УНИВЕРСАЛЬНЫЙ СЕЛЕКТИВНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ
UNIVERSAL SELECTIVE INDUCTION METAL DETECTOR

Изобретение относится к области интроскопии, а именно обнаружения металлических объектов, скрытых в различных средах, в частности, в слабо- и высокоминерализованном грунте, стенах строений и т.п.
Изобретение может быть использовано для поиска металлических объектов в грунте, в археологии, кладоискательстве, спасательных операциях, военных задачах по разминированию, в пищевой промышленности для обнаружения металлических объектов попавших из оборудования в пищевой продукт, в строительстве для обнаружения медных или алюминиевых проводников с целью обхода при сверлении или для задач извлечения и восстановления целостности проводников, в дорожном строительстве с целью обнаружения металлических объектов под дорожным покрытием с целью предупреждения поломки дорожной машины при попадания металла в рабочий инструмент, в медицине для поиска пули или осколков в теле человека, в прачечной отрасли для контроля текстильных изделий на предмет оставшихся в них острых металлических предметов способных повредить механизм стиральной машины, в лесопереработке для проверки стволов деревьев на наличие металлических объектов способных повредить пилы, в зерноуборочных комбайнах для регистрации и удаления металлических предметов в потоке зерна, при поиске запрещенных к проносу металлических предметов.
Известен металлоискатель (патент РФ №2366982, опубл. 10.09.2009г), содержащий индукционный преобразователь, три усилителя, синхронный детектор и индикатор. Выход индукционного преобразователя, первый усилитель и вход первого синхронного детектора последовательно соединены. Индукционный преобразователь состоит из двух резонансных контуров, включающих излучающую и частично перекрывающую ее приемную катушки, и цепей балансировки. Металлоискатель также содержит четвертый усилитель, второй синхронный детектор, двухканальный аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор. Первый выход микропроцессора последовательно соединен со вторым усилителем и входом индукционного преобразователя. Второй и третий выходы микропроцессора соединены соответственно с опорными входами синхронных детекторов. Выходы синхронных детекторов соединены соответственно с третьим и четвертым усилителями, соединенными выходами с входами двухканального аналого-цифрового преобразователя, соединенного с микропроцессором. Выход первого усилителя присоединен к входу второго синхронного детектора.
Недостатком известного решения является использование двух катушек индуктивности с разными функциями: приемной и излучающей, индукционный преобразователь состоит из двух резонансных контуров, включающих излучающую и частично перекрывающую ее приемную катушки, и цепей балансировки, что ухудшает его производственные характеристики и снижает надёжность.
Известен металлодетектор (патент РФ №2560246, опубл. 20.08.2015), содержащий датчик металлодетектора, включающий последовательно соединенные первый конденсатор С1 и возбуждающую катушку L1, параллельно соединенные вторую сигнальную катушку L2 и второй конденсатор С2, свободный контакт конденсатора С1 является входом тока возбуждения первой частоты, первый контакт сигнальной катушки L2 является первым выходом датчика, второй контакт сигнальной катушки L2 подключен к общей точке схемы, возбуждающая катушка L1 и сигнальная катушка 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 L2, продуцируемого возбуждающей катушкой L1, была минимальна, датчик дополнительно снабжен последовательно соединенными катушкой L3 и конденсатором С3, причем свободный контакт катушки L3 подключен к входу тока возбуждения первой частоты, свободный контакт конденсатора С3 подключен к средней точке последовательного соединения конденсатора С1 и возбуждающей катушки L1, датчик также дополнительно снабжен последовательно соединенными катушкой L4 и конденсатором С4, при этом свободный контакт катушки L4 подключен к первому выходу датчика, свободный контакт конденсатора С4 подключен к общей точке схемы, датчик снабжен вторым выходом датчика, которым является средняя точка последовательного соединения катушки L4 и конденсатора С4, датчик также снабжен входом тока возбуждения второй частоты, которым является свободный контакт возбуждающей катушки L1.
