RU2663250C1 - Металлодетектор и способ обнаружения металлических объектов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области обнаружения металлических объектов, находящихся в различных укрывающих средах. Технический результат: повышение помехозащищенности, чувствительности и идентификационной способности металлодетектора. Сущность: металлодетектор содержит генератор, датчик металлодетектора, блок выделения квадратурных составляющих (БВКС) высокой частоты, БВКС низкой частоты, микроконтроллер и блок индикации. Датчик металлодетектора содержит возбуждающую катушку индуктивности L1, сигнальную катушку индуктивности L2, конденсатор С1, последовательно соединенный с катушкой индуктивности L1, конденсатор С2, параллельно соединенный с катушкой индуктивности L2, последовательно соединенные катушку индуктивности L3 и конденсатор С3, последовательно соединенные катушку индуктивности L4 и конденсатор С4. Свободный контакт конденсатора С1 подключен к высокочастотному выходу тока возбуждения генератора. Свободный контакт катушки индуктивности L1 подключен к первому низкочастотному выходу тока возбуждения упомянутого генератора. Первый контакт параллельного соединения катушки индуктивности L2 и конденсатора С2 является высокочастотным выходом датчика металлодетектора. Средняя точка последовательного соединения катушки индуктивности L4 и конденсатора С4 является низкочастотным выходом датчика металлодетектора. Генератор содержит второй низкочастотный выход тока возбуждения, сигнал которого противоположен по фазе по отношению к сигналу тока возбуждения первого низкочастотного выхода тока возбуждения генератора. Второй низкочастотный выход тока возбуждения подключен к свободному контакту катушки индуктивности L3, являющемуся вторым низкочастотным входом тока возбуждения датчика металлодетектора. Вносимые векторные сигналы по высокочастотному и низкочастотному выходам датчика используются для расчета векторав соответствии с выражением. Постоянный коэффициент k, определяемый в процессе настройки металлодетектора, выбирается таким, чтобы выполнялось условие, где,- получаемые датчиком металлодетектора вносимые векторные сигналы, возникающие за счет взаимодействия датчика со слабомагнитной укрывающей средой при отсутствии в ней металлического объекта, при условии, что векторы,сориентированы вдоль оси X в ортогональной системе координат. Квадратурные составляющие вектораиспользуются для обнаружения и идентификации металлических объектов в слабомагнитной укрывающей среде. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к области интроскопии, более конкретно к металлодетекторам, и может быть использовано для решения задачи обнаружения металлических объектов, находящихся в различных укрывающих средах, в частности, в слабо- и высокоминерализованном грунте, стенах строений и т.п.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Ближайшим аналогом (прототипом) заявленного изобретения является металлодетектор, описанный в патенте RU 2560246 C1, G01V 3/10, 20.08.2015 (Арбузов Виктор Олегович) (D1). Известный металлодетектор содержит двухчастотный генератор, датчик металлодетектора, первый блок выделения квадратурных составляющих (БВКС), второй БВКС, микропроцессор и блок индикации, причем датчик металлодетектора содержит последовательно соединенные первый конденсатор С1 и возбуждающую катушку индуктивности L1, параллельно соединенные вторую сигнальную катушку индуктивности L2 и второй конденсатор С2, причем свободный контакт первого конденсатора С1 является входом тока возбуждения первой частоты датчика металлодетектора, первый контакт сигнальной катушки индуктивности L2 является первым выходом датчика металлодетектора, второй контакт сигнальной катушки индуктивности L2 подключен к общей точке схемы, при этом возбуждающая катушка индуктивности L1 и сигнальная катушка индуктивности 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 индуктивности L2, продуцируемого возбуждающей катушкой индуктивности L1, была минимальна, причем датчик металлодетектора дополнительно снабжен последовательно соединенными третьей катушкой индуктивности L3 и третьим конденсатором С3, причем свободный контакт третьей катушки индуктивности L3 подключен к входу тока возбуждения первой частоты, свободный контакт третьего конденсатора С3 подключен к средней точке последовательного соединения первого конденсатора С1 и возбуждающей катушки индуктивности L1, при этом датчик металлодетектора также дополнительно снабжен последовательно соединенными четвертой катушкой индуктивности L4 и четвертым конденсатором С4, при этом свободный контакт четвертой катушки L4 подключен к первому выходу датчика металлодетектора, свободный контакт четвертого конденсатора С4 подключен к общей точке схемы, при этом датчик металлодетектора снабжен вторым выходом датчика металлодетектора, которым является средняя точка последовательного соединения четвертой катушки индуктивности L4 и четвертого конденсатора С4, при этом датчик металлодетектора также снабжен входом тока возбуждения второй частоты, которым является свободный контакт возбуждающей катушки индуктивности L1.

