基于锁相放大器的电涡流金属分类系统设计
电子技术应用
张炳鑫，张志杰，张泽学
中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室
摘要： 电涡流检测是一种通过检测金属导体感应出的微小涡流信号来识别被测材料性质的方法。在利用电涡流检测技术进行金属分类时，微弱信号甚至会被噪声信号完全淹没，这使提取有效信号变得非常困难。针对这种实际问题，根据相关检测法设计了基于锁相放大器的金属分类系统。在设计中，微弱待测信号经过低噪声放大后与两路正交参考信号进行互相关，再经过低通滤波电路后被采集，对被采集的信号进行计算即可实现对微弱信号的检测。实验结果表明，系统具有较高的精度和灵敏度，能够极大地提高信号的信噪比，实现对金属材料的快速分类，分类准确率可达93%。
中圖分類號：TN722 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245287
中文引用格式： 張炳鑫，張志杰，張澤學. 基于鎖相放大器的電渦流金屬分類系統設計[J]. 電子技術應用，2024，50(12)：98-104.
英文引用格式： Zhang Bingxin，Zhang Zhijie，Zhang Zexue. Design of an eddy current metal classification system based on lock-in amplifier[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(12)：98-104.
中文引用格式： 張炳鑫，張志杰，張澤學. 基于鎖相放大器的電渦流金屬分類系統設計[J]. 電子技術應用，2024，50(12)：98-104.
英文引用格式： Zhang Bingxin，Zhang Zhijie，Zhang Zexue. Design of an eddy current metal classification system based on lock-in amplifier[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(12)：98-104.
Design of an eddy current metal classification system based on lock-in amplifier
Zhang Bingxin，Zhang Zhijie，Zhang Zexue
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement Ministry of Education，North University of China
Abstract： Eddy current testing is a method of identifying the properties of a material by detecting the tiny eddy current signals induced in a metal conductor. When using eddy current testing technology for metal classification, the weak signal may be completely overwhelmed by noise, making it very difficult to extract the effective signal. To address this practical problem, a metal classification system based on a lock-in amplifier was designed according to the relevant detection method. In the design, the weak test signal is amplified with low noise and correlated with two orthogonal reference signals, then collected after low-pass filtering circuit, and the collected signal is calculated to achieve detection of the weak signal. The experimental results show that this system has high accuracy and sensitivity, greatly improving the signal-to-noise ratio, achieving rapid classification of metal materials, with a classification accuracy of up to 93%.
Key words : AD630；phase-sensitive detection；eddy current testing；lock-in amplifier；metal classification
引言
金屬資源是國民經濟生產與發展的重要資源。隨著可持續發展概念的提出，廢舊金屬回收越來越受到重視[1]。廢舊金屬回收不僅能夠實現資源的循環利用，還能夠緩解土壤及水資源污染問題。金屬回收首先要進行金屬的識別和分類，可以通過電渦流檢測技術將不同電導率的廢舊金屬的電磁特性進行表征，從而實現分類，高效而且成本較低[2]。電渦流檢測中關鍵在于從微弱的感應信號中提取特征信號。目前電渦流檢測主要用阻抗分析儀進行阻抗分解[3]，但是整個系統設計較為復雜，成本較高且不能滿足輕量化的需求。
本文提出了一種基于鎖相放大器的金屬分類系統，信號調理部分通過鎖相放大電路實現，可靈活應用于電渦流測量領域[4]。利用互相關理論，使得待測金屬下方的電渦流傳感器產生的微弱待測信號放大后與同頻且相互正交的兩路參考信號在相敏檢波器中進行互相關，再通過低通濾波電路以濾除噪聲分量得到實部和虛部電壓值，對實部和虛部電壓進行一系列計算從而將深埋在大量的非相關噪聲中的微弱信號提取出來，實現廢舊金屬的分類。
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作者信息：
張炳鑫，張志杰，張澤學
（中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）
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