Типы металлодетекторов

В литературе различают следующие основные подходы к построению схемотехники металлодетекторов.

Выделяются семь типов металлодетекторов по принципу устройства:

BFO — beat frequency oscillation (метод биений).

Устройства с BFO работают на основе определения малых изменений индуктивности поисковой катушки, под воздействием железных предметов. Метод характеризуется плохой чувствительностью.

Измеряемым параметром является частота LC-генератора, который включает катушку поискового датчика. Принцип действия металлодетектора на биениях очень прост и заключается в регистрации разности частот от двух генераторов, один из которых является стабильным по частоте, а другой содержит датчик 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 в наушниках или через громкоговоритель, и кончая цифровыми способами измерения частоты. Чувствительность металлодетектора 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 светодиода, можно зарегистрировать уход частоты не менее 1 Гц. Другими способами можно добиться регистрации и меньшей разности частот, однако, эта регистрация потребует значительное количество времени, что неприемлемо для металлодетекторов, которые всегда работают в режиме реального времени.


Схемотехника приборов достаточно проста, катушка не требует прецизионного исполнения. Рабочая частота 40 — 500 кГц. Чувствительность BFO-приборов невысокая, при низкой стабильности работы и слабой возможности отстраиваться от влажного и минерализованного грунта. Метод BFO применялся в серийных иностранных приборах в 60-е — 70-е годы.

OR — off resonance (срыв резонанса).

Устройства с расстройкой работают на основе определения малых изменений индуктивности поисковой катушки, под воздействием железных предметов. Метод характеризуется плохой чувствительностью. Анализируемым параметром является амплитуда сигнала на катушке колебательного контура, настроенного близко к резонансу с подаваемым на него сигналом от генератора. Появление металла в поле катушки, вызывает или достижение резонанса, или уход от него, в зависимости от вида металла. Это приводит к увеличению или уменьшению амплитуды колебаний на катушке. Этот метод, также, как и BFO, разрабатывался радиолюбителями, но сведений о его использовании в серийных приборах не обнаружено.

Металлодетекторы с уравновешенной индукцией (TR, TR/VLF) стали стандартными детекторами для всеобщего использования. В поисковом датчике у них расположены две катушки, одна из которых наводит переменное магнитное поле. Другая катушка расположена так, что поле в нормальном состоянии вокруг нее уравновешено, а на ее выходе нет никакого электрического сигнала. В действительности в приемной катушке имеется так называемый остаточный сигнал, обусловленный не идеальностью конструкции. Металлические предметы, которые приближаются к катушкам, изменяют конфигурацию этого поля, разбалансируют систему, и в результате на выходе приемной катушки появляется сигнал. Этот сигнал можно усилить, обработать и информировать оператора о находке. Современные металлодетекторы, использующие этот принцип, имеют мощную электронику, обрабатывающую сигнал и дающую оператору массу дополнительной информации: относительную удельную проводимость металла, глубину залегания, и т. д.

3.1. TR (Transmitter-receiver) (передатчик-приемник)

Этот метод имеет отношение к металлодетекторам, работающим по принципу индукционного баланса. Поисковый датчик образуют две катушки, расположенных в одной плоскости и сбалансированных так, что при подаче сигнала в передающую катушку на выходах приемной присутствует минимальный сигнал. Передающая катушка включается в контур LC-генератора. Измеряемыми параметрами являются амплитуда сигнала на приемной катушке и фазовый сдвиг между переданным и принятым синусоидальными сигналами. Рабочая частота — в среднем 20 кГц. Принцип TR (или его разновидность TR/VLF) предусматривает анализ фазовых характеристик сигнала, поэтому все они легко различают черные и цветные металлы, отстраиваются от мусора и грунта. Эти приборы имеют высокую чувствительность и разрешающую способность, которая зависит от диаметра датчика — чем датчик больше, тем глубже обнаружение, но тем труднее искать мелкие предметы.

3.2. TR/VLF (Transmitter-receiver / very low frequency) (передатчик-приемник / очень низкая частота)

VLF — разновидность TR метода, когда используется рабочая частота из диапазона 1 — 10 кГц, при обычной TR — в среднем 20 кГц.

VLF-метод позволяет построить высокочувствительные приборы с хорошим различением металлов за счет анализа фазовых характеристик. Схемотехника приборов достаточно сложна, катушки расположенные внутри датчика требуют прецизионной балансировки. По этому методу сейчас строится большинство серийных приборов, в том числе и цифровых. Дискриминация объектов и отстройка от грунта в таких приборах делается сравнительно просто с помощью фазосдвигающих цепей.

