Разновидности металлоискателей
категория
Из мира электроники
материалы в категории
Металлоискатели (металлодетекторы, регистраторы металлических и токопроводящих включений в непроводящих или слабопроводящих средах) широко применяются в различных областях деятельности человека: в деревообрабатывающей промышленности для регистрации осколков и гвоздей в исходных материалах; в фармакологии и пищевой промышленности для обнаружения металлических объектов в готовой продукции; в геологоразведке, археологии, экологических исследованиях; при строительных работах для поиска кабелей и трубопроводов; при пограничном и таможенном досмотре людей и грузов, а также во многих других случаях.
В радиотехнической и специальной литературе, посвященной металлоискателям (МИ), приводятся описания приборов, использующих различные принципы: МИ на "биениях"; МИ на "потерях"; частотные МИ, использующие метод индуктивного равновесия (т.н. "индуктивный баланс"), метод переходных процессов (импульсные), принцип "передатчик-приемник", параметрический принцип, использующий при-емно-передающие рамки, размещенные в одном датчике или разнесенные на некоторое расстояние и т.п.
Такое многообразие названий затрудняет выбор прибора для решения конкретной задачи и оценку его возможностей. Поэтому по характеру взаимодействия прибора и объекта и способу регистрации сигнала от объекта следует выделить два основных класса металлоискателей: параметрические и локационные.
В приборах параметрического типа искомый объект, находящийся в зоне действия прибора, изменяет параметры датчика (например, индуктивность и добротность катушки индуктивности; коэффициент магнитной связи системы связанных контуров). К этому классу можно отнести МИ на "биениях", частотные МИ, МИ на "потерях" и др.
Приборы локационного типа создают первичное электромагнитное поле, которое порождает в искомом объекте вихревые токи, и регистрируют вторичное поле, создаваемое этими токами. К этому классу относятся приборы, использующие метод индуктивного равновесия ("индуктивный баланс"), метод переходных процессов (импульсный), а также принцип "передатчик-приемник".
В качестве датчиков электронных МИ используют магнитные рамочные антенны (МРА) различных конструкций (рис.1). Одиночную МРА (рис.1, а) чаще применяют в параметрических МИ, а также в локационных приборах импульсного типа, другие МРА (рис.1, б-д) обычно применяются в различных локационных приборах, реже в параметрических в качестве системы связанных контуров. На рис.1 приведены далеко не все возможные конструкции антенн, известна, например, трехрамочная конструкция датчика, однако из-за сложности балансировки и ее долговременной нестабильности применяется редко.
При изготовлении датчиков используют статическое экранирование МРА путем обмотки витков по периметру тонкой металлической фольгой без образования короткозамк-нутого витка по контуру экрана (такая мера необходима для уменьшения влияния паразитной емкости поверхности грунта на параметры катушек индуктивности). Для достижения высокой долговременной стабильности параметров применяют пропитку катушек специальными составами, а также жесткое крепление рамок в корпусе датчика.
Для оценки чувствительности приборов необходимо учитывать следующие соотношения [1]: напряженность магнитного поля Н на оси кругового витка радиуса R с током I на расстоянии I от центра витка равна
Отсюда видно, что для /»R напряженность Н убывает пропорционально кубу расстояния, а для 0.
В приборах локационного типа, регистрирующих сигнал вторичного поля от объекта, происходит следующее: вихревые токи в объекте также являются круговыми, следовательно, вторичное поле, порождаемое ими, убывает также пропорционально кубу расстояния между объектом и датчиком, а так как вторичное поле является функцией первичного, то его сигнал уменьшается пропорционально шестой степени увеличения расстояния, что подтверждается экспериментально. Также установлено, что величина сигнала от объекта пропорциональна кубу его линейных размеров.
Например, сигнал от предмета, удаленного от датчика на 200 мм, будет в 64 раза (26) слабее, чем от такого же металлического предмета, находящегося на расстоянии 100 мм; сигнал от металлического диска диаметром 25 мм будет в 8 раз (23) меньше, чем от диска диаметром 50 мм такой же толщины и находящегося на том же расстоянии от датчика.