Недостатком известного из D1 металлодетектора является низкие чувствительность, помехозащищенность и достоверность идентификации металлических объектов (МО), находящихся в слабомагнитной укрывающей среде, в частности, в грунте, создающей помеховые сигналы для металлодетектора. Работа известного из D1 технического решения основана на двухрезонансном принципе возбуждения датчика металлодетектора и приема комплексного двухчастотного сигнала датчика металлодетектора, что, в свою очередь, позволяет за счет повышения индекса мерности этого комплексного сигнала более полно учитывать мешающее влияние слабомагнитной укрывающей среды и расширять идентификационные возможности металлодетектора. Исследования показали, что эффективность работы подобных металлодетекторов сильно зависит от степени разнесения рабочих частот, которые могут различаться до нескольких десятков раз.

Учитывая, что чувствительность, как таковая, в подобных резонансных системах прямо пропорциональна произведению тока возбуждения на частоту, можно сделать вывод, который хорошо подтверждается экспериментально, что чувствительность низкочастотного канала металлодетектора оказывается критически низкой по отношению к чувствительности высокочастотного канала металлодетектора. Это обстоятельство в значительной степени мешает получению приемлемой чувствительности металлодетектора в целом по отношению ко всему практическому многообразию металлических объектов.

На низких частотах очень сложно получить высокие степени помехозащищеннности металлодетектора от внешних электромагнитных помех, и большие затруднения вызывает практическое решение задачи совместной обработки обоих сигналов для решения задач идентификации МО из-за их недостаточной соизмеримости.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Исходя из вышесказанного, технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является создание металлодетектора с улучшенными эксплуатационными свойствами, в частности, обладающего более высокой помехозащищенностью, чувствительностью и достоверностью идентификации детектируемых металлических объектов в сравнении с прототипом.

Техническим результатом, достигаемым при реализации настоящего изобретения, является повышение помехозащищенности, чувствительности и идентификационной способности металлодетектора.

Технический результат достигается за счет того, что обеспечивается металлодетектор, металлодетектор, содержащий:

генератор;

датчик металлодетектора;

блок выделения квадратурных составляющих (БВКС) высокой частоты;

БВКС низкой частоты;

микроконтроллер; и

блок индикации; причем

датчик металлодетектора содержит:

катушку индуктивности L1, являющуюся возбуждающей катушкой индуктивности;

катушку индуктивности L2, являющуюся сигнальной катушкой индуктивности;

конденсатор С1, последовательно соединенный с катушкой индуктивности L1;

конденсатор С2, параллельно соединенный с катушкой индуктивности L2;

последовательно соединенные катушку индуктивности L3 и конденсатор С3, причем свободный контакт конденсатора С3 подключен к средней точке последовательного соединения катушки индуктивности L1 и конденсатора С1;

последовательно соединенные катушку индуктивности L4 и конденсатор С4, причем свободный контакт катушки индуктивности L4 подключен к первому контакту параллельного соединения катушки индуктивности L2 и конденсатора С2; причем

второй контакт параллельного соединения катушки индуктивности L2 и конденсатора С2 и свободный контакт конденсатора С4 подключены к общей точке схемы; при этом

свободный контакт конденсатора С1, являющийся высокочастотным входом тока возбуждения датчика металлодетектора, подключен к высокочастотному выходу тока возбуждения упомянутого генератора; при этом

свободный контакт катушки индуктивности L1, являющийся первым низкочастотным входом тока возбуждения датчика металлодетектора, подключен к первому низкочастотному выходу тока возбуждения упомянутого генератора; причем

первый контакт параллельного соединения катушки индуктивности L2 и конденсатора С2 является высокочастотным выходом датчика металлодетектора; причем

средняя точка последовательного соединения катушки индуктивности L4 и конденсатора С4 является низкочастотным выходом датчика металлодетектора; при этом

упомянутый генератор содержит второй низкочастотный выход тока возбуждения, сигнал которого противоположен по фазе по отношению к сигналу тока возбуждения первого низкочастотного выхода тока возбуждения упомянутого генератора; причем

второй низкочастотный выход тока возбуждения подключен к свободному контакту катушки индуктивности L3, являющимся вторым низкочастотным входом тока возбуждения датчика металлодетектора; причем

получаемые с датчика металлодетектора вносимые векторные сигналы, возникающие за счет взаимодействия датчика металлодетектора со слабомагнитной укрывающей средой и находящимся в ней металлическим объектом, а именно:

вносимые векторные сигналы, получаемые по высокочастотному выходу датчика металлодетектора

и

вносимые векторные сигналы, получаемые по низкочастотному выходу датчика металлодетектора

;

где

; X_B, Y_B, X_H, Y_H - проекции векторов вносимых в датчик металлодетектора сигналов по высокой частоте и по низкой частоте в заданной ортогональной системе координат;

