1 Классификация металлоиска гелей

Все металлоискатели классифицируются по ряду признаков, основными из которых являются: 1. По назначению. По этому признаку металлоискатели подразделяются на:

• Поисковые (глубинные), которые предназначены для нахождения металличе­ских предметов, находящихся в земле, стенах, фундаментах и т.п.. Поиско­вые металлодетекторы используются таможенными службами для досмотра, военными и спецслужбами для поиска взрывчатых предметов.

• Досмотровые, которые предназначены для обнаружения посторонних ме­таллических предметов в одежде человека и его багаже. Используются спец­службами, таможенниками и сотрудниками охраны самых различных орга­низаций для поиска металлических предметов (оружия, драгоценных метал­лов, проводов взрывчатых устройств и т.д.) спрятанных на теле и в одежде человека.

• Для строительных целей, которые предназначены для нахождения металли­ческих предметов в стенах домов. Данный класс металлодетекторов при по­мощи звуковой и световой сигнализации помогает строителям отыскать ме-

таллические трубы, элементы конструкций или провода, расположенные как в толще стен, так и за перегородками или фальш-панелями. Естественно, что металлодетектор не сможет ничего обнаружить сквозь мелкую металличе­скую сетку, покрывающую стену, или лист металла.

2. По конструкции. По этому признаку металлоискатели подразделяются на:

• Арочные, которые представляют собой массивную конструкцию в виде арки, в которой располагается передающая и приемная катушки, и через которую проходит досматриваемый человек. Такие металлоискатели в основном ис­пользуются как досмотровые в портах, аэропортах, вокзалах при значитель­ном пассажиропотоке.

• Ручные, которые отличаются компактностью, малыми размерами удобством в обращении, и наличием таких режимов, как беззвучная вибрация рукоятки (чтобы обыскиваемый человек не узнал, что сотрудник, производящий по­иск что-то нашел).

• Штанговые, в которых поисковые электромагнитные катушки располага­ются на отдельной штанге. Такие металлодетекторы используются в основ­ном при поиске оружия и металлических предметов в багаже и под землей.

3. По принципу действия. По этому признаку металлоискатели подразделяются на:

• На основе частотного детектора. Это прибор, работающий по принципу "срыва резонанса". Принцип действия этого прибора основан на использо­вании частотного детектора на основе колебательного контура. Анализи­руемым параметром является амплитуда сигнала на катушке колебательного контура, настроенного близко к резонансу с подаваемым на него сигналом от генератора. Появление металла в поле катушки вызывает или достижение резонанса, или уход от него, в зависимости от вида металла, что приводит к увеличению или уменьшению амплитуды колебаний на катушке. Большого распространения не получил из-за низкой чувствительности метода.

• На основе метода биений. Принцип действия такого металлоискателя осно­ван на биениях частоты эталонного генератора и частоты поискового гене­ратора и подробно рассмотрен ниже. Сейчас по такому принципу строятся, в основном, недорогие металлоискатели. Недостатки таких металлоискателей: это наличие паразитной взаимной синхронизации обоих генераторов, и от­сутствие селекции по типам металлов.

• На основе частотного детектора с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ). В таком приборе оба генератора, измерительный и эталонный, ра­ботают строго на одной частоте. Причем частота измерительного генератора подстраивается под частоту эталонного генератора с помощью системы ФАПЧ. Сигнал напряжения подстройки используется для определения вели­чины и знака изменения частоты. Такие металлоискатели обладают селекци­ей по типам металлов. К недостаткам таких приборов можно отнести сле-

62

63

дующее - наличие "полезной" ФАПЧ не исключает наличия паразитной вза­имной синхронизации обоих генераторов, как и в приборе на биениях. Это приводит к тому, что уменьшается крутизна регулировочной характеристи­ки, и как результат уменьшается дальность обнаружения. На основе цифрового частотомера. Такой металлоискатель свободен от большинства недостатков, присущих предыдущим схемам. Его принцип действия подобен металлоискателю на биениях, однако измерение частоты поискового генератора осуществляется цифровыми методами. Более под­робно работа такого металлоискателя рассмотрена ниже. Металлоискатели, построенные по этой схеме обладают селективностью по типам металлов и их размеров.

