基于電渦流數字傳感器的卷煙包裹無損檢測設備的設計與實現

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）

近年來隨著網絡、物流行業的高速發展，卷煙違法經營者利用快遞進行卷煙運輸的情況屢見不鮮，給煙草專賣執法人員的監管工作帶來很大困難。盡管當前物流快遞行業的相關檢測手段已經日趨成熟，但這些方法多數基于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，迫切需要應用現代電磁檢測技術，研制一種卷煙包裹檢測裝置，對快遞環節進行有效監管，以打擊涉煙犯罪，減少國家財產損失。文章基于電磁感應原理，應用TI 公司的LDC1000數字電感傳感器，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生電渦流效應，這種渦流電流會產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生不同的變化。

上述并聯網絡并非理想諧振網絡，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：

網絡阻抗表現為電阻特性，可以通過LDC1000內部的阻抗測量單元實現對阻抗的測量。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）變為：

式中，Ls為靠近的金屬物體產生的感應電感，Rs為寄生電阻。

由此可見，當LRC 諧振電路附近出現金屬物體時，會導致LRC 電路諧振頻率和諧振阻抗發生改變，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，即可實現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、數據采集模塊、傳感器模塊、網絡模塊、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；網絡模塊用于與互聯網通信；數據采集和6個通道的傳感器實現包裹探測功能；電源模塊則為各個子系統提供需要的直流電平。

采用LDC1000 作為傳感器數據采集芯片。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 協議總線進行數據通信。

SCLK 為時鐘輸入信號，SDI 為數據輸入IO，SDO 為數據輸出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電感傳感器的設計。傳感器線圈設計的幾何參數主要有：線圈直徑（D）、線圈線徑（w）、線圈線距（s）以及線圈層數。線圈直徑決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、線徑、線距等參數也會影響線圈的品質因數Q值、阻抗及自諧振頻率等參數。經過仿真計算和試驗測試，最終確定設計的傳感器線圈參數為：線圈層數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、網絡數據交互模塊和傳感器數據采集模塊3部分構成。其中，人機交互模塊和網絡數據交互模塊采用跨平臺C++圖形用戶界面開發環境Qt Creator 進行設計開發，傳感器數據采集檢測模塊由C 語言進行開發。人機交互模塊主要實現操作人員對檢測設備的參數設置、檢測結果、系統運行狀態及工作環境等參數的液晶屏顯示等功能?；ヂ摼W數據交互模塊實現檢測設備相關參數上傳網絡服務器統計匯總、系統任務下發及設備運行軟件自動更新等功能。軟件系統的核心部分為傳感器數據采集模塊，該部分的功能主要是實現卷煙包裹的實時檢測。系統運行時，分別對6通道的LDC1000芯片進行輪詢讀取，實時檢測經過物流中心輸送帶上的快遞包裹，如果發現疑似卷煙包裹則進行聲光報警，并上傳檢測結果至網絡服務器進行數據匯總。

4 測試結果與分析

依據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境測試。在試驗室測試環節，搭建了一臺和物流中心相同規格的輸送帶，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軸坐標為傳感器數據取樣次數，z軸數據為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分。

在實際應用環境測試環節，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象發生，即設備告警后，經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 總線協議對傳感器數據進行讀寫，并將測試結果通過人機交互界面顯示及網絡上傳匯總。試驗測試顯示所設計的檢測設備在快遞分揀環節可有效對運輸包裹進行監管檢測，設備的綜合檢測率達到98%，誤檢率僅為1.2%。檢測設備工作穩定，界面友好，操作簡單，具有良好的市場應用前景。