RU156169U1 - Металлоискатель - маркероискатель - Google Patents

Abstract

Металлоискатель, содержащий индукционный преобразователь, состоящий из излучающего и приемного резонансных контуров и цепей балансировки, двухфазный синхродетектор, микроконтроллер, индикатор, усилитель мощности и три усилителя напряжения, соединенные так, что выход усилителя мощности подключен к излучающему контуру индукционного преобразователя, приемный контур индукционного преобразователя через усилитель напряжения подключен ко входу двухфазного синхродетектора, два выхода которого через оставшиеся усилители напряжения подключены к соответствующим аналоговым входам микроконтроллера, два цифровых фазозадающих выхода микроконтроллера подключены к соответствующим управляющим входам двухфазного синхродетектора, а цифровая выходная шина микроконтроллера - к индикатору, отличающийся тем, что устройство дополнительно содержит управляемый переключатель, два генератора и индикатор "металл-маркер", причем частотозадающий выход микроконтроллера соединен с управляющим выводом переключателя, средний контакт которого подключен ко входу усилителя мощности, а два других - к выходам генераторов, индикаторный выход микроконтроллера подключен к индикатору "металл-маркер".

Description

Полезная модель относится к технике обнаружения металлических и маркированных объектов и может быть использована для поиска и идентификации скрытых подповерхностных объектов, находящихся в непроводящих и слабопроводящих средах.

Известны различные металлоискатели, основанные на взаимодействии электромагнитного поля поискового прибора с вихревыми токами, наводимыми в металлических объектах. Например, существуют металлоискатели на биениях, импульсные, работающие по принципу “передача-прием” и др.

Принцип действия металлоискателя на биениях заключается в регистрации разности частот от двух генераторов, один из которых является стабильным по частоте, а другой содержит датчик - катушку индуктивности в своей частотозадающей цепи. Прибор настраивается таким образом, чтобы в отсутствие металла вблизи датчика частоты двух генераторов совпадали или были очень близки по значению. Наличие металла вблизи датчика приводит к изменению его параметров и к изменению частоты соответствующего генератора. Это изменение очень мало, однако изменение разности частот двух генераторов уже существенно и может быть легко зарегистрировано [Щедрин А.И. Новые металлоискатели для поиска кладов и реликвий. - 3-е изд. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003. - С. 9-11.].

Импульсный металлоискатель состоит из генератора импульсов тока, приемной и излучающей катушек, которые могут быть совмещены в одну, устройства коммутации и блока обработки сигнала. Используется временной способ разделения излучаемого и отраженного сигналов и явление самоиндукции в проводящем объекте. После воздействия импульса магнитной индукции в проводящем объекте возникает и некоторое время поддерживается затухающий импульс тока, обусловливающий задержанный по времени отраженный сигнал. Он и несет полезную информацию, которую нужно регистрировать [Щедрин А.И. Новые металлоискатели для поиска кладов и реликвий. - 3-е изд. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003. - С. 14-16.].

Наибольшую глубину обнаружения металлических объектов обеспечивают металлоискатели, работающие по принципу “передача-прием”. Их работа основана на регистрации сигнала, переизлученного металлическим предметом. Отраженный сигнал возникает вследствие воздействия переменного магнитного поля передающей катушки металлоискателя. Таким образом, приборы данного типа имеют, как минимум, две катушки, одна из которых является передающей, а другая приемной. Расположены они таким образом, что магнитное поле передающей катушки в отсутствие поблизости металла наводит нулевой сигнал в приемной катушке. Наличие вблизи катушек металлического объекта приводит к появлению переменной ЭДС в приемной катушке [Щедрин А.И. Новые металлоискатели для поиска кладов и реликвий. - 3-е изд. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003. - С. 6-8.].

Фаза принятого сигнала отличается от фазы излученного сигнала, причем различные объекты вызывают разный поворот фазы. Сильно отличаются фазы принятых сигналов для ферромагнитных и неферромагнитных объектов. Таким образом, если осуществлять детектирование переизлученного от объекта сигнала с помощью фазочувствительного детектора, то можно получить информацию о типе объекта (черный/цветной металл). Примером такого металлоискателя с расширенными функциональными возможностями является [патент США №3676772, МПК G01R 33/00, 11.07.1972]. В нем детектирование принятого сигнала осуществляют с помощью двух синхронных детекторов, один из которых выделяет сигнал с фазой 0°, а другой - с фазой 90°. По соотношению выходных сигналов этих двух синхродетекторов делают вывод о типе обнаруженного объекта.

