Приемно предаване тип металдетектор. Най-простият металотърсач. Дизайн и принцип на работа на устройството

Устройство, което ви позволява да намирате метални предмети, разположени в неутрална среда, например земя, поради тяхната проводимост, се нарича металотърсач (металотърсач). Това устройство ви позволява да намирате метални предмети в различни среди, включително човешкото тяло.

До голяма степен благодарение на развитието на микроелектрониката, металотърсачите, които се произвеждат от много предприятия по света, имат висока надеждност и малки общи и теглови характеристики.

Не толкова отдавна подобни устройства можеха да се видят най-често при сапьори, но сега те се използват от спасители, иманяри, комунални работници при търсене на тръби, кабели и др. Освен това много "ловци на съкровища" използват металотърсачи, които събират. със собствените си ръце...

Дизайн и принцип на работа на устройството

Металотърсачите на пазара работят на различни принципи. Мнозина смятат, че използват принципа на импулсно ехо или радар. Тяхната разлика от локаторите се състои във факта, че предаваните и приеманите сигнали работят постоянно и едновременно, освен всичко останало, те работят на съвпадащи честоти.

Устройствата, работещи на принципа "приемане-предаване", регистрират отразения (преизлъчен) сигнал от метален предмет. Този сигнал се появява поради въздействието върху метален обект на променливо магнитно поле, което се генерира от намотките на металдетектора. Тоест, дизайнът на устройства от този тип предвижда наличието на две намотки, първата е предавателна, втората е приемаща.

Устройствата от този клас имат следните предимства:

простота на дизайна;
големи възможности за откриване на метални материали.

В същото време металотърсачите от този клас имат някои недостатъци:

металотърсачите могат да бъдат чувствителни към състава на земята, в която търсят метални предмети.
технологични трудности при производството на продукта.

С други думи, устройства от този тип трябва да бъдат конфигурирани на ръка преди работа.

Други устройства понякога се наричат детектор на удари. Това име идва от далечното минало, по-точно от времето, когато суперхетеродинните приемници са били широко използвани. Удрянето е явление, което става забележимо, когато се съберат два сигнала с еднакви честоти и еднакви амплитуди. Биенето се състои в пулсиране на амплитудата на сумирания сигнал.

Честотата на пулсациите на сигнала е равна на честотната разлика на сумираните сигнали. Пропускането на такъв сигнал през токоизправител, той се нарича още детектор, така наречената различна честота се изолира.

Тази схема се използва отдавна, но в наши дни не се използва. Те бяха заменени от синхронни детектори, но терминът остана в употреба.

Биещият металдетектор работи на следния принцип - той регистрира честотната разлика от две намотки на предавателя. Едната честота е стабилна, другата съдържа индуктор.

Устройството е настроено със собствените ви ръце, така че генерираните честоти да съвпадат или поне да са близки. Веднага след като металът влезе в зоната на действие, зададените параметри се променят и честотата се променя. Разликата в честотата може да бъде записана по различни начини, вариращи от слушалки до цифрови методи.

Устройствата от този клас се отличават с прост дизайн на сензора, ниска чувствителност към минералния състав на почвата.

Но освен това, по време на тяхната работа е необходимо да се вземе предвид фактът, че те имат висока консумация на енергия.

Типичен дизайн

Металотърсачът включва следните компоненти:

Бобината е кутия тип конструкция, която помещава приемника и предавателя на сигнала. Най-често намотката има елипсовидна форма и за нейното производство се използват полимери. Към него е свързан проводник, който го свързва с управляващия блок. Този проводник пренася сигнала от приемника към контролния блок. Предавателят генерира сигнал при откриване на метал, който се излъчва към приемника. Бобината е монтирана на долния вал.
Металната част, върху която е фиксирана бобината и се регулира ъгълът на нейния наклон, се нарича долен вал. Благодарение на това решение се извършва по-задълбочено изследване на повърхността. Има модели, при които долната част може да регулира височината на металотърсача и осигурява телескопична връзка с пръчката, която се нарича средна.
Средната стрела е възелът, разположен между долната и горната стрела. Върху него са фиксирани устройства, което ви позволява да регулирате размерите на устройството. на пазара можете да намерите модели, които се състоят от две пръчки.
Горната лента обикновено е извита. Наподобява буквата S. Тази форма се счита за оптимална за фиксирането й върху ръката. На него са монтирани подлакътник, блок за управление и дръжка. Подлакътникът и дръжката са изработени от полимерни материали.
Блокът за управление на металдетектора е необходим за обработка на данните, получени от намотката. След като сигналът бъде преобразуван, той се изпраща към слушалки или други дисплейни устройства. Освен това управляващият блок е проектиран да регулира режима на работа на устройството. Проводникът от намотката е свързан с помощта на устройство за бързо освобождаване.

Всички устройства, включени в металотърсача, са водоустойчиви.

Такава относителна простота на дизайна ви позволява да правите металотърсачи със собствените си ръце.

Разновидности на металотърсачи

На пазара има широка гама от металотърсачи, които се използват в много области. По-долу е даден списък, показващ някои от вариантите на тези устройства:

Повечето съвременни металотърсачи могат да открият метални предмети на дълбочина от 2,5 м, специални дълбоки продукти могат да открият продукт на дълбочина от 6 метра.

Работна честота

Вторият параметър е честотата на работа. Работата е там, че ниските честоти позволяват на металдетектора да вижда на доста голяма дълбочина, но те не могат да видят малки детайли. Високите честоти ви позволяват да виждате малки обекти, но не позволяват да гледате земята на голяма дълбочина.

Най-простите (бюджетни) модели работят на една честота, моделите, които принадлежат към средното ценово ниво, използват 2 или повече честоти в своята работа. Има модели, които използват 28 честоти при търсене.

Съвременните металотърсачи са оборудвани с такава функция като дискриминация на метал. Позволява ви да различите вида на материала, разположен на дълбочина. В този случай, когато се намери черен метал в слушалките на търсачката, ще звучи един звук, а когато се намери цветен метал, друг.

Такива устройства се наричат импулсно-балансирани. В работата си използват честоти от 8 до 15 kHz. Като източник се използват батерии от 9 - 12 V.

Устройствата от този клас са в състояние да открият златен предмет на дълбочина от няколко десетки сантиметра и предмети, изработени от черни метали на дълбочина около 1 метър или повече.

Но, разбира се, тези параметри зависят от модела на устройството.

Как да сглобите домашен металотърсач със собствените си ръце

На пазара има много модели устройства за търсене на метал в земята, стените и т. н. Въпреки външната си сложност, да направите металотърсач със собствените си ръце не е толкова трудно и почти всеки може да го направи. Както бе отбелязано по-горе, всеки металдетектор се състои от следните ключови компоненти - намотка, декодер и сигнално устройство за захранване.

За да сглобите такъв металотърсач със собствените си ръце, имате нужда от следния набор от елементи:

контролер;
резонатор;
кондензатори от различни видове, включително филмови;
резистори;
излъчвател на звук;
Волтажен регулатор.

Направи си сам прост металотърсач

Схемата на металотърсача не е сложна, но можете да я намерите или в необятността на световната мрежа, или в специализирана литература. По-горе е даден списък с радиоелементи, които са полезни за сглобяване на металотърсач със собствените си ръце у дома. Прост металдетектор може да бъде сглобен ръчно с помощта на поялник или друг наличен метод. Основното е, че детайлите не трябва да докосват тялото на устройството. За да се осигури работата на сглобения металотърсач, се използват захранвания от 9 - 12 волта.

За навиване на намотката се използва тел с диаметър на напречното сечение в рамките на 0,3 mm, разбира се, това ще зависи от избраната схема. Между другото, намотаната намотка трябва да бъде защитена от въздействието на външна радиация. За да направят това, те го защитават със собствените си ръце, като използват обикновено хранително фолио.

За фърмуера на контролера се използват специални програми, които също могат да бъдат намерени в Интернет.

Металотърсач без микросхеми

Ако един начинаещ "ловец на съкровища" няма желание да се занимава с микросхеми, има вериги без тях.

Има по-прости схеми, базирани на използването на традиционни транзистори. Такова устройство може да намери метал на дълбочина от няколко десетки сантиметра.

Дълбоките металотърсачи се използват за намиране на метали на големи дълбочини. Но си струва да се отбележи, че те не са евтини и затова е напълно възможно да го сглобите със собствените си ръце. Но преди да започнете да го правите, трябва да разберете как работи типичната схема.

