Металлоискатель передача-прием. Принцип работы металлоискателя От чего зависит глубина поиска целей

Металлоискатели часто бывают нужны например, при поиске потерявшихся металлических предметов или труб, кабелей, баков, закопанных под землёй. Ещё металлоискатели ассоциируются с искателями кладов и минёрами 🙂

Типы металлоискателей

Самый сложные и чувствительные, но и самые дорогие, построены по принципу передачи/приёма радиосигнала . Сложность и дороговизна заключается не только в обилии электронных компонентов схемы, но и в необходимости квалифицированной настройки контуров.

Есть еще несколько видов по разным принципам: индукционные, измерители частоты, импульсные, ослабление генерации, метод биений, импульсная индукция, срыв резонанса…

Смысл всех металлоискателей в одном: изменение частоты генератора при попадании в поле катушки металлического предмета . Это изменение частоты, как правило очень незначительное, и вторая суть той или иной схемы - уловить это малейшее изменение и во что-то преобразовать.

Схема простого металлоискателя представлена ниже.

Сделав подобный металлоискатель компактным и взяв его с собой в поездку на море, он вам поможет, при поиске потерянной вами или родственниками на пляже золотое украшение. Но что вам ближе, так это поиск скрытой проводки в стене ли какого-нибудь гвоздика. Вот такую простую и зарекомендовавшую себя схему металлоискателя для подобных целей мы и рассмотрим здесь, чтобы собрать её своими руками.

Схема простого металлоискателя на транзисторах

Схема этого простого металлоискателя, которую сможет повторить любитель без большого опыта.

Характеристики металлоискателя:

• Обнаружение монеты - 10-15 см (при хорошей наладке некоторые хватаются, что до 50 см!);
• Стальные ножницы - 20-25 см;
• Крупные предметы - 1-1,5 метра.

Схема состоит из двух высокочастотных генераторов, каждый - на одном транзисторе (VT1 и VT2). Частота левого генератора (VT1) изменяется при попадании в поле L1 металла, а частота правого (VT2) остается неизменной. Номиналы элементов обоих генераторов подобраны так, чтобы частоты генераторов лишь незначительно отличались. Генераторы работают на радиочастоте (более 100кГц), и такой звук не слышим ни нашим ухом, ни воспроизводится динамиком. Но небольшая их разница, к примеру 160 кГц и 161 кГц равна 1 кГц - это уже слышимые ухом колебания. А обе катушки генераторов (L1, L2) индуктивно связаны (находятся вблизи), поэтому оба сигнала от генераторов с разницей в 1 кГц объединяются и мы слышим так называемые амплитудные биения частотой 1 кГц.

Настройка металлоискателя

Металлоискатель применяется для поисков различных типов металла. Но мало кто знает, как же он устроен. Разберемся, какие принципы лежат в работе металлоискателя, в чем его отличие от металлодетектора и какие типы металлоискателей известны.

Металлоискатель и металлодетектор: есть ли разница?

Строго говоря, оба эти понятия обозначают одно и то же. Зачастую, их используют как синонимы. Правда, в сознании говорящего и слушающего при произнесении слова «металлоискатель» чаще возникает картинка человека, ищущего клад в лесу с длинным инструментом с датчиком на конце. А в случае с «металлодетектором» сразу представляются магнитные рамки в аэропорту и люди со специальными ручными датчиками, реагирующими на металл. Как видим, для обывателя различие заключается только в представлении.

Если же обратиться к истокам, то будет ясно, что металлоискатель - это просто русский эквивалент английского термина «metal detector», а «металлодетектор», в таком случае» - всего лишь транслитерированный перевод.

Однако, в профессиональной среде русскоязычных людей, которые часто пользуются этими приборами существует представление о четком различии между ними. Металлодетектором называют недорогой прибор, способный лишь обнаружить наличие или же отсутствие металла в определенной среде. Соответственно, металлоискатель - это прибор похожего назначения, но его преимущество заключается в том, что с помощью него дополнительно возможно определить тип металлического объекта. Цена такого инструмента на несколько порядков выше. По целям эти приборы совпадают, однако характер их выполнения различен. Поэтому на вопрос «чем отличается металлоискатель от металлодетектора» можно ответить с полной уверенностью, что это различие лежит в сфере дополнительного функционала, оставляя при этом неизменными цели и задачи, относящиеся к такой технике.

