Металлодетекторы-металлоискатели ныне становятся незаменимым оборудованием при реконструкции старинных домов, именно с их помощью работники разыскивают проложенные трубы, электрокабеля и т.п.

Поиск металлических предметов под землёй, в воде, стенах здания и т.п. является не только методом заработка или хобби для некоторых людей. Археологи, дайверы, военные давно пользуются специальными приборами для поиска различных предметов в нейтральной среде.

Устройство металлодетекторов

Металлодетектор (МД) является специальным электроприбором, обнаруживающим металлические предметы за счёт их проводимости в любой среде (воде, земле, организме живого существа, стенах зданий). Обнаруживая металл, приборы подают особый звуковой либо светозвуковой сигнал, некоторые модели способны даже чётко определить найденную вещь.

Существует уйма металлодетекторов, все они различаются своим конструктивным исполнением, эти отличия обусловлены разным назначением приборов. Конструкция устройств для поиска металлов довольно сложная, но любой прибор состоит из нескольких основных частей, присутствующих в основном в каждой модели.

Типовая конструкция металлоискателя:

• Катушка . Этот элемент металлодетектора представляет короб, в котором расположен приемник сигналов и передатчик. Обычно катушка круглой либо эллиптической формы, а в её изготовлении используется пластик. К ней присоединяется кабель, который проходит к блоку управления. Соединение кабеля и катушки обязательно должно быть выполнено герметично. По этому кабелю передаются сигналы от приемника к блоку. А сам приемник получает сигнал от передатчика, как только тот обнаружит вблизи металл. Сама катушка закреплена в нижней штанге.
• Нижняя штанга . Эта металлическая часть устройства выполняется из металла, предназначена для фиксирования катушки и регулировки угла её наклона, благодаря чему происходит более точное исследование. В некоторых моделях штанга регулирует высоту металлоискателя и телескопическое соединение со средней штангой.
• Средняя штанга . Обычно этот элемент представляет промежуточную часть между нижней и верхней штангой. На этой штанге крепятся специальные приспособления для изменения высоты устройства. Некоторые приборы состоят только из двух штанг.
• Верхняя штанга . Форма этой штанги обычно S-образная. Эта форма признана, как более удобная для применения приборов МД. Верхняя штанга оборудована подлокотником, блоком управления и рукояткой.
• Подлокотник . Чаще всего этот элемент изготавливают из полимерного материала. Предназначен он для того, чтобы прибор было удобнее держать, делая на подлокотник упор локтем.
• Рукоятка . Этот элемент изготавливают из пористого материала и устанавливают на верхней штанге МД. Рукоятка обеспечивает надёжность держания и удобство эксплуатации.
• Блок управления . Благодаря блоку управления происходит обработка информации, полученной от катушки. После преобразования данных, пользователь получает в ясном виде сигналы от передатчика. Также с помощью блока происходит настройка режимов прибора. Кабель от поисковой катушки подключается к блоку управления путём быстросъёмного разъёма.

Блок управления бывает фиксированным и съёмным. Профессиональные модели оснащены батарейным отсеком, располагающимся от блока управления отдельно.

Много новых моделей металлодетекторов имеют очень компактные габариты и исполнение, а также высокую надёжность.

Принцип работы металлодетекторов

Все МД-МИ определяют присутствие металлических предметов и информируют об этом. Металл, где бы он ни находился, не способен сам по себе что-то излучать, тем самым выдавая своё присутствие. Но облучая предмет радиоволнами, его можно обнаружить, улавливая вторичный сигнал. На этом принципе работают все металлоискатели.

При включении МД, переменный электроток протекает в поисковой катушке и создаёт вокруг неё электромагнитное поле, которое способно проходить в окружающую среду. При сталкивании с металлом на поверхности поля появляются вихревые токи, которые образовывают своё электромагнитное поле, ослабляющее поле катушки. Электронная схема устройства улавливает ослабление поля и информирует об этом, благодаря катушке.

Вихревые токи появляются на поверхности разных металлов либо минералов, имеющих электропроводность. Более электропроводны цветные металлы, из-за этого создающиеся токи затухают дольше на них. Приборы ощущают, насколько затухают вихревые токи, благодаря чему определяют цветной или чёрный металл под катушкой.

Лучше улавливать слабые вторичные сигналы и точнее их обрабатывать, способны электронные схемы, отличающиеся сложностью. Приборы с такими схемами стоят дороже, потому что их изготовление довольно трудоёмкое. Но такие металлодетекторы находят металлические объекты на большой глубине. Препятствием для обнаружения металла в грунте, может быть наличие электропроводных минералов в почве (соли калия, натрия, магнетит и пр.). Они способны маскировать металл, снижая глубину его поиска. Снизить влияние подобных минералов помогают различные фильтры и разные другие приспособления, которым наделяют производители некоторые модели МД. К примеру, некоторые устройства оснащены автоматической отстройкой от почвы, в других эту отстройку можно выполнять вручную.

Разновидности металлодетекторов по принципу работы

Все металлодетекторы-металлоискатели можно классифицировать по принципу работы, а также по назначению (выполняемым задачам).

