5.2.3. Электромагнитные локационные системы специального назначения

В последнее время все чаще ЭЛС применяют для решения специальных задач экстремальной робототехники, а также задач, связанных с обеспече­нием безопасности, контролем доступа и т. п. Первые разработки в этой об­ласти датируются 20-ми годами XX в., когда в США были созданы устрой­ства, позволяющие обнаруживать выносимые с заводов детали. К середине XX в. в СССР на Монетном дворе были установлены приборы, способные различать изделия из черных и цветных металлов. Во время второй мировой войны активно развивались средства поиска мин, и к концу XX в. было раз­работано большое количество различных схем миноискателей, позволяю­щих обнаруживать мины всех типов, включая пластиковые.

В зависимости от области применения ЭЛС специального назначения можно разделить на две группы: детекторы металлов и электромагнитные антенны. Часто эти системы называют металлоискателями, понимая под этим активные или пассивные ЭЛС, предназначенные для обнаружения ме­таллических предметов из черных и цветных металлов в непроводящих и слабо проводящих средах (дерево, одежда, пластмасса). Дальность обна­ружения металлических объектов в таких системах составляет 20...200 мм.

Основным элементом металлонекателя является антенна, регистрирующая пассивные метаплосодержащие объекты в зоне обнаружения или определяю­щая наличие электромагнитных полей в этой зоне. В наиболее распространен­ных схемах метаплоискателей антенна содержит две катушки — излучающую и приемную (сигнальную). Для уменьшения взаимовлияния между катушками в металлоискателях, так же как и в вихретоковых ЛС, используют специаль­ные схемы соединения сигнальных катушек: с взаимно перпендикулярными (рис. 5.16, а) и со скрещивающимися осями (рис. 5.16, б), дифференциальную (рис. 5 16, в) и компланарную (рис, 5.16, г, д). В последнем случае сигнальная катушка выполнена в виде восьмерки и помещена внугрь излучающей, при этом датчик максимально приближен к поверхности земли

Схемы расположения катушек металлоискателя.

а — с взаимно перпендикулярными осями; б — со скрещивающимися осями; в — дифференциальная; г, д — компланарная; /— излучаю­щая катушка, 2 — приемная катушка

В основе большинства методов расчета метаплоискателей лежит модель антенны, состоящей из двух катушек в виде бесконечно тонких рамок с вза­имно перпендикулярными осями. Магнитный поток излучающей катушки попадает на объект и переотражается от него на сигнальную катушку. Сле­довательно, объект можно представить эквивалентной рамкой, магнитный момент М^ которой зависит от тока, т. е. проводимости объекта, его разме­ров и т. д. Таким образом, модель взаимодействия антенны металлоискателя с объектом соответствует взаимодействию трех рамок с током. Количест­венно отраженный от объекта сигнал можно оценить по индукции, наведен­ной в сигнальной катушке. Магнитный момент эквивалентной рамки зави­сит от формы объекта. Для однородного шара радиусом r

где В — индукция мах ни гною поля излучающей катушки; р — магнитная проницаемость материала шара.

Недостатком металлоискателя с двумя катушками является зависимость его функции преобразования от ориентации на объект. Этот недостаток от­сутствует у индукционных металлоискателсй, в антеннах которых использу­ется только одна катушка. Наведенное в объекте магнитное поле восприни­мается той же катушкой, при этом к индукции возбуждения добавляется со­ставляющая, пропорциональная магнитному моменту .

Основными характеристиками мегаллоискагеля являются чувствитель ность, разрешающая способность и селективность, иод которой понимается возможность детектировахь объекгы из разных металлов. Значения этих ха

рактериешк зависят от частоты /в магнитного поля излучающей катушки.

