Что будет, если человек с кардиостимулятором пройдет через металлодетектор, и правда ли, что при проверке в аэропорту нас облучают? О том, как работают рамки, читайте в материале портала Москва 24.
Немного истории
Первый металлоискатель был изобретен в США в XX веке. Изначально прибор разрабатывался для предотвращения воровства металлических деталей с заводов.
Шотландский физик, изобретатель одного из первых телефонов Александр Грэхэм Белл использовал металлоискатель, чтобы обнаружить пули в груди американского президента Джеймса Гарфилда в 1881 году. Однако эта попытка оказалась провальной, поскольку тело президента находилось на металлической кровати, и это вводило металлоискатель в заблуждение.
Использовать детекторы в сфере безопасности стали благодаря компании Garrett Metal Detectors, которая в преддверии Олимпийских игр 1984 года впервые представила досмотровые рамочные и ручные металлодетекторы.
Как работают металлодетекторы
Фото: портал Москва 24/Александр Авилов
Металлодетекторы созданы для определения и классификации присутствующего металла в карманах человека или в багаже. Среди детекторов выделяют: грунтовые, военные, подводные, глубинные, досмотровые (арочные или рамочные) и магнитометр.
Металлодетекторы очень чувствительны и могут реагировать не только на металл
Станислав Виноградов
По словам преподавателя кафедры общей физики МФТИ Станислава Виноградова , металлодетектор чувствует изменения переменного электромагнитного поля, которые вносит металл внутри рамки.
"В зависимости от конструкции он (металлодетектор. – портал Москва 24) “откликается” либо на изменение частоты, на которую настроен, либо на появление отраженного от металла электромагнитного сигнала, либо на изменение амплитуды колебаний тока в рамке", – пояснил эксперт.
В целом устройство очень чувствительное: оно может реагировать не только на металл, но даже просто на человеческое тело, которое является проводником тока, добавил Виноградов.
Как отметил физик, чувствительность настраивается на определенное количество металла. Некоторые металлодетекторы могут реагировать и на тип металла, но это разработки последних лет, которые повсеместно еще не используют.
Вредны ли детекторы в аэропортах
Фото: портал Москва 24/Лидия Широнина
Наверняка многие замечали, что перед рамками, например, в метро есть объявление о том, что люди с кардиостимуляторами могут не проходить через детекторы. Преподаватель физики МФТИ объяснил в беседе с порталом Москва 24, что в кардиостимуляторах есть металлические детали, поэтому на них металлоискатель реагирует так же, как на часы и мелочь в кармане. Однако при прохождении рамки могут сбиться настройки на медицинском аппарате.
Вообще ЭКС (кардиостимулятор) чувствителен ко всем электромагнитным и магнитным полям. Отмечались случаи, когда человек реагировал даже на магниты на холодильнике или на те, что используются для закрытия обложек планшетов.
При воздействии магнитного поля на аппарат человек ощущает покалывание в пальцах при прикосновении к магнитам.
Облучают только багаж
Станислав Виноградов
Преподаватель кафедры общей физики МФТИ
Что же касается облучения в аэропортах, то Станислав Виноградов уверен, что никакого вреда для человека при этом не происходит.
"Облучающие детекторы в основном используются для проверки багажа. Но их работа в отличие от металлоискателей построена уже на другом принципе: происходит просвечивание рентгеном, подобно тому, что проводят обычно в рентгеновском кабинете. Такие устройства “видят” колебания плотности под одеждой: если предмет плотный, то он плохо пропускает рентгеновские лучи и будет виден темным на экране", – пояснил эксперт.
В основе работы миноискателя ИМП лежит принцип индуктивного (или индукционного) баланса. Основа индукционного баланса - несколько катушек индуктивности, одна передающая и одна или две приёмные, образующие индуктивный датчик. Все катушки размещены в пространстве таким образом, что бы сигнал с передающей катушки при отсутствии поблизости металлических предметов не наводился на приёмные (или наводился, но сигнал, наведённый в одной катушке, вычитался бы из сигнала другой катушки), то есть вся система была бы сбалансирована и сигнал на выходе был бы равен нулю. Если теперь поблизости от датчика появится металлический объект, то баланс нарушится и на выходе появится сигнал рассогласования, который можно будет усилить. Более подробно принцип индукционного баланса описан в статье История металлоискателей .
В миноискателе ИМП применён цилиндрический датчик, содержащий три катушки - передающую TX, расположенную в центре датчика, и две приёмные RX (рис. 1.). Все катушки расположены в одной плоскости, обе приёмные катушки размещены симметрично относительно передающей. В тот момент, когда ток в передающей катушке направлен по часовой стрелке, то токи в приёмных катушках будут направлены в противоположную сторону. Это происходит из-за того, что наводки тока между ближайшими частями витков двух рядом находящихся катушек будут сильнее, чем между более удалёнными частями витков катушек.
Рис. 1. Схема расположения катушек в датчике миноискателя ИМП
Для того, что бы получить нулевой сигнал, сигналы с приёмных катушек следует подать на сумматор, как показано на рисунке 2. Здесь обе приёмные катушки включены противофазно - начало одной катушки и конец другой соединены с общим проводом, так что на суммирующий резистор подаются противофазные сигналы, которые взаимно компенсируются. При малейшем нарушении баланса системы на сумматоре появляется сигнал рассогласования, этот сигнал усиливается резонансным усилителем и подаётся на головные телефоны.