МД по специфике действия:

• МД типа «прием-передача» . Приборов этого типа довольно много можно встретить на рынке. Простая специфика действия устройств, базируется на приеме и передаче электромагнитного излучения. Главными элементами прибора служат две катушки. Приёмная катушка индуктивности принимает сигналы, её также принято называть поисковой. Передающая – излучает электромагнитные волны, попадающие в поисковую катушку. Волны легко проходят через нейтральную среду, и отражаются от металла, когда на их пути стоит металлический объект. Из-за этого МД получает отражённую волну, после чего срабатывает сигнал, информирующий о находке.

Достоинствами этих приборов являются следующие моменты:

Простая конструкция;
широкие возможности для поиска и определения металла.

Недостатки:

Чувствительность к минерализации почвы;
сложность производства датчика.
Соли и прочие минералы, находящиеся в грунте, представляют большие преграды в нахождении и определении металла, поэтому устройства этого типа следует предварительно настраивать, указывая тип почвы, в которой будет происходить поиск.

• Индукционные металлодетекторы . Этот тип металлоискателей спецификой поиска объектов практически не отличается от МД вида «прием-передача», поэтому индукционные приборы приписывают к разновидностям первых. Они отличаются от них конструкцией, так как имеют только одну катушку, способную посылать и принимать сигналы. Приборы имеют простой конструкции датчик, но слабый отражённый сигнал в сравнении с мощным излучаемым.
  На индукционные металлоискатели также очень влияет минерализация грунта.
• Импульсные металлодетекторы . Основой приборов является катушка, формирующая в месте размещения металла вихревые токи, которые ловит устройство. Возникающий сигнал передаётся в катушку датчика в виде импульсов. Длительность сигнала может быть разной, как и его форма. Эти отличия обусловлены разными размерами и проводящими свойствами предмета, с которым столкнулся прибор.

Эти устройства для поиска металлических предметов имеют следующие плюсы:

Простота конструкции датчика;
нечувствительность к минерализации почвы.
Но импульсные металлодетекторы имеют и своеобразные минусы, они много потребляют энергии и низкие возможности дискриминации, что влияет негативно на работу с одним типом металла.
Генераторные металлоискатели:
МД измерители частоты;
МД определяющие изменение добротности колебательного контура.
Основой этих устройств является LC-генератор. Приборами этого типа ищут чаще металл только определённого вида.

В одних генераторных приборах меняется частота, если вблизи находиться металлический объект. Эти устройства называют измерителями частоты, и их работа может основываться на разных методах:

• Подачи сигнала на систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с LC-генератор и измерении напряжения в цепи обратной связи.
• Фиксировании частоты биений и совмещении генераторной частоты с эталонной.
  Измерители частоты отличаются простой схемотехникой и конструкцией датчика, но у них низкая чувствительность и возможности дискриминации найденных предметов.
  Другой тип генераторных приборов основан на изменении добротности контура, сталкиваясь с металлом на пути. Колебательный контур является частью LC-генератор, когда катушка приближается к зоне размещения металлических предметов, добротность и амплитуда колебаний снижается.

Приборы, находящие металл таким способом, имеют небольшую потребляемую мощность и простую конструкцию, эти особенности можно отнести к их достоинствам. Но такие МД довольно неустойчивые к варьированию температур.

Профессиональные приборы имеют несколько способов одновременно для поиска и определения типа металлов.

Металлодетекторы-металлоискатели виды и применение

Рынок постоянно пополняется новыми моделями МД, которые имеют улучшенные показатели качества, точности и практичности эксплуатации. Устройства, обнаруживающие металл в разных средах, применяются во многих отраслях, их используют любители кладоискательства, археологи в экспедициях и даже строители. Во всевозможных сферах применяют разного рода металлодетекторы-металлоискатели, поэтому их и разделяют по предназначению.

Виды МД по предназначению:

• Грунтовые. Металлоискатель, с помощью которого ищут металлолом, ювелирные изделия, монеты и прочий клад.
• Глубинные. С использованием этой категории приборов разыскиваются на большой глубине крупные объекты.
• Подводные. Предназначены для дайверов, этими устройствами ищут артефакты, клады на больших глубинах в воде.
• Золотоискательские. Этими устройствами ищут золото в разных средах.
• Досмотровые металлодетекторы (охранные). Этими МД пользуются службы безопасности для обнаружения металлических предметов на теле человека.

• К охранным МД относятся рамочные детекторы, которые устанавливаются в виде арки в аэропортах, метро и прочих местах с большим потоком людей.

• Промышленные. Этими детекторами оборудованы конвейеры и другое оборудование на производствах с целью выявления металла в других материалах.
• Военные. В основном эта группа МД применяется для поиска мин, поэтому их называют миноискателями.
• Магнитометр. Этот вид детекторов используют для поиска железа и прочих ферромагнитных металлов.

В основном нынешние металлодетекторы и металлоискатели считаются высокоточными приборами. Они имеют эргономичный дизайн, простые в эксплуатации и весят совсем немного.

