МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК G01V3/11 G01R23/15 

Изобретение относится к области радиоизмерений, предназначено для обнаружения скрытых (например, зарытых в земле, покрытых снегом) металлов, кабелей и т.д. и может быть использовано для поиска металлических мин, кабелей и труб, зарытых в землю, а также для поиска кладов.

Существуют следующие основные принципы построения металлоискателей:
- принцип "передача-прием";
- принцип "нулевых биений";
- "индукционный" принцип.

Недостаток принципа "передача-прием" (см. В. Бахмутский, Г. Зуенко. Металлотрубокабелеискатель. В помощь радиолюбителя, вып. 39. - М.: Изд-во "ДОСААФ", 1972 г., стр.3-12) заключается в сложности конструкции датчиков и сложности их настройки совместно с электронным блоком.

Недостаток принципа "нулевых биений" (см. И. Нечаев. Металлоискатель на микросхеме. Научно-популярный журнал "Радио" 1, 1987 г., стр.49) заключается в сложности изготовления датчика (особенно при больших диаметрах датчика 0,8-1,5 м) и в их низкой чувствительности.

Недостаток "индукционного" принципа заключается в сложности изготовления датчика, нестабильности параметров датчика, вызванной температурным дрейфом, а также в сложности наладки схемы.

Предлагаемый металлоискатель выполнен на принципе "нулевых биений", и наиболее близким известным устройством, принятым авторами за прототип, является "Металлоискатель на биениях" (см. А. Щедрин, И. Осипов. Металлоискатели для поиска кладов и реликвий. - М.: Радио и связь, 1999 г. Массовая радиобиблиотека; вып.123, стр.111-127). Он состоит из нескольких функциональных блоков: кварцевого генератора, измерительного генератора с колебательным контуром-датчиком, синхронного детектора, триггера Шмидта, устройства индикации, содержащего акустический излучатель (например, пьезоизлучатель) и светодиодный индикатор.

К недостаткам вышеуказанного прототипа следует отнести сложность изготовления датчика, особенно большого диаметра (0,8-1,5 м), низкую чувствительность различия нулевых биений слуховым методом и сложность настройки образцового генератора с измерительным генератором на нулевой разности.

Принцип действия прототипа 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. Сигнал разностной частоты (как правило, очень слабый) прослушивается с помощью телефона или через акустический излучатель.

Указанный способ выделения небольшой по величине разности частот двух генераторов порождает существенную техническую проблему в виде явления захвата фазы. Оно заключается в том, что два генератора, настроенные на очень близкие частоты, имеют тенденцию к паразитной взаимной синхронизации. Эта синхронизация проявляется в том, что при попытке приблизить каким-либо путем разностную частоту двух генераторов к нулю, при достижении разностной частотой некоторого порога, происходит скачкообразный переход к состоянию генераторов, когда их частоты совпадают. Генераторы становятся синхронизированными. Это приводит к практической блокировке прибора и потере работоспособности, что является одним из существенных недостатков известного прототипа.

Целью заявляемого технического решения является повышение чувствительности, расширение функциональных возможностей и упрощение конструкции датчика.

Поставленная цель достигается тем, что металлоискатель, содержащий датчик, соединенный с измерительным генератором, блок индикации и акустический излучатель, дополнительно содержит подключенный входом к выходу измерительного генератора формирователь импульсов, выход которого подключен к первым входам первого и второго элементов 2И-НЕ, выходы элементов 2И-НЕ подключены соответственно к счетному входу первого и второго счетчиков, выход которых соединен с соответствующим входом вычитающего блока, выход вычитающего блока подключен к первому входу блока управления, входу умножителя и входу блока индикации, второй вход блока управления является входом пуска, первый и второй выходы блока управления подключены соответственно к входу сброса первого и второго счетчиков, третий и четвертый выходы блока управления соединены соответственно со вторым входом первого и второго элементов 2И-НЕ, а пятый и шестой выходы блока управления подключены соответственно к управляющему входу блока индикации и управляющему входу умножителя, выход которого соединен с акустическим излучателем. При этом блок индикации выполнен на знакосинтезирующих цифровых индикаторах, а датчик выполнен в виде отрезка длинной линии, короткозамкнутой на конце, и конструктивно представляет собой кольцевую трубку из низкоомного материала с внешним диаметром трубки 15-20 мм, а диаметр кольца составляет 0,1-1,8 м.

Наиболее существенными отличительными признаками в указанной выше совокупности, обеспечивающими достижение поставленной цели, являются наличие двух счетчиков и вычитающего блока. Первый счетчик определяет частоту фона датчика Fф (в среде без металла), второй - текущую частоту fт (в среде с металлом), а вычитающий блок определяет разность в цифровом виде ΔF=Fф-Fт. При измерении частоты фона уменьшаются влияния разновидности среды (например, разновидность почвы) и прибор быстро адаптируется к местности, где осуществляется поиск металла, а при определении разности двух частот компенсируются:
- погрешности, вызванные температурным дрейфом измерительного генератора;
- влияния металлических экранов на датчик (например, влияние металлической крыши при поиске металлов).

