ДАТЧИК МЕТАЛЛОДЕТЕКТОРА
METAL DETECTOR SENSOR

Изобретение относится к области интроскопии, более конкретно к датчикам металлоискателей, и может быть использовано для решения задачи обнаружения металлических объектов находящихся в различных укрывающих средах, в частности в слабо- и высокоминерализованном грунте, стенах строений и т.п.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известны различные датчики металлоискателей.
Известен датчик металлодетектора, описанный в патенте RU 2360268 C1, G01V 3/11, 27.06.2009 (АРБУЗОВ В.О. и др.) (D1). Известный из D1 датчик металлодетектора содержит два разноразмерных блока коаксиальных катушек, каждый из которых состоит из двух последовательно соединенных передающих (возбуждающих) катушек и одной приемной (сигнальной) катушки. Передающие катушки включены встречно, что обеспечивает достижение индукционного баланса - минимального потока индукции через приемные катушки. Известный датчик металлодетектора при этом предназначен для работы в двухчастотном режиме. Недостатком известного из D1 датчика металлодетектора является сложность и нетехнологичность его конструкции.
Известен датчик металлодетектора, описанный в патенте ЕР 0764856 B1, G01V 3/10, G01V 3/11, 05.12.2001 (EBINGER KLAUS ING FA) (D2). Известный из D2 датчик металлодетектора имеет кольцевой корпус с соединительными ребрами, расположенными вдоль его средней и поперечной осей и передающую катушку, обмотанную вокруг одной или более приемных катушек. Корпус имеет четыре прямые стороны одинаковой длины и расположенные попарно параллельно. Развязка между каналами приема-передачи обеспечивается за счет выполнения обмотки приемной катушки (приемных катушек) в D-образной форме с прямой стороной вдоль центра корпуса. Недостатком известного из D2 датчика металлодетектора является сложность и нетехнологичность его конструкции, а также невозможность работы датчика металлодетектора в разных режимах.
Известен датчик металлодетектора, описанный в заявке US 2003107377 A1, G01V 3/10, G01V 3/11, 12.06.2003 (UZMAN MUSTAFA) (D3). Известный из D3 датчик металлодетектора выполнен D-образным и имеет катушку, состоящую из передающей и приемной обмоток, расположенных на металлической подложке, причем передающая обмотка расположена относительно приемной обмотки таким образом, что магнитное поле, генерируемое передающей обмоткой, индуцирует лишь очень небольшое напряжение в приемной обмотке. Недостатком известного из D3 датчика металлодетектора является сложность и нетехнологичность его конструкции, а также невозможность работы датчика металлодетектора в разных режимах.
Известен датчик металлодетектора, описанный в патенте US 3872380 A, G01V 3/10, 18.03.1975 (GARDINER ROBERT F) (D4). Известный из D4 датчик металлодетектора содержит блок катушек, состоящий из D-образных приемной и передающей катушек. Катушки расположены на одной плоскости и совмещены таким образом, что поток индукции передающей катушки, проходящий через обмотку приемной катушки, является минимальным, равно как и выходное напряжение на обмотке приемной каткушки. Недостатком известного из D4 датчика металлодетектора является сложность и нетехнологичность его конструкции, а также невозможность работы датчика металлодетектора в разных режимах. Известный из D4 датчик металлодетектора может быть принят в качестве прототипа заявленного изобретения.