Но для удобства будем придерживаться всем понятной точки зрения. Обозначим аппарат, использующийся для поиска в грунте или под водой термином «металлоискатель», а «металлодетекторами» будем называть ручные досмотровые и специальные арочные устройства, применяющиеся в работе различными охранными службами.

Как работает металлоискатель

Однозначно ответить на этот вопрос довольно сложно. Существует масса различных вариантов устройства этого прибора. И найти «свой» среди всего многообразия потенциальному покупателю бывает непросто.

Самый распространенный - электронный прибор, функционирующий на определенных частотах, способен обнаруживать металлические объекты соответственно заданным параметрам в так называемой нейтральной или же слабопроводящей среде. Понятно, что он реагирует на проводимость материалов, из которых изготовлены предметы. Прибор такой конструкции называется импульсным. Это когда излучаемый прибором и отраженный предметом сигналы передаются через некоторые доли секунд. Именно они и фиксируется техникой. Кратко описать принцип работы импульсного металлоискателя можно так: импульсы генератора тока, как правило, за миллисекунды поступают в излучающую катушку, где трансформируются в импульсы магнитной индукции. На импульсных составляющих генератора образуются резкие скачки напряжения. Они отражаются в приемной катушке (в более сложных типах устройств у одной катушки есть способность выполнять обе функции) за определенные промежутки времени. Потом сигналы поступают по каналу связи на блок обработки и понятными символами выводятся для последующего восприятия их человеком.

Но нужно быть внимательным, ведь у такого популярного типа техники существует ряд недостатков:

1. Трудность дифференциации обнаруженных объектов по типу металла;
2. Большая амплитуда напряжения;
3. Техническая сложность коммутации и генерации;
4. Наличие радиопомех.

Другие типы металлоискателей по принципу работы

Такие приборы состоят из большинства известных моделей. Некоторые из них уже сняты с производства, однако до сих пор применяются на практике.

1. BFO (Beat Frequency Oscillation). В основе - подсчет и фиксация разницы частоты колебаний. В зависимости от типа металла (черного или цветного) частота то повышается, то понижается. Такие приборы теперь не выпускаются, они устарели. Но произведенные ранее модели все еще работают. Характеристики такого металлоискателя оставляют желать лучшего. У него небольшая глубина обнаружения, сильная зависимость результатов поиска от типа грунта (малоэффективен на кислых, минерализованных почвах), низкая чувствительность.
2. TR (Transmitter Reciver). Оборудование типа «прием-передача». Также относится к устаревшим. Проблемы такие же, как и у предыдущего типа (не работает на минерализованных грунтах) за исключением глубины обнаружения. Она является довольно большой.
3. VLF (Very Low Frequency). Зачастую такой аппарат сочетает две схемы действия: «прием-передачу» и низкочастотное исследование. В ходе работы прибор анализирует сигнал по фазам. Его преимущества в высокой чувствительности, способности искать черные и цветные металлы на глубине. Но вот объекты, залегающие у поверхности ему обнаружить значительно труднее.
4. PI (Pulse Induction). В основе - процесс индукции. Принцип работы металлоискателя заключен в катушке. Она - это сердце датчика. Появление внутри электромагнитного поля посторонних токов от металлических предметов активизирует отраженный импульс. Он достигает катушки в виде электрического сигнала. При этом аппарат четко воспринимает минерализованную и соленую почву с металлами. Токи, от солей достигают датчика гораздо быстрее и не отображаются графически или звуковом. Такой металлоискатель считается наиболее чувствительным из всех. Для ведения поисков на морском дне - это самый эффективный вариант устройства.
5. RF (Radio Frequency / RF two-box) . Представляет собой прибор «прием-передача», только работающий на высоких частотах. Имеет две катушки (катушка приема и соответственно, катушка передачи). В основе работы этого металлоискателя лежит нарушение индукционного баланса: катушка, работающая на прием, фиксирует сигнал, который отражается от объекта. Изначально этот сигнал был послан катушкой-передачи. Характеристики такого металлоискателя делают возможным его применение с целью поиска неглубоко находящихся месторождений руд, полезных ископаемых на больших глубинах или же обнаружения крупных предметов. По глубине пробивания не имеет себе равных (от 1 до 9 метров в зависимости от типа почвы). Часто используется в промышленности. Копатели и кладоискатели не оставляют его без внимания. Существенный минус такого прибора - это его неспособность к обнаружению мелких предметов типа монет.

