РАДИОЧАСТОТНЫЙ ОБНАРУЖИТЕЛЬ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ Российский патент 2004 года по МПК G01V3/12 

Изобретение относится к устройствам обнаружения локальных неоднородностей в виде металлических предметов из ферромагнитных и немагнитных металлов, металлических предметов ограниченных размеров в сырье, например, в кипах хлопка. Устройство предназначено также для обнаружения оружия под одеждой субъекта, люков канализации и телефонных колодцев под слоем снега. Устройство позволяет обнаруживать не только цельные металлические тела, но и сыпучие материалы в виде солей металлов.

Известен металлоискатель на биениях (Щедрин А., Осипов И. Металлоискатели для поиска кладов и реликвий. - М.: Радио и связь: Горячая линия: Телеком, 1999. - 192 с., с.111-118), содержащий кварцевый генератор, измерительный генератор, синхронный детектор, триггер Шмидта и устройство индикации.

Недостатком металлоискателя, основанного на регистрации биений, является низкая чувствительность, соответственно дальность обнаружения приборов данного типа обычно не превышает 20 см при размерах объекта поиска 20-30 см вследствие эффекта паразитной синхронизации.

Наиболее близким решением, принятым за прототип, является малогабаритный чувствительный металлоискатель (см. В.И.Андрианов, А.В.Соколов, "Шпионские штучки 2" или как сберечь свои секреты. - СПб.: Полигон, 1997. - 272 С., ил., С.176-178), состоящий из антенны, генератора, смесителя, полосового фильтра и индикатора обнаружения.

Недостатками данного прибора является сложность точной настройки генератора на резонансную частоту полосового фильтра, которая должна производиться при уходе частоты генератора за счет изменения температуры или напряжения питания; работа устройства в области низких частот (до 1,1 МГц) усложняет антенную систему и ограничивает достоверность обнаружения малоразмерных объектов.

Техническая задача заключается в создании системы с автоматической настройкой частоты устройства при подготовке к работе, высокой достоверностью обнаружения, повышенной разрешающей способностью.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известное устройство обнаружения объектов, содержащее антенну, генератор, смеситель, полосовой фильтр, детектор, усилитель переменного тока, индикатор обнаружения, а также гетеродин между полосовым фильтром и смесителем, введена цепь, состоящая из последовательно включенных: пикового детектора, триггера Шмидта, ключа электронного, интегратора, управителя частоты, модулятора, при этом выход усилителя переменного тока соединен со входом пикового детектора, выход пикового детектора со входом триггера Шмидта, первый выход которого подключен ко входу индикатора обнаружения, в свою очередь второй выход триггера Шмидта соединен со входом электронного ключа и входом индикатора готовности, выход электронного ключа соединен со входом интегратора, который по выходу подключен ко входу управителя частоты, а выход управителя частоты соединен со входом гетеродина, выход модулятора соединен с управляющим входом генератора.

Поставленная техническая задача решается тем, что для повышения дальности обнаружения и исключения влияния оператора на работу устройства используется магнитная антенна, выполненная в виде СВЧ-щелевой (или рамочной) антенны.

Кроме того, поставленная техническая задача решается тем, что повышенная разрешающая способность и компактные размеры устройства достигаются за счет использования генератора, работающего в дециметровом, сантиметровом или миллиметровых диапазонах.

Технический результат заявляемого технического решения - возможность использования сантиметрового, дециметрового и метрового диапазонов волн, ослабление влияния оператора на устройство, повышение чувствительности, исключение влияния паразитной амплитудной модуляции, обусловленной наводками от других работающих вблизи объекта поиска электрических и радиоэлектронных систем.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема, а на фиг.2 - принципиальная схема радиочастотного обнаружителя металлических тел.

Обнаружитель состоит из магнитной антенны (например, рамочной или щелевой) 1, генератора 2, смесителя 3, полосового фильтра 4, детектора 5, усилителя переменного тока 6, пикового детектора 7, триггера Шмидта 8, индикатора обнаружения 9, индикатора готовности 10, электронного ключа 11, интегратора 12, управителя частоты 13, гетеродина 14, модулятора 15.

Устройство работает следующим образом.