При определении разности двух частот учитывается и знак разности, таким образом, металлоискатель дополнительно имеет функцию селективности.

Заявленное техническое решение благодаря свойствам совокупности перечисленных признаков позволяет достичь поставленную цель.

На чертеже приведена структурная схема заявляемого устройства.

Металлоискатель содержит последовательно соединенные датчик 1, измерительный генератор 2, формирователь импульсов 3, выход которого подключен к первым входам первого и второго элементов 2И-НЕ 4 и 5. Выходы элементов 2И-НЕ подключены соответственно к счетному входу первого 6 и второго 7 счетчиков, выход которых соединен с соответствующим входом вычитающего блока 8. Выход вычитающего блока 8 подключен к первому входу блока управления 9, входу блока индикации 10 и входу умножителя 11. Второй вход блока управления 9 является входом пуска. Первый и второй выходы блока управления 9 подключены соответственно к входу сброса первого 6 и второго 7 счетчиков. Третий и четвертый выходы блока управления 9 соединены соответственно со вторым входом первого и второго элементов 2И-НЕ 4 и 5. Пятый и шестой выходы блока управления 9 подключены соответственно к управляющему входу блока индикации 10 и управляющему входу умножителя 11, выход которого соединен с акустическим излучателем 12.

Датчик предложенного металлоискателя выполнен в виде отрезка длинной линии, короткозамкнутой на конце, и конструктивно представляет собой кольцевую трубку из низкоомного материала, например из алюминия или из меди, с внешним диаметром трубки 15-20 мм. Диаметр кольца может быть в пределах 0,1-1,8 м, в зависимости от требуемой чувствительности датчика, т.е. в зависимости от габаритного размера и глубины обнаружения искомого объекта, а материал и внешний диаметр трубки датчика выбирается с учетом минимальных электромагнитных потерь отрезка длинной линии и минимального веса. Чем больше внешняя поверхность датчика и чем меньше активное сопротивление материала, тем меньше электромагнитные потери, поэтому оптимальным внешним диаметром кольцевой трубки, по мнению и опыту авторов, является вышеуказанный диапазон (15-20 мм).

Металлоискатель работает следующим образом. Измерительный генератор 2 вырабатывает синусоидальный сигнал, частота которого соответствует резонансной частоте датчика 1. Формирователь импульсов 3 формирует прямоугольные импульсы, частота которых равна входной частоте синусоидального сигнала, а амплитуда формируемых импульсов соответствует напряжению высокого уровня - уровня логической "1". Прямоугольные импульсы от формирователя импульсов 3 поступают на первые входы первого и второго 5 элементов 2И-НЕ 4 и 5. При разрешающих сигналах (лог. "1") на вторых входах указанных элементов прямоугольные импульсы с их выходов поступают на счетные входы первого и второго счетчиков 6 и 7. Частота прямоугольных импульсов на выход первого элемента 2И-НЕ 4 соответствует частоте фона Fф, являющейся резонансной частотой датчика в среде без металла, а частота на выходе второго элемента 2И-НЕ 5 соответствует текущей частоте fт, являющейся резонансной частотой датчика вблизи металла. Длительность разрешающего сигнала (лог. "1"), определяющего измерительный временной интервал, постоянна для обоих счетчиков. Они подаются на вторые входы элементов 2И-НЕ 4 и 5 в противофазе в разное время. Т.о. при подаче на вход блока управления 9 пускового сигнала - сигнал "пуск", например вручную, сбрасываются оба счетчика и устанавливаются в нулевое состояние. На второй вход первого элемента 2И-НЕ 4 от первого выхода блока управления 9 подается напряжение высокого уровня (лог. "1"), разрешающее прохождение импульсов на счетный вход первого счетчика, а на второй вход второго элемента 2И-НЕ от блока управления подается напряжение низкого уровня (лог. "0"), что запрещает прохождение импульсов на второй счетчик 7. Т.е. после подачи сигнала "пуск" импульсы от формирователя импульсов 3 проходят только на первый счетчик 6, а второй счетчик сброшен в нуль. В таком случае, если датчик 1 находится в местности, где зачастую предполагается отсутствие металла вблизи датчика, то его резонансная частота будет соответствовать частоте фона Fф и количество импульсов Nф, сосчитанных первым счетчиком 7, будет пропорционально частоте фона. После истечения времени (т.е. при уровне лог. "0" на второй вход элемента 2И-НЕ) измерения частоты Fф, в данном случае код Nф фиксируется на разрядах первого счетчика 6, который подается на первый вход вычитающего блока 8 и остается зафиксированным в течение всего времени, пока на второй вход блока управления 9 не будет подан сигнал "пуск". На первый выход блока управления вырабатывается напряжение лог. "0" и счетчик 6 прекращает счет импульсов, а на второй выход блока управления 9 вырабатывается сигнал высокого уровня - лог. "1", который открывает первый элемент 4 2И-НЕ и импульсы с измерительного генератора 2 через формирователя импульсов 3 проходят уже на счетный вход второго счетчика 7. Последний аналогично предыдущему считает количество импульсов Nт, которое пропорционально текущей резонансной частоте Fт, датчика 1 и в течение всего времени, пока не будет подан на блок управления 9 сигнал "пуск", периодически будет измеряться текущая частота Fт. На выходных разрядах второго счетчика 7 периодически будет фиксироваться код Nт, пропорциональный частоте Fт, который подается на второй вход вычитающего блока 8. Вычитающий блок 8 вычитает код Nт от ранее зафиксированного кода Nф и на его выходе вырабатывается код разности в цифровом виде:
ΔN=Nф-Nт.

