳入FPGA，再采集信號數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行后續(xù)研究和分析。人機(jī)交互模塊的主要作用是將激勵信號的參數(shù)數(shù)據(jù)傳入FPGA。

Fig.1 Overall scheme design of electromagnetic detection system圖1 電磁檢測系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

金屬檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括：功率放大模塊、發(fā)射模塊、接收模塊以及信號解調(diào)模塊。主控芯片采用Xilinx 公司的ZYNQ-7000。

2.1 功率放大模塊

激勵信號由FPGA 直接產(chǎn)生，由數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片將其轉(zhuǎn)換為模擬信號，經(jīng)濾波放大后輸出。但此時信號的功率太小，若直接驅(qū)動發(fā)射線圈，發(fā)射線圈不能產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的交變磁場，當(dāng)金屬顆粒接近傳感器時，其導(dǎo)致磁場的微弱變化難以被接收線圈捕捉到或者捕捉到的信號被淹沒在噪聲中。因此，激勵信號需要經(jīng)過功率放大才能驅(qū)動接入發(fā)射線圈。該系統(tǒng)的功率放大模塊由源極跟隨器與射極跟隨器級聯(lián)構(gòu)成，源極跟隨器與射極跟隨器都有放大輸入信號功率的功能，同時兩者具有輸入阻抗大、輸出阻抗小、功耗低、動態(tài)范圍大以及失真度小等優(yōu)點(diǎn)。

Fig.2 Power amplifier module圖2 功率放大模塊

2.2 發(fā)射模塊

基于平衡雙線圈的金屬檢測系統(tǒng)的發(fā)射模塊如圖3所示，兩邊分別為接收線圈1 和接收線圈2，中間為發(fā)射線圈，這3 個線圈要求同軸等距平行放置。發(fā)射線圈施加有固定頻率的正弦交流電壓，由電磁感應(yīng)定律可知，發(fā)射線圈的周圍會產(chǎn)生一個按正弦變化的交變磁場［7-9］。根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論，兩側(cè)的接收線圈會因?yàn)樽兓拇艌龆a(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由于兩側(cè)的接收線圈與發(fā)射線圈的距離相等且處于同一中心線，兩側(cè)的接收線圈上的感應(yīng)電動勢大小相等、方向相反，兩者的差分輸出為零。當(dāng)金屬物質(zhì)通過時，金屬會在發(fā)射線圈的變化磁場作用下產(chǎn)生電渦流［10-12］。金屬物質(zhì)的電渦流效應(yīng)所產(chǎn)生的磁場會抵消一部分發(fā)射線圈的磁場，從而使得兩個接收線圈處磁場的大小不再相等，即兩個接收線圈的差分輸出不再為零，由此可以判斷出系統(tǒng)中是否有金屬物質(zhì)存在。

Fig.3 Transmitting module圖3 發(fā)射模塊

2.3 接收模塊

接收模塊包括兩個接收線圈以及之后的信號調(diào)理電路。

當(dāng)金屬物體通過線圈時，變化的電磁場使得兩個接收線圈的差分輸出不再為零，但由于金屬物體體積較小，因此系統(tǒng)得到的輸出也十分微小，且系統(tǒng)存在較大干擾，如果不對輸出信號作處理，有效信號可能會完全被噪聲淹沒。因此，接收線圈輸出的信號需經(jīng)過調(diào)理后才能作進(jìn)一步處理。

2.4 信號解調(diào)模塊

接收線圈所接受的信號是一個搭載在激勵信號頻率上的調(diào)制信號，要想提取出系統(tǒng)真實(shí)的輸出就需要對信號進(jìn)行解調(diào)，本系統(tǒng)采用模擬方式對信號進(jìn)行解調(diào)。首先利用信號發(fā)生器產(chǎn)生一路正弦信號與一路余弦信號，將其作為一組參考信號，并將這兩路參考信號分別與輸入的待測信號在乘法器內(nèi)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，運(yùn)算后的兩組信號在低通濾波后進(jìn)行開方以及反三角運(yùn)算即可得到待測信號的幅值與其余參考信號的相位差［13］，其中開方及反三角運(yùn)算由FPGA 完成。解調(diào)原理如下：

