Различные виды металлоискателей и их принцип действия
Для успешного поиска металлических предметов в земле нет необходимости понимать научные принципы металлоискателя. Однако полезно знать в общих чертах, как металлоискатель работает.
Металлоискатель - это электронный прибор, который определяет присутствие металла и информирует нас об этом. Металлический предмет, скажем монета, находящийся в земле, сам по себе ничего не излучает и не выдает своего присутствия. Чтобы его обнаружить, необходимо облучить его радиоволнами и уловить вторичный сигнал. Все металлоискатели основаны на этом принципе Различие между дешевыми и дорогими моделями заключается в методах излучения этих радиоволн, в методах улавливания вторичных сигналов, а также в способах информирования вас о наличии металла.
Рис. 12. Электромагнитное поле поисковой катушки
Рис. 13. Возникновение вихревых токов на поверхности металлических предметов, оказавшихся в электромагнитном поле поисковой катушки
Когда вы включаете металлоискатель, в поисковой катушке протекает переменный электрический ток, создающий вокруг катушки электромагнитное поле. Это поле проходит в окружающую среду, будь то воздух, грунт, вода, камень, дерево и т.д. Если на пути этого поля оказывается металлический предмет, то на его поверхности возникают так называемые вихревые токи. Эти токи образуют свое электромагнитное поле, которое ослабляет поле передающей катушки. Электронная схема прибора с помощью катушки улавливает это ослабление поля, вызванное присутствием под катушкой металла, и информирует вас об этом тем или иным способом. Более сложные электронные схемы обеспечивают лучшее улавливание более слабых вторичных сигналов, более точно их обрабатывают. Поэтому такие приборы трудоемки в изготовлении и стоят дороже. Однако они, как правило, способны находить объекты набольшей глубине.
Рис. 14. Влияние минерализации грунта на глубину обнаружения
Вихревые токи образуются на поверхности любых электропроводных материалов - металлов, минералов и т.п. Цветные металлы более электропроводны, чем черные металлы и минералы. Поэтому вихревые токи на них затухают дольше. Металлоискатель чувствует, в каком случае вихревые токи затухают быстрее, и на этом основании может "сказать" вам, какой из металлов - черный или цветной - находится под катушкой.
К сожалению, в некоторых местах грунт содержит большое количество электропроводных минералов (магнетит, соли натрия и калия), которые крайне нежелательны, поскольку маскируют присутствие металла, уменьшая глубину его обнаружения. Минералы железа и соли представляют большую проблему для производителей и пользователей металлоискателей. Применяя различные фильтры, можно в значительной мере снизить влияние фунта. Некоторые приборы имеют автоматическую отстройку от грунта, в других это достигается вручную оператором, что более точно, если выполнено правильно.
В литературе различают следующие основные подходы к построению схемотехники металлоискателей:
1. Метод биений - BFO (Bcat Frequency Oscillation).
2. Метод индукционного баланса - IB/TR (Induction Balance / Transmitter-Reciver).
3. Метод индукционного баланса с использованием очень низких рабочих частот - VLF/TR (Very Low Frequency/ Transmitter- Reciver).
4. Метод индукционного баланса с разнесенными катушками - RF (Radio Frequency).
5. Импульсный метод - PI (Pulse Induction).
6. Метод срыва резонанса - OR (OfTResonance).
Метод биений - BFO
Измеряемым параметром является частота LC-генератора, включающего катушку поисковой головки. Частота сравнивается с эталонной, и полученная разностная частота биений выводится на звуковую индикацию. Схемотехника приборов достаточна проста, катушка нетребует прецизионного исполнения. Рабочая частота 40-500 кГц. Чувствительность BFO-приборов невысокая при низкой стабильности работы и слабой возможности отстраиваться от влажного и минерализированного фунта. Метод BFO применялся в миноискателях и серийных иностранных приборах в 60-70 гг. прошлого века. В настоящее время этот метод популярен у радиолюбителей и встречается в недорогих приборах российских производителей. Сюда же можно отнести приборы с прямым измерением частоты, хорошо реализуемые на микропроцессорах.
Метод индукционного баланса - IB/TR
Поисковую головку образуют две катушки, расположенные в одной плоскости и сбалансированные так, что при подаче сигнала в передающую катушку на выходах приемной присутствует минимальный сигнал. Передающая катушка часто включается в контур LC-генератора. Измеряемым параметром является амплитуда сигнала на приемной катушке и фазовый сдвиг между переданным и принятым синусоидальными сигналами. Такие металлоискатели имеют рабочую частоту 80-100 kHz. Они могут обнаруживать небольшие объекты на сравнительно большой глубине (30-35 см), однако они бесполезны при поиске на сильно минерализованных фунтах и морских пляжах.
Метод индукционного баланса с использованием очень низких рабочих частот - VLF/TR
Было обнаружено, что при снижении рабочей частоты ниже 20 kHz можно отстроиться от влияния фунта, глубина действия прибора при этом несколько снижается, зато резко возрастает стабильность работы и исчезают ложные сигналы. Такие приборы получили название VLF/TR, что расшифровывается как металлоискатель типа передатчик-приемник, работающий на очень низких частотах.