Известен датчик металлодетектора Кощей-ДД30 (http://vash-ru.net/md/koshei/datchik/dat-1.shtml) (D5), содержащий три коаксиальные катушки, расположенные на одной плоскости. Недостатком такого датчика является низкая технологичность изготовления, низкая информативность сигналов и узкие функциональные возможности, обусловленные как малоинформативным одночастотным режимом работы, так и сильным влиянием на сигналы минерализации грунта.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению решением является датчик металлодетектора кольцевого типа Кощей-ДК27 (http://vash-ru.net/md/koshei/datchik/dat-2.shtml) (D6), содержащий последовательно соединенные первый конденсатор и первую катушку возбуждения, параллельно соединенные вторую сигнальную катушку и второй конденсатор. При этом свободный контакт первого конденсатора является входом тока возбуждения датчика, а свободный контакт первой катушки подключен к общей точке схемы. Первая точка параллельного соединения второй сигнальной катушки со вторым конденсатором является сигнальным выходом датчика, а вторая, аналогичная точка подключена к общей точке схемы
В известном из D6 датчике катушки расположены на одной плоскости и частично совмещены с величиной зоны совмещения, что позволяет добиваться минимального потока индукции через сигнальную катушку. Катушки размещены в одном корпусе и жестко зафиксированы, причем известный датчик, как правило, работает в резонансных режимах на фиксированной частоте по возбуждающей и сигнальным цепям, обладая при этом неплохой чувствительностью, однако такое решение не позволяет задействовать в нем одновременно другие рабочие частоты.
Таким образом, из-за невозможности работать на разных частотах одновременно известный из D6 датчик обладает низкой информативностью сигналов, низким качеством выполнения поиска, а также узкими функциональными возможностями.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Из теории и практики вихретокового метода, используемого в металлодетекторах, известно, что об объекте, расположенном в укрывающей среде, можно узнавать гораздо больше, если обрабатывать сигналы датчика, полученные одновременно на разных частотах токов возбуждения (см, например, патент US 6879161 В2, G01V 3/10, 12.04.2005 (WHITE S ELECTRONICS)), что является важнейшим фактором, повышающим информативность сигналов как самого датчика, так и металлодетектора в целом. Более того, наличие возможности датчика работать на различных частотах существенно расширяет функциональные возможности аппаратуры, в которой он использован.
Исходя из вышесказанного целью настоящего изобретения является создание датчика металлодетектора с улучшенными эксплуатационными свойствами, который может быть использован для решения большого спектра поисковых задач.
Техническим результатом, достигаемым при реализации настоящего изобретения, является повышение чувствительности датчика при работе одновременно на различных частотах.
Другим техническим результатом является повышение эксплуатационных характеристик датчика. Еще одним техническим результатом является повышение эргономичности использования датчика.
Технический результат достигается за счет того, что датчик металлодетектора содержит последовательно соединенные первый конденсатор С1 и возбуждающую катушку индуктивности L1, параллельно соединенные вторую сигнальную катушку индуктивности L2 и второй конденсатор С2, причем свободный контакт первого конденсатора С1 является входом тока возбуждения первой частоты датчика металлодетектора, первый контакт сигнальной катушки индуктивности L2 является первым выходом датчика металлодетектора, второй контакт сигнальной катушки индуктивности L2 подключен к общей точке схемы, при этом возбуждающая катушка индуктивности L1 и сигнальная катушка индуктивности L2 размещены на одной плоскости и частично совмещены друг с другом с величиной зоны совмещения, выбранной таким образом, чтобы величина потока индукции через сигнальную катушку индуктивности L2, продуцируемого возбуждающей катушкой индуктивности L1, была минимальна, причем датчик металлодетектора дополнительно снабжен последовательно соединенными третьей катушкой индуктивности L3 и третьим конденсатором С3, причем свободный контакт третьей катушки индуктивности L3 подключен к входу тока возбуждения первой частоты, свободный контакт третьего конденсатора С3 подключен к средней точке последовательного соединения первого конденсатора С1 и возбуждающей катушки индуктивности L1, при этом датчик металлодетектора также дополнительно снабжен последовательно соединенными четвертой катушкой индуктивности L4 и четвертым конденсатором С4, при этом свободный контакт четвертой катушки L4 подключен к первому выходу датчика металлодетектора, свободный контакт четвертого конденсатора С4 подключен к общей точке схемы, при этом датчик металлодетектора