نظام الاستشعار الكهرومغناطيسي منخفض التردد الكهربائي

يعتمد التعرف التلقائي على مكون معدني أو قطعة عمل على التقنيات البصرية ومطابقة الصور، بحيث لا يمكن التمييز بين قطع العمل بمواد مختلفة، لذلك تم تصميم مجموعة مستشعرات حثية كهرومغناطيسية جديدة مماثلة لتلك المستخدمة في التصوير المقطعي الكهرومغناطيسي لمعالجة هذه المشكلة.

تحليل نظام الاستشعار الكهرومغناطيسي منخفض التردد الكهربائي

تعتمد الصناعة التحويلية الحديثة بشكل كبير على العمليات الأوتوماتيكية التي حسنت بشكل كبير من كفاءة التصنيع وخفضت تكلفة الإنتاج، وفي العديد من عمليات التصنيع التلقائية؛ يعتبر التعرف على عنصر معدني مثل قطعة العمل وتوطينه ذا أهمية كبيرة في جذب انتباه متزايد في الصناعة، كما تعتمد أساليب الاستشعار السائدة المطبقة في هذا المجال على أجهزة الاستشعار البصرية.

على سبيل المثال يتم استغلال الكاميرات في سياق رؤية الكمبيوتر حيث يتم التقاط صور قطعة العمل بواسطة الكاميرات كبيانات أولية، وبدلاً من ذلك تكون مستشعرات الإزاحة بالليزر قادرة على مراقبة قطعة عمل عن طريق مسح شبكة من النقاط بموجب بروتوكولات معينة، وبعد أن يتم جمع البيانات بواسطة أجهزة الاستشعار؛ فإنه يتم مطابقة الخوارزميات، على سبيل المثال تتوفر مطابقة المنطقة ومطابقة الخصائص ومطابقة المرحلة في التعرف على قطعة العمل بالإضافة إلى موضعها وأبعادها واتجاهها.

كما تتمتع المستشعرات الضوئية بميزة قدرتها على قياس السمات الهندسية لقطعة العمل بدقة مما يفسر انتشارها، ومع ذلك تفتقر هذه المستشعرات إلى القدرة على تحديد المواد التي تختلف في الخصائص المعدنية والتي تكون مطلوبة بشدة في بعض سيناريوهات التعرف على قطعة العمل، ومن ناحية أخرى ثبت أن الحث الكهرومغناطيسي (EMI) فعال في اكتشاف وتصنيف الأجسام المعدنية.

التطبيقات الخاصة بأنظمة الاستشعار الكهرومغناطيسي

هناك العديد من تطبيقات (EMI) التي تستوعب فحص مسببات الفشل، كما وتمييز الملوثات المعدنية في الصناعات الغذائية والصيدلانية واكتشاف الذخائر غير المنفجرة (UXO) والألغام الأرضية والتصوير المقطعي للعمليات الطبية والصناعية، وعندما يتم إدخال جسم موصل في مجال مغناطيسي أساسي متناوب، ووفقاً لقانون فاراداي للحث؛ فإنه سيتم تحفيز التيارات الدوامة داخل الجسم.

كذلك تميل هذه التيارات إلى الدوران بالقرب من السطح نتيجة لتأثير الطبقة الخارجية، كما يعتمد عمق الجلد على التردد الكهربائي المثير وموصلية ونفاذية الجسم، بحيث ستؤثر كل هذه العوامل على المجال المغناطيسي الذي تولده التيارات الدوامة، وعلاوة على ذلك إذا كان الجسم منفذاً؛ فسيتم تعزيز المجال بسبب المغنطة التي يتم تصنيعها مع مساهمة التيارات الدوامة، مما يؤدي إلى ظهور المجال المغناطيسي الثانوي، كذلك يمكن التقاط مثل هذا الاضطراب في المجال المغناطيسي بواسطة مستشعرات (EMI).

وفيما بعد؛ يقتصر النقاش على نظام الوقت التوافقي، واعتماداً على تعبير الطور القياسي؛ ستتغير الإشارات المستحثة لأجهزة استشعار التداخل الكهرومغناطيسي من حيث الحجم والمرحلة وفقاً للموقع والاتجاه والشكل ومساحة السطح أو الحجم والخصائص المعدنية للكائن والتردد المثير، كما أنه يمكن تسخير هذه المعلومات المكانية والخاصة بالكائن؛ خاصةً إذا كان من الممكن اشتقاقها من القياسات المستحثة، في توطين الكائن والتعرف عليه.

أيضاً يعتمد الإسناد المكاني للكائن على المجال المغناطيسي الذي تم إنشاؤه بواسطة صفيف ملف حيث سينتج عن تصميم مصفوفة مختلف مرجع مختلف، ومع ذلك؛ فإن المعلومات المحددة للكائن ثابتة في التكوين الهندسي لصفيف الملف ونتيجة لذلك، تم استغلالها بشكل مكثف للتعرف على الأشياء المعدنية، كما يتم وصف المعلومات الخاصة بالكائن في الهندسة من خلال اعتماد موتر ذو ترتيب معقد، بحيث يسمى موتر قابلية الاستقطاب المغناطيسي (موتر).

