金屬純度智能檢測(cè)裝置的研究

　　摘要 對(duì)于金屬元素來說 純度的改變會(huì)影響金屬特性。當(dāng)對(duì)一些金屬進(jìn)行純度檢測(cè)或者判斷它的雜質(zhì)含量時(shí) 不準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果也會(huì)直接影響對(duì)這些金屬的性能評(píng)價(jià) 因此研究了一種金屬純度智能檢測(cè)裝置。用電極電導(dǎo)法測(cè)量金屬 - 有機(jī)溶劑二元溶液體系 在恒流的情況下測(cè)量不同金屬在浸溶液狀態(tài)下的電壓情況 采用 Visual Basic 編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)軟件 通過串行通信方式對(duì)電壓和實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集對(duì)比電壓數(shù)據(jù)曲線從而判斷金屬的純度。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明 根據(jù)電壓曲線區(qū)分金屬、分析金屬純度的方法是可行的 所提出的分辨金屬及檢測(cè)金屬純度的方法實(shí)現(xiàn)了金屬純度檢測(cè)的智能化、可視化。

　　關(guān)鍵詞 智能檢測(cè) 純度識(shí)別 電極電導(dǎo) 金屬純度 串行通信

　　金屬在人們的日常生活中是重要的物質(zhì)資源。純金屬元素還可以制作一些合金或高純金屬片、金屬棒并在工業(yè)上得到應(yīng)用。高純金屬是電子工業(yè)、宇航、通信及高科技尖端產(chǎn)業(yè)中的重要基礎(chǔ)材料。隨著科技的發(fā)展 純金屬的需求量越來越大 產(chǎn)量越來越多 然而一些商家在純金屬制造環(huán)節(jié)混合摻雜以獲取更多的利潤(rùn) 出現(xiàn)了金屬純度不足的問題。到目前為止 許多金屬特性方面的研究為金屬純度的檢測(cè)奠定了基礎(chǔ) 這些研究使用的方法多種多樣 例如用電極電導(dǎo)法測(cè)量金屬鹽溶液的電導(dǎo)率 1 、對(duì)金屬?gòu)?fù)合材料通電來研究其特性 2 等 同時(shí)也有了許多金屬純度檢測(cè)技術(shù) 3 。在檢測(cè)數(shù)據(jù)采集方面 國(guó)外對(duì)數(shù)據(jù)在線采集系統(tǒng)的研究比較豐富。

　　例如在一種溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究 4中 采用光纖將溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸給溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 通過 RS485 串口完成溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的通信 并已將該系統(tǒng)用于電力變壓器的溫度在線監(jiān)測(cè)。針對(duì)現(xiàn)有的金屬純度檢測(cè)方法檢測(cè)準(zhǔn)確率低、受人為因素影響較大等問題 5 筆者研究了超穩(wěn)定恒流源金屬檢測(cè)裝置 使用電壓、溫度傳感器將實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到主控電路板 采用串行通信方式接收檢測(cè)數(shù)據(jù)并以圖像的形式顯示在 PC 端 通過操作PC 端實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)過程的控制 從而可以便捷、智能、快速、有效地檢測(cè)金屬純度。以規(guī)則體積的金屬銅和鋁為例進(jìn)行試驗(yàn) 結(jié)果表明所研制的裝置可以有效識(shí)別銅和鋁并且得出純度 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集與上傳 同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其他金屬的純度檢測(cè)。

　　1 總體設(shè)計(jì)

　　1. 1 設(shè)備組成

　　金屬純度智能檢測(cè)裝置總體由 3 個(gè)部分組成 分別是檢測(cè)部分、采集部分、控制部分。檢測(cè)部分包括兩個(gè)放置金屬待測(cè)物的水槽和正負(fù)極電極片 采集部分由電壓傳感器和熱電偶進(jìn)行電壓的感知和溫度的測(cè)量 并由 PC 端完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集和上傳 控制部分電路主板通過自身集成的 I/O 接口接收電壓傳感器和熱電偶的輸入信號(hào) 通過通信接口與 PC 端進(jìn)行通信 PC 端與云服務(wù)器連接 終端采集數(shù)據(jù)被存放在云端。

　　1. 2 工作原理

　　金屬純度智能檢測(cè)裝置基于物聯(lián)網(wǎng)的三層基本架構(gòu) 6 - 7 分別為控制層、感知層和應(yīng)用層 輸入電源為220 V 交流電�？刂茖拥闹骺仉娐钒寮�成了電壓傳感器、熱電偶模塊、電流的輸出端口 以及通信接口。感知層包括電壓傳感器、熱電偶。應(yīng)用層對(duì)感知層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先 PC 端通過通信接口向控制層主控電路板發(fā)送信號(hào)來控制檢測(cè)部分和采集部分 主控電路板接收到信號(hào)后 輸出 0 ～ 2 mA 恒定電流到金屬檢測(cè)部分的水槽 1 和水槽 2。