снабжен вторым выходом датчика металлодетектора, которым является средняя точка последовательного соединения четвертой катушки индуктивности L4 и четвертого конденсатора С4, при этом датчик металлодетектора также снабжен входом тока возбуждения второй частоты, которым является свободный контакт возбуждающей катушки индуктивности L1. При этом возбуждающая катушка индуктивности L1 и сигнальная катушка индуктивности L2 могут быть размещены в одном корпусе. При этом возбуждающая катушка индуктивности L1 и сигнальная катушка индуктивности L2 могут быть жестко зафиксированы. Кроме того, третья и четвертая катушки индуктивности L3, L4 могут быть выполнены с магнитопроводом. Кроме того, третья и четвертая катушки индуктивности L3, L4 могут быть размещены в отдельном корпусе вне зоны чувствительности возбуждающей и сигнальной катушек индуктивности L1, L2. Также третья и четвертая катушки индуктивности L3, L4 могут быть помещены в электромагнитные экраны.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения описываются далее подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые включены в данный документ посредством ссылки, и на которых:
Фиг.1 иллюстрирует примерную принципиальную электрическую схему металлодетектора, в составе которого может быть использован датчик металлодетектора по любому из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 иллюстрирует примерную схему конструкции заявленного датчика металлодетектора.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее приводятся варианты осуществления настоящего изобретения, раскрывающие примеры его реализации в частных исполнениях. Тем не менее, само описание не предназначено для ограничения объема прав, предоставляемых данным патентом. Скорее, следует исходить из того, что заявленное изобретение также может быть осуществлено другими способами таким образом, что будет включать в себя отличающиеся элементы и условия или комбинации элементов и условий, аналогичных элементам и условиям, описанным в данном документе, в сочетании с другими существующими и будущими технологиями.
В предпочтительном варианте осуществления заявленного изобретения датчик металлодетектора содержит последовательно соединенные первый конденсатор С1 и возбуждающую катушку индуктивности L1, параллельно соединенные вторую сигнальную катушку индуктивности L2 и второй конденсатор С2, причем свободный контакт первого конденсатора С1 является входом тока возбуждения первой частоты датчика металлодетектора, первый контакт сигнальной катушки индуктивности L2 является первым выходом датчика металлодетектора, второй контакт сигнальной катушки индуктивности L2 подключен к общей точке схемы, при этом возбуждающая катушка индуктивности L1 и сигнальная катушка индуктивности L2 размещены на одной плоскости и частично совмещены друг с другом с величиной зоны совмещения, выбранной таким образом, чтобы величина потока индукции через сигнальную катушку индуктивности L2, продуцируемого возбуждающей катушкой индуктивности L1, была минимальна, причем датчик металлодетектора дополнительно снабжен последовательно соединенными третьей катушкой индуктивности L3 и третьим конденсатором С3, причем свободный контакт третьей катушки индуктивности L3 подключен к входу тока возбуждения первой частоты, свободный контакт третьего конденсатора С3 подключен к средней точке последовательного соединения первого конденсатора С1 и возбуждающей катушки индуктивности L1, при этом датчик металлодетектора также дополнительно снабжен последовательно соединенными четвертой катушкой индуктивности L4 и четвертым конденсатором С4, при этом свободный контакт четвертой катушки L4 подключен к первому выходу датчика металлодетектора, свободный контакт четвертого конденсатора С4 подключен к общей точке схемы, при этом датчик металлодетектора снабжен вторым выходом датчика металлодетектора, которым является средняя точка последовательного соединения четвертой катушки индуктивности L4 и четвертого конденсатора С4, при этом датчик металлодетектора также снабжен входом тока возбуждения второй частоты, которым является свободный контакт возбуждающей катушки индуктивности L1.
В частном варианте осуществления заявленного изобретения возбуждающая катушка индуктивности L1 и сигнальная катушка индуктивности L2 размещаются в одном корпусе.
В другом частном варианте осуществления заявленного изобретения возбуждающая катушка индуктивности L1 и сигнальная катушка индуктивности L2 жестко зафиксированы.
В другом частном варианте осуществления заявленного изобретения третья и четвертая катушки индуктивности L3, L4 выполняются с магнитопроводом.
В другом частном варианте осуществления заявленного изобретения третья и четвертая катушки индуктивности L3, L4 размещены в отдельном корпусе вне зоны чувствительности возбуждающей и сигнальной катушек индуктивности L1, L2.