Рис. 2. Упрощённая схема металлодетектора, поясняющая принцип индукционного баланса.
В реальной схеме миноискателя ИМП (рис. 3.) используется несколько иной принцип компенсации остаточного сигнала. Здесь вместо суммирующего резистора применён трансформатор, и небольшая часть сигнала с задающего генератора подмешивается в остаточный сигнал. Величину и фазу сигнала, поступающего с задающего генератора можно регулировать переменными резисторами таким образом, что бы этот сигнал был равен по амплитуде и противоположен по фазе остаточному сигналу, так что на выходе системы установится нулевой сигнал.
Рис. 3. Упрощённая схема миноискателя ИМП
Такой способ позволяет компенсировать не только дисбаланс катушек, но и наводки задающего генератора на входные цепи усилителя.
Электронная схема миноискателя ИМП
Рабочая частота миноискателя ИМП - 1,5 кГц. Потребляемый ток - не более 28 мА. Напряжение питания - от 5,0 до 6,2 В (4 элемента 373). Время непрерывной работы от одного комплекта свежих элементов питания - 100 часов.
На рисунке 4 изображена электрическая схема миноискателя. Она состоит из генератора, вырабатывающего частоту 1,5 кГц, устройства компенсации и резонансного усилителя с рабочей частотой 1,5 кГц и с коэффициентом усиления по напряжению примерно 1000 раз.
Генератор выполнен по двухтактной схеме на двух транзисторах Т1 и Т2 типа МП15. Генераторная катушка частично включена в коллекторные цепи транзисторов. Индуктивность передающей катушки составляет 45 мГн, число витков - 970 провода ПЭВ-0,33, отводы сделаны примерно от четверти витков, считая с каждой стороны. Сопротивление обмотки - 13 Ом. Катушка имеет стальной сердечник. Рабочая частота генератора зависит от индуктивности этой катушки и ёмкости конденсатора С1.
Приёмные катушки имеют индуктивность по 400 мГн, они содержат по 3500 витков провода ПЭВ-0,1, намотанного на каркасе диаметром примерно 35 мм.
Использование двухтактного генератора в схеме миноискателя ИМП обусловлено несколькими причинами - во-первых, в то время, когда разрабатывался этот миноискатель, в наличии были только транзисторы одной структуры - p-n-p. Во-вторых, для питания схемы двухтактного генератора на транзисторах одной структуры потребуется меньшее напряжение по сравнению с другими схемами генераторов.
Схема компенсации выполнена на резисторах R1 - R8 и конденсаторах С1 и С2. Переменными резисторами R5, R8 осуществляется грубая регулировка амплитуды и фазы, а резисторами R2, R7 - плавная.
Переменное напряжение поступает в схему компенсации с одного из отводов генераторной катушки.
Рис 4. Принципиальная электрическая схема миноискателя ИМП:
ПК - приёмная катушка - 400 мГн; ГК - генераторные катушки - по 45 мГн; Т1, Т2 - МП15; Т3..Т5 - МП13Б;
R1, R3 - 39к; R2 - 22к; R4,R6 - 4,7мОм; R5 - 100к; R7,R8 - 47к; R9 - 3к; R10 - 6,2к; R11 - 2,2к; R12 - 240; R13 - 5,6к;
R14 - 4,3к; R15 - 10к; R16 - 120; R17,R18 - 8,2к; R19 - 4,3к; R20,R29 - 82; R21,R26 - 4,7к;
R22,R27 - 1к; R23 - 270; R24 - 2,7к; R25 - 39; R28 - 120;
C1 - 5,1пФ; C2 - 27пФ; C3,C4 - 3,3нФ; C5 - 10нФ; C6 - 25мкФ; C7,C9 - 680пФ; C8,C10,C13 - 0,25мкФ; C12 - 3,3нФ;
Тф - Телефоны головные ТА-56М
На транзисторах Т3..Т5 типа МП13Б выполнен резонансный усилитель. Сигнал на его вход поступает со вторичной обмотки понижающего трансформатора Тр, коэффициент трансформации которого составляет примерно 3:1. Так как входное сопротивление первого каскада усилителя, выполненного на транзисторе Т1 относительно невысоко, то применение понижающего трансформатора позволяет согласовать низкоомный вход усилителя с высоким выходным сопротивлением приёмных катушек. Так же осуществляется согласование других каскадов - здесь используются трансформаторы с коэффициентом трансформации 1:8, первичные обмотки которых включены частично в цепи коллекторов транзисторов Т4, Т5. Такое частичное включение (включена 1/4 часть витков) позволяет избежать ухудшения добротности. Совместно с конденсаторами С7, С9 первичные обмотки обоих трансформаторов образуют резонансные контуры, настроенные на частоту 1,5 кГц. Головные телефоны ТА-56М, включённые в коллекторную цепь транзистора Т5 совместно с конденсатором С12 образуют резонансный контур, настроенный на ту же частоту, что позволяет повысить громкость звука в наушниках.
При подаче напряжения питания на схему запускается задающий генератор, и вокруг генераторной катушки образуется переменное магнитное поле. Это поле наводится в обоих приёмных катушках, в результате чего в них начинает течь переменный ток. Приёмные катушки соединены таким образом, что бы токи, протекающие в них, взаимно компенсировались и система была бы сбалансирована. Из-за технических трудностей, не позволяющих изготовить поисковый элемент с идеально правильным взаимным расположением приёмных катушек и из-за разброса величин индуктивностей, во встречно включённых катушках всегда будет присутствовать какой-то остаточный сигнал. Что бы его подавить, применяется схема компенсации.
