Класифікація засобів виявлення металевих предметів

Нині використання пристроїв виявлення металевих предметів із метою забезпечення безпеки є дуже актуальним [1]. У залежності від призначення металошукачі поділяють на такі типи: стаціонарні (арочні) металодетектори, портативні металошукачі, кладошукачі, вимірювачі магнітного поля Землі. Розглянемо детальніше ці різновиди.

Арочні металодетектори (рис.1.1) широко використовуються для забезпечення безпеки різних об'єктів, таких як аеропорти, стадіони, суди, музеї, банки, вокзали, державні установи, школи та інші об'єкти з підвищеними вимогами до безпеки. Арочні металодетектори володіють наступними перевагами: пристрій можна живити від будь-якої побутової мережі, цілодобова робота, легкість збору конструкції, звукові і світлові сигнали, можливість налаштування детектора на різні типи металів.

Рис. 1.1. Арочний металодетектор

Застосування сучасних технологій забезпечує більшу швидкість проходу людей через металодетектор з мінімальною кількістю помилкових сигналів тривоги. Предмети особистого користування, такі як монети, ключі, пряжки ременів, можуть проноситься через металодетектор, не викликаючи хибних сигналів тривоги. Також подібні стаціонарні металодетектори безпечні для здоров'я – це підтверджує електромагнітне випромінювання пристрою нижче, ніж у звичайного радіотелефону. Крім цього, арочний детектор абсолютно безпечний для людини з кардіостимулятором, вагітних жінок і дітей. На деяких детекторах є система фото і відео спостереження з зберіганням інформації на Secure Digital (SD) картах, можливість підключення до ПК, автокалібровка і самодіагностика, а також багато інших функцій. Арочні металодетектори мають ергономічним дизайном, завдяки чому можна підібрати пристрій для будь-якого приміщення – чи то банк, будівля аеропорту, офісні приміщення, заводи, підприємства. Останнім часом стаціонарні детектори стали популярні для шкіл, інститутів, і інших навчальних закладів.

Портативні металошукачі (рис.1.2) призначені для пошуку металевих предметів в одязі людини або в ручній поклажі, яку проносять на борт повітряного судна [2]. Портативні металошукачі застосовуються там, де немає потреби у великих стаціонарних металошукачах типу “Охота”, “Гвоздика” або у разі їхньої відмови. В металошукачах, що працюють за принципом “передача-прийом”, як випромінюваний сигнал, так і той, що приймається, є неперервними, вони існують одночасно та збігаються за значенням частоти. Принцип дії металошукача типу “передача-прийом” полягає в реєстрації сигналу, який відбитий або, як кажуть, перевипромінюваний металевим предметом.

Рис. 1.2. Портативний металошукач

Відбитий сигнал виникає внаслідок впливу на об’єкт змінного магнітного поля передавальної котушки металошукача. Таким чином, у приладі цього типу наявні як мінімум дві котушки, одна з яких є передавальною, а інша – приймальною. Основна принципова проблема, яка розв’язується при побудові металошукачів цього типу, полягає у виборі такого взаємного розташування котушок, за якого магнітне поле передавальної котушки у відсутності сторонніх металевих об’єктів не збуджує жодного сигналу в приймальній котушці або у системі приймальних котушок.

Отже, необхідно виключити безпосередній вплив передавальної котушки на приймальну таким взаємним розташуванням, за якого струми однієї котушки не викликають появи струму в іншій котушці. Поява поблизу котушок металевих об’єктів призведе до виникнення сигналу у вигляді змінної електрорушійної сили (ЕРС) у приймальній котушці. Звідси слідує велика кількість можливих варіантів розташування у залежності від кількості контурів та потрібної простоти системи (з перпендикулярними осями, з вигином вісімкою, з використанням компенсаторів тощо).

