МЕТАЛЛООБНАРУЖИТЕЛЬ

Устройство предназначено для обнаружения металлических объектов (преимущественно огнестрельного оружия), проносимых лицами, подлежащими досмотру под одеждой через зону контроля.
Основные требования, предъявляемые к подобным устройствам - это малые размеры конструкции и высокая достоверность обнаружения запрещенных объектов. Малые размеры элементов металлообнаружителя позволяют встраивать (камуфлировать) его в существующие архитектурные сооружения (проходы, коридоры, дверные проемы) и офисную мебель. Высокая достоверность или низкий уровень ложных срабатываний должны обеспечиваться за счет высокой помехозащищенности от внешних несанкционированных воздействий и промышленных помех и многокомпонентного анализа проносимых металлических предметов (вес, объем, вид металла).
Известен Металлообнаружитель для обнаружения металлических объектов, в частности у авиапассажиров [Патент Франции, №2076468, on. 07.01.74 г., "Perfectionnements aux dispositifs electromagnetiques propres a deceler les objets metalliques, notamment ceux transportes par des personnes"]. Устройство состоит из двух плоских горизонтальных катушек, размещенных друг над другом в полу и под потолком контролируемого прохода и электронного блока, электрически соединенного с катушками соответствующими кабелями. Одна из катушек (например, нижняя) является намагничивающей, а другая - приемной.
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии в контролируемом проходе (пространство между катушками) металлические предметы отсутствуют. Генератор, находящийся в электронном блоке, вырабатывает переменный ток, который, протекая по намагничивающей
катушке, вызывает в пространстве между намагничивающей и приемной катушками переменное во времени магнитное поле, направленное вертикально. Это переменное поле, пронизывая приемную катушку, индуцирует на ее зажимах электродвижущую силу (ЭДС), которая по кабелю поступает в электронный блок. Это значение электродвижущей силы принимается электронным блоком за исходное и не вызывает появления на его выходе сигнала тревоги. При появлении в зоне контроля (в пространстве между катушками) металлического предмета (например, пистолета) поле намагничивающей катушки индуцирует в нем переменный магнитный момент, в результате чего вокруг этого предмета возникает собственное переменное поле (поле переизлучения). Это магнитное поле пронизывает приемную катушку и вызывает появление на ее зажимах дополнительной электродвижущей силы, которая выделяется электронным блоком и обуславливает появление на его выходе сигнала тревоги, свидетельствующего о присутствии в зоне контроля металлического предмета.
Большие размеры намагничивающей и приемной катушек (диаметр около двух метров), а также расстояние между ними по вертикали (тоже порядка двух метров) подобраны так, чтобы электродвижущая сила в приемной катушке, обусловленная наличием металлического предмета, в минимальной степени зависела от положения предмета в зоне контроля как по высоте (практически все расстояние между катушками по вертикали), так и по ширине (порядка 80 сантиметров), т.е. чувствительность металло-обнаружителя в любой точке контролируемой зоны должна быть относительно однородна. В этом случае электродвижущая сила на зажимах приемной катушки, обусловленная металлическим предметом, будет в общем случае тем больше, чем больше сам металлический предмет. А поскольку огнестрельное оружие существенно превосходит по своим размерам металлические предметы личного пользования (ключи, часы, зажигалки и т.п.), то и электродвижущая сила от него будет превосходить по величине
ЭДС от этих предметов, что позволяет устранить появление ложных тревог и добиться высокой селективности обнаружения огнестрельного оружия.
Однако устройство имеет существенные недостатки, ограничивающие его применение. Основной недостаток устройства - это большие размеры. Диаметр намагничивающей и приемной катушек составляет около двух метров при ширине эффективно контролируемого прохода около 80 сантиметров. При существующей дороговизне площадей промышленных и административных зданий далеко не всякое учреждение или коммерческая структура может позволить себе выделить 4 квадратных метра полезной площади на размещение обнаружителя оружия. Применение такого устройства неизбежно исказит интерьер помещения.
Кроме того, устройство обеспечивает малую помехозащищенность, обусловленную использованием одной приемной катушки, воспринимающей в равной степени как поле переизлучения металлического предмета, так и поля источников индустриальных помех.
Дополнительным недостатком является отсутствие селективности вида металлов. Устройство не способно различать ферромагнитные металлы от неферромагнитных (цветных). Масса цветных металлов может достигать значительных величин, что может приводить к ложным срабатываниям устройства.