Схемата на дълбок металотърсач не е най-простата и има няколко варианта за нейното проектиране. Преди да го сглобите, трябва да подготвите следния набор от части и елементи:

кондензатори от различни видове - филмови, керамични и др.;
резистори с различни номинали;
полупроводници - транзистори и диоди.

Номиналните параметри, количеството зависят от избраната електрическа схема на устройството. За да сглобите горните елементи, ще ви трябва поялник, набор от инструменти (отвертка, клещи, резачки и др.), Материал за направата на дъска.

Процесът на сглобяване на дълбок металотърсач изглежда така. Първо се сглобява блок за управление, чиято основа е печатна платка. Изработен е от PCB. След това монтажната схема се прехвърля директно върху повърхността на готовата дъска. След прехвърлянето на чертежа дъската трябва да бъде гравирана. За това се използва разтвор, който включва водороден прекис, сол, електролит.

След като платката е гравирана, в нея трябва да се направят дупки, за да се монтират компонентите на веригата. След като дъската е калайдисана. Най-важният етап предстои. Направи си сам монтаж и запояване на части към подготвената платка.

За да навиете намотката със собствените си ръце, използвайте тел с марка PEV с диаметър 0,5 мм. Броят на завоите и диаметърът на намотката зависят от избраната схема на дълбокотърсача за метал.

Малко за смартфоните

Има мнение, че е напълно възможно да се направи металотърсач от смартфон. Това не е истина! Да, има приложения, които са инсталирани под операционната система Android.

Но всъщност, след като инсталира такова приложение, той всъщност ще може да намира метални предмети, но само предварително намагнетизирани. Той няма да може да търси и още повече да дискриминира металите.

Металотърсач на принципа предаване-приемане - теория

Термините "предаване-приемане" и "ехо" в различни устройства за търсене обикновено се свързват с методи като импулсно ехо и радар, което е източник на объркване, когато става въпрос за металотърсачи.

За разлика от различните видове локатори, при металотърсачите от този тип, както предаваният сигнал (излъчен), така и приеманият сигнал (отразен) са непрекъснати, съществуват едновременно и съвпадат по честота.

Принцип на действие

Принципът на работа на металотърсачите от типа "предаване-приемане" е да регистрират сигнал, отразен (или, както се казва, повторно излъчен) от метален обект (цел), виж, стр. 225-228. Отразеният сигнал възниква поради действието върху целта на променливо магнитно поле на предавателната (излъчваща) намотка на металотърсача. По този начин устройство от този тип предполага наличието на поне две намотки, едната от които предава, а другата приема.

Основният фундаментален проблем, който се решава в металотърсачите от този тип, е такъв избор на взаимното разположение на намотките, при което магнитното поле на излъчващата намотка, при липса на чужди метални предмети, индуцира нулев сигнал в приемната намотка (или в системата от приемни бобини). По този начин е необходимо да се предотврати прякото влияние на излъчващата намотка върху приемащата. Появата на метална цел близо до намотките ще доведе до появата на сигнал под формата на променлива EMF. в поемната макара.

Сензорни вериги

Първоначално може да изглежда, че в природата има само два варианта за взаимното разположение на намотките, при които няма директен пренос на сигнал от една намотка към друга (виж фиг. 1 а и 16) - намотки с перпендикулярно и кръстосано брадви.

Ориз. 1. Варианти на взаимното разположение на сензорните бобини на металдетектора по принципа "предаване-приемане".

По-задълбочено проучване на проблема показва, че може да има толкова различни системи от сензори за металотърсачи, но те ще съдържат по-сложни системи с повече от две намотки, съответно свързани електрически. Например, фиг. 1в показва система от една излъчваща (в центъра) и две приемни намотки, включени срещуположно от сигнала, индуциран от излъчващата намотка. По този начин сигналът на изхода на системата от приемни бобини в идеалния случай е равен на нула, тъй като ЕДС, индуцирана в намотките, е се компенсират взаимно.

От особен интерес са сензорни системи с копланарни намотки (т.е. разположени в една и съща равнина). Това се дължи на факта, че металотърсачите обикновено се използват за търсене на обекти в земята и е възможно сензорът да се изведе на минималното разстояние до земната повърхност само ако бобините му са компланарни. Освен това такива сензори обикновено са компактни и се вписват добре в защитните корпуси на "палачинка" или "летяща чиния".

Основните варианти на взаимното разположение на компланарните намотки са показани на фиг. 2а и 26. В диаграмата на фиг. 2а взаимното разположение на намотките е избрано така, че общият поток на вектора на магнитната индукция през повърхността да е ограничен от приемащата намотка е равна на нула. Във веригата на фиг. 26 една от намотките (приемаща) е усукана под формата на "осмица", така че общата ЕДС, индуцирана върху половините на завоите на приемната намотка, разположена в едното крило на фигура осем, компенсира подобна обща е.д.с., индуцирана в другото крило на "осмицата".

Ориз. 2. Копланарни варианти на взаимното разположение на бобините на металотърсача по принципа "предаване-приемане".

Възможни са и различни други конструкции на сензори с компланарни намотки, например фиг. 2в. Приемащата намотка се намира вътре в излъчващата. ЕДС, индуцирана в приемната намотка компенсирано от специално трансформаторно устройство, което избира част от сигнала от излъчващата намотка.

Практически съображения

Чувствителностметалотърсачът зависи преди всичко от неговия сензор. За разглежданите опции на сензора чувствителността се определя по формули (1.20) и (1.33). Когато ориентацията на сензора към обекта е оптимална за всеки случай по отношение на ъгъла на преобръщане y, тя се определя от същия коефициент K 4 и функциите на нормализираните координати F (X, Y) и G (X, Y ). За сравнение, в квадрата X O [-4.4], Y O [-4.4], модулите на тези функции са показани под формата на аксонометричен набор от секции в логаритмичен мащаб на фиг. 12 и фиг. 13.

Първото нещо, което хваща окото ви, е ясно изразените максимуми в близост до местоположението на сензорните бобини (0, + 1) и (0, -1). Максимумите на функциите F (X, Y) и G (X, Y) не представляват практически интерес и се отрязват на ниво 0 (dB) за удобство при сравнението на функциите. От фигурите и от анализа на функциите F (X, Y) и G (X, Y) се вижда също, че в посочения квадрат модулът на функцията F почти навсякъде леко надвишава модула на функцията G, с с изключение на най-отдалечените точки в ъглите на квадрата и с изключение на тясна област близо до X = 0, където функцията F има "дере".

Асимптотичното поведение на тези функции далеч от началото може да се илюстрира при Y = 0. Оказва се, че модулът на функцията F намалява с разстоянието пропорционално на x ^ (- 7), а модулът на функцията G - пропорционално на x ^ (- 6). За съжаление, предимството на функцията G в чувствителността се проявява само на големи разстояния, които надхвърлят практическия обхват на металдетектора. Същите стойности на модулите F и G се получават при X >> 4.25.

Ориз. 12. Графика на функцията F (X, Y).

Фиг. 13. Графика на функцията G (X, Y).

"Дерето" на функцията F е от много практическо значение. Първо, това показва, че сензорът на системата от намотки с перпендикулярни оси има минимална (теоретично нулева) чувствителност към метални предмети, разположени по надлъжната му ос. Естествено, тези елементи включват и много елементи от самия сензор. Следователно, безполезният сигнал, отразен от тях, ще бъде много по-малък от този на сензора на системата на напречната ос. Последното е много важно, като се има предвид, че отразеният сигнал от металните елементи на самия сензор може да надвиши полезния сигнал с няколко порядъка (поради близостта на тези елементи до сензорните бобини). Не че безполезният сигнал от металните компоненти на сензора е трудно да се компенсира. Основната трудност се крие в най-малките промени в тези сигнали, които обикновено са причинени от термични и особено механични деформации на тези елементи. Тези най-малки промени може вече да са сравними с полезния сигнал, което ще доведе до неправилни показания или фалшиви аларми на устройството. Второ, ако малък обект вече е открит с помощта на металотърсач на система от намотки с перпендикулярни оси, тогава посоката на точното му местоположение може лесно да бъде „проследена“ от нулевата стойност на сигнала на металдетектора с точна ориентация на надлъжната му ос спрямо обекта (за всяка ориентация по протежение на ролката) ... Като се има предвид, че площта на "улавяне" на сензора по време на търсене може да бъде няколко квадратни метра, последното качество на системата

Темите за намотки с перпендикулярна ос са доста полезни на практика (по-малко безполезно изкопаване).

