УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТОВ НА БАЗЕ ДАТЧИКОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ
DEVICE FOR DETECTING ELECTROCONDUCTIVE OBJECTS BASED ON MAGNETIC FIELD SENSORS WITH FREQUENCY OUTPUT

Изобретение относится к металлоискателям для целей диагностики и дефектоскопии, археологии, входного контроля в системах безопасности и т.п. Устройство может использоваться для обнаружения локальных неоднородностей в виде металлических и металлосодержащих предметов ограниченных размеров из магнитных и немагнитных металлов, проводных линий передачи и прочих токопроводящих материалов, в том числе расположенных за преградами, прозрачными в радиочастотном диапазоне.
Известен индукционный балансный металлодетектор с инверсной дискриминацией, содержащий приемную и передающую катушки, радиочастотный генератор, дискриминатор, демодулятор, импульсный генератор, усилитель, компаратор (см. патент US 4024468, МПК G01V 3/10).
Недостатком этого устройства является низкая помехоустойчивость к амплитудным низкочастотным помехам вследствие работы в области низких частот (менее 100 кГц) и за счет амплитудного метода обработки переизлученного сигнала.
Известно устройство, реализующее индукционный способ обнаружения объектов, использующий возбуждение катушки переменным током (А.Щедрин, Металлоискатели для поиска кладов и реликвий. - М.: "Арбат-Информ", 1998 г., 160 с., с.42-47). Появление вблизи датчика металлического объекта вызывает переизлучение сигнала от объекта (появление переизлученного сигнала), который наводит в катушке дополнительный электрический сигнал. Амплитуда переизлученного сигнала зависит от параметров объекта. Дополнительный сигнал детектируется, и далее по его амплитуде вырабатывается команда о наличии объекта поиска.
Недостаток указанного устройства заключается в том, что на катушку наводится не только полезный переизлученный от объекта поиска сигнал, но и проявляется любое изменение ее параметров за счет дестабилизирующих факторов, а также помех амплитудного характера. Недостаточная чувствительность металлоискателя, работающего в низкочастотном диапазоне, определяется температурной нестабильностью параметров в системе. Кроме того, для индукционных методов необходима катушка с большой индуктивностью, в которой наводятся помехи, и возникают переходные процессы, искажающие полезный сигнал.
Известен амплитудно-фазовый способ обнаружения металлосодержащих объектов и радиочастотный или СВЧ-металлодетектор для его осуществления, содержащий последовательно соединенные антенну, колебательный контур, два перестраиваемых СВЧ-генератора, балансный смеситель, гетеродин, три индикатора, шесть интеграторов, усилитель постоянного тока, управитель частоты, два компаратора, амплитудный детектор (см. патент RU 2276391, МПК G01V 3/12). В устройстве использован амплитудно-фазовый способ обнаружения металлосодержащих объектов, согласно которому первичный перестраиваемый генератор, нагруженный на антенну, излучает первичное переменное электромагнитное поле, которое наводится на приемный перестраиваемый генератор и создает в нем полезный преобразованный сигнал, отличающийся от первичного поля амплитудой и фазой. Присутствие в исследуемой среде скрытых объектов обнаруживается с помощью весьма сложной схемы обработки путем сравнения амплитуды и фазы сигнала, полученного в присутствии электропроводящих объектов, с пороговым значением, соответствующим уровню постоянной составляющей при отсутствии объекта поиска.
К недостаткам можно отнести использование сложной схемы обработки сигнала, в т.ч. трех генераторов и двух ветвей - амплитудной и фазовой, необходимость одновременного анализа двух характеристик преобразованного сигнала: амплитуды и фазы, необходимость исключения взаимного влияния СВЧ-элементов, согласования входов/выходов генераторов и прочих элементов схемы в диапазоне СВЧ. Таким образом, устройство имеет высокую чувствительность к допускам на изготовление и требует индивидуальной отладки образцов устройств, разработки ряда дополнительных пассивных элементов СВЧ-тракта: делителей/сумматоров мощности, переходов/трансформаторов волновых сопротивлений, корректоров фазы и пр. Перечисленные недостатки являются серьезным препятствием при практической реализации устройства.
