电感传感器金属探测定位系统设计

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 金属探测定位系统的硬件设计

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。

由于LDC1000与K60控制器之间的通信是通过SPI通信协议进行传输的，因此需要将LDC1000上与SPI通信相关的4个端口SCLK、CS、 SDI、SDO与K60微控制器上的四个端口D0、D1、D2、D3相连接。D0口输出一定频率的高低电平来模拟时钟信号，D1口输出高电平，使能 LDC1000的SPI通信模块，SDI、SDO与D2、D3进行数据交换，完成数据通信，使得K60控制器能够进行后续的数据处理。

系统需要有较好的人机交互功能，因此在外围电路中采用4×4矩阵按键和Nokia5110LCD液晶显示屏与K60微控制器的通用I/O口相连接，采用 4×4矩阵按键可以只通过8个I/O口达到对16个按键进行识别，相对于普通按键，节省了一半的I/O口资源。在液晶屏的选择上，由于系统需要显示的字符并不多，Nokia5110 LCD液晶屏完全能够满足系统的要求，同时具有价格便宜的优势。

在系统中，金属探测仪需要实现一定范围内的自动探测功能，因此选择在X轴上通过步进电机来进行横向的移动，以达到精确度高这一要求。在达到高精确度要求的同时需要具有较快的速度，因此在Y轴上选用直线电机来进行纵向移动，两者相结合可以进行一定范围内的面扫描。

对于步进电机的控制，K60微控制器通过C1口以及E1口与步进电机驱动模块相连接，E1口输出高低电平控制步进电机移动的方向，C1口输出PWM波控制步进电机移动的速度与距离，最终步进电机驱动模块通过A、B双相输出相应的电压驱动步进电机移动。

对于直线电机的控制，K60微控制器通过B0、B1、B2三个端口与电机驱动模块相连接，该电机驱动模块选择的是简单的H桥驱动，可以通过改变PWM来实现直线电机的转速大小与方向。同时为了能够精确地检测以及控制直线电机移动的距离，系统通过红外传感器模块进行检测，同时信号通过A16端口输入到K60 微控制器中去。

K60微控制器的E0、E2口连接LED以及语音报警系统，在检测到金属时，K60微控制器通过在E0和E2口输出高电平，驱动LED发光的同时语音报警系统发出提示音。

3 金属探测定位系统的软件设计

软件流程图如图5所示。

软件设计的关键是控制X轴步进电机的步进长度和Y轴直线电机的移动范围，以及控制LCD液晶显示屏显示当前探测到的金属位置和距离。软件的初始化包括系统时钟初始化、传感器LDC1000初始化、液晶显示屏LCD初始化以及PWM波初始化。主程序开始时，先要通过键盘输入一个阈值，该阈值与要检测的金属性质有关，检测不同金属会输入不同的阈值。当输入完阈值后，控制器会读取LDC1000传来的数据，比较该数据和阈值的关系。

如果该数据小于阈值的1/4，则步进长度控制为3cm;如果该数据大于阈值的1/4，则步进长度控制为1 cm。对于直线电机的移动范围控制是通过反射式红外光电开关来实现的，在直线电机上会有初始位置、终止位置两个黑色标记。若红外光电开关照射到这两个黑色标记，则会输出高电平到I/O口，当控制器的I/O口判断当前的电平为高电平时，就会改变直线机电驱动电压的极性，从而实现电机的反向、正向来回运行。 LDC1000传来的数据在0.9～1.1阈值范围内时，表示当前LDC1000传感器已经探测到金属了，步进电机和直线电机将停止运行。液晶显示屏将显示当前金属的位置和距离。同时，I/O口E0输出高电平信号，驱动语音模块进行声音报警，I/O口E2输出高电平信号驱动发光二极管发光报警。

4 实验结果与数据

为了检验系统对于检测不同材质和大小的金属物体的精确度，实验选取了1角硬币(直径19 mm，材质为镀镍钢芯)、1元硬币(直径25 mm，材质为镀镍钢芯)和自制铁丝环(直径4 cm，材质为铁)3种金属作为被检测金属物体，放置在50 cm×50 cm范围内任意一处。然后运行金属定位探测系统，对金属物体进行检测以及定位，最后测量系统定位点与金属中心点之间的距离误差，并记录实验结果，具体结果如表1所列。

通过实验数据可以发现，对于不同金属材质以及不同金属大小的被测物，实验误差不同。1角硬币作为被测物，中心点定位精确度最高，自制铁环由于铁环只有外围一圈是金属，中心部分为空心，因此误差最大。总体来说，定位误差在3.6 mm以内。

结语

本文利用LDC1000电感传感器来实现金属探测定位系统，从实验数据中可知，该方案定位精度高，定位误差在3.6 mm以内。此外，该系统成本低、结构简单，只需进行X、Y轴扫描，便能快速准确地实现金属探测定位功能，结合液晶显示和语音报警功能，可增强人机互动。该系统可应用于建筑施工中墙壁内钢筋、电线的检测，还可应用于机场、火车站和大型会场安检时对金属刀具、枪子弹药等危险物品的检测。