Поисковое дело — увлекательное занятие, позволяющее не только отвести душу, но и немного подзаработать. Здесь никак не обойтись без поискового оборудования, особенно без металлоискателя. Ведь этот прибор как раз и позволяет найти самые непредсказуемые вещи из металла. Разберемся, что представляет собой металлодетектор и как он работает.

Так выглядит металлоискатель

Что такое металлоискатель

Металлоискателем называется прибор, дающий возможность находить предметы из различных металлов в разных средах. Например, такого рода средами могут быть почва, стены построек, толща воды, тело живого существа и многое другое. Имеются несколько различных типов детекторов, которые ориентированы на поиск целей из определенной разновидности металлов. Для умения правильно им пользоваться необходимо ознакомиться с его устройством и знать принцип работы металлоискателя.

Комплектующие и их назначение

Классический металлоискатель состоит из катушки, штанги, блока управления.

Катушка

Эта комплектующая состоит из заключенных в корпус двух видов антенн – принимающей и передающей. Чаще всего имеет вид пластиковой конструкции в форме круга или эллипса. Она соединяется с блоком управления при помощи кабеля. На конце кабеля имеется специальный разъем для возможности присоединения к блоку управления. Крепление ее на штанге выполнено через проушины при помощи винтов. Особое внимание уделяют герметичности как самой катушки, так и ее соединений с кабелем. Делается это во избежание попадания воды, грязи.

Подключение к блоку управления не герметично, поэтому требуется осторожность при работе.

Нижняя штанга

Чаще всего имеет вид пустотелой трубки, сделанной из металла, либо пластика. Она служит для крепления катушки для поиска, дает возможность регулировать угол наклона над поверхностью земли для более тщательного поиска. Также на ней есть специальное устройство для изменения высоты прибора и крепление для соединения с еще одной штангой.

Конструкция металлоискателя

Средняя штанга

Используется для соединения с нижней штангой, на которой находится катушка, и с верхней с управляющим блоком. Некоторые виды металлоискателей предусматривают наличие двух штанг. На этом типе штанги также имеется возможность изменения высоты устройства.

Верхняя штанга

Зачастую выполняется в форме S для удобства использования прибора, но есть модели с полностью прямой штангой. На ней закреплены приборы управления, подлокотник с рукояткой.

Подлокотник

Используется для упора локтя оператора. Сделан из пластика и комплектуется липкой лентой для лучшей фиксации при длительной работе.

Разобранный металлодетектор

Управляющий блок

Обеспечивает выполнение всех функций устройства, обработку получаемых сигналов. К нему при помощи резьбового соединения подключается поисковая катушка. В профессиональных моделях в нем расположен отсек для батарей.

Рукоятка

Выполнена из материала с пористой структурой, уменьшающей скольжение рук и увеличивающей удобство захвата и удержания.

Принцип действия любого металлоискателя заключается в следующем.

1. Используемый в нем переменный ток создает вокруг катушки непостоянное магнитное поле, которое подвержено изменениям.
2. Данное поле производит собственный изменяемый магнитный поток в найденном на доступном расстоянии металлическом предмете.
3. В результате найденный объект приобретает свое магнитное поле, которое регистрируется катушкой приема и усиливается электронными устройствами.
4. По типу сигнала прибор определяет вид найденного объекта и сообщает оператору путем подачи звукового сигнала, либо при помощи вибрации или цифровых значений на дисплее.

Какие бывают металлоискатели

Классифицировать металлодетекторы можно следующим образом:

• Простейшие модели, осуществляющие поиск при помощи приема и передачи.
• Использующие импульс.
• Использующие принцип индукции.
• Генераторные металлодетекторы.

Прием-передача

Наиболее популярная и доступная категория относится к первому типу. Принцип действия такого металлоискателя очень прост: поиск производится посредством приема и передачи электромагнитного излучения. Основным компонентом является пара катушек для передачи и приема волн. Выпущенная направленная электромагнитная волна попадает в необходимую нейтральную среду. При появлении на ее пути препятствия из металла, она отражается от него, возвращается к металлодетектору, где регистрируется принимающей катушкой. При этом в наушниках у оператора раздается сигнал.

Как работает металлоискатель индуктивного типа?

Его принцип работы аналогичный предыдущему варианту. Разница в том, что в его конструкции имеется только одна катушка с возможностью работы в двух режимах – прием и передача.

При поиске металлических предметов с помощью такого прибора, необходимо учитывать несколько его особенностей. Он чрезвычайно чувствителен к наличию в обыскиваемой среде, особенно на почве с высокой минерализацией.

При этом создается ряд помех, которые вызывают реакцию на себя детектора. Для того, чтобы этого избежать, перед началом работы проводят настройку прибора с указанием типа грунта на определенной местности.

Импульсный

Данный тип металлоискателей отличается от предыдущих практически полной нечувствительностью к минеральным солям в составе грунта. В их основе также лежит электромагнитная катушка. Ее применение основывается на создании электромагнитного поля, вихревых токов на металлическом предмете. Именно они регистрируются прибором. Такой способ работы имеет существенные недостатки при поиске одного вида металла.