указанные вносимые векторные сигналы используются для расчета вектора

в соответствии с выражением

при этом

постоянный коэффициент k, определяемый в процессе настройки металлодетектора, выбирается таким, чтобы выполнялось условие

,

где

,

- получаемые датчиком металлодетектора вносимые векторные сигналы, возникающие за счет взаимодействия датчика с упомянутой слабомагнитной укрывающей средой при отсутствии в ней металлического объекта, при условии, что векторы

,

сориентированы вдоль оси X в упомянутой ортогональной системе координат; при этом

квадратурные составляющие вектора

, а именно -

Δ_X=X_B-kX_H;

и

Δ_Y=Y_B-kY_H;

используются для обнаружения и, необязательно, идентификации металлических объектов в слабомагнитной укрывающей среде.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения описываются далее подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые включены в данный документ посредством ссылки, и на которых:

Фиг. 1 иллюстрирует примерную принципиальную электрическую схему заявленного металлодетектора.

Фиг. 2 иллюстрирует примерную схему датчика металлодетектора заявленного металлодетектора.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее приводятся варианты осуществления настоящего изобретения, раскрывающие примеры его реализации в частных исполнениях. Тем не менее, само описание не предназначено для ограничения объема прав, предоставляемых данным патентом. Скорее, следует исходить из того, что заявленное изобретение также может быть осуществлено другими способами таким образом, что будет включать в себя отличающиеся элементы и условия или комбинации элементов и условий, аналогичных элементам и условиям, описанным в данном документе, в сочетании с другими существующими и будущими технологиями.

В предпочтительном варианте осуществления заявленного изобретения обеспечивается металлодетектор, содержащий:

генератор;

датчик металлодетектора;

блок выделения квадратурных составляющих (БВКС) высокой частоты;

БВКС низкой частоты;

микроконтроллер; и

блок индикации; причем

датчик металлодетектора содержит:

катушку индуктивности L1, являющуюся возбуждающей катушкой индуктивности;

катушку индуктивности L2, являющуюся сигнальной катушкой индуктивности;

конденсатор С1, последовательно соединенный с катушкой индуктивности L1;

конденсатор С2, параллельно соединенный с катушкой индуктивности L2;

последовательно соединенные катушку индуктивности L3 и конденсатор С3, причем свободный контакт конденсатора С3 подключен к средней точке последовательного соединения катушки индуктивности L1 и конденсатора С1;

последовательно соединенные катушку индуктивности L4 и конденсатор С4, причем свободный контакт катушки индуктивности L4 подключен к первому контакту параллельного соединения катушки индуктивности L2 и конденсатора С2; причем

второй контакт параллельного соединения катушки индуктивности L2 и конденсатора С2 и свободный контакт конденсатора С4 подключены к общей точке схемы; при этом

свободный контакт конденсатора С1, являющийся высокочастотным входом тока возбуждения датчика металлодетектора, подключен к высокочастотному выходу тока возбуждения упомянутого генератора; при этом

свободный контакт катушки индуктивности L1, являющийся первым низкочастотным входом тока возбуждения датчика металлодетектора, подключен к первому низкочастотному выходу тока возбуждения упомянутого генератора; причем

первый контакт параллельного соединения катушки индуктивности L2 и конденсатора С2 является высокочастотным выходом датчика металлодетектора; причем

средняя точка последовательного соединения катушки индуктивности L4 и конденсатора С4 является низкочастотным выходом датчика металлодетектора; при этом

упомянутый генератор содержит второй низкочастотный выход тока возбуждения, сигнал которого противоположен по фазе по отношению к сигналу тока возбуждения первого низкочастотного выхода тока возбуждения упомянутого генератора; причем

второй низкочастотный выход тока возбуждения подключен к свободному контакту катушки индуктивности L3, являющимся вторым низкочастотным входом тока возбуждения датчика металлодетектора; причем

получаемые с датчика металлодетектора вносимые векторные сигналы, возникающие за счет взаимодействия датчика металлодетектора со слабомагнитной укрывающей средой и находящимся в ней металлическим объектом, а именно:

вносимые векторные сигналы, получаемые по высокочастотному выходу датчика металлодетектора

;

и

вносимые векторные сигналы, получаемые по низкочастотному выходу датчика металлодетектора

;

где

; Х_В, Y_B, X_H, Y_H - проекции векторов вносимых в датчик металлодетектора сигналов по высокой частоте и по низкой частоте в заданной ортогональной системе координат;

указанные вносимые векторные сигналы используются для расчета вектора

в соответствии с выражением

;

при этом

постоянный коэффициент k, определяемый в процессе настройки металлодетектора, выбирается таким, чтобы выполнялось условие

,

где

,

- получаемые датчиком металлодетектора вносимые векторные сигналы, возникающие за счет взаимодействия датчика с упомянутой слабомагнитной укрывающей средой при отсутствии в ней металлического объекта, при условии, что векторы

,

сориентированы вдоль оси X в упомянутой ортогональной системе координат; при этом

квадратурные составляющие вектора

, а именно -

Δ_X=X_B-kX_H;

и

Δ_Y=X_B-kY_H;

используются для обнаружения и, необязательно, идентификации металлических объектов в слабомагнитной укрывающей среде.