На рис.2 приведена расчетная зависимость предельной дальности (глубины) обнаружения объектов от его линейных размеров в относительных единицах. Например, если предельная дальность обнаружения медного диска диаметром 25 мм (аотн =1) равна 150 мм (1отн =1), то диск диаметром 100 мм (аотн =4) можно обнаружить на расстоянии 300 мм (1отн = 2), а диск диаметром 400 мм (аотн =16) -- на расстоянии 600 мм (1отн =4). При практической оценке чувствительности приборов удобно пользоваться тремя эквивалентами объектов: медным диском диаметром 25 мм и толщиной 1 мм, алюминиевой пластиной 100х100х1 мм и стальной пластиной 400х400х2 мм. Соотношение дальностей обнаружения этих предметов 1:2:4 обычно отличается от идеального на 15-20%, что вполне приемлемо для измерений на воздухе. Реальная чувствительность МИ зависит также от объема объекта, типа металла (черный или цветной), его электропроводности и затухания сигнала в грунте, влияния слабых токопроводящих свойств грунта и его неоднороднос-тей.
Увеличение чувствительности связано с определенными трудностями. Так, увеличение электрической чувствительности измерительной части в 4 раза повышает дальность обнаружения всего в 1,25 раза (41/6). А для повышения дальности вдвое чувствительность необходимо увеличить в 64 раза, кроме того принять дополнительные меры для компенсации влияния мешающих факторов (температурных дрейфов измерителя, влияния грунта и т.п.).
Параметрические МИ. На рис.3 показана структурная схема прибора "на биениях". В смеситель С поступают сигналы от двух генераторов - опорного Гоп и перестраиваемого Гп (с выносной поисковой рамкой L). Изменение частоты Гп под действием объекта поиска вызывает появление разностной частоты на выходе С, и в головных телефонах ТЛФ появляется звук.
На рис.4 показана структурная схема прибора, использующего частотный метод. Сигнал с перестраиваемого генератора Гп (с поисковой рамкой L) поступает на частотный детектор ЧД и далее на индикатор И, позволяющий ре
гистрировать изменение частоты Гп. Для повышения чувствительности этих приборов поисковая рамка L может входить в состав ЧД в качестве перестраиваемого контура, а вместо Гп используют опорный генератор с высокой стабильностью частоты.
В обеих схемах происходит изменение индуктивности рамки L под воздействием металлического объекта, а следовательно, частоты генератора Гп. Эти приборы позволяют различать черные и цветные металлы по направлению изменения частоты. Черные металлы увеличивают индуктивность датчика, что приводит к понижению частоты. Цветные металлы уменьшают индуктивность, что приводит к повышению частоты. В МИ "на биениях" направление изменения разностной частоты зависит от начального соотношения частот двух генераторов, устанавливаемого оператором.
На рис.5 изображена схема МИ "на потерях". Появление металлического объекта в поле рамки L приводит к увеличению потерь из-за появления вихревых токов в объекте. Поэтому на амплитудном детекторе АД сигнал уменьшается, что фиксируется индикатором И. Такие МИ не могут различать черные и цветные металлы.
В параметрических приборах имеется сильная зависимость чувствительности от соотношения размеров поисковой рамки и объекта. Для поиска мелких предметов (гвоздей, шурупов, монет) применяют датчики диаметром 25...100 мм, для поиска крупных предметов (пластин, крышек люков) -диаметром 200...300 мм.
Рабочий диапазон этих приборов 50...500 кГц. В этом диапазоне влияние грунта и его неодно-родностей весьма значительно, причем с повышением частоты чувствительность к черным металлам возрастает, но также возрастает и паразитное влияние грунта. Поэтому часто применяют поисковые генераторы, работающие на более низких частотах 15...50 кГц, а для повышения чувствительности, например, в приборах "на биениях" применяют сравнение частот высших гармоник поискового генератора с высокой частотой опорного генератора (500...1000 кГц). Описания лучших переносных приборов этого типа приведены в [2, 3], их максимальная дальность обнаружения: медной монеты 25ммх1 мм - 8...10 см, алюминиевой пластины 100х100х1 мм - 15...20 см, стальной крышки люка диаметром 600 мм и толщиной 25 мм - 60...80 см. Несмотря на столь невысокие дальности, параметрические приборы отличаются простотой и малой потребляемой мощностью, что делает их оптимальными для многих применений.
Значительное увеличение глубины обнаружения металлических объектов можно реализовать в локационных приборах, в некоторых из них можно реализовать режим различения черных и цветных металлов.