Задачей настоящего решения является упрощение СВЧ-тракта и схемы обработки сигнала, снижение требований к допускам на изготовление, обеспечение возможности использования предложенного устройства в качестве базовой ячейки для создания многофункциональных систем обнаружения электропроводящих объектов при одновременном использовании нескольких измерительных каналов, а также возможности интеграции устройства с цифровыми и программными средствами обработки сигнала.
Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости и чувствительности за счет использования цифровой обработки сигнала, уменьшении количества функциональных блоков при повышении точности измерений за счет использования только одного параметра полезного сигнала - частоты.
i
i
Поставленная задача достигается тем, что устройство обнаружения электропроводящих объектов согласно решению содержит генератор возбуждения катушки индуктивности с бинарным входом Clg управления запуском и выходом сигнала возбуждения OU, катушку индуктивности с входом IU сигнала возбуждения, соединенным с выходом ОU генератора, блок датчиков, состоящий из n датчиков, каждый из которых имеет сигнальный выход , многоканальный электронно-счетный частотомер с бинарным входом Clf и выходом OF, n входами , причем каждый вход D соединен с выходом Q, контроллер обработки данных частотомера и формирования сигнала обнаружения с выходом сигнала обнаружения S, бинарным выходом управления запуском генератора Cg, соединенным с входом Clg, бинарным выходом управления запуском частотомера Сf, соединенным с входом Clf, входом результатов расчета частот датчиков IF, соединенным с выходом OF.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена структурно-функциональная схема устройства, на фиг.2 приведены временные диаграммы изменения сигналов, формируемых устройством, где
1 - генератор возбуждения катушки индуктивности;
2 - катушка индуктивности;
3 - блок датчиков магнитной индукции с частотным выходом;
4 - многоканальный электронно-счетный частотомер;
5 - контроллер обработки данных частотомера и формирования сигнала обнаружения;
1
n
D-D - входы частотомера для получения сигналов датчиков с частотным выходом;
1
n
Q-Q - выходы датчиков магнитной индукции;
OU - выход сигнала возбуждения;
IU - выход сигнала возбуждения;
OF - выход результатов расчета частот датчиков;
IF - вход результатов расчета частот датчиков;
S - выход сигнала обнаружения;
Сf - выход управления запуском генератора;
Cg - выход управления запуском частотомера;
Clf - вход управления запуском генератора;
Clg - вход управления запуском частотомера;
f
U - импульсы запуска частотомера;
g
U - импульсы запуска генератора;
с
U - строб электронно-счетного частотомера;
L
I - ток в катушке индуктивности.
i
Устройство обнаружения электропроводящих объектов содержит генератор возбуждения катушки индуктивности 1, катушку индуктивности 2, блок датчиков с частотным выходом 3, электронно-счетный частотомер 4, контроллер обработки данных частотомера 5. Генератор возбуждения имеет бинарный вход Clg управления запуском и выход сигнала возбуждения OU для подачи импульсов возбуждения на катушку индуктивности. Блок датчиков содержит n датчиков, где n может принимать значения 1,2,3…, каждый из которых имеет выход Q сигнала, частота которого зависит от магнитной индукции В. Многоканальный электронно-счетный частотомер имеет n входов  для получения сигналов датчиков с частотным выходом. Кроме этого, частотомер имеет бинарный вход Clf управления запуском частотомера и выход OF результатов расчета частот датчиков. Катушка индуктивности имеет вход IU сигнала возбуждения для подачи сигнала возбуждения от генератора. Контроллер обработки данных частотомера и формирования сигнала обнаружения имеет бинарный выход управления запуском генератора Cg, бинарный выход управления запуском частотомера Сf, вход результатов расчета частот датчиков IF, выход сигнала обнаружения S.
i
Выход OU генератора возбуждения соединен с входом IU катушки индуктивности, а вход Clg генератора соединен с выходом Cg контроллера. Выход  каждого датчика соединен с входом D частотомера. Выход OF частотомера соединен с входом IF контроллера, вход Сlf частотомера соединен с выходом Сf контроллера.
f
g
u
L
с
c
u
i
i
i
i
s
i
з
0
s
з
0
i
i
с.
