2. Принципы действия металлодетектороа.
Принципы обнаружения металлических предметов
Возможность обнаружения предметов из металлов основана на искажении первоначальной структуры электромагнитного поля внесенным в него предметом. Искажение структуры поля воспринимает датчик, вырабатывающий определенный электрический сигнал.
Электромагнитное поле создает катушка поискового элемента металлоискателя.
Выходной сигнал датчика в зависимости от его типа подвергается той или иной обработке и сравнивается с пороговым напряжением. Если порог превышен, формируется сигнал сигнализации обнаружения. На обнаружение могут влиять внешние помехи и помехи, возникающие в самом металлоискателе и связанные с типом используемого датчика. Поэтому процесс обнаружения имеет вероятностный характер.
Из сказанного вытекает обобщенная структурная схема металлоискателя (рис. 1.1).
Электромагнитное поле создается автогенератором АГ относительно высокочастотных колебаний и передающей катушкой ПК поискового элемента ПЭ. С поисковым элементом конструктивно объединяется датчик Д, выходной сигнал Uд которого поступает в устройство обработки УО. В некоторых металлоискателях на второй вход УО подается опорное напряжение U0 от АГ. Выходное напряжение Uвых сравнивается в пороговом устройстве ПУ с пороговым напряжением Uп. При превышении порога ПУ вырабатывается управляющее напряжение Uу для устройства сигнализации УС, Блок питания БП переносных металлоискателей обычно автономный. Поскольку в любом металлоискателе имеется ПУ, для получения порогового напряжения необходимо наличие в составе его схемы стабилизатора напряжения. В некоторых типах металлоискателей для питания отдельных элементов УО также требуется стабильное напряжение.
Разновидностями магнитных методов обнаружения проводящих предметов в непроводящей среде являются индукционные токовихревые с различными видами намагничивающего поля и магнитоэлектрические с использованием естественного геомагнитного поля земли или искусственного магнитного поля.
В металлодетекторах, предназначенных для выявления оружия и взрывных устройств на людях, являющихся авиапассажирами, наибольшее применение сегодня нашли токовихревые методы.
Рассмотрим подробнее метод вихревых токов. Он основан на наличии у ОП основных признаков, присущих металлам: электропроводности и магнитной проницаемости.
Вихревые токи — это замкнутые токи, протекающие в проводящей среде и индуцированные в ней изменяющимся магнитным полем. Возбуждение вихревых токов осуществляется переменным электрическим полем, создаваемым специальной катушкой, по которой протекает переменный электрический ток. Электромагнитная энергия, проникающая в металлический предмет, частично превращается в тепло, а частично переизлучается.
В зависимости от вида формируемого намагничивающего поля различают метод гармонического поля и метод импульсного поля (метод переходных процессов).
Из основ гармонического анализа следует, что при одинаковом гармоническом составе намагничивающего поля можно получить один и тот же объем информации об электромагнитных характеристиках намагниченного ОП как в частотной области, измеряя амплитуды и фазы гармоник его поля переизлучения, так и во временной области, изучая временной ход этого поля. При использовании гармонического метода ОП намагничивается суммой гармонических полей не более трех (чаще всего двух) частот. При использовании метода переходных процессов намагничивание производят импульсами сложной формы, теоретически являющимися суммой неограниченного количества гармонических полей с частотами, кратными основной частоте следования импульсов.
ГАРМОНИЧЕСКОЕ НАМАГНИЧИВАНИЕ
Металлический предмет, помещенный в гармоническое магнитное поле, сам становится источником переменного магнитного поля, изменяющегося с той же частотой. Характерными признаками ОП являются особенности их амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных (ФЧХ) характеристик. Т.е. электрофизические свойства материалов объекта поиска, а также геометрические размеры его элементов приводят к тому, что при некотором значении частоты намагничивающего поля амплитуда и фазовый сдвиг сигнала, переизлучаемого ОП, будут при конкретной ориентации иметь отличия от множества ПЛП.