Что можно найти при помощи металлоискателя

Металлодетектор — прибор, способный найти абсолютно любые изделия из цветных и черных металлов. Поисковики встречают такие находки, как монеты Царских времен или СССР (многие из них из серебра), ювелирные украшения из серебра и золота, военные артефакты, различный металлолом, посуда, личные вещи и многое другое. Такие находки станут для вас ценным напоминанием об удачном копе или возможностью немного пополнить свой бюджет.

Что будет, если человек с кардиостимулятором пройдет через металлодетектор, и правда ли, что при проверке в аэропорту нас облучают? О том, как работают рамки, читайте в материале портала Москва 24.

Немного истории

Первый металлоискатель был изобретен в США в XX веке. Изначально прибор разрабатывался для предотвращения воровства металлических деталей с заводов.

Шотландский физик, изобретатель одного из первых телефонов Александр Грэхэм Белл использовал металлоискатель, чтобы обнаружить пули в груди американского президента Джеймса Гарфилда в 1881 году. Однако эта попытка оказалась провальной, поскольку тело президента находилось на металлической кровати, и это вводило металлоискатель в заблуждение.

Использовать детекторы в сфере безопасности стали благодаря компании Garrett Metal Detectors, которая в преддверии Олимпийских игр 1984 года впервые представила досмотровые рамочные и ручные металлодетекторы.

Как работают металлодетекторы

Фото: портал Москва 24/Александр Авилов

Металлодетекторы созданы для определения и классификации присутствующего металла в карманах человека или в багаже. Среди детекторов выделяют: грунтовые, военные, подводные, глубинные, досмотровые (арочные или рамочные) и магнитометр.

Металлодетекторы очень чувствительны и могут реагировать не только на металл

Станислав Виноградов

По словам преподавателя кафедры общей физики МФТИ Станислава Виноградова , металлодетектор чувствует изменения переменного электромагнитного поля, которые вносит металл внутри рамки.

"В зависимости от конструкции он (металлодетектор. – портал Москва 24) “откликается” либо на изменение частоты, на которую настроен, либо на появление отраженного от металла электромагнитного сигнала, либо на изменение амплитуды колебаний тока в рамке", – пояснил эксперт.

В целом устройство очень чувствительное: оно может реагировать не только на металл, но даже просто на человеческое тело, которое является проводником тока, добавил Виноградов.

Как отметил физик, чувствительность настраивается на определенное количество металла. Некоторые металлодетекторы могут реагировать и на тип металла, но это разработки последних лет, которые повсеместно еще не используют.

Вредны ли детекторы в аэропортах

Фото: портал Москва 24/Лидия Широнина

Наверняка многие замечали, что перед рамками, например, в метро есть объявление о том, что люди с кардиостимуляторами могут не проходить через детекторы. Преподаватель физики МФТИ объяснил в беседе с порталом Москва 24, что в кардиостимуляторах есть металлические детали, поэтому на них металлоискатель реагирует так же, как на часы и мелочь в кармане. Однако при прохождении рамки могут сбиться настройки на медицинском аппарате.

Вообще ЭКС (кардиостимулятор) чувствителен ко всем электромагнитным и магнитным полям. Отмечались случаи, когда человек реагировал даже на магниты на холодильнике или на те, что используются для закрытия обложек планшетов.

При воздействии магнитного поля на аппарат человек ощущает покалывание в пальцах при прикосновении к магнитам.

Облучают только багаж

Станислав Виноградов

Преподаватель кафедры общей физики МФТИ

Что же касается облучения в аэропортах, то Станислав Виноградов уверен, что никакого вреда для человека при этом не происходит.

"Облучающие детекторы в основном используются для проверки багажа. Но их работа в отличие от металлоискателей построена уже на другом принципе: происходит просвечивание рентгеном, подобно тому, что проводят обычно в рентгеновском кабинете. Такие устройства “видят” колебания плотности под одеждой: если предмет плотный, то он плохо пропускает рентгеновские лучи и будет виден темным на экране", – пояснил эксперт.

1.1. Принципы работы

Металлоискатель по принципу "передача-прием"

Термины "передача-прием" и "отраженный сигнал" в различных поисковых приборах обычно ассоциируются с методами типа импульсной эхо- и радиолокации, что является источником заблуждений, когда речь заходит о ме-таллоискателях. В отличие от различного рода локаторов, в металлоискателях рассматриваемого типа как передаваемый (излучаемый), так и принимаемый (отраженный) сигналы являются непрерывными, они существуют одновременно и совпадают по частоте.

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

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

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

Рис. 1. Варианты взаимного расположения катушек датчика металлоискателя по принципу "передача-прием"

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

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

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

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

Приемная катушка расположена внутри излучающей. Наводимая в приемной катушке э.д.с. компенсируется специальным трансформаторным устройством, отбирающим часть сигнала излучающей катушки.

