Основы работы металлодетекторов по TR, TR/VLF схемам

Внутри поисковой рамки металлодетектора (которую также называют поисковой головкой, катушкой, антенной, поисковым датчиком) находится намотанный провод, называемый передающей катушкой. Электрический ток, протекая по ней, создает электромагнитное поле. Направление тока меняется несколько тысяч раз в секунду. Характеристика «рабочая частота» показывает, сколько раз в секунду ток движется по часовой стрелке и сколько против часовой стрелки.

Когда ток протекает в одном направлении, возникает магнитное поле, направленное в землю, когда направление тока изменяется на противоположное, то и магнитное поле будет направлено уже от земли (как южный и северный полюса у школьного магнита). В любом металлическом (и даже электропроводящем) объекте, оказавшемся поблизости, под влиянием такого изменяющегося магнитного поля возникнут электрические токи, во многом аналогичные тем, что возникают в обмотке генератора, вращающегося в постоянном магнитном поле. Наведенный ток, в свою очередь, создаст собственное магнитное поле, с направленностью обратной магнитному полю передатчика.

Внутри рамки есть еще одна катушка — приемная, расположенная таким образом, чтобы максимально нейтрализовать влияние передающей катушки, для чего используются специальные методы. А вот поле от металлического предмета, оказавшегося поблизости, будет наводить в приемной катушке ток, который можно усилить и обработать электроникой, предварительно отделив от более мощного сигнала передатчика.

Суммарный принятый сигнал обычно появляется с некоторой задержкой относительно излученного сигнала. Эта задержка вызвана тем, что проводящие материалы обладают свойствами сопротивляться как самому протеканию электрического тока (резистивность), так и изменению величины уже протекающего в них тока (индуктивность). Мы называем эту видимую задержку «фазовым сдвигом». Максимальный фазовый сдвиг будут производить объекты, которые по большей части индуктивные — это большие, толстые предметы, сделанные из отличных проводников, таких как золото, серебро и медь. Меньший фазовый сдвиг характерен для объектов, которые по природе своей резистивные — это более мелкие, более тонкие объекты либо предметы, сделанные из материалов с худшей проводимостью.

Те материалы, которые плохо проводят электрический ток или совсем его не проводят, также могут вызывать сильный сигнал в приемнике. Такие материалы называются ферромагнетиками. Ферромагнитные тела сильно намагничиваются, будучи помещенными во внешнее поле (например, скрепка, которая прицепляется к поднесенному магниту). Сигнал в приемнике покажет минимальный либо нулевой фазовый сдвиг. Многие типы почвы содержат мельчайшие крупинки железосодержащих минералов, которые на детекторе будут определяться как ферромагнетики. Металлические отливки (например, кованые гвозди) и стальные предметы (пивные пробки) обнаружат как ферромагнитные, так и проводящие свойства.

Следует также отметить, что здесь описываются схемы детекторов «индуктивного баланса» иногда называемые схемами СНЧ — сверхнизкой частоты (ниже 30 кГц). В настоящее время это наиболее популярная технология, включающая в себя также и схемы НЧ — низкой частоты (30 — 300 кГц).

Поскольку сигнал, принятый от любого металлического предмета, проявит свой характерный фазовый сдвиг, то можно классифицировать различные типы объектов и различать их. Например, серебряная монетка дает значительно больший фазовый сдвиг, нежели алюминиевая пуговица, поэтому можно так настроить детектор, что он будет подавать звуковой сигнал в первом случае и молчать во втором, либо идентифицировать предмет на дисплее, либо отклонять стрелку микроамперметра. Процесс распознавания металлических объектов называется дискриминацией (распознаванием, разделением). Самая простая форма дискриминации позволяет прибору подавать звуковой сигнал, когда рамкой проводят над объектом, фазовый сдвиг сигнала от которого превышает среднюю величину (настраиваемую). К сожалению, аппараты с таким типом дискриминатора не будут реагировать на некоторые монеты и большую часть ювелирных изделий, если уровень дискриминации настроен достаточно высоко (для игнорирования обычного алюминиевого хлама типа пуговиц или крышечек от лекарств).

Более полезная схема — это так называемый дискриминатор с выделением диапазона (notch discriminator). Схемы такого типа реагируют на объекты в пределах определенного диапазона (например, диапазон «никелевые монетки и кольца») и не будут реагировать на фазовый сдвиг сигнала выше этого диапазона (пуговицы, крышечки от лекарств), так и ниже него (железо, фольга). Более продвинутые детекторы этого типа можно настроить так, что для каждого из нескольких диапазонов он будет либо реагировать, либо наоборот игнорировать сигналы фазового сдвига внутри него.

