Устройство обнаружения и классификации металлических предметов

Устройство обнаружения и классификации металлических предметов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к техническим средствам контроля служб безопасности различного профиля (обнаружение оружия), а также может быть использовано в производстве, решающем в определенных технологических процессах задачу различения черных и цветных металлов.

Известно устройство для обнаружения металлических предметов (А.с. СССР №1433276, кл. G08B 13/26, 1986), содержащее генератор тока, излучающий и приемный блоки, регистрирующий и исполнительный блоки. Излучающий и приемный блоки выполняются, например, в виде многовитковых катушек, которые располагаются в некотором объеме пространства на определенном расстоянии одна от другой. Генератор тока подключается к излучающему блоку, своим входом регистрирующий блок соединен с приемным блоком, а выходом - с исполнительным блоком. Регистрирующий блок состоит из последовательно соединенных усилителя, синхронного детектора, фильтра верхних частот и порогового элемента.

Излучающий блок под воздействием генератора тока формирует в некотором объеме окружающего пространства, называемом контролируемой зоной, электромагнитное поле, под действием которого в приемном блоке формируется соответствующий электрический сигнал. Изменения этого сигнала, возникающие в приемном блоке при внесении в контролируемую зону устройства металлического предмета, фиксируются регистрирующим блоком и воспроизводятся в исполнительном блоке в виде звуковой и/или световой тревожной сигнализации.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности определения категории обнаруживаемого металла (черный или цветной), что ограничивает функциональный диапазон использования электромагнитных обнаружителей как в сфере обеспечения безопасности, так и в области промышленного производства.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сути (прототипом) является устройство для обнаружения металлических предметов (пат. России №2201619, кл. G08B 13/26, 2003), содержащее излучающий блок, входные конденсаторы, генератор тока, генератор управляемый напряжением, квадратурный автокомпенсатор, два фильтра верхних частот, два линейных выпрямителя, сумматор, пороговый элемент, исполнительный блок, усилитель и фильтр нижних частот, причем излучающий блок может быть выполнен в виде одной или нескольких соответствующим образом соединенных многовитковых плоскостных рамок, образующих в заданном конструкционном пространстве контролируемую зону, кроме того, излучающий блок включен параллельно входным конденсаторам, образуя параллельный резонансный контур, подключенный к первому входу квадратурного автокомпенсатора и к выходу генератора тока, входом соединенного с выходом генератора управляемого напряжением и со вторым входом квадратурного автокомпенсатора, один выход которого через первый фильтр верхних частот и первый линейный выпрямитель подключен к первому входу сумматора, а второй выход соединен через усилитель и фильтр нижних частот с управляющим входом генератора управляемого напряжением и через второй фильтр верхних частот и второй линейный выпрямитель со вторым входом сумматора, выходом подключенного к входу порогового элемента, выход которого связан с входом исполнительного блока.

Излучающий блок формирует в пространственно-контролируемой зоне электромагнитное поле с напряженностью, зависящей от тока генератора тока, и частотой, заданной с помощью генератора управляемого напряжением. Конструкционная индуктивность рамок излучающего блока совместно с емкостью входных конденсаторов образуют параллельный контур, изначально настроенный в резонанс на заданной частоте генератора управляемого напряжением.

В соответствии с алгоритмом функционирования квадратурного автокомпенсатора осуществляется автоматическая компенсация напряжения, поступающего по его первому входу, напряжением, подаваемым на второй вход. Выравнивание амплитуд компенсируемых напряжений и поддержание их противофазности обеспечивается за счет разложения колебаний второго входа на две квадратурные составляющие с соответствующим управлением этими квадратурами с помощью цепей регулирования (корреляционных обратных связей).