Так, с увеличением/в возрастает разрешающая способность металлоискате­ля, для оценки которой используют радиус г некоторой эквивалентной мо­неты. Эмпирически установлена связь между радиусом эквивалентной мо­неты и частотой магнитного поля излучающей катушки:

Например, для обнаружения медной монеты диаметром 25 мм необходимая частота магнитного поля излучающей катушки должна составлять 1 кГц. Промышленные металлоискатели работают в широком диапазоне частот от I кГц до 1 МГц. На низких частотах (1 ...15 кГц) обеспечивается слабая чув ствительность к влияющим факторам (мокрый песок, мелкие объекты, стружка) при разрешающей способности, достаточной для обнаружения объектов малого и среднего размера (металлических коробок, груб, монет и пр) Для повышения разрешающей способности частоту магнитного поля излучающеи катушки увеличивают до 0,1...0,5 МГц.

Еще одним типом ЭЛС специального назначения являются устройства, работающие в радиоволновом СВЧ диапазоне и получившие название гео­радаров. Как следует из названия, системы этого типа используют принцип активной локации и предназначены для обнаружения различных объектов, расположенных в грунте. В отличие от рассмотренных выше систем геора­дар предназначен для обнаружения главным образом неметаллических объ­ектов: пустот в поверхностных слоях грунта, подземных коммуникации, по­лезных ископаемых, пластмассовых мин и др. Глубина локации современ­ных систем достигает 7. ..10 м.

В основу работы георадара положен принцип ^классической локации — обнаружение и регистрация вторичных радиоволн, отраженных или рассе­янных объектами, находящимися в слое грунта Однако в отличие от тради­ционного радара георадар работает в существенно анизотропной среде(грунте), что значительно затрудняет расчет ею конструкции Георадар, как правило, содержит две антенны — излучающую и приемную Сигнал V в приемной антенне на расстоянии / от излучающси определяется приближен­ным выражением

где Ри — излучаемая мощность; s — эффективная площадь отражаемой поверхности. Коэффициент направленного действия К зависит от

материала обнаруженного объекта, его формы, размера и положения, удельного электросопротивления и диэлектрической проницаемости среды.

Наиболее часто применяют импульсные гсорадары, предназначенные для обнаружения объектов на глубине до 5 м и обладающие разрешающей способностью менее 0,15 м В системе используют согласованные по харак­теристикам приемную и излучающую антенны, причем параметры излуче­ния подбирают в зависимости от диапазона исследуемых глубин. Так, несу­щая частота излучения для обнаружения объектов на глубине 0...1,5 м должна составлять 400..,1 ООО МГц, а на глубине от 1,5 до 5 м •— 150 МГц.

Работа ЭЛС сводится к определению распределения диэлектрической проницаемости по глубине. С этой целью излучающую и приемную антен­ны перемещают вдоль поверхности. На основе полученных сигналов фор­мируют временной профиль грунта, на котором ось глубин калибрована в единицах времени. Различные значения коэффициента отражения соответ­ствуют определенным уровням яркости на индикаторе. С учетом диэлектри­ческой проницаемости рассчитывают шкалу для определения глубины каж­дой отражающей границы

На рис. 5.17 показан профиль грунта, полученный с использованием гсо- радара В нижней части рисунка можно идентифицировать два объекта ок­руглой формы (две трубы).

. Профиль грунта, полученный с использованием гсорадара

Акустические локационные системы

Акустические локационные системы (АЛС) классифицируют по пяти основным признакам:

по назначению — дальномеры, охранные устройства и системы безо­пасности, дефектоскопы и томографы;

по типу первичного преобразователя — пьезоэлектрические, магнитострикционныс и электростатические;

ио характеру частотного спектра сигнала — широкополосные и резонансные;

по типу модулирующего воздействия — непрерывные и импульсные;

по избирательности — интерференционные и с широкой диаграммой направленности.

5.3.1. Обшие сведения

АЛС имеют чрезвычайно широкую область практического применения. Условно выделяют три основных направления применения АЛС: получение информации об объекте, прием и передача сигналов и активное воздействие на вещество. В рамках первого направления разрабатывают различные дефектоскопы, уровне- и толщиномеры, системы медицинской диагностики и звуковидения, гидролокациошшс приборы (эхолоты и гидролокаторы), рабо-

3 11

тающие в диапазоне 10 ...10 Гц. Второе направление в основном связано с

созданием средств связи, а также ультразвуковых процессоров. Устройства

этой группы функционируют на частотах Ю5...Ю10 Гц. Наконец, в

акустических системах, активно воздействующих на вещество (например, хирургические инструменты, устройства механической обработки материалов

и сварки), применяются колебания с высокой интенсивностью 1...105Вт/м2 с

4 7 частотой 10 ...10 Гц.