Принцип работы металлоискателя для поиска цветного металла особо не отличается от остальных. Он также зависит от типа и конструкции аппарата. При правильной настройке можно обнаружить цветной металл. Различия между ним и черным состоят лишь в том, что вихревые токи, отражающиеся от предмета из цветного металла, затухают дольше.

Чем еще отличаются металлоискатели?

Помимо внутренней «начинки» различия между металлоискателями имеются и в других моментах. Во-первых, они представлены в разных ценовых категориях. Есть приборы более дешевые и массовые, есть и те, которые можно отнести к премиум-классу.

Также уже в описании металлоискателей видна разница в выводе информации для доступа к ней пользователя. Аппараты могут быть запрограммированные на отображение графического информирования (выводится на специальном дисплее), звуковыми устройствами, сообщающими об обнаружении или отсутствии объекта (отличаются тем, что издают разные частоты). В более дорогих моделях могут быть представлены дисплеи с целыми шкалами дискриминационных значений.

Отличается и сама информация. Например, самые недорогие модели просто сообщают пользователю о том, есть металл или нет. Аппараты чуть подороже определяют какой это металл - черный или цветной. Самые дорогие модели могут предоставить полную информацию: сведения о глубине предмета, вероятностное отношение в процентах относительно металла, тип объекта.

Все виды металлоискателей

Приборы различаются по : принципу работы, выполняемым задачам, примененным элементам. О принципах уже написано выше, поэтому посмотрим, какими они бывают по задачам:

1. Глубинный;

2. Грунтовой;

3. Магнитометр;

4. Миноискатель.

По элементам могут быть микропроцессорными и аналоговыми.

Про характеристики

Различные аппараты характеризуются вариативностью параметров.

Принцип действия металлоискателя и его рабочая частота - классифицирующие параметры. Определяют тип прибора, например, профессиональный или грунтовой. Чувствительностью определяется глубина. Целеуказание позволяет настраивать прибор на заданный размер цели. Тип металла вычисляет дискриминатор. Вес, тут все просто: тяжелым прибором неудобно пользоваться длительное время. Тип почвы указывается при балансировке показателей грунта.

Работа с металлоискателем. Особенности

Нужно предварительно изучить свой прибор, его слабые места. Не следует гнаться за самыми последними моделями. Если у пользователя нет элементарных навыков и понимания того, как аппарат устроен, то ему не поможет никакой даже самый «навороченный» металлоискатель.

В каждой ценовой категории есть свои лидеры. Их и нужно выбирать, так как это модели, проверенные поколениями кладоискателей. Умение работать с прибором достигается только практикой. Пробуя раз за разом, человек начинает правильно расшифровывать те сигналы, которые подает ему техника. А от правильной расшифровки зависит основной вопрос: копать или не копать?

Например, зная какие элементы установлены внутри вашего металлоискателя, можно точно понять как работать с металлоискателем. Если это катушка-моно, то ее электромагнитное излучение выглядит конусообразным. Следовательно, при поисках есть «слепые зоны». Чтобы их устранить, нужно следить за тем, чтобы каждый проход с прибором перекрывал на 50 % предыдущий. Зная такие мелочи, можно наиболее эффективно применять металлоискатель.

Работа с металлоискателем предполагает получение определенного результата. Для этого необходимо, чтобы металлоискатель отвечал некоторым простым, но совершенно необходимым требованиям:

1. Принцип работы металлоискателя должен позволять ему чувствовать металлические предметы на максимальной глубине;
2. Обязательно должно быть разделение на черный и цветной металл;
3. На приборе должен быть установлен оперативный процессор, обеспечивающий быструю работу. Это важно для распознания двух близлежащих объектов.

Как же правильно работать с металлоискателем? Начать необходимо с настройки прибора. Как правило, если мы хотим найти какой-то определенный объект, то и настройки нужно устанавливать соответствующие. Но есть 2 общих правила, соблюдение которых точно будет полезно новичкам.