Поскольку параллельный контур при резонансе имеет чисто активное эквивалентное сопротивление, то фазы напряжений, поступающих на первый и второй входы квадратурного автокомпенсатора, будут одинаковыми, следовательно, напряжения на выходах фильтров нижних частот цепей регулирования (определяющие «вес» каждой квадратурной составляющей в компенсирующем сигнале) будут существенно различными: одно из них (квадратурное) будет близко к нулю, а другое (синфазное) имеет отрицательный знак и величину, обеспечивающую компенсацию напряжений, поступающих по первому и второму входам квадратурного автокомпенсатора, на выходе его сумматора. В установившемся режиме работы квадратурного автокомпенсатора эти напряжения цепей регулирования будут медленно меняющимися.

Медленные изменения напряжений на выходах фильтров нижних частот квадратурного автокомпенсатора не проходят на выходы первого и второго фильтров верхних частот и напряжения на выходах первого и второго линейных выпрямителей и сумматора соответственно будут малыми, не превышающими установленный пороговый уровень порогового элемента, при этом сигнал тревоги в исполнительном блоке не воспроизводится.

При несоответствии резонансной частоты контура частоте генератора управляемого напряжением (за счет ухода частоты генератора, старения элементов, действия внешних дестабилизирующих факторов) будет наблюдаться изменение знака и величины (в зависимости от расстройки) квадратурной составляющей напряжения на выходе фильтра нижних частот цепи регулирования квадратурного автокомпенсатора, который выступает в данном случае в роли частотно-фазового дискриминатора. После соответствующего усиления усилителем и усреднения фильтром нижних частот это напряжение поступает на управляющий вход генератора управляемого напряжением, изменяя его частоту генерации. Указанная цепь автоподстройки обеспечивает постоянную в процессе эксплуатации подстройку частоты генератора управляемого напряжением под резонансную частоту параллельного контура. Для обеспечения устойчивой работы всего устройства постоянные времени фильтров нижних частот цепей регулирования квадратурного автокомпенсатора выбираются на несколько порядков меньше постоянной времени фильтра нижних частот цепи автоподстройки частоты.

При попадании металлического предмета в контролируемую зону устройства за счет явления электромагнитной индукции происходит изменение индуктивности рамок излучающего блока, что вызывает смещение резонансной частоты контура, которое сопровождается изменением фазы и амплитуды напряжения на первом входе квадратурного автокомпенсатора и, как следствие, приводит к появлению кратковременного изменения напряжений на выходах фильтров нижних частот цепей регулирования, связанного с переходными процессами компенсации в квадратурном автокомпенсаторе. Эти относительно быстрые изменения напряжений проходят на выход первого и второго фильтров верхних частот, преобразуются (становятся одинаковой положительной полярности) в линейных выпрямителях, объединяются в сумматоре и поступают на вход порогового элемента. При превышении сигналом на выходе сумматора порогового уровня порогового элемента в исполнительном блоке воспроизводится сигнал тревоги.

К недостатку данного устройства также следует отнести отсутствие классификации обнаруживаемых металлических предметов по их принадлежности к категории черных или цветных металлов.

Техническим результатом предлагаемого устройства является комплексное решение задачи обнаружения и классификации металлических предметов, реализованное на базе квадратурного автокомпенсатора, позволяющее расширить функциональные возможности устройства и область его практического использования.

В устройство, содержащее излучающий блок, выполненный в виде одной или нескольких соответствующим образом соединенных многовитковых плоскостных рамок, образующих в заданном конструкционном пространстве контролируемую зону, и включенный параллельно входным конденсаторам, образуя параллельный резонансный контур, подключенный к первому входу квадратурного автокомпенсатора и к выходу генератора тока, входом соединенного с выходом генератора управляемого напряжением и со вторым входом квадратурного автокомпенсатора, один выход которого через первый фильтр верхних частот и первый линейный выпрямитель подключен к первому входу сумматора, а второй выход соединен через усилитель и фильтр нижних частот с управляющим входом генератора управляемого напряжением и через второй фильтр верхних частот и второй линейный выпрямитель со вторым входом сумматора, выходом подключенного к входу порогового элемента, выход которого связан с входом исполнительного блока, введены первый и второй аналого-цифровые преобразователи, блок обработки и блок индикации, причем входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей соединены соответственно с выходами первого и второго фильтров нижних частот квадратурного автокомпенсатора, выходы аналого-цифровых преобразователей подключены к первому и второму входам блока обработки, третий вход которого соединен с выходом порогового элемента, а выход связан с входом блока индикации.

