Металлоискатель

 

Использование: в археологии и строительстве для поисков металлических предметов под слоем грунта и снега, в пищевой и деревообрабатывающей промышленности для обнаружения металлических частиц и предметов в массе сырья, в военной промышленности для обнаружения мин под слоем грунта и снега, в дефектоскопии и для других целей. Сущность: металлоискатель содержит генератор переменного тока, первый и второй индукционные датчики с намагничивающими и приемными катушками, компенсатор напряжения, первый и второй усилители переменного напряжения, синхронные детекторы и синфазной и квадратурной компонент, первый и второй фильтры постоянной составляющей, двухполупериодный выпрямитель, аналоговый сумматор, первый и второй стрелочные индикаторы, первый и второй фазовращатели, первый и второй амплитудные детекторы, вычитатель, генератор, делитель, блок формирования эталонного напряжения, блок сравнения и ключ. Технический результат: повышение надежного обнаружения мелких металлических предметов и мин. 1 ил.

Предлагаемое устройство относится к поисковой технике и может применяться в археологии и строительстве для поисков металлических предметов под слоем грунта и снега, в пищевой и деревообрабатывающей промышленности для обнаружения металлических частиц и предметов в массе сырья, в военной промышленности для обнаружения мин под слоем грунта и снега, в дефектоскопии и для других целей.

Известны металлоискатели (авт. свид. СССР 393713, 599161, 811184, 1124238, 1327033, 1422200, 1420574, 1712927; патенты РФ 2046377, 2131135, 2135932; патенты США 4321539, 4752778, 4765221, патент Франции 2618540; Марк Э. Э. Измерение глубины залегания металлических тел в реальных средах. Дефектоскопия, 1978, 4, с.38-40; Будько Г.С. и др. Прибор для измерения магнитной проницаемости и проводимости грунта и горных пород. Труды Сибирского физико-технического института при Томском Госуниверситете, 1976, вып. 61, с. 164-173 и другие).

Из известных металлоискателей наиболее близким к предлагаемому является "Металлоискатель" (патент РФ 2046377, G 01 V 3/10, 1992), который и выбран в качестве прототипа.

Сущность устройства заключается в том, что металлообнаружитель содержит генератор переменного тока, индукционный датчик, синхронные детекторы синфазной и квадратурной компонент, два фильтра постоянной составляющей, двухполупериодный выпрямитель, аналоговый сумматор и два стрелочных индикатора. Он обнаруживает мелкие металлические предметы независимо от их ферромагнитности или неферромагнитности и при необходимости обеспечивает возможность определения ферромагнитности.

Однако надежное обнаружение мелких металлических предметов и мин затруднено из-за высокого уровня вариаций электромагнитного поля, не связанных с полем переизлучения металлических предметов и мин: квазистационарных и периодических составляющих поля, помех естественного (грозовая активность, возмущения в ионосфере и т.д.) и искусственного происхождения (промышленные установки, радиотехнические средства, коммуникации и т.п.).

Технической задачей изобретения является повышение надежного обнаружения мелких металлических предметов и мин.

Поставленная задача решается тем, что металлоискатель, содержащий последовательно включенные генератор переменного тока, первый индукционный датчик с намагничивающей и приемной катушками, второй вход которого через компенсатор напряжения соединен с вторым выходом генератора переменного тока, и первый усилитель переменного напряжения, последовательно подключенные к третьему выходу генератора переменного тока второй фазовращатель, синхронный детектор квадратурной компоненты, второй фильтр постоянной составляющей, аналоговый сумматор, второй вход которого через двухполупериодный выпрямитель соединен с выходом первого фильтра постоянной составляющей, и первый стрелочный индикатор, снабжен вторым индукционным датчиком с намагничивающей и приемной катушками, вторым усилителем переменного тока, двумя амплитудными детекторами, вычитателем, интегратором, делителем, блоком формирования эталонного напряжения, блоком сравнения и ключом, причем к первому выходу генератора переменного напряжения последовательно подключены второй индукционный датчик, второй вход которого соединен с выходом компенсатора напряжения, второй усилитель переменного напряжения, второй амплитудный детектор, вычитатель, второй вход которого через первый амплитудный детектор соединен с выходом первого усилителя переменного напряжения, интегратор, делитель, второй вход которого соединен с выходом вычитателя, блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока формирования эталонного напряжения, и ключ, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя переменного напряжения, а выход подключен к вторым входам синхронных детекторов синфазной и квадратурной компонент.

Структурная схема предлагаемого металлоискателя представлена на чертеже.