Следващата характеристика на графиките на функциите F (X, Y) и G (X, Y) е наличието на пръстеновиден „кратер“ с нулева чувствителност, преминаващ през центровете на намотките (кръг с единичен радиус, центриран в точка (0,0)). На практика тази функция ви позволява да определите разстоянието до малки обекти. Ако се установи, че на някакво крайно разстояние отразеният сигнал изчезва (при оптимална ориентация на ролката), тогава разстоянието до обекта е половината от основата на устройството, тоест стойността на L / 2.

Трябва също да се отбележи, че диаграмите на насоченост в ъгъла на ролката y за металотърсачните сензори с различно взаимно разположение на намотките също са различни. Фигура 14b показва диаграмата на посоката на устройството с перпендикулярни оси при намотките, а на фиг. 14a - с кръстосани. Очевидно втората диаграма е по-предпочитана, тъй като има по-малко мъртви зони и по-малко лобове.

За да се оцени зависимостта на напрежението, индуцирано в приемната намотка от параметрите на металдетектора и обекта, е необходимо да се анализира израза (1.19) за коефициента K 4. Напрежението, индуцирано в приемната намотка, е пропорционално до (L / 2) ^ 6. Аргументите на функциите F и G също се нормализират към стойността L / 2, чието намаляване настъпва с 6-та - 7-ма степен на разстоянието. Следователно, като първо приближение, при равни други условия, чувствителността на металдетектора не зависи от неговата основа.

Модели за насочване на сензори за търкаляне на системи от бобини:
- с кръстосани оси (а)
- с перпендикулярни оси (b).

Тъй като беше максимално, е необходимо правилно да се избере честотата на сигнала на излъчващата намотка, така че фазата на отразения от обектите сигнал да е около 45 °. Това е средата на диапазона на възможните промени във фазата на първия член в израза (1.23) и там наклонът на фазово-честотната характеристика е максимален. Вторият член в израза (1.23) се приема за нула, тъй като при търсене се интересуваме преди всичко от селективността по отношение на цветните метали - неферомагнити. Естествено, оптималният избор на честотата на сигнала предполага познаване на типичните размери на предвидените обекти. Почти всички чуждестранни индустриални металотърсачи използват размера на монета като такъв размер. Оптималната честота е:

При типичен диаметър на монетата от 25 (mm), обемът й е около 10 ^ (- 6) (m ^ 3), което съгласно формула (1.25) съответства на еквивалентен радиус от около 0,6 (cm). Следователно получаваме оптималната честотна стойност от около 1 (kHz) с проводимостта на материала на монетата 20 (n0m H m). В промишлените устройства честотата обикновено е с порядък по-висока (по технологични причини).

заключения

1. Според автора система от намотки с перпендикулярни оси е за предпочитане за търсене на съкровища и реликви, отколкото система от намотки с кръстосани оси. При равни други условия първата система има малко по-висока чувствителност. Освен това с негова помощ е много по-лесно да се определи („вземете ориентиране“) точната посока, в която да се търси засечения обект.

2. Разгледаните системи от намотки имат важно свойство, което позволява да се оцени разстоянието до малки обекти чрез нулиране на отразения сигнал на разстояние до обекта, равно на половината от основата.

3. При равни други условия (размер и брой навивки на бобината, чувствителност на приемащия път, стойност на тока и неговата честота в излъчващата намотка), чувствителността на металдетектора по принципа "предаване-приемане" практически не зависи на основата му, тоест на разстоянието между намотките.

3.1 ПРЕДАВАНЕ-ПРИЕМАНЕ НА МЕТАЛДЕТЕКТОР

Термините "предаване-приемане" и "ехо" в различни устройства за търсене обикновено се свързват с методи като импулсно ехо и радар, които са източник на объркване, когато става въпрос за металотърсачи. За разлика от различните видове локатори, при металотърсачите от този тип, както предаваният сигнал (излъчен), така и приеманият сигнал (отразен) са непрекъснати, съществуват едновременно и съвпадат по честота.

3.1.1. Принцип на действие

Основният фундаментален проблем, който се решава в металотърсачите от този тип е такъв избор на взаимното разположение на намотките, при което магнитното поле на излъчващата намотка, при липса на чужди метални предмети, индуцира нулев сигнал в приемна макара (или в система за приемна макара). По този начин е необходимо да се предотврати прякото влияние на излъчващата намотка върху приемащата. Появата на метална цел близо до намотките ще доведе до появата на сигнал под формата на променлива EMF. в поемната макара.

3.1.2. Сензорни вериги

Ориз. 2. Копланарни варианти на взаимното разположение на намотките на металотърсача по принципа "предаване-приемане".

3.1.3.1. Макарова система с перпендикулярни оси

Нека разгледаме по-подробно взаимодействието на сензор за металотърсач с метална цел, като използваме примера на система от намотки с перпендикулярни оси, Фиг. 1 а. За простота помислете за система с намотки, чиито надлъжни размери могат да бъдат пренебрегнати. Ще продължим да броимТрябва да се отбележи, че излъчващата и приемащата намотки са кръгли безкрайно тънки рамки (виж фиг. 3). За такава рамка векторът на магнитния момент с потока на тока I има формата:

Фиг. 3. Модел на излъчваща намотка.

Индукцията на магнитното поле, създадено от тау рамката на голямо разстояние r от нейния център (виж фиг. 4), е:

Ориз. 4. Компоненти на индукционния вектор на магнитното поле на излъчващата намотка.

като приемем, че r >> Ц S, а индексите "n" и "t" означават съответно нормалната и тангенциалната компоненти на вектора на магнитната индукция.

Нека разгледаме взаимодействието на излъчващата рамка, приемната рамка и обекта при намотки с перпендикулярни оси (виж фиг. 5).

Ориз. 5. Взаимно подреждане на намотките на металотърсачния сензор и обекта (мишена).

Ъгълът между оста на симетрия на системата от намотки и вектора на индукция на полето B на излъчващата намотка е 2p, тъй като силовите линии, дължащи се на отношения (1.2), са окръжности и с оглед на допускането за малки размери на намотки:

където L е така наречената основа на сензора за металдетектор (виж фиг. 5).

3.1.3.2. Отражение на сигнала поради проводимост на обекта

Провеждащ метален обект, чиито размери засега също ще се считат за малки, поне не повече от r и r" (виж фиг. 5), от гледна точка на повторно излъчване на магнитното поле, може да се представи като еквивалентна рамка с ток I * , чийто вектор на магнитен момент Pm * е практически успореден на индукционния вектор на излъчващата намотка B.

Стойността на Рm * зависи от размера на проводящия обект, неговата проводимост, от индукцията на полето в точката на местоположение на обекта, от честотата на излъчваното поле. Индукцията на полето за повторно излъчване има ненулева компонента Bo в центъра на приемната намотка в посока на нормалния вектор ns " , което води до появата на ЕДС в тази намотка, пропорционална на посочения компонент:

Ориз. 6. Към изчисляване на магнитния момент на еквивалентната топка.

За да се изчисли магнитният момент на еквивалентната рамка Рm * , необходимо е да се вземе интегралът по целия обем на проводящия обект по такъв начин, че да се сумират приносите на всички елементарни пръстенни токове, индуцирани от полето на излъчващата намотка, към общата стойност на Pm *. За простота ще приемем, че магнитното поле е равномерно в целия обем на проводящия обект, тоест се отстранява на значително разстояние от излъчващата намотка. За да избегнем проблеми с ориентацията на обекта, засега ще приемем, че той има формата на хомогенна топка (виж фиг. Б). Ако приемем, че проводящият обект е отстранен на значително разстояние и от приемната намотка, можем да запишем:

Пренебрегвайки феномена на самоиндукция, чийто ефект ще бъде разгледан по-долу, получаваме:

За да вземем предвид феномена на самоиндукция, нека приемем за простота, че повторно излъчваното поле е равномерно вътре в целевия обект и въз основа на величината на магнитния момент (1.7) е:

Замествайки B-B "int вместо B в израз (1.7), ние все пак ще получим пропорционалната зависимост следобед *от Б , но с малко по-различен коефициент K1:

Индукционен компонент в центъра на приемната намотка:

В декартовата координатна система с начало в средата на основата на системата на намотките (виж фиг. 7), последният израз приема формата:

Нека представим нормализираните координати:

Нека определим до знака на ЕДС, индуцирана в приемната намотка:

където So е площта на напречното сечение на приемната намотка, N е броят на нейните завои.