Детекторы металлов могут быть оборудованы различными устройствами считывания информации: цифровой дисплей, индикация на стрелочном приборе, и другие, помогающие идентифицировать объект. Мы называем эту характеристику ВИД (визуальный индикатор дискриминации) и главная ее функция — дать оператору возможность принять информированное решение о том, стоит ли приниматься за раскопки, не полагаясь только на звуковой сигнал. Но большинство, если не все металлодетекторы, оборудованные ВИД, имеют также и звуковую систему распознавания.

Тип металлического объекта можно предсказать по коэффициенту отношения его индуктивности к его собственной резистивности. При заданной частоте передатчика этот коэффициент можно вычислить по задержке (фазовый сдвиг) сигнала, приходящего от объекта. Электронная схема, называемая фазовым детектором, может измерить эту задержку фазы. Обычно используется два таких фазовых демодулятора, пиковые величины сигнала, на которых они производят измерения, сдвинуты друг относительно друга на ¼ длины волны передатчика или на 90 градусов. Мы называем эти два канала X и Y, соответственно. Третий демодулирующий канал, называемый G, может быть настроен так, что его отклик на любой сигнал с постоянным фазовым сдвигом относительно импульсов передатчика (например, почва) может быть уменьшен до нуля, невзирая на амплитуду этого сигнала. Это нужно для того, чтобы разделить две составляющие сигнала — отклика от почвы и от объекта, и определить наиболее вероятный тип объекта.

Некоторые металлодетекторы используют микропроцессор для обработки этих трех каналов и определения наиболее вероятного типа объекта. Соотношение показаний каналов X и Y, вне зависимости от значения канала G, есть некоторое число. Мы можем найти это отношение с хорошим разрешением — лучше, чем 500 к 1 по всему диапазону встречающихся материалов, от феррита до чистого серебра. Сигнал от железных объектов чувствителен к ориентации, поэтому численная характеристика может сильно меняться, когда рамка движется над ними.

Графические дисплеи, откладывающие отношение X/Y по горизонтальной оси, а амплитуду принятого сигнала по вертикальной, очень полезны для отбраковывания металлического мусора от более ценных предметов.

Как прежде было сказано, большинство почв являются железосодержащими. Они также могут иметь свойства электропроводности из-за присутствия солей, растворенных в подпочвенной воде. Поэтому сигнал, получаемый металлодетектором от почвы, может быть в 1000 раз сильнее сигнала от металлического предмета, зарытого в землю на достаточную глубину. К счастью, фазовый сдвиг принимаемого сигнала от почвы остается достаточно постоянным в пределах некоторой площади поверхности Земли. Можно так сконструировать детектор, что даже когда сигнал от земли сильно изменяется, например, при поднимании и опускании рамки, или при прохождении оператора по насыпи или над ямой, показания металлодетектора будут оставаться неизменными. Про такой металлодетектор говорят, что он «отстроен от земли». Хорошая отстройка от земли делает возможным определить с большой точностью, как расположение объекта, так и оценить глубину его залегания. Если вы выбираете режим «все металлы» без дискриминации сигналов по фазовому сдвигу, то хорошая отстройка от земли особенно важна.

В простейшей форме отстройка от земли выглядит так: оператор поднимает и опускает рамку металлодетектора, вращая ручку настройки и добиваясь равенства показаний индикатора. Хотя этот метод достаточно эффективен, он может показаться утомительным, а для некоторых пользователей и достаточно сложным. Более дорогие модели металлодетекторов производят отстройку от земли автоматически, обычно в два приема: первый — с поднятым, а второй — с опущенным поисковым датчиком. Самые «умные» приборы будут осуществлять подстройку постоянно, так, что вы даже не заметите этого при переходе с одного на другой тип почвы. Это так называемая «следящая отстройка от земли» (tracking ground balance). Хорошие детекторы с такой функцией позволяют, настроившись один раз, провести весь оставшийся день в поисках без дополнительных подстроек. Но, предупреждаем: большинство металлодетекторов, которые продаются под вывеской «автоматическая» или «следящая отстройка от земли», на самом деле просто настроены производителем на некоторый фиксированный уровень баланса земли. Это слегка напоминает ситуацию, если бы вам приварили педаль газа электросваркой к полу автомобиля в положении «средний газ» и сообщили, что на ваш автомобиль установлена современная система «круиз-контроль».