Рассмотрим это на следующем примере. Фазовый сдвиг поля, переизлучаемого металлическим предметом, больше у массивного предмета, к которым ближе ОП, чем у тонкостенного, что более характерно для ПЛП. Это связано с воздействием на намагничивающее поле реакции вихревых токов, протекающих ближе к поверхности металла. С глубиной из-за поверхностных вихревых токов уменьшается напряженность электромагнитного поля. Эти токи оказывают экранирующее влияние на проникновение поля, что одновременно вызывает их ослабление и нарастающий с глубиной сдвиг по фазе по отношению к намагничивающему полю. Глубина проникновения электромагнитных полей и вихревых токов в металл зависит от частоты:
где: f - частота, s - электропроводность, m - магнитная проницаемость.
Из формулы видно, что глубина проникновения вихревых токов в металл уменьшается с ростом частоты. Поэтому на высоких частотах массивный металлический предмет и тонкостенный (одинаковой площади и формы, изготовленные из одного и того же материала), окажутся источниками одинаковых переизлученных полей. Т.е. на высоких частотах нельзя отличить массивный предмет от немассивного.
Дальнейший анализ показывает, что компонента индуцированного магнитного момента, синфазная с намагничивающим полем, у ферромагнитного предмета меняет знак при возрастании частоты, а у неферромагнитного не меняет. Это дает возможность различать эти предметы между собой.
Проведенные исследования в гармоническом магнитном поле характеристик такого ОП как пистолет Макарова, показали, что:
фаза сигнала слабо зависит от его ориентации в электромагнитном поле (изменения не более 5 - 7° ),
амплитуда сигнала изменяется в зависимости от ориентации до 10 - 12 раз.
Представленные данные показывают, что селекция в одномерном поле только по амплитуде не обеспечивает приемлемую отстройку от ПЛП.
Кроме того, амплитуда сигнала от переизлученного поля существенно зависит от расстояния между исследуемым предметом и катушками. Максимальный сигнал соответствует нахождению предмета вблизи приемной или излучающей катушки, а минимальный — позиции посредине между ними. Для выравнивания чувствительности приемной катушки по ширине прохода металлодетектора применяют специальные меры:
создают конструкции излучающих и приемных катушек, обеспечивающие в контролируемой зоне перекрестные электромагнитные поля;
размещают излучающие и приемные катушки с двух сторон от ОП и по специальным алгоритмам производят обработку с пары приемных катушек.
Однако полностью устранить неравномерность топографии чувствительности не удается.
На рисунке 1 представлена функциональная схема металлодетектора с использованием гармонического намагничивания.
Рис. 1. Функциональная схема металлодетектора с гармоническим намагничиванием.
При гармоническом методе поле переизлучения ОП измеряется на фоне намагничивающего поля, превышающего его по амплитуде в тысячи и миллионы раз. Поэтому в металлодетекторе используется компенсатор, устраняющий сигнал, наведенный в приемной катушке намагничивающим полем. В фазовом детекторе и пороговом устройстве оцениваются амплитуда и фазовый сдвиг поля переизлучения ОП, фиксируемого приемной катушкой.
ИМПУЛЬСНОЕ НАМАГНИЧИВАНИЕ
Характерными признаками ОП при использовании такого метода являются продолжительность и вид процесса затухания вихревых токов в обследуемом предмете, переносимые в сигнал, наведенный в приемной катушке переизлученным полем. В качестве критериев селекции могут использоваться как мгновенные значения переходной характеристики для различных моментов времени, так и результат их совместной обработки по специальным алгоритмам, выбранным для распознавания ОП.