Существенным отличием предлагаемого устройства является введение двух аналого-цифровых преобразователей, блока обработки и блока индикации, позволяющих на основе анализа знаков сигналов в цепях регулирования квадратурного автокомпенсатора осуществлять классификацию обнаруживаемых металлических предметов по их принадлежности к категории черных или цветных металлов.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства, содержащего излучающий блок 1, входные конденсаторы 2, генератор 3 тока, генератор 4 управляемый напряжением, квадратурный автокомпенсатор 5, включающий в себя квадратурный преобразователь 6, сумматор 7, перемножители 8 и фильтры 9 нижних частот, первый и второй фильтры 10 и 11 верхних частот, первый и второй линейные выпрямители 12 и 13, сумматор 14, пороговый элемент 15, исполнительный блок 16, усилитель 17, фильтр 18 нижних частот, первый и второй аналого-цифровые преобразователи 19 и 20, блок обработки 21 и блок индикации 22.

Излучающий блок 1 подключен параллельно входным конденсаторам 2, связанным с выходом генератора 3 тока и первым входом квадратурного автокомпенсатора 5, вторым входом подключенного к входу генератора 3 тока и выходу генератора 4 управляемого напряжением. Выходы квадратурного автокомпенсатора 5 соединены соответственно через включенные последовательно фильтры 10, 11 верхних частот и линейные выпрямители 12, 13 с входами сумматора 14, выходом подключенного к входу порогового элемента 15, выход которого соединен с входом исполнительного блока 16. Один из выходов квадратурного автокомпенсатора 5 соединен через включенные последовательно усилитель 17 и фильтр 18 нижних частот с управляющим входом генератора 4 управляемого напряжением. Входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей 19 и 20 соединены соответственно с выходами первого и второго фильтров 9 нижних частот квадратурного автокомпенсатора 5, а выходы аналого-цифровых преобразователей 19 и 20 подключены к первому и второму входам блока обработки 21, третий вход которого соединен с выходом порогового элемента 15, а выход связан с входом блока индикации 22.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Излучающий блок 1 формирует в пространственно-контролируемой зоне электромагнитное поле с напряженностью, зависящей от тока генератора 3 тока, и частотой, заданной с помощью генератора 4 управляемого напряжением. Конструкционная индуктивность рамок излучающего блока 1 совместно с емкостью входных конденсаторов 2 образуют параллельный контур, изначально настроенный в резонанс на заданной частоте генератора 4 управляемого напряжением. Напряжение с контура подается на первый вход квадратурного автокомпенсатора 5, а с выхода генератора 4 управляемого напряжением - на его второй вход.

В соответствии с алгоритмом функционирования квадратурного автокомпенсатора (см. кн. Ю.И.Лосева и др. Адаптивная компенсация помех в каналах связи. М.: Радио и связь, 1988, с.38-43) на выходе его сумматора 7 устанавливается минимум напряжения, т.е. осуществляется компенсация напряжения, поступающего по его первому входу, напряжением, подаваемым на второй вход. Выравнивание амплитуд компенсируемых напряжений и поддержание их противофазности обеспечивается за счет разложения колебаний второго входа на две квадратурные составляющие с соответствующим управлением этими квадратурами с помощью цепей регулирования (корреляционных обратных связей).

