RU2819826C1 - Method for non-contact selective detection of metal objects using pulse-resonance-eddy current method (versions) - Google Patents

Method for non-contact selective detection of metal objects using pulse-resonance-eddy current method (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2819826C1
RU2819826C1 RU2023118994A RU2023118994A RU2819826C1 RU 2819826 C1 RU2819826 C1 RU 2819826C1 RU 2023118994 A RU2023118994 A RU 2023118994A RU 2023118994 A RU2023118994 A RU 2023118994A RU 2819826 C1 RU2819826 C1 RU 2819826C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
metal
pulses
filling
pulse
coil
Prior art date
Application number
RU2023118994A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Михайлович Фоминых
Original Assignee
Алексей Михайлович Фоминых
Filing date
Publication date
Application filed by Алексей Михайлович Фоминых filed Critical Алексей Михайлович Фоминых
Application granted granted Critical
Publication of RU2819826C1 publication Critical patent/RU2819826C1/en

Links

Abstract

FIELD: detection of current-conducting and ferromagnetic objects in magnetically permeable solid, loose or liquid media.
SUBSTANCE: method involves sequential generation of pulses of the same duration supplying the coil in the frequency range from 1 Hz to 1 kHz with filling with pulses of a given frequency in the range of values from 1 kHz to 1 MHz with frequency change in each packet of pulses and without filling, pulses of different duration without filling. Upon completion of the pulse train generation process with filling or pulses without filling, the increments in the duration of the leading edge of the current decay in the coil are measured: after generation of pulse without filling of long duration—T1, short duration—T4, increment of duration of front of decay of electric current in coil after pulse generation with filling with frequency, at which the maximum signal from the object is detected,—T2. Type of metal is determined based on the ratio (T1/T2/)T3, where T3=T4/T1.
EFFECT: high accuracy of determining the type of metals.
2 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области физики и геофизики, археологии в области детектирования токопроводящих и ферромагнитных предметов в магнитопроницаемых твердых, сыпучих или жидких средах, в т.ч. в грунте, дорожном покрытии, бетоне, морской воде, одежде и других магнитопроницаемых средах, в подводных или воздушных условиях работы при любом климате.The invention relates to the field of physics and geophysics, archeology in the field of detection of conductive and ferromagnetic objects in magnetically permeable solid, granular or liquid media, incl. in soil, road surface, concrete, sea water, clothing and other magnetically permeable environments, in underwater or air operating conditions in any climate.

Из уровня техники известен способ работы многочастотного металлоискателя (патент на изобретение США № 10989829, МПК G01V 03/10, H01F 07/06, опубл. 27.04.2021 г.), содержащего приводную катушку, предназначенную для создания электромагнитного поля в продукте, и по меньшей мере одну детекторную катушку, предназначенную для обнаружения колебаний магнитного поля. поле, создаваемое металлическими частицами, присутствующими в продукте, и блок многочастотного передатчика, содержащий преобразователь с множеством приводных переключателей, которые приводятся в действие контроллером привода в соответствии с инструкциями по эксплуатации таким образом, что приводные переключатели попеременно пропускают управляющий ток через приводную катушку, чтобы генерируемое электромагнитное поле имело две или более частотных составляющих.A method of operation of a multi-frequency metal detector is known from the prior art (US patent No. 10989829, IPC G01V 03/10, H01F 07/06, published 04/27/2021), containing a drive coil designed to create an electromagnetic field in the product, and according to at least one detector coil for detecting fluctuations in the magnetic field. field generated by metal particles present in the product; and a multi-frequency transmitter unit comprising a transducer with a plurality of drive switches, which are driven by a drive controller in accordance with operating instructions such that the drive switches alternately pass a control current through the drive coil so that the generated the electromagnetic field had two or more frequency components.

Наиболее близким техническим решением является многочастотный металлоискатель и способ идентификации металлической цели (патент на изобретение Китая №113900148, МПК G01V 03/10, G01V 03/38, опубл. 07.01.2022 г.), содержащий модуль контроллера, модуль усиления мощности, модуль передающей катушки, модуль приемной катушки, модуль малошумящего усиления, модуль аналого-цифрового преобразования, периферийный модуль.The closest technical solution is a multi-frequency metal detector and a method for identifying a metal target (Chinese patent No. 113900148, IPC G01V 03/10, G01V 03/38, published 01/07/2022), containing a controller module, a power amplification module, a transmitting module coils, receiver coil module, low noise gain module, analog-to-digital conversion module, peripheral module.

В соответствии со способом идентификации металлической цели, предусмотренным изобретением, выполняются следующие этапы:In accordance with the method for identifying a metal target provided by the invention, the following steps are performed:

этап 1: передача многочастотных сигналов, а именно модуляция путем принятия сигналов прямоугольной формы с различными частотами и коэффициентами заполнения для генерирования требуемых многочастотных передающих сигналов;stage 1: multi-frequency transmission, namely modulation by receiving square wave signals with different frequencies and duty cycles to generate the required multi-frequency transmission signals;

этап 2: формирование управляющего сигнала с использованием таймера и управление аналого-цифровым преобразователем для получения принятого сигнала напряжения с заданной частотой дискретизации; stage 2: generating a control signal using a timer and controlling an analog-to-digital converter to obtain a received voltage signal with a given sampling frequency;

этап 3: демодуляция собранных принятых сигналов, извлечение характеристических величин различных частот, выделение двух характеристических величин каждой частоты и объединение характеристических величин каждой частоты для создания характеристического вектора;step 3: demodulate the collected received signals, extract the characteristic quantities of different frequencies, extract two characteristic quantities of each frequency, and combine the characteristic quantities of each frequency to create a characteristic vector;

этап 4: определение модуля характеристического вектора, сравнение модуля с пороговым значением и, когда модуль характеристического вектора больше порогового значения, указание на наличие металлической мишени и выполнение следующий шаг; когда модуль характеристического вектора меньше порогового значения, что указывает на то, что металлическая цель не обнаружена, игнорирование характеристического вектора и переход к следующему периоду сбора данных;step 4: determining the modulus of the characteristic vector, comparing the modulus with the threshold value and, when the modulus of the characteristic vector is greater than the threshold value, indicating the presence of a metal target and performing the next step; when the magnitude of the characteristic vector is less than the threshold value, indicating that the metal target is not detected, ignoring the characteristic vector and moving to the next data collection period;

этап 5: вычисление значений вероятности, принадлежащих всем категориям металлов, в соответствии со значениями всех элементов в векторе признаков;step 5: calculating probability values belonging to all metal categories according to the values of all elements in the feature vector;

этап 6: и выбор максимального значения вероятностных значений всех категорий металлов, где категория металла, соответствующая максимальному значению, является категорией обнаруженного металла, и отображение, и сигнализация результата обнаружения.step 6: and selecting the maximum value of the probability values of all metal categories, where the metal category corresponding to the maximum value is the category of the detected metal, and displaying and signaling the detection result.

Недостатком известного решения является анализ только двух выделенных характеристических величин каждой частоты и объединение характеристических величин каждой частоты для создания характеристического вектора. В этом случае интегрируются в одну величину множество физических характеристик измеряемого сигнала. Что требует в дальнейшем сложной цифровой обработки сигнала для улучшения соотношения сигнал шум и выделения полезной составляющей сигнала. Также метод анализа частоты и амплитуды сигнала характерен для балансных типов металлоискателей, при балансном принципе работы проводимость грунта смещает амплитудный баланс излучающей и приемной катушки и уменьшает чувствительность мелким металлическим объектам на физическом уровне, за счет повышенного фонового сигнала возникающего в приемной катушке при отражении его от сильноминерализованного грунта.The disadvantage of the known solution is the analysis of only two selected characteristic quantities of each frequency and the combination of the characteristic quantities of each frequency to create a characteristic vector. In this case, many physical characteristics of the measured signal are integrated into one value. Which further requires complex digital signal processing to improve the signal-to-noise ratio and highlight the useful component of the signal. Also, the method of analyzing the frequency and amplitude of the signal is typical for balanced types of metal detectors; with a balanced operating principle, the conductivity of the soil shifts the amplitude balance of the emitting and receiving coils and reduces the sensitivity to small metal objects at the physical level, due to the increased background signal arising in the receiving coil when it is reflected from highly mineralized soil.

Применение двух катушек излучающей и приемной усложняет производство, увеличивает себестоимость и время производства, требуется высокая квалификация рабочих для настройки баланса катушек. Также снижается чувствительность прибора в минерализованных грунтах, так как наведенный отраженный электромагнитный сигнал от грунта изменяет баланс между приемной и передающей катушками, что приводит к уменьшению уровня полезного сигнала от металлических объектов и сокращает глубину обнаружения. Наличие синхронного детектора вносит шумы и искажения в полезный сигнал в процессе переключения полярности и ведет к удорожанию конструкции и уменьшению ее надежности, увеличивая число электронных компонентов.The use of two emitting and receiving coils complicates production, increases cost and production time, and requires highly qualified workers to adjust the balance of the coils. The sensitivity of the device in mineralized soils also decreases, since the induced reflected electromagnetic signal from the ground changes the balance between the receiving and transmitting coils, which leads to a decrease in the level of the useful signal from metal objects and reduces the detection depth. The presence of a synchronous detector introduces noise and distortion into the useful signal during polarity switching and leads to an increase in the cost of the design and a decrease in its reliability, increasing the number of electronic components.

