История создания металлодетекторов
Категория
Из мира электроники
Рой Т. Робертс
Теория электромагнетизма впервые была продемонстрирована Американцем Джозефом Генри и независимо от него Майклом Фарадеем в 1831 году. Вскоре Генри провёл успешные эксперименты с индукцией и самоиндукцией, которые стали основой для телеграфа, телефона и радио. Он расширил свои эксперименты с индукцией используя плоские спирали изолированного провода - первые катушки.
Множество экспериментов, поставленных различными исследователями, изучали влияние металлических предметов на индуктивность, а также принцип уравновешивания индуктивных эффектов на одну часть цепи равными и противоположными эффектами на другую часть. Ранняя форма индукционного баланса для этих целей очевидно была изобретена в Германии профессором Дове около 1841 года Примерно в то же время похожая аппаратура была независимо изобретена а Америке профессором Генри Ровландом.
В 1976, профессор Александр Грехем из фирмы "Bell" направил своё внимание на балансировку индуктивностей из-за проблемы шумов в телефоне, вызванных телеграфной аппаратурой на линиях, пролегающих рядом с телефонными проводами. Помеха была устранена путём использования двух проводников вместо одного, так как токи, индуцированные в одном проводнике были точно равны и имели противоположное направление токам, индуцированным в другом проводнике; таким образом образовался индуктивный баланс, и схема имела на выходе нулевой сигнал.
Этот метод был запатентован в Англии в 1877 году Беллом, и в течении зимы 1877-78 годов в Лондоне Белл занимался экспериментами, связанными с этим методом. Он нашёл, что когда схема сбалансирована, то кусок металла, помещённый в поле индуктивности, вызывает звук в телефоне (приёмнике). Когда серебряная монета размером в пол кроны или флорин перемещалась перед катушками, размещёнными параллельно, то тишина в телефоне прерывалась три раза.
Английский знакомый Белла, профессор музыки Даниэль Хьюс, экспериментировавший с индуктивным балансом в 1878 году и продемонстрировавший в июле 1879 более многообещающее устройство для индуктивного баланса, использовавшее четыре катушки, в котором с помощью новейшего запатентованного электрического микрофона и тиканья часов создавалось электрическое возмущение в схеме, содержащей две основные катушки и две вторичные катушки, соединённые с телефонными наушниками. Когда кусок металла помещался поблизости от одной пары катушек, то баланс нарушался, и тиканье часов становилось слышно в наушниках.
Когда Белл вернулся в Америку, он опубликовал статью "О новых методах исследования поля индукции плоских катушек" в августе 1879 года, по просьбе Гарднера Хаббарда, который разглядел здесь возможный способ обнаружения залежей ценных металлов в земле.
Второго июля 1881 года убийца выстрелил президенту Гардфилду в спину. В течении последующих часов и дней целый мир ждал в надежде и страхе, но никто не мог отважиться предсказать конец, так как позиция пули в теле оставалась неизвестной. Белл, который находился в то время в городе Вашингтон, предложил свою помощь. Он быстро произвёл некоторые предварительные эксперименты.
11 июля 1881 года Джордж Хопкинс из журнала "Scientific American" опубликовал свои результаты использования улучшенных методов индуктивного баланса Хьюса в газете "New York Tribune". Белл, с помощью Саммера Тейнтера, связался с Хопкинсом, и, совместно с Хьюзом, Ровландом и Джоном Тровбриджем из Гарварда, организовал сообщество, способствующее созданию прибора для обнаружения пули. Они экспериментировли с балансными устройствами разного размера, разной длиной и диаметром катушек, разными батареями, и в конце концов добавили конденсатор к схеме, так что теперь аналогичная свинцовая пуля обнаруживалась на расстоянии двух дюймов в сжатом кулаке.