Известен стационарный металлообнаружитель, содержащий две цилиндрические приемные катушки, расположенные вдоль одной горизонтальной оси по разные стороны контролируемого прохода и соединенные между собой градиентометрически, так, чтобы наводимые в них полезные сигналы от металлического предмета взаимно суммировались, а напряжения, наводимые приблизительно однородными полями индустриальных помех, взаимно вычитались. Намагничивающая катушка располагается горизонтально под полом контролируемого прохода, перекрывая всю его ширину (до двух метров) [Патент Российской
Федерации, №2165094, oп. 20.01.2001 г., "Стационарный металлообнаружитель"].
Ширина намагничивающей катушки (ее размер в направлении движения проверяемых объектов через контролируемый проем) составляет 0,5-1 метр. Первая и вторая приемные катушки (размером не более 50 мм) размещаются симметрично по обе стороны контролируемого прохода на высоте 1,5-2 метра от пола над намагничивающей катушкой 1, причем они расположены так, чтобы их оси максимальной чувствительности были направлены параллельно плоскости намагничивающей катушки и перпендикулярно направлению прохода через зону контроля. Электронный блок размещается в любом удобном месте на расстоянии до 5-10 метров от контролируемого прохода.
В исходном состоянии переменный ток, вырабатываемый генератором электронного блока, протекая по намагничивающей катушке, вызывает появление над полом контролируемого прохода переменного магнитного поля, направленного вертикально. В зоне расположения приемных катушек силовые линии этого поля веерообразно расходятся в разные стороны, вследствие появляется горизонтальная компонента переменного поля намагничивающей катушки, вызывающая появление на выходах приемных катушек переменных напряжений, которые суммируются на входе электронного блока. Сумма этих напряжений воспринимается электронным блоком как исходная и не вызывает появления сигнала тревоги.
Переменные поля индустриальных помех от отдаленных источников, воздействуя на приемные катушки, вызывают появление на их выходах приблизительно одинаковых друг другу, но противофазных напряжений, которые взаимно компенсируются на входе электронного блока и не оказывают заметного влияния на функционирование заявляемого устройства.
При появлении в зоне контроля металлического предмета, подлежащего обнаружению (например, пистолета), этот предмет намагничивается переменным полем намагничивающей катушки, в
результате чего, вокруг него возникает веерообразно расходящееся переменное поле переизлучения. Горизонтально направленные компоненты этого поля воздействуют на приемные катушки, вызывая появление на их выходах соответствующих переменных напряжений. Эти напряжения взаимно суммируются на входе электронного блока и, при соответствии заданным параметрам, вызывают появление на его выходе сигнала тревоги. Если предмет недостаточно крупный (например, ключи от квартиры или зажигалка), то его поле переизлучения вызовет появление на выходах преобразователей переменных напряжений, слишком малых для выработки электронным блоком сигнала тревоги. Устройство обеспечивает достаточно равномерную чувствительность металлообнаружителя по ширине контролируемого прохода (до 90% расстояния между преобразователями) и по его высоте (максимальная высота обнаружения на 20-30 сантиметров меньше высоты приемных катушек над полом контролируемого прохода). В указанных пределах чувствительность известного устройства изменяется не более чем в 2 раза, что, как показывает практика, вполне приемлемо. Намагничивающая катушка замуровывается в пол охраняемого объекта или прикрепляется к потолку помещения, находящегося этажом ниже. Приемные катушки заделываются в стены по обеим сторонам контролируемого прохода или в стену по обе стороны от находящегося в ней охраняемого дверного проема и становятся незаметными для посторонних.
Устройство обладает повышенной защищенностью от индустриальных помех.
Недостатком устройства являются большие размеры и низкая достоверность обнаружения запрещенных предметов.
Низкая достоверность обнаружения запрещенных предметов обусловлена: во-первых, неоднородностью чувствительности устройства, которая может изменяться в зоне контроля в 2 раза, во-вторых, отсутствием селективности вида металла. Устройство не способно различать ферромагнитные металлы от неферромагнитных (цветных), тогда как масса
цветных металлов может достигать значительных величин, что может приводить к ложным срабатываниям устройства.
Известно также для обнаружения цветных и ферромагнитных материалов [Патент США, №5506506, on. 09.04.96 г., "Metal detector for detecting and discriminating between ferrous and non-ferrous targets in ground"].
Устройство содержит намагничивающую катушку и приемную катушку. Выходы намагничивающей катушки подключены к генератору, а выходы приемной катушки к усилителю. Сигнал с усилителя поступает на селективный детектор, включающий инвертор, блок электронных ключей и интегрирующую цепочку. Сигнал с селективного детектора поступает на анализатор, выполненный на микропроцессоре и далее на индикатор. Устройство управления задает режимы работы блока электронных ключей и генератора.
