МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК G01V3/10 A61B17/50 

Изобретение относится к поисковой технике, в частности к медицине для локализации металлических инородных предметов в теле человека, и может применяться в археологии и строительстве для поисков металлических предметов под слоем грунта и снега, в пищевой и деревообрабатывающей промышленности для обнаружения металлических частиц и предметов в массе сырья, в дефектоскопии и для других целей.

Во многих практически важных случаях бывает необходимо обнаруживать металлические включения в немагнитной и непроводящей среде. Такое обнаружение должно осуществляться независимо от того, является ли металлическое включение ферромагнитным или нет. В таких случаях широко применяются индукционные металлоискатели, принцип действия которых основан на улавливании вторичного переменного или импульсного магнитного поля (поля переизлучения) металлического предмета, намагничиваемого первичным переменным или импульсным магнитным полем.

Известен локатор инородных тел [1] предназначенный для использования в медицине. Он содержит генератор переменного синусоидального напряжения, намагничивающую катушку, две одинаковые приемные катушки, размещенные симметрично относительно намагничивающей, усилитель, фазовращатель с переключателем, синхронный детектор и стрелочный индикаторный прибор (микроамперметр). Намагничивающая катушка подключена к генератору переменного напряжения, приемные катушки соединены последовательно-встречно и подсоединены к усилителю, выход усилителя через фазовращатель с переключателем подсоединен к сигнальному входу синхронного детектора, управляющий вход синхронного детектора подключен к генератору переменного напряжения, а выход синхронного детектора подключен к индикаторному прибору.

Известное устройство для локализации инородных тел глаза и орбиты работает следующим образом. В отсутствие вблизи локатора инородных металлических предметов генератор переменного напряжения вырабатывает переменное напряжение, обуславливающее переменный ток в намагничивающей катушке. Этот переменный ток создает вокруг намагничивающей катушки переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле намагничивающей катушки индуцирует в приемных катушках одинаковые переменные напряжения, которые вследствие встречного включения приемных катушек взаимно компенсируются. По этой причине напряжение на входе усилителя близко к нулю. Очевидно, что и на выходе усилителя, фазовращателя и синхронного детектора напряжение близко к нулю, а следовательно, индикаторный прибор показывает нулевое отклонение.

Если вблизи одной из приемных катушек локатора появляется металлический предмет, то он намагничивается переменным полем намагничивающей катушки. В результате такого намагничивания вокруг инородного металлического предмета (тела) возникает вторичное переменное магнитное поле, амплитуда и фаза которого зависят от формы, размеров, электропроводности и магнитной проницаемости этого инородного предмета. Вторичное переменное поле инородного предмета индуцирует в приемных катушках неодинаковые переменные напряжения, величина разности между которыми поступает в виде сигнала на вход усилителя. Сигнал, усиленный усилителем, поступает на вход фазовращателя, где получает необходимый сдвиг по фазе, а с выхода фазовращателя на сигнальный вход синхронного детектора, управляемого напряжением генератора. С выхода синхронного детектора выпрямленный сигнал подается на индикаторный прибор, вызывая его отклонение. В зависимости от положения переключателя фазовращателя напряжение на выходе синхронного детектора пропорционально синфазной (противофазной) с полем намагничивающей катушки или квадратурной (сдвинутой на 90^о) по отношению к нему компоненте поля рассеяния инородного предмета. Приближенно можно считать, что поле рассеяния ферромагнитного предмета синфазно с полем намагничивающей катушки, поле рассеяния предмета из цветного неферромагнитного металла противофазно полю катушки, а поле предмета, состоящего из ферромагнитных и неферромагнитных металлических деталей, находится в квадратуре с полем намагничивающей катушки. Таким образом, с помощью данного устройства при одном из положений переключателя фазовращателя можно обнаруживать предметы из черного или цветного металла и по знаку отклонения стрелки (вправо или влево от нуля) индикатора определять тип металла (ферромагнитный или неферромагнитный), а при другом положении переключателя обнаруживать предметы из комбинированного материала (черный металл и цветной). Очевидно, что одну и ту же поверхность приходится обследовать дважды, чтобы гаpантированно обнаружить любые металлические предметы. Указанное обстоятельство является существенным недостатком известного устройства, иными словами устройство недостаточно универсально, что существенно сужает область его применения.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому устройству является прибор для измерения магнитной проницаемости и проводимости грунтов и горных пород [2] Он, несмотря на специфическое назначение, может быть без каких-либо принципиальных переделок использован для обнаружения металлических предметов и содержит генератор переменного тока, индукционный датчик, содержащий намагничивающую и приемную катушки, компенсатор напряжения, наводимого в приемной катушке полем намагничивающей катушки, усилитель переменного напряжения, амплитудный детектор, первый стрелочный индикатор, синхронные детекторы синфазной и квадратурной компонент сигнала, первый и второй фильтры постоянной составляющей, стрелочные индикаторы синфазной и квадратурной компонент сигнала, первый и второй фазовращатели.

