电磁金属探测器的设计

3． 2
此方法提高了结果的精确度， 但也会降低 结果 的 正 确 程 度 。 由 于 大 量 数 据 运 算 会 延 缓 HAZOP 分析结果的输出， 所以在不影响结果正确
定量计算可以简化 。 性的前提下，
参
考
文
献
［ 1］ 刘玥， 张贝克， 吴重光． 基于模糊推理的计算机辅 HAZOP 新方法［ J］ ． 计算机工程与应用， 助 SDG2006 ， 42 （ 11 ） ： 201 ～ 204． ［ 2］ 金菊良， 魏一鸣， 丁晶 ． 基于改进层次分析法的 2004 ， 35 模糊综 合 评 价 模 型［J］． 水 利 学 报， （ 3 ） ： 65 ～ 70 ．
金属探测器整个系统流程如图 2 所示， 现对 主要硬件电路作简要介绍 。
图2 图1 单匝圆形电感线圈
*
金属探测器系统流程
图 1 所示的单匝圆形电感线圈的原理是： 当
0627 （ 修改稿） 收稿日期： 2012-
第8 期
李国洪等． 电磁金属探测器的设计
1009
2． 1
C8051F500 单片机 C8051F500 本身带有 12 位 A / D 转换模块， 它 采用 48 引脚小封装， 使得该产品非常适合于需要 高性能（ 50MI / s） 和高集成度（ 12 位 ADC ） 的紧凑 型 PCB 尺寸的应用 。凭借其片上稳压器 、 上电复 VDD 监视器 、 看门狗定时器及时钟振荡器等 位、
2． 6
峰值保持部分 峰值保持电路的功能是跟踪输入信号， 直到
输入信号达到峰值进入保持状态， 保持输入信号 的峰值不变， 直到被复位， 回到跟踪状态 。它使后 端电路准确地得知了什么时候可以采样到峰值， 减小了采样时刻不准确带来的误差 。 在此要 注 避免太大和太小而带 意充电电容的选择要适度， 来充电 速 度 慢 和 捕 获 电 压 不 稳 定 的 问 题 产 生 。 ［4 ］ 峰值保持部分电路如图 6 所示 。
［2 ， 3 ］
1
电磁金属探测器工作原理
*
电磁金属探测器是采用线圈的电磁感应原理 来探测金属的， 图 1 所示是半径为 R 的单匝圆形 电感线圈， 当大小为 I = I m cosω 的交变电 流通过 此线圈时， 线圈周围会产生交变磁场， 进而可以计 算出线圈中心轴线上某一点的磁感应强度为：
B=
∫
dBx =
（ 1 ． Key Laboratory for Green Chemical Process of the Ministry of Education， School of Chemical Engineering ＆ Pharmacy of Wuhan Institute of Technology， Wuhan 430074 ， China； 2 ． Chuang Dong Chemical Co． ， Ltd． ， Yunfu 527300 ， China）
1008
化 工 自 动 化 及 仪 表
第 39 卷
电磁金属探测器的设计
李国洪 张文彬
（ 天津理工大学自动化学院， 天津 300384 ）
摘
要
针对越来越多的企业趋向使用全自动化生产线的现状， 以保障人身安全为出发点， 提出了
一种能在生产线上使用的金属探测器 。此探测器采用了霍尔元件和单片机作为主控部件实现了检 测出产品中金属物的目的 。 关键词 自动化 人身安全 金属探测器 A 报警 文章编号 10003932 （ 2012 ） 08100804 中图分类号 TH87 文献标识码
第8 期
HAZOP 对聚丙烯环管反应器的定量分析 陈正财等． 层次分析法 + SDG-
1033
3 结论 3． 1 通过此方法可以有效地解决 HAZOP 分析
结果主次性不强等问题， 更能有针对性地对重要 危险隐患提出相应的预防和改进措施 。