Металлоискатель содержит генератор 1 переменного тока, первый индукционный датчик 2 с намагничивающей и приемной катушками, компенсатор 3 напряжения, наводимого в приемной катушке полем намагничивающей катушки, первый усилитель 4 переменного напряжения, синхронные детекторы 5 и 6 синфазной и квадратурной компонент, первый 7 и второй 8 фильтры постоянной составляющей, двухполупериодный выпрямитель 9, аналоговый сумматор 10 напряжений, первый 11 и второй 12 стрелочные индикаторы, первый 13 и второй 14 фазовращатели, второй индукционный датчик 15, второй усилитель 16 переменного напряжения, первый 17 и второй 18 амплитудные детекторы, вычитатель 19, интегратор 20, делитель 21, блок 22 формирования эталонного напряжения, блок 23 сравнения и ключ 24. Причем к первому выходу генератора 1 переменного тока последовательно подключены индукционный датчик 2, второй вход которого через компенсатор 3 напряжения соединен с вторым выходом генератора 1 переменного тока, и усилитель 4 переменного напряжения. К третьему выходу генератора 1 переменного тока последовательно подключены первый фазовращатель 13, синхронный детектор 5 синфазной компоненты, первый фильтр 7 постоянной составляющей и второй стрелочный индикатор 12. К третьему выходу генератора 1 переменного тока последовательно подключены второй фазовращатель 14, синхронный детектор 6 квадратурной компоненты, второй фильтр 8 постоянной составляющей, аналоговый сумматор 10, второй вход которого через двухполупериодный выпрямитель 9 соединен с выходом фильтра 7 постоянной составляющей, и первый стрелочный индикатор 11. К первому выходу генератора 1 переменного тока последовательно подключены второй индукционный датчик 15, второй вход которого соединен с выходом компенсатора 3 напряжений, второй усилитель 16 переменного напряжения, второй амплитудный детектор 18, вычитатель 19, второй вход которого через первый амплитудный детектор 17 соединен с выходом усилителя 4 переменного напряжения, интегратор 20, делитель 21, второй вход которого соединен с выходом вычитателя 19, блок 23 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 22 формирования эталонного напряжения, и ключ 24, второй вход которого соединен с выходом усилителя 4 переменного напряжения, а выход подключен к вторым входам синхронных детекторов 5 и 6 синфазной и квадратурной компонент.

Металлоискатель работает следующим образом.

Для отыскания металлических предметов и мин под слоем грунта и снега индукционные датчики 2 и 15 с намагничивающими и приемными катушками, разнесенные на определенное расстояние (1-2 метра), перемещаются по поверхности Земли. Датчик 2, устанавливаемый в направлении поиска, является основным, второй датчик 15 - опорным. Цель перемещения датчиков заключается в поиске металлических предметов под слоем грунта и снега.

Переменный ток генератора 1, протекая по намагничивающим катушкам индукционных датчиков 2 и 15, создает вокруг них переменные магнитные поля. В отсутствие вблизи датчиков 2 и 15 металлических предметов, подлежащих обнаружению, переменные поля намагничивающих катушек датчиков 2 и 15 индуцируют в их приемных катушках переменные ЭДС, которые с некоторой точностью компенсируются компенсатором 3.

Напряжения небаланса с выходов индукционных датчиков 2 и 15 усиливаются усилителями 4 и 16 переменного тока. При этом на приемные катушки индукционных датчиков 2 и 15 воздействует внешний магнитный фон, создаваемый помехами естественного (грозовая активность, возмущения в ионосфере и т.д.) и искусственного происхождения (промышленные установки, радиотехнические средства коммуникаций и т.п.).

Напряжения небаланса и внешний магнитный фон измеряются с помощью измерителей напряженности электромагнитного поля, в качестве которых используются амплитудные детекторы 17 и 18. В вычитателе 19 производится операция вычитания двух измерений в двух разных точках, где внешний магнитный фон имеет одинаковую интенсивность. Операция интегрирования разностного сигнала и деление разностного сигнала на проинтегрированный разностный сигнал производятся в интеграторе 20 и делителе 21. В блоке 23 осуществляется сравнение нормированного сигнала с пороговым значением сигнала, задаваемого блоком 22.

При отсутствии металлических предметов выходное напряжение блока 23 сравнения, поступающее на управляющий вход ключа 24, имеет незначительную величину или равно нулю. Это напряжение не обеспечивает открывания ключа 24.

При приближении основного индукционного датчика 2 к месту расположения металлического предмета воздействие его на приемную катушку оказывается более сильным, чем на приемную катушку опорного индукционного датчика 15. В приемной катушке датчика 2 индуцируется переменное напряжение сигнала, которое не компенсируется компенсатором 3. При этом в блоке 23 формируется напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 24, открывая его. При этом эталонное напряжение U_э блока 22 формируется равным приблизительно напряжению магнитного фона.

