Digitale Signalverarbeitung in Metalldetektoren

Metalldetektoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen benötigt. So werden sie in Lebensmitteln eingesetzt um sicher nachzuweisen, dass sich in der produzierten Ware vor Auslieferung an Kunden keine metallischen Verunreinigungen befinden. Oder es wird damit Sand untersucht, bevor dieser zum Anlegen von Stränden in Touristengebieten verwendet wird.

Der Sensor eines Metalldetektors wird zumeist aufgebaut mit drei Induktivitäten: einer Primärspule und zwei Sekundärspulen.

An die Primärspule wird eine Wechselspannung (Trägerfrequenz) U~ angelegt. Dadurch werden in den beiden Sekundärspulen Spannungen induziert, deren Differenz Udiff = 0 Volt in Abwesenheit von Metall.

Die zu untersuchende Ware wird durch die beiden Sekundärspulen geschoben. Enthält die Ware Metall, ergibt sich eine Spannung Udiff ungleich 0 Volt.


Wir haben ein FPGA vom Typ LATTICE ECP entwickelt, das die Ansteuerung und Auswertung von Sensoren in Metalldetektoren unterstützt. Das FPGA erzeugt mit digitaler Frequenzsynthese eine in Frequenz und Amplitude einstellbare Spannung U~.

Es steuert nach dem Verfahren der digitalen Quadraturdemodulation zwei A/D Wandler an, entfernt so in der Spannung Udiff die Tragerfrequenz und ermittelt Realteil und Imaginärteil des Hüllsignal a(t). Realteil und Imaginärteil werden durch verschiedene, parametriesierbare digitale Filter von Störungen befreit.

Das FPGA wendet den Cordic Algorithmus an und rechnet so um den gefilterten Realteil und den gefilterten Imaginärteil in die Darstellungsart Betrag und Phase.

Wenn das FPGA dann entweder für den Betrag oder für die Phase feststellt, dass eingestellbare Vergleichswerte überschritten werden, löst es einen Interrupt an einen Mikroprozessor aus. Dieser liest dann Werte für Betrag und Phase aus dem FPGA und analysiert die Art der Störung.