Если рядом с датчиком миноискателя отсутствуют металлические предметы и системой компенсации подавлен остаточный сигнал, то на входе резонансного усилителя сигнал будет отсутствовать. Если теперь поблизости от поискового датчика появится металлический объект, то из-за возмущения магнитного поля система разбалансируется, и на входе усилителя появится сигнал, который можно будет услышать в наушниках.
23.12.2017
Рамки металлодетектора сегодня часто можно встретить на различных предприятиях и в государственных учреждениях. Помимо этого, оборудование такого типа применяется также и в период проведения культурно-массовых мероприятий, а также всевозможных митингов.
Основная цель их применения - выявление взрывчатки и оружия. Оборудование этого типа уже зарекомендовало себя с положительной стороны. Отсюда и такая популярность.
Каков основной принцип работы металлодетектора данного типа? Здесь все довольно просто - через рамку пропущен провод, по которому подается электрический ток, создающий электромагнитное поле. Причем его направление меняется в зависимости от направления движения тока.
Если вблизи такого поля находится какой-то металлический предмет, он начнет продуцировать электрические токи в свою очередь. У них также появляется свое электромагнитное поле. Причем его направленность будет обратной направленности электромагнитного поля передатчика. Тем самым, устройство определит наличие металла. Как только это происходит, устройство подает сигнал.
На самом деле, все действительно очень просто и, вместе с тем, эффективно. Как показывает практика, металлодетекторы позволяют с высокой точностью определять наличие металла и, тем самым, обеспечивают определенный уровень безопасности.
Однако, говорить о том, что они надежно защищают, к примеру, предприятие или государственное учреждение, преждевременно. Дело в том, что сам по себе металлодетектор не сможет препятствовать посторонним на территорию промышленных объектов. А цели у злоумышленников могут быть самыми разными, вплоть до промышленного шпионажа.
Поэтому, наряду с металлодетекторами, часто используют и другие системы безопасности.
СКУД
Системы контроля и управления доступом сегодня активно применятся везде, где это требуется. Они пришли на смену пропускам, журналам учета посетителей и стоящим на проходной сотрудникам службы охраны. Конечно, специалист в области безопасности все равно присутствует на проходной. Но его функция теперь сводится исключительно к наблюдательской.
За счет появления таких систем, допуск сотрудников на рабочие места стал автоматизированным. Теперь этот процесс проходит намного быстрее. Ушли в прошлое очереди на проходной. Правда, в период чрезвычайных ситуаций, когда применяются меры повышенной безопасности, на проходной государственных учреждений и предприятий проводится более тщательный досмотр.
Какие СКУД можно чаще всего встретить сегодня в России? Обычно они состоят из турникета, и считывателей с контроллерами. Сотрудники прикладывают к считывателю карту или брелок и информация мгновенно передается на контроллер. Последний сопоставляет данные и также мгновенно передает результат обратно. Таким образом, на все уходят лишь доли секунды.
Существуют и более сложные системы, оснащенные, к примеру, биометрическим считывателем-контроллером . Они реже применяются в России ввиду своей дороговизны.
Насколько современные СКУД эффективны? На самом деле, их надежность сложно переоценить. Такие системы позволяют практически безотказно блокировать доступ посторонним. К тому же, они позволяют автоматизировать ведение учета рабочего времени и разграничить доступ внутри предприятия или учреждения.
Системы видеонаблюдения
Наряду с системами контроля и управления доступом, используются также системы видеонаблюдения. Они позволяют вести наблюдение в режиме реального времени за тем, что происходит внутри учреждения или предприятия, а также на прилегающей территории.
Насколько сложно организовать подобную систему? Обычно, ее монтаж доверяют профессионалам. Специалисты готовят проект, в рамках которого определяется местоположение видеокамер, их количество и направление.
Также, необходимо определиться с типом видеокамер, которые будут устанавливаться. На рынке этого оборудования предлагаются разные виды и форматы. В зависимости от целей и задач можно выбрать как черно-белые аналоговые, так и цветные цифровые видеокамеры. Последние используются в том случае, если необходимо более высокое качество картинки с возможностью ее увеличения.
Системы видеонаблюдения широко применяются не только на предприятиях и в государственных учреждениях, но и в частном домовладении.
Видеодомофоны
Это еще один тип устройств, которые используются для обеспечения безопасности. Они устанавливаются на входе и являются частью систем контроля и управления доступом.
Комплект видеодомофона состоит из монитора, панели вызова и электрического замка. Предназначены эти устройства для того, чтобы у владельца была возможность видеть посетителя и общаться с ним.
Видеодомофоны бывают разных типов. На выбор может влиять цена и функционал. На рынке представлены как простые модели, которые оснащаются черно-белыми дисплеями и трубкой, так и более функциональные, с современным дизайном, широким цветным дисплеем высокого разрешения и возможностью записи.
Что касается панелей вызова, они поставляются в специальных антивандальных корпусах и полностью герметичны, что исключает попадание влаги внутри устройства.
