Михаил Адаменко - Металлоискатели

В связи с ограниченным объемом данной книги далее будут рассмотрены лишь некоторые из наиболее популярных видов металлоискателей.

Одним из первых возможных вариантов построения детектора металлических предметов, который может прийти в голову любому человеку, хотя бы немного знакомому с основами электротехники, можно считать устройство, в основе которого лежит изменение частоты генератора под влиянием металлического предмета.

Из школьных учебников физики известно, что частота сигнала, генерируемого в контуре, образуемом параллельно включенными катушкой L и конденсатором С, зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора. При изменении хотя бы одного из этих параметров изменится резонансная частота контура, что приведет к соответствующему изменению и частоты генерации. Легче всего можно изменить индуктивность катушки. Для этого достаточно, например, поместить вблизи нее предмет из соответствующего металла. Данное физическое явление и положено в основу конструкции детекторов металлических предметов, работающих по принципу изменения частоты (рис. 1.1). В специализированной литературе такие устройства часто называют металлоискателями FM (Frequency Meter).

Рис. 1.1. Упрощенная блок-схема металлоискателя, работающего по принципу частотомера

Несмотря на то, что о влиянии металлических предметов, помещаемых в зону возбуждаемого катушкой поля, на резонансную частоту контура давно известно, практическая реализация таких приборов до недавнего времени была довольно затруднительной. Причина заключалась в том, что оценивать изменение частоты контура на слух просто не представлялось возможным.

В настоящее время для анализа и оценки изменений девиации частоты используются микропроцессоры, функционирующие под управлением специальных программ.

При появлении металлического предмета в зоне возбуждаемого измерительной катушкой электромагнитного поля резонансная частота контура опорного генератора меняется. Это изменение оценивается частотомером, основу которого составляет микроконтроллер. Величина девиации частоты, а также ее знак зависят не только от глубины залегания и величины предмета, но и от вида металла, из которого он изготовлен. Обработанные данные поступают на блок индикации, в составе которого часто используется линейка светодиодов.

Следует отметить, что металлоискатели FM обладают большей чувствительностью по сравнению, например, с металлодетекторами BFO.

Благодаря простоте схемотехнических решений использующие принцип биений металлоискатели типа BFO (Beat Frequency Oscillator) получили широкое распространение. В основу этих устройств положено явление формирования биений, возникающих при смешивании двух близких по частоте сигналов (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Упрощенная блок-схема металлоискателя, работающего по принципу биений

В металлодетекторах BFO используются два генератора, настроенных на одну и ту же частоту. При этом частота опорного (эталонного, образцового) генератора неизменна. Катушка контура измерительного генератора одновременно является поисковой или измерительной катушкой.

Когда в зоне возбуждаемого поисковой катушкой электромагнитного поля появляется металлический предмет, частота измерительного генератора изменяется. Сигнал измененной частоты подается на смеситель, где смешивается с сигналом опорной частоты. В результате на выходе смесителя выделяется сигнал с частотой биений, который поступает на блок индикации.

В качестве индикатора в металлоискателях на биениях обычно используются акустические устройства, однако встречаются конструкции со стрелочными и светодиодными индикаторами. При использовании акустических индикаторов по изменению знака биений довольно просто определить, из какого металла, цветного или черного, изготовлен предмет, находящийся в зоне действия прибора.

Необходимо отметить, что частота биений в металлодетекторах BFO лежит в низкочастотном диапазоне, ближе к нижней границе звукового восприятия человеческого уха. Это позволяет значительно упростить конструкцию блока индикации, поскольку биение частот главного (измерительного, поискового) и вспомогательного (опорного) генератора можно анализировать на слух. Однако чувствительность металлоискателей, работающих по принципу биений, оставляет желать лучшего. Тем не менее характеристики этих приборов вполне удовлетворят непритязательных пользователей.

Интересные схемотехнические решения можно встретить при рассмотрении конструкций металлодетекторов, в основу работы которых положен принцип оценки изменения амплитуды сигнала на катушке контура, резонансная частота которого близка к частоте подаваемого на него сигнала опорного генератора. Главным достоинством таких устройств, иногда обозначаемых сокращением OR (Off Resonance), являются простота и надежность (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Упрощенная блок-схема металлоискателя, работающего на околорезонансной частоте

Измерительная катушка является составной частью колебательного контура, резонансная частота которого незначительно отличается от частоты опорного генератора. При появлении металлического предмета в зоне электромагнитного поля, возбуждаемого измерительной катушкой, резонансная частота этого контура изменяется. В зависимости от того, какой металл оказался в зоне действия данного устройства (цветной или черный), частота контура или увеличивается, или уменьшается. При этом происходят соответствующие изменения амплитуды колебаний опорного генератора, которые оцениваются анализатором. В результате анализатор формирует управляющий сигнал для блока индикации.

Как уже отмечалось, в последнее время особой популярностью пользуются металлоискатели TR-IB (Transmitter Receiver – Induction Balance), или просто TR, в основу которых положен принцип «прием-передача» (рис. 1.4). В таких устройствах, называемых балансными металлодетекторами, система катушек сбалансирована до нулевой взаимной индукции.

Рис. 1.4. Упрощенная блок-схема металлоискателя, работающего по принципу «передача – прием»

Главная особенность устройств TR-IB заключается в том, что на приемную катушку поступает не отраженный сигнал передатчика, а сигнал, источником которого являются вихревые токи, возбуждаемые на поверхности металлического предмета.

Передающий сигнал, формируемый опорным генератором, поступает на передатчик и далее – на передающую катушку. При появлении металлического предмета в зоне излучения передающей катушки на его поверхности под воздействием сигнала VLF инициируются вихревые или поверхностные токи. Эти токи являются источником вторичного сигнала, который принимается приемной катушкой металлодетектора. С выхода приемника сигнал подается на анализатор, где происходит оценка его параметров. На основе проведенного анализа формируется соответствующий сигнал для блока индикации.

Следует отметить, что главными достоинствами таких металлоискателей являются высокая чувствительность, возможность отстройки не только от фона грунта, но и от разного мусора. И, конечно же, такие устройства позволяют определять вид металла. Главным же недостатком балансных металлодетекторов следует считать сложности, возникающие при изготовлении и балансировке системы катушек.

Последние достижения в области теоретических разработок и практического применения микроволновой техники, а также развитие элементной базы (в том числе микропроцессорной техники) позволяют ожидать, что в самом недалеком будущем появятся конструкции детекторов металлических предметов, в которых будет использован принцип радиолокации. Интерес к устройствам, в которых используется радиолокационный принцип, объясняется тем, что дальность действия таких металлоискателей несравнимо выше, чем у детекторов других типов.

В настоящее время в различных источниках можно встретить весьма оригинальные схемотехнические решения таких металлоискателей. Однако их практическая реализация пока довольно затруднительна.

Основой построения таких устройств является принцип, используемый в радиолокации (рис. 1.5). Как и в радиолокаторах, информация о наличии в зоне действия прибора какого-либо объекта (дальность, размеры и т. п.) оценивается после обработки параметров импульсного сигнала, отраженного от этого объекта.

Рис. 1.5. Упрощенная блок-схема радиолокационного металлоискателя

Импульсный сигнал, сформированный генератором импульсов, модулирует сигнал передатчика, который излучается антенной. По достижении объекта переданный сигнал отражается от него. Отраженный сигнал принимается антенной, а затем через антенный переключатель и приемник подается на анализатор. На каскады анализатора также подается сигнал, формируемый импульсным генератором.