1. Снизить пороговое значение по параметру чувствительности. Так как повышение этого показателя зачастую приводит к усилению помех, то новичкам лучше пожертвовать способностью прибора обнаруживать предметы, лежащие рядом, чтобы точнее локализовать какую-то одну цель.
2. Использовать параметр дискриминации «все металлы».

Это были указаны только некоторые общие сведения относительно того, как правильно пользоваться металлоискателем. Остановимся на этом подробнее. Самое главное –никогда не спешить! Площадь поисков разбивается на зоны, участки. Каждый из них следует медленно, внимательно проходить. Улавливатель необходимо держать как можно ближе к земле; работа металлоискателем должна быть плавной, без рывков. Аккуратно водите прибором из стороны в сторону. Если в земле обнаружен металл, то, как правило, вы услышите звуковой сигнал: четкий - свидетельство обнаружения небольшого предмета правильной формы, нечеткий, прерывистый - форма обнаруженного объекта неправильная. Научиться определять размеры находки и глубину ее залегания по звуку можно только опытным путем. Тип найденного металла классифицируется по шкале (аппарат отражает электрический импульс, а процессор исходя из этих данных вычисляет плотность материала, из которого изготовлен предмет).

Есть два режима: динамический (основной) и статический, они влияют на то, как правильно работать металлоискателем Статический - это независимое перемещение катушки над объектом; применяется для точного определения центра цели. Исследование территории происходит по определенной схеме:

1. Катушка должна быть параллельна земле;
2. Важно сохранять постоянное расстояние между землей и катушкой;
3. Делать маленькие шаги. Не пропускать участки!
4. Скорость движения должна составлять около полуметра в секунду;
5. Высота прибора над землей - 3 или 4 см.

Поиски ведутся в динамическом режиме. При обнаружении стабильного сигнала переключайте аппарат в статический режим: крестообразными движениями водите над предполагаемым местом; там, где сигнал приобретает максимальную громкость и копайте. Обратно переключите металлоискатель в динамический режим. Копайте на половину штыка, подрезая ровный квадратный или круглый ком. Если объект все еще находится в яме, копайте дальше. Из дерна извлекать находку лучше методом половинного деления. После завершения поисков обязательно укладывайте дерн обратно в яму! Теперь вы точно знаете, как пользоваться металлоискателем.

Немного о металлодетекторах

Принципы работы металлодетекторов абсолютно такие же, как и у металлоискателей, различия имеются только в средах использования и мощности катушки. Из-за этого эффективность металлодетекторов меньше, в грунте они бы ничего не смогли обнаружить. Основными видами металлодетекторов являются: ручной досмотровый (дальность обнаружения до 25 метров) и арочный (рамочный).

Коротко описать, как работает ручной металлодетектор, можно так: устройство абсолютно готово к работе при включении, настройка не требуется, при обнаружении металла импульс постоянного тока фиксируется, включается звук и индикация.

Очень заманчивое устройство. Его можно использовать для самых разных целей, например, для поиска старой проводки, водопроводных труб, ну и клада в конце концов. На самом деле, понятие металлоискатель очень обширное, а сами металлоискатели бывают разными. Принцип поиска металла заложенный в классических металлоискателях применяется в самых разных устройствах начиная от простых детекторов и заканчивая радиолокационными станциями. Углубляться в теорию, пожалуй, будем как-нибудь в другой раз. Ну а сейчас перейдем к делу.

В последнее время большую популярность набирают так называемые импульсные металлоискатели, которые в своем составе содержат только одну катушку и имеют относительно простую конструкцию. При этом обеспечивают довольно неплохую чувствительность и высокую надежность. Импульсный металлоискатель работает по принципу прием-передача. Поисковая катушка в таком металлоискателе может работать в 2-ух режимах: приема и передачи.

Излучаемая катушка: сигнал генерирует или возбуждает в металле вихревые токи Фуко, которые улавливаются самой катушкой.

У разных металлов разная электропроводность, многие металлоискатели умеют распознавать это, с достаточно высокой точностью определяя, что за металл находится в земле. Приведенная схема металлоискателя в сети встречается очень часто, но фото реальных конструкций и отзывов крайне мало, поэтому AKA KASYAN (автор одноименного YouTube канала) решил повторить схему дабы понять, что к чему. Автор создал печатную плату и запаял все компоненты.