Локационные МИ. В этих приборах применяют два вида возбуждения: моночастотный, использующий синусоидальный сигнал, и импульсный, использующий видеоимпульсы с широким спектром. В моночастотных приборах для получения максимальной чувствительности к объектам любых размеров применяют компактные датчики с малым разносом передающих и приемных антенн (см рис.1 ,б,в,д), а для игнорирования мелких объектов используют датчики с большим разносом антенн (рис.1 ,г). В импульсных МИ используют как одиночные приемопередающие антенны (рис.1 ,а), так и раздельные приемные и передающие соосные концентрические рамки, расположенные одна в другой. Датчики с большим разносом антенны в импульсных приборах применяют редко, так как игнорирование мелких металлических объектов легко осуществить оперативным изменением параметров приемного тракта.
Локационные приборы выпускают многие известные фирмы. Лучшие модели могут регистрировать мелкие предметы (монеты) на глубине 30...40 см, а крупные - на глубине до 2 м и более. Крупные предметы лучше всего обнаруживают приборы с разнесенными приемными и передающими антеннами (рис.1 ,г).
На рис.6 показана структурная схема локационного МИ с использованием синусоидального сигнала для возбуждения первичного поля. Сигнал генератора Г поступает на антенну L1, создающую первичное электромагнитное поле. Сигнал вторичного поля от искомого объекта принимается магнитной антенной L2, расположенной геометрически ортогонально L1, затем поступает на узкополосный усилитель УУ, где осуществляется фильтрация от помех и усиление, а также суммирование с сигналом генератора Г через электрический компенсатор ЭК. После выпрямления в детекторе Д сигнал поступает на усилитель постоянного тока УПТ с компенсацией постоянного смещения или автоматической коррекцией нуля. К выходу УПТ подключен индикатор И.
На рис.7 показана структурная схема локационного МИ, работающего по методу переходных процессов и использующего импульсный сигнал для возбуждения первичного поля. Ключ S, управляемый устройством синхронизации СУ, формирует импульс тока от источника постоянного напряжения ИПН через приемопередающую антенну L, чем создается импульс первичного поля.
После воздействия импульса тока сумма напряжения переходного процесса в катушке L и принятого ею сигнала вторичного поля подается через резистивно-диодный ограничитель на вход широкополосного усилителя ШУ, где осуществляется его усиление.
Синхронизирующее устройство может управлять дополнительной блокировкой входа ШУ и включать импульсную коррекцию нуля ШУ. Усиленный сигнал поступает на устройство выборки и хранения УВХ, управляемое СУ, где осуществляется выделение сигнала вторичного поля. Выделенный сигнал поступает на вход усилителя постоянного тока УПТ с компенсацией постоянного смещения или автоматической коррекцией нуля и затем на индикатор И.
Локационные приборы осуществляют воздействие на объект первичным полем, создаваемым передатчиком, и регистрируют вторичное поле приемником как следствие этого воздействия.
Основной задачей прибора является выделение слабого сигнала вторичного поля на фоне сильного сигнала первичного. В приборах, использующих в качестве возбуждающего сигнала видеоимпульс (импульс без заполнения), эту задачу обычно решают путем разнесения во времени импульса в передатчике и начала регистрации сигнала в приемнике.
При воздействии на объект короткого мощного импульса первичного поля вторичное поле убывает не сразу, а с некоторым запаздыванием, которое зависит от проводимости и размера металлического объекта. Включив приемный тракт с определенной задержкой относительно возбуждающего импульса, можно выделить полезный сигнал на фоне сигнала переходного процесса, а также проигнорировать сигналы от мелких предметов с определенной потерей чувствительности к остальным объектам.
Потеря чувствительности зависит от степени игнорирования мелких объектов. При полном игнорировании сигнала от таких предметов, как металлические пробки от бутылок, фольги от упаковки сигарет и мелких металлических осколков размером до 25 мм максимальная дальность (глубина) обнаружения крупных объектов может уменьшиться в 2...3 раза, о чем часто умалчивается в описаниях приборов.
Из-за наличия в импульсных МИ большого количества узлов (формирователей импульсов синхронизации, узлов выборки и накопления сигналов, мощных ключей и т.д.) схемная реализация этих приборов очень сложна. Основными трудностями при достижении высокой чувствительности являются: формирование мощного (100-1000 А/м), но короткого импульса первичного поля, следствием чего является большая потребляемая мощность от источников питания (6...10 Вт); необходимость работы приемного тракта в широкой полосе частот (от нуля до нескольких десятков килогерц), что выражается в низкой защищенности от индустриальных и радиочастотных помех, а также влияние магнитного поля Земли при перемещении датчика относительно грунта.