В другом частном варианте осуществления заявленного изобретения третья и четвертая катушки индуктивности L3, L4 помещены в электромагнитные экраны.
Кроме того, для специалиста в области техники, к которой относится настоящее изобретение, должно быть очевидным, что варианты осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы в виде различных комбинаций технических признаков, изложенных в настоящем разделе, в дополнение к предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, для наилучшего достижения решения задачи, на которую направлено настоящее изобретение.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Описанные далее возможные осуществления вариантов настоящего изобретения представлены на неограничивающих объем правовой охраны примерах, применительно к конкретным вариантам осуществления настоящего изобретения, которые во всех их аспектах предполагаются иллюстративными и не накладывающими ограничения. Альтернативные варианты реализации настоящего изобретения, не выходящие за пределы объема его правовой охраны, являются очевидными специалистам в данной области, имеющим обычную квалификацию, на которых это изобретение рассчитано.
1
1
2
2
На фиг.1 в качестве примера, но не ограничения, изображена примерная принципиальная электрическая схема металлодетектора, в составе которого может быть использован датчик металлодетектора по любому из вариантов осуществления настоящего изобретения. Металлодетектор 100 содержит предпочтительно управляемый микропроцессором 1050 генератор 1010, первым выходом, являющимся выходом тока возбуждения первой частоты, связанный со входом тока возбуждения первой частоты датчика 1020 (обозначен пунктирной рамкой) металлодетектора, вторым выходом, являющимся выходом тока возбуждения второй частоты, связанный со входом тока возбуждения второй частоты датчика 1020 металлодетектора, при этом датчик 1020 металлодетектора содержит последовательно соединенные первый конденсатор С1 и возбуждающую катушку индуктивности L1, параллельно соединенные вторую сигнальную катушку индуктивности L2 и второй конденсатор С2, причем свободный контакт первого конденсатора С1 является входом тока возбуждения первой частоты датчика 1020 металлодетектора, первый контакт сигнальной катушки индуктивности L2 является первым выходом датчика 1020 металлодетектора, второй контакт сигнальной катушки индуктивности L2 подключен к общей точке схемы, при этом возбуждающая катушка индуктивности L1 и сигнальная катушка индуктивности L2 размещены на одной плоскости и частично совмещены друг с другом с величиной зоны совмещения, выбранной таким образом, чтобы величина потока индукции через сигнальную катушку индуктивности L2, продуцируемого возбуждающей катушкой индуктивности L1, была минимальна, причем датчик 1020 металлодетектора дополнительно снабжен последовательно соединенными третьей катушкой индуктивности L3 и третьим конденсатором С3, причем свободный контакт третьей катушки индуктивности L3 подключен к входу тока возбуждения первой частоты, свободный контакт третьего конденсатора С3 подключен к средней точке последовательного соединения первого конденсатора С1 и возбуждающей катушки индуктивности L1, при этом датчик 1020 металлодетектора также дополнительно снабжен последовательно соединенными четвертой катушкой индуктивности L4 и четвертым конденсатором С4, при этом свободный контакт четвертой катушки L4 подключен к первому выходу датчика 1020 металлодетектора, свободный контакт четвертого конденсатора С4 подключен к общей точке схемы, при этом датчик 1020 металлодетектора снабжен вторым выходом датчика 1020 металлодетектора, которым является средняя точка последовательного соединения четвертой катушки индуктивности L4 и четвертого конденсатора С4, при этом датчик 1020 металлодетектора также снабжен входом тока возбуждения второй частоты, которым является свободный контакт возбуждающей катушки индуктивности L1, при этом первый выход датчика 1020 металлодетектора соединен с первым блоком выделения квадратурных составляющих (БВКС) 1030, второй выход датчика 1020 металлодетектора соединен со вторым БВКС 1040. Первое и второе напряжения на соответственно первом и втором выходах датчика 1020 металлодетектора представляют собой комплексные величины - векторы, которые в декартовых координатах могут быть представлены через проекции (квадратурные составляющие). Сигналы с величинами первого и второго напряжений поступают на входы первого БВКС 1030 и второго БВКС 1040 соответственно. Первый (X) и второй (Y) выходные сигналы первого БВКС 1030 и первый (X) и второй (Y) выходные сигналы второго БВКС 1040 поступают на входы микропроцессора 1050, где осуществляется их обработка. Блок индикации 1060 при этом выполнен, например, не ограничиваясь с возможностью вывода обработанных сигналов в виде годографов первого и второго напряжений.