Принцип дії металошукача [3] на биттях дуже простий і полягає в реєстрації різниці частот від двох генераторів, один з яких є стабільним за частотою, а інший містить датчик - котушку індуктивності у своєму частотозадавальному колі. Прилад налаштовується таким чином, щоб у відсутності металу поблизу датчика частоти двох генераторів збігалися або були близькі за значеннями. Наявність металу поблизу датчика призводить до зміни його параметрів і, як наслідок, до зміни частоти відповідного генератора. Ця зміна дуже мала, однак зміна різниці частот двох генераторів вже істотна і може бути легко зареєстрована.

Різниця частот може реєструватися різноманітними засобами, починаючи від простішого, коли сигнал різницевої частоти прослуховується через телефонні навушники або гучномовець, і закінчуючи числовими методами вимірювання частоти. Чутливість металошукача на биттях залежить, крім того, від параметрів перетворення зміни повного опору датчика в частоту. Як правило, перетворення полягає в отриманні різницевої частоти стабільного генератора і генератора з котушкою датчика у частотозадавальному колі. Тому, чим вище будуть частоти цих генераторів, тим більше буде різниця частот при появі металевих об’єктів поблизу датчика.

Реєстрація невеликих відхилень частоти – досить складна операція. Так, на слух можна впевнено зареєструвати відхід частоти тонального сигналу не менше 10 Гц. Візуально за миготінням світлодіода можна зареєструвати відхід частоти не менше 1Гц. Іншими засобами можна досягти реєстрації ще меншої різниці, однак така реєстрація потребує значного часу, що для портативних металошукачів неприйнятне.

Однокотушковий металошукач індукційного типу має у складі датчика одну котушку будь-якої зручної форми, яка збуджується змінним сигналом. Поява поблизу датчика металевих об’єктів викликає появу відбитого або перевипромінюваного сигналу, який збуджує у котушці додатковий електричний сигнал. Залишається цей додатковий сигнал тільки виявити та відокремити. Металошукач індукційного типу отримав право на життя, головним чином, унаслідок головного недоліку приладів, які працюють за принципом “передача-прийом”, складності конструкції датчиків. Ця складність веде до значної вартості та трудомісткості їхнього виготовлення. Якщо поставити за мету позбавити прилади цього недоліку, то можна прийти до висновку – передавальна та приймальна котушки металошукача мають бути об’єднані в одну. Однак гранична простота дaтчика веде до ускладнення виявлення корисного відбитого сигналу із суміші значно більшого сигналу збудження передавально-приймальної котушки.

Існує багато методів виявлення відбитого сигналу. Серед них застосовується часовий метод відокремлення випромінюваного та відбитого сигналів. Такий метод широко використовується в імпульсній радіолокації. При локації механізм затримки відбитого сигналу обумовлений часом поширення сигналу до об’єкта та назад. Стосовно металошукачів таким механізмом може бути явище самоіндукції в металевому об’єкті.

Після впливу імпульсу магнітної індукції в металевому об’єкті виникає і деякий час підтримується унаслідок явища самоіндукції імпульс струму, який і обумовлює затриманий у часі відбитий сигнал. Таким чином може бути запропонована інша схема портативного металошукача, яка принципово відрізняється від вищерозглянутих за принципом відокремлення сигналів. Такий металошукач отримав назву імпульсного (рис. 1.3). Він складається з генератора імпульсів струму, приймальної та передавальної котушок, обладнання комутації та блока обробки сигналу.

Генератор імпульсів струму формує короткі імпульси мілісекундного діапазону, які надходять до передавальної котушки, де вони перетворюються в імпульси магнітної індукції. Через те, що передавальна котушка-навантаження для генератора імпульсів має яскраво виявлений індуктивний характер, на фронтах імпульсів генератора виникають перевантаження у вигляді виплесків напруги. Такі виплески можуть досягати за амплітудою сотень вольт, однак використання захисних обмежувачів неприпустиме, оскільки це призвело б до затягування фронтів імпульсів струму й магнітної індукції та до ускладнення відокремлення відбитого сигналу.

