基于鎖相放大器的電渦流金屬分類系統設計
電子技術應用
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
摘要： 電渦流檢測是一種通過檢測金屬導體感應出的微小渦流信號來識別被測材料性質的方法。在利用電渦流檢測技術進行金屬分類時，微弱信號甚至會被噪聲信號完全淹沒，這使提取有效信號變得非常困難。針對這種實際問題，根據相關檢測法設計了基于鎖相放大器的金屬分類系統。在設計中，微弱待測信號經過低噪聲放大后與兩路正交參考信號進行互相關，再經過低通濾波電路后被采集，對被采集的信號進行計算即可實現對微弱信號的檢測。實驗結果表明，系統具有較高的精度和靈敏度，能夠極大地提高信號的信噪比，實現對金屬材料的快速分類，分類準確率可達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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