Устанавливаются видеодомофоны в квартирах, частных домах, офисах, на предприятиях и даже в государственных учреждениях. Спектр их применения широк. Высокая популярность видеодомофонов обусловлена их функционалом и простотой в эксплуатации. К тому же, на базе видеодомофонов можно создавать мини систему видеонаблюдения и подключать несколько устройств, создавая большие комплексы.
Таким образом, металлодетекторы, наравне с другими техническими решениями позволяют препятствовать проникновению посторонних в государственные учреждения и на промышленные предприятия. Такое оборудование существенно повышает уровень безопасности любого объекта.
От величины электрического сопротивления катушки с проводом зависит время затухания этого электрического импульса. Полное отсутствие сопротивления, или напротив очень высокая его величина заставит импульс колебаться. Это похоже на бросание резинового мячика на очень твердую поверхность, на которой он отскакивает многократно, прежде чем успокоится окончательно. При достаточном электрическом сопротивлении время затухания импульса укорачивается и отраженный импульс «сглаживается». Это аналогично бросанию резинового мячика в подушку. Про катушку детектора с импульсной индукцией говорят, что она критично заглушена, когда отраженный импульс быстро затухает до нуля без колебаний. Чрезмерное или недостаточное подавление будет вносить нестабильность в работу и маскировать сигналы от хорошо проводящих металлов таких, как золото и уменьшать глубину обнаружения. Когда металлический предмет находится поблизости от поисковой катушки, он запасает в себе некоторую часть энергии импульса, что приводит к затягиванию процесса затухания этого импульса до нуля. Изменение в ширине отраженного импульса измеряется и сигнализирует о присутствии металлического объекта. Для того чтобы выделить сигнал такого объекта, мы должны измерить ту часть импульса, где он спадает к нулю (хвост). На входе приемника катушки стоит резистор и ограничивающий диодная схема, которые обрезают напряжение входного импульса до величины 1 вольт, чтобы не перегружать вход схемы. Сигнал в приемнике состоит из импульса от передатчика и отраженного импульса. Обычно усиление приемника составляет 60 децибел. Это означает, что область, где отраженный сигнал спадает до нуля можно увеличить в 1000 раз.
Схема стробирования.
Усиленный сигнал от приемника поступает в схему, измеряющую время падения напряжения до нуля. Отраженный импульс преобразуется в последовательность импульсов. Когда металлический предмет приближается к катушке, форма импульса передатчика не изменится, а вот отраженный импульс станет немного длиннее. Увеличение длительности «хвоста» импульса всего на несколько миллионных долей секунды (микросекунды) достаточно для того, чтобы определить наличие металла под катушкой. На этот отраженный импульс накладываются импульсы (стробы), синхронизованные с началом импульса передатчика, и на выходе электронной схемы получается серия стробов, количество которых пропорционально длине «хвоста» импульса. Наиболее чувствительный импульс расположен максимально близко к концу хвоста там, где напряжение совсем близко к нулю. Обычно это временная область около 20-ти микросекунд после выключения передатчика и начала отраженного импульса. К сожалению, это так же область где работа металлодетектора с импульсной индукцией становится неустойчивой. По этой причине большинство моделей металлодетекторов с импульсной индукцией продолжают вырабатывать стробирующие импульсы еще 30-40 микросекунд после полного затухания отраженного импульса.
Интегратор.
Далее стробированный сигнал должен быть преобразован в напряжение постоянного тока. Это выполнятся схемой – интегратором, который усредняет последовательность импульсов и преобразует их в соответствующее напряжение, которое возрастает, когда объект близко от рамки и уменьшается, когда объект удаляется. Напряжение дополнительно усиливается и управляет схемой звукового контроля.
Период времени, в течение которого интегратор собирает входящие стробы, называется постоянной времени интегратора - (ПВИ). Она определяет то, насколько быстро металлодетектор реагирует на металлический объект. Длительная ПВИ (порядка секунд) имеет преимущество в уменьшении шума и упрощении настройки детектора, но при этом требует очень медленного перемещения поисковой катушки, поскольку объект может быть пропущен при быстром движении. Короткая ПВИ (порядка десятых долей секунды) быстрее реагирует на цель, что позволяет быстрее перемещать катушку, но помехоустойчивость и стабильности работы ухудшаются.
ДИСКРИМИНАЦИЯ (распознавание).
Металлодетектор с импульсной индукцией не способны к такой же степени дискриминации как СНЧ приборы. За счет измерения увеличивающегося периода времени между окончанием импульса передатчика и точкой, в которой отраженный импульс рассасывается до нуля (время задержки), можно отфильтровать объекты, состоящие из определенных металлов. На первом месте по этой характеристике стоит алюминиевая фольга, затем мелкие никелевые монетки, пуговицы и золото. Некоторые монеты могут быть вычислены по очень длинному хвосту импульса, однако железо, таким образом, НЕ определяется.
Было сделано много попыток создать металлодетектор с импульсной индукцией, способный определять железо, однако все эти попытки имели очень ограниченный успех. Хотя железо и дает длинный «хвост», серебро и медь имеют такие же характеристики. Столь длительная задержка плохо влияет на определение глубины залегания. Содержание минералов в почве также будет удлинять отраженный импульс, изменяя точку, в которой объект определяется или отвергается. Если постоянная времени интегратора настроена так, что золотое кольцо не определяется в воздухе, это же кольцо может «засветиться» в грунте, насыщенном солями. Таким образом, почва, насыщенная солями, изменяет всё, что относится к времени задержки и избирательной способности металлодетектора с импульсной индукцией.