26 июля Белл принёс свою аппаратуру в Белый Дом. После настройки он услышал шипящие звуки и обнаружил, что похоже дальность обнаружения недостаточна. Прибор был неспособен обнаружить пулю. Позже было найдено, что конденсатор был подсоединён только к одной из двух катушек. Белл вернулся в августе и услышал в приборе слабый звук на значительной площади тела Гарфилда. На следующий день он обнаружил что матрас президента поддерживался стальными пружинами. Позже, 19 сентября президент скончался. Вскрытие показало, что пуля была слишком глубоко, что бы она могла быть обнаруженной аппаратурой Белла.
24 октября 1881 Белл был в Париже, где успешно продемонстрировал способ индукционного баланса и опубликовал статью "Успешное применение индукционного баланса для безболезненного обнаружения металлических объектов в человеческом теле". Его аппаратура могла обнаружить пулю на расстоянии 2,5 дюймов, 5 дюймов - когда пуля находится на оси катушки, и 1 дюйм - на краю. В заключении он пояснил, что глубина, на которой объект лежит ниже поверхности земли, не может быть определена, если неизвестна форма объекта и угол его проекции. Внимание Белла было привлечено к другим работам до декабря 1882 года, когда он произвёл эксперимент с катушкой для обнаружения металлических жил в земле, также целью эксперимента являлось обнаружение подземных телеграфных проводов.
В феврале 1887, доктор Джон Джиндер из Нью Йорка, слушавший речь Белла 5 лет назад, опубликовал результаты своих экспериментов по обнаружению металлических предметов в человеческом теле. Его аппаратура состояла из двуххромовой батареи из шести элементов, обычного прерывателя с частотой прерывания около 600 Гц. Поисковые катушки были установлены в деревянный корпус, который он назвал "Эксплорер", другие катушки были названы "настроечными". Это устройство могло обнаруживать пулю на глубине 6 дюймов в человеческом теле, в земле дальность была меньше.
В конце века, капитан Мак Эвой, который экспериментировал с аппаратурой Хьюса, уменьшил металлодетектор до размеров, позволяющих его использовать под водой. Портативный, герметичный корпус содержал настроечные катушки, прерыватель, батарею из двух элементов, которая могла быть заменена небольшим магнитоэлектрическим генератором, производящим переменный ток, и наушниками. Изолированный кабель соединял пары катушек. Резиновые шайбы, винты из слоновой кости и эбонитовые ручки использовались что бы снизить взаимодействие с металлическими частями. Когда катушка была погружена в воду, то если её перемещали у дна и в её поле появлялся кусок металла - корпус торпеды, цепь, подводный кабель, то баланс нарушался и звук в телефоне, до этого очень слабый, становился очень громким и ясным. Единственным недостатком было то, что металлический предмет, лежащий точно под катушкой, не воздействовал на неё.
В течении этого времени Джордж Хопкинс, продолжавший изучать металлодетекцию, изобрёл устройство для поиска металлических руд, не использовавшее индукционный баланс, катушки которого были установлены перпендикулярно. Обычная 6 или 8 дюймовая катушка могла обнаруживать минералы, лежащие у поверхности на глубине несколько дюймов.
В течении Первой Мировой войны некоторое внимание было привлечено к детекторам бомб, но никаких документов, о практическом применении этих детекторов найдено не было. В 1915 году М.С. Гуттон из Франции экспериментировал с подобным прибором, но ему не удалось его полностью сбалансировать. Его аппаратура состояла из двух трансформаторов в виде пяти катушек, соединённых с мостом Максвелла. После экспериментов с аппаратурой Гуттона и мостом Андерсона в 1922 году Бюро стандартов США опубликовало статью "Индуктивный баланс для обнаружения металлических тел".
