Металлообнаружитель ручной
MANUAL METAL DETECTOR

Изобретение относится к области обнаружения скрытых металлических объектов и может быть использовано для обнаружения запрещенных металлических предметов, спрятанных на теле, в одежде или обуви досматриваемого человека при досмотровых операциях, а также для предотвращения краж мелких объектов из драгоценных металлов на соответствующих предприятиях.
Известен патент №2300788 «Ручной металлодетектор», 2005 г. Изобретение относится к области обнаружения скрытых металлических объектов. Он содержит катушку возбуждения и четыре приемных катушки, которые вместе образуют однонаправленный индуктивный датчик. Приемные катушки соединены попарно вместе с синхронным детектором и пороговым устройством, образуя два измерительных канала, сигналы которых анализируются вычислительным блоком. Независимая обработка сигналов двух измерительных каналов обеспечивает высокую селективность металлодетектора.
Известен патент на полезную модель №51238, 2005 г. «Ручной металлодетектор». Он содержит катушку возбуждения и генератор, создающие электромагнитное поле определенного радиуса действия и приемные катушки, улавливающие изменения электромагнитного поля, созданного катушкой возбуждения. Сигнал с приемной катушки поступает на синхронный детектор и пороговое устройство, где полезный сигнал отделяется от шумовых составляющих и поступает в аналого-цифровой преобразователь, в вычислительный блок и индикатор.
Известен компактный металлодетектор (патент США №4423377, от 27 декабря 1983 г.), содержащий передающую катушку, подключенную к генератору и приемную катушку, подключенную через предварительный усилитель к входу синхронного детектора, синхронизирующий выход генератора соединен через фазосдвигающую цепь с управляемым входом синхронного детектора, выход которого через усилитель подключен к звуковому генератору, выход которого соединен с динамиком.
Известна полезная модель «Ручной металлообнаружитель» (патент РФ №175760 от 19.06.2017), взятая за прототип и содержащая размещенные в корпусе передающую катушку возбуждения, вывод которой соединен с выходом генератора, вход которого соединен с выходом микроконтроллера, приемную катушку через последовательно соединенные синхронный детектор и пороговое устройство, соединенную с входом микроконтроллера, выход которого соединен с звуковым вещателем, магниторезистивные датчики постоянного магнитного поля, каждый из которых соединен с дифференциальным усилителем, выходы которых соединены с устройством обработки изменений магнитного поля в виде полосовых фильтров, сумматоров и вычитателей, входы полосовых фильтров соединены с выходами дифференциальных усилителей, выходы полосовых фильтров соединены с входами сумматора и первыми входами вычитателей, выход сумматора соединен с вторыми входами вычитателей, выходы которых соединены с мультиплексором, выход мультиплексора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с микроконтроллером, осуществляющим управление и синхронизацию работы всей схемы, выходы микроконтроллера соединены с магниторезисторами и звуковым извещателем, а вход соединен с акселерометром, при этом в цепь металлообнаружителя с катушками между синхронным детектором и пороговым устройством последовательно присоединен к ним интегратор.
Недостатком всех вышеперечисленных устройств является их большие габариты и масса, необходимость держать корпус устройства в руках при досмотровых операциях, что ограничивает степень свободы рук досматривающего персонала, а также низкая точность локализации обнаруживаемых металлических предметов вследствие больших габаритов приемных и передающих катушек, размещенных в корпусах изделий.
В основу изобретения положена задача создания досмотрового металлобнаружителя малой массы и габаритов, применение которого не связано с ограничением степени свободы рук досматривающего персонала и позволяющего селективно по массе и по типу металла обнаруживать металлические объекты и эффективно их локализовывать, в том числе и при осуществлении скрытых досмотровых операций.
Решаемая техническая задача в ручном металлообнаружителе, содержащем блок управления и вычисления, передающую катушку, подключенную к генератору, приёмную катушку, подключенную к блоку вычисления и управления, подключенные к блоку управления и вычисления звуковой извещатель и акселерометр, причем генератор также подключен к вычислительному блоку, первый и второй магниторезистивные датчики постоянного магнитного поля, подключенные, соответственно, к первому и второму дифференциальным усилителям, выходы которых соединены с двумя входами мультиплексора, выход  которого соединен с входом первого аналого-цифрового преобразователя, подключенного к блоку вычисления и управления, к которому также подключен третий вход мультиплексора, достигается тем, что металлообнаружитель конструктивно выполнен в виде перчатки или рукавицы универсального размера руки с открытыми или защищенными материалом пальцами, причём передающая и приемная катушки выполнены на одной общей печатной плате с генератором, с блоком управления и вычисления, с первым и вторым магниторезистивными датчиками, с первым и вторым дифференциальными усилителями, с мультиплексором, с первым аналого-цифровыми преобразователем, при этом металлообнаружитель дополнительно содержит вибро-извещатель, подключенный к блоку управления и вычисления, а в цепь металлобнаружителя между приемной катушкой и блоком управления и вычисления последовательно присоединены к ним третий дифференциальный усилитель и второй аналого-цифровой преобразователь, также размещенные на вышеуказанной общей печатной плате, при этом вышеуказанная общая печатная плата с размещенными на ней элементами металлообнаружителя заделана в материал перчатки или рукавицы с внутренней или тыльной стороны ладони.