ОТСТРОЙКА ОТ ЗЕМЛИ.
Отстройка от земли является очень критичной для СНЧ приборов, но не для металлодетекторов с импульсной индукцией. В среднем почва не запасает какого-либо значительного количества энергии от поисковой катушки и обычно сама не даёт никакого сигнала. Почва не будет маскировать сигнал от объекта и даже напротив, минерализация почвы слегка удлиняет сигнал пропорционально увеличению глубины залегания предмета. По отношению к МД с импульсной индукцией часто применяется термин «автоматическая отстройка от земли» (automatic ground balance) они обычно не реагируют на избыточную минерализацию почвы, не требуют внешней подстройки для разных типов почвы. Исключением является один из наиболее неприятных компонентов грунта - магнетит (Fe3O4), или магнитный оксид железа. Он вызывает перегрузку входных катушек детекторов СНЧ типа, сильно уменьшая их чувствительность, металлодетекторы с импульсной индукцией будут работать, но могут показывать ложные цели, если поднести катушку слишком близко к земле. Можно свести до минимума этот вредный эффект, удлинив время задержки между окончанием импульса передатчика и началом стробирования. Настраивая эту постоянную времени можно отстроиться от помех, вызванных минерализацией грунта.
АВТОМАТИЧЕСКАЯ И РУЧНАЯ НАСТРОЙКА.
Большинство металлодетекторов с импульсной индукцией имеют ручную настройку. Это означает, что оператор должен крутить настройку до тех пор, пока не послышится щелкающий или зудящий звук в наушниках. Если почва в районе поиска изменяется от и до нейтрального песка или от сухой почвы до морской воды, в этом случае подстройка необходима. Если этого не делать, можно потерять в глубине обнаружения и пропустить некоторые объекты. Ручная настройка очень затруднительна при использовании короткой постоянной времени интегратора (ПВИ). Поэтому многие приборы с ручной настройкой имеют длинную ПВИ и требуют медленного перемещения поисковой катушки.
Нет проблем с использованием МД с импульсной индукцией для подводного поиска, поскольку при этом поисковую катушку не перемещают быстро. При использовании в полосе прибоя, катушка будет, находится то в воде, то под водой, и при таких условиях использование приборов с ручной настройкой может вас сильно разочаровать, поскольку придется непрерывно подстраивать порог срабатывания. Некоторые операторы в таком случае сразу настраивают прибор чуть ниже порога срабатывания. Но это может привести к уменьшению глубины обнаружения, при изменении характеристик почвы.
Автоматическая настройка (SAT- self adjusting Threshold) дает значительное преимущество при поиске в и над соленой водой или на почве с высоким содержанием солей. Она позволяет использовать детектор на максимальной чувствительности без постоянной подстройки. Это улучшает стабильность работы, помехозащищенность и позволяет использовать больший коэффициент усиления. МД с импульсной индукцией не излучают сильные отрицательные сигналы как СНЧ приборы. Поэтому они не зашкаливают на ямах с минералами. Необходимо непрерывно перемещать катушку металлоискателя оснащенного системой автоподстройки, если вы останавливаете катушку, настройка сбивается или прибор перестает реагировать.
Аудио контроль.
Схемы звуковой сигнализации МД с импульсной индукцией распадаются на две категории: с изменяющейся частотой и изменяющейся громкостью. Схемы с изменяющейся частотой, построенные на основе генератора управляемого напряжением, хороши для регистрации небольших предметов, поскольку изменение в частоте легче уловить на слух, чем изменение в громкости, особенно при небольшом уровне громкости, особенно для приборов с ручной подстройкой порога. Однако звук похожий на пожарную сирену быстро утомляет, а некоторые люди не способны различать высокие тона. Один из хороших вариантов - это механическая вибрация, которая первоначально использовалось для подводных аппаратов. Такой прибор издает звуки и вибрацию, которая нарастает до жужжания при обнаружении объекта. Сигналы такого механического прибора легко распознать и они не заглушаются системой подачи воздуха.
Многие люди предпочитают более традиционный звуковой тон с нарастанием громкости, а не частоты. Такие системы звукового контроля работают хорошо в приборах, с быстрым перемещением рамки, те в приборах с автоматической подстройкой, при этом они звучат аналогично приборам с СНЧ.
Выводы по МД с импульсной индукцией.
Это специализированные инструменты. Они мало пригодны для поиска монет в городских условиях, поскольку не могут отфильтровать железный и ферросодержащий мусор. Они могут быть использованы для археологических поисков в сельской местности, где нет железного мусора в больших количествах, поиска золотых самородков и для поиска на максимальной глубине в экстремальных условиях, таких как побережья морей или места, где земля сильно минерализирована. Такие металлодетекторы показывают отличные результаты в подобных условиях и в целом сравнимы с СНЧ приборами, особенно по их способностям отстраиваться от таких грунтов и «пробивать» их на максимальную глубину.
1.1. Принципы работы
Металлоискатель по принципу "передача-прием"
Термины "передача-прием" и "отраженный сигнал" в различных поисковых приборах обычно ассоциируются с методами типа импульсной эхо- и радиолокации, что является источником заблуждений, когда речь заходит о ме-таллоискателях. В отличие от различного рода локаторов, в металлоискателях рассматриваемого типа как передаваемый (излучаемый), так и принимаемый (отраженный) сигналы являются непрерывными, они существуют одновременно и совпадают по частоте.