В начале 1924 года, Даниель Чилсон из Лос-Анджелеса изобрёл и запатентовал электромагнитный детектор, известный как "радио" детектор. Его аппаратура использовала новую схему на биениях, которая стала известна как "Мост Чилсона". Про первые успешные поиски закопанных сокровищ с помощью "фиолетового луча" или "радио" устройства, которое показывало присутствие клада было сообщено Джеймсом Янгом в газете Нью Йорк Таймс в 1927 году. Поиски былы устроены одним Американцем и двумя Ангийскими искателями приключений с четырёхлетней правительственной лицензией на Панамском перешейке. Находки включали золотые цепи, ювелирные изделия и тарелки, спрятанные пиратами. Мр. Янг продолжал утверждать, что прошёл всего лишь год или два с того времени, что стало возможно проникнуть на затопленное судно к сокровищам. Он участвовал в организации поиска потерянных сокровищ с большим размахом. Радио аппаратура, сказал он, принесла успех там, где человек тщетно искал в течении более двух веков, и он предсказал, что будущий успех с применением новых радиосредств для поиска сокровищ будет несомненно осуществляться в Вест Индии, Флоридских Ключах и на побережье Мексики.
Очевидно, что первой книгой по металлодетекции была книга Р.Дж. Сэнтски "Современное лозоходство: конструирование и использование электронных метеллоискателей", изданная в 1927 году. Она стала столь популярной, что её переиздавали в 1928, 1931, и 1939 годах.
В 1929 году, Герхард Гишер, из Голливуда (Калифорния), инженер-исследователь, консультирующий Радио Корпорацию (известную своими геофизическими исследованиями для добывающей отрасли), запатентовал "Металлоскоп". Он весил 22 фунта (10 кг) и был оснащён сухими батареями, электронными лампами и наушниками. Для работы с ним не требовалось иметь какой-либо квалификации или специального обучения. Оператор находился между вертикальным передатчиком и горизонтальным приёмником, которые соединялись друг с другом деревянными ручками. Ламповый вольтметр регестрировал возмущения, вызываемые металлом. Глубина залегания объектов не могла быть измерена, но если заметить угол передатчика, при котором стрелка максимально отклоняется, затем проделав измерения с разных точек, и затем построить рисунок на бумаге, используя тригонометрию, то можно получить позицию объектов с вполне приемлемой точностью.
Устройство, продававшееся по 200$, стало широко использоваться коммунальными компаниями для быстрого и точного поиска старых трубопроводов, кабелей, коробов, стальных рельсов и других закопанных предметов, а так же оно стало использоваться изыскателями для поиска рудных жил, залегающих у поверхности. Кроме того, Фишер приготовил чертежи и инструкции и сделал их доступными любителям, использующим стандартные радиодетали. Скоро это устройство, названное "М-Скоп", стало использоваться как "сокровищеискатель" теми, кто верил, что они знают примерное расположение закопанных ценностей.
Простейший набор, продаваемый за 95$ - МТ-Скоп, имевший среднюю чувствительность и регулируемую глубину обнаружения, в качестве индикатора использовал ламповый вольтметр. Позже была разработана третья схема Фишера, но она никогда не появилась на коммерческом рынке. Она использовала только три лампы и одну двойную катушку вместо раздельных катушек для передатчика и приёмника. Фишер так же отметил, что чем длиннее закопанный объект, тем его легче обнаружить.
Вскоре после этого Фишер М-Скоп получил успех на рынке, чертежи были опубликованы, по ним можно было собрать самодельный "радио искатель", который мог найти серебрянный доллар на глубине нескольких дюймов под землёй, индикацией служил жужжащий звук в наушниках. Для катушек использовался 28 дюймовый деревянный велосипедный обод.
В 1930 году физик Теодор Теодорсен, работающий на Национальный Консультативный Комитет по Аэронавтике, доложил о том, что в лаборатории Лэнгли был разработан "Инструмент для обнаружения металлических тел, находящихся в Земле", предназначенный для непосредственного обнаружения невзорвавшихся бомб, сброшенных с самолётов. Место сброса бомб находилось около нового канала, на котором испытывали гидропланы в Лэнгли Филд, Вирджиния, в то время оно реконструировалось. Новый "детектор" успешно обнаружил много бомб, закопанных а том месте или поблизости, включая 17 фунтовых бомб на глубине 2 фута.
