Михаил Адаменко - В помощь радиолюбителю. Выпуск 10
Вторую группу металлодетекторов категории TD составляют устройства, в которых в качестве излучаемого сигнала также используется импульсный сигнал. Однако длительность этих импульсов значительно больше, чем в радиолокационных металлоискателях. При этом обеспечивается возбуждение в металлическом предмете вихревых токов, информация о которых анализируется в соответствующих каскадах. Такие приборы иногда обозначают сокращением TR-PI (Transmitter Receiver — Puls Induction) или просто PI.
Следует отметить, что в основу функционирования всех рассмотренных выше устройств из этой категории положен принцип «передача-прием». Однако основное конструктивное отличие, к примеру, металлодетекторов типа TR-PI от устройств типа TR-IB заключается в том, что в импульсных приборах в качестве приемной и передающей может использоваться одна и та же катушка.
П. 2. Принципы построения металлоискателей
При первой же попытке провести классификацию детекторов металлических предметов можно сделать безошибочный вывод о том, что в настоящее время существует довольно значительное число базовых принципов, основанных на разных физических явлениях, положенных в основу самых разнообразных конструкций металлоискателей. Следует отметить, что в последнее время в связи с развитием элементной базы появилась возможность практической реализации идей, воплощение которых ранее считалось маловероятным.
В связи с ограниченным объемом данной статьи далее будут рассмотрены лишь некоторые из наиболее популярных видов металлоискателей.
Металлоискатели FM
Одним из первых возможных вариантов построения детектора металлических предметов, который может прийти в голову любому человеку, хотя бы немного знакомому с основами электротехники, можно считать устройство, в основе которого лежит изменение частоты генератора под влиянием металлического предмета.
Из школьных учебников физики известно, что частота сигнала, генерируемого в контуре, образуемом параллельно включенными катушкой L и конденсатором С, зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора. При изменении хотя бы одного из этих параметров изменится резонансная частота контура, что приведет к соответствующему изменению и частоты генерации. Наиболее просто можно изменить индуктивность катушки, для этого достаточно, к примеру, поместить вблизи нее предмет из соответствующего металла. Именно это физическое явление и положено в основу конструкции детекторов металлических предметов, работающих по принципу изменения частоты. В специализированной литературе такие устройства часто называют металлоискателями FM (Frequency Meter).
Необходимо отметить, что, несмотря на то что влияние металлических предметов на резонансную частоту контура, помещаемых в зону возбуждаемого катушкой поля, давно известно, практическая реализация таких приборов до недавнего времени была довольно затруднительна. Причина заключалась в том, что оценивать изменение частоты контура на слух просто не представлялось возможным.
В настоящее время для анализа и оценки изменений девиации частоты используются микропроцессоры, функционирующие под управлением специальных программ.
Упрощенная блок-схема металлоискателя, работающего по принципу' частотомера, приведена на рис. 19.
Рис. 19. Упрощенная блок-схема металлоискателя, работающего по принципу частотомера
При появлении в зоне возбуждаемого измерительной катушкой электромагнитного поля металлического предмета происходит изменение резонансной частоты контура опорного генератора. Это изменение оценивается частотомером, основу которого составляет микроконтроллер. Величина девиации частоты, а также ее знак зависят не только от глубины залегания и величины предмета, но и от вида металла, из которого он изготовлен. Обработанные данные поступают на блок индикации, в составе которого часто используется линейка светодиодов.
Следует отметить, что металлоискатели FM обладают большей чувствительностью по сравнению, например, с металлодетекторами BFO.
Металлоискатели BFO
Благодаря простоте схемотехнических решений металлоискатели типа BFO (Beat Frequency Oscillator) или, иными словами, использующие принцип биений, получили широкое распространение. В основу этих устройств положено явление формирования биений, возникающих при смешивании двух близких по частоте сигналов.