При появлении металлического предмета в зоне контроля электромагнитное поле, излучаемое намагничивающей катушкой, наводит в нем поле переизлучения. Поле переизлучения наводит в приемной катушке ЭДС, которая поступает на усилитель. Сигнал с усилителя поступает на селективный детектор. Селективный детектор обрабатывает сигнал, выделяя его амплитудные и фазовые и характеристики. Режимы работы селективного детектора задаются устройством управления. Устройство управления осуществляет также синхронизацию работы генератора и селективного детектора. Обработанные сигналы поступают на анализатор, выполненный на микропроцессоре, где они сравниваются с эталонными сигналами, хранящимися в памяти. При совпадении сигналов устройство индикации выдает соответствующую информацию.
Устройство обладает малыми размерами и может определить вид металла (ферромагнитный или цветной), а также размер объекта.
Основным недостатком устройства является то, он не способен быстро проконтролировать большую зону, например дверной проем. Для этой цели
необходимо проводить неоднократное, последовательное сканирование устройством этой зоны.
Наиболее близким к заявляемому является металлообнаружитель, содержащий две последовательно соединенные намагничивающие катушки, подключенные к генератору, две приемные катушки, соединенные между собой последовательно и градиентометрически, усилитель, выход которого подключен к входу синхронного детектора, выход которого соединен со входом анализатора, выход которого соединен со входом индикатора, устройство управления, первый выход которого соединен со входом генератора, а второй выход соединен с синхронизирующим входом синхронного детектора, свободные выходы приемных катушек подключены к переменному резистору, управляющий выход которого соединен со входом усилителя, причем намагничивающие катушки устанавливаются в соседних углах контролируемой зоны, а приемные катушки - в противоположных углах [Свидетельство РФ №26139 на полезную модель "Металлообнаружитель"].
Однако, известный металлообнаружитель не обладает достаточной помехоустойчивостью и для увеличения расстояния до обнаруживаемого объекта необходимо увеличить величину намагничивающего поля, причем существенно.
6
6
В случае совмещенных магнитных преобразователей, включающих намагничивающую систему и приемные катушки, расстояние обнаружения определяется зависимостью полезного сигнала от расстояния d между магнитным преобразователем и объектом, сигнал от объекта уменьшается по закону ≈1/d. Т.е. при увеличении расстояния в 2 раза при одинаковом соотношении сигнал/шум необходимо увеличить величину намагничивающего поля в 2 раз, т.е. в 64 раза.
При этом необходимо намагничивающую систему либо увеличить во столько же раз, что нежелательно, либо необходимо увеличить мощность генератора возбуждения во столько же раз, что также нереально и, особенно
для переносных металлообнаружителей, имеющих автономное электрическое питание.
Можно увеличить поле возбуждения, применяя ферромагнитные сердечники в катушках возбуждения, но при этом необходимо учитывать, что гистерезисные потери в сердечнике пропорциональны частоте возбуждения, что приводит к пропорциональному уменьшению поля возбуждения.
В основу полезной модели положена задача увеличения зоны обнаружения запрещенных объектов за счет увеличения помехоустойчивости металлообнаружителя при его минимальных размерах.
Поставленная задача решается тем, что в металлообнаружителе, содержащем намагничивающую систему, две приемные катушки, соединенные между собой последовательно и градиентометрически, усилитель, выход которого подключен к входу синхронного детектора, выход которого соединен со входом анализатора, выход которого соединен со входом индикатора, устройство управления, выход которого соединен с синхронизирующим входом синхронного детектора, свободные выводы приемных катушек подключены к переменному резистору, управляющий выход которого соединен со входом усилителя, намагничивающая система выполнена в виде постоянных магнитов, установленных в соседних углах контролируемой зоны, при этом каждый из магнитов связан с системой синхронного вращения, а приемные катушки установлены в противоположных углах, металлообнаружитель снабжен дополнительной катушкой, выводы которой подключены к устройству управления.
При этом - постоянные магниты выполнены из Sm Co или Ne Fe В;
Создаваемое этими магнитами поле возбуждения не зависит от частоты их вращения, поэтому в зоне обнаружения происходит существенное увеличение намагничивающего объект поля на этой частоте по сравнению с объектом, взятым за прототип, намагничивающая система которого
выполнена в виде намагничивающих катушек возбуждения. Это означает, что полезный сигнал от объекта во столько же раз возрастает и увеличивается отношение сигнал/помеха за счет чего резко увеличивается помехозащищенность металлообнаружителя.
Таким образом, в заявляемом металлообнаружителе увеличивается чувствительность в условиях внешних помех.
Существенно уменьшаются габариты намагничивающей системы
Уменьшается потребляемая мощность, что приводит к дополнительным возможностям скрытого размещения элементов металлообнаружителя.
Таким образом, заявляемый металлообнаружитель позволяет увеличить зону обнаружения не менее чем в два раза.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На Фиг.1 приведена блок схема устройства,
на Фиг.2 показаны расположения выносных элементов устройства в зоне контроля.