Устройство-прототип работает следующим образом. Переменный ток, вырабатываемый генератором, протекает по намагничивающей катушке индукционного датчика, вызывая вокруг нее переменное магнитное поле. В отсутствие вблизи датчика металлических предметов переменное поле намагничивающей катушки индуцирует в приемной катушке датчика переменное напряжение, которое с некоторой точностью компенсируется компенсатором, подключенным входом к выходу генератора переменного тока. В результате на входе усилителя переменного тока присутствует переменное напряжение небаланса, обусловленное неидеальностью настройки компенсатора. С выхода усилителя это напряжение небаланса выпрямляется амплитудным детектором, и первый стрелочный индикатор показывает величину модуля напряжения небаланса. Кроме того, напряжение подается на сигнальные входы синхронных детекторов соответственно синфазной и квадратурной компонент, управляемых через фазовращатели напряжением с выхода генератора переменного тока. В результате синхронного детектирования на выходах детекторов присутствуют постоянные напряжения, пропорциональные синфазной и квадратурной компонентам напряжения небаланса соответственно. Эти постоянные напряжения отсекаются фильтрами постоянной составляющей и не пропускаются на стрелочные индикаторы, которые в результате дают нулевые показания.

При поднесении металлического предмета к индукционному датчику в его приемной катушке возникает переменное напряжение, обусловленное полем переизлучения металлического предмета. Это напряжение, усиленное усилителем, выпрямляется амплитудным детектором и изменяет отклонение первого стрелочного индикатора. Кроме того, это напряжение выпрямляется синхронными детекторами, и выпрямленные напряжения беспрепятственно проходят через фильтры постоянной составляющей, вызывая отклонения стрелочных индикаторов, пропорциональные синфазной и квадратурной компонентам поля переизлучения металлического предмета соответственно.

Из приведенного описания работы устройства-прототипа видно, что оно позволяет обнаруживать как ферромагнитные и неферромагнитные металлические предметы, так и предметы, состоящие из комбинации ферромагнитного и цветного металлов. Кроме того, устройство-прототип позволяет по знаку отклонения стрелочного индикатора синфазной компоненты определять тип металла (черный или цветной), из которого изготовлен инородный предмет.

Однако устройство-прототип обладает и существенным недостатком, заключающимся в необходимости при сканировании обследуемой поверхности наблюдать одновременно за показаниями двух стрелочных индикаторов, что повышает утомляемость оператора, вынужденного к тому же следить за тем, чтобы ни один участок обследуемой поверхности не был пропущен. В результате снижение достоверности и надежности контроля.

Может сложиться впечатление, что при сканировании достаточно следить за показаниями первого стрелочного индикатора, а в случае обнаружения металлического предмета по показаниям индикатора синфазной компоненты сигнала определять тип металла, из которого он изготовлен. Однако так можно поступать лишь при обнаружении достаточно крупных металлических предметов, когда обусловленные ими отклонения первого стрелочного индикатора существенно больше его первоначального отклонения, обусловленного напряжением небаланса. Если инородный предмет настолько мал, что обусловленное им напряжение на выходе усилителя мало по сравнению с напряжением небаланса, изменение показаний первого стрелочного индикатора, вызванное появлением предмета вблизи датчика, в значительной степени зависит от соотношения фаз напряжения небаланса и напряжения сигнала на входе амплитудного детектора. Если, например, напряжение сигнала находится в фазе с напряжением небаланса и составляет 20% от этого напряжения, то из простых геометрических соображений очевидно, что показания первого стрелочного индикатора изменяется также на 20% при появлении предмета, вызывающего такой сигнал. Если напряжение сигнала находится в квадратуре с напряжением небаланса (т.е. сдвинуто по отношению к нему на 90^о) и составляет те же 20% от него, то по закону векторного сложения изменение показаний первого стрелочного индикатора, обусловленное таким сигналом, составит лишь 2% Даже если сигнал составляет 50% от небаланса, то приращение показаний составит лишь 12% Если учесть, что соотношение фаз напряжений сигнала и небаланса обусловлено случайными причинами, то обнаружение мелких металлических предметов по изменениям показаний первого стрелочного индикатора является непредсказуемым. Как следствие всего вышесказанного невысокая достоверность поиска.