خوارزميات الانعكاس المرتبطة بنظام الاستشعار الكهرومغناطيسي

نموذج (Tensor)

تم توضيح اشتقاق نموذج الموتر الهندسي في العديد من الدراسات، حيث أن الافتراض الشائع هو تقريب الجسم المعدني باعتباره ثنائي القطب المغناطيسي الناجم عن المجال الأساسي، بحيث يتم التعبير عن الجهد الكهربائي المستحث على الملف المستقبِل بسبب وجود ثنائي القطب المغناطيسي في المعادلة التالية، حيث أن (ȷ) و (μ0) و (→m) هي الوحدة التخيلية والتردد الزاوي المثير ونفاذية الفضاء الحر والعزم المغناطيسي ثنائي القطب على التوالي.

كما يشير (H→ R) إلى المجال المغناطيسي، والذي يتم إنشاؤه بواسطة الملف المستقبِل عند المرور عبر الأشعة تحت الحمراء الحالية، وفي الموضع الذي يستقر فيه ثنائي القطب المغناطيسي؛ فإن الحقل الأساسي في نفس الموضع، أيضاً (H→ T)، كما يؤدي إلى العزم ثنائي القطب المستحث (→m) من خلال الموتر الذي يظهر في المعادلة الثانية.

بروتوكول تصميم وتشغيل الملف الخاص بالمستشعر الكهرومغناطيسي

نظرًا لأن التلاعب بقطعة العمل فوق طاولة التشغيل؛ فمن المفيد وضع مستشعر (EMI)، وعلاوة على ذلك؛ فإنه يجب أن يأخذ تصميم مصفوفة مستشعر (EMI) في الاعتبار متطلبات توفير حساسية قوية داخل مستوى العمل وحساسية ضعيفة طبيعية لمستوى العمل، كما تتيح الطبيعة المشتتة للحقول المغناطيسية مثل هذا التكوين لجهاز الاستشعار.

كما أنه مستوحى من تصميم صفيف الملف الخاص بـ (EMT)، بحيث نقوم بتصميم مجموعة من ثمانية ملفات يتم وضعها بالتساوي في دائرة كهربائية أسفل مستوى العمل كما هو موضح في الشكل التالي، بحيث تشير الملفات إلى مركز العمل بنفس الزاوية، كما يتم تحديد الزاوية من خلال الأبعاد الهندسية لصفيف الملف ومسافة مستوى العمل إلى الملفات.

كذلك يتم الحصول على الزاوية المثلى التي توفر أقصى حساسية داخل المستوى عن طريق تشغيل مجموعة من عمليات المحاكاة باستخدام محلول تجاري (ANSYSMaxwell)، والذي سيقلل ترتيب الملفات هذا بشكل كبير من الحساسية في الاتجاه الطبيعي لمستوى العمل ويوفر حساسية متساوية في الاتجاهات الثلاثة الرئيسية لمستوى العمل، أي اتجاهان محوريان وواحد متقاطعان.

كما أن حجم قطعة العمل مقيد بمستوى طاقة الإثارة وحجم صفيف الملف، لذلك إذا كانت قطعة العمل صغيرة جداً؛ فإن نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) للقياس ليست عالية بما يكفي لاستعادة الموتر بدقة، ومن ناحية أخرى؛ لا يمكن أن تكون قطعة العمل كبيرة جداً؛ وإلا فسوف تنتهك صلاحية نموذج الموتر، كما يقع حجم الجسم، والذي صمم نظام الاستشعار المقترح للتعرف عليه، وذلك في النطاق بين (20) ملم و (100) ملم، كما ويلاحظ أنه يمكن توسيع الحدود عن طريق زيادة مستوى طاقة الإثارة وحجم مجموعة الملفات.

وبالنسبة إلى نظام الأجهزة؛ فإنه يتكون نظام الأجهزة بشكل أساسي من دوائر الواجهة الأمامية ولوحة مصفوفة البوابة القابلة للبرمجة الميدانية (FPGA)، بحيث توفر الدوائر الأمامية وظيفة تضخيم وتبديل الإشارات المثيرة والقياسية، كما تحتوي لوحة (FPGA) على (Xilinx Spartan XC3S400)، وهو النطاق المتداخل مع محولين من التناظرية إلى الرقمية (ADC) ومحول رقمي إلى تناظري (DAC).

وأخيراً وبالنسبة إلى تحليل الحساسية، ومستوى العمل الذي يمكن العثور عليه على شكل لوح بلاستيكي؛فهو المستوى الأفقي على مسافة (50) مم من صفيف الملف وهي منطقة الاستشعار عبارة عن دائرة قطرها (80) مم في وسط مستوى العمل، كما نحدد الإحداثيات العالمية مع الأصل الموجود في المركز والمحاور (X ،Y) الموجودة في وسط مستوى العمل، بحيث يشير المحور (Z) إلى أعلى من المستوى باتباع قاعدة اليد اليمنى، وذلك من أجل عكس الموتر.