Принцип действия металлоискателей типа "передача-прием" заключается в регистрации сигнала, отраженного (или, как говорят, переизлученного) металлическим предметом (мишенью), см. , стр. 225-228. Отраженный сигнал возникает вследствие воздействия на мишень переменного магнитного поля передающей (излучающей) катушки ме-таллоискателя. Таким образом, прибор данного типа подразумевает наличие как минимум двух катушек, одна из которых является передающей, а другая, приемной.
Основная принципиальная проблема, которая решается в металлоискателях данного типа, заключается в таком выборе взаимного расположения катушек, при котором магнитное поле излучающей катушки в отсутствие посторонних металлических предметов наводит нулевой сигнал в приемной катушке (или в системе приемных катушек). Таким образом, необходимо предотвратить непосредственное воздействие излучающей катушки на приемную. Появление же вблизи катушек металлической мишени приведет к появлению сигнала в виде переменной электродвижущей силы (э.д.с.) в приемной катушке.
Поначалу может показаться, что в природе существуют всего два варианта взаимного расположения катушек, при котором не происходит непосредственной передачи сигнала из одной катушки в другую (см. рис. 1, а и б) - катушки с перпендикулярными и со скрещивающимися осями.
Рис. 1. Варианты взаимного расположения катушек датчика металлоискателя по принципу "передача-прием"
Более тщательное изучение проблемы показывает, что подобных различных систем датчиков металлоискате-лей может быть сколь угодно много. Но это - более сложные системы с количеством катушек больше двух, соответствующим образом включенных электрически. Например, на рис. 1, в изображена система из одной излучающей (в центре) и двух приемных катушек, включенных встречно по сигналу, наводимому излучающей катушкой. Таким образом, сигнал на выходе системы приемных катушек в идеале равен нулю, так как наводимые в катушках э.д.с. взаимно компенсируются.
Особый интерес представляют системы датчиков с компланарными катушками (т.е. расположенными в одной плоскости). Это объясняется тем, что с помощью металлоискателей обычно проводят поиск предметов, находящихся в земле, а приблизить датчик на минимальное расстояние к поверхности земли возможно только в том случае, если его катушки компланарны. Кроме того, такие датчики обычно компактны и хорошо вписываются в защитные корпуса типа "блина" или "летающей тарелки".
Основные варианты взаимного расположения компланарных катушек приведены на рис. 2, а и б. В схеме на рис. 2, а взаимное расположение катушек выбрано таким, чтобы суммарный поток вектора магнитной индукции через поверхность, ограниченную приемной катушкой, равнялся нулю. В схеме рис. 2, б одна из катушек (приемная) скручена в виде "восьмерки", так что суммарная э.д.с, наводимая на половинки витков приемной катушки, расположенные в одном крыле "восьмерки", компенсирует аналогичную суммарную э.д.с, наводимую в другом крыле "восьмерки". Возможны и другие разнообразные конструкции датчиков с компланарными катушками, например рис. 2, е.
Рис. 2. Компланарные варианты взаимного расположения катушек металлоискателя по принципу "передача-прием"
Приемная катушка расположена внутри излучающей. Наводимая в приемной катушке э.д.с. компенсируется специальным трансформаторным устройством, отбирающим часть сигнала излучающей катушки.
Металлоискатель на биениях
Название "металлоискатель на биениях" является отголоском терминологии, принятой в радиотехнике еще со времен первых супергетеродинных приемников. Биениями называется явление, наиболее заметно проявляющееся при сложении двух периодических сигналов с близкими частотами и приблизительно одинаковыми амплитудами и заключающееся в пульсации амплитуды суммарного сигнала. Частота пульсации равна разности частот двух складываемых сигналов. Пропустив такой пульсирующий сигнал через выпрямитель (детектор), можно выделить сигнал разностной частоты. Такая схемотехника долгое время была традиционной, однако в настоящее время она уже не используется ни в радиотехнике, ни в металлоискателях. И там, и там - на смену амплитудным детекторам пришли синхронные детекторы, но термин "на биениях" остался до сих пор.
Принцип действия металлоискателя на биениях очень прост и заключается в регистрации разности частот от двух генераторов, один из которых является стабильным по частоте, а другой содержит датчик - катушку индуктивности в своей частотозадающей цепи. Прибор настраивается таким образом, чтобы в отсутствие металла вблизи датчика частоты двух генераторов совпадали или были очень близки по значению. Наличие металла вблизи датчика приводит к изменению его параметров и, как следствие, к изменению частоты соответствующего генератора. Это изменение, как правило, очень мало, однако изменение разности частот двух генераторов уже существенно и может быть легко зарегистрировано.
Разность частот может регистрироваться самыми различными путями, начиная от простейшего, когда сигнал разностной частоты прослушивается на головные телефоны или через громкоговоритель, и кончая цифровыми способами измерения частоты. Чувствительность металлоискателя на биениях зависит, кроме всего прочего, от параметров преобразования изменения полного сопротивления датчика в частоту.