　　其次 對(duì)于每個(gè)水槽感知層的電壓傳感器和熱電偶分別采集金屬兩端的電壓和水溫 通 過 輸 入 端 口 輸 入 到 CPU 主 控 電 路 板CPU 接收到傳感器采集的數(shù)據(jù)信息后 將數(shù)據(jù)通過通信接口反饋給 PC 端 PC 端將這些信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中并上傳到云端 同時(shí)通過編程軟件將數(shù)據(jù)以圖像的形式呈現(xiàn)出來方便進(jìn)行比對(duì)。數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)將作為比對(duì)時(shí)的參考值 云服務(wù)器可以對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控 8 。

　　1. 3 檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

　　目前 常用的檢測(cè)方法有以下 3 種 ① 當(dāng)有標(biāo)準(zhǔn)金屬做參考時(shí) 比較被測(cè)金屬和標(biāo)準(zhǔn)金屬在相同檢測(cè)環(huán)境下的電壓曲線偏差 ② 當(dāng)沒有標(biāo)準(zhǔn)金屬時(shí) 以數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)為參考 比對(duì)在相同溫度、相同電流下待測(cè)金屬電壓數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中該金屬電壓數(shù)據(jù)的差距③ 當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)中沒有可以參考的數(shù)據(jù)時(shí) 被檢測(cè)金屬自建標(biāo)準(zhǔn)曲線 將兩個(gè)待測(cè)金屬的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。若兩個(gè)待測(cè)金屬的數(shù)據(jù)貼近 那么兩個(gè)待測(cè)金屬都合格 如果兩個(gè)待測(cè)金屬數(shù)據(jù)差距較大 那么分別與其他待測(cè)金屬進(jìn)行比較。最后將合格的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄 并上傳到云端。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　2. 1 控制模塊設(shè)計(jì)

　　主控電路板是整個(gè)裝置的核心模塊 檢測(cè)模塊和PC 端通過主控電路板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。它集成了 CPU、電源、電壓傳感器、熱電偶、I/O 單元、串口模塊等。主要完成的工作有 主控電路板控制電流輸入到檢測(cè)裝置 通過 RS232 串口、USB 接口和以太網(wǎng)接口這 3 種通信接口與 PC 端連接 完成數(shù)據(jù)通信并對(duì)采集到的電壓、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)采用以太網(wǎng)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí) 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包。

　　2. 2 采集模塊設(shè)計(jì)

　　主控電路板上添加了電壓傳感器和熱電偶模塊 9 。電壓傳感器感知到被測(cè)金屬的電壓信號(hào)后 利用內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成方便傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào) 發(fā)送給主控電路板。熱電偶通過測(cè)量由自身的溫度梯度形成的熱電動(dòng)勢(shì)來得到被測(cè)金屬所在水槽的水溫 并將水溫?cái)?shù)據(jù)傳送給主控電路板 10 。主控電路板與 PC 端控制程序通過 RS232 串口進(jìn)行通信 將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?PC 端 PC 端采用串行通信方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 在顯示屏幕上顯示電壓傳感器單元采集到的兩個(gè)金屬的實(shí)時(shí)電壓數(shù)據(jù)和熱電偶單元傳輸?shù)膬蓚�(gè)水槽中水的溫度數(shù)據(jù)。

　　2. 3 測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

　　測(cè)量模塊由 2 個(gè)水槽、2 對(duì)電極片、金屬待測(cè)物組成。控制主板與水槽連接 接收數(shù)據(jù) 通過 RS232 串口和 PC 端的 USB 接口實(shí)現(xiàn)串行通信。利用標(biāo)準(zhǔn)待測(cè)金屬或數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù) 根據(jù) 3 種測(cè)量方法進(jìn)行檢測(cè)。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3. 1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　金屬純度智能檢測(cè)裝置采用分布式模塊化設(shè)計(jì)總體架構(gòu) 實(shí)現(xiàn)了各個(gè)模塊之間的協(xié)同運(yùn)行 實(shí)現(xiàn)了電壓信號(hào)和溫度信號(hào)的采集、變換、存儲(chǔ)和監(jiān)控。在本設(shè)計(jì)中采用 Visual Basic + SQL Server 為整體架構(gòu) 結(jié)合串口通信技術(shù)開發(fā)出電壓采集上位機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫模塊、數(shù)據(jù)參數(shù)采集模塊、電壓曲線顯示模塊、串口通信模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊、用戶管理模塊和系統(tǒng)幫助模塊。

　　3. 2 模塊功能設(shè)計(jì)

　　軟件主界面分為數(shù)據(jù)參數(shù)采集區(qū)、檢測(cè)數(shù)據(jù)分析區(qū)、曲線顯示區(qū) 還有參數(shù)設(shè)置、用戶管理、故障報(bào)警、查詢打印、系統(tǒng)幫助等功能按鈕。其中 兩個(gè)參數(shù)采集區(qū)分別顯示兩個(gè)水槽檢測(cè)過程中的電流電壓數(shù)據(jù)、溶液溫度、電路狀態(tài) 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析區(qū)提供了檢測(cè)過程中兩條曲線電壓數(shù)據(jù)的最大差值、最小差值、平均差值和實(shí)時(shí)電流與設(shè)定電流之間的差值、兩個(gè)水槽的溶液溫度之差 曲線顯示區(qū)根據(jù)下位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新電壓數(shù)據(jù)并顯示不同顏色的兩條曲線 分別表示標(biāo)準(zhǔn)金屬電壓數(shù)據(jù)隨電流變化的檢測(cè)曲線和被測(cè)金屬電壓數(shù)據(jù)隨電流變化的檢測(cè)曲線。