Металлоискатель на биениях

Название "металлоискатель на биениях" является отголоском терминологии, принятой в радиотехнике еще со времен первых супергетеродинных приемников. Биениями называется явление, наиболее заметно проявляющееся при сложении двух периодических сигналов с близкими частотами и приблизительно одинаковыми амплитудами и заключающееся в пульсации амплитуды суммарного сигнала. Частота пульсации равна разности частот двух складываемых сигналов. Пропустив такой пульсирующий сигнал через выпрямитель (детектор), можно выделить сигнал разностной частоты. Такая схемотехника долгое время была традиционной, однако в настоящее время она уже не используется ни в радиотехнике, ни в металлоискателях. И там, и там - на смену амплитудным детекторам пришли синхронные детекторы, но термин "на биениях" остался до сих пор.

Принцип действия металлоискателя на биениях очень прост и заключается в регистрации разности частот от двух генераторов, один из которых является стабильным по частоте, а другой содержит датчик - катушку индуктивности в своей частотозадающей цепи. Прибор настраивается таким образом, чтобы в отсутствие металла вблизи датчика частоты двух генераторов совпадали или были очень близки по значению. Наличие металла вблизи датчика приводит к изменению его параметров и, как следствие, к изменению частоты соответствующего генератора. Это изменение, как правило, очень мало, однако изменение разности частот двух генераторов уже существенно и может быть легко зарегистрировано.

Разность частот может регистрироваться самыми различными путями, начиная от простейшего, когда сигнал разностной частоты прослушивается на головные телефоны или через громкоговоритель, и кончая цифровыми способами измерения частоты. Чувствительность металлоискателя на биениях зависит, кроме всего прочего, от параметров преобразования изменения полного сопротивления датчика в частоту.

Обычно преобразование заключается в получении разностной частоты стабильного генератора и генератора с катушкой датчика в частотозадающей цепи. Поэтому, чем выше будут частоты этих генераторов, тем больше будет разность частот в отклик на появление металлической мишени вблизи датчика Регистрация небольших отклонений частоты представляет определенную сложность. Так, на слух можно уверенно зарегистрировать уход частоты тонального сигнала не менее 10 Гц. Визуально, по миганию светодио-да, можно зарегистрировать уход частоты не менее 1 Гц. Другими способами можно добиться регистрации и меньшей разности частот, однако, эта регистрация потребует значительного времени, что неприемлемо для металлоис-кателей, которые всегда работают в реальном масштабе времени.

Селективность по металлам на таких частотах, весьма далеких от оптимальной, проявляется очень слабо. Кроме того, по сдвигу частоты генератора определить фазу отраженного сигнала практически невозможно. Поэтому селективность у металлоискателя на биениях отсутствует.

Металлоискатель по принципу электронного частотомера

Положительной для практики стороной является простота конструкции датчика и электронной части металлоис-кателей на биениях и по принципу частотомера. Такой прибор может быть очень компактным. Им удобно пользоваться, когда что-либо уже обнаружено более чувствительным прибором. Если обнаруженный предмет небольшой и находится достаточно глубоко в земле, то он может "затеряться", переместиться в ходе раскопок. Чтобы по многу раз не "просматривать" громоздким чувствительным металлоискателем место раскопок, желательно на завершающей стадии контролировать их ход компактным прибором малого радиуса действия, которым можно более точно узнать местонахождение предмета.

Однокатушечный металлоискатель индукционного типа

Слово "индукционный" в названии металлоискателей данного типа полностью раскрывает принцип их работы, если вспомнить смысл слова "inductio" (лат.) - наведение. Прибор данного типа имеет в составе датчика одну катушку любой удобной формы, возбуждаемую переменным сигналом. Появление вблизи датчика металлического предмета вызывает появление отраженного (переизлученного сигнала), который "наводит" в катушке дополнительный сигнал -электрический. Остается этот дополнительный сигнал только выделить.

Металлоискатель индукционного типа получил право на жизнь, главным образом, из-за основного недостатка приборов по принципу "передача-прием" - сложности конструкции датчиков. Эта сложность приводит либо к высокой стоимости и трудоемкости изготовления датчика, либо к его недостаточной механической жесткости, что обусловливает появление ложных сигналов при движении и снижает чувствительность прибора.

Рис. 3. Структурная схема входного узла индукционного металлоискателя

Если задаться целью исключить у приборов по принципу "передача-прием" этот недостаток путем устранения самой его причины, то можно прийти к необычному выводу - излучающая и приемная катушки у металлоискателя должны быть объединены в одну! В самом деле, весьма нежелательные перемещения и изгибы одной катушки относительно другой в данном случае отсутствуют, так как катушка только одна и она одновременно и излучающая, и приемная. Налицо также предельная простота датчика. Платой за эти преимущества является необходимость выделения полезного отраженного сигнала на фоне значительно большего сигнала возбуждения излучающей/приемной катушки.

Выделить отраженный сигнал можно, если вычесть из электрического сигнала, присутствующего в катушке датчика, сигнал той же формы, частоты, фазы и амплитуды, что и сигнал в катушке при отсутствии металла вблизи. *Как это можно реализовать одним из способов, показано на рис. 3.