設(shè)待測輸入信號x(t)為：

參考信號y1(t)為：

兩組信號經(jīng)過乘法器后輸出的信號V1為：

將信號V1送入低通濾波器，濾波器的截止頻率設(shè)置為w，則得到信號V1：

同理設(shè)參考信號y2(t)為：

與輸入的信號同樣經(jīng)過乘法器，得到的信號經(jīng)過低通濾波器后輸出V'2為：

則輸入信號的幅值A(chǔ)為：

輸入信號與參考信號的相位差為：

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)流程如圖4 所示。系統(tǒng)開始工作后，首先由FP?GA 對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化結(jié)束后對激勵信號進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置完成后，激勵信號產(chǎn)生，系統(tǒng)開始運(yùn)行。FPGA 讀取A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)執(zhí)行式（7）與式（8）操作，求出輸入信號的幅值與相位。將得到的結(jié)果與事先設(shè)置的閾值相比較，若小于閾值系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，若結(jié)果大于閾值，系統(tǒng)發(fā)出持續(xù)警告并中止等待。

3.1 I2S 傳輸協(xié)議

接收線圈所接收的差分信號在經(jīng)過模擬解調(diào)后會產(chǎn)生兩組信號，A/D 轉(zhuǎn)換后進(jìn)入FPGA，并在FPGA 內(nèi)部進(jìn)行一系列算術(shù)運(yùn)算。信號在FPGA 內(nèi)部實(shí)際上是一個個離散的點(diǎn)，這就要求在對兩組信號計(jì)算時兩組信號的數(shù)據(jù)點(diǎn)要一一對應(yīng)，若偏差太多則會導(dǎo)致求出的信號幅值、相位與實(shí)際不符。

基于該實(shí)際問題，本系統(tǒng)采用I2S 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。I2S協(xié)議是飛利浦公司專門為數(shù)字音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，它能夠同時傳輸兩個通道的數(shù)據(jù)，同時大多數(shù)音頻AD 為24 位數(shù)據(jù)精度，完全能夠滿足系統(tǒng)對采集信號的數(shù)據(jù)精度要求。

Fig.4 System flow圖4 系統(tǒng)流程

3.2 算法設(shè)計(jì)

由于實(shí)驗(yàn)對象過于微小，其對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的影響微乎其微，導(dǎo)致系統(tǒng)對采集的信號波動難以作出有效判斷。為了準(zhǔn)確判斷信號微弱變化，系統(tǒng)使用差分法對信號進(jìn)行處理。處理后的信號反映信號變化量，有效放大了信號波動，使得信號波峰更加突出。差分法原理如下闡述。

設(shè)函數(shù)y=f(x)，y只在x為非負(fù)整數(shù)時有定義，即x依次取0，1，2，…時，相應(yīng)的y的值為f(0)，f(1)，f(2)，…。將y的值簡記為y0,y1,y2,...。

當(dāng)自變量x增加時，函數(shù)值y的變化量為：

Δyx被稱為函數(shù)f(x)在點(diǎn)x處的一階差分。

同理可得f(x)在點(diǎn)x處的二階差分為：

以及f(x)在點(diǎn)x處的n階差分為：

差分法的缺點(diǎn)是在放大信號變化量的同時會放大信號中的一些毛刺，因此在對信號進(jìn)行差分處理之前需首先對信號進(jìn)行平滑濾波處理。

4 系統(tǒng)影響因素分析

基于對金屬檢測系統(tǒng)的硬件搭建和軟件設(shè)計(jì)，本文對搭建系統(tǒng)的影響因素進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

4.1 激勵信號頻率對系統(tǒng)影響因素

在激勵線圈上施加有固定頻率和固定幅值的正弦交流信號，激勵信號的頻率會對渦流傳感器的輸出產(chǎn)生影響，由雙線圈渦流傳感器的數(shù)學(xué)模型可知，改變激勵信號的頻率大小會使得兩個接收線圈輸出的差分電壓發(fā)生相應(yīng)改變。當(dāng)增加激勵信號的頻率時，渦流傳感器的輸出電壓會增大。然而，激勵信號頻率增加的同時也會使得接收線圈的等效阻抗增大，導(dǎo)致渦流傳感器輸出的電壓降低。接收線圈的等效阻抗隨著激勵信號頻率增加而變大的原因可以通過渦流損耗的能量進(jìn)行說明，當(dāng)被測物質(zhì)不是純導(dǎo)體時，電渦流在被測導(dǎo)體內(nèi)的功率損耗為［14-15］：

式中，h 是趨膚深度，f 是激勵信號頻率，B 為磁場強(qiáng)度，ρ 為導(dǎo)體密度，r1是渦流圓環(huán)的外徑，r2是渦流圓環(huán)的內(nèi)徑。由上式可知，渦流損耗功率P 隨著激勵信號頻率ω的增加而增大。

