СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ОТРАЖЕННОГО СИГНАЛА ОТ МИШЕНИ В ИНДУКЦИОННОМ, РЕЗОНАНСНОМ МЕТАЛЛОИКАТЕЛЕ, ПРИ НАЛИЧИИ ВЛИЯНИЯ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ, В ПРОЦЕССЕ ПОИСКА И ОБНАРУЖЕНИЯ ЕЕ, УСТРОЙСТВО, ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕЕ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR DETECTING REFLECTED SIGNAL FROM TARGET IN INDUCTION, RESONANT METAL DETECTOR, IN PRESENCE OF THE EFFECT OF DESTABILIZING FACTORS, IN PROCESS OF SEARCHING AND DETECTING IT, DEVICE WHICH IMPLEMENTS IT (VERSIONS)

Изобретение относится к области обнаружения токопроводящих и ферромагнитных предметов с помощью индукционных катушек, создающих переменное магнитное поле.
Устройства для поиска в разнообразных средах, металлических и ферромагнитных объектов, в дальнейшем именуемыми - «мишень», в основном осуществляются с использованием следующих принципов: биение частот, импульсной индукции, передача - прием, индукционного типа.
Вследствие относительной простоты конструкции, ее механической стабильности, и как результат - общей стабильности, возможности дискриминации мишени по ее магнитной проницаемости и проводимости, металлоискатели индукционного типа являются наиболее перспективными в обнаружении металлических и ферромагнитных мишеней в разнообразных средах.
Известен металлоискатель [1], содержащий источник переменного напряжения, мост переменного тока образованный двумя последовательными контурами из реактивных элементов, в двух смежных плечах которого включены катушки индуктивности равной величины, а в двух противоположных - конденсаторы с равными емкостями, конденсатор, подключенный параллельно мосту, образующий параллельный колебательный контур, частота которого равна частоте последовательных колебательных контуров. При явной простоте устройства работоспособность его ограничивается стабильностью отдельных элементов моста.
-5
-6
Другим решением является способ построения индукционного металлоискателя [2] ст. 70 -75, в котором отраженный сигнал мишени выделяют, вычитанием из электрического сигнала, присутствующего в катушке датчика металлоискателя, входящего в состав параллельного колебательного LC-контура, сигнала той же формы, частоты, фазы и амплитуды, что и сигнал в катушке датчика металлоискателя, при отсутствии мишени в зоне поиска. Данный способ реализуется тем, что в параллельный колебательный LC-контур, катушка которого является датчиком металлоискателя, подают переменный ток стабильной амплитуды и частоты, при котором амплитуда напряжения и его фаза на катушке датчика являются равными амплитуде и фазе напряжения задающего генератора переменного напряжения, при отсутствии мишени вблизи катушки датчика металлоискателя. При появлении вблизи катушки датчика металлоискателя мишени, в ней наводится отраженный сигнал, изменяющий параметры катушки датчика металлоискателя, при этом амплитуда и фаза напряжения на катушке датчика, входящей в состав параллельного колебательного LC-колебательного контура, изменяется. Амплитуду и фазу переменного напряжения, задающего генератора переменного напряжения, сравнивают с амплитудой и фазой переменного напряжения на катушке датчика металлоискателя, входящей в состав параллельного колебательного LC-контура, их небаланс фиксируют и по его результату выносят заключение об обнаружении мишени. К недостаткам данного способа следует отнести: нестабильность параметров датчика, вследствие дестабилизирующих факторов, температурный дрейф омического сопротивления катушки, высокие требования к стабильности конденсатора параллельного колебательного LC-контура, сложность выделения малого полезного сигнала, на фоне большого электрического сигнала возбуждения, катушки датчика металлоискателя. Соотношение амплитуд этих сигналов может достигать 10÷10, что является минимальным возможным порогом выявления сигнала отраженного от мишени.
Прогрессивным решением является патент [3], принятым за прототип, в котором реализуется способ обнаружения изменения импеданса приемника магнитного поля металлодетектора, т.е. выявления отраженного сигнала от мишени. Данный способ, обнаружения изменения импеданса приемника магнитного поля металлодетектора, включающий в себя: наличие первой сети пассивных компонентов, включая импеданс приемника магнитного поля; наличие второй сети пассивных компонентов, исключая импеданс приемника магнитного поля; обработку первого измерительного сигнала от первого узла первой сети; обработку второго измерительного сигнала, от второго узла второй сети; сравнение их для обнаружения изменения импеданса приемника магнитного поля. При этом первая сеть, вторая сеть, первый узел, второй узел сконфигурированы таким образом, что при отсутствии внешнего воздействия, которое влияет на импеданс приемника магнитного поля, первый измерительный сигнал по существу одинаков со вторым измерительным сигналом и при наличии внешнего воздействия первый измерительный сигнал отличается от второго измерительного сигнала.
Приведенный способ и устройство, реализующие его, обладают определенными недостатками: импеданс приемника, или совместно приемника и передатчика, в составе первой сети пассивных компонентов, представляющий собой последовательный колебательный LC-контур, а именно: индуктивность, емкость, омическое сопротивление катушки, имеющие температурный дрейф, обуславливают необходимость их учета, а возможное присутствие внутрисхемных паразитных связей требует наличие двух противофазных генераторов, с возможностью регулировки фазы и амплитуды одного из них. Наличие омических сопротивлений, в первой и второй сети пассивных компонентов, для успешной реализации способа требуют от них высокой температурной и временной стабильности.
Выше приведенное позволяет утверждать о сложности реализации данного способа и устройств на практике, что косвенно иллюстрируется использованием данного патента в металлоискателях начального и среднего уровня: Minelab Go-Find 20, Minelab Go-Find 22, Minelab Go-Find 40, Minelab Go-Find 44, Minelab Go-Find 60, Minelab Go-Find 66 [4].