Недостаток известного устройства заключается в том, что требуется геометрически верно размещать катушки устройства в пространстве для достижения максимального баланса, что ухудшает его производственные характеристики и снижает надежность. Измерительная схема индукционного преобразователя имеет низкочастотный и высокочастотный выход, что существенно удорожает стоимость конструкции и повышает сложность ее изготовления. В колебательных контурах приемной и излучающей катушек применены единичные конденсаторы, что не дает возможности регулировать частоту колебательного контура изменением емкости без ухудшения характеристик сигнала, связанных с низкой точностью и термостабильностью конденсаторов большой неразделенной емкости. Кроме того, устройство содержит блок выделения квадратурных составляющих, что требует применения высокопроизводительных микропроцессорных систем для анализа аналоговых данных, что делает конструкцию не рентабельной для серийного производства.
Известно устройство для обнаружения металлических тел в слабопроводящих средах (патент РФ №2193189, опубл. 20.11.2002), включающее автогенератор с вихретоковым преобразователем в колебательном контуре и кодоуправляемый магазин емкостей. К выходу автогенератора подключены измеритель отклонения частоты с регулируемым коэффициентом передачи и компаратор амплитуды. Благодаря регулировке коэффициента передачи измерителя отклонения частоты при изменении мешающих факторов (например, степени электропроводности среды) происходит пропорциональное изменение уровней сформированного напряжения, и устройство реагирует только на наличие металлического предмета (выбран в качестве прототипа).
Кодоуправляемый магазин емкостей существенно удорожает конструкцию и увеличивает ее размеры. Также подключение конденсаторов через кодоуправляемый магазин емкостей увеличивает шумы, которые будут внесены полупроводниковыми переходами электронных ключей коммутации кодоуправляемого магазина емкостей. Что существенно снизит соотношение сигнал-шум и уменьшит чувствительность (дальность обнаружения) металлических объектов. Также а данном известном решении требуется запоминание значения плавно изменяющейся емкости, что также удорожает и усложняет конструкцию, так как требует от системы наличия энергонезависимой памяти, и специального контроллера осуществляющего конвертирование и запись измеренного значения. В известном устройстве от значения емкости зависят коэффициент усиления в автогенераторе и амплитуда выходного напряжения, что повышает требования к применяемым емкостям и способу их подключения. Это повышает стоимость и сложность изготовления конструкции.
Техническая задача заявляемого изобретения заключается в расширении класса распознаваемых металлических и металлосодержащих объектов, повышение чувствительности металлодетектора.
Техническим результатом изобретения являются распознавание более широкого класса металлических и металлосодержащих объектов, магнитометрическая дискриминация по черным и цветным металлам, высокая чувствительность при низком энергопотреблении и широком диапазоне применяемых элементов питания 6,5-30 В, со стабильной чувствительностью при колебаниях питающего напряжения в диапазоне 6,5-30 В к мелким и крупным объектам из всех типов металлов и сплавов в скрывающих средах.
Технический результат достигается тем, что универсальный селективный индукционный металлоискатель содержит поисковый датчик, включающий измерительный генератор с катушкой индуктивности в колебательном контуре и магазин емкостей, блок управления и индикации, при этом колебательный контур поискового датчика дополнительно содержит параллельно включенные КМОП логические элементы микросхем, линейный стабилизатор напряжения, прецизионный и защитный согласующий резисторы, трехвыводной разъем для подключения посредством кабеля к блоку цифрового преобразователя длительности импульсов, выход которого подключен к вычислительному микроконтроллеру, а магазин емкостей выполнен в виде параллельно включенных керамических конденсаторов малой емкости.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
Фиг.1 - Функциональная схема металлоискателя;
Фиг.2 - Схема катушки индуктивности;
Фиг.3 - Принципиальная схема поискового датчика.
Датчик металлоискателя состоит из измерительной катушки индуктивности (1) и измерительного генератора (2). Сигналы от измерительного генератора поступают в блок цифрового преобразователя длительности импульсов (3). Математическую обработку, фильтрацию и сохранение получаемых сигналов осуществляет вычислительный микроконтроллер (4). Полученные данные о типе металла, внутренней структуре, площади обнаруженного металлического объекта отображаются посредством блока индикации, включающего дисплей (5) и политональной звуковой индикации (7). Управление и задание параметров работы осуществляется с блока управления (6), реализованного в виде клавиатуры. Посредством политональной звуковой индикации (7) осуществляет аудио информирование оператора о свойствах обнаруженного объекта (Фиг.1-2).