4.2 電解質(zhì)溶液對系統(tǒng)的影響

金屬檢測系統(tǒng)的主要物理原理為電磁感應(yīng)原理與電渦流原理。當(dāng)金屬顆粒進(jìn)入發(fā)射磁場后，在變化的磁場作用下金屬內(nèi)部會產(chǎn)生電渦流，進(jìn)而在金屬物質(zhì)周圍的空間里會產(chǎn)生與原磁場相反的磁場［16-17］。由金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場會使得接收線圈中的感應(yīng)電流發(fā)生變化，從而使得接收線圈的阻抗發(fā)生變化，即接收線圈的感應(yīng)電動勢的大小和相位發(fā)生改變［18-19］。

電解質(zhì)溶液是指溶質(zhì)溶解于溶劑后完全或部分分解為離子的溶液，溶質(zhì)即為電解質(zhì)。電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性是靠電解質(zhì)離解出來的帶正電荷的陽離子和帶負(fù)電荷的陰離子在外電場作用下定向地向?qū)?yīng)電極移動并在其上放電而實(shí)現(xiàn)。電解質(zhì)導(dǎo)電屬于離子導(dǎo)電，其大小隨溫度升高而增大。通常依靠自由電子導(dǎo)電的金屬導(dǎo)體為第一類導(dǎo)體，而電解質(zhì)溶液和熔體為第二類導(dǎo)體。

電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性與金屬導(dǎo)電性相同，都是由自由導(dǎo)電離子在電場作用下定向移動造成，因此電解質(zhì)溶液對于系統(tǒng)產(chǎn)生的影響應(yīng)該與金屬導(dǎo)體對于系統(tǒng)產(chǎn)生的影響類似甚至相同。不同的是在金屬探測系統(tǒng)中，金屬導(dǎo)體對系統(tǒng)的影響所造成的輸出屬于被測信號，而電解質(zhì)溶液對系統(tǒng)的影響所造成的輸出為背景噪聲。

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析

5.1 激勵信號頻率對探測系統(tǒng)影響分析

在研究激勵信號頻率對探測系統(tǒng)的影響時，改變激勵信號的頻率，記錄各頻率參數(shù)下1mm 直徑Fe 的標(biāo)準(zhǔn)測試卡經(jīng)過探測系統(tǒng)時的輸出信號電壓V0。不同激勵信號頻率對系統(tǒng)探測靈敏度的影響趨勢如圖5 所示，橫坐標(biāo)為激勵信號頻率（kHz），縱坐標(biāo)為相應(yīng)激勵信號頻率下輸出信號的幅值。由該圖可以觀察出，輸出電壓變化量V 隨著激勵信號頻率的增大而先變大后變小，即在中間出現(xiàn)一個峰值，該峰值的意義即是該類金屬下的最佳激勵頻率。在該實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，選用相同直徑的Gu 和Al 的標(biāo)準(zhǔn)測試卡，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同材料的最佳激勵頻率也不相同。

5.2 金屬導(dǎo)體在系統(tǒng)下的輸出

在研究金屬導(dǎo)體經(jīng)過系統(tǒng)的輸出時，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果將激勵信號的頻率設(shè)置為300kHz，并將0.6mm、0.8mm、1mm、1.2mm Fe 的標(biāo)準(zhǔn)測試卡組合經(jīng)過系統(tǒng)，并記錄系統(tǒng)輸出信號的幅值，繪制系統(tǒng)輸出信號幅值隨標(biāo)準(zhǔn)測試卡中鐵珠的體積變化曲線圖。

Fig.5 Variation of output signal amplitude of iron bead with excitation signal frequency圖5 鐵珠輸出信號幅值隨激勵信號頻率變化

如圖6 所示，在激勵頻率為300kHz 的條件下，系統(tǒng)輸出信號幅值隨標(biāo)準(zhǔn)測試卡中鐵珠的體積變化情況。可以看出，隨著金屬體積的增加，系統(tǒng)輸出信號的幅值也隨之增加，且可以看出兩者為線性關(guān)系。

Fig.6 Amplitude of output signal varies with metal volume圖6 輸出信號幅值隨金屬體積變化

5.3 電解質(zhì)溶液在系統(tǒng)下的輸出

在研究電解質(zhì)溶液經(jīng)過系統(tǒng)的輸出時，由于本文所設(shè)計(jì)的金屬探測系統(tǒng)主要用于食品、藥品檢測，其中主要的電解質(zhì)溶液為NaCl 溶液，因此這里使用NaCl 溶液作為實(shí)驗(yàn)對象。將實(shí)驗(yàn)對象換成不同濃度的NaCl 溶液，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。