Обычно преобразование заключается в получении разностной частоты стабильного генератора и генератора с катушкой датчика в частотозадающей цепи. Поэтому, чем выше будут частоты этих генераторов, тем больше будет разность частот в отклик на появление металлической мишени вблизи датчика Регистрация небольших отклонений частоты представляет определенную сложность. Так, на слух можно уверенно зарегистрировать уход частоты тонального сигнала не менее 10 Гц. Визуально, по миганию светодио-да, можно зарегистрировать уход частоты не менее 1 Гц. Другими способами можно добиться регистрации и меньшей разности частот, однако, эта регистрация потребует значительного времени, что неприемлемо для металлоис-кателей, которые всегда работают в реальном масштабе времени.
Селективность по металлам на таких частотах, весьма далеких от оптимальной, проявляется очень слабо. Кроме того, по сдвигу частоты генератора определить фазу отраженного сигнала практически невозможно. Поэтому селективность у металлоискателя на биениях отсутствует.
Металлоискатель по принципу электронного частотомера
Положительной для практики стороной является простота конструкции датчика и электронной части металлоис-кателей на биениях и по принципу частотомера. Такой прибор может быть очень компактным. Им удобно пользоваться, когда что-либо уже обнаружено более чувствительным прибором. Если обнаруженный предмет небольшой и находится достаточно глубоко в земле, то он может "затеряться", переместиться в ходе раскопок. Чтобы по многу раз не "просматривать" громоздким чувствительным металлоискателем место раскопок, желательно на завершающей стадии контролировать их ход компактным прибором малого радиуса действия, которым можно более точно узнать местонахождение предмета.
Однокатушечный металлоискатель индукционного типа
Слово "индукционный" в названии металлоискателей данного типа полностью раскрывает принцип их работы, если вспомнить смысл слова "inductio" (лат.) - наведение. Прибор данного типа имеет в составе датчика одну катушку любой удобной формы, возбуждаемую переменным сигналом. Появление вблизи датчика металлического предмета вызывает появление отраженного (переизлученного сигнала), который "наводит" в катушке дополнительный сигнал -электрический. Остается этот дополнительный сигнал только выделить.
Металлоискатель индукционного типа получил право на жизнь, главным образом, из-за основного недостатка приборов по принципу "передача-прием" - сложности конструкции датчиков. Эта сложность приводит либо к высокой стоимости и трудоемкости изготовления датчика, либо к его недостаточной механической жесткости, что обусловливает появление ложных сигналов при движении и снижает чувствительность прибора.
Рис. 3. Структурная схема входного узла индукционного металлоискателя
Если задаться целью исключить у приборов по принципу "передача-прием" этот недостаток путем устранения самой его причины, то можно прийти к необычному выводу - излучающая и приемная катушки у металлоискателя должны быть объединены в одну! В самом деле, весьма нежелательные перемещения и изгибы одной катушки относительно другой в данном случае отсутствуют, так как катушка только одна и она одновременно и излучающая, и приемная. Налицо также предельная простота датчика. Платой за эти преимущества является необходимость выделения полезного отраженного сигнала на фоне значительно большего сигнала возбуждения излучающей/приемной катушки.
Выделить отраженный сигнал можно, если вычесть из электрического сигнала, присутствующего в катушке датчика, сигнал той же формы, частоты, фазы и амплитуды, что и сигнал в катушке при отсутствии металла вблизи. *Как это можно реализовать одним из способов, показано на рис. 3.
Генератор вырабатывает переменное напряжение синусоидальной формы с постоянной амплитудой и частотой. Преобразователь "напряжение-ток" (ПНТ) преобразует напряжение генератора Ur в ток Iг, который задается в колебательный контур датчика. Колебательный контур состоит из конденсатора С и катушки L датчика. Его резонансная частота равна частоте генератора. Коэффициент преобразования ПНТ выбирается таким, чтобы напряжение колебательного контура ид равнялось напряжению генератора Ur (в отсутствие металла вблизи датчика). Таким образом, на сумматоре происходит вычитание двух сигналов одинаковой амплитуды, а выходной сигнал - результат вычитания -равен нулю. При появлении металла вблизи датчика возникает отраженный сигнал (иными словами, меняются параметры катушки датчика), и это приводит к изменению напряжения колебательного контура 11д. На выходе появляется сигнал, отличный от нуля.
На рис. 3 приведен лишь простейший вариант одной из схем входной части металлоискателей рассматриваемого типа. Вместо ПНТ в данной схеме в принципе возможно использование токозадающего резистора. Могут быть использованы различные мостовые схемы для включения катушки датчика, сумматоры с различными коэффициентами передачи по инвертирующему и неинвертирующему входам, частичное включение колебательного контура и т.д.
В схеме на рис. 3 в качестве датчика используется колебательный контур. Это сделано для простоты, чтобы получить нулевой сдвиг фаз между сигналами Ur и 11д (контур настроен на резонанс). Можно отказаться от колебательного контура с необходимостью точной настройки его на резонанс и использовать в качестве нагрузки ПНТ только катушку датчика. Однако коэффициент передачи ПНТ для этого случая должен быть комплексным, чтобы скорректировать сдвиг фазы на 90°, возникающий из-за индуктивного характера нагрузки ПНТ.
Импульсный металлоискатель
В рассмотренных ранее типах электронных металлоискателей отраженный сигнал отделяется от излучаемого либо геометрически - за счет взаимного расположения приемной и излучающей катушки, либо с помощью специальных схем компенсации. Очевидно, что может существовать и временной способ разделения излучаемого и отраженного сигналов. Такой способ широко используется, например, в импульсной эхо- и радиолокации. При локации механизм задержки отраженного сигнала обусловлен значительным временем распространения сигнала до объекта и обратно.