с
i
с
c
i
i2
s
з
0
i
i
i
c
с
i2
i
i2
1
s
i
и
i
i2
1
з
0
i
i2
i
i2
2
s
i2
и
i
i2
2
i
i2
1
s
i2
i
и
i
i2
2
i
i2
1
Устройство работает следующим образом. Блок датчиков располагают в области создаваемого катушкой индуктивности магнитного поля, например датчики могут располагать равномерно в области, ограничиваемой катушкой индуктивности. Как показано на фиг.2, контроллер вырабатывает на выходах Cf и Cg прямоугольные импульсы U и U запуска частотомера и генератора соответственно, причем запуск частотомера осуществляется по переднему фронту импульса на выходе Cf. Одновременно по переднему фронту импульса на выходе Cg генератор вырабатывает на выходе OU импульс напряжения длительностью t, обеспечивающий линейный рост тока I в катушке индуктивности за время действия импульса. Длительность t времени счета, определяемая длительностью строба U электронно-счетного частотомера, не превосходит длительности t импульса на выходе ОU генератора. Линейно изменяющийся ток катушки индуктивности формирует в области чувствительного элемента датчика линейно изменяющееся во времени магнитное поле с индукцией B=Kt, где t - время. При этом оценка частоты колебаний на выходе Q датчика приводит к выражению ν=K(Kt+B+B), где К - коэффициент преобразования датчика, В - магнитная индукция Земли, В - магнитная индукция подмагничивания датчика. Сигнал с частотой ν поступает на вход D частотомера, который вычисляет среднюю частоту колебаний на выходе датчика за время tПосле завершения времени счета t контроллер считывает показания частотомера <ν> и заносит их во внутреннюю память. Считывание проводится с использованием соединенных входа IF контроллера и выхода OF частотомера, образующих канал параллельной или последовательной передачи данных с использованием стандартных шин и протоколов, например Centronics, USB, I2C, PCI, GPIB, RS-232 и т.п. Аналогично формируются и заносятся в память показания каждого датчика в блоке датчиков. На втором шаге контроллер вырабатывает прямоугольный импульс только на выходе Cf запуска частотомера. При этом ток в катушке индуктивности равен нулю. Длительность t времени счета, определяемая длительностью строба U электронно-счетного частотомера, меньше периода следования импульсов запуска на выходе Cf контроллера. При этом оценка частоты колебаний на выходе Q датчика на втором шаге приводит к выражению ν=K(B+B). Сигнал с частотой ν поступает на вход D частотомера, который вычисляет среднюю частоту колебаний <ν> на выходе датчика за время t. После завершения времени счета t контроллер считывает показания частотомера <ν>, вычисляет разность (<ν>-<ν>)=KKt/2 и заносит их во внутреннюю память. Таким образом, разность (<ν>-<ν>) не зависит от В и В. Если в создаваемом катушкой индуктивности магнитном поле появится проводящий предмет, наведенные вихревые токи ослабят внешнее магнитное поле. В результате в области чувствительного элемента датчика линейно изменяющееся во времени магнитное поле будет с индукцией B=Kt, при этом разница частот на втором шаге будет (<ν>-<ν>)=KKt/2 и отличие от нуля разности (<ν>-<ν>)-(<ν>-<ν>)=К(К-К)t/2 свидетельствует о наличии в окрестности катушки индуктивности проводящего предмета. При этом количественный анализ разности (<ν>-<ν>)-(<ν>-<ν>) дает возможность регистрировать изменение положения проводящих и предметов.