Генератор вырабатывает переменное напряжение синусоидальной формы с постоянной амплитудой и частотой. Преобразователь "напряжение-ток" (ПНТ) преобразует напряжение генератора Ur в ток Iг, который задается в колебательный контур датчика. Колебательный контур состоит из конденсатора С и катушки L датчика. Его резонансная частота равна частоте генератора. Коэффициент преобразования ПНТ выбирается таким, чтобы напряжение колебательного контура ид равнялось напряжению генератора Ur (в отсутствие металла вблизи датчика). Таким образом, на сумматоре происходит вычитание двух сигналов одинаковой амплитуды, а выходной сигнал - результат вычитания -равен нулю. При появлении металла вблизи датчика возникает отраженный сигнал (иными словами, меняются параметры катушки датчика), и это приводит к изменению напряжения колебательного контура 11д. На выходе появляется сигнал, отличный от нуля.

На рис. 3 приведен лишь простейший вариант одной из схем входной части металлоискателей рассматриваемого типа. Вместо ПНТ в данной схеме в принципе возможно использование токозадающего резистора. Могут быть использованы различные мостовые схемы для включения катушки датчика, сумматоры с различными коэффициентами передачи по инвертирующему и неинвертирующему входам, частичное включение колебательного контура и т.д.

В схеме на рис. 3 в качестве датчика используется колебательный контур. Это сделано для простоты, чтобы получить нулевой сдвиг фаз между сигналами Ur и 11д (контур настроен на резонанс). Можно отказаться от колебательного контура с необходимостью точной настройки его на резонанс и использовать в качестве нагрузки ПНТ только катушку датчика. Однако коэффициент передачи ПНТ для этого случая должен быть комплексным, чтобы скорректировать сдвиг фазы на 90°, возникающий из-за индуктивного характера нагрузки ПНТ.

Импульсный металлоискатель

В рассмотренных ранее типах электронных металлоискателей отраженный сигнал отделяется от излучаемого либо геометрически - за счет взаимного расположения приемной и излучающей катушки, либо с помощью специальных схем компенсации. Очевидно, что может существовать и временной способ разделения излучаемого и отраженного сигналов. Такой способ широко используется, например, в импульсной эхо- и радиолокации. При локации механизм задержки отраженного сигнала обусловлен значительным временем распространения сигнала до объекта и обратно.

Применительно к металлоискателям, таким механизмом может быть и явление самоиндукции в проводящем объекте. Как использовать это на практике? После воздействия импульса магнитной индукции в проводящем объекте возникает и некоторое время поддерживается (вследствие явления самоиндукции) затухающий импульс тока, обусловливающий задержанный по времени отраженный сигнал. Он и несет полезную информацию, его и надо регистрировать.

Таким образом, может быть предложена другая схема построения металлоискателя, принципиально отличающаяся от рассмотренных ранее по способу разделения сигналов. Такой металлоискатель получил название импульсного. Он состоит из генератора импульсов тока, приемной и излучающей катушек, которые могут быть совмещены в одну, устройства коммутации и блока обработки сигнала.

Генератор импульсов тока формирует короткие импульсы тока миллисекундного диапазона, поступающие в излучающую катушку, где они преобразуются в импульсы магнитной индукции. Так как излучающая катушка - нагрузка генератора импульсов - имеет ярко выраженный индуктивный характер, на фронтах импульсов у генератора возникают перегрузки в виде всплесков напряжения. Такие всплески могут достигать по амплитуде десятков-сотен (!) вольт, однако использование защитных ограничителей недопустимо, так как оно привело бы к затягиванию фронта импульса тока и магнитной индукции и, в конечном счете, к усложнению отделения отраженного сигнала.

Приемная и излучающая катушки могут располагаться друг относительно друга достаточно произвольно, так как прямое проникновение излучаемого сигнала в приемную катушку и действие на нее отраженного сигнала разнесены по времени. В принципе, одна катушка может выполнять роль как приемной, так и излучающей, однако в этом случае гораздо сложнее будет развязать высоковольтные выходные цепи генератора импульсов тока и чувствительные входные цепи.

Устройство коммутации призвано произвести упомянутое выше разделение излучаемого и отраженного сигналов. Оно блокирует входные цепи прибора на определенное время, которое определяется временем действия импульса тока в излучающей катушке, временем разрядки катушки и временем, в течение которого возможно появление коротких откликов прибора от массивных слабопрово-дящих объектов типа грунта. По истечении же этого времени устройство коммутации должно обеспечить передачу сигнала с приемной катушки на блок обработки сигнала.

Блок обработки сигнала предназначен для преобразования входного электрического сигнала в удобную для восприятия человеком форму. Он может быть сконструирован на основе решений, используемых в металлоискателях других типов. К недостаткам импульсных металлоискателей следует отнести сложность реализации на практике дискриминации объектов по типу металла, сложность аппаратуры генерации и коммутации импульсов тока и напряжения большой амплитуды, высокий уровень радиопомех.