Код разности ΔN, пропорциональный разности частот ΔF=Fф-Fт, подается на первый вход блока управления 9, на блок индикации 10 и на умножитель 11.

В блоке индикации применен принцип динамической индикации. Сканирующие импульсы с пятого выхода блока управления 9 поступают на управляющий вход блока индикации 10. С шестого выхода блока управления 9 на вход умножителя поступает код, соответствующий значению коэффициента перемножения Ki. Последний перемножается с кодом разности частот ΔF=Fф-Fт и на выходе умножителя вырабатываются пачки импульсов, частота которых равна Ki•ΔF. Указанная частота излучается акустическим излучателем 12.

Вышеописанный металлоискатель реализован на PIC микроконтроллере серии PIC16C73 фирмы "Microchip", который охватывает блоки 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11. Вся схема с блоком индикации и органами управления размещена на двухслойной печатной плате размером 70х120 мм с автономным питанием (6 В), вмонтированном в пластмассовый корпус типа G416 (150х80х45 мм) фирмы "GAINTA". Прибор имеет разъем для подключения датчика с коаксиальным кабелем. Комплект - датчик, кабель, прибор смонтирован на жестком корпусодержателе.

Прибор испытывали с алюминиевым датчиком, имеющим диаметр кольца D=90 см с внешним диаметром трубки d=18 мм. В качестве указанного датчика было использовано гимнастическое кольцо (т.н. "холахуп"). Результаты испытания металлоискателя приведены в таблице.

Изобретение относится к области радиоизмерений и предназначено, в частности, для обнаружения скрытых металлов, кабелей. Технический результат изобретения, заключающийся в повышении чувствительности и упрощении конструкции датчика металлоискателя, достигается путем того, что металлоискатель содержит подключенный входом к выходу измерительного генератора формирователь импульсов, выход которого подключен к первым входам первого и второго элементов 2И-НЕ, выходы элементов 2И-НЕ подключены соответственно к счетному входу первого и второго счетчиков, выход которых соединен с соответствующим входом вычитающего блока, выход вычитающего блока подключен к первому входу блока управления, входу умножителя и входу блока индикации, второй вход блока управления является входом пуска, первый и второй выходы блока управления подключены соответственно к входу сброса первого и второго счетчиков, третий и четвертый выходы блока управления соединены соответственно со вторым входом первого и второго элемента 2И-НЕ, а пятый и шестой выходы блока управления подключены соответственно к управляющему входу блока индикации и управляющему входу умножителя, выход которого соединен с акустическим излучателем. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Металлоискатель, содержащий датчик, соединенный с измерительным генератором, блок индикации и акустический излучатель, отличающийся тем, что он содержит подключенный входом к выходу измерительного генератора формирователь импульсов, выход которого подключен к первым входам первого и второго элементов 2И-НЕ, выходы элементов 2И-НЕ подключены соответственно к счетному входу первого и второго счетчиков, выход которых соединен с соответствующим входом вычитающего блока, выход вычитающего блока подключен к первому входу блока управления, входу умножителя и входу блока индикации, второй вход блока управления является входом пуска, первый и второй выходы блока управления подключены соответственно к входу сброса первого и второго счетчиков, третий и четвертый выходы блока управления соединены соответственно со вторым входом первого и второго элемента 2И-НЕ, а пятый и шестой выходы блока управления подключены соответственно к управляющему входу блока индикации и управляющему входу умножителя, выход которого соединен с акустическим излучателем. 2. Металлоискатель по п. 1, отличающийся тем, что блок индикации выполнен на знакосинтезирующих цифровых индикаторах. 3. Металлоискатель по п. 1, отличающийся тем, что датчик выполнен в виде отрезка длинной линии, короткозамкнутой на конце, и конструктивно представляет собой кольцевую трубку из низкоомного материала с внешним диаметром трубки 15-20 мм, а диаметр кольца составляет 0,1-1,8 м.