Несмотря на эти трудности, в отдельных промышленных применениях импульсные приборы просто незаменимы.
В локационных МИ с непрерывным возбуждением (рис.6) эти проблемы стоят менее остро. Во-первых, приемный тракт приборов с монохромным сигналом первичного поля может работать в узкой полосе частот в окрестности частоты возбуждения (f0 ± 20...100 Гц) и не требует большой интенсивности первичного поля. Обычно используются напряженности магнитного поля в пределах 10...100 А/м. Во-вторых, выделение слабого полезного сигнала, в отличие от импульсных приборов, происходит без потерь на входе приемника. Дело в том, что в импульсных мИ слабый сигнал вторичного поля подавляется практически одновременно с моментом действия импульса первичного поля из-за небольшого расстояния между магнитной антенной и объектом в отличие от радиолокаторов воздушных целей, где расстояние между антенной и объектом во много раз больше, и отраженный сигнал появляется с определенной задержкой.
Задержка включения приемного тракта в МИ необходима для того, чтобы сильный мешающий сигнал собственного переходного процесса магнитной антенны смог уменьшится до величины, сравнимой с величиной также затухающего, но с меньшей скоростью, полезного сигнала. Таким образом, УВХ фиксирует лишь остатки сигнала вторичного поля. В одночастных локационных МИ полезный сигнал на вход приемника поступает без ослабления, а мешающий сигнал первичного поля значительно подавляется. Для этого передающую и приемную антенны располагают симметрично во взаимноортогональных плоскостях или компланарно с частичным перекрытием (см.рис.1 ,б-д), также можно применять сочетание взаимной ортогональности и перекрытия. Следует отметить, что встречающийся в описаниях приборов метод индуктивного равновесия ("индуктивный баланс") является лишь одним из многих способов компенсации сигнала первичного поля в приемном тракте МИ, а не характеризует отдельную разновидность приборов.
Наряду с геометрической можно использовать и электрическую компенсацию во входной цепи или в усилительной части приемника.
Локационные МИ, использующие монохромный сигнал возбуждения, работают в более низкочастотном диапазоне по сравнению с параметрическими МИ (обычно 3...20 кГц), это значительно уменьшает паразитное влияние грунта, а также позволяет пренебречь затуханием сигнала в нем. Одночастные локационные МИ достаточно экономичны, их мощность потребления находится в пределах 0,1 ...0,6 Вт в зависимости от чувствительности, схемная реализация в среднем вдвое проще, чем импульсные МИ.
Применяя в локационных приборах датчики с разносом между передающей и приемной антеннами (рис.1,г) на расстояние 500...1200 мм, можно получить игнорирование сигналов от мелких предметов без потери чувствительности для крупных объектов, что затруднительно при использовании компактных датчиков (рис.1,б,в,д), однако совершенствованием принципов построения и методики применения можно расширить возможности приборов и с этими датчиками.
В радиотехнической литературе встречаются также описания локационных приборов с использованием радиоимпульсов (импульсы с заполнением синусоидальным сигналом) для возбуждения первичного поля. В них используются принципы построения как импульсных, так и одночастных локационных МИ. Такие приборы не имеют выраженных преимуществ перед МИ (рис.6 и 7), а скорее объединяют их недостатки: большую мощность потребления, недостаточную помехозащищенность, проблематичность игнорирования сигналов от мелких предметов с использованием компактных датчиков, а сложность схемной реализации не меньше, чем у локационных приборов, использующих метод переходных процессов.
Автор: ПЛ. Борщ, В.Ю. Семенов, г.Киев
Литература:
1 .Карякин Н.И., Быстров К.Н., Киреев П.С. Краткий справочник по физике. -М.: Высш. шк., -1964. -575 с.
2. Белоглазов Н., Александров Ю. Металлоискатель МИ-2//Радио. -1973. -№4. -С.47 - 48.
3. Нечаев И. Универсальный металлоискатель//Радио. -1990.-№12. -С.73 - 75.
4. Войцеховский Я. Радиоэлектронные игрушки/ Пер. с польск. -М.: Сов.радио. -1979.- 608 с.
5. Бахмутский В.Ф., Зуенко Г.И. Индукционные кабелеискатели.-М.: Связь. -1970.- 112с.