Однако часто требуется производить поиск глубокозалегающих металлических объектов или даже вообще неметаллических. В таких случаях часто используют так называемые маркеры - переизлучающие устройства, которые обычно имеют компактное герметичное исполнение и могут размещаться неглубоко под поверхностью земли в непосредственной близости с искомым объектом. Обнаруживают маркеры с помощью специальных приборов - маркероискателей [Маркероискатель Marker-Mate EML100/ Руководство по эксплуатации. - Компания ИМАГ, Москва, 2003. Доступно на сайте: http://www.skomplekt.com/files/product_1970/instr_p1970_1.pdf]. Маркеры бывают пассивные и активные. Активный имеет в своем составе батарейный источник питания и обладает большой дальностью обнаружения. Пассивный же представляет собой просто настроенный на определенную частоту колебательный LC-контур. Принцип действия маркероискателя тот же самый, что и у металлоискателя, с той лишь разницей, что маркер переизлучает на частоте своего резонанса, тогда как просто металлические предметы не обладают избирательными свойствами.

Существует потребность совмещения в одном устройстве функций металло- и маркероискателя. В таком универсальном устройстве может быть реализована функция автоматического распознавания типа обнаруженного объекта (металл / маркер).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому, является металлоискатель [патент РФ №2366982, МПК G01V 3/11, 10.09.2009, Бюл. №25], содержащий индукционный преобразователь, состоящий из излучающего и приемного резонансных контуров и цепей балансировки, двухфазный синхродетектор, микроконтроллер, индикатор, усилитель мощности и три усилителя напряжения, соединенные так, что выход усилителя мощности подключен к излучающему контуру индукционного преобразователя, приемный контур индукционного преобразователя через усилитель напряжения подключен ко входу двухфазного синхродетектора, два выхода которого, через оставшиеся усилители напряжения подключены к соответствующим аналоговым входам микроконтроллера, два цифровых выхода микроконтроллера подключены к соответствующим управляющим входам двухфазного синхродетектора, цифровая выходная шина микроконтроллера - к индикатору, а частотозадающий цифровой выход микроконтроллера - ко входу усилителя мощности. Микроконтроллер в описанном металлоискателе может представлять собой как интегральное устройство, способное осуществлять операции с цифровыми и аналоговыми сигналами и реализованное в едином корпусе микросхемы, так и устройство, состоящее из отдельных функциональных узлов. Так, для патента-прототипа микроконтроллер - это совокупность микропроцессора и двухканального аналого-цифрового преобразователя.

Работает описанный металлоискатель следующим образом. Микроконтроллер со своего частотозадающего выхода выдает непрерывную последовательность прямоугольных импульсов опорной частоты, которые пройдя через усилитель мощности, преобразуются в синусоидальное напряжение, подаваемое на излучающий контур индукционного преобразоваетеля. Если рядом с индукционным преобразователем есть металлический предмет, то благодаря переизлучению в приемном контуре индукционного преобразователя наводится переменная ЭДС, которая после усиления подается на вход двухфазного синхродетектора. Для того, чтобы эта ЭДС при отсутствии металла была равна нулю, подстраивают цепи балансировки внутри индукционного преобразователя, которые часть задающего синусоидального напряжения используют для компенсации несбалансированного напряжения на входе приемного контура. Двухфазный синхродетектор управляется микроконтроллером с двух его фазозадающих выходов и сам имеет два выхода, на одном из которых выделяется прямая составляющая сигнала (соответствующая управляющему сигналу с фазой 0°), а на другом - квадратурная составляющая (соответствующая управляющему сигналу с фазой 90°). Эти две составляющие подаются на аналоговые входы микроконтроллера, который выполняет классификацию принятых сигналов на основе анализа соотношения двух указанных составляющих. Результаты измерения и анализа подаются с микроконтроллера на индикатор.

Если наряду с металлическими объектами в рабочей зоне металлоискателя окажется маркер, то результат измерений и анализа может оказаться неверным, т.к. во-первых, уровень сигнала для маркеров может во много раз превышать уровень сигнала для металлов, во-вторых, фазовращательные свойства маркеров сильно отличаются от таковых для металлов, и в третьих, может быть сделан неверный вывод о наличии металла, в то время как маркер может обозначать в действительности наличие поблизости неметаллического объекта.

Таким образом, недостатком данного устройства являются его ограниченные функциональные возможности, обусловленные неспособностью различать металлы и маркеры.