В частных вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть обеспечены: металлодетектор, характеризующийся тем, что при взаимодействии датчика металлодетектора с находящимся в укрывающей среде металлическим объектом посредством блока индикации обеспечивается отображение годографа вектора

; металлодетектор, отличающийся тем, что в датчике металлодетектора возбуждающая катушка индуктивности L1 и сигнальная катушка индуктивности L2 размещены в одном корпусе и жестко зафиксированы; металлодетектор, как указано выше, отличающийся тем, что в датчике металлодетектора третья и четвертая катушки индуктивности L3, L4 выполнены с магнитопроводом; металлодетектор по любому из вариантов осуществления, отличающийся тем, что в датчике металлодетектора третья и четвертая катушки индуктивности L3, L4 помещены в электромагнитные экраны; металлодетектор по любому из вариантов осуществления, отличающийся тем, что третья и четвертая катушки индуктивности L3, L4 размещены в отдельном корпусе вне зоны чувствительности возбуждающей и сигнальной катушек индуктивности L1, L2; металлодетектор, как указано выше, отличающийся тем, что упомянутый корпус, в котором размещены третья и четвертая катушки индуктивности L3, L4, размещен за рукояткой металлодетектора под подлокотником металлодетектора.

В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения обеспечивается способ обнаружения металлических объектов, при котором:

A) возбуждают датчик металлодетектора одновременно током высокой частоты и током низкой частоты;

Б) посредством микроконтроллера металлодетектора выделяют вносимые в датчик металлодетектора векторные сигналы, возникающие за счет взаимодействия датчика металлодетектора со слабомагнитной укрывающей средой и находящимся в ней металлическим объектом, а именно:

вносимые векторные сигналы, получаемые по высокочастотному выходу датчика металлодетектора

;

и

вносимые векторные сигналы, получаемые по низкочастотному выходу датчика металлодетектора

,

где

; Х_В, Y_B, X_H, Y_H - проекции векторов вносимых в датчик металлодетектора сигналов по высокой частоте и по низкой частоте в заданной ортогональной системе координат;

B) осуществляют настройку металлодетектора, при которой обеспечивают выполнение условия:

,

где

и

- получаемые датчиком металлодетектора вносимые векторные сигналы, возникающие за счет взаимодействия датчика с упомянутой слабомагнитной укрывающей средой при отсутствии в ней металлического объекта, при условии, что векторы

,

сориентированы вдоль оси X в упомянутой ортогональной системе координат; k - выбираемый в процессе настройки металлодетектора коэффициент, обеспечивающий выполнение условия (1);

Г) в процессе сканирования металлодетектором укрывающей среды квадратурные составляющие вектора

, а именно -

;

и

;

используют для обнаружения металлических объектов.

В других частных вариантах осуществления настоящего изобретения упомянутые составляющие вектора

дополнительно используются для идентификации металлических объектов. Также необязательно посредством блока индикации металлодетектора в указанном способе может быть обеспечено отображение годографа вектора

.

Кроме того, для специалиста в области техники, к которой относится настоящее изобретение, должно быть очевидным, что варианты осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы в виде различных комбинаций технических признаков, изложенных в настоящем разделе, в дополнение к предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, для наилучшего достижения решения технической проблемы, на решение которой направлено настоящее изобретение.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Описанные далее возможные осуществления вариантов настоящего изобретения представлены на неограничивающих объем правовой охраны примерах, применительно к конкретным вариантам осуществления настоящего изобретения, которые во всех их аспектах предполагаются иллюстративными и не накладывающими ограничения. Альтернативные варианты реализации настоящего изобретения, не выходящие за пределы объема его правовой охраны, являются очевидными специалистам в данной области, имеющим обычную квалификацию, на которых это изобретение рассчитано.