Техническая задача заявляемого изобретения заключается в исключении ложных сигналов от неметаллических проводящих электрический ток объектов из полезного сигнала, определении типа металла объекта независимо от его формы и отдаления, повышение чувствительности металлоискателя.The technical objective of the claimed invention is to exclude false signals from non-metallic electrically conductive objects from the useful signal, determine the type of metal of the object regardless of its shape and distance, and increase the sensitivity of the metal detector.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения типа металлов.The technical result of the invention is to increase the accuracy of determining the type of metals.

Технический результат достигается тем, что способ бесконтактного селективного обнаружения металлических объектов с использованием импульсно-резонансно-вихретокового метода включает последовательную генерацию питающих катушку импульсов разной длительности в интервале частот от 1 Гц до 1 кГц с заполнением импульсами заданной частоты в интервале значений от 1 кГц до 1 МГц, с изменением частоты в каждой пачке импульсов и без заполнения, прекращение подачи питания на катушку после завершения процесса генерации пачки импульсов или импульса без заполнения, измерение приращения длительности фронта спада электрического тока импульса самоиндукции в катушке от отраженного сигнала металлическим объектом от незаполненного импульса Т1 и приращения длительности фронта спада электрического тока импульса самоиндукции в катушке от отраженного сигнала металлическим объектом после генерации импульса с заполнением частотой, при которой обнаружен максимальный сигнал от объекта, Т2.The technical result is achieved in that the method for non-contact selective detection of metal objects using the pulse-resonance-eddy current method includes sequential generation of pulses of different durations feeding the coil in the frequency range from 1 Hz to 1 kHz with filling with pulses of a given frequency in the range from 1 kHz to 1 MHz, with a change in frequency in each burst of pulses and without filling, stopping the power supply to the coil after the completion of the generation process of a burst of pulses or a pulse without filling, measuring the increment in the duration of the decay front of the electric current of the self-induction pulse in the coil from the reflected signal by a metal object from the unfilled pulse T1 and increments in the duration of the decay front of the electric current of the self-induction pulse in the coil from the reflected signal by a metal object after generating a pulse with filling with the frequency at which the maximum signal from the object is detected, T2.

Также технический результат достигается тем, что способ бесконтактного селективного обнаружения металлических объектов с использованием импульсно-резонансно-вихретокового метода включает последовательную генерацию питающих катушку импульсов одинаковой длительности в интервале частот от 1 Гц до 1 кГц с заполнением импульсами заданной частоты в интервале значений от 1 кГц до 1 МГц с изменением частоты в каждой пачке импульсов и без заполнения, импульсов разной длительности с заполнением импульсами заданной частоты и без заполнения, прекращение подачи питания на катушку после завершения процесса генерации пачки импульсов или импульса без заполнения, измерение приращения длительности фронта спада электрического тока импульса самоиндукции в катушке после генерации импульса без заполнения большой длительности Т1 и малой длительности Т4, приращения длительности фронта спада электрического тока импульса самоиндукции в катушке после генерации импульса с заполнением частотой при которой обнаруживается максимальный сигнал от объекта Т2, определение отношения уровня сигнала при импульсе малой длительности к уровню сигнала при импульсе большой длительности Т3=T4/T1. Also, the technical result is achieved by the fact that the method for non-contact selective detection of metal objects using the pulse-resonance-eddy current method includes sequential generation of pulses of equal duration feeding the coil in the frequency range from 1 Hz to 1 kHz with filling with pulses of a given frequency in the range from 1 kHz to 1 MHz with a change in frequency in each burst of pulses and without filling, pulses of different durations with filling with pulses of a given frequency and without filling, stopping the power supply to the coil after completing the process of generating a burst of pulses or a pulse without filling, measuring the increment in the duration of the decay front of the electric current of the self-induction pulse in the coil after generating a pulse without filling of long duration T1 and short duration T4, incrementing the duration of the decay front of the electric current of the self-induction pulse in the coil after generating a pulse with filling with the frequency at which the maximum signal from the object T2 is detected, determining the ratio of the signal level with a short-duration pulse to the level signal for a long pulse T3=T4/T1.

Способ обнаружения металлических объектов согласно настоящему изобретению включает оценку электрической проводимости, магнитной проницаемости и индуктивности металлических объектов, находящихся в зоне действия поискового датчика методом измерения энергетической характеристики переходного процесса всего фронта спада импульса самоиндукции измерительной катушки индуктивности или его части, при различных длительностях, и различном частотном заполнении импульсов питающего напряжения катушки индуктивности. Спад фронта импульса самоиндукции содержит включенные энергетические составляющие, характеризующие металлические объекты, находящиеся в зоне действия датчика и переизлучающие принятое электромагнитное поле. Энергетический вклад переизлученных сигналов характеризуется добавленной длительностью и амплитудой спада фронта импульса самоиндукции. В данном режиме работы фоновые наведенные сигналы не влияют на чувствительность металлоискателя.The method for detecting metal objects according to the present invention includes assessing the electrical conductivity, magnetic permeability and inductance of metal objects located in the coverage area of the search sensor by measuring the energy characteristics of the transient process of the entire decay front of the self-inductance pulse of the measuring inductor or part thereof, at different durations, and at different frequencies. filling the supply voltage pulses of the inductor. The decay of the front of the self-induction pulse contains included energy components that characterize metal objects located in the sensor’s coverage area and re-emitting the received electromagnetic field. The energy contribution of re-emitted signals is characterized by the added duration and amplitude of the decay of the front of the self-induction pulse. In this operating mode, background induced signals do not affect the sensitivity of the metal detector.

Далее изобретение поясняется следующими чертежами:The invention is further illustrated by the following drawings:

Фиг.1. Электрическая схема эквивалента металлического объекта;Fig.1. Electrical circuit of the equivalent metal object;

Фиг.2. График, иллюстрирующий генерацию импульсов одинаковой длительности с постоянной частотой и фронт спада импульса самоиндукции;Fig.2. A graph illustrating the generation of pulses of the same duration with a constant frequency and the decay front of the self-induction pulse;

Фиг.3. График, иллюстрирующий генерацию импульсов одинаковой длительности с заполнением импульсами заданной частоты и изменением частоты в каждой пачке импульсов частотой и фронт спада импульса самоиндукции;Fig.3. A graph illustrating the generation of pulses of the same duration with filling with pulses of a given frequency and changing the frequency in each burst of pulses with the frequency and decay front of the self-induction pulse;

Фиг.4. График, иллюстрирующий генерацию импульсов разной длительности и фронт спада импульса самоиндукции;Fig.4. A graph illustrating the generation of pulses of different durations and the decay front of the self-induction pulse;

Фиг.5 График, иллюстрирующий последовательную генерацию импульсов одинаковой длительности с заполнением импульсами высокой частоты и без заполнения и фронт спада импульса самоиндукции;Fig. 5 A graph illustrating the sequential generation of pulses of the same duration with and without filling with high-frequency pulses and the decay front of the self-induction pulse;

Фиг.6. График, иллюстрирующий последовательную генерацию импульсов с заполнением импульсами высокой частоты и без заполнения, и генерацию импульсов разной длительности и фронт спада импульса самоиндукции;Fig.6. A graph illustrating the sequential generation of pulses with and without filling with high-frequency pulses, and the generation of pulses of different durations and the decay front of the self-induction pulse;

Фиг.7. Пример графического отображения уровня сигнала с отображением типа металла.Fig.7. An example of a graphical display of the signal level showing the type of metal.

Для обнаружения металлических объектов и определения их типа металла или сплава датчиком металлоискателя производится генерация импульсов одинаковой длительности, и, или импульсов разной длительности при постоянной частоте и, или переменно меняющейся частоте следования. Также используется генерация импульсов моногармонического сигнала, содержащего 1 гармонику для каждого импульса. Катушкой металлоискателя излучается импульсное переменное электромагнитное поле вызывающее возникновение, в металлических предметах находящихся в зоне действия датчика, внутренних электрических переменных токов, которые замыкаясь на активное электрическое сопротивление металла объекта, преобразуются во вторичное переменное магнитное поле переизлучаемое объектом.To detect metal objects and determine their type of metal or alloy, the metal detector sensor generates pulses of the same duration, and, or pulses of different durations at a constant frequency and, or a variable repetition rate. The generation of monoharmonic signal pulses is also used, containing 1 harmonic for each pulse. The metal detector coil emits a pulsed alternating electromagnetic field, causing internal alternating electrical currents to appear in metal objects located in the sensor’s coverage area, which, being shorted to the active electrical resistance of the metal of the object, are converted into a secondary alternating magnetic field re-emitted by the object.

После завершения генерации осуществляется измерение длительности фронта спада электрического тока в катушке индуктивности датчика металлоискателя до определенного заданного уровня.After generation is completed, the duration of the decay front of the electric current in the inductance coil of the metal detector sensor is measured to a certain specified level.

Вторичное переменное магнитное поле металлического объекта преобразуется в катушке металлоискателя в электрический ток. Определение величины наведенного электрического тока переменным магнитным полем переизлученного металлическим объектом происходит путем измерения длительности фронта спада электрического тока в катушке индуктивности металлоискателя до определенного заданного уровня, после прекращения подачи питающих импульсов или импульса на нее.The secondary alternating magnetic field of a metal object is converted into an electric current in the metal detector coil. Determination of the magnitude of the induced electric current by an alternating magnetic field re-emitted by a metal object occurs by measuring the duration of the decay front of the electric current in the inductance coil of the metal detector to a certain specified level, after stopping the supply of supply pulses or a pulse to it.