Этот детектор, известный как N.A.C.A. бомбоискатель, имел простую конструкцию и не требовал квалифицированного оператора. Конструкция была основана на работе М.С. Гуттона из Франции. Три катушки были намотаны на полом деревянном каркасе 3 фута диаметром и высотой 1-1,5 фута. Катушки были подвешены на лестницеобразном каркасе, для работы с устройством требовались два человека. Устройство питалось от 110 вольтовых батарей, размещённых в большом ящике.
В 1935 году был сконструирован металлодетектор для поиска подземных колодцев за стенами ведущего американского университета. Поисковое радиоустройство вскоре зарекомендовало себя как чувствительный инструмент для поиска сокровищ, и его чертежи стали доступны для любителей в популярных журналах. Как и большинство детекторов того времени, для работы он должен был находиться на приемлемом расстоянии от цели и он не мог различать чёрные и цветные металлы. И хотя одни детекторы имели возможность компенсировать влияние тела оператора и земли, другие реагировали на полоски мокрой почвы и влажные корни растений. Но даже лучшие детекторы были бесполезна на окенаских пляжах, содержащих много магнитного чёрного песка.
В течении этого времени "Невидимый детектор оружия" был применён в тюрьмах для обнаружения магнитных металлов. О наличии металла можно было судить по резкому отклонению луча электронно-лучевой трубки. Прибор обеспечивал хорошую чувствительность, но был сложен в настройке.
В 1938 году была разработана схема настраиваемого индуктивного моста для обнаружения металлических частиц в сигарах. Эта схема имела хорошую чувствительность и стабильность и могла работать при любой температуре, влажности, запылённости и вибрациях. Так же особенностью схемы была лёгкая регулировка и компактность, и эта схема была более стабильна чем приборы на биениях.
В 1939 Гарри Фор опубликовал схему недорогого детектора с использованием моста Чилсона на биениях, не реагирующий на внешние помехи и настраиваемый по нулевым биениям. Он использовал одиночную катушку и сигналом обнаружения являлись "кудахтающие звуки", издаваемые наушниками с сопротивлением 4 кОм. При правильной настройке прибор мог обнаружть пластину металла площадью 3 дюйма на глубине 12 дюймов, и монету а 10 центов на глубине нескольких дюймов.
В декабре 1939 года доктор Линкольн Ла Пас из Государственного университета Огайо представил Астрономическому Обществу доклад по детекторам метеоритов. Три прибора были сконструированы и построены с использованием исследований, проведённых Теодорсеном при разработке бомбоискателя. Первый прибор был большой трёхкатушечный детектор, возбуждаемый от генератора, работающего от бензинового двигателея. Прибор мог разместиться в багажнике автомобиля. Вторая конструкция так же имела трёхкатушечную систему, возбуждаемую ламповым генератором и была достаточно невелика, так что её можно было носить в рюкзаке. Поисковые катушки любых размеров можно было подсоединять к прибору так же легко, как вкрутить в патрон лампочку. Третья конструкция оказалось самой успешной. Она состояла из поисковой и излучающей катушек, и по сравнению с коммерческими приборами имело вдвое меньшее энергопотребление с питанием от батарей. При весе менее 15 фунтов этот прибор мог быть использован везде, куда только человек мог добраться.
Развитие Второй Мировой войны потребовало немедленной разработки миноискателей. Работа была выполнена исследовательским подразделением Министерства Снабжения. Вскоре они разработали девять экспериментальных детекторов. Проблема была в том, что бы разработать прибор, способный выдержать жёсткие условия эксплуатации и что бы его вес был приёмлемым для солдата. Кроме того, он должен был быть несложным, требовал бы минимального количества людей для работы и был бы сделан из простых взаимозаменяемых частей для их быстрой замены. В конце концов был использован одноламповый генератор, разработанный Вильямом Осборном в 1928 году.