На фиг. 2 в качестве примера, но не ограничения представлена примерная схема конструкции заявленного датчика 1020 металлодетектора. Заявленный датчик 1020 металлодетектора содержит последовательно соединенные первый конденсатор С1 и возбуждающую катушку индуктивности L1, параллельно соединенные вторую сигнальную катушку индуктивности L2 и второй конденсатор С2, причем свободный контакт первого конденсатора С1 является входом 1021 тока возбуждения первой частоты датчика 1020 металлодетектора, первый контакт сигнальной катушки индуктивности L2 является первым выходом 1023 датчика 1020 металлодетектора, второй контакт сигнальной катушки индуктивности L2 подключен к общей точке схемы, при этом возбуждающая катушка индуктивности L1 и сигнальная катушка индуктивности L2 размещены на одной плоскости и частично совмещены друг с другом с величиной зоны совмещения, выбранной таким образом, чтобы величина потока индукции через сигнальную катушку индуктивности L2, продуцируемого возбуждающей катушкой индуктивности L1, была минимальна, причем датчик 1020 металлодетектора дополнительно снабжен последовательно соединенными третьей катушкой индуктивности L3 и третьим конденсатором С3, причем свободный контакт третьей катушки индуктивности L3 подключен к входу 1021 тока возбуждения первой частоты, свободный контакт третьего конденсатора С3 подключен к средней точке последовательного соединения первого конденсатора С1 и возбуждающей катушки индуктивности L1, при этом датчик 1020 металлодетектора также дополнительно снабжен последовательно соединенными четвертой катушкой индуктивности L4 и четвертым конденсатором С4, при этом свободный контакт четвертой катушки L4 подключен к первому выходу 1023 датчика 1020 металлодетектора, свободный контакт четвертого конденсатора С4 подключен к общей точке схемы, при этом датчик 1020 металлодетектора снабжен вторым выходом 1024 датчика 1020 металлодетектора, которым является средняя точка последовательного соединения четвертой катушки индуктивности L4 и четвертого конденсатора С4, при этом датчик 1020 металлодетектора также снабжен входом 1022 тока возбуждения второй частоты, которым является свободный контакт возбуждающей катушки индуктивности L1.
<mrow><mi>F</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow><mi>π</mi><msqrt><mrow><mi>C</mi><mn>3</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>L</mi><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>L</mi><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><mi>F</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow><mi>π</mi><msqrt><mrow><mi>C</mi><mn>1</mn><mo>⋅</mo><mi>L</mi><mn>1</mn></mrow></msqrt></mrow>
Работу датчика 1020 металлодетектора можно рассмотреть на примере его использования в составе металлодетектора 100. Металлодетектор 100 содержит двухчастотный генератор 1010, питающий синусоидальными токами первой F1 и второй F2 частоты возбуждающие цепи датчика 1020 металлодетектора, причем первый и второй выходы генератора 1010 подключены к соответствующим входам 1021, 1022 датчика 1020 металлодетектора. Возбуждающая часть датчика 1020 металлодетектора представляет собой двухрезонансную систему с двумя резонансами напряжений. Для F1 (в качестве примера, но не ограничения, F1 - низкая частота) резонанс напряжений будет наблюдаться по цепи (L3+L1) и С3, для которой приблизительно будет справедливо
. Для F2 (в качестве примера, но не ограничения, F2 - высокая частота)