Сама печатная плата получилось довольно компактной. Сделана она методом ЛУТ (кому интересно, в описании под видеороликом автора вы найдете ссылку на архив проекта с файлом печатной платой, а также схему, список компонентов и все остальное (ссылка ИСТОЧНИК в конце статьи)).

Достоинств у приведенной схемы много. Во-первых, это наличие всего одной катушки, во-вторых, это крайне простая и не капризная схема, которая практически не требует дополнительной настройки, и наконец самое важное, вся схема построена на базе всего лишь одной микросхемы.

После сборки и проверки всплыли дополнительные фишки этой схемы, а именно малая чувствительность к грунту, что немаловажный момент. А еще при желании металлоискатель можно настроить так, чтобы он видел только цветные металлы и игнорировал черные. То есть, некоторое подобие функции дискриминации металлов, которая доступна на многих моделях коммерческих металлоискателей.

Из недостатков - малая глубина поиска. Крупные металлические предметы детектор замечает на расстояние до 30 см, средние монеты до 5-8 см. Этого мало, скажут многие, но это смотря для каких целей. Например, автор собрал этот металлоискатель для поиска старых водопроводных труб в стене и с этой задачей схема справилась на 100%.

Данный же малыш хорош именно простотой и для определенных задач может стать незаменимым помощником.

Давайте рассмотрим его схему:

Построена она на базе КМОП логики CD4011.

Схема состоит из 4-ех частей: опорного и поисковых генераторов, смесителя и усилителя сигнала (в данном случае он построен на одном транзисторе).

В качестве динамической головки предпочтительно использовать наушники с сопротивлением катушки от 16 до 64 Ом, так как выходной каскад не рассчитан под низкоомную нагрузку.

Работает металлоискатель простым образом. Изначально поисковый и опорный генератор настраиваются примерно на одинаковую частоту. В таком случае нет разницы частот, а, следовательно, из динамика мы ничего не услышим.

Частота опорного генератора фиксированная, с возможностью ручной подстройки путем вращения переменного резистора.

А вот частота поискового генератора сильно зависит от параметров LC контура.

Если в поле зрения поисковой катушки находится металлический предмет нарушается частота LC контура, иначе говоря, меняется частота поискового генератора относительно опорного.

Затем сигналы из обеих генераторов поступают в смеситель. Их разница выделяется в виде звукового сигнала, фильтруется и поступает на усилительный каскад, нагрузкой для которого является наушник.

Катушка.

Чем больше диаметр катушки - тем чувствительнее металлоискатель. Но большие катушки имеют свои недостатки, поэтому нужно выбирать оптимальные параметры. Для данной схемы наиболее оптимальный диаметр лежит в пределах от 15 до 20 см. Диаметр провода обмотки от 0,4 до 0,6 мм, количество витков 40-50, в случае если диаметр катушки в пределах 20-ти см. В данном случае катушка урезана, витки и диаметр меньше чем нужно, поэтому чувствительность схемы не ахти.

Если планируете использовать самодельный металлоискатель в условиях повышенной влажности, катушку нужно тщательно загерметизировать.
Настройка. Если при первом включении схема не реагируют на металл, но все компоненты исправны, скорее всего разница частот с генераторов находится за пределами звукового диапазона и звук просто не воспринимается человеком. В этом случае стоит покрутить переменный резистор до появления звукового сигнала, далее медленно вращаем тот же резистор до тех пор, пока из динамика не услышим низкочастотный сигнал. Затем еще чуток вращаем переменник в том же направлении до полного исчезновения сигнала.

Этим настройка завершена. Для более точной подстройки автор советует использовать многооборотный резистор, либо 2 обычных переменника, один из которых предназначен для грубой настройки, а второй для более плавной.

Естественно все наладочные работы необходимо производить при отсутствии металла в поле зрения катушки. Ну и в самом конце преподносим металлический предмет катушке и убеждаемся, что тональность звукового сигнала меняется, то бишь схема реагирует на металл.

Предлагаю для повторения лично собранный недавно и успешно заработавший простой металлоискатель. Этот металлоискатель работает по принципу "передача-прием". В качестве передатчика использован мультивибратор, а в качестве приемника - усилитель звуковой частоты. Принципиальная схема была опубликована в журнале Радио.