Задача данной полезной модели - расширение функциональных возможностей устройства, заключающееся в возможности работать как с металлами, так и с маркерами.

Технический результат - обеспечение возможности раздельного обнаружения (дискриминации) металлов и маркеров одним устройством и автоматическое их распознавание.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в металлоискателе, содержащем индукционный преобразователь, состоящий из излучающего и приемного резонансных контуров и цепей балансировки, двухфазный синхродетектор, микроконтроллер, индикатор, усилитель мощности и три усилителя напряжения, соединенные так, что выход усилителя мощности подключен к излучающему контуру индукционного преобразователя, приемный контур индукционного преобразователя через усилитель напряжения подключен ко входу двухфазного синхродетектора, два выхода которого через оставшиеся усилители напряжения подключены к соответствующим аналоговым входам микроконтроллера, два цифровых фазозадающих выхода микроконтроллера подключены к соответствующим управляющим входам двухфазного синхродетектора, а цифровая выходная шина микроконтроллера - к индикатору, в отличие от прототипа дополнительно введены управляемый переключатель, два генератора и индикатор “металл-маркер”, причем частотозадающий выход микроконтроллера соединен с управляющим выводом переключателя, средний контакт которого подключен ко входу усилителя мощности, а два других - к выходам генераторов, индикаторный выход микроконтроллера подключен к индикатору “металл-маркер”.

Существо полезной модели поясняется чертежами (фиг. 1 - фиг. 5).

На фиг. 1 показана общая структура устройства.

На фиг. 2 показана диаграмма напряжения сигнала на управляющем входе управляемого переключателя, на фиг. 3 - диаграмма напряжения сигнала на входе двухфазного синхродетектора при наличии маркера, на фиг. 4 - диаграмма напряжения сигнала на входе двухфазного синхродетектора при наличии близко расположенного металлического предмета, на фиг. 5 - диаграмма напряжения сигнала на входе двухфазного синхродетектора при наличии далеко расположенного металлического предмета.

Устройство включает в себя индукционный преобразователь 1, который состоит из излучающего контура 2 (обычно это последовательный контур), приемного контура 3 (обычно это параллельный контур) и цепей балансировки 4. Устройство содержит также двухфазный синхродетектор 5, микроконтроллер 6, индикатор 7, усилитель мощности 8 и три усилителя напряжения 9, 10, 11, соединенные так, что выход усилителя мощности 8 подключен к излучающему контуру 2 индукционного преобразователя 1, приемный контур 3 индукционного преобразователя 1 через усилитель напряжения 9 подключен ко входу двухфазного синхродетектора, два выхода которого через оставшиеся усилители напряжения 10,11 подключены к соответствующим аналоговым входам микроконтроллера 6, два цифровых фазозадающих выхода микроконтроллера 6 подключены к соответствующим управляющим входам двухфазного синхродетектора 5, цифровая выходная шина микроконтроллера 6 - к индикатору 7. Устройство содержит также управляемый переключатель 12, два генератора 13 и 14 и индикатор “металл-маркер” 15, причем частотозадающий выход микроконтроллера 6 соединен с управляющим выводом переключателя 12, средний контакт которого подключен ко входу усилителя мощности 8, а два других - к выходам генераторов 13 и 14, специальный индикаторный выход микроконтроллера 6 подключен к индикатору “металл-маркер” 15.

Устройство работает следующим образом.

Микроконтроллер 6 со своего частотозадающего выхода выдает на управляющий вход переключателя 12 прямоугольный меандр (фиг. 2, длительность импульса равна половине периода). Период следования импульсов равен примерно 0,1 с. Генераторы 13 и 14 выдают напряжения разных частот: у одного она равна f₀-Δf, а у другого f₀+Δf, где f₀ - центральная частота, на которую настроены контуры 2 и 3 индукционного преобразователя 1. Напряжения этих частот периодически попадают через переключатель 12 на вход усилителя мощности, откуда синусоидальные напряжения двух частот последовательно попадают на излучающий контур 2. Переменное магнитное поле этого контура воздействует на объекты - например, маркер 16 или металлический предмет 17, переизлучение которых воздействует на приемный контур 3. Напряжение с этого контура усиливается усилителем 9 и подается на вход двухфазного синхродетектора 5. Цепи балансировки 4 предназначены для ручной установки нуля на приемном контуре 3 при отсутствии вблизи устройства металлов или маркеров.

