СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕЛКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРЕДМЕТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETECTING SMALL METAL OBJECTS AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области дефектоскопии и может быть использовано для обнаружения мелких предметов, выполненных из драгоценных металлов, при контроле проходов аэропортов, морских портов и проходных промышленных предприятий.
Известен индуктивный аппарат для обнаружения металлических объектов в зоне обнаружения [патент FR №2145679, МКИ G01V 3/10, G08B 13/24, опубл. 23.02.1973], содержащий по крайней мере один блок индуктивностей, источник переменного тока и блок обработки принимаемого сигнала. Блок индуктивностей состоит из излучающей катушки, соединенной через подстраиваемую катушку связи с детекторной катушкой. При отсутствии в постоянном магнитном поле, произведенным излучающей катушкой, металлического предмета путем минимизации взаимной индукции между излучающей и детекторной катушками на выходе детекторной катушки напряжение равно нулю. Источник переменного тока, вырабатывающий сигнал в диапазоне частот от 200 до 4000 Гц, соединен с излучающей катушкой, а детекторная катушка подключена к блоку обработки принимаемого сигнала.
Наиболее близким техническим решением является устройство для обнаружения металлических объектов в зоне поиска [патент GB №1334295, МКИ G01V 3/10, опубл. 17.10.1973], содержащее передающую цепь, приемную цепь и выходной блок. Передающая цепь включает задающий генератор, который через блок предварительных усилителей соединен с передающей катушкой. Задающий генератор обеспечивает зондирование зоны поиска электромагнитным сигналом с определенным уровнем энергии на единицу объема зоны поиска. Приемная цепь состоит из приемной катушки, сумматора принимаемого сигнала, суммирующего трансформатора, соединенного через один из предварительных усилителей передающей цепи с нуль-цепью, и проходного усилителя. На выходе приемной цепи в отсутствие металлического объекта в зоне поиска скомпенсированное напряжение равно нулю. Выходная цепь содержит блок датчиков фазы, параллельно подключенных к проходному усилителю, и блок фазовращателей, соединенных с одним из предварительных усилителей передающей цепи. Число фазовращателей равно числу датчиков фазы. При обнаружении металлического предмета в зоне поиска происходит изменение амплитуды и полярности выходного сигнала, причем по полярности сигнала на выходе каждого датчика фазы судят о типе металла (черный или цветной).
В основу изобретения положена задача повышения чувствительности и надежности обнаружения мелких металлических предметов, вносимых в зону обнаружения.
Поставленная задача решается тем, что в способе обнаружения мелких металлических предметов, основанном на возбуждении зоны обнаружения низкочастотным электромагнитным полем и приеме отраженного от зоны обнаружения сигнала, согласно изобретению дополнительно зону обнаружения облучают СВЧ-полем, подбирают величину низкочастотного электромагнитного поля, достаточную для возникновения механической вибрации предмета поиска в зоне обнаружения, осуществляют прием отраженного от зоны обнаружения СВЧ-сигнала, модулированного параметрами механической вибрации предмета поиска, выделяют из принимаемого модулированного СВЧ-сигнала полезный сигнал частотой Ω, где Ω - частота механической вибрации предмета поиска.
Поставленная задача решается также тем, что в известное устройство, содержащее низкочастотный генератор, соединенный с индукционным излучателем, дополнительно введены автодинный СВЧ-приемопередатчик с антенной, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами фазового детектора соответственно, а выход фазового детектора через фильтр нижних частот подключен к индикатору обнаружения.
На фиг.1 представлена схема реализации заявляемого способа.
Предмет поиска 1 помещают в низкочастотное электромагнитное поле
Г
2
зоны обнаружения, периметр которой совпадает со средним радиусом R индукционного излучателя 3, питаемого низкочастотным генератором 2. Под действием низкочастотного электромагнитного поля  зоны обнаружения в предмете поиска 1 наводятся вторичный вихревой ток I, амплитуда которого равна:
1
где  - электродвижущая сила, наведенная гармоническим током I в предмете поиска 1;
-7
µ=4π×10 Гн/м - магнитная проницаемость воздуха;
R - средний радиус предмета поиска 1, м;
Г
R - средний радиус индукционного излучателя 3, м;
- сопротивление проводящего кольца с поперечным сечением δh, эквивалентного предмету поиска;
σ - проводимость материала предмета поиска 1, См/м;
h - толщина предмета поиска, м;
- глубина скин-слоя в материале предмета поиска 1.
1
2
Сила Лоренца, возникающая при взаимодействие токов I и I и вызывающая механическую вибрацию предмета поиска 1 с частотой вибрации Ω=2πF и с углом отклонения α от начального горизонтального положения, определяется выражением:
Подставим отношение (1) в выражение (2) и получим следующее уравнение для определения силы Лоренца, действующей на предмет поиска 1:
Причем для обеспечения колебательного смещения предмета поиска 1 необходимо соблюдать следующее условие:
2
где Р=ρπRh - вес предмета поиска 1;
3
ρ - удельный вес материала предмета поиска 1, кг/м.