Чем крупнее металлический объект находится в зоне действия катушки металлоискателя, тем большей напряженности переменное магнитное поле он переизлучит, тем больший ток будет наведен в катушке индуктивности металлоискателя, и тем больше длительность фронта спада электрического тока в катушке индуктивности после прекращения генерирующего импульса или импульсов будет зафиксирована.The larger the metal object is in the area of action of the metal detector coil, the greater the intensity of the alternating magnetic field it will re-emit, the greater the current will be induced in the inductance coil of the metal detector, and the longer the duration of the decline front of the electric current in the inductor after the cessation of the generating pulse or pulses will be recorded.

И наоборот, чем меньше металлический объект, тем меньше наведенный ток от переотраженного сигнала в катушке прибора и меньше длительность фронта спада.And vice versa, the smaller the metal object, the less the induced current from the reflected signal in the device coil and the shorter the duration of the decay front.

Также величина наведенного электрического тока в катушке металлоискателя от сигнала переотраженного металлическим объектом зависит от дальности расположения металлического объекта от катушки металлоискателя. Чем дальше находится металлический объект, тем меньше напряженность переменного электромагнитного поля генерируемого датчиком металлоискателя воздействует на него, и тем меньший переменный электрический ток возникает внутри металла объекта и тем меньше переизлученное металлическим объектом переменное магнитное поле, и тем меньше электрический ток наводимый в катушке металлоискателя от переизлученного переменного магнитного поля металлического объекта и тем меньше меняется длительность спада электрического тока в катушке металлоискателя после прекращения генерации импульсов или импульса, тем меньше уровень сигнала от объекта.Also, the magnitude of the induced electric current in the metal detector coil from the signal re-reflected by a metal object depends on the distance of the metal object from the metal detector coil. The further away the metal object is, the less the intensity of the alternating electromagnetic field generated by the metal detector sensor affects it, and the less alternating electric current arises inside the metal object and the less the alternating magnetic field re-emitted by the metal object, and the less electric current induced in the metal detector coil from the re-emitted alternating magnetic field of a metal object and the less the duration of the decline in the electric current in the metal detector coil changes after the generation of pulses or pulses stops, the lower the signal level from the object.

И наоборот чем ближе металлический объект, тем большая напряженность переменного электромагнитного поля генерируемого датчиком металлоискателя воздействует на него. и тем больший переменный электрический ток возникает внутри металла объекта, и тем больше переизлученное металлическим объектом переменное магнитное поле, и тем больше электрический ток, наводимый в катушке металлоискателя от переизлученного переменного магнитного поля металлического объекта и тем больше меняется длительность спада электрического тока в катушке металлоискателя после прекращения генерации импульсов или импульса, тем больше уровень сигнала от объекта.And vice versa, the closer the metal object, the greater the intensity of the alternating electromagnetic field generated by the metal detector sensor affects it. and the greater the alternating electric current arises inside the metal object, and the greater the alternating magnetic field re-emitted by the metal object, and the greater the electric current induced in the metal detector coil from the re-emitted alternating magnetic field of the metal object, and the more the duration of the decline of the electric current in the metal detector coil after stopping the generation of pulses or pulses, the greater the signal level from the object.

Электрическая схема эквивалента металлического объекта приведена фиг.1, где Ro - внутреннее активное электрическое сопротивление металла, Lo - индуктивная составляющая определяемая формой и объемом металлического объекта, Mo - магнитная проницаемость металла или сплава объекта, Co - электрическая емкость между металлическим объектом и грунтом, характеризуется площадью контакта объекта и грунта, толщиной и диэлектрическими свойствами оксидов покрывающих объект и изолирующих его от грунта, проводимостью грунта, G - электропроводность грунта, заземляющая способность.The electrical circuit of the equivalent of a metal object is shown in Fig. 1, where Ro is the internal active electrical resistance of the metal, Lo is the inductive component determined by the shape and volume of the metal object, Mo is the magnetic permeability of the metal or alloy of the object, Co is the electrical capacitance between the metal object and the ground, characterized by the contact area of the object and the soil, the thickness and dielectric properties of the oxides covering the object and isolating it from the soil, the conductivity of the soil, G - the electrical conductivity of the soil, grounding capacity.

Электромагнитные импульсы катушки индуктивности датчика облучают металлический объект, создавая в нем вихревые токи. Под действием внутренних вихревых токов объекта энергия реактивной мощности сначала накапливается, а затем высвобождается в виде магнитного поля, которое достигает измерительной катушки индуктивности и наводит в ней электрический ток, вызывающий рост длительности фронта спада электрического тока в катушке при отключении генерации сигнала.Electromagnetic pulses from the sensor's inductor irradiate a metal object, creating eddy currents in it. Under the influence of internal eddy currents of the object, reactive power energy is first accumulated and then released in the form of a magnetic field, which reaches the measuring inductor and induces an electric current in it, causing an increase in the duration of the decline front of the electric current in the coil when the signal generation is turned off.

В работе металлоискателя используются следующие методы определения металлических объектов:The metal detector uses the following methods for identifying metal objects:

1. Метод определения электрической проводимости металлического объекта1. Method for determining the electrical conductivity of a metal object

При генерации питающих катушку импульсов (A) одинаковой длительности с постоянной частотой, катушка индуктивности металлоискателя излучает переменное электромагнитное поле с характеристиками переходного процесса вызывающее возникновение электрического тока в металлическом объекте находящимся в зоне достаточной напряженности магнитного поля катушки, вблизи катушки.When generating pulses (A) of the same duration with a constant frequency feeding the coil, the inductor coil of the metal detector emits an alternating electromagnetic field with the characteristics of a transient process, causing the occurrence of an electric current in a metal object located in a zone of sufficient strength of the magnetic field of the coil, near the coil.

Наведенный электрический ток с характеристикой переходного процесса замыкаясь на активное электрическое сопротивление металла объекта воспроизводит переменное магнитное поле с характеристикой переходного процесса, которое наводит переменный электрический ток в катушке металлоискателя, что увеличивает длительность фронта спада электрического тока в катушке индуктивности металлоискателя после прекращения генерации импульса, и определяется аналогово-цифровой системой как уровень сигнала от обнаруженного металлического объекта.The induced electric current with the characteristic of the transient process, closing on the active electrical resistance of the metal of the object, reproduces an alternating magnetic field with the characteristic of the transient process, which induces an alternating electric current in the coil of the metal detector, which increases the duration of the decay front of the electric current in the inductance coil of the metal detector after the cessation of pulse generation, and is determined analog-digital system as the signal level from a detected metal object.

В этом режиме работы (фиг.2) металлоискатель не определяет тип металла, реакция на разные типы металлов и сплавов однотипна, так как измеряется только проводимость металлического объекта, по уровню переизлученного переменного магнитного поля переходного процесса вызванного генерацией одного импульса катушкой металлоискателя. Чем меньше активное электрическое сопротивление металла или сплава металлического объекта, тем больше напряженность магнитного поля возникающего вследствие протекания тока в электрическом проводнике объекта. Чем больше активное электрическое сопротивление металла или сплава металлического объекта, тем меньше напряженность магнитного поля возникающего вследствие протекания тока в электрическом проводнике объекта.In this mode of operation (Fig. 2), the metal detector does not determine the type of metal; the reaction to different types of metals and alloys is the same, since only the conductivity of the metal object is measured, according to the level of the re-emitted alternating magnetic field of the transient process caused by the generation of one pulse by the metal detector coil. The lower the active electrical resistance of the metal or alloy of a metal object, the greater the intensity of the magnetic field resulting from the flow of current in the electrical conductor of the object. The greater the active electrical resistance of a metal or alloy of a metal object, the lower the strength of the magnetic field resulting from the flow of current in the electrical conductor of the object.

Электрическая проводимость металла обуславливает процесс преобразования наведенного переменного электрического тока в переменное магнитное поле и является характеристикой активного электрического сопротивления (Rо) объекта. Уровень сигнала не может служить точной характеристикой значения проводимости для каждого типа металла или сплава, так как уровень сигнала также зависит от размера и от дальности расположения металлического объекта от датчика.The electrical conductivity of a metal determines the process of converting the induced alternating electric current into an alternating magnetic field and is a characteristic of the active electrical resistance (Ro) of the object. The signal level cannot serve as an accurate characteristic of the conductivity value for each type of metal or alloy, since the signal level also depends on the size and distance of the metal object from the sensor.

2. Метод определения индуктивности металлического объекта2. Method for determining the inductance of a metal object

Генерация питающих катушку импульсов одинаковой длительности с заполнением импульсами заданной частоты (пачки импульсов), с изменением частоты в каждой пачке импульсов (Фиг.3.), при перемещении или нахождении датчика металлоискателя над металлическим объектом, позволяет производить оценку индуктивных свойств обнаруженного металлического объекта.The generation of pulses of the same duration feeding the coil with filling with pulses of a given frequency (packet of pulses), with a change in frequency in each train of pulses (Fig. 3.), when the metal detector sensor is moved or located above a metal object, allows one to evaluate the inductive properties of the detected metal object.