Поскольку параллельный контур при резонансе имеет чисто активное эквивалентное сопротивление, то фазы напряжений, поступающих на первый и второй входы квадратурного автокомпенсатора 5, будут одинаковыми, следовательно, напряжения на выходах фильтров 9 нижних частот цепей регулирования (определяющие «вес» каждой квадратурной составляющей в компенсирующем сигнале) будут существенно различными: одно из них (квадратурное) будет близко к нулю, а другое (синфазное) имеет отрицательный знак и величину, обеспечивающую компенсацию напряжений, поступающих по первому и второму входам квадратурного автокомпенсатора 5, на выходе его сумматора 7. В установившемся режиме работы квадратурного автокомпенсатора эти напряжения цепей регулирования будут медленно меняющимися.

Медленные изменения напряжений на выходах фильтров 9 нижних частот квадратурного автокомпенсатора 5 не проходят на выходы первого и второго фильтров 10, 11 верхних частот и напряжения на выходах первого и второго линейных выпрямителей 12, 13 и сумматора 14 соответственно будут малыми, не превышающими установленный пороговый уровень порогового элемента 15, при этом сигнал тревоги в исполнительном блоке 16 не воспроизводится.

При несоответствии резонансной частоты контура частоте генератора 4 управляемого напряжением (за счет ухода частоты генератора, старения элементов, действия внешних дестабилизирующих факторов) будет наблюдаться изменение знака и величины (в зависимости от расстройки) квадратурной составляющей напряжения на выходе фильтра 9 нижних частот цепи регулирования квадратурного автокомпенсатора 5, который выступает в данном случае в роли частотно-фазового дискриминатора. После соответствующего усиления усилителем 17 и усреднения фильтром 18 нижних частот это напряжение поступает на управляющий вход генератора 4 управляемого напряжением, изменяя его частоту генерации. Указанная цепь автоподстройки обеспечивает постоянную в процессе эксплуатации подстройку частоты генератора 4 управляемого напряжением под резонансную частоту параллельного контура. Для обеспечения устойчивой работы всего устройства постоянные времени фильтров 9 нижних частот цепей регулирования квадратурного автокомпенсатора 5 выбираются на несколько порядков (4-5 порядков) меньше постоянной времени фильтра 18 нижних частот цепи автоподстройки частоты.

При попадании металлического предмета в контролируемую зону устройства, за счет явления электромагнитной индукции происходит изменение индуктивности рамок излучающего блока 1, что вызывает смещение резонансной частоты контура, которое сопровождается изменением фазы и амплитуды напряжения на первом входе квадратурного автокомпенсатора 5 и, как следствие, приводит к появлению кратковременного изменения напряжений на выходах фильтров 9 нижних частот его цепей регулирования, связанного с переходными процессами компенсации в квадратурном автокомпенсаторе. Эти относительно быстрые изменения напряжений проходят на выход первого и второго фильтров 10, 11 верхних частот, преобразуются (становятся одинаковой положительной полярности) в линейных выпрямителях 12, 13, объединяются в сумматоре 14 и поступают на вход порогового элемента 15. При превышении сигналом на выходе сумматора 14 порогового уровня порогового элемента 15 в исполнительном блоке 16 воспроизводится сигнал тревоги, имеющий удобный для потребителя вид.

Классификация обнаруженных металлических предметов в предлагаемом устройстве базируется на следующих физических принципах.

Как известно (см., например, Краткий технический справочник под редакцией В.А.Зиновьева. М.: Издательство технико-теоретической литературы, 1952, 530 с.), металлические предметы из категории черных металлов обладают свойствами ферромагнетиков, а предметы из категории цветных металлов - свойствами диамагнетиков.

Ферромагнетики, попадая в пространственно-контролируемую зону многовитковых плоскостных рамок излучающего блока 1, вызывают увеличение общей индуктивности параллельного контура, а диамагнетики, наоборот, уменьшают эту индуктивность. Это позволяет по знаку изменения разности фаз напряжений на первом и втором входах квадратурного автокомпенсатора 5 (при расстройке параллельного резонансного контура, вызванной металлическим предметом) определять принадлежность обнаруженного предмета к категории черных или цветных металлов.