1
Для возникновения механической вибрации предмета поиска 1 частотой Ω=2πF подбирают величину амплитуды тока , протекающего в индукционном излучателе 3. Из выражений (3) и (4) находим необходимую величину амплитуды тока I для обеспечения механической вибрации предмета поиска 1:
1
Γ.
Как видно из выражения (5), необходимая величина тока I для обеспечения механической вибрации предмета поиска 1 зависит от частоты Ω и от среднего радиуса индукционного излучателя R
Дополнительно зону обнаружения облучают СВЧ-полем  частотой ω=2πf с помощью антенны, соединенной с приемопередатчиком 4. Затем осуществляют прием отраженного от зоны обнаружения СВЧ-сигнала , модулированного по фазе частотой вибрации предмета поиска Ω:
где Δφ(Ω) - фаза отраженного СВЧ-сигнала ;
∂
∂
E и H начальное значение амплитуды электрической и магнитной составляющих СВЧ-поля  соответственно;
Фаза отраженного электромагнитного сигнала определяется следующим выражением:
где Ω=2πF - частота механической вибрации предмета поиска 1;
Л
Α(Ω)=К×Р - амплитуда механической вибрации предмета поиска;
К - коэффициент пропорциональности;
λ - длина волны отраженного электромагнитного поля.
Подставив величину α=90° в выражение (7), находим максимальную амплитуду механической вибрации предмета поиска 1:
Как видно из выражения (7), фаза отраженного электромагнитного сигнала Δφ(Ω) зависит от параметров механической вибрации предмета поиска и, следовательно, от габаритных размеров и электрофизических параметров предмета поиска 1.
Последующая фазовая демодуляция принимаемого СВЧ-сигнала  позволяет выделить полезный сигнал, содержащий информацию о габаритных размерах и электрофизических параметрах предмета поиска 1. Изменяя частоту Ω, можно идентифицировать предмет поиска 1 по классам. Таким образом, предлагаемый способ позволяет обнаружить с большей надежностью мелкие металлические предметы, находящиеся в зоне обнаружения, чем в известном способе.
Дадим количественную оценку амплитуды механической вибрации предмета поиска 1.
-3
-3
7
3
3
Γ
1
1
1
Пусть предметом поиска является диск радиусом R=5×l0 м и толщиной h=1×10 м. Материал предмета поиска - золото с проводимостью σ=5×10 См/м и удельным весом ρ≈20×10 кг/м. Радиус индукционного излучателя R=0,5 м, а частота первичного магнитного поля F=1 кГц. Подставим вышеприведенные данные в выражение (5) и получим I>10 Α. Если индукционный излучатель выполнить в виде спирали с n=10 витками провода, то необходимая величина тока I составит I/n=100 A. Фазовый сдвиг Δφ(Ω)=1/57 рад≅1° при длине волны первичного электромагнитного СВЧ-поля λ=10 см получают при значении амплитуды механической вибрации предмета поиска, равном
На фиг.2 представлена функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ.
Устройство обнаружения мелких металлических предметов содержит низкочастотный генератор 2 с индукционным излучателем 3 и автодинный СВЧ-приемопередатчик 4 с антенной. Первый выход автодинного СВЧ-приемопередатчика 4 (на фиг.2 обозначен как ω±Ω со стрелочкой) соединен с первым входом фазового детектора 5, а второй выход (на фиг.2 обозначен как ω со стрелочкой) - с вторым входом фазового детектора 5. Фазовый детектор 5 через фильтр нижних частот 6 соединен с индикатором обнаружения 7. Индукционный излучатель 3 выполнен в виде рамки, в которой протекает ток . На фиг.2 также отображены СВЧ-поле , облучающее зону обнаружения, и СВЧ-сигнал , отраженный от предмета поиска 1, в котором под действием низкочастотного электромагнитного поля  зоны обнаружения наводится ток .
Устройство работает следующим образом.
Низкочастотный генератор 3 создает ток  частотой Ω=2πF, протекающий в индукционном излучателе 2, с помощью которого в зоне обнаружения наводится низкочастотное электромагнитное поле . Одновременно автодинный СВЧ-приемопередатчик 4 вырабатывает СВЧ-сигнал  частотой ω=2πf, который через антенну облучает зону обнаружения. При попадании в зону обнаружения предмет поиска 1, в котором под действием низкочастотного электромагнитного поля  наводится вихревой ток , механически вибрирует с частотой Ω=2πF. Амплитуда механической вибрации предмета поиска 1, возникающая под действием силы Лоренца, вызванной взаимодействием токов  и , увеличивается с ростом амплитуды тока . Автодинный СВЧ-приемопередатчик 4 с помощью антенны осуществляет прием отраженного от зоны обнаружения СВЧ-сигнала
модулированного по фазе частотой механической вибрации предмета поиска Ω. С выхода автодинного СВЧ-приемопередатчика 4 принимаемый СВЧ-сигнал  поступает на первый вход фазового детектора 5, на второй вход которого подается зондирующий СВЧ-сигнал  частотой ω=2πf. Фазовый детектор 5, соединенный с фильтром нижних частот 6, выделяет из принимаемого СВЧ-сигнала  полезный сигнал частотой Ω, поступающий на индикатор 7.
Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяет обнаружить с большей надежностью мелкие металлические предметы, проносимые через зону обнаружения, чем в известном способе.