VLF - метод позволяет построить высокочувствительные приборы с хорошим различением металлов за счет анализа фазовых характеристик. Схемотехника приборов достаточно сложна, катушки требуют прецизионной балансировки. На основе этого метода сейчас строится большинство серийных приборов, в том числе и компьютеризированных. Дискриминация объектов и отстройка от грунта в таких приборах осуществляется сравнительно просто с помощью фазосдвигающих цепей.
Принцип TR (или его разновидность VLF/TR) предусматривает анализ фазовых характеристик сигнала, поэтому эти приборы легко различают черные и цветные металлы, отстраиваются от мусора и грунта. Они имеют высокую чувствительность и разрешающую способность, которая зависит от диаметра поисковой катушки - чем она больше, тем глубже обнаружение, но тем труднее искать мелкие предметы.
Недостаток таких приборов заключался в том, что отстройку от грунта нельзя было выполнять одновременно с дискриминацией и оператор с помощью переключателя должен выбирать л ибо тот, либо другой режим. Такие приборы выпускались в США и Англии в течение 10 лет вплоть до 1980 г., когда они были заменены на так называемые динамические металлоискатели.
В конце 70-х гг. XX в. американец Дж.Пейн разработал схему, позволяющую проводить одновременно и дискриминацию и отстройку от грунта.
Первые приборы такого типа необходимо было очень быстро перемещать для достижения приемлемой глубины их действия, что было для оператора весьма утомительно. Белее поздние модели (за счет усложнения схемы) позволяли работать уже с меньшими скоростями перемещения катушки без потери глубины.
В начале 80-х гг. металлоискатели стали тяжелыми и сложными в настройке. По существу, один прибор включал в себя четыре металлоискателя различных типов. Американская фирма Fisher Researh Laboratory своевременно отреагировала на просьбы искателей сокровищ сделать более простой, но не менее чувствительный прибор и на основе последних достижений микроэлектроники разработала металлоискатель 1260-х с автоподстройкой порога, работающий на очень низкой частоте. Он имел лишь несколько органов управления и не требовал никакой ручной настройки. Это легкий, удобный в работе и чувствительный к мелким объектам прибор, успешно действующий на плохих минерализованных грунтах. Его модификация 1266-х выпускалась до 2003 г.
Этот металлоискатель стал называться "динамическим", хотя, по существу, он относится к типу VLF/TR. Предыдущие статические металлоискатели типа VLF/TR практически перестали производиться, и все ведущие фирмы быстро переключились на производство приборов, использующих указанный динамический принцип. Многочисленные мелкие компании, не успевшие это сделать, были вынуждены прекратить свое существование. С тех пор в мире осталось л ишь около десятка фирм, производящих металлоискатели.
Метод индукционного баланса с разнесенными катушками - RF
Это высокочастотный вариант TR, где передающая и приемная катушки образуют не плоский трансформатор, а разнесены в пространстве и расположены перпендикулярно друг к другу. Приемная катушка принимает отраженный от металлической поверхности сигнал, излучаемый передающей катушкой. Этот метод используется в глубинных приборах и характеризуется нечувствительностью к мелким объектам и невозможностью различать черные и цветные металлы.
Импульсный метод - IP
Впервые разработанные в США для археологов, эти приборы получили наибольшее распространение среди любителей Англии в конце 60-х гг. Как и в приборах, основанных на принципе индукционного баланса, импульсные приборы создают электромагнитное поле, воздействующее на объект, однако это поле действует не все время, а периодически - то включается, то выключается (пульсирует) многократно в течение одной секунды.
При включении поля на поверхности объекта наводятся вихревые токи. При выключении поля вихревые токи постепенно затухают, хотя и в течение очень короткого промежутка времени. В этот момент катушка действует как приемная антенна, улавливающая этот затухающий сигнал. При этом пороговый фон прибора усиливается, свидетельствуя о наличии металла в почве. Поскольку вихревые токи грунта затухают гораздо быстрее и не улавливаются прибором, импульсные металлоискатели эффектно работают на плохих минерализованных почвах и особенно на влажных соленых грунтах морских побережий.
Недостатком импульсных металлоискателей является высокая чувствительность к черным металлам и трудности с дискриминацией. Однако в ряде случаев (например, при поиске металла на дне моря) они превосходят все другие типы металлоискателей.
Метод срыва резонанса - OR
Анализируемым параметром является амплитуда сигнала на катушке колебательного контура, настроенного близко к резонансу с подаваемым на него сигналом от генератора. Появление металла в поле катушки вызывает или достижение резонанса или уход от него, в зависимости от вида металла, что приводит к увеличению или уменьшению амплитуды колебаний на катушке. Этот метод, так же как и BFO разрабатывался радиолюбителями.
Автор: Булгак Л.В.