Рис. 1.3. Імпульсний металошукач

Приймальна та передавальна котушки можуть бути орієнтовані одна відносно іншої досить довільно, тому що проникнення сигналу передавача до приймальної котушки та дія на неї відбитого сигналу рознесені у часі. В принципі, одна котушка може виконувати функції і передавальної, і приймальної, але в такому випадку буде досить складно розв’язати високовольтні вихідні кола генератора імпульсів струму та чутливі кола приймача.

Комутатор має розділяти випромінюваний та відбитий сигнали. Він блокує вхідні кола приймача на певний час, який визначається часом тривалості імпульсу струму в передавальній котушці, часом перехідних процесів у котушці та часом, протягом якого можлива поява коротких слабких імпульсів від малих об’єктів. Після цього блокування комутатор безперешкодно передає сигнали з приймальної котушки до блоку обробки сигналів. Блок обробки сигналів перетворює вхідний електричний сигнал у форму, яка зручна для сприйняття людиною. До недоліків імпульсних металошукачів слід віднести складність реалізації на практиці селекції об’єктів за типом металу, складність апаратури генерації та комутації імпульсів струму і напруг великої амплітуди, високий рівень радіозавад.

Існують спеціальні металошукачі пристосовані для знаходження як маленьких золотих самородків, так і золотих прикрас і срібних виробів. Найчастіше пошук золота металошукачем здійснюється на пляжах [4]. Для пошуку на пляжі морів, річок та інших водойм підійде будь-який сучасний металошукач. Оскільки вони всі зараз мають дві найнеобхідніших властивості для пошуку на пляжі: селективність (здатність визначити і відокремити залізо від кольорових металів) і герметична пошукова котушка для металошукача.

Металошукачі для золота працюють за принципом вибіркової селективності – на екрані металошукача графічна шкала розділена на сегменти, кожному сегменту відповідає певний метал. Сегменти можна вмикати і вимикати з програми пошуку. Комплектуються високочутливою котушкою, що дозволяє точно локалізувати найдрібніші мети. Котушка герметична, що дозволяє проводити пошук золота у воді. Металошукачі для золота (рис. 1.4) мають функцію компенсації впливу високої мінералізації в ґрунті, що сприяє збільшенню точності роботи селектора.

Рис. 1.4. Портативний кладошукач

Для вимірювання напруженості магнітного та інших магнітних величин, зокрема магнітних характеристик матеріалів використовують магнітометр. Одним з найпоширеніших є магнітомеханічний магнітометр, в якому відбувається взаємодія двох постійних магнітів у вимірюваному магнітному полі, внаслідок чого один з них відхиляється на певний кут. За допомогою магнітометра вимірюють магнітне поле Землі, вивчають значні магнітні аномалії, розвідують корисні копалини тощо.

Магнітометр (рис. 1.5) використовують для вимірювання напруженості або індукції магнітного поля, магнітного потоку, а також для визначення, намагніченості, магнітної сприйнятливості гірських порід. Класифікують магнітометри за фізичним явищем чи ефектом, на якому ґрунтується його дія, за областями застосування, за умовами експлуатації, за ступенем інформативності (скалярні, векторні і тензорні), що знаходить відображення в найменуванні приладу: “квантовий магнітометр”, “морський буксируваний магнітометр”, “трикомпонентний індукційний”. Найбільш поширена класифікація магнітометрів за фізичним явищем, використовуваним у вимірювальних перетворювачах приладу.

Рис. 1.5. Магнітометр

Сфери застосування магнітометрів:

– в геології, при пошуку корисних копалин,

– в археології, при археологічних розкопках,

– в астрофізиці, при дослідженні орбіти планет,

– в навігації на морі, космосі та авіації,

– в біології та медицині,

– в сейсмології (прогнозу землетрусів).