Магнитометры

Магнитометрами называется обширная группа приборов, предназначенных для изменения параметров магнитного поля (например, модуля или составляющих вектора магнитной индукции). Использование магнитометров в качестве металлоискателей основано на явлении локального искажения естественного магнитного поля Земли ферромагнитными материалами, например железом. Обнаружив с помощью магнитометра отклонение от обычного для данной местности модуля или направления вектора магнитной индукции поля Земли, можно с уверенностью говорить о наличии некоторой магнитной неоднородности (аномалии), которая может быть вызвана железным предметом.

По сравнению с рассмотренными ранее металлоискателями, магнитометры имеют гораздо большую дальность обнаружения железных предметов. Очень впечатляет информация о том, что с помощью магнитометра можно зарегистрировать мелкие обувные гвозди от ботинка на расстоянии 1 м, а легковой автомобиль - на расстоянии 10 м! Такая большая дальность обнаружения объясняется следующим. Аналогом излучаемого поля обычных металлоискателей для магнитометров является однородное (в масштабах поиска) магнитное поле Земли. Поэтому отклик прибора на железный предмет обратно пропорционален не шестой, а всего лишь третьей степени расстояния.

Принципиальным недостатком магнитометров является невозможность обнаружения с их помощью предметов из цветных металлов. Кроме того, даже если нас интересует только железо, применение магнитометров для поиска затруднительно - в природе существует большое разнообразие естественных магнитных аномалий самого различного масштаба (отдельные минералы, залежи минералов и т.п.). Однако при поиске затонувших танков и кораблей такие приборы вне конкуренции!

Радиолокаторы

Общеизвестен факт, что с помощью современных радиолокаторов можно обнаружить самолет на расстоянии нескольких сотен километров. Возникает вопрос: неужели современная электроника не позволяет создать компактное устройство, позволяющее обнаруживать интересующее нас предметы хотя бы на расстоянии нескольких метров9 Ответом является ряд публикаций, в которых такие устройства описаны.

Типичным для них является применение достижений современной микроэлектроники СВЧ, компьютерной обработки полученного сигнала. Использование современных высоких технологий практически делает невозможным самостоятельное изготовление этих устройств. Кроме того, большие габаритные размеры пока не позволяют их широко применять в полевых условиях.

К преимуществам радиолокаторов следует отнести принципиально более высокую дальность обнаружения -отраженный сигнал в грубом приближении можно считать подчиняющимся законам геометрической оптики и его ослабление пропорционально не шестой и даже не третьей, а лишь второй степени расстояния.

В основе работы миноискателя ИМП лежит принцип индуктивного (или индукционного) баланса. Основа индукционного баланса - несколько катушек индуктивности, одна передающая и одна или две приёмные, образующие индуктивный датчик. Все катушки размещены в пространстве таким образом, что бы сигнал с передающей катушки при отсутствии поблизости металлических предметов не наводился на приёмные (или наводился, но сигнал, наведённый в одной катушке, вычитался бы из сигнала другой катушки), то есть вся система была бы сбалансирована и сигнал на выходе был бы равен нулю. Если теперь поблизости от датчика появится металлический объект, то баланс нарушится и на выходе появится сигнал рассогласования, который можно будет усилить. Более подробно принцип индукционного баланса описан в статье История металлоискателей .

В миноискателе ИМП применён цилиндрический датчик, содержащий три катушки - передающую TX, расположенную в центре датчика, и две приёмные RX (рис. 1.). Все катушки расположены в одной плоскости, обе приёмные катушки размещены симметрично относительно передающей. В тот момент, когда ток в передающей катушке направлен по часовой стрелке, то токи в приёмных катушках будут направлены в противоположную сторону. Это происходит из-за того, что наводки тока между ближайшими частями витков двух рядом находящихся катушек будут сильнее, чем между более удалёнными частями витков катушек.

Рис. 1. Схема расположения катушек в датчике миноискателя ИМП

Для того, что бы получить нулевой сигнал, сигналы с приёмных катушек следует подать на сумматор, как показано на рисунке 2. Здесь обе приёмные катушки включены противофазно - начало одной катушки и конец другой соединены с общим проводом, так что на суммирующий резистор подаются противофазные сигналы, которые взаимно компенсируются. При малейшем нарушении баланса системы на сумматоре появляется сигнал рассогласования, этот сигнал усиливается резонансным усилителем и подаётся на головные телефоны.

Рис. 2. Упрощённая схема металлодетектора, поясняющая принцип индукционного баланса.

В реальной схеме миноискателя ИМП (рис. 3.) используется несколько иной принцип компенсации остаточного сигнала. Здесь вместо суммирующего резистора применён трансформатор, и небольшая часть сигнала с задающего генератора подмешивается в остаточный сигнал. Величину и фазу сигнала, поступающего с задающего генератора можно регулировать переменными резисторами таким образом, что бы этот сигнал был равен по амплитуде и противоположен по фазе остаточному сигналу, так что на выходе системы установится нулевой сигнал.

Рис. 3. Упрощённая схема миноискателя ИМП

Такой способ позволяет компенсировать не только дисбаланс катушек, но и наводки задающего генератора на входные цепи усилителя.