Теоретически можно, стробируя сколь угодно подробно переходную характеристику переизлучения, получить неограниченный объем информации об электромагнитных характеристиках ОП. Кроме того, в момент измерения намагничивающее поле выключено и не создает помех для оценки поля переизлучения. Однако возможности технической реализации метода переходных процессов существенно снижают его обнаруженческие и селективные параметры. При применении этого метода идеальным является намагничивающее поле, изменяющееся по прямоугольному закону. Однако на практике получить это в настоящее время невозможно. Излучающая катушка обладает самоиндукцией, которая у устройств, предназначенных для досмотра человека, где требуется создание магнитного поля в значительном пространстве, может составлять десятки миллигенри. А для получения максимальной напряженности намагничивающего поля при ограниченных размерах (массе) катушки и энергозатратах активное сопротивление катушки стараются минимизировать (не более единиц или десятков ом). Ток в катушке, подключенной к генератору прямоугольных импульсов, будет нарастать по экспоненциальному закону с постоянной времени
t = L /R
При рассмотренных выше ограничениях L и R (L » 0,01 Гн, R » 5 ом) постоянная времени составит не менее единиц мсек. Следовательно, и длительность переднего фронта импульса намагничивающего поля составит также единицы мсек.
Задний фронт импульса намагничивающего тока зависит от быстродействия силовых ключей, разрывающих цепь этого тока, и еще в большей степени от условий отсутствия затухающих колебаний намагничивающего поля после выключения тока. При таких условиях длительность заднего фронта волны намагничивающего поля реально может составлять не менее 10-4 сек. Следовательно, при импульсном намагничивании в реальном металлодетекторе максимальная частота гармонических составляющих не превысит 10 кГц.
В настоящее время большое распространение получило импульсное намагничивание с формой волны поля в виде отрезков полусинусоид (или комбинация таких отрезков). В этом случае время с момента начала выключения намагничивающего поля до момента измерений должно составлять не менее 10-4 сек.
Кроме постоянной времени намагничивающей цепи (в обесточенном состоянии), необходимо учитывать и постоянную времени приемной катушки, воспринимающей поле переизлучения ОП. Для предотвращения возникновения затухающих колебаний эта постоянная также должна быть не менее некоторого значения. На основании этого верхняя граница частотного диапазона поля переизлучения ОП при использовании метода переходных процессов, так же как и для намагничивающего поля, не превышает 10 кГц
На рисунке 2 приведена функциональная схема металлодетектора, в котором используется импульсное намагничивание.
Рис. 2. Функциональная схема металлодетектора с импульсным намагничиванием.
Блок задержек обеспечивает проведение измерений после прекращения действия импульса возбуждающего поля.
Перечислим основные достоинства и недостатки рассмотренных методов намагничивания.
Для гармонического метода:
Достоинство — высокая помехозащищенность, обусловленная возможностью эффективной фильтрации в диапазонах частот, отличных от рабочих; Недостаток — необходимость значительной жесткости конструкций катушек и предохранения их от сотрясений и прикосновения посетителей.
Примерами металлодетекторов, в которых используется гармонический метод, являются следующие модели: 773 LF (Rens Manufacturing Co, США), МР 1783 (Valon GmbH, Германия), Intelliscan 12000 (RANGER, США).
Для метода переходных процессов:
Достоинство — отсутствие высоких требований к жесткости конструкции катушек и относительная независимость от малых перемещений и сотрясений. Недостаток — меньшие, чем у гармонического метода возможности по борьбе с помехами. Однако использование импульсного намагничивания с формой волны поля в виде отрезков полусинусоид заметно уменьшает этот недостаток.
Примерами металлодетекторов, в которых используется метод переходных процессов, являются следующие модели: Metor-200 (Metorex International Oy, Финляндия), PMD 2 (C.E.I.A, Италия), Поиск-3 (Россия), Рубеж-2 (Россия).
В настоящее время серийно выпускаемые модели металлодетекторов, в которых используется метод переходных процессов, значительно превосходят по количеству модели с гармоническим намагничиванием. Это в большой мере связано с отмеченной выше относительной независимостью числа ложных срабатываний от сотрясений и перемещений катушечных систем изделий.
Заключение.
Итог занятия, задание на самоподготовку.
Доцент кафедры ОАБ Вербицкий Ю. А.