При этом напряжение, усиленное усилителем 4, через открытый ключ 24 подается на сигнальные входы синхронных детекторов 5 и 6. В результате синхронного детектирования на выходах синхронных детекторов 5 и 6 появляются постоянные напряжения, пропорциональные синфазной и квадратурной компонентам сигнала от металлического предмета соответственно. На выходах этих синхронных детекторов присутствуют также постоянные напряжения небаланса, которые суммируются с напряжениями сигнала. Фильтры 7 и 8 постоянной составляющей отсекают эти напряжения небаланса, и на выходах этих фильтров появляются только напряжения полезного сигнала, причем на выходе первого фильтра 7 появляется постоянное напряжение, пропорциональное синфазной компоненте сигнала, а на выходе второго фильтра 8 появляется постоянное напряжение, пропорциональное квадратурной компоненте сигнала. В зависимости от того, является металлический предмет ферромагнитным или нет, напряжение синфазной компоненты на выходе первого фильтра 7 постоянной составляющей положительно или отрицательно, что индицировано вторым стрелочным индикатором 12, отклонение которого в одну сторону от нуля показывает, что предмет ферромагнитный, а в другую сторону, что он неферромагнитный. Напряжение на выходе второго фильтра 8 постоянной составляющей всегда имеет одну полярность, например положительную. Обусловлено это тем, что квадратурная компонента сигнала отражает потери на перемагничивание металлического предмета, которые не могут быть меньше нуля. Двухполупериодный выпрямитель 9 обеспечивает появление на одном из входов аналогового сумматора 10 напряжений напряжения одной и той же полярности, например положительной, независимо от полярности напряжения на выходе первого фильтра 7 постоянной составляющей. На другом входе сумматора 10, подключенном к выходу второго фильтра 8 постоянной составляющей, напряжение может быть только положительным. Напряжение с выхода сумматора 10 вызывает отклонение первого стрелочного индикатора 11, пропорциональное сумме абсолютного значения синфазной компоненты и квадратурной компоненты сигнала.

При работе с металлоискателем оператору достаточно наблюдать лишь за показаниями первого стрелочного индикатора 11, поскольку он покажет отклонение при приближении к метталлическому предмету независимо от того, изготовлен ли он из ферромагнитного, неферромагнитного металла или из их сочетания. При обнаружении металлического предмета оператор может по показаниям второго стрелочного индикатора 12 определить, является предмет ферромагнитным или неферромагнитным, т. е. получить полную и достоверную информацию о предмете поиска.

За счет суммирования результатов синхронного детектирования по синфазной и квадратурной компонентам значительно повышается чувствительность прибора. За счет повышения чувствительности металлоискателя и повышения удобства пользования им значительно повышается достоверность обследования и надежность выявления мелких металлических предметов.

Таким образом, предлагаемый металлоискатель по сравнению с прототипом и другими аналогичными техническими решениями обеспечивает повышение надежности обнаружения мелких металлических предметов и мин. Это достигается путем исключения высокого уровня вариаций электромагнитного поля, не связанных с полем переизлучения металлических предметов и мин: квазистационарных и периодических составляющих поля, помех естественного (грозовая активность, возмущения в ионосфере и т.д.) и искусственного происхождения (промышленные установки, радиотехнические средства коммуникаций и т.п.).

Формула изобретения

Металлоискатель, содержащий последовательно включенные генератор переменного тока, первый индукционный датчик с намагничивающей и приемной катушками, второй вход которого через компенсатор напряжения соединен с вторым выходом генератора переменного тока, и первый усилитель переменного напряжения, последовательно подключенные к третьему выходу генератора переменного тока первый фазовращатель, синхронный детектор синфазной компоненты, первый фильтр постоянной составляющей и второй стрелочный индикатор, последовательно подключенные к третьему выходу генератора переменного тока второй фазовращатель, синхронный детектор квадратурной компоненты, второй фильтр постоянной составляющей, аналоговый сумматор, второй вход которого через двухполупериодный выпрямитель соединен с выходом первого фильтра постоянной составляющей, и первый стрелочный индикатор, отличающийся тем, что он снабжен вторым индукционным датчиком с намагничивающей и приемной катушками, вторым усилителем переменного напряжения, двумя амплитудными детекторами, вычитателем, интегратором, делителем, блоком формирования эталонного напряжения, блоком сравнения и ключом, причем к первому выходу генератора переменного напряжения последовательно подключены второй индукционный датчик, второй вход которого соединен с выходом компенсатора напряжения, второй усилитель переменного напряжения, второй амплитудный детектор, вычитатель, второй вход которого через первый амплитудный детектор соединен с выходом первого усилителя переменного напряжения, интегратор, делитель, второй вход которого соединен с выходом вычитателя, блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока формирования эталонного напряжения, и ключ, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя переменного напряжения, а выход подключен к вторым входам синхронных детекторов синфазной и квадратурной компоненты.

РИСУНКИ

Рисунок 1