На основе баланса индукции. Самый совершенный тип металлоискателя в настоящее время. Принцип основан на анализе амплитуды в приемной ка­тушке поисковой головки и фазового сдвига между сигналом в передающей и приемной катушке и рассмотрен ниже. Метод позволяет производить вы­борочную идентификацию. Можно примерно определить металл мишени (даже отличить цветные металлы), а также «отстроиться» от металлических предметов личного пользования (предметы малого размера). На основе импульсной индукции. В приборах этого типа передающая катуш­ка не является частью колебательного контура. От запускающего генератора в передающую катушку подаётся импульсный сигнал. С приемной катушки снимается отраженный от металлического предмета сигнал. Если металли­ческий предмет отсутствует, то спад отраженного сигнала достаточно быст­рый. Наличие металлического предмета затягивает отраженный сигнал. Анализируемым параметром является время окончания переходного про­цесса (положение заднего фронта импульса напряжения) в поисковой ка­тушке. Отличительными чертами этого метода являются: низкая рабочая частота следования импульсов (50...400 Гц), большое потребление энергии, не различимость типов металлов, но высокая обнаружительная способность. Применяется в основном при досмотре багажа.

2 Принципы работы основных типов досмотровых металлодетекторов

Обнаружение металлических предметов с помощью металлодетекторов ос­новано на изменении магнитного поля катушки поискового генератора при при­ближении к ней металлического предмета за счет двух эффектов: эффекта вихре­вых токов и эффекта намагничивания. Соотношение данных эффектов зависит от материала, формы, размеров и положения металлического предмета относительно плоскости поисковой катушки.

При горизонтальном расположении тонкой пластины 5, изготовленной из слабомагнитного материала (алюминия, меди) магнитные линии 2 поисковой ка­тушки 1 (за счет переменного тока в ней) пронизывают поверхность пластины, вы­зывая появление на ее поверхности токов самоиндукции - вихревых токов 3, кото­рые в свою очередь создают магнитное поле 4, направленное навстречу основному магнитному полю 6 поисковой катушки (рис.5.3 а). В результате этого суммарное магнитное поле поисковой катушки ослабляется, уменьшая ее индуктивность. Со­гласно (5.1) это приводит к повышению частоты поискового генератора, которое может быть в дальнейшем измерено.

При вертикальном расположении тонкой пластины, изготовленной из сла­бомагнитного материала (алюминия, меди) плотность возникающих вихревых то­ков существенно уменьшается, за счет высокого сопротивления поверхности тон­кой пластины. В результате этого суммарное магнитное поле поисковой катушки ослабляется существенно меньше, что вызывает и меньшее увеличение частоты поискового генератора, т.е. обнаружительная способность металлодетектора су­щественно снижается.

При горизонтальном расположении тонкой пластины, изготовленной из сильномагнитного материала (железо) наблюдается аналогичное уменьшение маг­нитного поля поисковой катушки за счет вихревых токов (рис.5.3 б). Однако, при этом возникает также эффект намагничивания отдельных доменов 8 ферромагне­тика, что приводит к усилению магнитного поля поисковой катушки, что в свою очередь увеличит индуктивность поисковой катушки, а следовательно понизит частоту поискового генератора. Таким образом, суммарное магнитное поле 6 по­исковой катушки с одной стороны ослабляется за счет встречного магнитного по­ля 7 из-за вихревых токов, а с другой стороны усиливается за счет магнитного по­ля 9, обусловленного намагничиванием ферромагнитного материала. Обычно при горизонтальном расположении такой пластины преобладает эффект вихревых то­ков за счет малого поверхностного сопротивления пластины, т.е. частота поиско­вого генератора увеличивается (рис. 5.3 б).

При вертикальном расположении железной пластины за счет большого по­верхностного сопротивления эффект вихревых токов значительно уменьшается, и наблюдается уменьшение частоты поискового генератора за счет доминирования эффекта намагничивания (рис.5.3 в).

При расположении тонкой пластины из ферромагнетика под некоторым уг­лом оба эффекта могут взаимно компенсировать друг друга, и изменения частоты поискового генератора может не произойти (рис.5.3 г). В этом случае обнаружить металлический предмет металлодетектором не возможно.