Задача изобретения повышение достоверности обнаружения мелких металлических предметов при одновременном повышении удобства эксплуатации металлоискателя и снижении утомляемости оператора.

Для этого металлоискатель, содержащий генератор переменного тока, индукционный датчик, компенсатор напряжения, наводимого в приемной катушке датчика полем намагничивающей катушки, усилитель переменного напряжения, синхронные детекторы синфазной и квадратурной компонент сигнала, первый и второй фильтры постоянной составляющей, первый и второй фазовращатели и первый и второй стрелочные индикаторы, дополнительно содержит двухполупериодный выпрямитель и аналоговый сумматор напряжений, причем вход двухполупериодного выпрямителя подключен к выходу первого фильтра постоянной составляющей, а его выход к одному из двух входов аналогового сумматора напряжений, второй вход сумматора подключен к выходу второго фильтра постоянной составляющей, выход сумматора подсоединен к первому стрелочному индикатору, а второй стрелочный индикатор присоединен к выходу первого фильтра постоянной составляющей.

Сравнение предлагаемого металлоискателя с устройством-прототипом показывает, что он отличается от прототипа введением двух новых элементов двухполупериодного выпрямителя и аналогового сумматора напряжений и новыми связями, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "новизна".

Введение в металлоискатель этих новых элементов и связей обусловлено следующим. Двухполупериодный выпрямитель, присоединенный входом к выходу первого фильтра постоянной составляющей, необходим для получения напряжения, пропорционального абсолютной величине синфазной составляющей сигнала от металлического предмета при любой ее полярности. Аналоговый сумматор напряжений необходим для сложения абсолютного значения напряжения синфазной компоненты сигнала от предмета с напряжением квадратурной компоненты сигнала, имеющей всегда неизменную полярность. Стрелочный индикатор, подключенный к выходу сумматора, отклоняется при появлении вблизи датчика металлического предмета независимо от того, изготовлен он из ферромагнитного, цветного или из комбинации металлов. В случае необходимости по знаку отклонения другого стрелочного индикатора, подключенного параллельно входу двухполупериодного выпрямителя, можно определить, является ли обнаруженный предмет ферромагнитным или неферромагнитным (или какой металл преобладает в случае комбинации металлов).

Таким образом, суть изобретения заключается в том, что введение новых узлов и связей обеспечивает обнаружение мелких металлических предметов независимо от их ферромагнитности или неферромагнитности, а также определение (в случае необходимости) их ферромагнитности.

В заявляемом металлоискателе устранен главный недостаток устройства-прототипа неудобство пользования, состоящее в необходимости оператору наблюдать одновременно за показаниями двух стрелочных индикаторов. В заявляемом металлоискателе оператор наблюдает за показаниями лишь одного стрелочного индикатора, подключенного к выходу сумматора, а по ним обнаруживает металлический предмет. После обнаружения по знаку отклонения другого индикатора, подключенного параллельно входу двухполупериодного выпрямителя, оператор может определить вид металла (черный или цветной), из которого предмет изготовлен. Такой порядок функционирования металлоискателя значительно повышает удобство пользования и снижает утомляемость оператора и вероятность ошибок в его работе.

На чертеже изображена функциональная блок-схема предлагаемого металлоискателя.

Металлоискатель содержит генератор 1 переменного тока, индукционный датчик 2 с намагничивающей и приемной катушками, компенсатор 3 напряжения, наводимого в приемной катушке полем намагничивающей катушки, усилитель 4 переменного напряжения, синхронные детекторы 5 и 6 синфазной и квадратурной компонент, первый 7 и второй 8 фильтры постоянной составляющей, двухполупериодный выпрямитель 9, аналоговый сумматор 10 напряжения, первый 11 и второй 12 стрелочные индикаторы, первый 13 и второй 14 фазовращатели.