Схема приёмника МД - второй вариант

Параметры металлоискателя

Рабочая частота - около 2 кГц;
- глубина обнаружения монеты диаметром 25 мм - 9 см;
- железной закаточной крышки от банки - 25 см;
- алюминиевого листа размерами 200x300 мм - 45 см;
- канализационного люка - 60 см.

Подключенные к нему поисковые катушки должны быть абсолютно одинакавые по размеру и намотачным даным. Их необходимо расположить так, чтобы в отсутствие посторонних металлических предметов связь между ними практически отсутствовала, примеры катушек приведены на рисунке.

Если катушки передатчика и приемника расположить именно так, то сигнал передатчика в приемнике прослушиваться не будет. При появлении поблизости от этой сбалансированной системы металлического предмета, в ней под действием переменного магнитного поля передающей катушки возникают так называемые вихревые токи и как следствие, собственное магнитное поле, которое наводит в приемной катушке переменную ЭДС.

Сигнал, принятый приемником, преобразуется телефонами в звук. Схема металлоискателя действительно очень проста, но несмотря на это, довольно хорошо работает, да и чувствительность не плохая. Мультивибратор передащего блока можно собрать и на других транзисторах аналогичной структуры.

Катушки металлоискателя имеют размер 200х100 мм и содержат около 80 витков проводом 0.6-0.8мм. Для проверки работы передатчика вместо катушки L1 подключают наушники и убеждаются в том, что при включении питания в них слышен звук. Затем, подключив на место катушку, контролируют ток, потребляемый передатчиком - 5...8 мА.

Приемник настраивают при замкнутом входе. Подбором резистора R1 в первом каскаде и R3 во втором устанавливают на коллекторах соответственно транзисторов напряжение, равное примерно половине напряжения питания. Затем подбором резистора R5 добиваются того, чтобы ток коллектора транзистора VT3 стал равным 5...8 мА. После этого, разомкнув вход, подключают к нему катушку приемника L1 и, принимая сигнал передатчика на расстоянии примерно 1 м, убеждаются в работоспособности устройства.

Металлоискатель по принципу передача-прием — Теория

Термины «передача-прием» и «отраженный сигнал» в различных поисковых приборах обычно ассоциируются с методами типа импульсной эхо- и радиолокации, что является источником заблуждений, когда речь заходит о металлоискателях.

В отличие от различного рода локаторов, в металлоискателях рассматриваемого типа как передаваемый сигнал (излучаемый), так и принимаемый сигнал (отраженный) являются непрерывными, они существуют одновременно и совпадают по частоте.

Принцип действия

Принцип действия металлоискателей типа «передача-прием» заключается в регистрации сигнала, отраженного (или, как говорят, переизлученного) металлическим предметом (мишенью), см. , стр.225-228. Отраженный сигнал возникает вследствие воздействия на мишень переменного магнитного поля передающей (излучающей) катушки металлоискателя. Таким образом, прибор данного типа подразумевает наличие как минимум двух катушек, одна из которых является передающей, а другая приемной.

Основная принципиальная проблема, которая решается в металлоискателях данного типа, заключается в таком выборе взаимного расположения катушек, при котором магнитное поле излучающей катушки в отсутствие посторонних металлических предметов наводит нулевой сигнал в приемной катушке (или в системе приемных катушек). Таким образом, необходимо предотвратить непосредственное воздействие излучающей катушки на приемную. Появление же вблизи катушек металлической мишени приведет к появлению сигнала в виде переменной э.д.с. в приемной катушке.

Схемы датчиков

Поначалу может показаться, что в природе существует всего два варианта взаимного расположения катушек, при котором не происходит непосредственной передачи сигнала из одной катушки в другую (см. рис.1 а и 16) — катушки с перпендикулярными и со скрещивающимися осями.

Рис. 1. Варианты взаимного расположения катушек датика металлоискателя по принципу «передача-прием «.

Более тщательное изучение проблемы показывает, что подобных различных систем датчиков металлоискателей может быть сколь угодно много, однако они будут содержать более сложные системы с количеством катушек больше двух, соответствующим образом включенных электрически. Например, на рис.1 в изображена система из одной излучающей (в центре) и двух приемных катушек, включенных встречно по сигналу, наводимому излучающей катушкой. Таким образом, сигнал на выходе системы приемных катушек в идеале равен нулю, так как наводимые в катушках э.д.с. взаимно компенсируются.