където S е площта на напречното сечение на излъчващата намотка, I е общият ток на цялата йзавои.

В триизмерно пространство, когато равнината XOY не е перпендикулярна на равнината на приемащата рамка,

Ориз. 7. Координатна система.

Фиг. 8. Ориентация на обекта при ролка.

3.1.3.3 Отражение на сигнала поради феромагнитните свойства на обекта

Феромагнитен обект, чиито размери също ще се считат за малки, поне не повече от r и rў (виж фиг. 5), от гледна точка на кривината на магнитното поле, може да бъде представен като еквивалентна рамка с ток I *, чийто вектор на магнитен момент е Pm * практически успореден на индукционния вектор на излъчващата намотка B.

Стойността Pm * зависи оттогава t размери на феромагнитен обект, неговата магнитна проницаемост, от индукцията на полето в точката на местоположение на обекта. За да се изчисли магнитният момент на еквивалентната рамка Рm *, е необходимо да се вземе интеграл по целия обем на феромагнитния обект, така че да се сумират приносите на всички амперни токове, възникващи във феромагнита под действието на външен поле на излъчващата намотка.За сферичен хомогенен обект получаваме:

където B е индукцията на магнитното поле,м - магнитна пропускливост на материала обект, R е радиусът на обекта - топката.

Всички изрази, получени по-горе за проводящ обект, остават валидни, ако ги поставим за този случай:

3.1.3.4 Суперпозиция на проводими и феромагнитни свойства на обект

Отчитането едновременно на електропроводимите и феромагнитните свойства на обект под формата на топка води до следната стойност на коефициента K1:

Нормализиращият фактор K4, включен в израза за напрежението в приемната намотка, е:

Числена оценка (1.23) показва например, че модулите на членовете в израза при типична честота на излъчваното поле от 10 (kHz) стават сравними с радиус на сферичен обект от порядъка на 1 (cm) и при условие, че обектът има феромагнитни свойства. В допълнение, зависимостта на първия член от оператора на Лаплас показва, че фазата на отразения сигнал ще се промени в зависимост от съотношението на електрическите и феромагнитните свойства на целевия обект, както и от проводимостта на материала и размерите на обекта. Принципът на действие се основава на това явление. дискриминатори съвременни металотърсачи, тоест електронни устройства, които позволяват фазовото изместване на сигнала, отразен от обекта, за оценка на свойствата на обекта (с определена вероятност, дори вида на метала).

3.1.3.5 Отчитане на формата на обекта

Изразите, получени по-рано, както беше посочено, са валидни само за формата на обект - мишена под формата на еднородна топка. Очевидно ефектът на обекти с по-сложна форма може да се сведе до ефекта на някаква еквивалентна сфера с радиус Req.

Напрежението, индуцирано в приемната намотка, поради проява само на феромагнитни свойства, за сферичен обект е пропорционално на неговия обем (виж израз (1.22)). Следователно, за не твърде разширени обекти с по-сложна форма, в първо приближение, може да се счита за еквивалентна на такава сфера, чийто обем съвпада с обема на феромагнит в обект със сложна форма. Ad hoc:

където V е обемът на феромагнита.

Ситуацията е по-сложна с напрежението, индуцирано в приемната намотка поради повторно излъчване от проводящ обект. Кога големи предмети с добра електрическа проводимостизраз (1.9) и съответно напрежението, индуцирано в приемната намотка, също е пропорционално на обема на обекта (т.е. R ^ 3 ) и радиусът на еквивалентната топка също се изчислява по формулата (1.25). Кога малки предмети с лоша електрическа проводимостподходът е различен. В този случай общият израз (1.9) се изражда в частен случай (1.8). Нека първо разгледаме ефекта на сферична кухина с радиус Rп вътре в сферичен обект върху Req. Използвайки принципа на суперпозицията, ние представяме резултата от действието на сферичен обект с кухина като разлика между резултатите от действието на твърда сфера и сфера с радиус Rп. В съответствие с (1.8) е в сила следната зависимост:

Фигура 9 показва графиките на зависимостта на R / Req от R / D R за куха слабо електропроводима и за куха феромагнитна сфера. Графиката показва, че за не

Фиг. 9. Влияние на дебелината на стената на куха сфера върху еквивалентния радиус.

твърде тънкостенни топки, изработени от слабо проводим материал Req »R. Следователно, за разлика от феромагнитна топка и топка с висока проводимост, за слабо проводяща топка, в първо приближение, няма разлика дали е твърда или куха. Неговото влияние върху процеса на повторно излъчване се определя основно от неговия линеен размер, т.е. R. Следователно, в случай на не твърде дълги слабо проводими обекти с по-сложна форма, включително куха, в първо приближение може да се разгледа еквивалентна на такава сфера, чийто радиус е равен на половината от средния характерен размер на обекта.

Горното заключение е добре потвърдено на практика под формата на значителна реакция на металотърсач от незначителни по маса остатъци от метално алуминиево фолио, което може да се намери почти навсякъде, където съвременната цивилизация е оставила своя отпечатък.

3.1.3.6 Напречна система с макари

Ориз. 10. Ориентация на ролката на сензора.

Изгледът по оста на металотърсачния сензор с това разположение на намотките е показан на фиг.10. За да се изчисли такава схема, е удобно да се използва принципът на суперпозиция и да се разложи векторът на магнитния момент на излъчващата намотка и площта на приемащата намотка на вертикални и хоризонтални компоненти (проекции, виж фиг. 11).

За хоризонталната компонента проекцията на индукцията на полето в приемната намотка Won ще продължи да се определя от съотношение (1.4). Въпреки това, различна ориентация на магнитния момент дава (до знак) резултата:

където К 2 се определя по формула (1.11).

Вертикалната компонента на индукцията на полето в приемната намотка Bov е перпендикулярна на векторите r и r" и не зависи изрично от ъглите g и b:

Фиг. 11. Разлагане на магнитния момент и площта на приемната намотка на компоненти.

ЕМП в приемната намотка Uo, с точност до знака, е:

От тук получаваме:

В декартова координатна система с начало в средата на основата на системата на намотките (виж фиг. 5), получаваме:

Въвеждайки нормализираните координати (1.14), получаваме:

където К 4 се изчислява по формула (1.19) или (1.24).

3.1.4. Практически съображения

Чувствителностметалотърсачът зависи преди всичко от неговия сензор. За разглежданите опции на сензора чувствителността се определя по формули (1.20) и (1.33). Когато ориентацията на сензора към обекта е оптимална за всеки случай по отношение на ъгъла на преобръщане y, тя се определя от същия коефициент K4 и функциите на нормализираните координати F (X, Y) и G (X, Y) . За сравнение, на квадрат XO [-4.4], YO [-4.4], модулите на тези функции са показани под формата на аксонометричен набор от секции в логаритмичен мащаб на фиг. 12 и фиг. 13.

Асимптотичното поведение на тези функции далеч от началото може да се илюстрира при Y = 0. Оказва се, че модулът на функцията F намалява с разстоянието пропорционално на x ^ (- 7), а модулът на функцията G - пропорционално на x ^ (- 6). За съжаление, предимството на чувствителността на функцията G се появява само на големи разстояния, надвишаващи практическия обхват.

Ориз. 12. Графика на функцията F (X, Y).

Фиг. 13. Графика на функцията G (X, Y).

металдетектор. Същите стойности на модулите F и G се получават при X »4.25.

"Дерето" на функцията F е от много практическо значение. Първо, това показва, че сензорът на системата от намотки с перпендикулярни оси има минимална (теоретично нулева) чувствителност към метални предмети, разположени по надлъжната му ос. Естествено, тези елементи включват и много елементи от самия сензор. Следователно, безполезният сигнал, отразен от тях, ще бъде много по-малък от този на сензора на системата на напречната ос. Последното е много важно, като се има предвид, че отразеният сигнал от металните елементи на самия сензор може да надвиши полезния сигнал с няколко порядъка (поради близостта на тези елементи до сензорните бобини). Не че безполезният сигнал от металните компоненти на сензора е трудно да се компенсира. Основната трудност се крие в най-малките промени в тези сигнали, които обикновено са причинени от термични и особено механични деформации на тези елементи. Тези най-малки промени може вече да са съпоставими с полезен сигнал, който ще доведе до грешни показания или фалшиви аларми на устройството.Второ, ако някой малък обект вече е засечен с помощта на металотърсач на система от намотки с перпендикулярни оси , то посоката на точното му местоположение може лесно да бъде проследена "от нулевата стойност на сигнала на металдетектора с точната ориентация на надлъжната му ос към обекта (за всякакви ориентации на ролката). Като се има предвид, че площта на "улавяне" на сензора по време на търсене може да бъде няколко квадратни метра, последното качество на систематаТемите за намотки с перпендикулярна ос са доста полезни на практика (по-малко безполезно изкопаване).