Датчиком металлоискателя генерируется группа импульсов, каждый из импульсов одинаковой длительности заполнен импульсами определенной частоты (пачка импульсов), например, повторяющаяся группа из трех пачек импульсов, первая пачка импульсов частотой 30кГц, вторая 50кГц, третья 100кГц. При генерации пачки импульсов с большей частотой датчик излучает переменное магнитное поле этой частоты воздействующее на металлический объект и чем ближе излучаемая частота к собственной резонансной частоте металлического объекта тем большей амплитуды электрический ток потечет по электрическому сопротивлению проводника объекта и тем больший уровень напряженности переменного магнитного поля он переизлучит. Чем больше напряженность переизлученного магнитного поля, тем больший ток наводится в катушке и тем больше длительность фронта спада электрического тока в катушке металлоискателя при отключении генерации, которая является уровнем сигнала от объекта. Чем выше частота излучаемого электромагнитного поля катушки, тем меньше реактивное сопротивление металлического объекта, обладающего индуктивными свойствами, тем больший ток протекает в проводнике металлического объекта, тем большая напряженность магнитного поля возникает вокруг объекта и переизлучается им. Чем ближе частота электромагнитного поля катушки к резонансной частоте структуры металлического объекта (эквивалент колебательного контура), тем больший ток протекает в проводнике металлического объекта, тем большая напряженность магнитного поля возникает вокруг объекта и переизлучается им. Например, при частоте пачки импульсов 30кГц и следовании импульсов с частотой 200Гц металлические объекты из алюминия круглой формы дают отраженный сигнал в 10мкВ, а металлические объекты из железа такой же формы дают отраженный сигнал в 15мкВ, при нахождении на одинаковом расстоянии от измерительной катушки индуктивности. А при частоте пачки импульсов 100кГц и следовании импульсов с частотой 200Гц металлические объекты из алюминия круглой формы дают отраженный сигнал в 20мкВ, а металлические объекты из железа такой же формы дают отраженный сигнал в 17мкВ, при нахождении на одинаковом расстоянии от измерительной катушки индуктивности. По полученным соотношения уровней сигналов от объектов, измеренных при разных частотах заполнения импульсов, определяется тип металла, коэффициент характеризующий индуктивность объекта Ки. Так, для алюминия Ки=20 мкВ/10 мкВ = 2, для железа Ки=17 мкВ/15 мкВ = 1,13.The metal detector sensor generates a group of pulses, each of the pulses of the same duration is filled with pulses of a certain frequency (pulse packet), for example, a repeating group of three pulse packets, the first pulse packet with a frequency of 30 kHz, the second with 50 kHz, and the third with 100 kHz. When generating a train of pulses with a higher frequency, the sensor emits an alternating magnetic field of this frequency acting on a metal object, and the closer the emitted frequency is to the natural resonant frequency of the metal object, the greater the amplitude the electric current will flow through the electrical resistance of the object’s conductor and the greater the level of intensity of the alternating magnetic field it will re-emit . The greater the intensity of the re-emitted magnetic field, the greater the current is induced in the coil and the longer the duration of the decay front of the electric current in the metal detector coil when generation is turned off, which is the signal level from the object. The higher the frequency of the emitted electromagnetic field of the coil, the lower the reactance of the metal object, which has inductive properties, the greater the current flows in the conductor of the metal object, the greater the magnetic field strength that arises around the object and is re-emitted by it. The closer the frequency of the electromagnetic field of the coil is to the resonant frequency of the structure of the metal object (equivalent to an oscillatory circuit), the greater the current flows in the conductor of the metal object, the greater the magnetic field strength that arises around the object and is re-emitted by it. For example, with a pulse train frequency of 30 kHz and a pulse repetition rate of 200 Hz, metal objects made of round aluminum give a reflected signal of 10 μV, and metal objects of iron of the same shape give a reflected signal of 15 μV, when located at the same distance from the measuring inductor. And with a pulse train frequency of 100 kHz and a repetition of pulses with a frequency of 200 Hz, metal objects made of round aluminum give a reflected signal of 20 μV, and metal objects made of iron of the same shape give a reflected signal of 17 μV, when located at the same distance from the measuring inductor. Based on the obtained ratios of signal levels from objects measured at different pulse filling frequencies, the type of metal and the coefficient characterizing the inductance of the object Ki are determined. So, for aluminum Ki = 20 µV/10 µV = 2, for iron Ki = 17 µV/15 µV = 1.13.

Таким образом, для каждой из пачек импульсов заполненных каждый своей частотой импульсов измеряется уровень переотраженного переменного магнитного поля металлическим объектом. И определяется при какой частоте заполнения импульса был зафиксирован максимальный уровень сигнала от объекта. Определяется максимально близкая частота пачки импульса к собственной резонансной частоте металлического объекта. Это позволяет получать уникальную характеристику сигнала для каждого типа металла и сплава. Таким образом, определяется индивидуальная уникальная индуктивная характеристика (Lo) металлического объекта.Thus, for each of the pulse trains, each filled with its own pulse frequency, the level of the re-reflected alternating magnetic field by the metal object is measured. And it is determined at what pulse filling frequency the maximum signal level from the object was recorded. The frequency of the pulse burst that is as close as possible to the natural resonant frequency of the metal object is determined. This allows you to obtain a unique signal characteristic for each type of metal and alloy. In this way, the individual unique inductive characteristic (Lo) of the metal object is determined.

Также реализуется функция уменьшения сигналов от не нужных сплавов и металлов, генерируются пачки импульсов, питающие катушку с одной частотой, при которой наблюдается максимальный уровень сигнала от искомых металлических объектов из определенных металлов или сплавов. Таким образом, сигнал на искомый тип металла будет больше, чем на другие типы металлов и сплавов.The function of reducing signals from unnecessary alloys and metals is also implemented; bursts of pulses are generated that feed the coil with one frequency, at which the maximum signal level from the desired metal objects made of certain metals or alloys is observed. Thus, the signal for the desired type of metal will be greater than for other types of metals and alloys.

Индуктивная характеристика (Lo) металлического объекта определяется не только типом металла или сплава, но и формой и объемом объекта, и сама по себе не может являться точным значением для определения типа металла или сплава. И также уровень сигнала зависит от дальности расположения металлического объекта от датчика.The inductive characteristic (Lo) of a metal object is determined not only by the type of metal or alloy, but also by the shape and volume of the object, and in itself cannot be an accurate value for determining the type of metal or alloy. And also the signal level depends on the distance of the metal object from the sensor.

3. Метод определения магнитной проницаемости металлического объекта3. Method for determining the magnetic permeability of a metal object

При генерации импульсов разной длительности при перемещении или нахождении датчика металлоискателя над металлическим объектом происходит измерение переотраженного переменного магнитного поля от объекта для каждой длительности импульса, излученного катушкой. Соотношение уровней переотраженного сигнала от импульсов разной длительности характеризует магнитную проницаемость металлического объекта (Мо), насколько быстро и эффективно металл объекта преобразует переменное магнитное поле в электрический ток.When pulses of different durations are generated when the metal detector sensor is moved or positioned above a metal object, the reflected alternating magnetic field from the object is measured for each pulse duration emitted by the coil. The ratio of the levels of the reflected signal from pulses of different durations characterizes the magnetic permeability of a metal object (Mo), how quickly and efficiently the metal of the object converts an alternating magnetic field into electric current.

Величина магнитной проницаемости металлического объекта (Мо), определяется количеством магнитных моментов отдельных атомов или молекул металла или сплава ориентируются параллельно приложенному внешнему магнитному полю заданной напряженности и насколько велики эти моменты.The magnitude of the magnetic permeability of a metal object (Mo) is determined by the number of magnetic moments of individual atoms or molecules of the metal or alloy oriented parallel to the applied external magnetic field of a given strength and how large these moments are.

Для металлов и сплавов с магнитной проницаемостью близкой к 1 соответствует слабая ориентированность моментов (почти хаос в направлениях, поле практически не влияет на них), а для металлов и сплавов с магнитной проницаемостью намного больше 1 соответствует высокая упорядоченность и большие величины или большое число индивидуальных магнитных моментов.For metals and alloys with a magnetic permeability close to 1, weak orientation of the moments corresponds (almost chaos in directions, the field has practically no effect on them), and for metals and alloys with a magnetic permeability much greater than 1, high ordering and large values or a large number of individual magnetic moments.

Такой метод позволяет точно разделять группы ферромагнитных и неферромагнитных металлов, но не позволяет определять более точно типы металлов и сплавов в этих группах в связи с их близкой по значению магнитной проницаемостью.This method allows you to accurately separate groups of ferromagnetic and non-ferromagnetic metals, but does not allow you to more accurately determine the types of metals and alloys in these groups due to their similar magnetic permeability.

Если для разной длительности генерируемых импульсов переотраженный сигнал от металла примерно одинаковый (Фиг.4.), то обнаружен металл с высокой магнитной проницаемостью, которому даже короткого электромагнитного импульса достаточно для насыщения внутренним электрическим током, который в проводнике преобразуется во вторичное магнитное поле металлического объекта и наводит электрический ток в катушке прибора. Увеличение длительности импульса практически не меняет уровня переотраженного магнитного поля объекта, так как уже при малой длительности импульса в нем наводится максимально возможный ток насыщения. Чем больше амплитуда переменного тока возникает в электрическом проводнике объекта при нахождении его в переменном магнитном поле катушки металлоискателя, тем выше его магнитная проницаемость (Мо).If for different durations of generated pulses the reflected signal from the metal is approximately the same (Fig. 4), then a metal with high magnetic permeability is detected, for which even a short electromagnetic pulse is sufficient to saturate the internal electric current, which in the conductor is converted into a secondary magnetic field of the metal object and induces electric current in the coil of the device. Increasing the pulse duration practically does not change the level of the re-reflected magnetic field of the object, since even at a short pulse duration the maximum possible saturation current is induced in it. The greater the amplitude of the alternating current that appears in the electrical conductor of an object when it is in the alternating magnetic field of a metal detector coil, the higher its magnetic permeability (Mo).

