Импульсные металлоискатели

Однокатушечные металлоискатели индукционного типа

 

В этом металлоискателе одна катушка, которая одновременно является излучающей и приемной.

В несколько упрощенном виде его функционирование можно описать следующим образом. На катушку через компенсирующее устройство подается переменный ток от встроенного в прибор генератора (рис.5.8). Ток от генератора создает падение напряжения U_k на катушке, которое поступает на второй вход детектора. На первый вход детектора подается напряжение U_г непосредственно с выхода генератора.

Детектор реализует функцию U_вых = |U_г – U_k|. Напряжение с выхода детектора поступает на звуковой/ световой индикаторы.

Рис. 5.8. Функциональная схема однокатушечного металлоискателя

 

Вокруг катушки создается электромагнитное поле, которое, достигнув металлический предмет, создает в нем вихревые токи, которые являются причиной изменения магнитной индукции поля вокруг катушки.

Перед работой прибор настраивается так, чтобы в отсутствии вблизи нее металлического предмета компенсирующее устройство поддерживает такой ток через катушку, что U_k = U_г, при этом на выходе детектора U_вых= 0.

Возникшие в мишени (объекте) токи меняют величину магнитной индукции электромагнитного поля вокруг катушки измерительной рамки, соответственно меняется индуктивность катушки. Компенсирующее устройство поддерживает постоянный ток через катушку. Падение напряжения на катушке измерительной рамки пропорционально ее индуктивности. Поэтому при изменении индуктивности изменится падение напряжения U_k на катушке. Так как U_г не меняется, то напряжение U_вых = |U_г – U_k| станет не равным нулю и сработает индикатор.

Для обеспечения максимального изменения U_k из-за металлического предмета, параллельно катушке подключается конденсатор (см. рис. 5.8) с целью образования колебательного контура, который имеет резонансную частоту, близкую к частоте тока, подаваемого от генератора. Тогда даже небольшое изменение индуктивности катушки будет приводить к сильному изменению ее сопротивления переменному току и, следовательно, напряжения U_k.

 

Импульсные металлоискатели

 

Электронная схема импульсного металлоискателя содержит генератор импульсов тока, приемную и излучающую катушки (могут быть совмещены в одну), устройство коммутации и блок обработки сигнала. По принципу работы - это металлоискатель локационного типа.

С помощью блока коммутации генератор тока периодически формирует короткие импульсы тока, поступающие в излучающую катушку, которая создает импульсы электромагнитного излучения. При воздействии этого излучения на металлический объект в последнем возникает и, некоторое время сохраняется (вследствие явления самоиндукции), затухающий импульс тока. Этот ток создает излучение от металлического объекта, которое наводит ток в катушке измерительной рамки. По величине наведенного сигнала можно судить о наличии или отсутствии проводящих предметов около измерительной рамки.

Главная проблема в металлоискателях этого типа – отделить слабое вторичное излучение объекта (мишени) от значительно более мощного излучения, создаваемого излучающей катушкой.

Как правило, эта проблема решается путем задержки приема сигнала по отношению к началу импульса в излучающей катушке. Дело в том, что наведенные в металлическом предмете токи присутствуют в нем еще некоторое время после завершения возбуждающего импульса. Кроме того, само вторичное излучение получается и достигает приемной катушки с некоторой задержкой по отношению к возбуждающему (т.е. имеет иную фазу, чем возбуждающее). Указанные особенности вторичного излучения и используются при его выделении. Выделенный с приемной катушки сигнал усиливается и направляется на индикатор для выдачи сообщения о присутствии металлического предмета (в форме текстового сообщения, звукового и/или светового сигнала).  

Основная функция коммутирующего устройства - переключение металлоискателя из режима излучения в режим приема. Кстати, именно то, что излучение и прием выполняются поочередно, позволяет использовать одну катушку для излучения и приема.

Большинство металлоискателей импульсного типа имеют низкую частоту следования импульсов тока, подаваемых на излучающую катушку (50-400 Гц).

Принцип работы импульсного металлоискателя с одной катушкой (работающей на излучение и прием) иллюстрирует рис.5.9. На нем показано изменение напряжения на катушке во времени в одном цикле «излучение-прием».