Следващата характеристика на графиките на функциите F (X, Y) и G (X, Y) е наличието на пръстеновиден "кратер" с нулева чувствителност, преминаващ през центровете на намотките (кръг с единичен радиус, центриран в точка (0,0)). На практика тази функция ви позволява да определите разстоянието до малки обекти. Ако се установи, че на някакво крайно разстояние отразеният сигнал изчезва (при оптимална ориентация на ролката), тогава разстоянието до обекта е половината от основата на устройството, тоест стойността на L / 2.

Трябва също да се отбележи, че диаграмите на посоката по отношение на ъгъла на ролката y за металотърсачи с различно взаимно разположение на намотките също са различни. Фигура 14b показва диаграмата на посоката на устройството с перпендикулярни оси при намотките, а на фиг. 14a - с кръстосани. Очевидно втората диаграма е по-предпочитана, тъй като има по-малко мъртви зони и по-малко лобове.

За да се оцени зависимостта на индуцираното напрежение в приемната намотка от параметрите на металдетектора и обекта, е необходимо да се анализира израз (1.19) за коефициента K4. Напрежението, индуцирано в приемната намотка, е пропорционално на (L / 2) ^ 6. Аргументите на функциите F и G също се нормализират към стойността L / 2, чието намаляване настъпва с 6-та - 7-ма степен на разстоянието. Следователно, като първо приближение, при равни други условия, чувствителността на металдетектора не зависи от неговата основа.

Фиг. 14. Модели за насочване на сензори за търкаляне на системи от бобини:

С кръстосани оси (а)

С перпендикулярни оси (b).

За да се анализира селективностметалдетектор, тоест способността му да различава предмети, изработени от различни метали или сплави, трябва да се обърнете към израза (1.23). Детекторът може да различава обекти по фазата на отразения сигнал. За резолюцията на устройството от типа meТъй като беше максимално, е необходимо правилно да се избере честотата на сигнала на излъчващата намотка, така че фазата на отразения от обектите сигнал да е около 45 °. Това е средата на диапазона на възможните промени във фазата на първия член в израза (1.23) и там наклонът на фазово-честотната характеристика е максимален. Вторият член в израза (1.23) се приема за нула, тъй като при търсене се интересуваме преди всичко от селективността по отношение на цветните метали - неферомагнити. Естествено, оптималният избор на честотата на сигнала предполага познаване на типичните размери на предвидените обекти. Почти всички чуждестранни индустриални металотърсачи използват размера на монета като такъв размер. Оптималната честота е:

При типичен диаметър на монетата от 25 (mm), обемът й е около 10 ^ (- 6) (m ^ 3), което съгласно формула (1.25) съответства на еквивалентен радиус от около 0,6 (cm). Следователно получаваме оптималната честотна стойност от около 1 (kHz) с проводимостта на материала на монетата 20 (n0mCh m). В промишлените устройства честотата обикновено е с порядък по-висока (по технологични причини).

3.1.5. заключения

3. При равни други условия (размер и брой навивки на бобината, чувствителност на приемащия път, стойност на тока и честота в излъчващата намотка), чувствителността на металдетектора по принципа "предаване-приемане" практически не зависи на основата му, тоест на разстоянието между намотките.

3.2 МЕТАЛДЕТЕКТОР НА БИТ

Терминът "метъл детектор на удари" е ехо на терминологията, възприета в радиотехниката от дните на първите суперхетеродинни приемници. Ударите са явление, което се проявява най-забележимо, когато се добавят два периодични сигнала с близки честоти и приблизително еднакви амплитуди и се състои в пулсиране на амплитудата на общия сигнал. Честотата на пулсациите е равна на разликата между честотите на двата добавени сигнала. Чрез пропускане на такъв пулсиращ сигнал през изправител (детектор) може да се изолира сигналът с различна честота. Тази схема беше традиционна от дълго време, но в момента, поради развитието на синхронни детектори, обикновено не се използва нито в радиотехниката, нито в металотърсачите, въпреки че терминът "биене" е останал и до днес.

3.2.1. Принцип на действие

Принципът на работа на металотърсача на удари е много прост и се състои в регистриране на честотната разлика от два генератора - единият от които е честотно стабилен, а другият съдържа сензор - индуктивна намотка в своята верига за настройка на честотата. Устройството е настроено по такъв начин, че при липса на метал в близост до сензора, честотите на двата генератора съвпадат или са много близки по стойност. Наличието на метал в близост до сензора води до промяна в неговите параметри и, като следствие, до промяна в честотата на съответния генератор. Тази промяна обикновено е много малка, но промяната в честотната разлика между двата генератора вече е значителна и може лесно да бъде открита.

Разликата в честотата може да бъде записана по различни начини, от най-простия, когато сигналът на разликата в честотата се слуша на слушалки или през високоговорител, до цифрови методи за измерване на честотата.

3.2.2. Теоретични съображения

Нека разгледаме по-отблизо детектора за биене на металдетектор, състоящ се от една намотка (виж фиг. 15).

Ориз. 15. Взаимодействие на металотърсач с една намотка с обект.

Магнитната индукция в центъра на намотката е:

където Pm - магнитен момент, създаден от тока на бобината I, R0 - радиус на бобината, S - площ на бобината.

Поради взаимодействието с проводящ и / или феромагнитен обект възниква допълнителен индукционен компонент. Тъй като механизмът на появата му е точно същият като в разглеждания по-рано случай на металдетектор според принципа "предаване - приемане", можете да използвате резултатите от предишния раздел и да напишете за допълнителния индукционен компонент:

където К 1 - коефициент, изчислен по формулата (1.8), (1.9) или (1.23).

Тъй като коефициентът K1 е сложна функция, тогава относителната промяна в индукцията може да бъде обозначена като функция на оператора на Лаплас:

По този начин импедансът на намотката на сензора за металотърсач (без да се отчита омичното съпротивление на проводника и капацитетът от завой до завой) може да бъде представен като:

където L е индуктивността на бобината без влиянието на обекта.

Обектът променя импеданса на бобината. В металотърсачите на удари тази промяна се оценява чрез промяната в резонансната честота на осцилаторната LC-верига, образувана от сензорната бобина и кондензатора.

3.2.3. Практически съображения

Чувствителност на металдетектор при удари се определя от изрази (1.36) - (1.38) и зависи освен това от параметрите за преобразуване на промяната в импеданса на сензора в честота. Както вече беше отбелязано, преобразуването обикновено се състои в получаване на различната честота на стабилен осцилатор и осцилатор със сензорна намотка във верига за настройка на честотата. Следователно, колкото по-високи са честотите на тези генератори, толкова по-голяма е честотната разлика в отговор на появата на метална цел близо до сензора. Регистрирането на малки честотни отклонения е трудно. Така че на ухо можете уверено да регистрирате отклонение на честотата на тоновия сигнал от поне 10 (Hz). Визуално, чрез мигане на светодиода, можете да регистрирате честотен дрейф от поне 1 (Hz). По други начиниМожете да постигнете регистрация и по-малка честотна разлика, но тази регистрация ще отнеме значително време, което е неприемливо за металотърсачите, които винаги работят в реално време.

Селективността за метали при такива честоти, които са много далеч от оптималните (1,34), е много слаба. Освен това, от честотното изместване на генератора, определете фазата отразения сигнал е практически невъзможно. Ето защо селективностметалотърсачът няма удари.

Положителна страна за практиката е простотата на дизайна на сензора и електронната част на биещия металдетектор. Такова устройство може да бъде много компактно. Удобно е да го използвате, когато нещо вече е засечено от по-чувствително устройство. Ако откритият обект е малък и се намира достатъчно дълбоко в земята, тогава той може да се "изгуби", да се движи по време на разкопки. За да не се „преглежда“ многократно мястото на изкопа с обемист чувствителен металотърсач, препоръчително е на последния етап да се контролира напредъкът им с компактно устройство с малък обсег, което може по-точно да установи местоположението на обекта .

3.2.4. заключения

1 . Ударите са по-малко чувствителни от металотърсачите за предаване-получаване.

2. Няма селективност за видовете метали.

