5.2.3. Электромагнитные локационные системы специального назначения
В последнее время все чаще электромагнитные принципы применяются для решения специальных задач экстремальной робототехники, а также связанных с обеспечением безопасности, контролем доступа и т.п. Первые разработки в этой области датируются 20-ми годами ХХ века, когда в США были созданы устройства, позволяющие обнаруживать выносимые с заводов детали. К середине века в СССР появились приборы, способные различать изделия из черных и цветных металлов, которые были установлены на Монетном дворе. Во время Второй мировой войны активно развивались средства поиска мин, и к концу ХХ века было разработано большое количество различных схем миноискателей, позволяющих обнаруживать мины всех типов, включая пластиковые. В зависимости от области применения ЭЛС специального назначения можно разделить на две группы:
Иногда, не вдаваясь в детали, их объединяют общим термином - металлоискатели, понимая под этим локационные активные или пассивные ЭЛС для обнаружения металлических предметов из черных и цветных металлов в непроводящих и слабо проводящих средах (дерево, одежда, пластмасса). Дальность обнаружения металлических объектов составляет 20 . 200 мм.
Рассмотрим некоторые базовые принципы построения металлоискателя. Его основой является специальная катушка - антенна, регистрирующая пассивные металлосодержащие объекты в зоне обнаружения или определяющая наличие электромагнитных полей в этой зоне. Существует несколько базовых схем построения подобных ЭЛС, основанных на использовании методов биений, мостовых схем и «передатчика-приемника» [ ].
Самым простым являетсяметод биений, заключающийся в сравнении значений частоты колебаний двух генераторов: образцового и перестраиваемого, частота которого изменяется под воздействием на его колебательный контур искомого металлического предмета. По сравнению с ним мостовой метод (схема включает индуктивный мост) более точен и чувствителен, но сложнее и капризнее в эксплуатации. Наиболее распространены схемы «передатчика-приемника», в которых используются две катушки - излучающая (передающая) и приемная. Также как и в вихретоковых ЭЛС здесь необходимо «развязывать» сигналы катушек, так, чтобы поле излучающей катушки не наводило сигнал в приемной в отсутствии металлических предметов. Простейшие конструкции датчиков основаны на использовании катушек с перпендикулярными (рис. 5.25а) и скрещивающимися осями (рис. 5.25б). Однако, возможны и другие конструктивные схемы. Так, получили распространение более сложные, но и более точные конструкции ЭЛС, антенны которых построены по дифференциальной (рис. 5.25в) и компланарной схемам (рис. 5.25г, д ). Данный подход позволяет максимально приблизить датчик к поверхности земли. В компланарной схеме приемная катушка может быть выполнена в виде «восьмерки» и помещена внутрь излучающей. В этом случае, ЭДС в каждой половинке «восьмерки» при отсутствии объекта компенсируются. Другим решением является такое расположение катушек («обручальное»), при котором суммарный поток вектора магнитной индукции через поверхность приемной катушки равен нулю.
Р ассмотрим вкратце один из методов расчета металлоискателей. Для простоты ограничимся схемой антенны, состоящей из двух катушек с перпендикулярными осями. Примем, что, каждая катушка представляет собой круглую бесконечно тонкую рамку [ ]. В этом случае, вектор магнитного момента Pm при протекании тока I равен: Pm = I ns, где $ - площадь рамки, ns - вектор нормали. Если эта катушка используется в качестве излучающей, то ток через нее на некотором большом, по сравнению с собственными размерами расстоянии r создаст вектор магнитной индукции B, с компонентами Bn и B:
B = (0/2) (Pm/r 3 ),
Bn = (0/2) (Pm/r 3 ) cos
B = (0/2) (Pm/r 3 ) sin
где индексы n и обозначают соответственно нормальную и тангенциальную составляющие вектора магнитной индукции и r >> $. Взаимодействие излучающей, приемной катушек антенны и объекта можно представить следующим образом. Магнитный поток излучающей катушки попадает на объект и переизлучается от него на приемную катушку. Следовательно, объект апроксимируется эквивалентной рамкой, магнитный момент которой Pm* зависит от тока, т.е. проводимости объекта, его размеров и т.д. Таким образом, модель взаимодействия антенны металлоискателя с объектом представляется взаимодействием трех рамок с током (рис. 5.26). Расчет этой модели, приведенный в [ ] для r и L >> $, где L - база датчика, показывает, что величину отраженного от объекта сигнала можно оценить значением наведенной в приемной катушке индукции B’. Составляющая B’ в направлении нормали ns’ B0 вызывает в приемной катушке ЭДС индукции U0 = B0$0N0 p. Здесь $0 и N0 - площадь сечения приемной катушки и ее число витков, p - оператор Лапласа.
