Основы работы прибора по схеме PI

Устройство поисковой катушки или рамки металлодетектора с импульсной индукцией очень просто, сравнительно с СНЧ приборами. Единственная катушка с намотанным проводом используется как для передачи, так и для приема.

Передающая схема состоит из простого электронного ключа, который закорачивает эту катушку на короткое время на батарею питания. Сопротивление катушки очень мало, поэтому по катушке может протекать ток силой в несколько ампер. Хотя сила тока велика, но время его протекания очень коротко. Электронный ключ подает импульс тока в катушку, затем обрывает его и затем опять включается для подачи следующего импульса. Скважность — это отношение времени, за которое ток передается, к времени, когда ток выключен — составляет обычно около 4%. Это предохраняет передатчик и катушку от перегрева и уменьшает разряд батареи.

Скорость повторения импульсов (частота передатчика) типичного металлодетектора с импульсной индукцией составляет примерно 100 Гц. Разные модели металлодетекторов используют частоты от единиц Гц до нескольких килогерц. Чем ниже частота передачи, тем больше излучаемая мощность.

На более низких частотах достигается большая глубина и чувствительность обнаружения предметов, сделанных из серебра, однако при этом падает чувствительность к никелю и сплавам золота. Такие приборы имеют замедленную реакцию, поэтому требуют очень медленного перемещения рамки.

Более высокие частоты повышают чувствительность к никелю и сплавам золота, однако менее чувствительны к серебру. Возможно, они не проникают так глубоко, как более низкие частоты. Что касается серебра, то при этом можно перемещать рамку более быстро. Это позволяет исследовать большую площадь за заданный период времени и также такие приборы более чувствительны к главным пляжным находкам — изделиям из золота.

Рамка приборов с импульсной индукцией, состоит из единственной катушки, которая служит и для передачи и для приема. Передатчик действует подобно катушке зажигания автомобиля. Каждый импульс тока в передающей катушке создает магнитное поле. Когда ток обрывается, магнитное поле вокруг катушки внезапно исчезает, но в этот момент импульс напряжения противоположной полярности и большой амплитуды появляется на выводах катушки. Этот выброс напряжения называется противодействующей электродвижущей силой, или противо-ЭДС. В автомобиле это именно то высокое напряжение, которое поджигает искру в свече зажигания. В нашем случае у металлодетектора с импульсной индукцией амплитуда выброса ниже — обычно от 100 до 130 Вольт в пике. По длительности импульс очень небольшой — 30 миллионных долей секунды (30 микросекунд). Он называется «отраженным импульсом».

От величины электрического сопротивления катушки с проводом зависит время затухания этого электрического импульса. Полное отсутствие сопротивления или, напротив, очень высокая его величина, заставит импульс «звенеть». Это похоже на бросание резинового мячика на очень твердую поверхность, на которой он отскакивает многократно, прежде чем успокоиться окончательно. При достаточном электрическом сопротивлении время затухания импульса укорачивается и отраженный импульс «сглаживается». Это аналогично бросанию резинового мячика в подушку. Мы заинтересованы в том, чтобы наш мячик прыгнул один раз, что, в случае с резиновым мячиком, можно описать, как бросание его на ковер. Про катушку детектора с импульсной индукцией говорят, что она критично заглушена, когда отраженный импульс быстро затухает до нуля без «звона». Чрезмерное или недостаточное подавление будет вносить нестабильность в работу и маскировать хорошо проводящие металлы, такие, как золото, и уменьшать глубину обнаружения.

Когда металлический предмет находится поблизости от поисковой катушки, он запасает в себе некоторую часть энергии импульса, что приведет к затягиванию процесса затухания этого импульса до нуля. Изменение в ширине отраженного импульса измеряется и сигнализирует о присутствии металлического объекта.

Для того, чтобы выделить сигнал такого объекта, мы должны измерить ту часть импульса, где он спадает к нулю (хвост). На входе приемника с катушки стоит резистор и ограничивающая диодная схема, которые обрезают напряжение входного импульса до величины 1 Вольт, чтобы не перегружать вход схемы. Сигнал в приемнике состоит из импульса от передатчика и отраженного импульса. Обычно усиление приемника составляет 60 децибел. Это означает, что область, где отраженный сигнал спадает до нуля, можно увеличить в 1000 раз.