 

                               Рис. 5.9. Принцип работы импульсного металлоискателя

           

Первоначально катушка отключена от источника тока и на катушке отсутствует напряжение. В интервал Т₁ коммутирующее устройство создает импульс тока и через катушку начинает идти ток. Затем коммутирующее устройство резко прекращает подачу тока и на катушке возникает выброс напряжения из-за явления самоиндукции (он может достигать несколько сот вольт). В интервале Т₂ это напряжение постепенно уменьшается до нуля. Если же около катушки будет металлический предмет, то время снижения напряжения существенно увеличивается (интервал Т₂+Т₃). Электронная схема металлоискателя с задержкой Т₂ начинает регистрировать (с помощью схемы, называемой интегратором) изменение напряжения на катушке. Задержка нужна для того, чтобы отделить обычное изменение напряжения от созданного внешним металлическим объектом. Интегрирование осуществляется в интервале Т₃. Обычно при этом заряжается конденсатор, который входит в схему интегратора. Величина заряда зависит от напряжения, поступающего с катушки. В последующем величина заряда конденсатора преобразуется в сигнал индикатора, сигнализирующий об присутствии металлического объекта (интервал Т₄).

       Интервал Т₁ обычно в пределах нескольких десятков-сотен мкс, Т₂ – единицы-десятки мкс, Т₃ – десятки мкс. Например, в одном из реальных металлоискателей импульсного типа Т₁=60¸200 мкс, Т₂=20 мкс, Т₃=50 мкс, а период подачи на катушку импульсов тока 5 мс (200 гц).

 

Магнитометры

 

Для магниточувствительных металлоискателей (далее–магнитометров) чувствительность принято обозначать величиной магнитной индукции поля, которую способен зарегистрировать прибор. Обычно чувствительность измеряют в нанотеслах (нТл) 1нТл=(1Е-9)Т.

Поле Земли составляет величину примерно 35000 нTл. Это усредненная величина, в различных точках земного шара она меняется в диапазоне 35000¸60000 нTл. Задача поиска ферромагнитных предметов состоит в том, чтобы на фоне природного поля Земли обнаружить изменение поля, обусловленное его искажениями от ферромагнитных предметов.

Кроме чувствительности для определения качества магнитометров используют такой параметр, как разрешающая способность, которая также измеряется в нанотеслах и определяет минимальную разницу индукции, регистрируемую прибором.

Существует несколько физических принципов и основанных на них типов магнитометров, позволяющих фиксировать минимальные изменения магнитного поля Земли или искажения, вносимые ферромагнитными объектами. Современные магнитометры обладают чувствительностью от 0,01 нTл до 1,0 нTл, в зависимости от принципа действия и класса решаемых задач.

Широкое распространение получили приборы, принцип работы которых основан на использовании нелинейных свойств ферромагнитных материалов. Чувствительные элементы, реализующие этот принцип, получили название феррозонды. Они содержат катушку возбуждения с нелинейным ферромагнитным сердечником, а также приемную катушку, находящуюся около катушки возбуждения.

Если через катушку возбуждения пропустить переменный ток, который создаст переменное поле с амплитудой напряженности Н_m и приложить к феррозонду соосное постоянное поле напряженностью Н_о, то на выходе приемной катушки появится напряжение с удвоенной частотой, пропорциональное напряженности H_o постоянного магнитного поля. Появление напряжения удвоенной частоты обусловлено нелинейной характеристикой сердечника феррозонда. Это напряжение и является сигналом, по которому судят о внешнем магнитном поле.

Типичная конструкция магнитометра включает в себя штангу, с размещенными на ней батарейным блоком питания и электронным блоком, а также феррозондовый преобразователь, на оси, перпендикулярной штанге (рис. 5.10).

Магнитное поле Земли в конкретном месте имеет некоторую конкретную величину напряженности Н_о. Это поле вместе с полем, создаваемым катушкой возбуждения, воздействует на приемную катушку феррозонда, на выходе которой создается некоторое напряжение. 

Перед применением прибор предварительно калибруют, чтобы компенсировать воздействие поля Земли в отсутствие ферромагнитных объектов контроля (полная аналогия с калибровкой индукционных металлоискателей). Если затем около прибора поместить предмет из ферромагнитного материала, он исказит форму силовых линий и величину напряженности магнитного поля Земли (рис. 5.11). В результате измениться выходное напряжение приемной катушки. Феррозонд является векторным прибором, т.е. его выходной сигнал зависит не только от величины внешнего магнитного поля, но и от направления его силовых линий относительно оси феррозонда. По этой причине феррозонд располагают на вращающемся шарнире, чтобы под собственным весом он всегда занимал вертикальное положение относительно земной поверхности и силовых линий нормального магнитного поля Земли. В связи с тем, что магнитометр является векторным прибором, анализ напряжения приемной катушки позволяет получить информацию об ориентации и размерах ферромагнитного объекта.

Рис. 5.10. Феррозондовый металлодетектор Ferromex 120 фирмы

Unimex Handels Gmbh (Германия)

 

Рис. 5.11. Искажение магнитного поля ферромагнитным предметом

 

Существуют магнитометры, работающие на других физических принципах. Так, известны квантовые приборы, основанные на эффекте ядерного магнитного резонанса и эффекте Зеемана с оптической накачкой. Они обладают большей чувствительностью.