Отношение уровня сигнала при импульсе малой длительности к уровню сигнала при импульсе большой длительности определяет характеристику магнитной проницаемости металлического объекта. При примерном равенстве полученных уровней сигнала обнаружен металл с большой магнитной проницаемостью. Такой случай характерен для железа с магнитной проницаемостью, равной 100.The ratio of the signal level for a short-duration pulse to the signal level for a long-duration pulse determines the characteristics of the magnetic permeability of a metal object. When the signal levels obtained are approximately equal, a metal with high magnetic permeability is detected. This case is typical for iron with a magnetic permeability of 100.

Если для разной длительности генерируемых импульсов переотраженный сигнал от металла сильно разнится, то обнаружен металл с низкой магнитной проницаемостью, которому даже длительного электромагнитного импульса недостаточно для насыщения внутренним электрическим током, который преобразуется во вторичное магнитное поле металлического объекта и наводит электрический ток в катушке прибора. Увеличение длительности импульса меняет уровень переотраженного магнитного поля объекта, так как при малой длительности импульса в нем наводится минимально возможный ток. При увеличении длительности генерируемого импульса происходит увеличение тока, возникающего в электрическом проводнике объекта и соответственно увеличение переизлученного переменного магнитного поля наводящего электрический ток в катушке металлоискателя при завершении генерации импульса и увеличении длительности фронта спада (T4) электрического тока в катушке (Фиг.3). Такой случай характерен для алюминия с магнитной проницаемостью, равной 1.If for different durations of the generated pulses the reflected signal from the metal varies greatly, then a metal with low magnetic permeability is detected, for which even a long electromagnetic pulse is not enough to saturate the internal electric current, which is converted into a secondary magnetic field of the metal object and induces an electric current in the device coil. Increasing the pulse duration changes the level of the re-reflected magnetic field of the object, since with a short pulse duration the minimum possible current is induced in it. With an increase in the duration of the generated pulse, there is an increase in the current arising in the electrical conductor of the object and, accordingly, an increase in the re-emitted alternating magnetic field inducing an electric current in the metal detector coil upon completion of the pulse generation and an increase in the duration of the decline front (T4) of the electric current in the coil (Figure 3). This case is typical for aluminum with a magnetic permeability equal to 1.

4. Метод определения удельной проводимости металлического объекта4. Method for determining the conductivity of a metal object

При последовательной генерации пачек импульсов одинаковой длительности с заполнением импульсами высокой частоты и без заполнения (Фиг.5.) например заполнение частотой 350 кГц импульсов с частотой 200 Гц, при перемещении или нахождении датчика металлоискателя над металлическим объектом, позволяет одновременно определять функцию проводимости металлического объекта (Ro) и функцию его индуктивности (Lo).When sequentially generating trains of pulses of the same duration with filling with high-frequency pulses and without filling (Fig. 5.), for example, filling pulses with a frequency of 350 kHz with a frequency of 200 Hz, when moving or placing the metal detector sensor over a metal object, allows you to simultaneously determine the conductivity function of the metal object ( Ro) and the function of its inductance (Lo).

Определяется приращение длительности фронта спада электрического тока в катушке после генерации незаполненного импульса - Т1, и приращение длительности фронта спада электрического тока в катушке после генерации импульса с заполнением частотой при которой обнаруживается максимальный сигнал от объекта - Т2. Соотношение T1/T2 дает уникальное значение, характеризующее удельную проводимость металла или сплава металлического объекта, значение данного соотношения имеет зависимость также от формы металлического объекта.The increment in the duration of the decay front of the electric current in the coil after generating an unfilled pulse is determined - T1, and the increment in the duration of the decay front of the electric current in the coil after generating a pulse with filling with the frequency at which the maximum signal from the object is detected - T2. The T1/T2 ratio gives a unique value characterizing the conductivity of the metal or alloy of a metal object; the value of this ratio also depends on the shape of the metal object.

Для исключения влияния формы металлического объекта из полезного сигнала для более точного определения типа металла применяется последовательная генерация импульсов одинаковой длительности с заполнением импульсами высокой частоты и без заполнения, и генерация импульсов разной длительности (Фиг.6) при перемещении или нахождении датчика металлоискателя над металлическим объектом, позволяет одновременно определять функцию проводимости металлического объекта, функцию его индуктивности, функцию магнитной проницаемости.To exclude the influence of the shape of a metal object from the useful signal, for a more accurate determination of the type of metal, sequential generation of pulses of the same duration with filling with high-frequency pulses and without filling is used, and generation of pulses of different durations (Fig. 6) when the metal detector sensor is moved or located over a metal object, allows you to simultaneously determine the conductivity function of a metal object, its inductance function, and the magnetic permeability function.

Определяется приращение длительности фронта спада электрического тока в катушке после генерации незаполненного импульса - Т1, и приращение длительности фронта спада электрического тока в катушке после генерации импульса с заполнением частотой при которой обнаруживается максимальный сигнал от объекта - Т2, отношение уровня сигнала при импульсе малой длительности к уровню сигнала при импульсе большой длительности определяет характеристику магнитной проницаемости металлического объекта - Т3=T4/T1. The increment in the duration of the decay front of the electric current in the coil after generating an unfilled pulse is determined - T1, and the increment in the duration of the decay front of the electric current in the coil after generating a pulse with filling with the frequency at which the maximum signal from the object is detected - T2, the ratio of the signal level for a pulse of short duration to the level signal during a long pulse determines the characteristic of the magnetic permeability of a metal object - T3=T4/T1.

Соотношение (T1/T2)/Т3 дает уникальное значение, характеризующее удельную проводимость металла или сплава металлического объекта не зависимо от его формы и расположения в пространстве.The ratio (T1/T2)/T3 gives a unique value characterizing the conductivity of a metal or alloy of a metal object, regardless of its shape and location in space.

Измеренный сигнал от металлического объекта может отображаться как на дискретных дисплеях, в виде строк, столбцов, рядов индикаторов так и на графике, где значению точки N по оси абсцисс соответствует N-е значение сигнала магнитной проницаемости металлического объекта (Mo), а по оси ординат N-е значение сигнала индуктивности металлического объекта (Lo).The measured signal from a metal object can be displayed both on discrete displays, in the form of rows, columns, rows of indicators, and on a graph, where the value of point N on the abscissa axis corresponds to the Nth value of the magnetic permeability signal of the metal object (Mo), and on the ordinate axis Nth value of the metal object inductance signal (Lo).

Сигнал графически отображает интегральную характеристику свойств металлического объекта, находящегося в электромагнитном поле измерительной катушки индуктивности.The signal graphically displays the integral characteristic of the properties of a metal object located in the electromagnetic field of the measuring inductor.

В этом случае в интегрированной форме петель фигур Лиссажу на дисплее устройства отображаются индуктивные свойства и свойства электрической проводимости или электромагнитной восприимчивости обнаруженного металлического объекта (фиг.7).In this case, in an integrated form of Lissajous loops, the device displays the inductive properties and electrical conductivity or electromagnetic susceptibility properties of the detected metal object (FIG. 7).

Индекс типа металла отображает угол направления петли Лиссажу и вычисляется как частное значение сигнала магнитной проницаемости металлического объекта (Mo) и значение сигнала индуктивности металлического объекта (Lo) (Х = Mo/Lo). Для графического определения индекса типа металла между крайней максимальной точкой петли и нулевой точкой определяется вектор направленности фигуры Лиссажу. Между вектором направленности и осью сигнала определяется угол наклона фигуры Лиссажу. Знак угла наклона определяется из расположения фигуры в отрицательной или положительной зоне сигнала. Измеренное значение угла наклона является уникальной интегральной характеристикой типа обнаруженного металла или сплава.The metal type index represents the direction angle of the Lissajous loop and is calculated as the partial value of the magnetic permeability signal of the metal object (Mo) and the value of the inductance signal of the metal object (Lo) (X = Mo/Lo). To graphically determine the metal type index between the extreme maximum point of the loop and the zero point, the directional vector of the Lissajous figure is determined. The angle of inclination of the Lissajous figure is determined between the directional vector and the signal axis. The sign of the inclination angle is determined from the location of the figure in the negative or positive zone of the signal. The measured inclination angle is a unique integral characteristic of the type of metal or alloy detected.

По длине фигуры характеризуется площадь металлического объекта, направленная параллельно катушке. По форме фигуры анализируется неравномерность внутреннего состава объекта.The length of the figure characterizes the area of the metal object directed parallel to the coil. Based on the shape of the figure, the unevenness of the internal composition of the object is analyzed.