Усиленный сигнал от приемника поступает в схему, измеряющую время спадания напряжения до нуля. Отраженный импульс преобразуется в последовательность импульсов. Когда металлический предмет приближается к катушке, форма импульса передатчика не изменится, а вот отраженный импульс станет немного длиннее. Увеличение длительности «хвоста» импульса всего на несколько миллионных долей секунды (микросекунды) достаточно для того, чтобы определить наличие металла под катушкой. На этот отраженный импульс накладываются импульсы (стробы), синхронизированные с началом импульса передатчика, и на выходе электронной схемы получается серия стробов, количество которых пропорционально длине «хвоста» импульса.

Наиболее чувствительный импульс расположен максимально близко к концу хвоста там, где напряжение совсем близко к нулю. Обычно это временная область около 20-ти микросекунд после выключения передатчика и начала отраженного импульса. К сожалению, это также область, где работа металлодетектора с импульсной индукцией становится неустойчивой. По этой причине большинство моделей металлодетекторов с импульсной индукцией продолжают вырабатывать стробирующие импульсы еще 30−40 микросекунд после полного затухания отраженного импульса.

Далее стробированный сигнал должен быть преобразован в напряжение постоянного тока. Это выполняется схемой — интегратором, который усредняет последовательность импульсов и преобразует их в соответствующее напряжение, которое возрастает, когда объект близко от рамки и уменьшается, когда объект удаляется. Напряжение дополнительно усиливается и управляет схемой звукового контроля.

Период времени, в течение которого интегратор собирает входящие стробы — постоянная времени интегратора (ПВИ) — определяет то, насколько быстро металлодетектор реагирует на металлический объект. Большая ПВИ (порядка секунд) имеет преимущество в уменьшении шума и упрощении настройки детектора, но при этом требует очень медленного перемещения рамки, поскольку объект может быть пропущен при быстром движении. Малая ПВИ (порядка десятых долей секунды) быстрее реагирует на цель, что позволяет быстрее двигать рамкой, но помехоустойчивость и стабильность работы ухудшаются.

Металлодетекторы с импульсной индукцией не способны к такой же степени дискриминации, как СНЧ приборы.

За счет измерения увеличивающегося периода времени между окончанием импульса передатчика и точкой, в которой отраженный импульс рассасывается до нуля (задержки), можно отфильтровать объекты, состоящие из определенных металлов. На первом месте по этой характеристике стоит алюминиевая фольга, затем мелкие никелевые монетки, пуговицы и золото. Некоторые монеты могут быть вычислены по очень длинному хвосту импульса, однако железо, таким образом, не определяется.

Было сделано много попыток создать металлодетектор с импульсной индукцией, способный определять железо, однако все эти попытки имели очень ограниченный успех. Хотя железо и дает длинный «хвост», однако серебро и медь имеют такие же характеристики. Столь длительная задержка плохо влияет на определение глубины залегания. Содержание минералов в почве также будет удлинять отраженный импульс, изменяя точку, в которой объект определяется или отвергается. Если постоянная интегрирования настроена так, что золотое кольцо не определяется в воздухе, это же кольцо может «засветиться» в грунте, насыщенном солями. Таким образом, почва, насыщенная солями, изменяет все, что относится к времени задержки и избирательной способности металлодетектора с импульсной индукцией.

Отстройка от земли является очень критичной для СНЧ приборов, но не для металлодетектора с импульсной индукцией. В среднем почва не запасает какого-либо значительного количества энергии от поисковой катушки и обычно сама не дает никакого сигнала. Почва не будет маскировать сигнал от закопанного объекта и даже напротив, минерализация почвы слегка удлиняет сигнал пропорционально увеличению глубины залегания предмета. По отношению к металлодетекторам с импульсной индукцией часто применяется термин «автоматическая отстройка от земли» (automatic ground balance) они обычно не реагируют на избыточную минерализацию почвы и не требуют внешней подстройки для разных типов почвы.