Целью предлагаемого изобретения является: улучшение достоверности выявления отраженного сигнала от мишени в индукционном, резонансном металлоискателе, при наличии влияния дестабилизирующих факторов, в процессе поиска и обнаружении ее а именно: температурной нестабильности датчика, электронных компонентов металлоискателя, уровня минерализации грунта и защите электронных компонентов металлоискателя от электрического пробоя, что осуществляется сравнением амплитуд напряжений, в последовательном колебательном LC-контуре, на конденсаторе и катушке, являющейся датчиком металлоискателя.
Г
На Фиг. 1 приведен последовательный колебательный контур R, L, С с источником переменного напряжения U.
Г
На Фиг. 2 приведена векторная диаграмма резонанса напряжений в последовательном колебательном контуре R, L, С с источником переменного напряжения U.
Г
На Фиг. 3 приведен реальный последовательный колебательный LC-контур с источником переменного напряжения U.
LR
C
Г
На Фиг. 4 приведена диаграмма равенства напряжений U и U реальном, последовательном колебательном LC-контуре, с источником переменного напряжения U.
LR
C
На Фит. 5 приведена векторная диаграмма в реальном, последовательном колебательном LC-контуре, при |U|<|U|.
LR
C
На Фиг. 6 приведена векторная диаграмма в реальном, последовательном колебательном LC-контуре, при |U|>|U|.
G
L
r
L
C
Г
На Фиг. 7 приведены графики зависимости I, R, Х, X, U, U, U в последовательном колебательном контуре от частоты источника переменного напряжения U.
На Фиг. 8 представлена блок-схема предлагаемого устройства, вариант 1, реализующего способ выявления отраженного сигнала от мишени в индукционном резонансном металлоискателе, при наличии влияния дестабилизирующих факторов, в процессе поиска и обнаружения ее, содержащая: 1 - генератор переменного напряжения; 2 - экранированную катушку датчика; 3 - конденсатор; 4 - первый источник питания; 5 - второй источник питания; 6 - первый пиковый детектор с сбросом; 7 - второй пиковый детектор с сбросом; 8 - модуль коррекции; 9 - оптическую развязку; 10 - сумматор; 11 - модуль индикации; 12 - первый делитель напряжения, состоящий из: 13 - первого и 14 - второго резисторов; 15 - второй делитель напряжения, состоящий из: 16 - третьего и 17 - четвертого резисторов.
На Фиг. 9 изображены графики, вариант 1, иллюстрирующие работу устройства, реализующего способ выявления отраженного сигнала от мишени в индукционном резонансном металлоискателе, при наличии влияния дестабилизирующих факторов, в процессе поиска и обнаружения ее.
На Фиг. 10 представлена блок-схема предлагаемого устройства, вариант 2, реализующего способ выявления отраженного сигнала от мишени в индукционном резонансном металлоискателе, при наличии влияния дестабилизирующих факторов, в процессе поиска и обнаружения ее, содержащая: 1 - генератор переменного напряжения; 2 - экранированную катушку датчика; 3 - конденсатор; 4 - первый источник питания; 5 - второй источник питания; 6 - первый пиковый детектор с сбросом; 7 - второй пиковый детектор с сбросом; 8 - модуль коррекции; 9 - оптическую развязку; 10 - сумматор; 11 - модуль индикации; 13 -первый резистор; 14 - второй резистор; 18 - первый ограничитель напряжения; 19 - второй ограничитель напряжения;
На Фиг. 11 изображены графики, вариант 2, иллюстрирующие работу устройства, реализующего способ выявления отраженного сигнала от мишени в индукционном резонансном металлоискателе, при наличии влияния дестабилизирующих факторов, в процессе поиска и обнаружения ее.
На Фиг. 12 представлена блок-схема предлагаемого устройства, вариант 3, реализующего способ выявления отраженного сигнала от мишени в индукционном резонансном металлоискателе, при наличии влияния дестабилизирующих факторов, в процессе поиска и обнаружения ее, содержащая: 1 - генератор переменного напряжения; 2 - экранированную катушку датчика; 3 - конденсатор; 4 - первый источник питания; 5 - второй источник питания; 6 - первый пиковый детектор с сбросом; 7 - второй пиковый детектор с сбросом; 8 - модуль коррекции; 9 - оптическую развязку; 11 - модуль индикации; 20 - пассивный сумматор, состоящий из: 13 - первого, 14 - второго и 16 - третьего резисторов; 21 - буферный усилитель.
На Фиг. 13 изображены графики, вариант 3, иллюстрирующие работу устройства реализующего способ выявления отраженного сигнала от мишени в индукционном резонансном металлоискателе, при наличии влияния дестабилизирующих факторов, в процессе поиска и обнаружения ее.
Предлагаемый способ выявления отраженного сигнала от мишени в индукционном, резонансном металлоискателе, при наличии влияния дестабилизирующих факторов в процессе поиска и обнаружения ее, основан на использовании явления резонанса напряжений, в последовательном колебательном LC-контуре, катушка которого является датчиком металлоискателя.
Исходя из теоретических основ электротехники [5] ниже приводятся обоснования реализации предложенного изобретения.
Г
Г
R
L
C
Г
LR
Г
LR
C
На Фиг. 1 представлен последовательный колебательный LC-контур с источником переменного напряжения U. Его векторная диаграмма (Фиг. 2) иллюстрирует состояние векторов U, U, U, U при резонансе напряжений. При этом катушка L имеет индуктивную составляющую сопротивления, что возможно только в идеальном последовательном колебательном контуре. На Фиг. 3 представлен реальный последовательный колебательный LC-контур с источником переменного напряжения U, катушка которого имеет комплексное сопротивление Z. Его векторная диаграмма (Фиг. 4) иллюстрирует состояние векторов U, U, U при резонансе напряжений.