3.3. ИНДУКЦИОНЕН МЕТАЛДЕТЕКТОР С ЕДНА НАМОТКА

3.3.1. Принцип на действие

Думата "индукция" в името на металотърсачи от този тип напълно разкрива принципа на тяхната работа, ако си припомним значението на думата "inductio" (лат.) - насочване. Устройството от този тип има една намотка с всякаква удобна форма, възбудена от променлив сигнал, като част от сензора. Появата на метален обект в близост до сензора предизвиква появата на отразен (преизлъчен сигнал), който „индуцира“ допълнителен електрически сигнал в бобината. Остава само да изберете този допълнителен сигнал.

Металотърсачът от индукционен тип получи право на живот, главно поради основния недостатък на устройствата на принципа "предаване-приемане" - сложността на дизайна на сензора. Тази сложност води или до висока цена и трудоемкост на изработката на сензора, или до неговата недостатъчна механична твърдост, което причинява фалшиви сигнали по време на движение и намалява чувствителността на устройството. Ако си поставите за цел да премахнете този недостатък от устройствата въз основа на принципа "предаване-приемане", тогава можете да стигнете до необичаен извод - излъчващата и приемащата бобина на металдетектора трябва да бъдат комбинирани в едно! Наистина, много нежелани движения и огъвания на една намотка спрямо другата в този случай липсват, тъй като има само една намотка и тя е едновременно излъчваща и приемаща. Изключителната простота на сензора също е очевидна. Цената, която трябва да се плати за тези предимства, е необходимостта да се изолира полезното ехо от много по-големия възбуждащ сигнал на излъчващата/приемащата намотка.

Схематична диаграма на входната част

Възможно е да се отдели отразения сигнал, като се извади от електрическия сигнал, присъстващ в сензорната бобина, сигнал със същата форма, честота, фаза и амплитуда като сигнала в бобината при отсъствие на метал в близост. Как това може да се реализира по един от начините е показано под формата на блокова диаграма на фиг. 16

Фиг. 16. Блокова схема на входния блок на индукционен металотърсач

Генераторът генерира синусоидално променливо напрежение с постоянна амплитуда и честота. Преобразувателят "напрежение-ток" (PNT) преобразува напрежението на генератора Ug в ток Ig , който се задава в осцилаторния кръг на сензора. Осцилиращата верига се състои от кондензатор C и намотка L на сензора. Резонансната му честота е равна на честотата на генератора. Коефициентът на преобразуване на PNT е избран така, че напрежението на осцилаторния кръг Ud да е равно на напрежението на генератора Ug (при липса на метал близо до сензора). Така на суматора се изваждат два сигнала с една и съща амплитуда, а изходният сигнал - резултатът от изваждането - е равен на нула. Когато в близост до сензора се появи метал, се появява отразен сигнал (с други думи, параметрите на сензорната бобина се променят) и това води до промяна в напрежението на осцилаторния кръг Ud. Изходът е сигнал, различен от нула.

На фиг. 16 е показана само най-простата версия на една от схемите на входната част на металотърсачите от разглеждания тип, като най-проста. Вместо PNT в тази схема по принцип е възможно да се използва резистор за настройка на ток. Могат да се използват различни мостови вериги за включване на сензорната намотка, суматори с различни съотношения на прехвърляне за инвертиращия и неинвертиращия вход, частично активиране на осцилаторната верига и др. и т.н.

В диаграмата на фиг. 16, като сензор се използва осцилаторна верига. Това се прави за простота, за да се получи нулево фазово изместване между сигналите Ug и Ud (веригата е настроена на резонанс). Можете да изоставите осцилаторната верига с необходимостта да я настроите до резонанс и да използвате само сензорната намотка като PNT натоварване. Въпреки това, усилването на PNT за този случай трябва да бъде сложно, за да се коригира фазовото изместване с приблизително 90 °, произтичащо от индуктивния характер на PNT натоварването.

3.3.2. Теоретични съображения

Както вече беше отбелязано, металотърсачът от индукционен тип може да бъде представен като определен лимитиран случай на металдетектор, базиран на принципа "предаване-приемане", когато излъчващата и приемащата бобини съвпадат. Следователно много от резултатите от раздел 1.1 могат да се използват за металотърсач от индукционен тип. Освен това индукционният металотърсач се различава от биещия металдетектор само по метода на записване на отразения сигнал, следователно някои от резултатите от раздел 1.2 ще бъдат валидни и за устройство от индукционен тип.

Взаимодействието на бобината на металотърсача от индукционен тип с метален обект може да се илюстрира на фиг.15. Отразеният сигнал може да бъде оценен по големината на магнитната индукция (1.36). За разлика от устройствата, базирани на принципа "предаване-приемане", величината на отразения сигнал според предположението (1.3) зависи само от разстоянието между обекта и сензора и не зависи от ориентацията на сензора към обекта.

Допълнителното напрежение, индуцирано в сензорната намотка от отразения сигнал, се изчислява по формулата (1.17), където индукцията на отразения сигнал е равна на (1.36). Без да се вземе предвид знакът, това напрежение е:

където p е операторът на Лаплас, I - ток в намотката, r е разстоянието между сензора и обекта, S е площта на бобината, N е броят на нейните завои, R е еквивалентният радиус на обекта, KS - коефициент, изчислен по формулата (1.23).

3.3.3. Практически съображения

Реакцията на напрежението на устройството към метален обект, в съответствие с формула (1.39), е обратно пропорционална на шестата степен на разстоянието. Тоест, той е практически същият като този на металотърсачите на базата на принципа "предаване-приемане". Принципът на запис на отразения сигнал е подобен. Следователно, теоретичната чувствителностиндукционният металотърсач е същият като предавателно-приемащ инструмент.

Теоретични разсъждения относно селективност,дадени в раздел 1.1 за металдетектор съгласно принципа "предаване-приемане" са валидни и за индукционен металдетектор. Селективността се определя от коефициента (1.23), включен във формулата (1.39) за напрежението на полезния отразен сигнал.

От характеристиките на дизайна трябва да се отбележи простота на дизайнасензор за металотърсач. Цената за простота, както е посочено по-горе, е необходимостта от изолиране на малък полезен сигнал на фона на голям сигнал за електрическо възбуждане на сензорната бобина на металдетектора. Ако вземем предвид, че съотношението на амплитудите на тези сигнали може да достигне 105 ... 106, тогава е ясно, че за практика, това не е лесна, макар и доста разрешима задача. СложностРешението на този проблем се крие във факта, че намотката на сензора на металдетектора реагира не само на полезния отразен сигнал, но и на всяка промяна в неговите параметри. За щастие, чувствителността към механична деформация на сензора на индукционен металотърсач е много по-ниска от тази на инструментите, базирани на принципа "предаване-приемане". Възниква обаче проблемът с температурната чувствителност на сензора, специфичен за индукционния металотърсач. Факт е, че омичното съпротивление на проводника (обикновено меден), с което е навита сензорната бобина, нараства почти линейно с повишаване на температурата. Причинени от неизбежни температурни колебания, тези относително бавни промени в импеданса и напрежението на сензора са много малки сами по себе си, но сравними или дори по-големи от тези на желания сигнал. По този начин проблемът с компенсирането на температурния дрейф на импеданса на намотката на сензора за металдетектор става спешен.

3.4. ДРУГИ ВИДОВЕ МЕТАЛДЕТЕКТОРИ

Първият въпрос, който възниква у човек, след като се запознае с недостатъците и ограниченията на определени металотърсачи, звучи приблизително така: „Какви други принципи и устройства, базирани на тях, съществуват за дистанционно откриване на метални предмети?“ Въпросът е логичен, но отговорът, даден по-долу, вероятно няма да зарадва много любопитния читател.

Импулсни металотърсачи

В трите типа електронни металотърсачи, разгледани по-рано, отразеният сигнал се отделя от излъчения. или геометрично - поради относителното положение на приемащата и излъчващата намотка, или чрез използване на специални схеми за компенсация. Очевидно може да има временен метод за разделяне на излъчените и отразените сигнали. Този метод се използва широко, например, в импулсно ехо и радар. При локализиране механизмът на забавяне на отразения сигнал се дължи на значителното време на разпространение на сигнала до обекта и обратно. Въпреки това, що се отнася до металотърсачите, феноменът на самоиндукция в проводящ обект също може да бъде такъв механизъм. След излагане на импулс на магнитна индукция, в проводящ обект възниква затихващ токов импулс и се поддържа известно време поради феномена на самоиндукция, което причинява отразен сигнал със забавено време. По този начин може да се предложи друга схема на металотърсача, която е коренно различна от разгледаните по-рано по метода на разделсигнали. Такъв металотърсач се нарича импулсен. Състои се от генератор на токови импулси, приемна и излъчваща намотки, превключващо устройство и блок за обработка на сигнали.