Способ бесконтактного селективного отображения металлических предметов позволяет анализировать переходный процесс, фронт спада импульса самоиндукции измерительной катушки. Информативная часть сигнала в изобретении содержится во фронте переходного процесса явления самоиндукции, который измеряется в приборе. В изобретении анализируется и определяется добавленная энергия переходного процесса самоиндукции, переизлученная металлическим объектом, влияющая на амплитуду, длительность, форму переходного процесса разряда индуктивности на сопротивление, преобразующее ток самоиндукции в напряжение, которое усиливается операционным усилителем, и измеряется АЦП.The method of non-contact selective imaging of metal objects makes it possible to analyze the transient process, the decay front of the self-induction pulse of the measuring coil. The informative part of the signal in the invention is contained in the front of the transient process of the self-induction phenomenon, which is measured in the device. The invention analyzes and determines the added energy of the transient process of self-induction, re-emitted by a metal object, affecting the amplitude, duration, shape of the transient process of the inductance discharge to the resistance, which converts the self-induction current into voltage, which is amplified by the operational amplifier, and is measured by the ADC.

Осуществление изобретенияCarrying out the invention

На основе способа импульсно-резонансно-вихретокового бесконтактного селективного обнаружения металлических объектов может быть реализован селективный металлоискатель, предназначенный для поиска металлических объектов в грунте, в стенах и в других не проводящих средах.Based on the method of pulsed resonance eddy current non-contact selective detection of metal objects, a selective metal detector can be implemented designed to search for metal objects in the ground, in walls and in other non-conductive environments.

Селективность по типу металла увеличит точность обнаружения искомого объекта, и повысит безопасность строительных, археологических и саперских работ. При работе с металлоискателем измерительная катушка индуктивности перемещается оператором параллельно грунту на высоте 3-5 см, осуществляя сканирование пространства под землей. Металлоискатель работает, осуществляя постоянную последовательную генерацию импульсов одинаковой длительности с заполнением импульсами высокой частоты и без заполнения, и генерация импульсов разной длительности формирование импульсов задается программно микроконтроллером.Selectivity by metal type will increase the accuracy of detecting the desired object, and increase the safety of construction, archaeological and sapper work. When working with a metal detector, the operator moves the measuring inductance coil parallel to the ground at a height of 3-5 cm, scanning the space underground. The metal detector operates by constantly sequentially generating pulses of the same duration with and without filling with high-frequency pulses, and generating pulses of different durations; the formation of pulses is set programmatically by the microcontroller.

Металлоискатель, реализованный по предложенному методу работы, предназначен для дистанционного бесконтактного измерения проводимости и индуктивных свойств материалов магнитоиндукционным методом.The metal detector, implemented according to the proposed method of operation, is designed for remote non-contact measurement of the conductivity and inductive properties of materials using the magnetic induction method.

Импульсно-резонансно-вихретоковый металлоискатель сам излучает переменное электромагнитное поле и измеряет ответный переизлученный металлическим объектом электромагнитный сигнал. По уровню переизлученного сигнала металлоискатель определяет местоположение металлических объектов в любых непроводящих средах (грунт, стены, полы, потолки домов, вода, морская вода, скальная порода, магматическая порода и т.д.).A pulse-resonance eddy current metal detector itself emits an alternating electromagnetic field and measures the response electromagnetic signal re-emitted by a metal object. Based on the level of the re-emitted signal, the metal detector determines the location of metal objects in any non-conducting media (soil, walls, floors, ceilings of houses, water, sea water, rock, igneous rock, etc.).

Разработанные импульсно-резонансно-вихретоковые металлоискатели реагируют на все типы металлов, так как в объеме металла под воздействием электромагнитного поля металлоискателя происходит преобразование переменного магнитного поля в электрический ток, и в зависимости от удельного сопротивления металла, индуктивности и магнитной проницаемости наведенный в нем электрический ток преобразуется во вторичное магнитное поле, которое также фиксируется датчиком металлоискателя. Разработанный импульсно-резонансно-вихретоковый металлоискатель осуществляет последовательную генерацию импульсов одинаковой длительности с заполнением импульсами высокой частоты и без заполнения, и генерацию импульсов разной длительности, формирование импульсов задается программно микроконтроллером.The developed pulse-resonance eddy current metal detectors respond to all types of metals, since in the volume of metal under the influence of the electromagnetic field of the metal detector, an alternating magnetic field is converted into electric current, and depending on the metal resistivity, inductance and magnetic permeability, the electric current induced in it is converted into a secondary magnetic field, which is also detected by the metal detector sensor. The developed pulse-resonance-eddy current metal detector carries out sequential generation of pulses of the same duration with filling with high-frequency pulses and without filling, and generation of pulses of different durations; the formation of pulses is set programmatically by a microcontroller.

Таким образом, импульсно-резонансно-вихретоковый металлоискатель обнаруживает металлические объекты из любых металлов и сплавов по их удельной проводимости, индуктивности и магнитной проницаемости характеризующимися переизлученным электромагнитным полем металлического объекта в зоне действия датчика. Также при анализе зафиксированного вторичного поля от металлического объекта возможно достаточно точное определение типа металла, и определение отдаления объекта от датчика металлоискателя.Thus, a pulse-resonance eddy current metal detector detects metal objects made of any metals and alloys by their conductivity, inductance and magnetic permeability, which are characterized by the re-emitted electromagnetic field of the metal object in the sensor’s coverage area. Also, when analyzing the recorded secondary field from a metal object, it is possible to fairly accurately determine the type of metal, and determine the distance of the object from the metal detector sensor.

Так как принцип работы импульсно-резонансно-вихретокового металлоискателя основан на излучении переменного магнитного поля для наведения в металлических объектах вторичного электромагнитного поля, то дальность действия этих приборов ограничена физикой распространения электромагнитных волн.Since the operating principle of a pulse-resonance eddy current metal detector is based on the radiation of an alternating magnetic field to induce a secondary electromagnetic field in metal objects, the range of these devices is limited by the physics of the propagation of electromagnetic waves.

Чем больше металлический объект, тем глубже он будет обнаружен, так как переизлучит более сильное вторичное поле, чем меньше металлический объект, тем меньше глубина его обнаружения, так как мало переизлучаемое поле.The larger the metal object, the deeper it will be detected, since it will re-emit a stronger secondary field; the smaller the metal object, the smaller the depth of its detection, since the re-emitted field will be weak.

Металлоискатели реализованные по предложенному способу работы имеют простое управление и не требуют постоянной настройки, реализуется быстрое обучение работе с прибором, простой контроль глубины обнаружения, дальности действия прибора, точное определение границ залегания металлического объекта и его центра.Metal detectors implemented according to the proposed method of operation have simple controls and do not require constant adjustment, quick training in working with the device, simple control of detection depth, operating range of the device, and precise determination of the boundaries of a metal object and its center are realized.

Импульсно-резонансно-вихретоковые металлоискатели регистрируют только уровень переотраженного электромагнитного поля от обнаруженного металлического объекта, не измеряя изменение индуктивности катушки. В результате импульсно-резонансно-вихретоковые металлоискатели реагируют на объекты обладающие проводимостью, и не реагируют на объекты, обладающие только индуктивными свойствами. Реакция таких металлоискателей на грунт, обладающий только индуктивными свойствами, исключается на физическом уровне.Pulse-resonance-eddy-current metal detectors record only the level of the re-reflected electromagnetic field from the detected metal object, without measuring the change in the inductance of the coil. As a result, pulse-resonance eddy current metal detectors react to objects that have conductivity, and do not respond to objects that have only inductive properties. The reaction of such metal detectors to soil that has only inductive properties is excluded at the physical level.

Далее в описании использованы следующие обозначения позиций на чертежах:Further in the description the following designations of positions in the drawings are used:

1. Дисплей1. Display

2. Клавиатура2. Keyboard

3. Генератор импульсов тока3. Current pulse generator

4. Приемо-передающая катушка индуктивности4. Transceiver inductor

5. Измерительный усилитель сигнала5. Signal amplifier

6. Беспроводное устройство приема передачи данных6. Wireless data receiving device

7. Измерительный, вычислительный микроконтроллер7. Measuring, computing microcontroller

8. Электронный коммутатор управления усилителя8. Electronic amplifier control switch

9. Аналого-цифровой преобразователь, измеритель длительности9. Analog-to-digital converter, duration meter

10. Виброиндикация10. Vibration indication

11. Звуковая индикация11. Sound indication

12. Разъем внешнего питания, заряда батарей, подключения наушников12. Connector for external power supply, battery charge, headphone connection