При построении досмотровых металлодетекторов используются в основном метод биений, метод цифрового частотомера и метод баланса индукции.

64

65

3 Металлодетектор на основе метода биений

Принцип действия металлодетектора на основе метода биений основан на сравнении разности частот между эталонным и поисковым генераторами (рис.5.4).

Рис.5.3 К пояснению физических эффектов при взаимодействии парамагнетика (А1) и

ферромагнетика (Fe) с магнитным полем поисковой катушки металлодетектора

а, б - горизонтально расположенная тонкая пластина из парамагнетика и

ферромагнетика, соответственно;

в - вертикально расположенная тонкая пластина из ферромагнетика;

г - тонкая пластина из ферромагнетика, расположенная под углом к плоскости

поисковой катушки;

1 - поисковая катушка; 2 - магнитное поле поисковой катушки; 3 - вихревые токи;

4 - магнитное поле за счет вихревых токов; 5 - пластина из металла; 6 - суммарное

магнитное поле поисковой катушки; 7 - суммарное магнитное поле за счет вихревых

токов; 8 - вектор намагничивания отдельных доменов ферромагнетика; 9 - суммарное

магнитное поле за счет намагничивания ферромагнетика

Рис.5.4 Структурная схема металлоискателя на основе метода биений

Эталонный генератор генерирует стабильную образцовую частоту /} . Поис­ковый генератор имеет частотнозадающий контур L\d, который определяет рабо­чую частоту измерительного генератора/?. Обычно выбирают частоты образцово­го и измерительного генераторов примерно одинаковыми при отсутствии метал­лического объекта вблизи катушки измерительного генератора L\. При попадании металлического предмета в электромагнитное поле катушки L_b частота поисково­го генератора/₂ изменяется на А/: для черных металлов уменьшается, а для цвет­ных повышается. В смесителе происходит сложение образцовой частоты/у и час­тоты поискового генератора f₂. Полученная разностная частота биений А/ выво­дится на звуковую или визуальную индикацию.

Для повышения чувствительности таких генераторов частоту образцового генератора выбирают в 3 и 5 раз выше частоты поискового генератора. В этом случае возникают биения между 3 или 5 гармоникой поискового генератора. В ре­зультате этого расстройка частоты поискового генератора при приближении ме­таллического предмета на 10 Гц вызывает разностную частоту биений в 30 или 50 Гц, соответственно. Это дает возможность повысить чувствительность металлоис­кателя.

Сейчас по такому принципу строятся, в основном, недорогие металлодетек-торы. Такие приборы имеют ряд недостатков. Первый - это наличие паразитной взаимной синхронизации обоих генераторов. Это приводит к тому, что оказывает­ся невозможным оценить очень малую разность частот и как следствие - сущест­венно снижается чувствительность прибора. Второй недостаток - это отсутствие селекции по типам металлов и их размеров. Ферромагнитные объекты вызывают понижение частоты, а металлические неферромагнитные - повышение частоты измерительного генератора. Однако после смесителя информация о знаке ухода частоты А/ теряется.

66

67

4 Металлодетектор на основе цифрового частотомера

Этот тип металлодетекторов появился недавно, и создан на основе микро­контроллеров. Изменение частоты поискового контура определяется не на слух, а с помощью специальной программы, заложенной в микроконтроллер (рис.5.5). Принцип его работы заключается в следующем.

f2f20

Рис.5.5 Структурная схема металлодетектора на основе цифрового частотомера

Сначала электронный частотомер оценивает частоту измерительного гене­ратора Д когда датчик находится вдали от объектов поиска. Это значение f₂o зано­сится в запоминающий регистр. Затем, в процессе поиска, частотомер непрерывно измеряет текущую частоту измерительного генератора^- Из полученных значений вычитается значение ранее запомненной частоты /io, и результат /^-/^подается на устройство индикации. Очевидно, что в такой конструкции эффект паразитной взаимной синхронизации генераторов будет выражен значительно слабее - ведь теперь частота измерительного генератора (единицы-десятки килогерц) на не­сколько порядков ниже частоты опорного генератора (десятки мегагерц). С помо­щью частотомера можно измерить не только величину ухода частоты измеритель­ного генератора, но и ее знак, следовательно, такой металлоискатель обладает се­лективностью по типам металлов и размерам объекта.