Особый интерес представляют системы датчиков с компланарными катушками (т.е. расположенными в одной плоскости). Это объясняется тем, что с помощью металлоискателей обычно проводят поиск предметов, находящихся в земле, а приблизить датчик на минимальное расстояние к поверхности земли возможно только в том случае, если его катушки компланарны. Кроме того такие датчики обычно компактны и хорошо вписываются в защитные корпуса типа «блина» или «летающей тарелки».

Основные варианты взаимного расположения компланарных катушек приведены на рис.2а и 26. В схеме на рис.2а взаимное расположение катушек выбрано таким, чтобы суммарный поток вектора магнитной индукции через поверхность, ограниченную приемной катушкой, равнялся нулю. В схеме рис.26 одна из катушек (приемная) скручена в виде «восьмерки», так что суммарная э.д.с., наводимая на половинки витков приемной катушки, расположенные в одном крыле «восьмерки», компенсирует аналогичную суммарную э.д.с., наводимую в другом крыле «восьмерки».

Рис. 2. Компланарные варианты взаимного расположения катушек металлоискателя по принципу «передача-прием «.

Возможны и другие разнообразные конструкции датчиков с компланарньми катушками, например рис.2в. Приемная катушка расположена внутри излучающей. Наводимая в приемной катушке э.д.с. компенсируется специальным трансформаторным устройством, отбирающим часть сигнала излучающей катушки.

Практические соображения

Чувствительность металлоискателя зависит, в первую очередь от его датчика. Для рассмотренных вариантов датчиков чувствительность определяется формулами (1.20) и (1.33). При оптимальной для каждого случая ориентации ориентации датчика на объект по углу крена y, она определяется одним и тем же коэффициентом K 4 и функциями нормированных координат F(X,Y) иG(X,Y). Для сравнения, в квадрате Х О[-4,4], Y О[-4,4], модули этих функций приведены в виде аксонометрического набора сечений в логарифмическом масштабе на рис.12 и рис.13.

Первое, что бросается в глаза — это ярко выраженные максимумы вблизи точек расположения катушек датчика (0,+1) и (0,-1). Максимумы функций F(X,Y) иG(X,Y) не представляют практического интереса и для удобства сравнения функций обрезаны по уровню 0(дБ). Из рисунков и из анализа функций F(X,Y) иG(X,Y) также видно, что в указанном квадрате модуль функции F практически везде немного превосходит модуль функции G, за исключением самых удаленных точек по углам квадрата и за исключением узкой области вблизи Х=0, где у функции F имеет место «овраг».

Асимптотическое поведение указанных функций вдали от начала координат можно проиллюстрировать при Y=0. Оказывается, что модуль функции F убывает с расстоянием пропорционально х^(-7), а модуль функции G — пропорционально х^(-6). К сожалению, преимущество функции G по чувствительности проявляется лишь на больших расстояниях, превышающих практический радиус действия металлоискателя. Одинаковые значения модулей F и G получаются при Х>>4,25.

Рис. 12. График функции F(X,Y).

Рис.13. График функции G(X,Y).

Очень важное практическое значение имеет «овраг» функцииF. Во-первых, он свидетельствует о том, что датчик системы катушек с перпендикулярными осями имеет минимальную (теоретически нулевую) чувствительность к металлическим предметам, расположенным на его продольной оси. Естественно, к этим предметам относятся и многие элементы конструкции самого датчика. Следовательно, отраженный от них бесполезный сигнал будет намного меньше, чем у датчика системы катушек со скрещивающимися осями. Последнее очень важно, учитывая, что отраженный сигнал от металлических элементов самого датчика может на несколько порядков превосходить полезный сигнал (ввиду близости этих элементов к катушкам датчика). Дело не в том, что бесполезный сигнал от металлических элементов конструкции датчика трудно скомпенсировать. Основная сложность заключается в малейших изменениях этих сигналов, которые обычно вызываются тепловыми и особенно механическими деформациями указанных элементов. Эти малейшие изменения могут быть уже сопоставимы с полезным сигналом, что приведет к неверным показаниям или ложным срабатываниям прибора. Во-вторых, если с помощью металлоискателя системы катушек с перпендикулярными осями некоторый небольшой объект уже обнаружен, то направление его точного местонахождения может быть легко «запеленговано» по нулевому значению сигнала металлоискателя при точной ориентации его продольной оси на объект (при любых ориентациях по крену). Учитывая, что площадь «захвата» датчика при поиске может составлять несколько квадратньк метров, последнее качество сис

темы катушек с перпендикулярными осями весьма полезно на практике (меньше бесполезных раскопок).