В случае использования реального последовательного колебательного LC-контура с катушкой в качестве датчика металлоискателя, при воздействии поля катушки на мишень - диамагнетик, соотношение напряжений на ней и конденсаторе (Фиг. 5) характеризуются выражением:
При воздействии поля катушки на мишень - ферромагнетик, соотношение напряжений на ней и конденсаторе (Фиг. 6) характеризуются выражением:
LR
Где: |U| - модуль напряжения на катушке;
C
|U| - модуль напряжения на конденсаторе.
В предлагаемом изобретении выявление отраженного сигнала от мишени в индукционном, резонансном металлоискателе, при наличии влияния дестабилизирующих факторов, в процессе поиска и обнаружении ее осуществляется сравнением амплитуд напряжений на катушке датчика и конденсаторе.
Сравнение амплитуд напряжений, при предварительно установленном их равенстве, на катушке, являющейся датчиком металлоискателя, и конденсаторе позволяют фиксировать разницу напряжений, являющуюся отраженным сигналом от мишени.
В реальности состояние резонанса напряжений наступает, в случае, когда амплитуды на катушке и конденсаторе несколько отличаются от своих максимальных значений (Фиг. 7).
Смакс
Напряжение на емкости достигает максимума на частоте ω, несколько меньше резонансной, выражение:
0
Где: ω - резонансная частота;
Q - добротность колебательного контура.
Lмакс
Величина напряжения на индуктивности достигает максимума на частоте ω, несколько больше резонансной, выражение:
Lмакс
Смакс
Влиянием отклонения максимумов напряжений на конденсаторе и катушке, являющейся датчиком металлоискателя, можно пренебречь, т.к. нормальное значение добротности контура, обычно определятся величиной: Q≥200, в основном определяемая добротностью катушки датчика, при этом ω≥1,00000625, а ω≤0,99999375, что сопоставимо с порогом чувствительности предлагаемого способа. Температурная нестабильность омического сопротивления катушки датчика не нарушает предварительно установленного равенства амплитуд напряжений на катушке, являющейся датчиком металлоискателя, и конденсаторе, т.к. отклонение его на ±20%, в природном диапазоне температур, незначительно влияет на добротность катушки датчика. Т.е. небаланс предварительно установленного равенства амплитуд напряжений на катушке, являющейся датчиком металлоискателя, и конденсаторе, вызванный изменением добротности, меньше минимально возможного порога выявления сигнала отраженного от мишени. Что можно подтвердить расчетами по формулам (3) и (4).
ВАРИАНТ 1.
Поставленная цель достигается тем, что в последовательном колебательном LC-контуре, катушка которого является датчиком металлоискателя, в который подано синусоидальное переменное напряжение, с частотой приблизительно равной его собственной частоте, производят сравнение амплитуд напряжения на катушке датчика и конденсаторе. Для этого амплитуды напряжений с катушки датчика и конденсатора, относительно общей точки последовательного колебательного LC-контура, преобразуют делением на стабильный коэффициент масштабирования в масштабированные напряжения.
Максимальные величины амплитуд масштабированных напряжений не должны превышать величины пробоя электронных компонентов металлоискателя, т.к. амплитуды напряжений на катушке датчика и конденсаторе, вследствие резонанса, могут достигать, величины в несколько сот вольт.
Масштабированные напряжения преобразуют в постоянные напряжения одинаковой полярности равных их амплитуде и соответственно пропорциональные амплитуде напряжений с катушки датчика и конденсатора. Выделяют разность постоянных напряжений, для чего из постоянного напряжения, соответствующего амплитуде напряжения на катушке датчика, вычитают постоянное напряжение, соответствующего амплитуде напряжения на конденсаторе. Разность постоянных напряжений преобразуют в результирующее постоянное напряжение, для чего выявленную разность постоянных напряжений перемножают на стабильный коэффициент масштабирования. В процессе поиска мишени, отклонение результирующего постоянного напряжения более, чем на величину напряжения минимально возможного порога выявления сигнала отраженного от мишени, будет свидетельствовать об обнаружении мишени, причем полярность результирующего напряжения определяет характер материала мишени: ферромагнетик или диамагнетик, а величина напряжения - объем мишени и глубину залегания.
Последовательный колебательный LC-контур поддерживают в уравновешенном состоянии, при котором амплитуды напряжений на катушке датчика и конденсаторе должны быть равными, в процессе поиска, при разнообразных дестабилизирующих факторах, в условиях отсутствия отраженного сигнала от мишени. Соответственно результирующее постоянное напряжение не должно превышать напряжения минимально возможного порога выявления сигнала отраженного от мишени. Не выполнение условия равенства амплитуд напряжений на катушке датчика и конденсаторе будет означать не устраненное воздействие дестабилизирующих факторов, что обуславливает необходимость корректирования, частоты синусоидального переменного напряжения, которое осуществляют следующим образом. С заданной периодичностью, контролируют результирующее постоянное напряжение, в отсутствии отраженного сигнала от мишени. В случае, если полярность результирующего постоянного напряжения, отрицательная, то частоту синусоидального переменного напряжения пошагово увеличивают, на величину равной шагу изменения частоты, соответствующему напряжению минимально возможного порога выявления сигнала отраженного от мишени, до смены знака результирующего постоянного напряжения на положительный. Если полярность результирующего постоянного напряжения, положительная, частоту синусоидального переменного напряжения пошагово уменьшают, на величину равной шагу изменения частоты, соответствующему напряжению минимально возможного порога выявления сигнала, отраженного от мишени, до смены знака результирующего постоянного напряжения на отрицательный. Состояние периодической смены знака результирующего постоянного напряжения свидетельствует о том, что оно меньше напряжения минимально возможного порога выявления сигнала, отраженного от мишени, т.е. практически равно нулю, соответственно амплитуды напряжений на катушке датчика и конденсаторе равны, следовательно последовательный колебательный LC-контур приведен в уравновешенное состояние.