3.3. RF — radio frequency (радиочастота) — высокочастотный вариант TR

В этом варианте передающая и приемная катушки образуют не плоский трансформатор, а разнесены в пространстве и расположены перпендикулярно друг к другу (у этих приборов имеются разнесенные, ортогонально расположенные катушки). Некоторые производители металлодетекторов использовали обозначение RF как дополнение к термину VLF, видимо для того, чтобы лишний раз подчеркнуть, что в основе работы устройства лежит принцип индукционного баланса. Приемная катушка принимает отраженный от металлической поверхности сигнал, излучаемый передающей катушкой. Диапазон рабочих частот 50 — 500 кГц. Этот тип детекторов металла появился в 30-х годах. Серьезный недостаток — большая реакция на минерализованный грунт. К их особенностям также следует отнести и невосприимчивость к мелким предметам. При поиске крупных объектов, размером с литровую банку и более, в условиях слабо минерализованного и несильно замусоренного грунта эти металлодетекторы очень удобны. Этот метод используется в глубинных приборах и характеризуется нечувствительностью к мелким объектам и отсутствием различения металлов.

В рассмотренных ранее трех типах электронных металлодетекторов 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. Однако, применительно к металлодетекторам, таким механизмом может быть и явление самоиндукции в проводящем объекте. После воздействия импульса магнитной индукции в проводящем объекте возникает и некоторое время поддерживается вследствие явления самоиндукции затухающий импульс тока, обуславливающий задержанный по времени отраженный сигнал. Таким образом, может быть предложена другая схема металлодетектора, принципиально отличающаяся от рассмотренных ранее по способу разделения сигналов. Такой металлодетектор получил название импульсного. Он состоит из генератора импульсов тока, приемной и излучающей катушек, 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 является нагрузкой генератора импульсов и имеет ярко выраженный индуктивный характер, на фронтах импульсов у генератора возникают перегрузки в виде всплесков напряжения. Такие всплески могут достигать по амплитуде 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 данном 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 слабопроводящих объектов типа грунта. По истечении же этого времени устройство коммутации должно обеспечить беспрепятственную 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 приборах других типов.

К недостаткам импульсных металлодетекторов 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.

Прибор, построенный на таком методе, использует принцип определения малых аномалий интенсивности земляного магнитного поля, но для поиска кладов в целом бесполезен, так как может детектировать только железные предметы. Магнитометрами называется обширная группа приборов, предназначенных для измерения параметров магнитного поля (например, модуля или составляющих вектора магнитной индукции). Использование магнитометров в качестве металлодетекторов 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 утверждать о наличии некоторой магнитной неоднородности (аномалии), которая может быть вызвана железным предметом.

По сравнению с рассмотренными ранее методами, 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 метр, а легковой автомобиль — на расстоянии 10 метров! Такая большая дальность обнаружения объясняется тем, что аналогом излучаемого поля обычных металлодетекторов для магнитометров является однородное магнитное поле Земли, поэтому отклик прибора на железный предмет обратно пропорционален не шестой, а третьей степени расстояния.

Принципиальным недостатком магнитометров является невозможность обнаружения с помощью них предметов из цветных металлов. Кроме того, даже если нас интересует только железо, применение магнитометров для поиска затруднительно. Во-первых, в природе существует большое разнообразие естественных магнитных аномалий самого различного масштаба (отдельные минералы, залежи минералов и т. п.) Во-вторых, магнитометры обычно громоздки и не предназначены для работы в движении.

Для иллюстрации бесполезности магнитометров при поиске кладов и реликвий можно привести такой пример. С помощью обычного компаса, который по сути является простейшим магнитометром, можно зарегистрировать обычное железное ведро на расстоянии около полуметра, что само по себе является неплохим результатом.

Развитие измерительной электронной техники, и особенно, со встроенными микропроцессорами, теперь позволяет по-другому взглянуть на металлодетекторы, принцип действия которых основан на измерении ухода частоты измерительного колебательного контура. Современные технические средства позволяют реализовать компактный прибор, позволяющий в реальном масштабе времени оценивать с высокой точностью небольшие девиации частоты измерительного генератора. И хотя построенный по такому принципу электронный металлодетектор является несомненным родственником прибора «на биениях», он заслуживает выделения в отдельный класс приборов, которые можно назвать металлодетекторами по принципу электронного частотомера. Приборы такого класса, помимо массы сервисных возможностей микропроцессорной реализации, обладают еще одним принципиальным отличием от простейших приборов «на биениях» — возможностью оценки знака приращения частоты. Учитывая, что ферромагнитная мишень обычно приводит к понижению частоты измерительного генератора, а цель из металла-неферромагнетика — к повышению, получаем замечательную возможность селекции целей по типу металла. Кроме того, данный класс приборов практически не подвержен паразитной синхронизации, так как частота измерительного генератора и частоты прочих вспомогательных сигналов (тактовая частота микропроцессора) очень сильно различаются. Это позволяет повысить чувствительность.

Положительной для практики стороной является простота конструкции датчика и электронной части металлодетектора 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 металлодетектором место раскопок, желательно на завершающей стадии контролировать их ход компактным прибором малого радиуса действия, которым можно более точно узнать местонахождение предмета.

Метод основан на фиксации изменений добротности колебательного контура, входящего в состав LC-генератора.

При приближении металлического предмета к поисковому датчику, добротность контура уменьшается, и амплитуда колебаний на выходе LC-генератора также уменьшается.