На фиг. 1 в качестве примера, но не ограничения, изображена примерная принципиальная электрическая схема заявленного металлодетектора. Металлодетектор 100 содержит предпочтительно управляемый микроконтроллером 1050 генератор 1010, катушку индуктивности L1, являющуюся возбуждающей катушкой индуктивности; катушку индуктивности L2, являющуюся сигнальной катушкой индуктивности; конденсатор С1, последовательно соединенный с катушкой индуктивности L1; конденсатор С2, параллельно соединенный с катушкой индуктивности L2; последовательно соединенные катушку индуктивности L3 и конденсатор С3, причем свободный контакт конденсатора С3 подключен к средней точке последовательного соединения катушки индуктивности L1 и конденсатора С1; последовательно соединенные катушку индуктивности L4 и конденсатор С4, причем свободный контакт катушки индуктивности L4 подключен к первому контакту параллельного соединения катушки индуктивности L2 и конденсатора С2; причем второй контакт параллельного соединения катушки индуктивности L2 и конденсатора С2 и свободный контакт конденсатора С4 подключены к общей точке схемы; при этом свободный контакт конденсатора С1, являющийся высокочастотным (F_B) входом 1021 тока возбуждения датчика металлодетектора, подключен к высокочастотному выходу тока возбуждения упомянутого генератора; при этом свободный контакт катушки индуктивности L1, являющийся первым низкочастотным (F_H) входом 1022 тока возбуждения датчика металлодетектора, подключен к первому низкочастотному выходу тока возбуждения упомянутого генератора; причем первый контакт параллельного соединения катушки индуктивности L2 и конденсатора С2 является высокочастотным выходом 1023 датчика 1020 металлодетектора; причем средняя точка последовательного соединения катушки индуктивности L4 и конденсатора С4 является низкочастотным выходом 1024 датчика 1020 металлодетектора; при этом упомянутый генератор 1010 содержит второй низкочастотный выход тока возбуждения, сигнал которого противоположен по фазе

по отношению к сигналу тока возбуждения первого низкочастотного выхода тока возбуждения упомянутого генератора; причем второй низкочастотный выход тока возбуждения подключен к свободному контакту катушки индуктивности L3, являющимся вторым низкочастотным входом 1025 тока возбуждения датчика металлодетектора. Высокочастотный выход 1023 датчика 1020 металлодетектора соединен с первым блоком выделения квадратурных составляющих (БВКС) 1030, низкочастотный выход 1024 датчика 1020 металлодетектора соединен со вторым БВКС 1040.

Высокое и низкое напряжения на, соответственно, высокочастотном выходе 1023 и низкочастотном выходе 1024 датчика 1020 металлодетектора представляют собой комплексные величины - векторы, - которые в декартовых координатах могут быть представлены через проекции (квадратурные составляющие). Сигналы с величинами высокого и низкого напряжений поступают на входы первого БВКС 1030 и второго БВКС 1040 соответственно. Квадратурные составляющие X_B и Y_B, являющиеся выходными сигналами первого БВКС 1030 и квадратурные составляющие, X_H и Y_H, являющиеся выходными сигналами второго БВКС 1040 поступают на входы микроконтроллера 1050, где осуществляется их обработка. Связанный с микроконтроллером 1050 блок индикации 1060 при этом выполнен, например, не ограничиваясь с возможностью отображения обработанных сигналов в виде годографа вектора

, а также, не ограничиваясь, с возможностью звуковой индикации.

Необходимо отметить, что, несмотря на то, что далее будет продемонстрирована работа металлодетектора 100, содержащего датчик металлодетектора 1020, обладающий DD-конфигурацией катушек, для специалиста в данной области техники очевидно, что в качестве датчика металлодетектора 1020 может быть использован датчик металлодетектора любой пригодной конфигурации, как известной, так и возможно разработанной в будущем, в том числе, не ограничиваясь, коаксиальный датчик металлодетектора, а также такие или подобные им датчики металлодетектора, описанные, например, не ограничиваясь, в патентах US 3823365, US 4255711, US 4659989. При этом необходимо отметить, что схема подключения датчика металлодетектора остается неизменной, а меняется только пространственные конфигурации возбуждающей и сигнальной катушек или их систем.

Металлодетектор 100 работает следующим образом.

Генератор 1010 одновременно возбуждает датчик 1020 токами высокой частоты F_B и низкой частоты F_H.

Как показано на фиг. 1, питание рабочей возбуждающей катушки L1 током высокой частоты F_B происходит преимущественно по цепи C1L1, а низкочастотное возбуждение датчика 1020 осуществляется преимущественно по цепи L3C3L1. Учитывая наличие дополнительного низкочастотного инверсного выхода

генератора 1010, подключенного ко второму низкочастотному входу 1025 датчика 1020 по рабочей катушке L1 протекает удвоенный по сравнению с прототипом ток. Это, в свою очередь, предопределяет и удвоение вносимого сигнала по низкой частоте

, появляющегося на низкокочастотном выходе 1024 датчика металлодетектора 1020.

При этом выход 1023 датчика металлодетектора 1020 является выходом высокочастотного сигнала

датчика 1020 металлодетектора (высокочастотным выходом 1023 датчика металлодетектора 1020). Таким образом, что в такой конструкции датчика металлодетектора обеспечивается резонансный прием вносимых сигналов: в цепи L2L4C4 - по низкой частоте, а в цепи L2C2 - по высокой частоте.

