用于金屬探測的混沌振子系統(tǒng)研究.pdf

1、金屬探測器是一種金屬檢出設備，它利用電磁、射線等物理原理，對混合物品中的金屬雜質或人體攜帶的金屬物品(如鐵、銅、不銹鋼等)產(chǎn)生感應信號，從而達到報警剔除目的，起到保護生產(chǎn)設備、對食品醫(yī)藥等產(chǎn)品進行質量控制、保護人身安全等作用。本文主要研究對產(chǎn)品進行質量控制的金屬探測器，要探測到混入食品、醫(yī)藥中微小金屬顆粒，高靈敏度報警是關鍵，為了提高探測器的靈敏度，本文首次把混沌檢測理論應用于金屬探測領域，為金屬探測領域提供了新的檢測方法和技術。

2、>　　 就目前所查閱的資料，國內外尚無把混沌檢測技術用于金屬探測的報道，因此本課題是應用基礎研究。混沌檢測系統(tǒng)用于金屬探測不是混沌檢測系統(tǒng)和探測器探頭機械的組合，而是充分結合金屬探測的特點，研究出適合金屬探測的混沌檢測系統(tǒng)，特別能解決較高頻率情況下混沌檢測系統(tǒng)的閾值確定及狀態(tài)判別、高頻混沌檢測電路、探測盲區(qū)等金屬探測特有的技術問題。所創(chuàng)新的技術、改進的方法能為在其它方面的應用例如：管道探傷、電力系統(tǒng)的諧波分析、故障報警等奠定基礎和提供

3、思路。
　　 另外，隨著用戶對產(chǎn)品質量的要求日益增加，國家對食品、醫(yī)藥等產(chǎn)品嚴把質量關，對產(chǎn)品的安全性監(jiān)管力度加大，高靈敏度金屬探測器市場將會十分廣闊。如果研發(fā)出一種靈敏度高且成本低的金屬探測器產(chǎn)品，可期具有一定經(jīng)濟效益。此外，實現(xiàn)核心技術的自主化，還能擺脫對國外產(chǎn)品的依賴，又具有相當?shù)纳鐣б?。本文的主要工作有以下幾方面?br>　　 (1)本文首先在總結現(xiàn)有結論和方法的基礎上，用Matlab編制了計算機軟件程序。該軟件可計

4、算出不同半徑、材質的金屬小球(金屬雜質)在通過平衡線圈式金屬探測器時發(fā)出的微弱電壓信號，其目的在于熟悉探測器探測金屬雜質時，探頭發(fā)出的微弱電壓信號與金屬小球的大小和材質等參數(shù)的量化關系，以及其與線圈的尺寸和空間位置、驅動系統(tǒng)電流的大小和頻率等參數(shù)之間的量化關系。用程序計算了兩個算例，得到的電壓信號就是混沌檢測系統(tǒng)要檢測的信號，分析該信號的特點，可以確定對混沌檢測系統(tǒng)的精度及頻率等設計要求，為設計適合金屬探測的混沌檢測系統(tǒng)提供依據(jù)。

5、>　　 (2)在分析L-Y系統(tǒng)檢測原理的基礎上，建立了適合金屬探測器高頻檢測的L-Y系統(tǒng)，用RHR算法推導了L-Y系統(tǒng)李雅普諾夫指數(shù)的計算方法，為準確判斷系統(tǒng)狀態(tài)提供了定量判據(jù)。在此基礎上提出了一種改進的數(shù)值仿真模型，該模型把L-Y系統(tǒng)的狀態(tài)方程和求解李雅普諾夫指數(shù)的狀態(tài)方程合在一起，組成一個隨機微分方程組，用Matlab的仿真工具箱Simulink構建了該模型，并用Simulink求解這個方程組。該模型可輸出L-Y系統(tǒng)的數(shù)值解和系統(tǒng)

6、相圖，并可同步輸出計入噪聲影響時L-Y系統(tǒng)的李雅普諾夫指數(shù)?？捎美钛牌罩Z夫指數(shù)判斷系統(tǒng)狀態(tài)，克服了用相圖法判斷系統(tǒng)狀態(tài)誤差大等局限性，為確定L-Y系統(tǒng)的臨界閾值和研究L-Y系統(tǒng)在噪聲背景下的檢測性能提供了定量判據(jù)。然后用該模型分析了L-Y系統(tǒng)的動力學行為、對微弱信號的敏感性及檢測性能，仿真結果表明：L-Y系統(tǒng)是一個混沌系統(tǒng)，該系統(tǒng)對初始值非常敏感，當正弦信號的幅值稍微增加，系統(tǒng)就發(fā)生混沌態(tài)到大尺度周期態(tài)的臨界相變，所以該系統(tǒng)可以進行較高

7、頻率下的微弱信號檢測，并求取了信噪比，驗證了該檢測方法的可行性和有效性。
　　 (3)針對已有Duffing混沌電路僅適用于低頻情況的問題，提出一種改進的L-Y混沌檢測電路，提出先積分后乘以角頻率ω來設計電路的運算方式，克服了設計高頻L-Y混沌電路時，高放大倍數(shù)造成的電路瞬間飽和問題，適當調整該電路的參數(shù)，可實現(xiàn)從低頻到高頻的微弱信號檢測。使L-Y混沌電路用于高頻微弱信號的檢測得以實現(xiàn)，填補了該研究領域的空白。并對該電路中各個單

8、元電路進行了詳細的設計。
　　 (4)用電子工作平臺軟件(Multisim)對L-Y混沌電路進行了仿真分析，對該電路在較高頻率下的動力學行為、對微弱信號的敏感性和檢測性能進行了研究，仿真結果表明：該電路是一個混沌電路，對初始值非常敏感，當正弦信號的幅值稍微增加，電路就發(fā)生混沌態(tài)到大尺度周期態(tài)的臨界相變，可進行較高頻率下的微弱信號檢測。通過加入熱噪聲，分析電路在噪聲背景下檢測微弱信號的能力，并求取了信噪比。對仿真結果進行分析發(fā)現(xiàn)：

9、隨著臨界閾值精度的增加，也即檢測精度的增加，信噪比越來越低的現(xiàn)象。另外，分析L-Y系統(tǒng)的電路結構可知，該電路是由兩個低通濾波器串聯(lián)而成，有濾除高頻噪聲的作用，通過對電路進行交流仿真，得到系統(tǒng)的幅頻特性，分析其幅頻特性發(fā)現(xiàn)，通過系統(tǒng)的總的噪聲能量中，超過截止頻率的高頻噪聲的能量所占的比例是非常小的，驗證了該電路對高頻噪聲有很強的衰減作用，這種現(xiàn)象是Matlab等純數(shù)值仿真難以發(fā)現(xiàn)的。
　　 (5)提出雙路混沌系統(tǒng)反相檢測法，消除由