В начале Октября 1941 года исследовательская группа была около конечной стадии, когда они получили подробности о новой модели, разработанной независимо двумя лейтенантами Польской армии. Она не содержала новых принципов, но её разводка сулило преимущества в производстве и эксплуатации. Сразу же стало ясно, что Польская конструкция оказалась очень хорошей, поэтому тестовые модели создали на основе этой конструкции. Производство из началось в 1941 году.
Детектор состоял из плоского диска - поисковой катушки, и имел размеры 8x15 дюймов. Подвижная штанга крепилась к центру катушки, на рукоятке штанги находились две ручки управления. Всё остальное находилось у оператора в заплечном мешке. Первый заказ на изготовление детекторов был размещён среди различных Британских фирм, производящих радиооборудование. Эти "модернизированные" детекторы стали стандартными конструкциями и ими всё ещё продолжают пользоваться.
Существенная экспериментальная работа в 1942 году привела к появлению детектора с частотной модуляцией. Известный как ЧМ Локатор, он показал себя очень стабильным и его особенностью была регулировка баланса земли.
В 1943 году Вильям Блэкмер усовершенствовал схему на биениях. В том же году был разработан мост Винстона для измерений сопротивлений в миноискателе. Это устройство, толкаемое вперёд по земле как поломоечная машина, было собрано из 250 компонентов, содержащихся в 29 блоках.
Сразу же после войны, как только магазины по распродаже остатков военного оборудования распространились по всей Северной Америке и Европе, тысячи металлодетекторов были предложены публике по цене от 5$ до 50$ долларов. Нужно ли говорить, что это породило новую волну экспериментаторов и охотников за сокровищами.
В 1946 Гарри Фор опубликовал чертежи для постройки детектора на биениях с электрической связью, основанный на исследованиях Британской армии. Его конструкция была рассчитана на продвинутых эксперментаторов, и пока ещё не так сильно как коммерческие приборы удерживала отличные позиции в качестве оригинального детектора Чилсона. Кроме того, в конструкцию были добавлены многие усовершенствования. Прибор мог обнаружить пластину металла площадью один квадратный фут на расстоянии 12 дюймов. Индикация осуществлялась увеличением или уменьшением "кудахтающих" звуков.
Исследования в области миноискателей, проведённые во время войны, явились благом для тех, кто интересовался обнаружением спрятанных сокровищ. По мере того, как новые прибора с большей чувствительностью и модернизированным внешним видом росли в популярности, множество небольших компаний начали производство и продажу детекторов и оборудования для поиска сокровищ. Тремя основными типами детекторов стали мостовая схема, схема на биениях и радиобалансная схема. Другой технологический прорыв - транзистор - изменил конструкцию и характеристики детекторов более чем на десятилетие вперёд.
Сегодня, спустя почти пол века, металлодетекторные хобби и индустрия всё ещё растут и процветают. И хотя основные принципы, лежащие в основе, остались неизменными длительное время, в современном поколении детекторов были сделаны некоторые удивительные нововведения: дискриминация, Очень Низкочастотная дискриминация при движении, режекторная дискриминация, визуальное опознавания цели и индикация глубины, настройка нажатием одной кнопки и автоматическая настройка, точный ручной баланс и автоматический баланс земли, возможность работы на многих частотах, усовершенствованная импульсная конструкция, компьютеризированный и миниатюризированные детекторы с высокими характеристиками, эргономичные конструкции корпусов и многое другое. О том, что принесёт завтрашний день можно только мечтать!
Рой Т. Робертс в настоящее время исследует историю металлодетекторов и поиска сокровищ и хотел бы заручиться поддержкой читателей WE&N. Его адрес - 20609 Dundas Street, London, Ontario, Canada NSW 2Z1.