В металлодетекторах BFO применяются два генератора, настроенных на одну и ту же частоту. При этом частота опорного (эталонного, образцового) генератора неизменна. Катушка контура измерительного генератора одновременно является поисковой или измерительной катушкой.
Упрощенная блок-схема металлоискателя, работающего по принципу биений, приведена на рис. 20.
Рис. 20. Упрощенная блок-схема металлоискателя, работающего по принципу биений
При появлении в зоне возбуждаемого поисковой катушкой электромагнитного поля металлического предмета частота измерительного генератора изменяется. Сигнал измененной частоты подается на смеситель, где смешивается с сигналом опорной частоты. В результате на выходе смесителя выделяется сигнал с частотой биений, который поступает на блок индикации.
В качестве индикатора в металлоискателях на биениях обычно используются акустические устройства, однако встречаются конструкции со стрелочными и светодиодными индикаторами. При использовании акустических индикаторов по изменению знака биений довольно просто определить, из какого металла, цветного или черного, изготовлен предмет, находящийся в зоне действия прибора.
Необходимо отметить, что частота биений в металлодетекторах BFO лежит в низкочастотном диапазоне, ближе к нижней границе звукового восприятия человеческого уха. Данный факт позволяет значительно упростить конструкцию блока индикации, поскольку биение частот главного (измерительного, поискового) и вспомогательного (опорного) генератора можно анализировать на слух. Однако чувствительность металлоискателей, работающих по принципу биений, оставляет желать лучшего. Тем не менее характеристики этих приборов вполне удовлетворят непритязательных пользователей.
Металлоискатели OR
Интересные схемотехнические решения можно встретить при рассмотрении конструкций металлодетекторов, в основу работы которых положен принцип оценки изменения амплитуды сигнала на катушке контура, резонансная частота которого близка частоте подаваемого на него сигнала опорного генератора. Главным достоинством таких устройств, иногда обозначаемых сокращением OR (Off Resonance), являются простота и надежность.
Упрощенная блок-схема металлоискателя, работающего на околорезонансной частоте, приведена на рис. 21.
Рис. 21. Упрощенная блок-схема металлоискателя, работающего на околорезонансной частоте
Измерительная катушка является составной частью колебательного контура, резонансная частота которого незначительно отличается от частоты опорного генератора. При появлении в зоне возбуждаемого измерительной катушкой электромагнитного поля металлического предмета резонансная частота этого контура изменяется. В зависимости от того, какой металл оказался в зоне действия данного устройства (цветной или черный), частота контура или увеличивается или уменьшается. При этом происходят соответствующие изменения амплитуды колебаний опорного генератора, которые оцениваются анализатором. В результате анализатор формирует управляющий сигнал для блока индикации.
Металлоискатели TR-IB
Как уже отмечалось, в последнее время особой популярностью пользуются металлоискатели TR-IB (Transmitter Receiver — Induction Balance), или просто TR, в основу которых положен принцип «прием-передача». В таких устройствах, называемых балансными металлодетекторами, система катушек сбалансирована до нулевой взаимной индукции.
Главной особенностью устройств TR-IB является тот факт, что на приемную катушку поступает не отраженный сигнал передатчика, а сигнал, источником которого являются вихревые токи, возбуждаемые на поверхности металлического предмета.
Упрощенная блок-схема металлоискателя, работающего по принципу «передача-прием», приведена на рис. 22.
Рис. 22. Упрощенная блок-схема металлоискателя, работающего по принципу «передача-прием»
Передающий сигнал, формируемый опорным генератором, поступает на передатчик и далее — на передающую катушку. При появлении в зоне излучения передающей катушки металлического предмета на его поверхности под воздействием сигнала VLF инициируются вихревые или поверхностные токи. Эти токи являются источником вторичного сигнала, который принимается приемной катушкой металлодетектора. После приемника этот сигнал подается на анализатор, где происходит оценка его параметров. На основе проведенного анализа формируется соответствующий сигнал для блока индикации.