Заданную периодичность контроля результирующего постоянного напряжения выбирают частотой 5-20 Гц, длительностью 1-2 миллисекунды.
Корректирование частоты синусоидального переменного напряжения не вносит существенных погрешностей в результаты, т.к. заданная периодичность коррекции и шаг изменения частоты синусоидального переменного напряжения не позволяет свести результирующее постоянное напряжение к нулю, при наличии отраженного сигнала, поскольку дестабилизирующие факторы вносят изменения значительно медленнее и меньше, чем воздействие отраженного сигнала от мишени.
Возмущающее воздействие на результирующее постоянное напряжение, вызываемое отраженным сигналом от мишени, носит временный характер, при этом нарушается равенство напряжений на катушке датчика и конденсатора, которое восстанавливается после прекращения возмущающего воздействия от отраженного сигнала.
Устройство, реализующее первый вариант способа выявления отраженного сигнала от мишени в индукционном резонансном металлоискателе, при наличии влияния дестабилизирующих факторов, в процессе поиска и обнаружения ее, содержащее: генератор переменного напряжения, последовательный колебательный LC-контур состоящий из экранированной катушки, являющейся датчиком металлоискателя, и конденсатора, снабжено первым делителем напряжения, содержащим первый и второй резисторы, вторым делителем напряжения, содержащим третий и четвертый резисторы, двумя пиковыми детекторами с сбросом, сумматором, модулями индикации и коррекции, оптической развязкой, двумя источниками питания. Причем первый вывод выхода генератора подключен к первым выводам катушки и первого резистора, соединенным вторым выводом с первым выводом второго резистора и входом первого пикового детектора с сбросом, выходом подключенным к прямому входу сумматора, второй вывод выхода генератора - к первым выводам конденсатора и третьего резистора, соединенным вторым выводом с первым выводом четвертого резистора и входом второго пикового детектора с сбросом, выходом подключенным к инверсному входу сумматора, который своим выходом подключен к входам модуля индикации и модуля коррекции, первый выход которого, через оптическую развязку, подключен к входу управления генератора, а второй - к входам сброса первого и второго пиковых детекторов с сбросом. Экран катушки датчика, вторые выводы катушки датчика, конденсатора, второго и четвертого резисторов соединены с нулевым проводом сумматора. Первый источник питания подключен к цепям питания генератора, второй - к цепям питания сумматора, модуля индикации, модуля коррекции, при этом первый и второй источники питания гальванически развязаны.
Г
Г
L
C
Предлагаемое устройство (Фиг. 8), реализующее первый вариант способа, работает следующим образом. Синусоидальное переменное напряжение, с выводов выхода генератора переменного напряжения 1, U, частотой F подают на последовательный колебательный LC-контур, образованный катушкой датчика 2 и конденсатором 3. В результате чего на них формируются напряжения U и U, соответственно, относительно общей точки последовательного колебательного LC-контура, вторых выводов второго 14, четвертого 17 резисторов и нулевого провода сумматора 10. При этом в режиме резонанса величина максимальных амплитуд напряжений на катушке датчика 2 и конденсаторе 3 достигает величины:
Гm
Где: U - амплитуда напряжения на выходе генератора переменного напряжения 1;
Lm
U - амплитуда напряжения на катушке датчика 2;
Cm
U - амплитуда напряжения на конденсаторе 3;
Q - добротность последовательного колебательного LC-контура.
Первый делитель напряжения 12, образованный первым 13 и вторым 14 резисторами, а так же второй делитель напряжения 15, образованный третьим 16 и четвертым 17 резисторами понижают на стабильный коэффициент масштабирования K, напряжения с катушки датчика 2 и конденсатора 3, поступающие на входы первого 6 и второго 7 пиковых детекторов с сбросом. Стабильный коэффициент масштабирования выбирается из условий:
Исходя из условий (6) амплитуда масштабированных напряжений на входах первого 6 и второго 7 пиковых детекторов с сбросом, именуемых в дальнейшем ПДсС, будут соответственно равны:
Lmм
Lmм_
Cmм_
Сmм_
Lmм_
Cmм_
Напряжение U преобразуется первым ПДсС 6 в постоянное напряжение U, равное его амплитуде. Напряжение U преобразуется вторым ПДсС 7 в постоянное напряжение U, равное его амплитуде. Напряжение U с выхода первого ПДсС 6 поступает на прямой вход сумматора 10, а напряжение U с выхода второго ПДсС 7 - на инверсный вход сумматора 10, в котором сравниваются. Выделенная разность постоянных напряжений преобразуется на выходе сумматора 10 в результирующее постоянное напряжение:
Результирующее постоянное напряжение Upeз с выхода сумматора 10 подается на входы модулей коррекции 8 и индикации 11.
peз
Г
ynp
K
peз
Г
Г
Г
cб
Lmм_
Сmм_
Lmм_
Сmм_
При отсутствии в зоне поиска мишени, соответственно отсутствия отраженного сигнала от мишени, необходимо соблюдение равенства (5), т.е. U≈0. Не соблюдение данных условий, означает не устраненное воздействие дестабилизирующих факторов, вследствие чего производится автоматическая коррекция частоты F генератора переменного напряжения 1. Модуль коррекции 8, на первом выходе формирует импульсы коррекции U c частотой 5 Гц<F<20 Гц, длительностью 1-2 мСек, знаком соответствующие полярности результирующего постоянного напряжения U, на момент коррекции, которые меняют частоту F генератора переменного напряжения 1, на величину ΔF«F, равной шагу изменения частоты, соответствующему напряжению минимально возможного порога выявления сигнала отраженного от мишени, на втором выходе формирует однополярные импульсы сброса U, с такими же частотно-временными параметрами, которые задним фронтом сбрасывают ранее зафиксированные постоянное напряжение U первым ПДсС 6 и постоянное напряжение U вторым ПДсС 7. После чего они фиксируют новые значения постоянных напряжений U и U.