Генераторът на токови импулси генерира кратки токови импулси от милисекунда, които влизат в излъчващата намотка, където се преобразуват в импулси на магнитна индукция. Тъй като излъчващата намотка - натоварването на импулсния генератор има подчертан индуктивен характер, на импулсните фронтове на генератора възникват претоварвания под формата на скокове на напрежение. Такива изблици могат да достигнат стотици (!) Волта по амплитуда, но използването на защитни ограничители е неприемливо, тъй като би довело до забавяне на предната част на токовия импулс и магнитната индукция и в крайна сметка до усложняване на разделянето на отразеното сигнал.

Приемащата и излъчващата намотки могат да бъдат разположени една спрямо друга съвсем произволно, тъй като директното проникване на излъчения сигнал в приемната намотка и ефектът на отразения сигнал върху нея са разделени във времето. По принцип една намотка може да действа както като приемаща, така и като излъчваща, но в този случай ще бъде много по-трудно да се разделят високоволтовите изходни вериги на генератора на токови импулси и чувствителните входни вериги.

Превключващото устройство е предназначено да извършва гореспоменатото разделяне на излъчените и отразените сигнали. Той блокира входните вериги на устройството за определено време, което се определя от продължителността на токовия импулс в излъчващата намотка, времето на разреждане на бобината и времето, през което краткотрайнотехните реакции от масивни слабо проводими обекти като почвата. След изтичане на това време превключващото устройство трябва да осигури безпрепятствено предаване на сигнал от приемната намотка към процесора.сигнал.

Устройството за обработка на сигнали е предназначено да преобразува входния електрически сигнал във форма, която е удобна за човешкото възприятие. Може да бъде проектиран на базата на решения, използвани в други видове металотърсачи.

Недостатъците на импулсните металотърсачи включват трудността на практическото прилагане на дискриминация на обекти по вида метал, сложността на оборудването за генериране и превключване на импулси на ток и напрежение с висока амплитуда и високо ниво на радиосмущения.

Магнитометри

Магнитометрите са широка група от инструменти, предназначени за измерване на параметрите на магнитно поле (например модула или компонентите на вектора на магнитната индукция). Използването на магнитометри като металотърсачи се основава на явлението на локално изкривяване на естественото магнитно поле на Земята от феромагнитни материали, като желязо. След като се установи с помощта на магнитометър отклонение от модула или посоката на вектора на магнитната индукция на земното поле, което е обичайно за дадена област, може уверено да се твърди наличието на някаква магнитна нехомогенност (аномалия), която може да бъде причинено от железен предмет.

В сравнение с разглежданите преди това металотърсачи, магнитометрите имат много по-голям обхват. откриване на железни предмети. Много впечатляващо е да знаете, че с помощта на магнитометър е възможно да се регистрират малки пирони за обувки от багажник на разстояние 1 (m), а автомобил - на разстояние 10 (m)! Такъв голям обхват на откриване се обяснява с факта, че хомогенното магнитно поле на Земята е аналогично на излъчваното поле на конвенционалните металотърсачи за магнитометри, следователно реакцията на устройството към железен обект е обратно пропорционална не на шестата, а на на трета степен на разстоянието.

Основният недостатък на магнитометрите е невъзможността за откриване на предмети, изработени от цветни метали с тяхна помощ. Освен това, дори да се интересуваме само от желязо, използването на магнитометри за търсене е трудно. Първо, в природата съществува голямо разнообразие от естествени магнитни аномалии с различни мащаби (отделни минерали, минерални находища и др.) Второ, магнитометрите обикновено са обемисти и не са предназначени да работят в движение.

За да се илюстрира безполезността на магнитометрите при търсене на съкровища и реликви, може да се даде следния пример. С помощта на обикновен компас, който по същество е най-простият магнитометър, можете да регистрирате обикновена желязна кофа на разстояние около 0,5 (m), което само по себе си е добър резултат. Въпреки това (!), Опитайте да използвате компас, за да намерите същата кофа, скрита под земята в реални условия!

Радари

Всеизвестен факт е, че с помощта на съвременни радари е възможно да се открие обект като самолет на разстояние от няколкостотин километра. Възниква въпросът: наистина ли съвременната електроника не позволява създаването на компактно устройство, макар и много по-ниско по обхват на откриване на съвременните стационарни радари, но позволяващо да откриваме обекти, които ни интересуват (вижте заглавието на книгата)? Отговорът е редица публикации, които описват подобни устройства.

Характерно за тях е използването на постиженията на съвременната микровълнова микроелектроника, компютърна обработка на получения сигнал. Използването на съвременни високи технологии практически прави невъзможно самостоятелното производство на тези устройства. Освен това големите им размери все още не им позволяват да се използват широко в полето.

Предимствата на радарите включват фундаментално по-висок обхват на откриване, отразеният сигнал в грубо приближение може да се счита за подчинен на законите на геометричната оптика и неговото затихване е пропорционално не на шестата или дори третата, а само на втората степен на разстоянието .

3.3.4. заключения

1. Индукционните металотърсачи съчетават високата чувствителност и селективност на металдетекторите по принципа "предаване-приемане" и простотата на конструкцията на сензора за биене на металдетекторите.

2. Проблемът с компенсирането на температурния дрейф на параметрите на сензорната бобина на металдетектора става спешен.

Металотърсачът е много примамливо устройство, може да се използва за различни цели, например за търсене на стари кабели, водопроводни тръби и в крайна сметка съкровище. Концепцията за металдетектор е много широка, самите металотърсачи са различни, принципът на търсене на метал, присъщ на класическите металотърсачи, се използва в различни устройства, вариращи от прости детектори до радарни станции.

Напоследък станаха много популярни т. нар. импулсни металотърсачи, които съдържат само една намотка и имат относително опростен дизайн, като същевременно осигуряват доста добра чувствителност и висока надеждност. Импулсният металотърсач работи на принципа на приемане и предаване, търсещата бобина в такъв металотърсач може да работи в два режима - приемане и предаване. Сигналът, излъчван от намотката, генерира или възбужда вихрови токове на Фуко в метала, които се улавят от самата намотка.

Различните метали имат различна електрическа проводимост и много металотърсачи са в състояние да разпознаят това с доста висока точност, определяйки какъв вид метал е в земята.

Дадената схема на металдетектор в мрежата е много разпространена, но има много малко снимки на реални конструкции и прегледи, така че беше решено схемата да се повтори и да се изпробва в действие.

Печатната платка се оказа доста компактна, направена е по метода на плячката.

Схемата има много предимства:

наличието само на една намотка;
изключително проста и не капризна схема, която практически не изисква допълнителна конфигурация;
цялата верига е изградена само върху една микросхема;
ниска чувствителност към почвата;
при желание металдетекторът може да бъде конфигуриран така, че да вижда само цветни метали и да игнорира черните, т.е. вид функция за дискриминация на метали.

недостатъци:

малка дълбочина на търсене - детекторът вижда големи метални предмети на разстояние до 30 см, средни монети до 5 и 8 см.

Това не е достатъчно, но зависи за каква цел ... Например, за търсене на стари водопроводни тръби в стената, схемата се справя на 100%.

Схемата е изградена върху единична CMOS микросхема CD4011, която съдържа 4 2I-NOT логически порта. Състои се от 4 части, референтни и търсещи генератори, миксер и сигнален усилвател, който е направен на един транзистор. Като динамична глава е за предпочитане да използвате слушалки с импеданс от 16 до 64 ома, т.к. изходното стъпало не е оценено за натоварвания с нисък импеданс.

Металотърсачът работи по следния начин. Първоначално търсещите и референтните осцилатори са настроени на една и съща честота, така че не чуваме нищо от високоговорителя. Честотата на референтния осцилатор е фиксирана с възможност за ръчно регулиране чрез завъртане на променлив резистор. Честотата на генератора за търсене е силно зависима от параметрите на LC веригата. Ако в полезрението на търсещата бобина се появи метален обект, честотата на LC веригата се нарушава, в резултат на което честотата на търсещия генератор се променя спрямо еталонната. Смесителят разделя честотната разлика на тези генератори, която се филтрира под формата на аудио сигнал и се подава към усилвателния етап, за който слушалките са натоварване.