Поскольку частота биений составляет небольшую величину (порядка единиц или десятков Гц), то микроконтроллер проводит измерение частоты измеритель­ного генератора с высокой точностью, что часто достигается методом обратного счета, т.е. измеряется период низкочастотного сигнала измерительного генерато­ра, который затем математическими методами с помощью микроконтроллера пе­реводится в частоту.

Кроме того, использование микроконтроллера позволяет проводить цифро­вую фильтрацию сигнала измерительного генератора, что позволяет достаточно просто изменять чувствительность металлодетектора, а также его селективность.

На основе цифрового частотомера изготавливают относительно дешевые ручные досмотровые металлодетекторы, имеющие малые габариты, и достаточ­ную чувствительность и селективность.

68

5 Металлодетектор на основе баланса индукции

Металлоискатели, функционирующие на основе метода уравновешенной индукции, т.е. на индукционном балансе, относятся к самым совершенным типам металлоискателей (металлодетекторов) в настоящее время (рис.5.6).

Рис.5.6 Структурная схема металлодетектора на основе баланса индукции

Принцип основан на анализе амплитуды в приемной катушке поисковой го­ловки и фазового сдвига между сигналом в передающей и приемной катушке. В головке детектора таких металлоискателей находится две катушки. Одна из них (передающая) наводит переменный магнитный фон. Мощность такого сигнала ус­танавливается широкополосным выходным усилителем, а частота /J задается мик­роконтроллером. Другая (измерительная) размещена таким образом, что фон в нормальном состоянии вокруг неё сбалансирован, а на выходе отсутствует какой-либо электрический сигнал, а фазовый сдвиг, в зависимости от конструкции при­бора, 0 или 90 градусов. В реальности в приемной катушке сохраняется остаточ­ный сигнал, вызванный не идеальностью устройства. Эта приемная катушка пред­назначена для измерения отраженного сигнала от металлического объекта.

При появлении вблизи приемной головки металлического объекта амплиту­да сигнала в приемной катушке увеличивается, а фазовый сдвиг изменяется в за-

69

висимости от проводимости металла (черный, цветной). Полученный отраженный от металлического объекта сигнал усиливается широкополосным усилителем и выделяется синхронным детектором. Работа синхронного детектора синхронизи­руется микропроцессором. Выделенный синхронным детектором сигнал измеря­ется мостовым измерительным усилителем. Уравновешивание мостового усилите­ля осуществляется с помощью цифро-аналогового преобразователя, управляемого микроконтроллером. Результаты по анализу полученного результата (наличие ме­таллического предмета определенных размеров) поступают на цифровую и звуко­вую индикацию.

Метод позволяет производить выборочную идентификацию металлических предметов. Можно примерно определить металл мишени, а также «отстроиться» от металлических предметов личного пользования.

В настоящее время такой тип металлоискателя является основным типом досмотровых металлодетекторов. Металлоискатели, функционирующие по такой системе, обладают мощной электронной частью и развитыми математическими методами обработки сигналов, что дает возможность представлять оператору со­общение, содержащие множество различных данных - тип металла мишени, ее размеры, глубины расположения мишени и др. Однако, такие металлодетекторы требует прецизионного изготовления и настройки поисковой головки, а поэтому относительно дороги.

6 Параметры ручных досмотровых металлодетекторов

Задачи, которые решают досмотровые металлодетекторы в системах защиты и охраны, имеют свои особенности, определяющие специфические требования к таким устройствам. К ним относятся:

• надежное обнаружение объекта поиска и обеспечение селективности по отно­шению к другим металлическим предметам, разрешенным к проносу на охра­няемый объект;

• обеспечение помехоустойчивости в условиях работы на охраняемом объекте;

• обеспечение специальной безопасности.

К предметам, запрещенным к проносу посетителями на охраняемые объекты и выявляемым досмотровыми металлодетекторами, в первую очередь, относятся:

• огнестрельное и холодное оружие;

• взрывные устройства (гранаты, мины и т.п.);

Из рассмотренного выше следуют основные требования к характеристикам и параметрам ручных досмотровых металлодетекторов. 1. Обнаружительные характеристики.