　　“參數(shù)設(shè)置”按鈕用來設(shè)置電流的自動(dòng)取值間隔 還可以對(duì)電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。“用戶管理”按鈕可供用戶進(jìn)行登錄操作和完成用戶信息的更新與刪除 通過數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫模塊可以完成歷史數(shù)據(jù)的查詢、更新、刪除。“系統(tǒng)幫助”按鈕為用戶提供了系統(tǒng)的操作方法和指導(dǎo) 幫助用戶學(xué)會(huì)使用系統(tǒng)軟件。

　　3. 3 通信指令設(shè)計(jì)

　　用戶在對(duì) PC 端屏幕按鈕進(jìn)行操作時(shí) 這些操作會(huì)轉(zhuǎn)換成指令 主控電路板針對(duì)不同的指令做出不同的反饋。通過發(fā)送指令申請(qǐng)反饋電流電壓數(shù)據(jù)、申請(qǐng)修改檢測(cè)電流數(shù)據(jù)。

　　3. 4 串行通信設(shè)計(jì)

　　主控電路板與計(jì)算機(jī)間通過數(shù)據(jù)信號(hào)線按位發(fā)送或接收字節(jié)數(shù)據(jù) 7 。計(jì)算機(jī)的 USB 接口與 RS232 串口連接 采用半雙工模式與控制主板進(jìn)行串行通信。串口在發(fā)送讀取指令和設(shè)置指令時(shí)需要調(diào)用延時(shí)指令 停止數(shù)據(jù)的讀取。計(jì)算機(jī)編程軟件接口采用 MSComm 控件。為了達(dá)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集 10 的目的 避免因?yàn)榻邮站彌_區(qū)的大小限制產(chǎn)生溢出而導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)不完整 造成數(shù)據(jù)讀取的失敗 串口接收數(shù)據(jù)的方式采用事件驅(qū)動(dòng)方式。當(dāng)接收到事件驅(qū)動(dòng)時(shí) 將 Input 獲取到的字符賦值到臨時(shí)變量 S 中 并判斷是否是起始字符 將臨時(shí)變量 S數(shù)據(jù)累加保存到 SS 中 在接收到結(jié)束字符后對(duì) SS 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)換處理。根據(jù)通信指令的設(shè)計(jì)區(qū)分接收到的數(shù)據(jù)中每位數(shù)據(jù)位 并將實(shí)時(shí)電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)顯示在 PC 端。

　　4 智能檢測(cè)技術(shù)

　　4. 1 串口通信協(xié)議

　　兩個(gè)端口進(jìn)行通信時(shí) 端口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)位要保持一致。當(dāng)數(shù)據(jù)從 CPU 經(jīng)過串行端口發(fā)送出去時(shí) 字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的位數(shù)據(jù)在接收數(shù)據(jù)時(shí) 串行的位數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。在金屬純度智能檢測(cè)裝置中 通過 PC 端應(yīng)用程序接收主控電路板反饋的串口通信數(shù)據(jù)并顯示。PC 端應(yīng)用程序要使用串口進(jìn)行通信時(shí) 必須在使用之前向操作系統(tǒng)申請(qǐng)資源打開串口 在通信完成后關(guān)閉串口。

　　5 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

　　5. 1 同種金屬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

　　根據(jù) PC 端呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線 同種金屬的曲線基本吻合 選取 0. 6 ～ 1. 2 mA 電流區(qū)間的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 不同銅塊偏差不超過 2% 不同鋁塊偏差不超過 1% 。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　隨著純金屬需求量的增加 純金屬的產(chǎn)量越來越大 為了避免一些商家在純金屬制造環(huán)節(jié)混合摻雜導(dǎo)致金屬純度不夠 設(shè)計(jì)了金屬純度智能檢測(cè)裝置。它包括了 PC 端、金屬檢測(cè)端、控制電路主板這 3 個(gè)主要部分 提供了 3 種檢測(cè)金屬純度的方法 通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性 通過檢測(cè)多種金屬 保存金屬的數(shù)據(jù)曲線 從而可以建立各種金屬的數(shù)據(jù)庫(kù) 方便對(duì)更多的金屬進(jìn)行檢測(cè)。利用 Visual Basic 編程設(shè)計(jì)軟件將控制功能、調(diào)度策略集成在 PC 端的面板上 實(shí)現(xiàn)了金屬純度檢測(cè)過程的智能化、可視化 具有高效性、便攜性、實(shí)時(shí)性、可操作性。

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　　作者：王 興1 高 菲1* 白 雪2 李彩霞1 崔志強(qiáng)1 董 佳3

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