基于電渦流數(shù)字傳感器的卷煙包裹無損檢測設備的設計與實現(xiàn)

陳思源，黃曾貞，劉 嘉，曾 璨，李朝輝

（河南省信陽市煙草專賣局，河南信陽 464000）

近年來隨著網(wǎng)絡、物流行業(yè)的高速發(fā)展，卷煙違法經(jīng)營者利用快遞進行卷煙運輸?shù)那闆r屢見不鮮，給煙草專賣執(zhí)法人員的監(jiān)管工作帶來很大困難。盡管當前物流快遞行業(yè)的相關檢測手段已經(jīng)日趨成熟，但這些方法多數(shù)基于X 光散射或太赫茲輻射的原理對違禁包裹進行檢測，對人體具有一定的損害，此外，在卷煙包裹的識別方面也未能達到理想的檢測結果。因此，迫切需要應用現(xiàn)代電磁檢測技術，研制一種卷煙包裹檢測裝置，對快遞環(huán)節(jié)進行有效監(jiān)管，以打擊涉煙犯罪，減少國家財產(chǎn)損失。文章基于電磁感應原理，應用TI 公司的LDC1000數(shù)字電感傳感器，設計并制作了一款可裝備于快遞分揀中心的卷煙包裹無損檢測設備（簡稱“檢測設備”），試驗室測試和實際應用環(huán)境測試證明了該設備的有效性。

1 LDC1000檢測原理

LDC1000是一款非觸摸式、短程傳感的電感檢測傳感器芯片，其中LRC 部分是片外電感和諧振電容的等效原理，L為等效電感、R為等效電阻、C為等效電容，三者共同構成LRC 諧振電路。當有激勵信號時，LRC 中的電感附近會產(chǎn)生一個高頻磁場，此時外界有金屬物體靠近電感時，高頻磁場就會在金屬物內部產(chǎn)生電渦流效應，這種渦流電流會產(chǎn)生新的磁場進而影響LRC 的諧振特性。金屬物體不同的接近距離、金屬類型、尺寸都會使LRC 的諧振頻率和等效阻抗產(chǎn)生不同的變化。

上述并聯(lián)網(wǎng)絡并非理想諧振網(wǎng)絡，諧振時其諧振頻率為：

通常CR2要遠小于L，因此式（1）可近似為：

當LRC 電路諧振時，LDC1000內部定時計數(shù)器可以完成對諧振頻率f0的測量，而電容C是已知的，因此由式（2）即可確定電感值L。

此外，LRC 電路諧振時的阻抗為：

網(wǎng)絡阻抗表現(xiàn)為電阻特性，可以通過LDC1000內部的阻抗測量單元實現(xiàn)對阻抗的測量。當電感線圈附近有金屬物體靠近時，由電磁感應定律可知，該諧振場會在金屬表面產(chǎn)生感應渦旋電流，該渦旋電流也會反作用于LRC 諧振電路，導致諧振阻抗式（3）變?yōu)椋?/p>

式中，Ls為靠近的金屬物體產(chǎn)生的感應電感，Rs為寄生電阻。

由此可見，當LRC 諧振電路附近出現(xiàn)金屬物體時，會導致LRC 電路諧振頻率和諧振阻抗發(fā)生改變，這種變化量受到金屬物體的外形尺寸、靠近距離以及金屬的材料類型等參數(shù)的影響?；诖嗽?，通過恰當設計，在已知金屬接近距離的前提下，利用卷煙包裝的錫箔金屬特性及外形尺寸參數(shù)，即可實現(xiàn)對卷煙包裹的無損識別探測。

2 檢測設備硬件設計方案

為使檢測設備具有較好的適應能力，降低系統(tǒng)成本，并且具有可升級性和可擴展性，對整個檢測設備的硬件電路系統(tǒng)進行模塊化設計。設備主體主要構成分為：MCU 主控電路模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、傳感器模塊、網(wǎng)絡模塊、人機交互模塊以及電源模塊。主控MCU 采用恩智浦公司的ARM7內核iMX6ULL 芯片，作為整個設備的控制核心；人機交互模塊采用一塊7英寸電容觸摸液晶屏作為設備的輸入輸出終端；網(wǎng)絡模塊用于與互聯(lián)網(wǎng)通信；數(shù)據(jù)采集和6個通道的傳感器實現(xiàn)包裹探測功能；電源模塊則為各個子系統(tǒng)提供需要的直流電平。

采用LDC1000 作為傳感器數(shù)據(jù)采集芯片。LDC1000是德州儀器（TI）公司推出的一款低功耗、小封裝，低成本的電感數(shù)字轉換器，通過對其片內16位阻抗寄存器和24位電感寄存器的讀取，可獲得LRC 諧振電路的諧振頻率和等效阻抗。LDC1000與主控芯片MCU 通過SPI 協(xié)議總線進行數(shù)據(jù)通信。

SCLK 為時鐘輸入信號，SDI 為數(shù)據(jù)輸入IO，SDO 為數(shù)據(jù)輸出IO，INTB 為芯片的中斷輸出IO，CSB 為片選信號，低電平有效，INA 和INB 連接并聯(lián)LRC 電路兩端。本設計中選用電容C 為33pF 的貼片層疊電容器，電感L 采用PCB 印刷線圈設計。為覆蓋物流分揀中心輸送帶的寬度范圍，采用6 片LDC1000的架構，實現(xiàn)6通道檢測。如圖1所示，此6通道LDC1000的片選信號CSB1-6通過8位移位寄存器芯片74HC595與主控芯片MCU 連接。