Под обнаружитеяъными характеристиками металлодетекторов подразуме­вают максимальное расстояние, на котором металлодетектор может обнаружить объект заданных размеров.

|Указанные объекты поиска имеют различные размеры, массу, форму, элек-

Н тропроводность, магнитную проницаемость. В металл о детекторе сигнал на выхо-I! ДС приемной антенны зависит как от этих характеристик, так и от расположения И объекта поиска относительно антенн. Поэтому обнаружительные характеристики Ш металлодетектора должны оцениваться с учетом перечисленных факторов.

Проведенные исследования позволили разработать ряд тестовых образцов, имеющих обобщенные для объектов поиска конструктивные параметры. Исполь­зование таких тестовых образцов или реальных объектов поиска позволяет оцени­вать вероятность обнаружения их металлодетектором при различной пространст­венной ориентации в наиболее вероятных местах расположения на человеке.

В описаниях к ручным досмотровым металлодетекторам обычно указывает­ся обнаружительная способность для пистолета типа ПМ (или 38 калибра), боль­шого карманного ножа, ручной гранаты типа Ф1.

2. Селективные характеристики.

Под селективными характеристиками применительно к металлодетекторам рассматривают вероятность пропуска предметов меньших размеров и массы, чем объекты поиска, и которые разрешены к проносу на охраняемый объект (предме­ты личного пользования: зажигалки, перочинные ножи, булавки, цепочки и т.п.), или вероятность ложной тревоги при отсутствии объекта поиска.

Указанные характеристики в металлодетекторе непосредственно связаны с вероятностью обнаружения объекта поиска. Электромагнитное поле по ширине прохода металлодетектора существенно неоднородно. Даже применение специ­альной конфигурации катушек и специальной обработки сигналов с приемной ан­тенны значительно не улучшает эту неоднородность. Поэтому при проносе одного и того же предмета под одним и тем же ракурсом в непосредственной близости от катушек и в отдалении от них указанные сигналы могут отличаться в 2...4 раза. Поэтому для обеспечения уверенного обнаружения при любой ориентации объек­тов поиска, таких как пистолет или нож, имеющих существенно отличающиеся размеры в различных направлениях, требуется низкий порог чувствительности, снижающий селективные характеристики металлодетектора.

Селективность имеет и чисто психологическое значение для работников ох­раны объектов, оснащенных металлодетекторами. Из практических наблюдений следует, что частые ложные срабатывания от предметов личного пользования снижают у работников охраны внимание на любой сигнал тревоги, в том числе, и при срабатывании от объекта поиска. Применение металлодетекторов с низкой се­лективностью чаще всего является лишь поводом работникам охраны для сплош­ного досмотра посетителей. В описаниях к ручным металлодетекторам обычно указывается селективная способность на примере обнаружения мелких предметов: бритвенного лезвия, монеты, иглы.

В связи с вышесказанным ручные детекторы имеют возможность для под­стройки чувствительности и селективности ручного поискового детектора.

70

71

3. Помехоустойчивость.

Под помехоустойчивостью металлодетектора подразумевают его способ­ность правильно функционировать при воздействии внешних помех.

На ручной поисковый металлодетектор воздействует целый ряд внешних условий (помех), затрудняющих, или делающих невозможным выполнение им своих функций. Помехи разделяют на электромагнитные и вызванные наличием вблизи антенн больших масс металла, замкнутых контуров, перемещающихся или неподвижных. Источниками электромагнитных помех чаще всего являются:

• силовые электросети и их коммутационное оборудование;

• работающие силовые электрические устройства (электрические двигатели, электрические генераторы, трансформаторы);

• люминесцентные и газоразрядные лампы;

• мониторы, телевизоры и т.д.

Наличие электромагнитных помех может привести к ложным срабатывани­ям, которые в некоторых случаях становятся непрерывными и практически не да­ют возможности использовать металлодетектор. Кроме того, электромагнитные помехи отрицательно влияют на селективность.