在激勵頻率為300kHz 的條件下，系統(tǒng)輸出信號的幅值隨NaCl 溶液濃度變化如圖7 所示?？梢悦黠@看出，系統(tǒng)輸出信號的幅值隨著NaCl 溶液濃度的升高而變大，且呈線性關(guān)系。

Fig.7 Variation of output signal amplitude with NaCl solution concentration圖7 輸出信號幅值隨NaCl 溶液濃度變化

5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過上述實(shí)驗(yàn)，分別研究激勵信號頻率、金屬導(dǎo)體體積以及電解質(zhì)溶液濃度對系統(tǒng)輸出信號幅值的影響。激勵信號頻率對于系統(tǒng)的影響巨大，不合適的激勵信號頻率會導(dǎo)致整個系統(tǒng)靈敏度大幅度下降。在本系統(tǒng)中，激勵信號頻率的選擇要盡量接近于待測金屬Fe 的最佳激勵頻率而遠(yuǎn)離NaCl 溶液的最佳激勵頻率。對比Fe 的標(biāo)準(zhǔn)測試卡經(jīng)過系統(tǒng)時所產(chǎn)生的輸出與NaCl 溶液經(jīng)過系統(tǒng)時所產(chǎn)生的輸出，兩者皆與測試對象的質(zhì)量成正比。

6 成果展示

對Fe、SUS、Gu、Al 4 種不同元素在4 種不同尺寸下各進(jìn)行100 次測試，測試結(jié)果如表1 所示。

Table 1 Test results of Fe，SUS，Gu and Al in four sizes（unit：%）表1 Fe、SUS、Gu、Al 在4 種尺寸下的測試結(jié)果（單位：%）

由表1 可知，對于尺寸在0.8mm 直徑及以上的Fe、SUS、Gu、Al 4 種元素，系統(tǒng)識別準(zhǔn)確率為100%，而在直徑為0.6mm 時系統(tǒng)識別的準(zhǔn)確率也都在95% 以上。這說明基于平衡式雙線圈的金屬檢測系統(tǒng)具有極高精度與準(zhǔn)確率。

圖8 是直徑0.8mm 鐵珠經(jīng)過系統(tǒng)時的信號輸出，然而將0.8mm 的鐵珠與7.6% 的NaCl 溶液同時經(jīng)過系統(tǒng)時，系統(tǒng)輸出如圖9 所示，鐵珠對系統(tǒng)的影響完全淹沒在NaCl溶液所產(chǎn)生的噪聲中。而在實(shí)際食品生產(chǎn)過程中，其中的NaCl 濃度可能遠(yuǎn)高于7.6%，尤其是一些腌制食品，因此本系統(tǒng)難以滿足在生產(chǎn)過程中對于含水含鹽食品的檢測要求。

Fig.8 Output signal of 0.8mm diameter iron ball system圖8 直徑0.8mm 鐵珠系統(tǒng)輸出信號

Fig.9 Output signal of 0.8mm diameter iron bead and 7.6% NaCl solution圖9 直徑0.8mm 鐵珠與7.6% 的NaCl 溶液的輸出信號

7 結(jié)語

本文基于平衡式雙線圈的金屬探測原理，運(yùn)用模擬信號解調(diào)方式，設(shè)計(jì)了一套用于食品的金屬檢測系統(tǒng)。通過一系列實(shí)驗(yàn)分析并驗(yàn)證了激勵信號頻率、金屬導(dǎo)體以及電解質(zhì)溶液對于系統(tǒng)輸出信號的影響關(guān)系。通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)測試，經(jīng)測試該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地檢測出直徑在0.8mm 以上的金屬顆粒，應(yīng)用前景廣闊。但該系統(tǒng)對于在含水含鹽的物質(zhì)中檢測金屬物質(zhì)仍具有較大局限性，這可以從最后一個實(shí)驗(yàn)中看出，自由導(dǎo)電離子對于系統(tǒng)的影響與金屬導(dǎo)體對于系統(tǒng)的影響十分類似，并且在實(shí)際生產(chǎn)過程中，電解質(zhì)的質(zhì)量要遠(yuǎn)大于所需檢測的金屬雜質(zhì)的質(zhì)量，因此難以從硬件電路中對兩者加以區(qū)分。因此，算法設(shè)計(jì)是金屬檢測系統(tǒng)在含水含鹽物質(zhì)中提高檢測準(zhǔn)確率的突破口，而要在復(fù)雜的背景噪聲中提取出待測信號，卡爾曼濾波是一個很好的選擇。