При взаимодействии с металлическим объектом поиска изменяются реактивные параметры магнитной антенны 1 и, соответственно, изменяется частота генератора 2. В свободном от металлических предметов пространстве или на расстоянии не менее одного метра от них генератор 2 за счет модулятора 15 настраивается на частоту, равную сумме частот гетеродина 14 и резонансной частоты полосового фильтра 4. В данном режиме резонансная частота колебаний на выходе смесителя 3 равна резонансной частоте полосового фильтра 4, соответственно, напряжение на входе детектора 5 имеет максимальную амплитуду, а постоянное напряжение, сформированное пиковым детектором 7, на выходе усилителя переменного тока 6 устанавливает триггер Шмидта 8 в положение, когда включен индикатор готовности 10 и выключен индикатор обнаружения 9. При медленных отклонениях частоты генератора 2 или частоты гетеродина 14 за счет влияния дестабилизирующих факторов (температуры, напряжения питания, влияние оператора) цепь автоподстройки частоты, состоящая из электронного ключа 11, интегратора 12, управителя частоты 13, подстраивает частоту гетеродина 14 до частоты, которая равна разности частот генератора 2 и полосового фильтра 4. В результате устройство остается в состоянии готовности. При взаимодействии с объектом поиска под действием вихревых токов, возникающих в объекте поиска, изменяется частота генератора 2, соответственно, изменяется разностная частота колебаний на выходе смесителя 3, которая равна разности частот генератора 2 и гетеродина 14. При отклонении разностной частоты изменяется амплитуда колебаний на выходе полосового фильтра 4, которое детектируется детектором 5. Продетектированное напряжение усиливается усилителем переменного тока 6, детектируется пиковым детектором 7 и переключает триггер Шмидта 8 в положение, при котором по первому выходу включается индикатор обнаружения 9 и выключается индикатор готовности 10. Применяя различные полосовые фильтры, отличающиеся полосой пропускания, можно изменять чувствительность датчика. В качестве полосового фильтра могут быть использованы: LC-колебательный контур, фильтры на поверхностно-акустических волнах, кварцевые фильтры. Наибольшую чувствительность обеспечивают кварцевые фильтры, имеющие наиболее узкую полосу пропускания.

Работа с устройством состоит в следующем: исключают известные металлические объекты, находящиеся в зоне диаграммы направленности антенны 1. При включении питания включается индикатор обнаружения 9 и со второго выхода триггера Шмидта 8 постоянное напряжение поступает на электронный ключ 11, интегратор 12 и через последний на управитель частоты 13 и гетеродин 14. Вследствие наличия интегратора 12 плавно изменяется напряжение и соответственно частота гетеродина 14. В момент времени, когда преобразованный сигнал, созданный генератором 2 и гетеродином 14, совпадает с частотой последовательного резонанса полосового фильтра 4, на выходе детектора 5 появляется постоянное напряжение, которое переключает триггер Шмидта 8 в другое состояние: при этом скачком уменьшается напряжение на втором выходе триггера Шмидта 8, выключается электронный ключ 11, включается индикатор готовности 10. Модулятор 15 с частотой 100 Гц модулирует по амплитуде сигнал генератора 2. В результате спектр сигнала на выходе детектора 5 располагается в интервале: F_мод ± ΔF, где F_мод - частота модулятора, равная 100 Гц, а ΔF≥100 Гц. Устройство готово к работе.

При взаимодействии с объектом поиска: в диаграмму направленности магнитной антенны на расстоянии R≤λ/8 (это расстояние обеспечивает однозначность отсчета, при заданной дальности измерений оно определяет минимальную длину волны, на которой должен работать обнаружитель) в результате взаимодействии изменяются активная и реактивная составляющие сопротивлений магнитной антенны 1 и связанного с ней колебательного контура генератора 2 и, следовательно, изменяется частота. При этом разностная частота выходит за пределы полосы пропускания полосового фильтра 4, напряжение на входе триггера Шмидта 8 уменьшается и он переключается, включается индикатор обнаружения 9, который указывает на наличие объекта поиска. Индикатор обнаружения 9 будет включен до момента выхода объекта поиска из диаграммы направленности обнаружителя. Постоянная времени интегратора 12 выбирается много больше времени существования сигнала при взаимодействии с объектом. Поэтому напряжение на управителе частоты 13 остается практически постоянным.

Максимальная чувствительность достигается за счет точной автоматической настройки гетеродина по критерию, когда разность частот генератора и гетеродина равна резонансной частоте полосового фильтра.

Один из возможных вариантов практической реализации заявляемого устройства выполнен по схеме на фиг.2. Магнитная антенна 1 представляет собой одновитковую рамку, изготовленную из жесткого отрезка коаксиального кабеля с металлической оболочкой, которая заземлена, для устранения короткого замыкания в середине рамки выполнен зазор, не содержащий металлической оболочки. Генератор 2 выполнен по схеме несимметричного мультивибратора с эмиттерной связью на полевых транзисторах VT1, VT2 типа КП303. Рамочная антенна, включенная в цепь затвора VT1, одновременно является колебательным контуром генератора 2. Амплитудная модуляция генератора 2 осуществляется модулятором 15, выполненным на интегральной микросхеме D1.1. и D1.2. типа КР561ЛЕ5, частота модуляции определяется постоянной времени цепи R7-C7. С выхода генератора 2 сигнал поступает на первый затвор смесителя 3, выполненный на двухзатворном полевом транзисторе VT3. На второй затвор поступает сигнал от гетеродина 14, выполненный по схеме емкостной трехточки на транзисторе VT4. Параллельно контуру гетеродина 14 подключен управитель частоты 13, выполненный на варикапе VD3. Напряжение смещения на варикап подается через интегратор 12, состоящий из цепи R15-C13. Резистор R14 устраняет шунтирование варикапа емкостью С 13.