［ 3］ 王玉怀， 潘德祥， 李祥仪． 应用层次分析法及模糊 ． 煤 炭 工 程， 评价 进 行 煤 矿 安 全 评 价 研 究［J］ 2005 ， （ 3 ） ： 60 ～ 62． ［ 4］ 闫志国， 郑明， 赵世平， 等． 符号有向图在化工安 ． 化工自动化及仪表， 全评价中的应用进展［J］ 2009 ， 36 （ 6 ） ： 1 ～ 6． ［ 5］ 杜少旭， 魏新利， 祝峰． 基于符号定向图的 HAZOP ［ J］ ． 科技资讯， 2007， （ 13） ： 12 ～ 14． 分析简介 ［ 6］ 黄廷泽， HAZOP 方法在 宣爱国， 吴元欣， 等． SDG． 化工自动化及仪表， 聚丙烯装置中的应用［J］ 2011 ， 38 （ 4 ） ： 469 ～ 472． ［ 7］ 王峰， 高金吉， 张贝克， 等． 基于层次分析法的计 J］ ． 化工进展， 2008 ， 算机辅助 HAZOP 分析技术［ 27 （ 12 ） ： 2013 ～ 2018． ［ 8］ 唐恂， 苏欣， 张鹏， 等． 改进层次分析法在管道腐 ． 全 面 腐 蚀 与 控 制， 蚀因 素 评 价 中 的 应 用［J］ 2007 ， 21 （ 3 ） ： 12 ～ 14．
功率放大电路和扩流电路
1010 2． 5
传感器线圈部分
化 工 自 动 化 及 仪 表
第 39 卷
传感器线圈部分主要利用的是霍尔元件， 当 有金属物进入时， 霍尔元件可以检测磁场的变化 笔者采用的是线性霍尔 并将其转换为电压信号， 元件 UGN3503 ， 它是一种三端输出的线性霍尔集 将霍尔元件 、 高增益线性差分放大器和 成电路， 射级跟随器集成在同一半导体基片上， 为用户提 供一个 由 外 电 压 源 驱 动 、 使用方便的磁敏传感 器， 在一定磁感应强度范围内， 其输出电压与外 磁感应强度呈线性关系， 在零磁感应强度时， 输 出电压为 3． 6V， 可工作于 － 20 ～ + 85℃ ， 有较高 的灵敏度， 能测出极其细微的变化， 其特征为： 灵 、 23kHz 、 敏度很高 可以平稳响应至 噪声输出低 、 工作于4． 5 ～ 6． 0V 之间， 且为优化磁性包装 。
Abstract
Basing on the application of polypropylene production device in Wuhan Petrochemical Complex and
considering the shortcoming of SDGHAZOP analysis report ， a SDGHAZOP quantitative analysis method which based on analytic hierarchy process was proposed． Having objective evaluation weights of each dangerous path of measures of preventing potential dangers the SDGHAZOP calculated and their importance degree sequenced， were presented．
线圈中有交变电流通过时， 线圈周围会产生交变 电磁场的磁感应强度与产生磁场的导体 电磁场， 的电流大小 、 有无铁芯及距离远近等有关 。 当线 圈有效探测范围内无金属时， 介质的磁导率为真 空磁导率等于 1 ， 因为磁感应强度等于磁场强度 乘以磁导率， 所以此时磁感应强度保持不变 。 反 之， 当在线圈的有效探测范围内发现金属物的存 在时， 由于铁磁性金属的相对磁导率大于 1 ， 会使 此时介质的磁导率发生变化， 从而引起线圈周围 的磁感应强度发生变化 。 同时， 在该交变磁场中 进而产生涡旋电场， 涡 的金属导体内会产生涡流， 旋电场又会激发涡旋磁场而使外磁场产生变化 。 金属的电导率与最后产生的涡旋磁场成正比例关 系， 因此金属的电导率越大， 对原磁场的抑制作用 越强 。最后只需检测磁场的变化就可以达到探测 是否有金属物存在的目的
闭任意一个或所有外设， 以节约功耗 。
2． 2
方波信号产生电路
首先， 利用单片机编程分别选择不同的频率 ［4 ］ 经过大量实验， 最终确定线圈的合 来测试效果 ， 适的频率值为 15． 625kHz， 方波信号产生电路如 其 工 作 原 理 是： 晶 振 Y 产 生 大 小 为 图 3 所 示， 4MHz 的正弦波信号， 经过非门电路 CD4069 整形 后将其变为同样大小的方波信号， 再利用二进制 串行计数分频器 CD4040 对信号进行 28 分频， 最 终得到了稳定的 、 大小为 15． 625kHz 的方波信号 。