Ложные срабатывания также вызывают находящиеся вблизи металлодетек­тора конструкции и замкнутые контуры, перемещающиеся по своему функцио­нальному назначению (двери, кабины лифтов и т.п.) или осуществляющие движе­ние вследствие нежесткости конструкций, вибраций.

Помехоустойчивость металлодетектора определяется его способностью со­хранять свои характеристики в условиях воздействия рассмотренных выше помех. Для обеспечения помехоустойчивости металлодетекторов применяют целый ряд как конструктивных, так и организационных мер:

• специальные схемотехнические решения электронных узлов;

• специальную обработку сигналов с приемных антенн;

• различные виды синхронизации с помехами;

• удаление металлодетекторов от подвижных металлических предметов.

4. Специальная безопасность.

Под специальной безопасностью металлодетекторов подразумевают отсут­ствие его вредного воздействия на организм человека и предметов его личного пользования.

Металлодетекторы генерируют электромагнитное поле, вблизи которого длительное время находятся работники охраны. Поэтому, кроме выполнения обычных требований по безопасности устройств, имеющих электропитание, они должны обеспечивать:

• безопасность по отношению к организму человека;

• допустимый уровень влияния на имплантируемые электрокардиостимуляторы;

• допустимый уровень влияния на магнитные носители информации.

Дополнительными характеристиками ручных досмотровых металлоиска-телей являются характеристики способа визуализации обнаружения объекта поис­ка (звуковой, световой, вибрационный и др.), энергетические (напряжение пита­ния и ток потребления), а также их массогабаритные характеристики.

Контрольные вопросы

1. Дайте различие понятий «металлодетектор» и «металлоискатель». Какие их характеристики являются общими, а какие различными?

2. Приведите классификацию металлодетекторов и металлоискателей. Охарак­теризуйте кратко каждый признак.

3. Какие физические эффекты позволяют обнаружить металлические предме­ты? От каких условий зависит преобладание того или другого эффекта?

4. Опишите основной принцип работы металлодетекторов на основе метода биений. Какие у них достоинства и недостатки?

5. Опишите основной принцип работы металлодетекторов на основе цифрово­го частотомера. Какие у них достоинства и недостатки?

6. Опишите основной принцип работы металлодетекторов на основе баланса индукции. Какие у них достоинства и недостатки?

7. Опишите основные характеристики и требования, предъявляемые к ручным досмотровым металл од етекторам.

Литература

1. Завадский В.А. Электронные средства и системы охраны судна: Учебное посо­бие/ Завадский В.А., Дранчук С.Н. - Одесса: ОНМА, 2010. - 168 с.

2. Магауенов Р.Г. Системы охранной сигнализации: основы теории и принципы построения: Учебное пособие. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004, - 367 с.

3. Позолотин Л.А., Торский В.Г., Любченко В.И. Охрана судна. Учебно - практи­ческое пособие. - Одесса: Астропринт, 2008, - 232 с.

4. Топалов Г.П., Торский В.Г., Позолотин Л.А. Организация и нормативное обес­печение охраны судна. - Одесса: Астропринт, 2009, - 216 с.

5. Литвин A.M. Бесконтактные датчики положения: емкостные, индуктивные, оп­тические. Журнал "Передовые технологии и технические решения", №1, 2004, с. 18 - 23. Сайт: http://picad.com.ua/contents.htm

6. Криворученко А. Бесконтактные датчики положения: проблема выбора и прак­тика применения. Журнал "Компоненты и технологии", №1, 2007. Сайт: http://www.kit-e.ru/archive

7. Владо Дамьяновски. CCTV. Библия охранного телевидения. Издательство: Ай-Эс-Эс Пресс, 2003.-344 с.

8. Системы пожарной сигнализации. Сайт: http://www.seaman.com.ua/lib/

72

73

9. Неплохое И.Г. Двухдиапазонный дымовой пожарный извещатель. Журнал "Системы безопасности" №3, 2008, Сайт: http://www.security-bridge.com/articles/13/12286/

10.Видеокамеры. Сайт: http://protect.com.ua/ctl3.htm

11. Щедрин А.И., Осипов И.Н., Металлоискатели для поиска кладов и реликвий. -"Горячая линия - Телеком".- М.: "Радио и связь", 2000. - 142 с.