13. Зарядное устройство13. Charger

14. Батарейный отсек14. Battery compartment

15. Стабилизатор, преобразователь напряжения15. Stabilizer, voltage converter

Импульсно-резонансно-вихретоковый металлоискатель состоит из приемо-передающей катушки индуктивности 4, генератора импульсов питания катушки 3, измерительного дифференциального усилителя сигнала 5, электронных аналоговых ключей коммутатора управления усилительными и интегрирующими каскадами измерительного усилителя и управления генератором питания катушки 8, аналого-цифрового преобразователя измерителя длительности фронта спада тока в катушке 9, измерительно-вычислительного микроконтроллера 7, беспроводного устройства приема передачи данных 6, виброиндикатора 10, звукового индикатора 11, многофункционального разъема внешнего питания для заряда батареи, подключения наушников, зарядного устройства 13, батарейного отсека размещения элементов питания 14, стабилизатора преобразователя напряжения 15. Измерительно-вычислительный микроконтроллер 7 осуществляет управление генератором импульсов тока(3) питания приемо-передающей катушки (4). Микроконтроллер (7) может быть выбран любого типа и любой модификации имеющий достаточно ресурсов и внутренних компонентов для выполнения задач управления и измерения металлоискателя, иметь аналоговые входы приема сигнала, цифровые входы/выходы для работы интерфейса управления и передачи данных, тактовую частоту работы не ниже 8 МГц, сбросовый таймер, таймер 16 бит. Микроконтроллер (7) формирует сигнал управления, открывающий электронный ключ (3) подачи питания на катушку (4) в соответствии с последовательной генерацией импульсов одинаковой длительности с заполнением импульсами высокой частоты и без заполнения, и генерация импульсов разной длительности формирование импульсов задается программно микроконтроллером. Тем самым на катушку (4) подается питание в виде незаполненного импульса или пачки высокочастотных импульсов или импульсов одинаковой длительности. Электронный ключ (3) также может применяться любой, с параметрами, обеспечивающими управление питанием катушки без появления паразитных шумов. После завершения процесса генерации импульса питания катушки (4), контролер (7) отключает электронный ключ управления (3) от линии питания. Затем контроллер управления (7) с помощью электронного ключа коммутатора (8) управления усилителя (5) обнуляет электрический заряд и напряжения накопившиеся в каскадах усиления во время генерации импульса питания в катушку (4). Электронный ключ коммутатор (8) может быть применен любого типа с характеристиками, обеспечивающими быстрое защелкивание и малое сопротивление перехода. Ток самоиндукции, возникающий в катушке (4) после отключения линии питания преобразуется в напряжение на прецизионном резисторе блока измерительного усилителя сигнала (5). В блоке усилителя (5) происходит дифференциальное усиление сигнала и вычитание постоянной составляющей, а также аналоговая фильтрация высоких и низких частот сигнала. В качестве усилителя (5) могут применяться любые типы операционных дифференциальных усилителей, имеющих достаточный входной динамический диапазон, низкие собственные шумы и высокий коэффициент усиления. Подготовленный и усиленный полезный сигнал фронта спада тока в катушке поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (9) прибора, где он оцифровывается и передается для обработки данных в измерительный вычислительный микроконтроллер (7). АЦП (9) может применяться любого типа и принципа действия, с разрешением начиная от 10 бит. Микроконтроллер (7) определяет длительность фронта спада тока в катушке металлоискателя (4) с момента отключения датчика (4) от линии питания (момент прекращения генерации импульса) до момента достижения током в катушке (4) заданного минимального порогового значения (Uo). По длительности этого периода определяется уровень наведенного в катушке (4) металлоискателя дополнительного электрического тока переотраженным переменным магнитным полем металлического предмета.The pulse-resonance-eddy current metal detector consists of a transmitting-receiving inductor coil 4, a coil power pulse generator 3, a measuring differential signal amplifier 5, electronic analog switch switches for controlling the amplifying and integrating stages of the measuring amplifier and controlling the coil power generator 8, an analog-to-digital converter of the meter duration of the decay front of the current in the coil 9, measuring and computing microcontroller 7, wireless data transmission receiving device 6, vibration indicator 10, sound indicator 11, multifunctional external power connector for charging the battery, connecting headphones, charger 13, battery compartment for storing batteries 14, voltage converter stabilizer 15. Measuring and computing microcontroller 7 controls the current pulse generator (3) powering the transmitting and receiving coil (4). The microcontroller (7) can be selected of any type and any modification, having sufficient resources and internal components to perform the tasks of controlling and measuring the metal detector, having analog inputs for signal reception, digital inputs/outputs for operating the control interface and data transmission, and a clock frequency of at least 8 MHz, reset timer, 16 bit timer. The microcontroller (7) generates a control signal that opens the electronic switch (3) for supplying power to the coil (4) in accordance with the sequential generation of pulses of the same duration with and without filling with high-frequency pulses, and the generation of pulses of different durations; the formation of pulses is set programmatically by the microcontroller. Thus, power is supplied to the coil (4) in the form of an empty pulse or a packet of high-frequency pulses or pulses of the same duration. Any electronic switch (3) can also be used, with parameters that provide control of the coil power without the appearance of parasitic noise. After completing the process of generating a power pulse to the coil (4), the controller (7) disconnects the electronic control key (3) from the power line. Then the control controller (7), using the electronic key of the amplifier (5) control switch (8), resets the electrical charge and voltage accumulated in the amplification stages during the generation of a power pulse to the coil (4). The electronic key switch (8) can be used of any type with characteristics that ensure fast latching and low transition resistance. The self-induction current arising in the coil (4) after turning off the power line is converted into voltage on the precision resistor of the measuring signal amplifier unit (5). In the amplifier block (5), differential amplification of the signal and subtraction of the DC component occurs, as well as analog filtering of high and low frequencies of the signal. Any type of operational differential amplifiers that have a sufficient input dynamic range, low intrinsic noise and high gain can be used as an amplifier (5). The prepared and amplified useful signal of the current decay front in the coil is supplied to the input of the analog-to-digital converter (ADC) (9) of the device, where it is digitized and transmitted for data processing to the measuring computing microcontroller (7). The ADC (9) can be used of any type and principle of operation, with a resolution starting from 10 bits. The microcontroller (7) determines the duration of the decay front of the current in the metal detector coil (4) from the moment the sensor (4) is disconnected from the power line (the moment the pulse generation stops) until the current in the coil (4) reaches the specified minimum threshold value (Uo). The duration of this period determines the level of additional electric current induced in the coil (4) of the metal detector by the re-reflected alternating magnetic field of the metal object.

Контроллер (7) производит вычисление зависимости уровня сигнала объекта от типа импульса и его частоты. Производит вычисление и определение типа металла или сплава обнаруженного металлического предмета. Полученные результаты вычислений и измерений отображаются микроконтроллером (7) на дисплее (1), в качестве дисплея может применяться любой знакосинтезирующий или графический индикатор.The controller (7) calculates the dependence of the object signal level on the type of pulse and its frequency. Calculates and determines the type of metal or alloy of a detected metal object. The obtained results of calculations and measurements are displayed by the microcontroller (7) on the display (1); any sign-synthesizing or graphic indicator can be used as a display.

В случае превышения заданных пороговых значений сигнала металлического объекта контроллер (7) воспроизводит звуковую (11) и виброиндикацию (10), в качестве звукового индикатора(11) может устанавливаться динамик любого типа и любой конструкции, в качестве виброиндикатора (10) может устанавливаться вибромотор любого типа и любой конструкции.If the specified threshold values of the signal of a metal object are exceeded, the controller (7) reproduces sound (11) and vibration indication (10), a speaker of any type and any design can be installed as a sound indicator (11), a vibration motor of any type can be installed as a vibration indicator (10) type and any design.

Управление работой микроконтроллера (7) и задание параметров для осуществления вычислений осуществляется с клавиатуры (2), клавиатура может быть выполнена из любых коммутаторов электронных, электромеханических, любой формы и размеров в зависимости от области применения прибора.Control of the operation of the microcontroller (7) and setting of parameters for performing calculations is carried out from the keyboard (2); the keyboard can be made of any electronic, electromechanical switches, of any shape and size, depending on the application of the device.

Передача и прием данных микроконтроллером осуществляется также по беспроводному каналу связи (6), который может быть организован по любой беспроводной технологии, радиочастотной, акустической, электромагнитной, оптической. По беспроводному каналу связи контроллер передает данные измерений сигнала и принимает команды с удаленного устройства индикации и управления, в качестве которого может быть любой смартфон, планшетный компьютер, стационарный компьютер, ноутбук и т.п. любое устройство, имеющее дисплей и беспроводной канал связи, согласованный с каналом связи металлоискателя.The microcontroller also transmits and receives data via a wireless communication channel (6), which can be organized using any wireless technology, radio frequency, acoustic, electromagnetic, optical. Via a wireless communication channel, the controller transmits signal measurement data and receives commands from a remote display and control device, which can be any smartphone, tablet computer, desktop computer, laptop, etc. any device that has a display and a wireless communication channel coordinated with the metal detector’s communication channel.

Разъем (12) обеспечивает подключение к прибору наушников, внешнего источника питания, зарядного устройства. Разъем также может быть выполнен любой формы и любого размера с любым количеством контактных групп и любой степенью герметизации в зависимости от задач и условий эксплуатации прибора.Connector (12) provides connection to the device for headphones, an external power source, and a charger. The connector can also be made of any shape and any size with any number of contact groups and any degree of sealing, depending on the tasks and operating conditions of the device.

В приборе также может устанавливаться встроенное зарядное устройство (13) аккумуляторных элементов питания, установленных в батарейном отсеке (14), могут применяться любые аккумуляторные батареи питания, а также щелочные и солевые элементы питания любого напряжения, в зависимости от тактических эксплуатационных требований.The device can also have a built-in charger (13) for rechargeable batteries installed in the battery compartment (14); any rechargeable batteries, as well as alkaline and salt batteries of any voltage, can be used, depending on the tactical operational requirements.

Повышение или понижение и стабилизацию уровня напряжения батарейного питания осуществляет стабилизатор, преобразователь напряжения (15). Он может быть выполнен как линейный стабилизатор напряжения любого типа, так и как импульсный понижающий или повышающий стабилизатор напряжения любого типа в зависимости от требований стабильности питания и уровня энергопотребления.Increasing or decreasing and stabilizing the battery voltage level is carried out by a stabilizer, voltage converter (15). It can be designed as a linear voltage stabilizer of any type, or as a pulsed step-down or step-up voltage stabilizer of any type, depending on the requirements for power stability and energy consumption level.