На фиг.1 приведена структурная схема металлообнаружителя. На фиг.2 один из вариантов его конструктивной реализации.
Металлообнаружитель содержит передающую катушку возбуждения 7, выводы которой соединены с выходом генератора 9, вход которого соединен с блоком управления и вычисления 12. Приёмная катушка 8, подключена к третьему дифференциальному усилителю 10, выход которого подключен к второму аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 11, выход которого подключен к блоку управления и вычисления 12. Выходы акселерометра 13 и органов управления 14 подключены к блоку управления и вычисления 12, к которому также подключены входы звукового извещателя 15, виброизвещателя 16 и индикатора 17. Первый и второй магниторезистивные датчики 1 и 2 подключены к первому и второму дифференциальному усилителям 3 и 4 соответственно. Выходы первого и второго дифференциальных усилителей 3 и 4 подключены к мультиплексору 5, выход которого подключен к первому АЦП 6, а вход мультиплексора 5 подключен к блоку управления и вычисления 12. Выход первого АЦП подключен к входу блока управления и вычисления 12. Все элементы структурной схемы расположены на единой общей печатной плате 18, размещенной внутри перчатки или рукавицы 19 (в данном варианте реализации приведен частный случай перчатки с открытыми пальцами). На Фиг.2 виброизвещатель 16 расположен в чувствительной области запястья, органы управления 14 выполнены в виде одной, достаточной для управления режимами работы устройства, кнопки, а индикатор 17 выполнен в виде светодиодной линейки.
При проведении досмотровых операций, необходимо наличие бесшумного и невидимого вибро-извещателя 16, сигнализирующего об обнаружении и местоположении металлических объектов путем изменения интенсивности вибрационного воздействия на чувствительные области тела в зависимости от близости расположения к обнаруженному объекту приемной и передающих катушек, поскольку визуальный доступ к световому индикатору при досмотре может быть затруднен, а сигнал звукового извещателя в ряде случаев при проведении скрытых досмотровых операциях недопустим.
В ручном металлообнаружителе совмещены две магниточувствительные схемы – на основе передающей и приемной электромагнитных катушек, и на основе пассивных датчиков постоянного магнитного поля Земли – магниторезисторов. На фиг. 1 они пунктирно обозначены, соответственно, как I и II и объединены блоком управления и вычисления 12. Это позволило эффективно использовать свойства каждой системы в одном металлообнаружителе. Для I системы - возможность селективного обнаружения металлических объектов как из ферромагнитного металла, так и из цветного металла, с небольшим радиусом действия, позволяющим эффективно локализовывать обнаруживаемые металлические объекты в том числе и малой массы и дифференцировать их по типу металла. Для II системы – селективное обнаружение объектов только из ферромагнитного металла, при увеличении радиуса обнаружения. Ручной металлообнаружитель может работать в трех независимых друг от друга режимах – в режиме работы системы с электромагнитными катушками, в режиме работы системы с магниторезисторами и в режиме одновременной работы обоих систем, что позволяет использовать его в широком спектре досмотровых операций.
Излучающая электромагнитное поле передающая катушка и приемная катушка системы I выполнены таким образом, что в отсутствие металлических объектов в радиусе действия катушек наведенный электродвижущей силой (ЭДС) сигнал в приемной катушке близок к нулевому уровню, что позволяет дополнительно его усилить третьим дифференциальным усилителем 10, что, в свою очередь, компенсирует падение электромагнитной чувствительности устройства, вызванное исполнением катушек малыми габаритами. Размещение приемной и передающей катушек на единой общей печатной плате с обрабатывающими входной сигнал элементами металлообнаружителя, отсутствие гибких проводных соединений между катушками и элементами металлообнаружителя, позволяет добиться высокой помехоустойчивости по отношению к механическим деформациям и механическому воздействию, возникающим при эксплуатации устройства, поскольку печатная плата достаточной толщины из текстолита обладает высокой сопротивляемостью к изгибам и кручениям. В иных вариантах конструктивного расположения приемной и передающей катушек механическое воздействие на катушки, неизбежно возникающее при эксплуатации устройства, вызывает ложные срабатывания электромагнитной системы обнаружения I.