К выходу смесителя 3 подключен полосовой фильтр 4, представляющий собой кварцевый резонатор, к выходу последнего подключен амплитудный детектор 5, на диоде VD2, который выделяет модулирующий сигнал, этот сигнал поступает на усилитель переменного тока 6, выполненный на операционном усилителе D2. Выход усилителя через конденсатор С19 поступает на пиковый детектор 7, выполненный на диодах VD3, VD4. С выхода пикового детектора 7 выпрямленное напряжение поступает на вход триггера Шмидта 8, выполненного на транзисторах VT5, VT6. В коллекторной цепи включены индикатор готовности 10 и индикатор обнаружения 9, выполненные на светодиодах VD5 и VD6. В момент включения устройства напряжение на выходе пикового детектора 7 меньше порога срабатывания триггера Шмидта 8. Транзистор VT5 закрыт, а VT6 открыт. Ток, протекающий по цепи VD6-R24-VT6-R25 достаточен для свечения светодиода VD6, свечение последнего свидетельствует о включении устройства. В момент включения устройства напряжение на коллекторе VT5 поступает на открытый электронный ключ 11 на транзисторе VT7 и через R15-C13-R14 на варикап VD3.

Начальная частота контура гетеродина 14 F гетеродина выбрана ниже частоты F, при которой на выходе смесителя 3 образуется разностная частота, совпадающая с полосой пропускания кварцевого резонатора (полосового фильтра 4) – F кв.

F генератора – F гетеродина > F кв.

По мере роста напряжения на варикапе VD3, емкость последнего уменьшается, частота F гетеродина повышается и разностная частота, приближается к частоте кварцевого резонатора (полосового фильтра 4). При совпадении разностной частоты и частоты кварцевого резонатора (полосового фильтра 4) напряжение на выходе пикового детектора 7 превышает порог срабатывания триггера Шмидта, последний опрокидывается, то есть переходит в другое устойчивое состояние. При этом включается светодиод VD5 индикатора готовности 10 и выключается VD6. Одновременно закрывается транзистор VT7, так же напряжение на коллекторе открытого транзистора VT5 недостаточно для открывания VT7. В этом случае напряжение на варикапе VD3 остается практически постоянным, примерно равным напряжению на конденсаторе С13. Устройство готово к работе. При взаимодействии с объектом поиска в результате изменения частоты генератора 2 триггер Шмидта 8 будет переключаться и, соответственно, будут переключаться светодиоды. Поскольку время существования сигнала от объекта поиска много меньше постоянной времени интегратора 12, режим готовности будет сохраняться.

Изготовлен экспериментальный образец устройства для обнаружения объектов, который подтвердил заявляемые преимущества.

Использование: для обнаружения локальных неоднородностей в виде металлических предметов из ферромагнитных и немагнитных металлов. Сущность изобретения: радиочастотный обнаружитель металлических тел содержит последовательно соединенные: магнитную антенну, генератор, смеситель, полосовой фильтр, детектор, усилитель переменного тока, индикатор обнаружения, а также гетеродин, подключенный выходом к управляющему входу смесителя, пиковый детектор, триггер Шмидта, ключ электронный, интегратор, управитель частоты, модулятор. Выход усилителя переменного тока соединен со входом пикового детектора, выход пикового детектора со входом триггера Шмидта, первый выход которого подключен ко входу индикатора обнаружения. Второй выход триггера Шмидта соединен со входом электронного ключа и входом индикатора готовности. Выход электронного ключа соединен со входом интегратора, который по выходу подключен ко входу управителя частоты, выход управителя частоты соединен со входом гетеродина. Выход модулятора соединен с управляющим входом генератора. Технический результат: повышение чувствительности, увеличение дальности обнаружения, исключение влияния паразитной амплитудной модуляции. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Радиочастотный обнаружитель металлических тел, состоящий из последовательно соединенных магнитной антенны, генератора, смесителя, полосового фильтра, детектора, усилителя переменного тока, индикатора обнаружения, а также гетеродина, подключенного выходом к управляющему входу смесителя, отличающийся тем, что в него дополнительно введены пиковый детектор, триггер Шмидта, ключ электронный, интегратор, управитель частоты, модулятор, при этом выход усилителя переменного тока соединен со входом пикового детектора, выход пикового детектора - со входом триггера Шмидта, первый выход которого подключен ко входу индикатора обнаружения, второй выход триггера Шмидта соединен со входом электронного ключа и входом индикатора готовности, выход электронного ключа соединен со входом интегратора, который по выходу подключен ко входу управителя частоты, а выход управителя частоты соединен со входом гетеродина, выход модулятора соединен с управляющим входом генератора.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для уменьшения габаритных размеров, веса и повышения разрешающей способности по малоразмерным объектам в качестве генератора используется генератор, работающий в дециметровом, сантиметровом или миллиметровом диапазонах.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для повышения дальности обнаружения магнитная антенна выполнена в виде СВЧ-щелевой антенны.