Принципиальная схема датчика (фиг.3) металлоискателя состоит из параллельно соединенных логических элементов U3-UN, логического элемента U2, включенного в качестве буфера и усилителя тока выходной сигнальной линии генератора, линейного стабилизатора напряжения U1, керамических конденсаторов повышенной точности C1, C2, C3, C4…CN1, CN2, балластных фильтрующих керамических конденсаторов Сb1,Сb2, прецизионного резистора R1, защитного согласующего резистора R2, трехвыводного разъема для подключения кабеля (8), катушки индуктивности 1.
Катушка индуктивности (1) в цепи обратной связи измерительного генератора является чувствительным элементом и конструктивно вынесена за пределы платы. Катушка индуктивности (1) может быть выполнена в виде круга, многоугольника, эллипса, плоской спирали, и с различной индуктивностью. Измерительный генератор (2) установлен на измерительной катушке индуктивности, и соединен посредством кабеля (8) с блоком цифрового преобразователя длительности импульсов (3).
В зависимости от задач поиска измерительная катушка индуктивности (1) может быть выполнена различного внутреннего диаметра и с различной индуктивностью. Также измерительная катушка индуктивности может быть выполнена в виде многоугольника, эллипса или плоской спирали.
Для устранения влияния паразитной переменной электрической емкости между витками измерительной катушки индуктивности и грунтом на частоту выходного сигнала измерительного генератора применен металлический разомкнутый электромагнитный экран, нанесенный на измерительную катушку индуктивности (1). Толщина экрана зависит от частоты экранируемого поля - чем больше частота, тем тоньше экран. Экраны выполняются преимущественно из меди или алюминия, с осаждением медного слоя на стенках непроводящего корпуса, либо в виде многослойной конструкции с диэлектрическим зазором между слоями. Экран припаивается к контактной площадке платы.
Измерительная катушка индуктивности (1) и нанесенный на нее электромагнитный экран припаиваются к контактным площадкам измерительного генератора.
На параллельно соединенных логических элементах U3-UN (ИЛИ-НЕ или И-НЕ или ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, изготовленные по КМОП технологии), реализован LC генератор. Цепь положительной обратной связи генератора реализована в виде индуктивно емкостного колебательного контура образованного катушкой индуктивности (1) и конденсаторами C1,C2,C3,C4…CN1,CN2. Прецизионным резистором R1 осуществляется согласование полного сопротивления цепи индуктивно емкостного колебательного контура с суммарным динамическим диапазоном нагрузочной способности по току выхода параллельно соединенных логических элементов U3-UN. Логические элементы U3-UN припаиваются друг на друга, вывод к выводу, то есть параллельно, или размещаются рядом на плате и соединяются проводниками топологии вывод к выводу. В результате достигается увеличение нагрузочного тока (нагрузочной способности) на выходных выводах соединенных параллельно логических элементов. Что позволяет уменьшить номинал согласующего сопротивления R1, увеличить ток в колебательном контуре, увеличить мощность электромагнитного поля измерительной катушки, что повысит дальность обнаружения металлических объектов.
Логический элемент u2 служит усилителем тока выходной сигнальной линии генератора, для увеличения расстояния передачи сигнала от генератора до измерительной схемы.
Измерительная катушка индуктивности (1) находится в резонансной частоте колебательного контура, металлические объекты в зоне действия катушки меняют резонансную частоту, контур перестраивается, изменяется частота на выходе измерительного генератора (2). Изменение частоты измерительного генератора (2) характеризует тип металла, размеры и отдаление от катушки металлоискателя металлического объекта находящегося в зоне действия измерительной катушки. Увеличение количества логических элементов микросхем U3-UN, включенных параллельно, увеличивает ток в цепи индуктивно емкостной обратной связи измерительного генератора (2) и обеспечивает увеличение дальности обнаружения металлических объектов датчиком металлоискателя. Изменение количества конденсаторов C1, C2, C3, C4…CN1, CN2 в измерительном колебательном контуре регулирует частоту работы измерительного генератора (2), обеспечивая дифференциальное увеличение дальности обнаружения ферромагнитных или неферромагнитных объектов.