Приемная и передающая катушки могут быть выполнены, например, в виде катушек индуктивности прямоугольной формы малой толщины намотки проводом ПЭТВ-2 диаметром 0,05-0.15 мм, что позволяет размещать печатную плату с установленными и закрепленными на ней катушками внутри перчатки или рукавицы. Для обеспечения монолитного соединения катушек с печатной платой они дополнительно могут быть залиты эпоксидным клеем. Другой вариант реализации передающей и приемной катушек при работе на высоких рабочих частотах электромагнитного поля – медными проводниками методом травления на многослойной печатной плате с переходными отверстиями между слоями, что автоматизирует процесс производства таких металлообнаружителей, поскольку намотка катушек проводниками и жесткое их крепление к печатной плате является наиболее трудоемкой частью общей технологии производства таких устройств. Малая форма катушек и симметрия их взаимного положения позволяет обеспечить достаточно точную локализацию обнаруживаемых мелких металлических объектов, сравнимую с размерами обнаруживаемых объектов, и минимизирует общие габариты печатной платы, способной быть выполненной, вследствие этого, размером с ладонь среднестатистического человека, и способной быть размещенной в материале перчатки, надеваемой на руку досматривающего персонала и не стесняющей при этом движения рук досматривающего персонала. Наличие второго АЦП 11 вызвано необходимостью цифровой математической обработки исходного сигнала приёмной катушки на предмет выявления изменения амплитуды и фазы приемного сигнала относительно фазы передающего сигнала, что позволяет по сдвигу фазы определить тип металла обнаруженного металлического объекта, а по изменению амплитуды оценить его массогабаритные показатели, обеспечивая при этом селективность обнаружения как по размеру обнаруженного объекта, так и по типу металла этого объекта.
Схема II на основе пассивных магниторезистивных датчиков улавливает изменения постоянного магнитного поля Земли, вызванные появлением в радиусе действия датчиков металлических объектов из ферромагнитного металла. Сигналы с магниторезистивных датчиков 1 и 2 усиливаются дифференциальными усилителями 3 и 4 и подаются через мультиплексор 5 на первый АЦП 6, где оцифровываются и далее попадают в цифровом виде в блок управления и вычисления 12, где подвергаются программной обработке на предмет вычисления математически взвешенной разницы между сигналами магниторезисторов, что отсекает синфазные изменения сигналов магниторезисторов, обусловленные изменением их положения относительно силовых линий постоянного магнитного поля Земли. Объект из ферромагнитного металла, попадая в радиус обнаружения магниторезисторов, вызывает разные изменения сигналов на их выходах, что регистрируется в блоке управления и вычисления 12, вызывая сигнал тревоги. Радиус действия пассивных магниторезистивных датчиков в зависимости от устанавливаемой пользователем чувствительности может достигать до 80 см при необходимости обнаружения крупного огнестрельного оружия, например, пистолета Макарова.
Блок управления и вычисления может быть выполнен, на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). ПЛИС позволяет производить параллельную многоканальную цифровую и математическую обработку сигналов, при этом электрическая принципиальная схема разрабатывается в отладочной среде или программированием на специальных языках программирования, например, Verilog, VHDL,
АHDL – языки описания аппаратуры интегральных схем. Такая программа компилируется и прошивается в ПЛИС, в результате чего ПЛИС становится электронным цифровым устройством с определенным программой функционалом. Параллельная многоканальная цифровая и математическая обработка сигналов позволяет осуществлять работу активной и пассивной схем I и II одновременно параллельно и независимо друг от друга, что позволяет гибко выбирать в каком именно режиме требуется работа устройства. Применение ПЛИС также позволяет производить обработку сигналов с частотой до 300 кГц и выше, что позволяет дополнительно снизить количество витков передающей и приемной катушек или выполнить катушки медными проводниками методом травления на многослойной печатной плате и, как следствие, дополнительно уменьшить габариты устройства. В случае, если конечные габариты устройства и его эргономика не имеют существенного значения, блок управления и вычисления может быть выполнен на базе более дешевых низкоскоростных микроконтроллеров.
Акселерометр 17 в автоматическом режиме определяет, когда металлообнаружитель используется непосредственно для проведения досмотровых операций. Извещая об этом блок управления и вычисления 12, который отключает питание основной части схемы, когда металлообнаружитель не используется, например, в режиме транспортировки и хранения, существенно снижая этим энергопотребление и уменьшая габариты устройства за счет отсутствия дополнительных кнопок включения/отключения изделия.
В настоящее время ручной металлообнаружитель изготовлен и успешно прошел эксплуатационные испытания.