Амплитудно-частотная характеристика контуров 2 и 3 задана такой, что симметрична относительно f₀ и не имеет резких изменений в диапазоне [f₀-Δf, f₀+Δf]. Амплитудно-частотная характеристика маркера 16 - это характеристика высокодобротного контура, имеющая острый и высокий пик. Таким образом, если вблизи с устройством находится маркер, то сигнал на выходе усилителя 9 будет выглядеть как показано на фиг. 3. Если маркер настроен на частоту f₀+Δf то переизлучение от него на этой частоте будет сильным, и в итоге на выходе усилителя 9 появится напряжение u₁. Переизлучение маркером на частоте f₀-Δf будет слабым вследствие его резонансных свойств, и уровень сигнала на выходе усилителя 9 будет значительно меньше (u₂).

Если вблизи с устройством находится металлический предмет, который не имеет резонансных свойств, то переизлучение им для частот f₀-Δf и f₀+Δf будет одинаковым, поэтому уровень сигнала на выходе усилителя 9 будет зависеть только от удаленности предмета (уровни u₃ и u₄ по фиг. 4 и фиг. 5).

Двухфазный синхродетектор 5 управляется микроконтроллером 6 с двух его фазозадающих выходов (0° и 90°) и сам имеет 2 выхода, на одном из которых выделяется прямая составляющая сигнала (соответствующая управляющему сигналу с фазой 0°), а на другом - квадратурная составляющая (соответствующая управляющему сигналу с фазой 90°). Эти две составляющие подаются через усилители 10 и 11 на аналоговые входы микроконтроллера 6, который в случае обнаружения металла выполняет классификацию принятых сигналов на основе анализа отношения двух указанных составляющих. Результаты измерения и анализа подаются с микроконтроллера 6 на индикатор 7, на котором индицируется уровень сигнала и принадлежность классу, например: “чугун”, “сталь”, “алюминий”, “золото” и т.п.

Дискриминация металлов и маркеров производится путем вычисления в микроконтроллере отношения уровня сигналов, соответствующих частотам f₀-Δf и f₀+Δf для одного из каналов синхродетектора 5 (например, для прямого канала, выход усилителя 10). Например, если устройство находится над маркером и, по фиг. 3, уровни сигналов таковы, что отношение u₂/u₁ намного меньше единицы, то формируется сигнал на индикаторном выходе микроконтроллера 6, который отображает на индикаторе “металл-маркер” 15 соответствующее значение (“маркер”). В этом случае классификация сигналов по классам металлов не производится. Если же устройство находится над металлическим объектом и уровни сигналов, соответствующих частотам f₀-Δf и f₀+Δf таковы, что их отношение ≈1, то устройство работает в обычном для металлоискателя режиме.

Предлагаемое техническое решение вполне реализуемо, так как в нем использованы известные и апробированные компоненты.

Рекомендуемые апробированные частоты: центральная частота для контуров 2 и 3 f₀=8,5 кГц, частоты генераторов 13 и 14: f₀-Δf=8 кГц, f₀+Δf=9 кГц. Контур маркера: частота резонанса 9 кГц, ширина амплитудно-частотной характеристики на уровне 0,1 2 кГц.

Таким образом, благодаря вычислениям с помощью предложенной схемы отношения принятых сигналов для двух разнесенных опорных частот, обеспечена возможность раздельного обнаружения (дискриминации) металлов и маркеров одним устройством и автоматическое их распознавание. Расширены функциональные возможности металлоискателя, который благодаря заявленной полезной модели может работать как с металлами, так и с маркерами.

Claims (1)

1. Металлоискатель, содержащий индукционный преобразователь, состоящий из излучающего и приемного резонансных контуров и цепей балансировки, двухфазный синхродетектор, микроконтроллер, индикатор, усилитель мощности и три усилителя напряжения, соединенные так, что выход усилителя мощности подключен к излучающему контуру индукционного преобразователя, приемный контур индукционного преобразователя через усилитель напряжения подключен ко входу двухфазного синхродетектора, два выхода которого через оставшиеся усилители напряжения подключены к соответствующим аналоговым входам микроконтроллера, два цифровых фазозадающих выхода микроконтроллера подключены к соответствующим управляющим входам двухфазного синхродетектора, а цифровая выходная шина микроконтроллера - к индикатору, отличающийся тем, что устройство дополнительно содержит управляемый переключатель, два генератора и индикатор "металл-маркер", причем частотозадающий выход микроконтроллера соединен с управляющим выводом переключателя, средний контакт которого подключен ко входу усилителя мощности, а два других - к выходам генераторов, индикаторный выход микроконтроллера подключен к индикатору "металл-маркер".

   

Images