Принципы работы и виды современных металлоискателей

// // Интересное в сети //

Иногда возникает необходимость определить наличие металлических предметов в неметаллической среде. Например, при поиске клада или других любопытных предметов, замурованных в стене или закопанных в землю. Предметы могут быть из различного металла, разного размера, веса, на различной глубине. В зависимости от конкретных условий и задач разработаны металлоискатели, которые отличаются принципом работы и техническим построением.

Принципы работы современных металлоискателей

Можно сказать, что изобретение металлоискателя было случайным. Герхард Фишер начале 20-го века занимался проектированием устройств, определяющих при помощи радиоволн местоположение летательных аппаратов. При проведении очередного испытания созданных устройств было замечено, что если в их поле зрения попадает какой-либо металлический предмет, то появляются сильные помехи. Ученый не оставил этот факт без внимания и нашел для него полезное применение. Так, в 1925 году было изобретено устройство под названием металлоскоп , ставшее прототипом современных металлодетекторов.

Принцип работы всех металлоискателей построен на свойствах электромагнитного поля. При взаимодействии магнитного поля и металла происходят изменения в самом поле. С другой стороны возникают вихревые поля в металле, регистрация и анализ которых даёт возможность определить наличие металла и его свойства. В зависимости от условий работы и поставленной задачи при разработке схемотехники металлоискателя используется один из следующих методов.

Метод биений

Метод основывается на измерении изменения эталонной частоты. Эти изменения происходят в результате возникновения биений от влияния металлического предмета на магнитное поле поисковой головки. Этот метод не требует сложной схемотехники. Изготовление поисковой катушки не требует большой точности и сложной технологии. Рабочая частота таких приборов меняется в пределах 40 . 500 кГц. При простоте изготовления этому методу свойственны слабая чувствительность, низкая стабильность и сложность работы на влажных и минерализованных грунтах. Подобные приборы популярны у радиолюбителей.

Метод основанный на явлении индукционного баланса Метод основывается на использован поисковой головки, состоящей из двух катушек, которые располагаются в одной плоскости. Катушки настраиваются так, чтобы при возбуждении передающей катушки, приёмная катушка выдавала бы минимальный сигнал.

Анализируя амплитуду сигнала приёмной катушки и сдвиг фаз, можно рассчитать размер и глубину залегания металла. Работают металлоискатели, построенные по такому принципу, в диапазоне 80 - 100 кГц и могут обнаружить предметы на глубине 30 - 35 см. Но есть недостаток. Эти металлоискатели бесполезны на влажных и минерализованных почвах.

Индукционный баланс на низких частотах

Эксперименты показали, что при работе на частотах меньше 20 кГц можно существенно улучшить показатели при работе на минерализованном грунте. При этом снижается действие прибора по глубине, но повышается стабильность и пропадают ошибки. Высокая чувствительность и фазовый анализ позволяют отличать цветные и чёрные металлы.

Разрешение и чувствительность прибора зависят от диаметра катушки поисковой головки. С увеличением размера увеличивается глубина обнаружения, но увеличивается и минимальный размер предметов поиска. Недостаток таких металлоискателей . необходимость постоянного переключения режимов дискриминации и отстройки от грунта.

Работа с таким металлоискателем оставляла много хлопот для оператора. Впоследствии на основе этих приборов были изготовлены динамические металлоискатели, которые были лишены многих недостатков, стали более удобными в работе.

Индукционный баланс на разнесённых катушках

Это высокочастотный вариант. Приёмная и передающая катушки разнесен и находятся перпендикулярно друг к другу. Такой метод применяется при поиске предметов на большой глубине. При этом теряется чувствительность к небольшим предметам и способность различать цветные и чёрные металлы.

Импульсный метод

Магнитное поле возбуждается не непрерывно, а импульсами, через определённые интервалы времени. Вихревое поле, наведённое в металле, при отсутствии импульса постепенно затухает. Катушка в интервале между импульсами принимает этот затухающий сигнал. Срыв резонанса На катушку подаётся сигнал близкий к резонансной частоте.

При появлении в поле металлического предмета происходит или возникновение или срыв резонанса. Применение металлоискателей не ограничено только поиском металла в грунте. Следует упомянуть металлоддетекторы, которые используются при досмотре багажа и пассажиров на терминалах аэропортов, ручные детекторы, поиск металлоконструкций и электропроводки в бетоне.

Стремительное развитие техники и, в частности, микроэлектроники не только делает эти приборы более совершенными, но и создаёт- для них новые сферы применения.

Виды современных металлоискателей

В основе работы металлоискателей лежало явление изменения величины индуктивности катушки, когда к ней приближается металлический объект. Поэтому в первых металлоискателях стали использовать два LC-генератора, которые выдавали сигнал одинаковой частоты. Первый был эталонным, то есть отличался высокой стабильностью и хорошей помехоустойчивостью. Второй располагался на конце штанги и выполнял роль датчика.

Сигнал, получаемый от обоих генераторов, шел на наушники. Если детектор подносили к металлическому объекту, катушка второго генератора меняле свою индуктивность и, соответственно, частоту сигнала. В наушниках в это время можно было услышать так называемые биения, которые возникали из-за сложения двух разно частотных сигналов. Это явление имеет название Beat Frequency Oscillation (BF0). Устройства, работающие на основе этого явления, имели несколько недостатков: нельзя было обнаружить металлический предмет на больше глубине, определить характер металла, можно было только приблизительно определить размеры объекта (по изменению тона сигнала в наушниках). Благодаря развитию электроники, появлению микропроцессоров стало возможным определен!' характера металла. Так как цветные металлы являются диамагнетиками, при приближении датчика к ним растет частота сигнала, а падает индуктивность.

У черных металлов наблюдается обратная картина. Такой метод детектирования металлов стал называться Frequency Meter (FM). Существует также еще один тип металлоискателей . импульсные. В них детектирующая катушка не входит в общих LC-генератор, а она принимает на себя краткие электрические импульсы, имеющие малую частоту следования. При приближении датчика к металлическому объекту меняется картина затухания переходного процесса в катушке. Металлоискатели, работа которых основана на этом явлении, не могут определить характер металла, однако они имеют и свои преимущества: глубина поиска имеет большое значение, также с их помощью можно искать предметы в сыром грунте или под водой. Кроме того, такие металлоискатели имеют низкие показатели энергопотребления.

В настоящее время наиболее распространены металлоискатели, построенные на принципе Induction Balance (другое название . VLF, Very Low Frequency).

Здесь датчик имеет две катушки, одна из которых является приемной, а другая . передающей. Амплитуда и сдвиг сигнала в первой катушке позволяют определить характер металла и размеры объекта. Также можно настроить металлоискатель на поиск объектов из определенных металлов, подстраиваться под минерализацию грунта.

Сигнал в таких устройствах анализируется специальной программой, которая плавно или скачками настраивает параметры. Такие металлоискатели считаются наиболее универсальными.