Выходные вносимые сигналы датчика 1020 металлодетектора

и

, в общем случае обусловленные взаимодействием датчика со слабомагнитной укрывающей средой и находящимся в ней металлическим объектом, поступают на БВКС 1030 и БВКС 1040, где обеспечивается их разложение на квадратурные составляющие X_B и Y_B, являющиеся выходными сигналами БВКС 1030, и квадратурные составляющие X_H и Y_H, являющиеся выходными сигналами БВКС 1040. При этом

;

; где

; Х_В, Y_B, X_H, Y_H - проекции векторов вносимых в датчик металлодетектора сигналов по высокой частоте и по низкой частоте в заданной ортогональной системе координат.

После этого указанные сигналы по низкой частоте F_H и высокой частоте F_B посредством аналого-цифрового преобразователя (не показан; может входить в состав микропроцессора) вводятся в микропроцессор, который производит посредством функциональных преобразований для фазовых разворотов векторов в заданной системе координат обработку этих сигналов в соответствии с выражением:

,

при этом постоянный коэффициент k, определяемый в процессе настройки металлодетектора, выбирается таким, чтобы выполнялось условие

, где

,

- получаемые датчиком металлодетектора векторные сигналы, возникающие из-за взаимодействия датчика с упомянутой слабомагнитной укрывающей средой при отсутствии в ней металлического объекта, при условии, что векторы

,

сориентированы вдоль оси X в упомянутой ортогональной системе координат, т.е. проекции этих векторов Y_B, Y_H минимальны; при этом квадратурные составляющие вектора

в заданной ортогональной системе координат Δ_X=X_B-kX_H и Δ_Y=Y_B-kY_H используются для обнаружения и, необязательно, идентификации металлических объектов в слабомагнитной укрывающей среде.

Квадратурные составляющие вектора

при последующей обработке микропроцессором используются для обнаружения и, необязательно идентификации металлических объектов в слабомагнитной и слабопроводящей укрывающей среде, в частности в грунте.

Соответственно, способ обнаружения металлических объектов заключается в последовательном выполнении этапов, на которых:

A) возбуждают датчик металлодетектора одновременно током высокой частоты и током низкой частоты;

Б) посредством микроконтроллера металлодетектора выделяют вносимые в датчик металлодетектора векторные сигналы, возникающие за счет взаимодействия датчика металлодетектора со слабомагнитной укрывающей средой и находящимся в ней металлическим объектом, а именно:

вносимые векторные сигналы, получаемые по высокочастотному выходу датчика металлодетектора

и

вносимые векторные сигналы, получаемые по низкочастотному выходу датчика металлодетектора

где

; X_B, Y_B, X_H, Y_H - проекции векторов вносимых в датчик металлодетектора сигналов по высокой частоте и по низкой частоте в заданной ортогональной системе координат;

B) осуществляют настройку металлодетектора, при которой обеспечивают выполнение условия:

,

где

и

- получаемые датчиком металлодетектора вносимые векторные сигналы, возникающие за счет взаимодействия датчика с упомянутой слабомагнитной укрывающей средой при отсутствии в ней металлического объекта, при условии, что векторы

,

сориентированы вдоль оси X в упомянутой ортогональной системе координат; k - выбираемый в процессе настройки металлодетектора коэффициент, обеспечивающий выполнение условия (1);

Г) в процессе сканирования металлодетектором укрывающей среды квадратурные составляющие вектора

, а именно -

Δ_X=X_B-kX_H;

и

Δ_Y=Y_B-kY_H;

используют для обнаружения металлических объектов.

Необязательно в указанном способе составляющие вектора

дополнительно используются для идентификации металлических объектов. Также необязательно посредством блока индикации металлодетектора в указанном способе может быть обеспечено отображение годографа вектора

.

Использование функционального преобразования (2) обосновывается следующим.

Взаимодействие датчика со слабомагнитной укрывающей средой и находящимся в ней металлическим объектом может быть описано аддитивной моделью, заключающейся в том, что вносимое в датчик напряжение, обусловленное влиянием слабомагнитной укрывающей среды и находящегося в ней металлического объекта, можно представить в виде векторной суммы вносимых напряжений отдельно от укрывающей среды и отдельно от металлического объекта. На основании этого положения становится возможным сформулировать два уравнения взаимодействия датчика металлодетектора с системой «среда - объект» для высокой частоты и низкой частоты тока возбуждения датчика металлодетектора соответственно:

где

- вносимый сигнал от влияния укрывающей среды, который, исходя из условий настройки металлодетектора одинаков для высокой частоты F_B и низкой частоты F_H возбуждения датчика;

и

- вносимые в датчик металлодетектора сигналы от взаимодействия с металлическим объектом соответственно, для высокой частоты F_B и для низкой частоты F_H.