Разность фаз напряжений, поступающих на первый и второй входы квадратурного автокомпенсатора 5, определяется соотношением:

где U_k и U_c - величины напряжений на выходах фильтров 9 нижних частот, определяющие соответственно «вес» квадратурной и синфазной составляющей в компенсирующем сигнале.

Для осуществления процедуры классификации достаточна информация только о знаке Δϕ, тогда соотношение (1) для принятия решения трансформируется к виду:

где sgn - функция-сигнум (знак отношения).

В этом случае вся процедура классификации при обнаружении металлического предмета может быть сведена к проверке следующих условий:

В результате с помощью первого и второго аналого-цифровых преобразователей 19, 20 постоянно осуществляется оцифровка напряжений на выходах фильтров 9 нижних частот квадратурного автокомпенсатора 5. Данные оцифровки передаются в блок обработки 21 для получения оценок составляющих U_k, U_c и {Δϕ}_зн. При обнаружении металлического предмета, по сигналу порогового элемента 15, в блоке обработки 21 осуществляется проверка условий (3), после чего принятое решение по классификации передается в блок индикации 22, где классификационная информация трансформируется в удобный для потребителя вид.

Дополнительно следует заметить, что при функционировании предлагаемого устройства в составе оборудования какого-либо производственно-технологического цикла может быть предусмотрена возможность сопряжения исполнительного блока 16 и блока индикации 22 с аппаратно-программным комплексом автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП) по одному из стандартных интерфейсов связи.

Излучающий блок 1 может, например, выполняться в виде одной или нескольких соответствующим образом соединенных многовитковых плоскостных рамок с числом витков, обеспечивающих необходимую чувствительность при заданном энергопотреблении. Для обеспечения высокой добротности, образуемого резонансного контура рамки изготавливают из медного или алюминиевого провода с достаточно большим сечением. Размеры и конфигурация рамок зависят от назначения устройства обнаружения и классификации и его конкретной конструкции (арочная, панельная или комбинированная).

Генератор 3 тока может быть реализован на операционном усилителе с внешним биполярным транзистором (см., например, А.Г.Алексенко и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем, М.: Радио и связь, 1985, с.218, рис.6.66).

Генератор 4 управляемый напряжением может быть выполнен с использованием специализированной микросхемы К1561ГГ1 (см., например, В.Л.Шило. Популярные микросхемы КМОП. М.: Ягуар, 1993, с.59-61).

Квадратурный автокомпенсатор 5 может быть реализован в соответствии со схемой, приведенной, например, в книге Ю.И.Лосева и др. Адаптивная компенсация помех в каналах связи. М.: Радио и связь, 1988, с.38-43. Квадратурный преобразователь 6 автокомпенсатора может быть выполнен в виде фазовращателя на 90° (см., например, Ж.Марше. Операционные усилители и их применение. Перевод с английского М.: Радио и связь, 1984, с.97, рис.2.14). Сумматор 7 автокомпенсатора может быть выполнен на операционном усилителе по схеме инвертирующего сумматора (см., например, Ю.А.Мячин. 180 аналоговых микросхем. М.: Патриот, 1993, с.7). Перемножители 8 автокомпенсатора могут быть реализованы с использованием специализированных микросхем К525ПС2 (см., например, А.Г.Алексенко и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем, М.: Радио и связь, 1985, с.79, рис.1.43). Фильтры 9 нижних частот автокомпенсатора могут быть реализованы, например, в виде обычных RC-цепей с заданными постоянными времени.

Фильтры 10, 11 верхних частот могут быть выполнены на операционных усилителях по схеме дифференциатора (см., например, А.Г.Алексенко и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем, М.: Радио и связь, 1985, с.123, рис.2.34).

Линейные выпрямители 12, 13 могут быть реализованы на специализированных микросхемах K157DA1 (см., например, Д.И.Атаев, В.А.Болотников. Аналоговые интегральные микросхемы для бытовой аппаратуры. М.: МЭИ, 1993, с.90-92).