Устройство содержит намагничивающую систему, состоящую из двух постоянных магнитов 1 и 2, выполненных из Sm Co или Ne Fe В. Каждый из магнитов 1 и 2 механически соединен с системой 3 синхронного вращения, которая может быть выполнена в виде двух электроприводов 4 и 5 соответственно (фиг.2). Приемные катушки 6 и 7, включены последовательно и градиентометрически, для вычитания сигналов, наведенных однородной внешней помехой, а свободные выводы приемных катушек 6 и 7 подключены к переменному резистору 8, регулируемый выход которого соединен со входом усилителя 9. Первый и второй входы устройства 10 управления соединены с выводами дополнительной катушки 11, а выход устройства 10 управления соединен с синхронизирующим входом синхронного детектора 12, выход усилителя 9 соединен с входом синхронного детектора 12, выход которого соединен со входом анализатора 13, выход которого соединен со входом индикатора 14.
Постоянные магниты 1 и 2 с соответствующими электроприводами 4 и 5 размещают горизонтально под полом в углах контролируемой зоны 15 (фиг.2). Приемные катушки 6 и 7 устанавливаются в верхних углах контролируемой зоны. Небольшие размеры постоянных магнитов 1 и 2 (диаметр 40 мм и длина 60 мм), в также малые размеры электроприводов 4 и 5 и приемных катушек 6 и 7 позволяет встраивать (камуфлировать) их в существующие архитектурные сооружения (проходы, коридоры, дверные проемы) и офисную мебель.
Система 3 синхронного вращения обеспечивает посредством приводов 4 и 5 синхронное вращение в противоположных направлениях постоянных магнитов 1 и 2, причем в начальный момент времени при горизонтальном расположении полюсов магнитов, они располагаются одноименными полюсами друг к другу. Вращение постоянных магнитов 1 и 2 вызывает в зоне контроля 15 переменное магнитное поле. В приемных катушках 6 и 7 наводится ЭДС, которая через резистор 8 поступает на вход усилителя 9. Переменные поля индустриальных помех от отдаленных источников, воздействуя на приемные катушки 6 и 7, вызывают появление на их выходах приблизительно одинаковых друг другу, но противофазных напряжений, которые взаимно компенсируются на входе усилителя 9 и не оказывают заметного влияния на функционирование заявляемого устройства. Сигнал, наведенный в приемных катушках 6 и 7 от поля, создаваемого вращающимися магнитами 1 и 2 при отсутствии металлических предметов в зоне контроля принимается за исходный, нулевой уровень. Далее этот сигнал поступает на синхронный детектор 12. Одновременно на синхронизирущий вход синхронного детектора 12 поступает сигнал с устройства 10 управления
При появлении в зоне контроля 15 металлического объекта 16, подлежащего обнаружению (например, пистолета), этот предмет намагничивается переменным полем вращающихся магнитов 1 и 2, в результате чего вокруг него возникает веерообразно расходящееся переменное поле переизлучения. Селективным параметрам обнаруживаемого
объекта является индуцированный в нем магнитный момент. Горизонтально направленные компоненты этого поля воздействуют на приемные катушки 6 и 7, вызывая появление на их выходах соответствующих переменных напряжений.
Заявляемый металлообнаружитель может работать внескольких режимах. Режимы работы металлообнаружителя задаются устройством 10 управления, которое посылает управляющие сигналы на синхронный детектор 12. Выделенные и первично обработанные сигналы, несущие информацию об амплитуде и фазе составляющей полезного сигнала поступают на анализатор 13. Анализатор 13 осуществляет вторичную обработку сигналов, анализируя все селективные компоненты, и выдает информацию о металлическом предмете 16. Информация отображается на индикаторе 14.
В частности в синфазном режиме измеряют синфазную с током возбуждения составляющую полезного сигнала, по изменению знака на выходе синхронного детектора 12 судят о материале объекта 16 (цветной или ферромагнитный), а по величине (амплитуде) сигнала судят о величине наведенного магнитного момента, который примерно пропорционален объему обнаруживаемого объекты 16.
В квадратурном режиме измеряют квадратурную составляющую полезного сигнала, которая пропорциональна электромагнитным потерям в обнаруживаемом объекте 16. Потери имеют характерную частотную зависимость и зависят от состава объекта, его объема и формы. Это позволяет использовать дополнительную селективность при обнаружении конкретного объекта на фоне остальных бытовых предметов, находящихся у человека (монеты, перочинные ножи, часы, ключи и т.д.) и обеспечивает высокую достоверность обнаружения запрещенных объектов и высокую помехоустойчивость.