Напомним, что ультразвуком называются упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 кГц. Таким образом, АЛС в основном работают в ультразвуковом диапазоне.

До недавнего времени считалось, что ультразвук редко встречается в природе, однако исследования последних лет показали, что наш мир — это мир звуков высокой частоты. Его источниками являются как живые суще­ства, так и природные источники: леса, горы, молнии, ветер. Интенсивность излучателей ультразвука варьируется в широких пределах. Например, сверчки на расстоянии 30 см создают ультразвуковое излучение интен­сивностью 90 дБ1. Мощными генераторами ультразвука являются джунгли и моря; интенсивность фона на частоте 20 кГц здесь достигает 55 дБ.

Поскольку диапазон изменения интенсивности сигналов в ультразвуковой технике весьма велик, для оценки интенсивности звука широко применяют логарифмическую единицу децибел. В общем случае логарифмической единицей измерения отношений мощностей является бел, но на практике обычно употребляют его 1/10 долю, или децибел.

История исследований в области ультразвуковой локации ведет свое начало с О х годов XVIII в. и связана с именем итальянца Л Спалланцани, изучавшего ноч­ное зрение сов и летучих мышеи Его подход является примером научно организо­ванного эксперимента. Сначала ученый, надев на голову летучей мыши светоне­проницаемый колпачок, убедился, что ориентация животного намного ухудшилась Затем, уточняя результат, он заменил колпачок на прозрачный и с удивлением по­лучил тот же результат Со временем Спалланцани понял, что зрение вовсе не влия­ет на способность летучих мышей перемещаться в пространстве. Его швейцарский коллега III. Жюрин, закупорив в своих опытах уши летучих мышей воском, пришел к выводу, что именно они принимают на себя функцию зрения, Спалланцани снача­ла скептически отнесся к этому результату, полагая, что опыты Жюрина травмиру­ют мышей, но собственными точными экспериментами с использованием тонких пробок убедился в правоте швейцарца Тем не менее только спустя 120 лет изобре­татель станкового пулемета X Максим выдвинул предположение о наличии у мы­шеи звуковой локации Он же первым сделал попытку рассчитать и диапазон частот эхолокации, по его мнению, она осуществлялась в инфразвуковой области с часто­тами, не превышающими 15 Гц.

Толчком к активному изучению ультразвука послужили два фактора. Первым была гибель «Титаника» в 1912 г , вторым — проблема обнаружения немецких под­водных лодок во время первой мировой войны Для этой цели П. Ланжевен и пред­ложил использовать ультразвуковую локацию, тем самым положив начало гидро­акустике Годом рождения дефектоскопии можно считать 1928 г., когда советский инженер С. Соколов выдвинул идею использовать отражение ультразвуковых волн для обнаружения дефектов в твердых телах Что же касается механизма эхолокации летучих мышей, то он окончательно был понят лишь в 40 х годах XX в., благодаря исследованиям сотрудников Гарвардского университета США Г Пирса, сконструи­ровавшего ультразвуковой детектор, и Д. Гриффина. Они обнаружили, что частот ныи диапазон излучения летучих мышей составляет 30...70 кГц при максимальной интенсивности в области 45.. 50 кГц, причем само излучение не непрерывно, а дис­кретно (осуществляется импульсами длительностью 1...2 мс).

В робототехнике и мехатроникс нод АЛС понимают совокупность аку­стических датчиков и средств первичной обработки информации, предна­значенных для определения геометрических и физических характеристик объектов в зоне контроля, а также их ориентации относительно выбранной системы координат В робототехнике локационные системы очувствления обычно реализуют в соответствии с концепцией «очувствленная рука», при этом АЛС включают в контур управления роботом, а акустические датчики монтируют па каждом звене кинематической цепи,