Емкости C1, C2, C3, C4…CN1, CN2 выполняют роль компонента колебательного контура индуктивно емкостной обратной связи генератора (2). Конденсаторы не несут измерительного значения, поэтому основное требование предъявляется к их термостабильности емкости, механической стабильности емкости, деградации емкости. С помощью установки необходимой емкости можно менять значение частоты генератора (2) и соответственно значение частоты электромагнитного сигнала излучаемого катушкой (1). Емкости в каждом плече индуктивности должны быть равны. Из-за того, что конденсаторы большой неразделенной емкости обладают низкой точностью и отсутствием термостабильности, использованы прецизионные конденсаторы. В схеме устанавливается несколько конденсаторов в каждом плече, так как прецизионные конденсаторы повышенной стабильности производятся с максимально ограниченной емкостью, соответственно для достижения заданной емкости в плечах катушки индуктивности (1) и сохранения повышенной точности и стабильности, если потребуется, то возможно устанавливать несколько конденсаторов в плече, сохраняя условие равности емкостей в плечах катушки индуктивности.
Линейный стабилизатор U1 обеспечивает стабильность питающего напряжения измерительного генератора в диапазоне входных питающих напряжений 6,5 В – 30 В, расширяет диапазон питающих напряжений с 3 В - 15 В до 6,5 В – 30 В и обеспечивает стабилизацию колебаний входного питающего напряжения в диапазоне 6,5 В – 30 В.
Если полное сопротивление индуктивно емкостной обратной связи измерительного генератора будет требовать большего тока насыщения, чем может выдать параллельно соединенная группа логических элементов микросхем U3-UN, то из-за повышенного тока потребления произойдет увеличение нелинейных искажений фронтов сигнала генератора, что приведет к уменьшению соотношения сигнал/шум. Поэтому для согласования нагрузки и динамического диапазона тока выхода группы параллельно соединенных логических элементов микросхем U3-UN применяется прецизионный резистор R1, включенный последовательно катушке индуктивности (1) в цепи обратной связи измерительного генератора (2).
Защитный согласующий резистор R2 выполняет роль ограничителя тока нагрузки, служит для повышения общего сопротивления положительной обратной связи генератора.
Описание работы устройства
При работе с металлоискателем измерительная катушка индуктивности, выполненная, например, в виде кольца диаметром 30 см и закрепленная на конце штанги, перемещается оператором параллельно грунту (или другой скрывающей среде) на расстоянии 3-5 см. Посредством дисплея (5) осуществляется отображение изменения частоты выходного сигнала генератора.
Измерительная катушка индуктивности (1) воздействует на металлический объект переменным магнитным полем, металлический объект в зависимости от своих индуктивных свойств либо переотражает наведенный электромагнитный сигнал, либо поглощает его. Тем самым возвращенный сигнал от объекта суммируется с основным сигналом в катушке (1) и в зависимости от типа металла, находящегося в зоне действия катушки (1), увеличивает или уменьшает его мощность. При увеличении мощности сигнала происходит скорейшее насыщение входа логического элемента U3-UN, и соответственно рост частоты выходного сигнала измерительного генератора (2). При уменьшении мощности насыщение происходит медленнее и соответственно выходная частота генератора (2) уменьшается.
При попадании в зону действия измерительной катушки (1) металлического объекта с ферромагнитными свойствами индуктивность катушки (1) возрастает, реактивное сопротивление обратной связи генератора (2) растет, сигнал колебательного контура быстрее насыщает вход логического элемента U3-UN, подключенного к выходу катушки индуктивности (1), частота меандра на выходе генератора (2) растет.
При попадании в зону действия измерительной катушки (1) металлического объекта с неферромагнитными свойствами индуктивность катушки уменьшается, реактивное сопротивление обратной связи генератора (2) уменьшается, сигнал медленнее насыщает вход логического элемента U3-UN, подключенного к выходу катушки индуктивности (1), частота меандра на выходе генератора (2) падает.
