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新型鞋内安全检测仪的设计及应用研究

2020-07-01 270 上传者：管理员

摘要：鞋内安全检测仪是专对鞋内、鞋跟及鞋底暗藏金属违禁品进行非破坏性检查的设备,弥补安检类产品对各类鞋子检测的盲区。原有鞋内安全检测仪存在探测范围小,限制了它的推广使用。本文介绍一种新型鞋内安全检测仪,该检测仪扩大对鞋子的检查范围,同时分析此检测仪的基本检测原理,并简述了电路的实现过程和一些关键技术的解决方法。

关键词：
MCU控制电路
分时复用
制鞋工业
安全检查
安全检测仪
鞋子
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引言

目前,针对人员安全检查设备如通过式安检门、手持式金属探测器等[1],该些设备可对人身上携带含金属违禁物品进行检测,但对鞋的检测是一个盲区。针对以上检查盲区我们开发了鞋内安全检测仪,一种针对鞋子进行检查的安检设备,当人立于检测区上方时,它能自动地对鞋子进行实时检测,能够区分出鞋子内部携带金属属性,以确定被测对象是否带有违禁金属物品,达到快速、实时安检的目的。但该鞋内安全检测仪存在探测范围小,限制它的推广使用,因此,本文介绍的新型鞋内安全检测仪就是在主要提升了鞋子探测范围和性能,从而使安全检查更加的全面、科学。

1、工作原理

新型鞋内安全检测仪的探头总共由五套线圈组成,如图1所示。其中线圈①②是为了满足鞋内金属的探测需要,线圈③④⑤是为了满足对被测者脚踝以上部位金属检测的需要。

图1线圈系统

下面针对其中的一套收发线圈分析其探测原理。

电磁场理论[2]推导,发射天线产生空间场,B与接收天线垂直,在接收天线引起感应电动势ε。

代入法拉第定律和麦克斯韦方程:

表达式1

得出:

表达式2

为接收天线圈数;接收天线面积;ω为空间场角频率。

当两个发射天线分别产生一个同频、反相、等幅的空间场时,接收天线中:

形成发射天线平衡。

由于两个发射线圈的电气参数和几何尺寸不同,它们在有效探测范围内不同位置所形成的磁通密度B不同,在接收线圈内产生相应的感应电动势:

表达式3

为金属目标在垂直接收线圈所处平面产生的磁通密度。只有两个参数对会产生完全相反的作用[3]:⑴非铁磁性金属主要产生涡流效应,磁效应可以忽略不计,它所引起的二次场与一次场方向相反;⑵铁磁性金属主要产生磁效应,涡流效应可以忽略不计,它所引起的二次场与一次场方向相同。基于上述原理,我们综合不同金属目标的导电性、导磁性的差异,通过对接收线圈ε的检测来达到区分铁磁性与非铁磁性金属的目的。

2、系统实现

新型鞋内安全检测仪包括探测台一个,电源适配器一个,红外遥控器一个,其中电脑是用户自备,检测仪示意图如图2所示。

图2检测仪示意图

整个检测仪电路的实现方式如下:通过左右两脚平衡接收线圈接收被检测者鞋内金属含量的微弱变化信号[4],该信号经过前置放大、滤波、检波再放大等硬件电路处理后变为可分辨有用信号,送入A/D芯片进行取样,取样后的信号送入DSP进行处理[5],DSP处理后的数据通过RS232接口传递给嵌入式计算机,最后嵌入式计算机通过图形转换等处理把本机接收到的被检测者鞋内金属含量信息以复平面图形的形式显示出来,以达到操作人员能直观判断鞋内金属含量信息的功能。MCU还具有对整机基准电压进行自动补偿及探头零位补偿的功能,以达到整机智能化工作的要求。