Следующая особенность графиков функцийF(X,Y) и G(X,Y) — наличие кольцеобразного «кратера» нулевой чувствительности, проходящего через центры катушек (окружность единичноо радиуса с центром в точке (0,0)). На практике эта особенность позволяет определять расстояние до небольших объектов. Если обнаружится, что на некотором конечном расстоянии отраженный сигнал зануляется (при оптимальной ориентации по крену) — значит, расстояние до объекта составляет половину базы прибора, то есть величину L/2.

Необходимо также отметить, что диаграммы направленности по углу крена y для датчиков металлоискателей с различным взаимным расположением катушек также различаются. На рис.14б приведена диаграмма направленности прибора с перпендикулярньми осями у катушек, а на рис.14а — со скрещивающимися. Очевидно, что вторая диаграмма более предпочтительна, так имеет меньшее количество зон нечувствительности по крену и меньшее количество лепестков.

Для того, чтобы оценить зависимость наведенного в приемной катушке напряжения от параметров металлоискателя и объекта, надо проанализировать выражение (1.19) для коэффициента К 4. Наведенное в приемной катушке напряжение пропорционально (L/2)^6. На величину L/2 нормируются и аргументы функций F и G, убывание которых происходит с 6-й — 7-й степенью расстояния. Поэтому, в первом приближении, при прочих равных условиях, чувствительность металлоискателя не зависит от его базы.

Диаграммы направленности по крену датчиков систем катушек:
— со скрещивающимися осями (а)
— с перпендикулярными осями (б).

Для того, чтобы проанализировать селективность металлоискателя, то есть его способность различать объекты, изготовленные из различных металлов или сплавов, необходимо обратиться к выражению (1.23). Металлоискатель может различать объекты по фазе отраженного сигнала. Для того, чтобы разрешающая способность прибора по типу ме

таллов была максимальной, необходимо соответствующим образом выбрать частоту сигнала излучающей катушки, так, чтобы фаза отраженного от объектов сигнала составляла около 45°. Это — середина диапазона возможных изменений фазы первого слагаемого выражения (1.23), и там крутизна фазочастотной характеристики максимальна. Второе слагаемое выражения (1.23) считаем нулевым, так как при поиске в первую очередь нас интересует селективность по цветным металлам — неферромагнетикам. Естественно, оптимальный выбор частоты сигнала подразумевает знание типового размера предполагаемых объектов. Практически во всех зарубежных промышленных металлоискателях в качестве такого размера заложен размер монеты. Оптимальная частота составляет:

При типовом диаметре монеты 25(мм) ее объем составляет около 10^(-6) (м^3), что по формуле (1.25) соответствует эквивалентному радиусу около 0,6(см). Отсюда получаем оптимальное значение частоты около 1(кГц) при проводимости материала монеты 20(н0м Ч м). В промышленных приборах частота обычно на порядок выше (по технологическим соображениям).

Выводы

1. По мнению автора, система катушек с перпендикулярными осями предпочтительнее для поиска кладов и реликвий, чем система катушек со скрещивающимися осями. При прочих равных условиях, первая система имеет чувствительность немного выше. Кроме того, с ее помощью гораздо проще определить («запеленговать») точное направление, в котором следует искать обнаруженный объект.

2. Рассмотренные системы катушек имеют важное свойство, позволяющее оценивать расстояние до небольших объектов по занулению отраженного сигнала при расстоянии до объекта, равном половине базы.

3. При прочих равных условиях (размеры и число витков катушек, чувствительность приемного тракта, величина тока и его частота в излучающей катушке), чувствительность металлоискателя по принципу «передача-прием» практически не зависит от его базы, то есть от расстояния между катушками.