рез
Г
Lmм_
Cmм_
C
рез
Г
Lmм_
mм_
L
C
В случае, если U<0, (Фиг. 9, участок I, II), частота генератора переменного напряжения 1 увеличивается на один шаг изменения частоты ΔF, непосредственно после сравнения постоянных напряжений U и U, увеличивая тем самым напряжение UL и уменьшая напряжение U на величину напряжения, соответствующего минимально возможному порогу выявления сигнала отраженного от мишени. Если U>0, (Фиг. 9, участок III), частота генератора переменного напряжения 1 уменьшается на один шаг изменения частоты ΔF, непосредственно после сравнения постоянных напряжений U и UC, уменьшая тем самым напряжение U и увеличивая напряжение U на величину напряжения, соответствующего минимально возможному порогу выявления сигнала отраженного от мишени.
рез
Lmм_
Cmм_
рез
Состояние периодической смены знака результирующего постоянного напряжения U, при отсутствии отраженного сигнала от мишени, (Фиг. 9, участок III, IV) свидетельствует об устранении влияния дестабилизирующих факторов, т.е. U≈U и соответственно U≈0.
рез
рез
Отклонение в процессе поиска, результирующего постоянного напряжения U от нуля, на величину, превышающую напряжение минимально возможного порога выявления сигнала, отраженного от мишени, фиксируемую модулем индикации 11, будет свидетельствовать об обнаружении мишени. Причем полярность результирующего постоянного напряжения U определяет характер материала мишени: ферромагнетик (Фиг. 9, участок V) или диамагнетик (Фиг. 9, участок VI), а величина - объем мишени и глубину залегания.
ВАРИАНТ 2.
Поставленная цель достигается тем, что в последовательном колебательном LC-контуре, катушка которого является датчиком металлоискателя, в который подано синусоидальное переменное напряжение, с частотой приблизительно равной его собственной частоте, производят сравнение амплитуд напряжения на катушке датчика и конденсаторе. Для этого амплитуды напряжений с катушки датчика металлоискателя и конденсатора, относительно общей точки последовательного колебательного LC-контура, преобразуют в выделенные напряжения, для чего из их амплитуд вычитают стабильное пороговое напряжение.
Максимальная величина амплитуд выделенных напряжений не должна превышать величины пробоя электронных компонентов металлоискателя, т.к. амплитуды напряжений на катушке датчика и конденсаторе, вследствие резонанса, могут достигать, величины в несколько сот вольт.
Выделенные напряжения, с катушки датчика металлоискателя и с конденсатора преобразуют в постоянные напряжения одинаковой полярности, равные их амплитуде соответственно. Выделяют результирующее постоянное напряжение, для чего из постоянного напряжения, соответствующего амплитуде напряжения на катушке датчика, вычитают постоянное напряжение, соответствующего амплитуде напряжения на конденсаторе.
В процессе поиска мишени, отклонение результирующего постоянного напряжения более, чем на величину напряжения минимально возможного порога выявления сигнала отраженного от мишени, будет свидетельствовать об обнаружении мишени, причем полярность разности постоянных напряжений определяет характер материала мишени: ферромагнетик или диамагнетик, а величина напряжения - объем мишени и глубину залегания.
Последовательный колебательный LC-контур поддерживают в уравновешенном состоянии, при котором амплитуды напряжений на катушке датчика и конденсаторе должны быть равными, в процессе поиска, при разнообразных дестабилизирующих факторах, в условиях отсутствия отраженного сигнала от мишени. Соответственно результирующее постоянное напряжение не должно превышать напряжения минимально возможного порога выявления сигнала отраженного от мишени. Не выполнение условия равенства амплитуд напряжений на катушке датчика и конденсаторе будет означать не устраненное воздействие дестабилизирующих факторов, что обуславливает необходимость корректирования, частоты синусоидального переменного напряжения, которое осуществляют следующим образом. С заданной периодичностью, контролируют результирующее постоянное напряжение, в отсутствии отраженного сигнала от мишени. В случае, если полярность результирующего постоянного напряжения отрицательная, то частоту синусоидального переменного напряжения пошагово увеличивают, на величину равной шагу изменения частоты, соответствующему напряжению минимально возможного порога выявления сигнала, отраженного от мишени, до смены знака результирующего постоянного напряжения на положительный. Если полярность результирующего постоянного напряжения положительная, частоту синусоидального переменного напряжения пошагово уменьшают, на величину равной шагу изменения частоты, соответствующему напряжению минимально возможного порога выявления сигнала, отраженного от мишени, до смены знака результирующего постоянного напряжения на отрицательный. Состояние периодической смены знака результирующего постоянного напряжения свидетельствует о том, что оно меньше напряжения минимально возможного порога выявления сигнала, отраженного от мишени, т.е. практически равно нулю, соответственно амплитуды напряжений на катушке датчика и конденсаторе равны, следовательно последовательный колебательный LC-контур приведен в уравновешенное состояние.
Заданную периодичность контроля результирующего постоянного напряжения выбирают частотой 5-20 Гц, длительностью 1-2 миллисекунды.
Корректирование частоты синусоидального переменного напряжения не вносит существенных погрешностей в результаты, т.к. заданная периодичность коррекции и шаг изменения частоты синусоидального переменного напряжения не позволяет свести результирующее постоянное напряжение к нулю, при наличии отраженного сигнала, поскольку дестабилизирующие факторы вносят изменения значительно медленнее и меньше, чем воздействие отраженного сигнала от мишени.
Возмущающее воздействие на результирующее постоянное напряжение, вызываемое отраженным сигналом от мишени, носит временный характер, при этом нарушается равенство напряжений на катушке датчика и конденсатора, которое восстанавливается после прекращения возмущающего воздействия от отраженного сигнала.