3、电路实现

根据探头线圈的原理,后续电路主要包含检波电路和放大电路,因为还需要需要背景抑制功能,还有一部分背景相关的补偿信号,五路收发信号的处理信号,经过时序同步后,再经过ADC后,进入到DSP,经过DSP处理后,发出是否报警指示。通过以上分析可知本检测仪硬件组成主要包括以下5个部分的电路:检测信号发射电路部分、接收信号前放电路部分、接收信号解调电路部分、信号的采样电路部分、系统工作电源部分。检测信号发射电路部分主要形成五套金属感应线圈检测磁场,通过采用了分时复用的方法使5套线圈正常工作同时保证检测效果;接收信号前放电路部分对进入线圈金属目标的信号进行放大,对噪声信号进行处理,提高探测仪的灵敏度;接收信号解调电路部分主要对进入线圈金属目标属性进行识别,提高探测目标的确定性;信号的采样电路部分主要将模拟信号转化成数字信号,并采用嵌入式系统对采集的数字信号进行处理;系统工作电源部分主要对整个检测仪进行供电,保证设备正常工作。

4、关键技术及解决方案

4.1线圈之间的抗干扰技术

在探测台上,安装有五套金属感应线圈,和普通金属探测器及原来鞋内安全检测仪相比,过近距离的收发装置必会带来很大的干扰[6]。解决两个探头的相互干扰问题可以采用分时复用或者分频利用,再在后续电路中进行信息的提取。但是,要保证探测的一致性就必须要在同一个探测频率下对金属进行探测。所以,本产品采用了分时复用的方法,即分时间采样相同的探测线圈的振荡信号,来确定是否含有金属物。所以,时序控制对本产品非常的重要,决定了产品性能的关键。除了控制五套线圈的导通外,信号的积分环节、信号解调环节都需要多种时序来协调控制。

4.2环境自适应

环境对本产品的影响,主要有地面金属和周围大型仪器金属的影响。现代建筑绝大多数都是钢筋混凝土结构,楼板里的钢筋同样对探测器起反应。同时,由于使用场合的性质,在本产品的周围必定还有其他的大型金属体,比如X光机等。为了保证检测结果的正确性,必须消除这部分周围环境金属对本产品的影响。本产品通过软硬件相结合的方式解决此问题,首先,从金属探测的原理来看,探测线圈信号的改变,是由于其发射引起的磁场在被测物上产生了二次磁场[7],这个二次磁场又影响了发射信号。要隔绝楼板钢筋的磁场变换,就要在线圈和楼板之间加上磁屏蔽。采用的屏蔽层材料必须要具有较高的磁导率和较低的矫顽力,同时又有很高的电阻率。在磁路和电路上进行隔离,可使楼板内的金属对探测线圈的影响降到最低。因为考虑到本产品会和X光机等设备一起使用,此类设备也会对本产品有一定影响,这类影响更加的复杂并充满了不可预知,所以,本产品只有在软件里进行校正,首先进行一次对环境的学习,得到校正后,建立对应的环境模型。再开始进行正常工作。由软件和硬件两方面的措施,达到了消除环境干扰的目的。

5、结束语

新型鞋内安全检测仪是国内外反恐形势的需要和企业专业技术相结合的产物,提升了鞋子探测范围和性能,该检测仪丰富了国内反恐领域的侦察手段,有着非常广阔的市场前景。

参考文献：

[1]鲁光宇.金属探测器技术发展综述[J].地学仪器,1992,1.

[2]J.D.克劳斯著.电磁学[M].北京:人民邮电出版社,1979.

[3]张国进,崔文淼.金属目标信号特性分析[J].工兵装备研究,1993.

[4]贺桂芳.一种新型智能金属探测仪的设计[J].仪表技术与传感器,2006(1):13-15.

[5]耿永刚,陶国正.单片机与接口应用技术[M].华东师范大学出版社,2008.

[6]丁天怀,陈祥林.电涡流传感器阵列测试技术[J].测试技术学报,2006,3.

[7]刘国强.Ansoft工程电磁场有限元分析[M].北京:电子工业出版社,2005.

胡仁昱,杨琳.新型鞋内安全检测仪设计与实现[J].电子制作,2020(08):13-14.