i
i2
2
i
i2
1
Данные (<ν>-<ν>)-(<ν>-<ν>) обрабатываются контроллером с использованием программы, который далее формирует сигнал обнаружения на выходе S. В простейшем случае бинарный сигнал, поступающий на выход S, указывает на наличие или отсутствие проводящего предмета в окрестности катушки индуктивности.
i
i2
2
i
i2
1
i
i2
2
i
i2
1
i
i2
2
i
i2
1
Использование информации о величинах (<ν>-<ν>)-(<ν>-<ν>) от нескольких датчиков позволяет определять местоположение проводящего предмета, так как модуль разности |(<ν>-<ν>)-(<ν>-<ν>)| будем максимален у датчика, расположенного наиболее близко к проводящему или(и) ферромагнитному предмету. Поэтому в другом варианте исполнения устройства сигнал обнаружения на выходе S содержит информацию о разностях (<ν>-<ν>)-(<ν>-<ν>), указывающую на наличие, форму и положение предмета относительно катушки.
i
i2
2
i
i2
1
Если в магнитное поле катушки индуктивности попадет ферромагнитный предмет, магнитная индукция в области чувствительных элементов датчиков возрастет при возбуждении тока в катушке, и разность (<ν>-<ν>)-(<ν>-<ν>) поменяет знак. Это свойство дает возможность обнаружить и различить, с одной стороны, предметы из проводящих пара и диамагнетиков, с другой стороны, проводящие и не проводящие предметы из ферромагнетиков. Поэтому в общем случае сигнал обнаружения на выходе S контроллера содержит информацию, указывающую на форму и положение предмета относительно катушки, а также на материал, из которого состоит предмет.
Требование линейности изменения тока катушки индуктивности не является обязательным, т.к. принцип действия устройства не изменяется. Нежелательным является только достижение тока насыщения в катушке индуктивности, так как это снижает чувствительность устройства.
Если предмет имеет значительные размеры, использование множества датчиков в блоке позволяет определять форму и размеры предмета, при этом возможна его идентификация.
В ряде случаев зависимость частоты генерации датчиков от магнитной индукции В может отличаться от приведенной выше, но принцип измерения при этом остается прежним, меняется только алгоритм обработки частот датчиков.
В качестве датчиков магнитной индукции могут использоваться датчики, описанные в статье Хвалин А.Л., Овчинников С.В., Сотов Л.С., Самолданов В.Н. Первичный преобразователь на основе ЖИГ-генератора для измерения сильных магнитных полей // Датчики и системы, 2009. №10. С.57-58.
В качестве многоканального электронно-счетного частотомера могут использоваться Ч3-63/3, Ч3-83, Ч3-88, описанный, например, в «Электронно-счетный частотомер Ч3-88. Руководство по эксплуатации УШЯИ.411186.005 РЭ».
В качестве генератора возбуждения катушки индуктивности может использоваться простейший генератор прямоугольных импульсов на базе одновибраторов с усилителем мощности, описанный, например, в книге Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. М.:«Горячая Линия - Телеком». 2000. 768 с.
В качестве контроллера обработки данных частотомера может использоваться PIC контроллер, любой компьютер или универсальная плата контроллера, описанные, например, в книге Катцен С. PIC-контроллеры. Все, что вам необходимо знать. М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2008 г., 656 с.
Таким образом, изобретение обеспечивает повышение помехоустойчивости и чувствительности устройства за счет цифровой обработки сигнала и обеспечения высокой точности измерения частот датчиков. Также обеспечивает возможность использования предложенного устройства в качестве базовой ячейки для создания многофункциональных систем обнаружения, локализации и идентификации электропроводящих и ферромагнитных объектов при одновременном использовании нескольких измерительных каналов.