Устройство, реализующее второй вариант способа выявления отраженного сигнала от мишени в индукционном резонансном металлоискателе, при наличии влияния дестабилизирующих факторов, в процессе поиска и обнаружения ее, содержащее: генератор переменного напряжения, последовательный колебательный LC-контур, состоящий из экранированной катушки, являющейся датчиком металлоискателя, и конденсатора снабжено двумя ограничителями напряжения, двумя резисторами, двумя пиковыми детекторами с сбросом, сумматором, модулями индикации и коррекции, оптической развязкой, двумя источниками питания. Причем первый вывод выхода генератора подключен к первым выводам катушки и первого ограничителя напряжения, который вторым выводом соединен с первым выводом первого резистора и входом первого пикового детектора с сбросом, выходом подключенным к прямому входу сумматора, второй вывод выхода генератора - к первыми выводам конденсатора и второго ограничителя напряжения, который вторым выводом соединен с первым выводом второго резистора и входом второго пикового детектора с сбросом, выходом подключенным к инверсному входу сумматора, который своим выходом подключен к входам модуля индикации и модуля коррекции, первый выход которого, через оптическую развязку, подключен к входу управления генератора а второй выход - к входам сброса первого и второго пиковых детекторов с сбросом. Экран катушки датчика, вторые выводы катушки датчика, конденсатора, первого и второго резисторов соединены с нулевым проводом сумматора. Первый источник питания подключен к цепям питания генератора, второй - к цепям питания сумматора, модуля индикации, модуля коррекции, при этом первый и второй источники питания гальванически развязаны.
Г
Г
L
C
Предлагаемое устройство (Фиг. 10), реализующее второй вариант способа, работает следующим образом. Синусоидальное переменное напряжение U, частотой F с выводов выхода генератора переменного напряжения 1, подают на последовательный колебательный LC-контур, образованный катушкой датчика 2 и конденсатором 3. В результате чего на них формируются напряжения U и U, соответственно, относительно общей точки последовательного колебательного LC-контура, вторых выводов первого 13, второго 14 резисторов и нулевого провода сумматора 10. При этом в режиме резонанса величина максимальных амплитуд напряжений на катушке датчика 2 и конденсаторе 3 достигает величины:
Гm
Где: U - амплитуда напряжения на выходе генератора переменного напряжения 1;
Lm
U - амплитуда напряжения на катушке датчика 2;
Cm
U - амплитуда напряжения на конденсаторе 3;
Q - добротность последовательного колебательного LC-контура.
Ограничители напряжения 18 и 19 имеют стабильное пороговое напряжение, определяемое условием:
з
Где: |U|- модуль заданного напряжения, значение которого принимается меньшим на 2v, чем напряжение второго 5 источника питания перемноженного на добротность последовательного колебательного LC-контура;
Гm
|U| - модуль амплитуды переменного напряжения генератора переменного напряжения 1, подаваемого в последовательный колебательный LC-контур.
Модуль напряжения с катушки датчика 2, через первый ограничитель напряжения 18, выделяется на первом резисторе 13:
Модуль напряжения с конденсатора 3, через второй ограничитель напряжения 19, выделяется на втором резисторе 14:
Lm
Где: |ΔU| - модуль выделенного напряжения из амплитуды напряжения на катушки 1датчика 2;
Сm
|ΔU| - модуль выделенного напряжения из амплитуды напряжения на конденсаторе 3.
Lm
Cm
Lm_
Cm
Lm_
Cm_
Выделенные напряжения ΔU и ΔU поступают на входы первого ПДсС 6 и второго ПДсС 7, соответственно, где преобразуются в постоянные напряжения, одинаковой полярности ΔU и ΔU, равных их амплитуде. Напряжение ΔU с выхода первого ПДсС 6 поступает на прямой вход сумматора 10, напряжение ΔU с выхода второго ПДсС 7 - на инверсный вход сумматора 10, в котором выделяется результирующее постоянное напряжение:
рез
Г
ynp
K
рез
Г
Г
Г
c6
Lm_
Cm_
Lm_
Cm_
Результирующее постоянное напряжение L, с выхода сумматора 10 подается на входы модулей коррекции 8 и индикации 11. При отсутствии в зоне поиска мишени, соответственно, отсутствия отраженного сигнала от мишени, необходимо соблюдение равенства (10). Не соблюдение его, означает не устраненное воздействие дестабилизирующих факторов, вследствие чего производится автоматическая коррекция частоты F генератора переменного напряжения 1. Модуль коррекции 8 на первом выходе формирует импульсы коррекции U c частотой 5 Гц<F<20 Гц, длительностью 1-2 мСек, знаком соответствующие полярности результирующего постоянного напряжения U, на момент коррекции, которые меняют частоту F генератора переменного напряжения 1, на величину ΔF«F, равной шагу изменения частоты, соответствующему напряжению минимально возможного порога выявления сигнала отраженного от мишени. На втором выходе формирует однополярные импульсы сброса U, с такими же частотно-временными параметрами, которые задним фронтом сбрасывают ранее зафиксированные постоянное напряжение ΔU первым ПДсС 6 и постоянное напряжение ΔU вторым ПДсС 7. После чего они фиксируют новые значения постоянных напряжений ΔU и ΔU.
рез
Г
Lm_
Сm_
L
C
рез
Г
Lm_
Cm_
L
C
В случае, если U<0 (Фиг. 11, участок I, II), частота генератора переменного напряжения 1 увеличивается на один шаг изменения частоты ΔF, непосредственно после сравнения постоянных напряжений ΔU и ΔU, увеличивая тем самым напряжение U и уменьшая напряжение U на величину напряжения, соответствующего минимально возможному порогу выявления сигнала отраженного от мишени. Если U>0 (Фиг. 11, участок III), частота генератора переменного напряжения 1 уменьшается на один шаг изменения частоты ΔF, непосредственно после сравнения постоянных напряжений ΔU и ΔU, уменьшая тем самым напряжение U и увеличивая напряжение U на величину напряжения, соответствующего минимально возможному порогу выявления сигнала отраженного от мишени.