При вычитании (4) из (3) становится возможным сформулировать выражение:

Из (5) следует, что вектор

не зависит от мешающего влияния слабомагнитной укрывающей среды, и зависит только от характеристик металлического объекта, включая его местоположение по отношению к датчику.

Таким образом анализ вектора

позволяет обнаруживать и идентифицировать тип и свойства металлического объекта, находящегося в слабомагнитной укрывающей среде вне зависимости от мешающих электрофизических свойств последней, что повышает достоверность идентификации металлических объектов.

Теоретические и экспериментальные исследования такого принципа работы металлодетектора 100 показали, что его чувствительность пропорционально зависит от уровня разнесения высокой F_B и низкой F_H рабочих частот. На этом основании соотношения частот могут составлять десятки раз.

С другой стороны, с точки зрения практической реализации описанного принципа работы металлодетектора 100, следует учитывать, что чувствительность каналов металлодетектора 100 по низкой частоте F_H и высокой частоте F_B определяется произведением соответствующей рабочей частоты на значение соответствующего тока возбуждения датчика металлодетектора, из чего следует, что при условии многократной разницы между F_B и F_H, чувствительность по каналу F_H будет многократно ниже, чем по каналу F_B, что приведет к сложности такой практической реализации в соответствии с уравнением (5), в том числе, с учетом того, что в основу обработки положен принцип выравнивания по чувствительности каналов F_B и F_H.

Вместе с тем, наличие в металлодетекторе 100 низкочастотного канала в условиях значительных внешних электромагнитных помех может снижать качество работы металлодетектора из-за известных причин низкой помехозащищенности низкочастотного режима работы металлодетектора.

Как уже отмечалось, в заявленном техническом решении ток возбуждения низкой частоты F_H удвоен за счет введения в генератор 1010 инверсного выхода

подключенного ко второму низкочастотному входу 1025 датчика 1020. Таким образом обеспечивается значительное снижение разницы чувствительностей по каналам низкой частоты F_H и высокой частоты F_B, за счет чего существенно улучшаются условия практической реализации принципа работы металлодетектора 100, в следствие чего повышается достоверность идентификации металлических объектов, находящихся в слабомагнитной укрывающей среде, при этом обеспечивается и повышение общей чувствительности металлодетектора и его помехозащищенности.

Настоящее описание осуществления заявленного изобретения демонстрирует лишь частные варианты осуществления и не ограничивает иные варианты реализации заявленного изобретения, поскольку возможные иные альтернативные варианты осуществления заявленного изобретения, не выходящие за пределы объема информации, изложенной в настоящей заявке, должны быть очевидными для специалиста в данной области техники, имеющим обычную квалификацию, на которого рассчитано заявленное изобретение.

Claims (65)

1. Металлодетектор, содержащий:

генератор;

датчик металлодетектора;

блок выделения квадратурных составляющих (БВКС) высокой частоты;

БВКС низкой частоты;

микроконтроллер и

блок индикации; причем

датчик металлодетектора содержит:

катушку индуктивности L1, являющуюся возбуждающей катушкой индуктивности;

катушку индуктивности L2, являющуюся сигнальной катушкой индуктивности;

конденсатор С1, последовательно соединенный с катушкой индуктивности L1;

конденсатор С2, параллельно соединенный с катушкой индуктивности L2;

последовательно соединенные катушку индуктивности L3 и конденсатор С3, причем свободный контакт конденсатора С3 подключен к средней точке последовательного соединения катушки индуктивности L1 и конденсатора С1;

последовательно соединенные катушку индуктивности L4 и конденсатор С4, причем свободный контакт катушки индуктивности L4 подключен к первому контакту параллельного соединения катушки индуктивности L2 и конденсатора С2; причем

второй контакт параллельного соединения катушки индуктивности L2 и конденсатора С2 и свободный контакт конденсатора С4 подключены к общей точке схемы; при этом

свободный контакт конденсатора С1, являющийся высокочастотным входом тока возбуждения датчика металлодетектора, подключен к высокочастотному выходу тока возбуждения упомянутого генератора; при этом

свободный контакт катушки индуктивности L1, являющийся первым низкочастотным входом тока возбуждения датчика металлодетектора, подключен к первому низкочастотному выходу тока возбуждения упомянутого генератора; причем

первый контакт параллельного соединения катушки индуктивности L2 и конденсатора С2 является высокочастотным выходом датчика металлодетектора; причем

средняя точка последовательного соединения катушки индуктивности L4 и конденсатора С4 является низкочастотным выходом датчика металлодетектора; при этом