Намотка

Колкото по-голям е диаметърът на намотката, толкова по-чувствителен е детекторът, но големите намотки имат своите недостатъци, така че трябва да изберете оптималните параметри. За тази верига най-оптималният диаметър е в диапазона от 15 до 20 см, диаметърът на проводника е 0,4-0,6 мм, броят на завоите е 40-50, ако диаметърът на намотката е в рамките на 20 см. В моя случай, бобината е съкратена, завоите и диаметърът са по-малки от необходимото, така че чувствителността на веригата не е толкова гореща. Ако планирате да използвате детектора във влажна среда, бобината трябва да бъде запечатана.

Персонализиране

Всички работи по настройка се извършват при липса на метал в зрителното поле на бобината!

Ако при първото свързване веригата не реагира на метал, но всички компоненти са в добро работно състояние, най-вероятно честотната разлика от генераторите е извън звуковия диапазон и звукът просто не се възприема от човек. В този случай си струва да завъртите променливия резистор, докато се появи звуков сигнал. След това бавно завъртаме същия резистор, докато чуем нискочестотен сигнал от високоговорителя, след което го завъртаме още малко в същата посока, докато сигналът изчезне напълно. Това завършва настройката.

За по-точна настройка ви съветвам да използвате многооборотен резистор или две обикновени променливи, едната от които е предназначена за груба настройка, а другата за по-плавна. След настройка проверяваме металотърсача, като приближаваме метален предмет към бобината му и се уверяваме, че тонът на звуковия сигнал се променя, тоест веригата реагира на метал.

Ефектът на метална дискриминация се наблюдава, ако и двата генератора работят на честота от около 130-135 kHz, докато почти няма чувствителност към черни метали.

Веригата може да се захранва от постоянен източник с напрежение от 3 до 15 волта, най-добрият вариант е да се използва 9-волтова батерия 6F22, консумацията на ток на веригата в този случай ще бъде в диапазона от 15 до 30 mA , в зависимост от съпротивлението на натоварване.

Принципът на действие на металотърсачите от този тип се основава на действието върху изследвания обект от променливото магнитно поле на предавателната намотка и регистрирането на сигнала, който се появява в резултат на индуцирането на вихрови токове в целта. По този начин те принадлежат към устройствата от локационния тип и трябва да имат поне 2 намотки - предавателна и приемна.

И излъчените, и получени сигнали са непрекъснати и съвпадат по честота.

Основният момент за металотърсачите от този тип е изборът на местоположението на намотките. Те трябва да бъдат разположени така, че при липса на чужди метални предмети, магнитното поле на излъчващата намотка да индуцира нулев сигнал в приемната намотка.

Намотките, които излъчват или приемат сигнал, са направени под формата на структура, наречена рамка за търсене. Паралелното разположение на намотките се нарича компланарно.

Обикновено в металотърсачите от този тип рамката за търсене се формира от 2 намотки, разположени в една равнина и балансирани, така че когато се подаде сигнал към предишната намотка на изхода на приемащата намотка, има минимален сигнал. Работната честота на излъчването е от една до няколко десетки kHz.

Детектори за удари

Ударът е явление, което възниква, когато два периодични сигнала с близки честоти и амплитуди се умножават. Полученият сигнал ще се вълнува с честота, равна на честотната разлика. Ако към високоговорителя се приложи нискочестотен сигнал, тогава ще чуем характерен "бълбукащ" звук.

Металотърсачът съдържа два генератора: референтен и измервателен. Първият има стабилна честота, а вторият може да променя честотата при приближаване до метален предмет. Неговият чувствителен елемент е индуктор, направен под формата на поле за търсене.

Сигналите от генераторите се подават към детектор, на изхода на който се генерира променливо напрежение с честота, равна на разликата между честотите на еталонния и измервателния генератор. Освен това този сигнал се увеличава по амплитуда и отива към светлинните звукови индикатори.

Наличието на метал в близост до измервателната рамка води до промяна в параметрите на околното магнитно поле и до промяна в честотата на съответния генератор. Възниква честотна разлика, която се изолира и се използва за оформяне на сигнала.

Колкото по-голяма е масата на метала и колкото по-близо е металният обект, толкова по-голяма е разликата между честотите на генераторите и по-висока е честотата на изходното напрежение на генератора.

Как може да се разгледа някаква модификация на биещи металдетектори металотърсачи - честотомери ... Имат само измервателен генератор. При приближаване на измервателната рамка на металотърсача до метален обект, честотата на генератора се променя. След това от него се изважда дължината на периода при липса на метал.

Индукционен тип металотърсачи с една намотка

Този металотърсач има една намотка, която едновременно излъчва и приема.

Около бобината се създава електромагнитно поле, което при достигане до метален предмет създава в него вихрови токове, които предизвикват промяна в магнитната индукция на полето около намотката.

Токовете, възникващи в обекта, променят величината на магнитната индукция на електромагнитното поле около намотката. Компенсиращото устройство поддържа постоянен ток през бобината. Следователно, когато индуктивността се промени, индикаторът ще работи.

Импулсни металотърсачи

Импулсният металотърсач се състои от генератор на токови импулси, приемна и излъчваща намотки, превключващо устройство и блок за обработка на сигнали. По принцип на действие - металотърсач от локационен тип.

С помощта на превключващия блок генераторът на ток периодично генерира къси токови импулси, които влизат в излъчващата намотка, което създава импулси на електромагнитно излъчване. Когато това излъчване въздейства върху метален обект, в последния възниква затихващ токов импулс, който остава за известно време. Този ток генерира излъчване от метален предмет, който индуцира ток в бобината на измервателната рамка. Големината на индуцирания сигнал може да се използва, за да се прецени наличието или отсъствието на проводими обекти в близост до измервателната рамка.

Основният проблем при този тип металотърсачи е да отделят слабото вторично лъчение от много по-мощното лъчение.

Повечето металотърсачи от импулсен тип имат ниска честота на повторение на токовия импулс, приложен към излъчващата намотка.

Магнитометри

При магниточувствителните металотърсачи чувствителността обикновено се обозначава със стойността на магнитната индукция на полето, която устройството е в състояние да регистрира. Чувствителността обикновено се измерва в нанотесла.

В допълнение към чувствителността, за определяне на качествата на магнитометъра се използва разделителната способност, която определя минималната разлика в индукцията.

Широко разпространени са устройствата, чийто принцип на работа се основава на използването на нелинейните свойства на феромагнитните материали.

Чувствителните елементи, които реализират този принцип, се наричат потокови затвори .

Типичният дизайн на магнитометър включва прът с батерия и електронен блок, разположен върху него, както и преобразувател на магнитометъра върху ос, перпендикулярна на пръта.

Преди употреба устройството е предварително калибрирано, за да компенсира ефекта на земното поле при отсъствие на феромагнитни обекти за управление.

Има магнитометри, които работят на други физически принципи. Например, известни са квантови устройства, базирани на ефекта на ядрено-магнитен резонанс и ефекта на Зееман, с оптично изпомпване. Те са много чувствителни.

Ръчни металотърсачи

Не са големи по размер и тегло. По време на търсенето те се придвижват ръчно по контролирания обект.

Способността на обекта да възприема метални предмети се определя от неговата чувствителност. Ръчните металотърсачи могат да открият обект с размерите на малка монета от разстояние от 5-10 до няколко десетки сантиметра.

Чувствителността зависи от ориентацията на рамката на металдетектора спрямо тестовия обект. Препоръчително е полето за търсене да се проведе по протежение на тестовия обект няколко пъти под различни ъгли.

Примери за ръчни металотърсачи:

селективен металотърсач AKA 7215 :

Тонът на алармата зависи от вида на открития метал

Разполага с потенциометър за плавно регулиране на чувствителността, както и превключвател - черни и цветни метали

Време за непрекъсната работа от нова батерия 9V - не по-малко от 40 часа

Тегло 280гр.

Ръчен металотърсач GARRETT:

Наличието на превключвател за намаляване на чувствителността

Автоматичен контрол на степента на разреждане на батерията

Индикация за аларма - звукова и LED

Удароустойчив корпус

Жак за слушалки/батерии

Отговаря на хигиенните сертификати

Време на непрекъсната работа - до 80 часа

Развитието през последните години се характеризира с увеличаване на "електронната сложност" на устройствата. Оборудвани са с микропроцесори, дисплеи и др. Всичко това ви позволява да разширите функционалността на устройствата.

Дисплеите показват информация за открития обект и неговата проводимост.