Применение одной приемно-излучающей катушки удешевляет процесс производства, сокращает время изготовления прибора, повышает надежность и эффективность работы металлоискателя, за счет упрощения и сокращения числа компонентов. Так как сигнал излучается и принимается одной катушкой, настройка баланса не требуется и не теряется чувствительность по глубине к металлическим объектам в сильноминерализованном грунте. Анализ одной полярности сигнала не требует применения синхронного детектора, как для биполярных сигналов, реализуемых в аналогах, что удешевляет конструкцию, делает ее надежней и повышает чувствительность прибора за счет отсутствия в полезном сигнале шумов синхронного детектора.The use of one receiving-emitting coil reduces the cost of the production process, reduces the manufacturing time of the device, increases the reliability and efficiency of the metal detector by simplifying and reducing the number of components. Since the signal is emitted and received by a single coil, no balance adjustment is required and there is no loss of depth sensitivity to metal objects in highly mineralized soil. Analysis of one signal polarity does not require the use of a synchronous detector, as for bipolar signals implemented in analogues, which reduces the cost of the design, makes it more reliable and increases the sensitivity of the device due to the absence of synchronous detector noise in the useful signal.

Импульсно-резонансно-вихретоковые металлоискатели могут применяться:Pulse-resonance-eddy current metal detectors can be used:

- для поиска металлических объектов в грунте, в археологии, кладоискательстве, спасательных операциях, военных задачах по разминированию,- for searching for metal objects in the ground, in archaeology, treasure hunting, rescue operations, military mine clearance tasks,

- в пищевой промышленности для обнаружения металлических объектов, попавших из оборудования в пищевой продукт,- in the food industry to detect metal objects that have entered the food product from equipment,

- в строительстве для обнаружения медных или алюминиевых проводников с целью обхода при сверлении или для задач извлечения и восстановления целостности проводников,- in construction for the detection of copper or aluminum conductors for the purpose of bypassing when drilling or for tasks of extracting and restoring the integrity of conductors,

- в дорожном строительстве с целью обнаружения металлических объектов под дорожным покрытием с целью предупреждения поломки дорожной машины при попадании металла в рабочий инструмент,- in road construction for the purpose of detecting metal objects under the road surface in order to prevent damage to the road machine when metal gets into the working tool,

- в медицине для поиска пули или осколков в теле человека,- in medicine to search for bullets or fragments in the human body,

- в прачечной отрасли для контроля текстильных изделий на предмет оставшихся в них острых металлических предметов способных повредить механизм стиральной машины,- in the laundry industry to control textile products for sharp metal objects remaining in them that could damage the mechanism of the washing machine,

- в области досмотра граждан и багажа на предмет обнаружения запрещенных к проносу металлических предметов,- in the field of inspection of citizens and luggage for the detection of prohibited metal objects,

- в любой другой отрасли промышленности.- in any other industry.

Claims (2)

1. Способ бесконтактного селективного обнаружения металлических объектов с использованием импульсно-резонансно-вихретокового метода, включающий последовательную генерацию питающих катушку импульсов одинаковой длительности в интервале частот от 1 Гц до 1 кГц с заполнением импульсами заданной частоты в интервале значений от 1 кГц до 1 МГц с изменением частоты в каждой пачке импульсов и без заполнения, импульсов разной длительности без заполнения, прекращение подачи питания на катушку после завершения процесса генерации пачки импульсов с заполнением или импульсов без заполнения, измерение приращения длительности фронта спада электрического тока в катушке после генерации импульса без заполнения большой длительности Т1 и малой длительности Т4, приращения длительности фронта спада электрического тока в катушке после генерации импульса с заполнением частотой, при которой обнаруживается максимальный сигнал от объекта Т2, определение типа металла на основании соотношения (Т1/Т2/)Т3, где Т3=T4/T1.1. A method for non-contact selective detection of metal objects using a pulse-resonance-eddy current method, including sequential generation of pulses of equal duration feeding a coil in the frequency range from 1 Hz to 1 kHz with filling with pulses of a given frequency in the range from 1 kHz to 1 MHz with a change frequencies in each packet of pulses and without filling, pulses of different durations without filling, stopping the power supply to the coil after the completion of the generation process of a packet of pulses with filling or pulses without filling, measuring the increment in the duration of the decay front of the electric current in the coil after generating a pulse without filling of long duration T1 and short duration T4, increment in the duration of the decay front of the electric current in the coil after generating a pulse with filling frequency at which the maximum signal from the object T2 is detected, determination of the type of metal based on the ratio (T1/T2/)T3, where T3=T4/T1. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определенную интегральную характеристику свойств металлического объекта в виде соотношения Т1/Т2/Т3 отображают в графическом или дискретном виде на дисплее.2. The method according to claim 1, characterized in that a certain integral characteristic of the properties of a metal object in the form of the ratio T1/T2/T3 is displayed graphically or discretely on the display.
RU2023118994A 2023-07-18 Method for non-contact selective detection of metal objects using pulse-resonance-eddy current method (versions) RU2819826C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2819826C1 true RU2819826C1 (en) 2024-05-27

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5576624A (en) * 1989-01-12 1996-11-19 Bhc Consulting Pty Ltd. Pulse induction time domain metal detector
US6853194B2 (en) * 2000-03-22 2005-02-08 The Johns Hopkins University Electromagnetic target discriminator sensor system and method for detecting and identifying metal targets
JP2012021970A (en) * 2011-04-07 2012-02-02 Makome Kenkyusho:Kk Inductance variation detecting circuit, displacement detector and metal detection device
RU2559796C2 (en) * 2013-06-24 2015-08-10 Общество с ограниченной ответственностью "ДИАГНОСТИКА-М" Universal eddy current pulse metals detector
RU2760826C1 (en) * 2021-04-26 2021-11-30 Алексей Михайлович Фоминых Selective resonance eddy-current metal detector
CN113900148A (en) * 2021-09-15 2022-01-07 上海微波技术研究所(中国电子科技集团公司第五十研究所) Multi-frequency metal detector and metal target identification method
RU2772406C1 (en) * 2021-09-02 2022-05-19 Алексей Михайлович Фоминых Universal selective induction metal detector

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5576624A (en) * 1989-01-12 1996-11-19 Bhc Consulting Pty Ltd. Pulse induction time domain metal detector
US6853194B2 (en) * 2000-03-22 2005-02-08 The Johns Hopkins University Electromagnetic target discriminator sensor system and method for detecting and identifying metal targets
JP2012021970A (en) * 2011-04-07 2012-02-02 Makome Kenkyusho:Kk Inductance variation detecting circuit, displacement detector and metal detection device
RU2559796C2 (en) * 2013-06-24 2015-08-10 Общество с ограниченной ответственностью "ДИАГНОСТИКА-М" Universal eddy current pulse metals detector
RU2760826C1 (en) * 2021-04-26 2021-11-30 Алексей Михайлович Фоминых Selective resonance eddy-current metal detector
RU2772406C1 (en) * 2021-09-02 2022-05-19 Алексей Михайлович Фоминых Universal selective induction metal detector
CN113900148A (en) * 2021-09-15 2022-01-07 上海微波技术研究所(中国电子科技集团公司第五十研究所) Multi-frequency metal detector and metal target identification method
RU2788824C1 (en) * 2022-04-07 2023-01-24 Вячеслав Михайлович Фоминых Selective impulse eddy current metal detector

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6967574B1 (en) Multi-mode electromagnetic target discriminator sensor system and method of operation thereof
JP4996615B2 (en) Hydrocarbon reservoir mapping method and apparatus for implementing the method
JP2671143B2 (en) Soil compaction measuring device
CN205049754U (en) Compound non -linear node detector of metal
CA2358502C (en) A subsurface pipeline inspection probe
CN102736113B (en) Ultra-wideband weak magnetic sensor
EP2804020A2 (en) Electronic marker locator systems and methods
US7078906B2 (en) Simultaneous time-domain and frequency-domain metal detector
EP2115494A1 (en) Method and apparatus for analysing geological features
CN105021802A (en) Handheld type concrete structure detector and detection method thereof
RU2819826C1 (en) Method for non-contact selective detection of metal objects using pulse-resonance-eddy current method (versions)
CN105116455A (en) Detector for composite metals and non-linear nodes
Zhang et al. Design of depth-focused electromagnetic transmitting scheme based on MFSPWM method
Li et al. Magnetic excitation response optimization technique for detecting metal targets in middle-shallow strata
CN115586245B (en) Ferromagnetic material crack quantification method based on pulse rotation electromagnetic field
Qu et al. A portable frequency domain electromagnetic system for shallow metal targets detection
CN111025405A (en) Submarine substrate magnetic characteristic in-situ detection device
US9194978B2 (en) Electronic marker locator systems and methods
CN104793268A (en) Transient electromagnetic detection blind depth measurement method and device
RU95862U1 (en) SYSTEM FOR PROBING THE EARTH'S CRUST
RU51238U1 (en) MANUAL METAL DETECTOR
RU2105330C1 (en) Geophysical radar
US11899156B2 (en) Metal detector
RU2760826C1 (en) Selective resonance eddy-current metal detector
CN219795151U (en) Guiding device for horizontal directional drill