рез
Lm_
Cm_
рез
рез
рез
Состояние периодической смены знака результирующего постоянного напряжение U, при отсутствии отраженного сигнала от мишени (Фиг. 11, участок III, IV) свидетельствует, об устранении влияния дестабилизирующих факторов, т.е. ΔU≈ΔU и соответственно U ≈0. Отклонение, в процессе поиска, результирующего постоянного напряжения U от нуля, на величину превышающую напряжение минимально возможного порога выявления сигнала, отраженного от мишени, фиксируемую модулем индикации 11, будет свидетельствовать об обнаружении мишени. Причем полярность результирующего постоянного напряжения U определяет характер материала мишени: ферромагнетик (Фиг. 11, участок V) или диамагнетик (Фиг. 9, участок VI), а величина напряжения - объем мишени и глубину залегания.
ВАРИАНТ 3.
Поставленная цель достигается тем, что в последовательном колебательном LC-контуре, катушка которого является датчиком металлоискателя, в который подано синусоидальное переменное напряжение, с частотой приблизительно равной его собственной частоте, производят сравнение амплитуд напряжения на катушке датчика и конденсаторе. Для этого напряжения с катушки датчика и конденсатора, относительно общей точки последовательного колебательного LC-контура, преобразуют в постоянные напряжения, равные их амплитуде, причем напряжение с катушки датчика преобразуют в положительное постоянное напряжение, а с конденсатора - в отрицательное. Производят сравнение постоянного напряжения, соответствующего амплитуде напряжения, на катушке датчика с постоянным напряжением, соответствующим амплитуде напряжения, на конденсаторе, сложением их. В результате сравнения выявляют результирующее постоянное напряжение, максимальное значение которого не должно превышать величины пробоя электронных компонентов металлоискателя.
В процессе поиска мишени, отклонение результирующего постоянного напряжения более, чем на величину напряжения минимально возможного порога выявления сигнала, отраженного от мишени, будет свидетельствовать об обнаружении мишени, причем полярность результирующего постоянного напряжения определяет характер материала мишени: ферромагнетик или диамагнетик, а величина напряжения - объем мишени и глубину залегания.
Последовательный колебательный LC-контур поддерживают в уравновешенном состоянии, при котором амплитуды напряжений на катушке датчика и конденсаторе должны быть равными, в процессе поиска, при разнообразных дестабилизирующих факторах, в условиях отсутствия отраженного сигнала от мишени. Соответственно результирующее постоянное напряжение не должно превышать напряжения минимально возможного порога выявления сигнала отраженного от мишени. Не выполнение условия равенства амплитуд напряжений на катушке датчика и конденсаторе будет означать не устраненное воздействие дестабилизирующих факторов, что обуславливает необходимость корректирования, частоты синусоидального переменного напряжения, которое осуществляют следующим образом. С заданной периодичностью, контролируют результирующее постоянное напряжение, в отсутствии отраженного сигнала от мишени. В случае, если полярность результирующего постоянного напряжения, отрицательная, то частоту синусоидального переменного напряжения пошагово увеличивают, на величину равной шагу изменения частоты, соответствующему напряжению минимально возможного порога выявления сигнала отраженного от мишени, до смены знака результирующего постоянного напряжения на положительный. Если полярность результирующего постоянного напряжения, положительная, частоту синусоидального переменного напряжения пошагово уменьшают, на величину равной шагу изменения частоты, соответствующему напряжению минимально возможного порога выявления сигнала отраженного от мишени, до смены знака результирующего постоянного напряжения на отрицательный. Состояние периодической смены знака результирующего постоянного напряжения свидетельствует о том, что оно меньше напряжения минимально возможного порога выявления сигнала отраженного от мишени, т.е. практически равно нулю, соответственно амплитуды напряжений на катушке датчика и конденсаторе равны, следовательно последовательный колебательный LC-контур приведен в уравновешенное состояние.
Заданную периодичность контроля результирующего напряжения выбирают частотой 5-20 Гц, длительностью 1-2 миллисекунды.
Корректирование частоты синусоидального переменного напряжения не вносит существенных погрешностей в результаты, т.к. заданная периодичность коррекции и шаг изменения частоты синусоидального переменного напряжения не позволяет свести результирующее постоянное напряжение к нулю, при наличии отраженного сигнала, поскольку дестабилизирующие факторы вносят изменения значительно медленнее и меньше, чем воздействие отраженного сигнала от мишени.
Возмущающее воздействие на результирующее постоянное напряжение, вызываемое отраженным сигналом от мишени, носит временный характер, при этом нарушается равенство напряжений на катушке датчика и конденсатора, которое восстанавливается после прекращения возмущающего воздействия от отраженного сигнала.
Устройство, реализующее третий вариант способа выявления отраженного сигнала от мишени в индукционном резонансном металлоискателе, при наличии влияния дестабилизирующих факторов, в процессе поиска и обнаружения ее, содержащее: генератор переменного напряжения, последовательный колебательный LC-контур состоящий из экранированной катушки, являющейся датчиком металлоискателя, и конденсатора снабжено двумя пиковыми детекторами с сбросом, пассивным сумматором содержащем три резистора, буферным усилителем, модулями индикации и коррекции, оптической развязкой, двумя источниками питания. Причем первый вывод выхода генератора подключен к с первому выводу катушки и входу первого пикового детектора с сбросом, выходом подключенным к первому выводу первого резистора, пассивного сумматора, второй вывод выхода генератора - к первому вывода конденсатора и входу второго пикового детектора с сбросом, выходом подключенным к первому выводу второго резистора, пассивного сумматора, вторые выводы первого и второго резисторов соединены с первым выводом третьего резистора и входом буферного усилителя, который своим выходом подключен к входам модуля индикации и модуля коррекции, первый выход которого, через оптическую развязку, подключен к с входу управления генератора, второй - к входам сброса первого и второго пиковых детекторов с сбросом. Экран катушки датчика, вторые выводы катушки датчика, конденсатора, третьего резистора соединены с нулевым проводом буферного усилителя. Первый источник питания подключен к цепям питания генератора, второй - к цепям питания буферного усилителя, модуля индикации, модуля коррекции, при этом первый и второй источники питания гальванически развязаны.