Для индукции B0 справедливо выражение:
B0 = (0/2) (Pm*/r’ 3 ) sin 2(+).
Магнитный момент эквивалентной рамки в значительной степени определяется формой объекта. Для случая шарового однородного объекта имеем , гдеB - индукция магнитного поля излучающей катушки, - магнитная проницаемость материала, R - радиус объекта-шара.
Существенно, что функция преобразования металлоискателя, использующего метод «передатчика-приемника» зависит от ориентации на объект (параметры и ). Этот недостаток отсутствует у индукционных металлоискателей, в антеннах которых излучающая и приемная катушки совпадают. Наведенное в объекте магнитное поле воспринимается той же катушкой, при этом к индукции возбуждения добавляется составляющая пропорциональная величине магнитного момента Pm*.
Характеристиками металлоискателей являются чувствительность и селективность. Под селективностью понимается способность металлоискателя детектировать объекты из разных металлов и сплавов. Значения этих параметров в значительной степени определяются рабочей частотой прибора. Для определения рабочей частотой применяется универсальную зависимость, где в качестве константы используется размер монеты R. Оптимальная частота сигнала излучателя f приблизительно равна: , где - удельное сопротивление материала. Например, для медной монеты диаметром 25 мм - оптимальная частота составит около 1 кГц, хотя в промышленных металлоискателях самым распространенным диапазоном является 5 … 15 кГц. (Вообще говоря, работа на высоких частотах 90 кГц . 1 МГц обеспечивает более высокую чувствительность, в том числе при детектировании металлов со слабыми ферромагнитными свойствами - медь, серебро). Использование же в схемах низких частот обеспечивает, с одной стороны, слабую реакцию на нежелательные сигналы (мокрый песок, мелкие объекты, типа стружки), а с другой - хорошую чувствительн ость при поиске скрытых предметов малого и среднего размера (металлических коробок, труб, монет и пр.).
Одним из наиболее известных решений является схема низкочастотного металлоискателя [ ], построенного в рамках метода «передатчика-приемника» (рис. 5.27).
Г енератор металлоискателя возбуждает колебания в передающей катушке, создавая в ней переменное магнитное поле, частотой 8кГц. Приемная катушка выполнена в виде «восьмерки» (или расположена перпендикулярно передающей). Благодаря такому расположению ЭДС в отсутствии объекта мала. Число витков катушкиnк приближенно определяют по формуле: , гдеL и D - индуктивность (мкГн) и диаметр (см) катушки соответственно.
Металлический предмет, попадая в поле катушки, изменяет ее индуктивность, и на выходе катушки появляется значительный сигнал, который усиливается, выпрямляется синхронным детектором и фильтруется. Дискриминатор служит для компенсации нулевого сигнала, для чего в УВЧ подмешивается часть сигнала генератора. Амплитуда постоянного по величине выходного сигнала возрастает, по мере приближения к металлическому объекту. На схеме сравнения этот сигнал сравнивается с опорным, величина которого соответствует порогу чувствительности. При превышении этого значения электронный ключ подключает к выходному усилителю звуковой генератор, формирующий пачки прямоугольных импульсов частотой 2 кГц с частотой повторения 8 Гц.
Излучающая катушка имеет диаметр 190 мм и состоит из 200 витков, приемная - 125 мм, 100 витков.
Головка металлоискателя представляет из себя пластмассовую тарелку диаметром 25 см, на которой размещены две экранированные катушки (рис. 5.28). В рассматриваемой схеме они имеют одинаковую форму и размеры и наматываются на D-образный контур проводом диаметром 0,27 мм. Затем катушки экранируются алюминиевой фольгой, причем фольга на приемной должна содержать разрыв экрана, препятствующий образованию замкнутого витка по окружности катушки.
В настоящее время промышленно выпускается много моделей металлоискателей. Однако, большинство из них используют один из рассмотренных выше методов. Сравнительная характеристика этих методов приведена в табл. 5.2.
Таблица 5.2. Сравнительная характеристика методов обнаружения металлов