упомянутый генератор содержит второй низкочастотный выход тока возбуждения, сигнал которого противоположен по фазе по отношению к сигналу тока возбуждения первого низкочастотного выхода тока возбуждения упомянутого генератора; причем

второй низкочастотный выход тока возбуждения подключен к свободному контакту катушки индуктивности L3, являющемуся вторым низкочастотным входом тока возбуждения датчика металлодетектора; причем

получаемые с датчика металлодетектора вносимые векторные сигналы, возникающие за счет взаимодействия датчика металлодетектора со слабомагнитной укрывающей средой и находящимся в ней металлическим объектом, а именно:

вносимые векторные сигналы, получаемые по высокочастотному выходу датчика металлодетектора,

и

вносимые векторные сигналы, получаемые по низкочастотному выходу датчика металлодетектора,

,

где

X_B, Y_B, X_H, Y_H - проекции векторов вносимых в датчик металлодетектора сигналов по высокой частоте и по низкой частоте в заданной ортогональной системе координат;

указанные вносимые векторные сигналы используются для расчета вектора

в соответствии с выражением

,

при этом

постоянный коэффициент k, определяемый в процессе настройки металлодетектора, выбирается таким, чтобы выполнялось условие

,

где

,

- получаемые датчиком металлодетектора вносимые векторные сигналы, возникающие за счет взаимодействия датчика с упомянутой слабомагнитной укрывающей средой при отсутствии в ней металлического объекта, при условии, что векторы

,

сориентированы вдоль оси X в упомянутой ортогональной системе координат; при этом

квадратурные составляющие вектора

, а именно

и

,

используются, по меньшей мере, для обнаружения металлических объектов в слабомагнитной укрывающей среде.

2. Металлодетектор по п. 2, характеризующийся тем, что упомянутые квадратурные составляющие вектора

дополнительно используются для идентификации металлических объектов.

3. Металлодетектор по п. 1, характеризующийся тем, что при взаимодействии датчика металлодетектора с находящимся в укрывающей среде металлическим объектом посредством блока индикации обеспечивается отображение годографа вектора

.

4. Металлодетектор по п. 1, отличающийся тем, что в датчике металлодетектора возбуждающая катушка индуктивности L1 и сигнальная катушка индуктивности L2 размещены в одном корпусе и жестко зафиксированы.

5. Металлодетектор по п. 4, отличающийся тем, что в датчике металлодетектора третья и четвертая катушки индуктивности L3, L4 выполнены с магнитопроводом.

6. Металлодетектор по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что в датчике металлодетектора третья и четвертая катушки индуктивности L3, L4 помещены в электромагнитные экраны.

7. Металлодетектор по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что третья и четвертая катушки индуктивности L3, L4 размещены в отдельном корпусе вне зоны чувствительности возбуждающей и сигнальной катушек индуктивности L1, L2.

8. Металлодетектор по п. 7, отличающийся тем, что упомянутый корпус, в котором размещены третья и четвертая катушки индуктивности L3, L4, размещен за рукояткой металлодетектора под подлокотником металлодетектора.

9. Способ обнаружения металлических объектов, при котором:

А) возбуждают датчик металлодетектора одновременно током высокой частоты и током низкой частоты;

Б) посредством микроконтроллера металлодетектора выделяют вносимые в датчик металлодетектора векторные сигналы, возникающие за счет взаимодействия датчика металлодетектора со слабомагнитной укрывающей средой и находящимся в ней металлическим объектом, а именно:

вносимые векторные сигналы, получаемые по высокочастотному выходу датчика металлодетектора,

и

вносимые векторные сигналы, получаемые по низкочастотному выходу датчика металлодетектора,

,

где

X_B, Y_B, X_H, Y_H - проекции векторов вносимых в датчик металлодетектора сигналов по высокой частоте и по низкой частоте в заданной ортогональной системе координат;

В) осуществляют настройку металлодетектора, при которой обеспечивают выполнение условия

,

где

и

- получаемые датчиком металлодетектора вносимые векторные сигналы, возникающие за счет взаимодействия датчика с упомянутой слабомагнитной укрывающей средой при отсутствии в ней металлического объекта, при условии, что векторы

,

сориентированы вдоль оси X в упомянутой ортогональной системе координат; k - выбираемый в процессе настройки металлодетектора коэффициент, обеспечивающий выполнение условия (1);

Г) в процессе сканирования металлодетектором укрывающей среды квадратурные составляющие вектора

, а именно

и

,

используют для обнаружения металлических объектов.

10. Способ по п. 9, характеризующийся тем, что упомянутые квадратурные составляющие вектора

дополнительно используются для идентификации металлических объектов.

11. Способ по любому из пп. 9 или 10, характеризующийся тем, что дополнительно посредством блока индикации металлодетектора обеспечивают отображение годографа вектора

.

Images