Таким образом, при попадании металлического объекта в зону действия измерительной катушки индуктивности (1), измеряя изменение частоты выходного сигнала генератора (2) (уменьшение или увеличение), определяется тип обнаруженного металла (ферромагнитный/неферромагнитный), по величине изменения частоты определяется площадь металлического объекта находящегося в зоне действия измерительной катушки индуктивности. Также при измерении скорости перемещения измерительной катушки индуктивности над металлическим объектом возможно измерение расстояния его расположения от катушки индуктивности (1), как функции частного длины обнаруженного металлического объекта к максимальному уровню изменения частоты сигнала вызванного металлическим объектом. Измерение скорости перемещения датчика возможно путем установки непосредственно на плату измерительного генератора микросхемы акселерометра, гироскопа. Данные с микросхемы по кабелю поступают в вычислительный микроконтроллер (4), где преобразовываются в значение моментальной скорости перемещения датчика. Длина обнаруженного металлического объекта вычисляется из произведения скорости перемещения датчика на время изменения частоты выходного сигнала генератора, вызванного обнаружением металлического объекта.
Увеличение тока в цепи индуктивно емкостной обратной связи измерительного генератора (2) приводит к увеличению дальности обнаружения металлических объектов поисковым датчиком металлоискателя.
Для увеличения тока в индуктивно емкостной цепи обратной связи измерительного генератора (2) применяется увеличение параллельно включенных логических элементов U3-UN. В данной конструкции возможно увеличение параллельно включенных логических элементов в N раз, что представлено на принципиальной схеме включения логических элементов микросхем U3-UN (фиг.3). Свойства измерительного генератора и его колебательного контура определяются заранее. При производстве измерительного генератора на плату устанавливается рассчитанное количество элементов, исходя из определенных задач поиска металла.
Дальность обнаружения различных типов металла также зависит от частоты колебательного контура в цепи обратной связи измерительного генератора. Для увеличения дальности обнаружения ферромагнитных объектов используется повышенная частота. Для увеличения дальности обнаружения неферромагнитных объектов используется пониженная частота.
Изменение частоты измерительного генератора осуществляют согласно формуле Томсона:
F=  (1),
где F - частота сигнала измерительного генератора;
L - индуктивность измерительной катушки;
C - ёмкость конденсаторов C1-CN.
Из формулы (1) следует, что применение измерительной катушки (1) большей индуктивности приведет к уменьшению частоты сигнала измерительного генератора. Увеличение частоты сигнала измерительного генератора (2) возможно путем уменьшения емкости конденсаторов C1-CN в плечах катушки индуктивности при производстве платы или уменьшения индуктивности измерительной катушки при производстве обмотки. Изобретение отличается тем, что применяемый набор емкостей из конденсаторов малой емкости (<2,2 nF) и повышенной точности в измерительном колебательном контуре нужен для первичной настройки металлоискателя на повышенную чувствительность к определенному типу металла (ферромагнитный, неферромагнитный), то есть для изменения и задания частоты измерительного генератора.
Преимущества заявляемого изобретения
1. На основе заявляемой конструкции может быть реализован селективный металлоискатель, предназначенный для поиска металлических объектов в грунте, в стенах, в одежде и т.д. Определение типа металла, размера, отдаления увеличит точность обнаружения искомого объекта, и повысит безопасность строительных, археологических и саперских работ.
2. Обеспечена возможность применения измерительных катушек индуктивности любых форм и индуктивностей в зависимости от задач поиска металлических объектов. При этом использована одна катушка индуктивности, осуществляющая регистрацию металлических объектов, что существенно упрощает и повышает надежность конструкции.
3. Обеспечена возможность задания мощности генератора с целью регулирования чувствительности.
4. Обеспечена возможность задания частоты генератора с целью повышения чувствительности к определенному типу металла.
5. Длительное время работы от гальванических элементов в носимых, мобильных и стационарных устройствах, за счет выполнения генератора на логических элементах, изготовленных по КМОП технологии, что обеспечивает микроамперное потребление, и широкий диапазон питающего рабочего напряжения от 3 В- 30 В.
6. Измерительный генератор устанавливается в непосредственной близости к измерительной катушке индуктивности, что исключает влияние паразитных помех, вызванных наведением электромагнитного сигнала или изменением электрического сопротивления кабеля, соединяющего измерительную катушку индуктивности и измерительный генератор.