Генератор 1 переменного тока присоединен выходами к намагничивающей катушке индукционного датчика 2, к компенсатору 3 напряжения и к входам первого 13 и второго 14 фазовращателей. Приемная катушка индукционного датчика 2 подключена к входу усилителя 4 переменного напряжения, выход которого подключен к сигнальным входам синхронных детекторов 5 и 6 синфазной и квадратурной компонент, управляющие входы которых подключены к выходам первого 13 и второго 14 фазовращателей соответственно, а выходы к входам первого 7 и второго 8 фильтров постоянной составляющей соответственно. Выход первого фильтра 7 постоянной составляющей подключен к входу двухполупериодного выпрямителя 9 и к второму стрелочному индикатору 12. Один из входов аналогового сумматора 10 напряжений присоединен к выходу двухполупериодного выпрямителя 9, другой его вход присоединен к выходу второго фильтра 8 постоянной составляющей, а выход аналогового сумматора 10 подключен к первому стрелочному индикатору 11.

Металлоискатель работает следующим образом.

Переменный ток генератора 1, протекая по намагничивающей катушке индукционного датчика 2, создает вокруг нее переменное магнитное поле. В отсутствие вблизи датчика металлических предметов, подлежащих обнаружению, переменное поле намагничивающей катушки датчика 2 индуцирует в его приемной катушке переменную ЭДС, которая с некоторой точностью компенсируется компенсатором 3. Напряжение небаланса с выхода индукционного датчика 2 усиливается усилителем 4 переменного напряжения. Усиленное переменное напряжение небаланса детектируется синхронными детекторами 5 и 6 синфазной и квадратурной компонент, управляемыми через фазовращатели 13 и 14 напряжением генератора 1. В результате детектирования на выходах детекторов 5 и 6 получаются постоянные напряжения, пропорциональные синфазной и квадратурной компонентам напряжения небаланса соответственно. Эти напряжения не пропускаются фильтрами 7 и 8 постоянной составляющей и поэтому на входе двухполупериодного выпрямителя 9, на одном из входов аналогового сумматора 10 напряжений и на втором стрелочном индикаторе 12 напряжения равны нулю. Равно нулю и напряжение на выходе двухполупериодного выпрямителя 9, а следовательно, и на другом входе аналогового сумматора 10, вследствие чего равно нулю и напряжение на первом стрелочном индикаторе 11. Иными словами оба индикатора 11 и 12 дают нулевые показания.

При появлении вблизи индукционного датчика 2 металлического предмета он намагничивается переменным полем намагничивающей катушки и его поле переизлучения индуцирует в приемной катушке датчика 2 переменное напряжение сигнала. Это напряжение не компенсируется компенсатором 3 и усиленное усилителем 4 подается на сигнальные входы синхронных детекторов 5 и 6. В результате синхронного детектирования на выходах синхронных детекторов 5 и 6 появляются постоянные напряжения, пропорциональные синфазной и квадратурной компонентам сигнала от металлического предмета соответственно.

Как уже говорилось, на выходах этих синхронных детекторов присутствуют также постоянные напряжения небаланса, которые суммируются с напряжениями сигнала. Фильтры 7 и 8 постоянной составляющей отсекают эти напряжения небаланса, и на выходах этих фильтров появляются только напряжения полезного сигнала, причем на выходе первого фильтра 7 появляется постоянное напряжение, пропорциональное синфазной компоненте сигнала, а на выходе второго фильтра 8 появляется постоянное напряжение, пропорциональное квадратурной компоненте сигнала. В зависимости от того, является металлический предмет ферромагнитным или нет, напряжение синфазной компоненты на выходе первого фильтра 7 постоянной составляющей положительно или отрицательно, что и индицировано вторым стрелочным индикатором 12, отклонение которого в одну сторону от нуля показывает, что предмет ферромагнитный, а в другую сторону что он неферромагнитный. Напряжение на выходе второго фильтра 8 постоянной составляющей всегда имеет одну полярность, например положительную. Обусловлено это тем, что квадратурная компонента сигнала отражает потери на перемагничивание металлического предмета, которые не могут быть меньше нуля. Двухполупериодный выпрямитель 9 обеспечивает появление на одном из входов аналогового сумматора 10 напряжений напряжения одной и той же полярности (например, положительной), независимо от полярности напряжения на выходе первого фильтра 7 постоянной составляющей. На другом входе сумматора 10, подключенном к выходу второго фильтра 8 постоянной составляющей, напряжение может быть только положительным. Напряжение с выхода сумматора 10 вызывает отклонение первого стрелочного индикатора 11, пропорциональное сумме абсолютного значения синфазной компоненты и квадратурной компоненты сигнала.