Исключением является один из наиболее неприятных компонентов грунта — магнетит (Fe3O4), или магнитный оксид железа. Он вызывает перегрузку входных катушек детекторов СНЧ типа, сильно уменьшая их чувствительность. Детекторы с ИИ будут работать, но могут показывать ложные цели, если поднести катушку слишком близко к земле. Можно свести до минимума этот вредный эффект, удлинив время задержки между окончанием импульса передатчика и началом стробирования. Настраивая эту постоянную времени можно отстроиться от помех, вызванных минерализацией грунта.

Большинство металлодетекторов с импульсной индукцией имеют ручную настройку. Это означает, что оператор должен крутить настройку до тех пор, пока не послышится щелкающий или зудящий звук в наушниках. Если почва в районе поиска изменяется от сильно минерализованного грунта до нейтрального песка или от сухой почвы до морской воды, в этом случае подстройка необходима. Если этого не делать, можно потерять в глубине обнаружения и пропустить некоторые объекты. Ручная настройка очень затруднительна при использовании короткой ПВИ, поэтому многие приборы с ручной настройкой имеют длинную ПВИ и требуют медленного перемещения рамки.

Нет проблем с использованием металлодетекторов с импульсной индукцией для подводного поиска, поскольку при этом поисковую катушку не перемещают быстро. При использовании в полосе прибоя, катушка будет находиться то на суше, то под водой, и при таких условиях использование приборов с ручной настройкой может вас сильно разочаровать, поскольку придется непрерывно подстраивать порог срабатывания. Некоторые операторы в таком случае сразу настраивают прибор чуть ниже порога срабатывания. Но это может привести к уменьшению глубины обнаружения, при изменении характеристик почвы.

Автоматическая настройка (SAT — self adjusting threshold) дает значительное преимущество при поиске в и над соленой водой или на почве с высоким содержанием солей. Она позволяет использовать детектор на максимальной чувствительности без постоянной подстройки. Это улучшает стабильность работы, помехозащищенность и позволяет использовать больший коэффициент усиления. Металлодетекторы с импульсной индукцией не излучают сильные отрицательные сигналы как СНЧ приборы. Поэтому они не зашкаливают на ямах с минералами. Необходимо непрерывно перемещать рамку металлодетектора, оснащенного системой автоподстройки, поэтому если вы останавливаете рамку, настройка сбивается или прибор перестает реагировать.

Схемы звуковой сигнализации металлодетекторов с импульсной индукцией разделяются на две категории: с изменяющейся частотой и изменяющейся громкостью. Схемы с изменяющейся частотой, построенные на основе генератора, управляемого напряжением, хороши для регистрации небольших предметов. Поскольку изменение в частоте легче уловить на слух, чем изменение в громкости, особенно при небольшом уровне громкости, особенно для приборов с ручной подстройкой порога. Однако звук, похожий на пожарную сирену, быстро утомляет, а некоторые люди не способны различать высокие тона. Один из хороших вариантов — это механическая вибрация, которая первоначально использовалась для подводных аппаратов. Такой прибор издает «клюкающие» звуки и вибрацию, которая нарастает до жужжания при обнаружении объекта. Сигналы такого механического прибора легко распознать и они не заглушаются системой подачи воздуха.

Многие люди предпочитают более традиционный звуковой тон с нарастанием громкости, а не частоты. Такие системы звукового контроля работают хорошо в приборах, с быстрым перемещением рамки, т. e. в приборах с автоматической подстройкой, при этом они звучат аналогично приборам с СНЧ.

Это специализированные инструменты. Они мало пригодны для поиска монет в городских условиях, поскольку не могут отфильтровать железный (ферросодержащий) мусор. Могут быть использованы для археологических поисков в сельской местности, где нет железного мусора в больших количествах. Они предназначены для поисков на максимальной глубине в экстремальных условиях, таких как побережья морей или места, где земля сильно минерализована. Такие металлодетекторы показывают отличные результаты в подобных условиях и в целом сравнимы с СНЧ приборами, особенно по их способностям отстраиваться от таких грунтов и «пробивать» их на максимальную глубину.