圖1 移位寄存電路

采用印制PCB 電路板線圈的方式實現(xiàn)電感傳感器的設計。傳感器線圈設計的幾何參數(shù)主要有：線圈直徑（D）、線圈線徑（w）、線圈線距（s）以及線圈層數(shù)。線圈直徑?jīng)Q定了線圈附近磁力線的分布，也就決定了傳感器的有效感應距離，同時也會影響傳感器對于目標物距離變化的感應靈敏度。此外線圈PCB層數(shù)、線徑、線距等參數(shù)也會影響線圈的品質因數(shù)Q值、阻抗及自諧振頻率等參數(shù)。經(jīng)過仿真計算和試驗測試，最終確定設計的傳感器線圈參數(shù)為：線圈層數(shù)2層、線徑0.4 mm、線距0.4 mm、線圈直徑12 cm?？紤]到支撐強度的需要，將設計制作的六通道傳感器，放置于強化玻璃鋼板殼內，其實物玻璃鋼面板的長寬分別為80 cm×30 cm，厚度為4 cm。

3 檢測設備軟件設計方案

檢測設備的嵌入式軟件設計主要由人機交互模塊、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交互模塊和傳感器數(shù)據(jù)采集模塊3部分構成。其中，人機交互模塊和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交互模塊采用跨平臺C++圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境Qt Creator 進行設計開發(fā)，傳感器數(shù)據(jù)采集檢測模塊由C 語言進行開發(fā)。人機交互模塊主要實現(xiàn)操作人員對檢測設備的參數(shù)設置、檢測結果、系統(tǒng)運行狀態(tài)及工作環(huán)境等參數(shù)的液晶屏顯示等功能?；ヂ?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交互模塊實現(xiàn)檢測設備相關參數(shù)上傳網(wǎng)絡服務器統(tǒng)計匯總、系統(tǒng)任務下發(fā)及設備運行軟件自動更新等功能。軟件系統(tǒng)的核心部分為傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，該部分的功能主要是實現(xiàn)卷煙包裹的實時檢測。系統(tǒng)運行時，分別對6通道的LDC1000芯片進行輪詢讀取，實時檢測經(jīng)過物流中心輸送帶上的快遞包裹，如果發(fā)現(xiàn)疑似卷煙包裹則進行聲光報警，并上傳檢測結果至網(wǎng)絡服務器進行數(shù)據(jù)匯總。

4 測試結果與分析

依據(jù)上述軟硬件設計方案，制作了該檢測設備的實物，并進行試驗室測試和實際應用環(huán)境測試。在試驗室測試環(huán)節(jié)，搭建了一臺和物流中心相同規(guī)格的輸送帶，將線圈傳感器安裝于輸送帶皮帶下方，對不同試驗待測物品進行測試。

圖2給出了一條卷煙以不同擺放角度通過輸送帶時，檢測設備所記錄的諧振頻率的二維圖像。圖中x軸坐標為傳感器線圈編號，y軸坐標為傳感器數(shù)據(jù)取樣次數(shù)，z軸數(shù)據(jù)為LRC 諧振頻率?？梢钥闯?，該檢測設備可以清晰表達金屬物品的外形特征，對于卷煙包裹的識別具有良好的分辨能力。

圖2 整條卷煙放置角度的二維圖像

樣品3為一卷銅芯導線，其諧振特性與樣品1的卷煙差異較大，易于區(qū)分。樣品2為具有金屬鋁外殼的電子設備，盡管其在外形上與樣品1較為相似，但由于材料特性不同，其諧振頻率遠低于卷煙物品的諧振頻率，因此實際測試中，此類包裹也易于從程序算法上加以區(qū)分。

在實際應用環(huán)境測試環(huán)節(jié)，將制作的檢測設備安裝于某物流快遞分揀中心，進行了5次實際批量包裹的檢測試驗。每次試驗時，在測試樣品中隨機混入測試人員提前制作的10個卷煙包裹，并定義設備的檢測率和誤檢率分別為：

5次試驗的測試結果見表1。

表1 實際應用環(huán)境測試結果

從表1可以看出，5次試驗中除第二次漏檢了1個卷煙包裹，其余4次均全部檢出10個卷煙包裹，檢測率達到98%。此外由于實際快遞包裹種類的復雜多樣性，每次試驗均有誤檢現(xiàn)象發(fā)生，即設備告警后，經(jīng)人工確認并非卷煙包裹。5次試驗誤檢率最高為1.67%，總計誤檢率僅為1.2%，滿足設計指標要求。

5 結束語

基于電渦流效應，應用TI 公司的LDC1000數(shù)字電感傳感器設計制作了一款卷煙包裹無損檢測設備。該設備由6通道數(shù)字采集傳感器構成，每通道傳感器采用印制電路板線圈構成，由主控ARM 芯片imull6通過SPI 總線協(xié)議對傳感器數(shù)據(jù)進行讀寫，并將測試結果通過人機交互界面顯示及網(wǎng)絡上傳匯總。試驗測試顯示所設計的檢測設備在快遞分揀環(huán)節(jié)可有效對運輸包裹進行監(jiān)管檢測，設備的綜合檢測率達到98%，誤檢率僅為1.2%。檢測設備工作穩(wěn)定，界面友好，操作簡單，具有良好的市場應用前景。