При работе с заявляемым металлоискателем оператору достаточно наблюдать лишь за показаниями первого стрелочного индикатора 11, поскольку он покажет отклонение при приближении к металлическому предмету независимо от того, изготовлен ли он из ферромагнитного, неферромагнитного металла или из их сочетания. При обнаружении металлического предмета оператор может по показаниям второго стрелочного индикатора 12 определить, является предмет ферромагнитным или неферромагнитным, т.е. получить полную и достоверную информацию о предмете поиска.

Такое выполнение металлоискателя позволяет реализовать следующие преимущества. За счет изменения функций, выполняемых стрелочными индикаторами, повышается удобство пользования металлоискателем, поскольку в процессе поиска оператору достаточно следить за показаниями лишь одного из них (первого), обращаясь к другому индикатору лишь при необходимости определения вида металла. За счет суммирования результатов синхронного детектирования по синфазной и квадратурной компонентам значительно повышается чувствительность прибора. Действительно, если, например, сигнал Е от малого металлического предмета сдвинут по фазе относительно поля намагничивающей катушки на 45^о, то синфазная и квадратурная компоненты сигнала составляют по 0,707 Е. Такие показания и дают стрелочные индикаторы устройства-прототипа. В то же время первый стрелочный индикатор 11 заявляемого металлоискателя показывает сумму этих компонент, т. е. 1,41 Е, что в два раза больше. За счет повышения чувствительности металлоискателя и повышения удобства пользования им значительно повышаются достоверность обследования и надежность выявления мелких металлических предметов.

Использование: в медицине, геофизике, археологии, строительстве, дефектоскопии при обнаружении и локализации металлических предметов. Сущность изобретения: металлообнаружитель содержит генератор переменного тока, индукционный датчик, синхронные детекторы синфазный и квадратурный компонент, два фильтра постоянной составляющей, двухполупериодный выпрямитель, аналоговый сумматор и два стрелочных индикатора. Он обнаруживает мелкие металлические предметы независимо от их ферромагнитности или неферромагнитности и при необходимости обеспечивает возможность определения ферромагнитности. 1 ил.

МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ, содержащий генератор переменного тока, индукционный датчик с намагничивающей и приемной катушками, компенсатор напряжения, наводимого в приемной катушке полем намагничивающей катушки, усилитель переменного напряжения, синхронные детекторы синфазной и квадратурной компонент, первый и второй фильтры постоянной составляющей, два фазовращателя, а также первый и второй стрелочные индикаторы, причем выход генератора переменного тока подключен к намагничивающей катушке индукционного датчика, а также к входам обоих фазовращателей и компенсатора напряжения, выход компенсатора напряжения присоединен к индукционному датчику, вход усилителя переменного напряжения присоединен к приемной катушке индукционного датчика, а его выход к сигнальным входам синхронных детекторов синфазной и квадратурной компонент, управляющие входы которых подключены к выходам фазовращателей, выход синхронного детектора синфазной компоненты присоединен к входу первого фильтра постоянной составляющей, а выход синхронного детектора квадратурной компоненты присоединен к входу второго фильтра постоянной составляющей, второй стрелочный индикатор подключен к выходу первого фильтра постоянной составляющей, отличающийся тем, что дополнительно содержит двухполупериодный выпрямитель и аналоговый сумматор напряжений, причем двухполупериодный выпрямитель присоединен своим входом к выходу первого фильтра постоянной составляющей, а выходом к одному из входов аналогового сумматора напряжений, другой вход аналогового сумматора напряжений подключен к выходу второго фильтра постоянной составляющей, а выход аналогового сумматора подключен к первому стрелочному индикатору.