Хотя сигнал от земли может быть значительно сильнее сигнала от объекта, все же сигнал от земли стремится оставаться неизменным или изменяться очень плавно во время движения рамкой. С другой стороны, сигнал от объекта возрастает резко до пикового значения и затем спадает в момент, когда рамка проходит над ним. Это открывает возможности использовать технику распознавания объекта не по амплитуде полученного сигнала, а по скорости его изменения. Такой режим работы металлодетектора называется «динамическим» (motion mode). Наиболее важный пример использования такого принципа — это динамическая дискриминация (motion discrimination). Если мы хотим выделить полезные сигналы, достаточные для идентификации объекта, недостаточно произвести только лишь отстройку от земли. Нужно посмотреть на объект под двумя различными углами, примерно так, как для определения расстояния мы решаем триангуляционную задачу, выбирая более чем одну точку наблюдения. Отстроившись от земли в одной точке, в другой мы получаем некую комбинацию сигнала земли и объекта. Динамический режим используется для того, чтобы минимизировать этот остаточный сигнал от земли. В настоящее время все дискриминаторы и ВИД детекторы требуют для эффективного распознавания металлов постоянного передвижения рамки. Это не такая уж большая беда, поскольку в процессе поиска все равно нужно двигаться.

Если вы обнаружили объект в режиме динамической дискриминации, то, вероятно, захотите точнее определить его местоположение, чтобы не копать впустую. Если ваш детектор оборудован глубиномером, вы захотите измерить и глубину залегания. Для точного определения положения и глубины залегания используется режим «все металлы» (all metal mode). Дискриминация тут не нужна, соответственно и рамкой двигать не нужно, за исключением тех движений, которые выводят рамку точно на центр объекта. Если выражаться точнее — не важна скорость, с которой вы перемещаете рамку в этом режиме. Поэтому режим «все металлы» часто называют «статическим» (non-motion mode), а также «нормальным режимом» (normal mode) или «режимом постоянного тока» (D.C.mode).

Есть несколько пунктов в рекламных буклетах приборов, которые могут сбить вас с толку. Некоторые металлодетекторы снабжены функцией «автоподстройка порога срабатывания» АПС (SAT-self adjustment threshold), которая медленно увеличивает и уменьшает мощность аудио выхода, обеспечивая тихий, но различимый звук «порога». Это позволяет сгладить изменения, вызванные переменой типа почвы или плохой отстройкой от земли. «Автоподстройка порога» может быть быстрой или медленной в зависимости от типа детектора и его настройки, но, честно говоря, АПС сильно смахивает на динамический режим работы. Поэтому вы можете прочитать рекламу о «детекторах, которые имеют настоящий статический режим» (true non-motion mode), что, по сути, означает режим «все металлы» без автоподстройки порога. Другая вещь, которая иногда может помешать — некоторые дискриминаторы позволяют так настроить порог, что дискриминатор начинает реагировать на все металлы. Другими словами, это дискриминатор, который не дискриминирует. Это нечто отличное от описанного выше режима «все металлы». Такой режим часто называется «нулевой диск» (Zero disk).

Микропроцессор — это сложная электронная схема, выполняющая все логические, арифметические и управляющие функции, необходимые для построения компьютера. Последовательность инструкций, записанных в памяти процессора, называется программой и выполняется процессором последовательно, одна за другой, со скоростью до нескольких миллионов действий в секунду.

Использование микропроцессоров открывает такие возможности, о которых несколько лет назад нельзя было и мечтать. В прошлом, добавление новых полезных функций в металлодетектор означало появление новых кнопок и переключателей. С какого-то момента размеры, стоимость и сложность управления таким прибором выходили за разумные рамки. Микропроцессор, жидкокристаллический экран и простейшая клавиатура стали решением проблемы. Практически неограниченное число новых функций может быть встроено в прибор без изменения внешнего вида. Дополняется лишь встроенная система меню, и, следуя инструкциям на экране, практически любой человек может разобраться и настроить прибор в соответствии со своим желанием. Таким образом, один и тот же металлодетектор может быть настроен под любого оператора.

А что, если вы не хотите заниматься всеми этими настройками? Вот тут и проявляется вся гениальность микропроцессорного управления — вам и не нужно этого делать. При включении аппарата все параметры устанавливаются в некоторые заранее установленные величины, так что новичок или случайный пользователь может даже и не догадываться обо всех дополнительных возможностях прибора. И, что замечательно, простым перебором меню вы можете выбрать режимы поиска монет, общего просмотра, археологического поиска и т. д. — микропроцессор выполнит все необходимые настройки, так как это было выверено многолетним опытом ветеранов поискового дела.

Добавим к этому, что мощная программная поддержка улучшила звуковые функции приборов для определения нужных металлов, а изображения на ЖК-мониторе в различных формах ускоряют и упрощают работу оператора.

Хотя TR, TR/VLF приборы изготавливаются уже более 15 лет, постоянно происходят улучшения в производительности. Появляются все более «умные» и простые в использовании приборы. Будьте уверены, что пока существуют ненайденные сокровища, разработка новых улучшенных приборов будет вестись, насколько совершенными не казались бы уже существующие.