将已经产生的方波信号经过图 4 所示的包含 电感、 电容和变压器的滤波电路， 可得到符合要 ［4 ］ 求的正弦信号 。 方波和正弦波信号频率相同， 因为方波是由不同频率和幅值的正弦波信号组 成的， 而电路中的滤波器滤去了其高波分量， 得 到了最后的一倍波形， 也就是正弦波 。
图4
正弦信号产生电路
图5
AHP + SDGHAZOP for Quantitative Analysis of Polypropylene Tubular Loop Reactor
CHEN Zhengcai1 ， LI Jianping2 ， PAN Yang1 ， XU Tianhui1 ， XUAN Aiguo1 ， WU Yuanxin1
Design of Electromagnetic Metal Detectors
LI Guohong， ZHANG Wenbin
（ School of Automation， Tianjin University of Technology， Tianjin 300384 ， China）
（ Continued on Page 1033 ）
∫
dBsinθ =
∫
2 πR 0
ul R dl 4 π r2 r
。
2
系统硬件设计
ulR2 ulR2 = 3 = 2 2r 2 （ x + R2 ）
3 /2
u0 u r R2 I m = cosω 2 （ x 2 + R2 ） 3 / 2
式中
u— — — 介质的磁导率， u = u0 u r ； ur — — —相对磁导率； u0 — — —真空磁导率 。
功能， 该单片机成为真正独立的片上系统解决方 案 。Flash 存储器可以实现在系统编程时， 提供非 易失性数据存储， 同时 支 持 8051 固 件 的 现 场 升 级， 可以通过软件完全控制所有外设， 并可单独关
图3 2． 3
正弦信号产生电路
方波信号产生电路 2． 4 功率放大电路和扩流电路
功率放大电路解决了输入信号强度低， 线圈 不能推动系统工作的问题， 电路中变压器的进一 步滤波功能保证了正弦信号的纯度 。 变压器扩 流电路为图 5 的右下角部分， 此设计增大了发射 ［4 ］ 线圈的电流， 获得了较强的磁场强度 。
［5 ， 6 ］
图6 3 4 软件设计
峰值保持电路
金属探测器主程序流程如图 7 所示
源自文库
。
（ 3 ） ： 21 ～ 22． ［ 6］ 王玉琦， 韩海燕， 郝智慧． 金属检测器在食品工业中 J］ ． 长春大学学报， 2007， 17（ 2） ： 71 ～ 73． 的应用［
结束语
经过现场实验， 确定该金属探测器能够及时
现在， 各大企业生产线的自动化程度越来越 对于制造厂商来说， 产品中混入金属的情况时 高， 有发生， 一旦发生， 后果不堪设想， 笔者设计的金 属探测器则很好地解决了这个难题 。它采用灵敏 度极高的霍尔元件作为传感器， 感应由于金属出 现而引起的探测线圈周围磁场的变化， 提高了检 ［1 ］ 测精度， 并且利用单片机作为主控部件 ， 保证了 检测实施的有效性 。 经过仿真和现场实验， 证明 其能达到预期效果， 市场前景巨大 。
图7
金属探测器主程序流程
检测出传送带上食品中的金属异物， 保证了产品 干净出厂， 保障了广大消费者的人身安全， 具有 。 广泛的应用前景和发展潜力
参
考
文
献
［ 1］ 李树华， 郭改枝， 刘跃平． 便携式智能金属探测仪 J］ ． 传感器技术， 2005 ， 24 （ 1 ） ： 33 ～ 34． 的研制［ ［ 2］ 范丽珍， 李树华． 基于单片机的智能型金属探测 J］ ． 内蒙古大学学报， 2006 ， 37 （ 2 ） ： 185 器的设计［ ～ 186． ［ 3］ 殷建国． 单片机金属检测器系统研究［ J］ ． 现代电 2010 ， 33 （ 4 ） ： 183 ～ 184． 子技术， ［ 4］ 张忠祥． 基于 ATmega8515 控制的金属探测器研 D］ ． 济南： 山东大学， 2006． 究［ ［ 5］ 周尚丽， 张宇， 王春枝． 单片机在霍尔式铁金属检 J］ ． 湖北工学院学报， 2000 ， 15 测装置中的应用［