Сумматор 14 может быть выполнен на операционном усилителе общего применения по схеме инвертирующего сумматора (см., например, Ю.А.Мячин. 180 аналоговых микросхем. М.: Патриот, 1993, с.7).

Пороговый элемент 15 может быть реализован на прецизионном операционном усилителе по схеме однопорогового компаратора (см., например, Ж Марше. Операционные усилители и их применение. Перевод с английского М.: Радио и связь, 1984, с.64, рис.5.14).

Исполнительный блок 16 может быть реализован на основе стандартных радиокомпонентов (пьезогенераторов, светоизлучающих элементов, интерфейсов связи), позволяющих преобразовать электрический сигнал тревоги устройства в сигналы звуковой и/или световой сигнализации, или иные необходимые потребителю сигналы.

Усилитель 17 может быть выполнен на операционном усилителе общего применения (см., например, Ю.А.Мячин. 180 аналоговых микросхем. М.: Патриот, 1993, с.7,8).

Фильтр 18 нижних частот цепи автоподстройки частоты может быть также реализован в виде RC-цепи с заданной постоянной времени.

Аналого-цифровые преобразователи 19, 20 и блок обработки 21 могут быть выполнены на базе микроконтроллера ATmega 128, имеющего в своем составе восемь 10-разрядных коммутируемых аналого-цифровых преобразователей и 8-битовый процессор с тактовой частотой 16 МГц, 4-килобайтным внутренним ОЗУ, 128-килобайтной программируемой памятью и шестью портами внешней связи.

Блок индикации 22 может быть также реализован на основе стандартных радиокомпонентов (светоизлучающих элементов, светодиодных матриц, алфавитно-цифровых индикаторов, интерфейсов связи), позволяющих представить информацию о категории металла обнаруженного предмета в удобном для потребителя виде.

Предлагаемое устройство реализовано в виде опытного образца металлодетектора-счетчика металлоизделий «СМ-1», установленного на эксплуатацию в цехе по производству фурнитурных изделий ГУП ПО «Север» города Новосибирска и предназначенного для подсчета мелких фурнитурных изделий при межцеховой транспортировке и для сортировки визуально трудноразличимых изделий из черных и цветных металлов перед упаковкой.

Таким образом, предлагаемое комплексное техническое решение, сочетающее в одном устройстве функции обнаружения и классификации, позволяет расширить функциональные возможности электромагнитных обнаружителей и область их практического использования. При этом наблюдается тенденция роста востребованности металлодетекторов в сфере производства, хотя основное применение они находят в системах обеспечения безопасности.

Устройство обнаружения и классификации металлических предметов, содержащее излучающий блок, выполненный в виде одной или нескольких соответствующим образом соединенных многовитковых плоскостных рамок, образующих в заданном конструкционном пространстве контролируемую зону, и включенный параллельно входным конденсаторам, образуя параллельный резонансный контур, подключенный к первому входу квадратурного автокомпенсатора и к выходу генератора тока, входом соединенного с выходом генератора, управляемого напряжением, и со вторым входом квадратурного автокомпенсатора, один выход которого через первый фильтр верхних частот и первый линейный выпрямитель подключен к первому входу сумматора, а второй выход соединен через усилитель и фильтр нижних частот с управляющим входом генератора, управляемого напряжением, и через второй фильтр верхних частот и второй линейный выпрямитель со вторым входом сумматора, выходом подключенного к входу порогового элемента, выход которого связан с входом исполнительного блока, отличающееся тем, что в него введены первый и второй аналого-цифровые преобразователи, блок обработки и блок индикации, причем входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей соединены соответственно с выходами первого и второго фильтров нижних частот квадратурного автокомпенсатора, выходы аналого-цифровых преобразователей подключены к первому и второму входам блока обработки, третий вход которого соединен с выходом порогового элемента, а выход связан с входом блока индикации.