Г
Г
L
C
Предлагаемое устройство (Фиг. 12), реализующее третий вариант способа, работает следующим образом. Синусоидальное переменное напряжение U, частотой F с выхода генератора переменного напряжения 1, подают на последовательный колебательный LC-контур, образованный катушкой датчика 2 и конденсатором 3, результате чего на них формируются напряжения U и U, соответственно, относительно общей точки последовательного колебательного LC-контура, второго вывода третьего резистора 16, и нулевого провода буферного усилителя 21. При этом в режиме резонанса величина максимальных амплитуд напряжений на катушке датчика и конденсаторе достигает величины:
Гm
Где: U - амплитуда напряжения на выходе генератора переменного напряжения 1;
Lm
U - амплитуда напряжения на катушке датчика 2;
Cm
U - амплитуда напряжения на конденсаторе 3;
Q - добротность последовательного колебательного LC-контура.
Lm_
Lm
Cm_
Cm
Lm_
Cm_
Напряжение с первого вывода катушки 2 поступает на вход первого ПДсС 6, которое преобразуется в нем в положительное постоянное напряжение U, величиной равное амплитуде напряжения U на катушке датчика 2. Напряжение с первого вывода конденсатора 3 поступает на вход второго ПДсС 7, которое преобразуется в нем в отрицательное постоянное напряжение U, величиной равное амплитуде напряжения U на конденсаторе 3. Напряжения U поступает на первый вывод первого резистора 13, пассивного сумматора 20, U поступает на первый вывод второго резистора 14, пассивного сумматора 20. В узле пассивного сумматора 20, образованным соединением вторых выводов первого 13, второго 14 резисторов и первым выводом третьего 16 резистора выделяется разность постоянных напряжений:
ЗКМ
Где: K - заданный коэффициент масштабирования.
При этом необходимо соблюдение условия:
Разность постоянных напряжений ΔU_ поступает на вход буферного усилителя 21, в котором преобразуется в результирующее постоянное напряжение:
рез
Г
yпp
K
рез
Г
Г
Г
cб
Lm_
Cm_
Lm_
Cm
С выхода буферного усилителя 21 результирующее постоянное напряжение U поступает на входы модуля индикации 11 и модуля коррекции 8. При отсутствии в зоне поиска мишени, соответственно, отсутствия отраженного сигнала от мишени, необходимо соблюдение равенства (15). Не соблюдение его, означает не устраненное воздействие дестабилизирующих факторов, вследствие чего производится автоматическая коррекция частоты F генератора переменного напряжения 1. Модуль коррекции 8 на первом выходе формирует импульсы коррекции U с частотой 5 Гц<F<20 Гц, длительностью 1-2 мСек, знаком соответствующие полярности результирующего постоянного напряжения U на момент коррекции, которые меняют частоту F генератора переменного напряжения 1, на величину ΔF<<F, равной шагу изменения частоты, соответствующему напряжению, минимально возможного порога выявления сигнала отраженного от мишени, на втором выходе формирует однополярные импульсы U, с такими же частотно-временными параметрами, которые задним фронтом сбрасывают ранее зафиксированные напряжение U первым ПДсС 6 и напряжение U вторым ПДсС 7. После чего они фиксируют новые значения напряжений U и U_.
рез
Г
Lm_
Cm_
L
C
В случае, если U<0 (Фиг. 13, участок I, II), частота генератора переменного напряжения 1 увеличивается на один шаг изменения частоты ΔF, непосредственно после сравнения величин U и U, увеличивая тем самым напряжение U и уменьшая напряжение U на величину напряжения, соответствующего минимально возможному порогу выявления сигнала отраженного от мишени.
рез
Г
Lm_
Cm_
L
C
Если U>0 (Фиг. 9, участок III), частота генератора переменного напряжения 1 уменьшается на один шаг изменения частоты ΔF, непосредственно после сравнения величин U и U, уменьшая тем самым напряжение U и увеличивая напряжение L на величину напряжения, соответствующего минимально возможному порогу выявления сигнала отраженного от мишени.
рез
Lm_
Cm_
рез
рез
рез
Состояние периодической смены знака результирующего постоянного напряжения U, при отсутствии отраженного сигнала от мишени, (Фиг. 13, участок III, IV) свидетельствует об устранении влияния дестабилизирующих факторов, т.е. U≈U и соответственно U≈0. Отклонение, в процессе поиска, результирующего постоянного напряжения U от нуля, на величину превышающую напряжение минимально возможного порога выявления сигнала, отраженного от мишени, фиксируемую модулем индикации 11, будет свидетельствовать об обнаружении мишени. Причем полярность результирующего постоянного напряжения U определяет характер материала мишени: ферромагнетик (Фиг. 13, участок V) или диамагнетик (Фиг. 13, участок VI), а величина - объем мишени и глубину залегания.
Источники информации:
1. АС СССР G01V 3/00, 28.05.75 №741216 Металлоискатель.
2. Книга. А. Щедрин, И. Осипов «Металлоискатели для поиска кладов и реликвий.» Москва, Радио и связь: Горячая линия - Телеком, 2000 г.
3. US 9557390, 31.01.2017 Noise reduction circuitry for a metal detector.
4. http://www.minelab.com/russia/patents.
5. studopedia.ru Последовательный колебательный контур. Лекция 15.