. Аналогично и для сигнальной части, где резонансы напряжений будут в цепях C4·(L2+L4) для F1 и в C2·L2 для F2 при заданных параметрах индуктивностей и емкостей. Для более точного выполнения вышеуказанных соотношений предпочтитетльно чтобы L3 и L4 были значительно больше L1 и L2. Это же касается и соотношения С3, С4 и С1, С2. Соответственно частота F1 должна быть значительно меньше частоты F2. Как уже упоминалось, величина зоны совмещения возбуждающей катушки индуктивности L1 и сигнальной катушки индуктивности L2 выбрана таким образом, чтобы величина потока индукции через сигнальную катушку индуктивности L2, продуцируемого возбуждающей катушкой индуктивности L1, была минимальна. Это необходимо для того, чтобы датчик 1020 металлодетектора в отсутствие металлического объекта в его зоне чувствительности был индукционно сбалансирован, и его выходные напряжения были близки к 0. При попадании металлического объекта в зону чувствительности датчика 1020 металлодетектора на соответствующих выходах датчика 1020 металлодетектора появляются преимущественные вносимые напряжения U1 для частоты F1 (на первом выходе) и U2 для частоты F2 (на втором выходе). Поскольку возбуждающие и сигнальные цепи датчика 1020 металлодетектора работают в резонансных режимах для обеих частот F1 и F2, то на них он обладает максимальными показателями чувствительности и помехозащищенности. Переменные напряжения U1 и U2 подаются в БВКС 1030 и БВКС 1040 соответственно. Выходные сигналы БВКС 1030 и БВКС 1040 несут постоянные напряжения, величина которых прямо пропорциональна проекциям векторов U1 и U2 на два взаимно перпендикулярных направления. Такие проекции называют квадратурными составляющими синусоидальных сигналов, а именно - (X1, Y1) для первой частоты F1, и (Х2, Y2) для второй частоты F2. Квадратурные составляющие обоих сигналов вводятся в микропроцессор 1050 и обрабатываются по различным математическим алгоритмам, позволяющим по параметрам сигналов находить параметры объектов находящихся в различных укрывающих средах, т.е. производить их идентификацию. Результаты обработки выводятся на блок индикации 1060, который может содержать визуальные (например, не ограничиваясь, дисплей) и звуковые (например, не ограничиваясь, усилитель мощности с динамиком) блоки оповещения. В случае двухчастотного возбуждения датчика 1020 металлодетектора индекс мерности комплексного сигнала возрастает в два раза, что позволяет более полномасштабно изучать реакцию на объект сразу на двух различных частотах, что исходя из теории и практики применения вихретокового метода существенно повышает информативность и идентификационные возможности датчика и улучшает его чувствительность при работе на различных частотах и, соответственно, повышает характеристики самого металлодетектора в целом. Мелкие и низкопроводящие объекты лучше идентифицируются на высоких частотах, а крупные высокопроводящие - на низких. Из-за этого сканирование укрывающей среды в одночастотном режиме всегда будет малоэффективным для какого-то определенного класса объектов, что существенно сужает функциональные возможности одночастотных датчиков и одночастотных металлодетекторов в целом. Предлагаемое техническое решение позволяет минимизировать этот недостаток за счет поддержания приемлемой чувствительности ко всему спектру искомых объектов. Заявленный датчик 1020 металлодетектора обеспечивает высокую чувствительность при работе на различных частотах за счет использования резонансов в рабочих катушках. Для повышения технологичности датчика, для целей реализации условия L3>>L1 и L4>>L2, третья и четвертая катушки индуктивности L3, L4 предпочтительно выполняются с использованием магнитопровода, например, не ограничиваясь, ферритового. Для формирования одинаковой картины распределения полей возбуждающей и сигнальной катушек индуктивности L1, L2 для различных частот, обеспечения технологичности и ремонтопригодности, а также повышения эргономических свойств металлодетектора путем достижения баланса распределения веса в его конструкции, третья и четвертая катушки индуктивности L3, L4 предпочтительно размещены в отдельном корпусе, вне зоны чувствительности рабочих катушек, например, не ограничиваясь, за рукояткой металлоискателя под подлокотником. Для целей уменьшения взаимного влияния третьей и четвертой катушек индуктивности L3, L4 на устойчивость датчика к механическим воздействиям и упрощения его балансировки, упомянутые катушки индуктивности L3, L4 предпочтительно размещены в электромагнитных экранах.