Электронная схема миноискателя ИМП

Рабочая частота миноискателя ИМП - 1,5 кГц. Потребляемый ток - не более 28 мА. Напряжение питания - от 5,0 до 6,2 В (4 элемента 373). Время непрерывной работы от одного комплекта свежих элементов питания - 100 часов.

На рисунке 4 изображена электрическая схема миноискателя. Она состоит из генератора, вырабатывающего частоту 1,5 кГц, устройства компенсации и резонансного усилителя с рабочей частотой 1,5 кГц и с коэффициентом усиления по напряжению примерно 1000 раз.

Генератор выполнен по двухтактной схеме на двух транзисторах Т1 и Т2 типа МП15. Генераторная катушка частично включена в коллекторные цепи транзисторов. Индуктивность передающей катушки составляет 45 мГн, число витков - 970 провода ПЭВ-0,33, отводы сделаны примерно от четверти витков, считая с каждой стороны. Сопротивление обмотки - 13 Ом. Катушка имеет стальной сердечник. Рабочая частота генератора зависит от индуктивности этой катушки и ёмкости конденсатора С1.

Приёмные катушки имеют индуктивность по 400 мГн, они содержат по 3500 витков провода ПЭВ-0,1, намотанного на каркасе диаметром примерно 35 мм.

Использование двухтактного генератора в схеме миноискателя ИМП обусловлено несколькими причинами - во-первых, в то время, когда разрабатывался этот миноискатель, в наличии были только транзисторы одной структуры - p-n-p. Во-вторых, для питания схемы двухтактного генератора на транзисторах одной структуры потребуется меньшее напряжение по сравнению с другими схемами генераторов.

Схема компенсации выполнена на резисторах R1 - R8 и конденсаторах С1 и С2. Переменными резисторами R5, R8 осуществляется грубая регулировка амплитуды и фазы, а резисторами R2, R7 - плавная.

Переменное напряжение поступает в схему компенсации с одного из отводов генераторной катушки.

Рис 4. Принципиальная электрическая схема миноискателя ИМП:
ПК - приёмная катушка - 400 мГн; ГК - генераторные катушки - по 45 мГн; Т1, Т2 - МП15; Т3..Т5 - МП13Б;
R1, R3 - 39к; R2 - 22к; R4,R6 - 4,7мОм; R5 - 100к; R7,R8 - 47к; R9 - 3к; R10 - 6,2к; R11 - 2,2к; R12 - 240; R13 - 5,6к;
R14 - 4,3к; R15 - 10к; R16 - 120; R17,R18 - 8,2к; R19 - 4,3к; R20,R29 - 82; R21,R26 - 4,7к;
R22,R27 - 1к; R23 - 270; R24 - 2,7к; R25 - 39; R28 - 120;
C1 - 5,1пФ; C2 - 27пФ; C3,C4 - 3,3нФ; C5 - 10нФ; C6 - 25мкФ; C7,C9 - 680пФ; C8,C10,C13 - 0,25мкФ; C12 - 3,3нФ;
Тф - Телефоны головные ТА-56М

На транзисторах Т3..Т5 типа МП13Б выполнен резонансный усилитель. Сигнал на его вход поступает со вторичной обмотки понижающего трансформатора Тр, коэффициент трансформации которого составляет примерно 3:1. Так как входное сопротивление первого каскада усилителя, выполненного на транзисторе Т1 относительно невысоко, то применение понижающего трансформатора позволяет согласовать низкоомный вход усилителя с высоким выходным сопротивлением приёмных катушек. Так же осуществляется согласование других каскадов - здесь используются трансформаторы с коэффициентом трансформации 1:8, первичные обмотки которых включены частично в цепи коллекторов транзисторов Т4, Т5. Такое частичное включение (включена 1/4 часть витков) позволяет избежать ухудшения добротности. Совместно с конденсаторами С7, С9 первичные обмотки обоих трансформаторов образуют резонансные контуры, настроенные на частоту 1,5 кГц. Головные телефоны ТА-56М, включённые в коллекторную цепь транзистора Т5 совместно с конденсатором С12 образуют резонансный контур, настроенный на ту же частоту, что позволяет повысить громкость звука в наушниках.

При подаче напряжения питания на схему запускается задающий генератор, и вокруг генераторной катушки образуется переменное магнитное поле. Это поле наводится в обоих приёмных катушках, в результате чего в них начинает течь переменный ток. Приёмные катушки соединены таким образом, что бы токи, протекающие в них, взаимно компенсировались и система была бы сбалансирована. Из-за технических трудностей, не позволяющих изготовить поисковый элемент с идеально правильным взаимным расположением приёмных катушек и из-за разброса величин индуктивностей, во встречно включённых катушках всегда будет присутствовать какой-то остаточный сигнал. Что бы его подавить, применяется схема компенсации.

Если рядом с датчиком миноискателя отсутствуют металлические предметы и системой компенсации подавлен остаточный сигнал, то на входе резонансного усилителя сигнал будет отсутствовать. Если теперь поблизости от поискового датчика появится металлический объект, то из-за возмущения магнитного поля система разбалансируется, и на входе усилителя появится сигнал, который можно будет услышать в наушниках.