Применительно к металлоискателям, таким механизмом может быть и явление самоиндукции в проводящем объекте. Как использовать это на практике? После воздействия импульса магнитной индукции в проводящем объекте возникает и некоторое время поддерживается (вследствие явления самоиндукции) затухающий импульс тока, обусловливающий задержанный по времени отраженный сигнал. Он и несет полезную информацию, его и надо регистрировать.
Таким образом, может быть предложена другая схема построения металлоискателя, принципиально отличающаяся от рассмотренных ранее по способу разделения сигналов. Такой металлоискатель получил название импульсного. Он состоит из генератора импульсов тока, приемной и излучающей катушек, которые могут быть совмещены в одну, устройства коммутации и блока обработки сигнала.
Генератор импульсов тока формирует короткие импульсы тока миллисекундного диапазона, поступающие в излучающую катушку, где они преобразуются в импульсы магнитной индукции. Так как излучающая катушка - нагрузка генератора импульсов - имеет ярко выраженный индуктивный характер, на фронтах импульсов у генератора возникают перегрузки в виде всплесков напряжения. Такие всплески могут достигать по амплитуде десятков-сотен (!) вольт, однако использование защитных ограничителей недопустимо, так как оно привело бы к затягиванию фронта импульса тока и магнитной индукции и, в конечном счете, к усложнению отделения отраженного сигнала.
Приемная и излучающая катушки могут располагаться друг относительно друга достаточно произвольно, так как прямое проникновение излучаемого сигнала в приемную катушку и действие на нее отраженного сигнала разнесены по времени. В принципе, одна катушка может выполнять роль как приемной, так и излучающей, однако в этом случае гораздо сложнее будет развязать высоковольтные выходные цепи генератора импульсов тока и чувствительные входные цепи.
Устройство коммутации призвано произвести упомянутое выше разделение излучаемого и отраженного сигналов. Оно блокирует входные цепи прибора на определенное время, которое определяется временем действия импульса тока в излучающей катушке, временем разрядки катушки и временем, в течение которого возможно появление коротких откликов прибора от массивных слабопрово-дящих объектов типа грунта. По истечении же этого времени устройство коммутации должно обеспечить передачу сигнала с приемной катушки на блок обработки сигнала.
Блок обработки сигнала предназначен для преобразования входного электрического сигнала в удобную для восприятия человеком форму. Он может быть сконструирован на основе решений, используемых в металлоискателях других типов. К недостаткам импульсных металлоискателей следует отнести сложность реализации на практике дискриминации объектов по типу металла, сложность аппаратуры генерации и коммутации импульсов тока и напряжения большой амплитуды, высокий уровень радиопомех.
Магнитометры
Магнитометрами называется обширная группа приборов, предназначенных для изменения параметров магнитного поля (например, модуля или составляющих вектора магнитной индукции). Использование магнитометров в качестве металлоискателей основано на явлении локального искажения естественного магнитного поля Земли ферромагнитными материалами, например железом. Обнаружив с помощью магнитометра отклонение от обычного для данной местности модуля или направления вектора магнитной индукции поля Земли, можно с уверенностью говорить о наличии некоторой магнитной неоднородности (аномалии), которая может быть вызвана железным предметом.
По сравнению с рассмотренными ранее металлоискателями, магнитометры имеют гораздо большую дальность обнаружения железных предметов. Очень впечатляет информация о том, что с помощью магнитометра можно зарегистрировать мелкие обувные гвозди от ботинка на расстоянии 1 м, а легковой автомобиль - на расстоянии 10 м! Такая большая дальность обнаружения объясняется следующим. Аналогом излучаемого поля обычных металлоискателей для магнитометров является однородное (в масштабах поиска) магнитное поле Земли. Поэтому отклик прибора на железный предмет обратно пропорционален не шестой, а всего лишь третьей степени расстояния.
Принципиальным недостатком магнитометров является невозможность обнаружения с их помощью предметов из цветных металлов. Кроме того, даже если нас интересует только железо, применение магнитометров для поиска затруднительно - в природе существует большое разнообразие естественных магнитных аномалий самого различного масштаба (отдельные минералы, залежи минералов и т.п.). Однако при поиске затонувших танков и кораблей такие приборы вне конкуренции!
Радиолокаторы
Общеизвестен факт, что с помощью современных радиолокаторов можно обнаружить самолет на расстоянии нескольких сотен километров. Возникает вопрос: неужели современная электроника не позволяет создать компактное устройство, позволяющее обнаруживать интересующее нас предметы хотя бы на расстоянии нескольких метров9 Ответом является ряд публикаций, в которых такие устройства описаны.
Типичным для них является применение достижений современной микроэлектроники СВЧ, компьютерной обработки полученного сигнала. Использование современных высоких технологий практически делает невозможным самостоятельное изготовление этих устройств. Кроме того, большие габаритные размеры пока не позволяют их широко применять в полевых условиях.
К преимуществам радиолокаторов следует отнести принципиально более высокую дальность обнаружения -отраженный сигнал в грубом приближении можно считать подчиняющимся законам геометрической оптики и его ослабление пропорционально не шестой и даже не третьей, а лишь второй степени расстояния.
