СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ОТРАЖЕННОГО СИГНАЛА ОТ МИШЕНИ В ИНДУКЦИОННОМ РЕЗОНАНСНОМ МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЕ, ПРИ НАЛИЧИИ ВЛИЯНИЯ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ, В ПРОЦЕССЕ ПОИСКА И ОБНАРУЖЕНИЯ ЕЕ, УСТРОЙСТВО, ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕЕ Российский патент 2024 года по МПК G01V3/12 

Изобретение относится к области обнаружения токопроводящих и ферромагнитных предметов с помощью индукционных катушек, создающих переменное магнитное поле.

Устройства для поиска в разнообразных средах, металлических и ферромгнитных объектов, в дальнейшем именуемыми - «мишень», в основном осуществляются с использованием следующих принципов: биение частот, импульсной индукции, передача- прием, индукционного типа.

Вследствие относительной простоты конструкции, ее механической стабильности, и как результат -общей стабильности, возможности дискриминации мишени по ее магнитной проницаемости и проводимости, металлоискатели индукционного типа являются наиболее перспективными в обнаружении металлических и ферромагнитных мишеней в разнообразных средах.

Известен способ построения индукционного металлоискателя [1] ст.70-75., в котором отраженный сигнал мишени выделяют, вычитанием из электрического сигнала, присутствующего в катушке датчика металлоискателя, входящего в состав параллельного колебательного LC- контура, сигнала той же формы, частоты, фазы и амплитуды, что и сигнал в катушке датчика металлоискателя, при отсутствии мишени в зоне поиска. Данный способ реализуется тем, что в параллельный колебательный LC- контур, катушка которого является датчиком металлоискателя, подают переменный ток стабильной амплитуды и частоты, при котором амплитуда напряжения и его фаза на катушке датчика являются равными амплитуде и фазе напряжения задающего генератора переменного напряжения, при отсутствии мишени вблизи катушки датчика металлоискателя. При появлении вблизи катушки датчика металлоискателя мишени, в ней наводится отраженный сигнал, изменяющий параметры катушки датчика металлоискателя, при этом амплитуда и фаза напряжения на катушке датчика, входящей в состав параллельного колебательного LC-колебательного контура, изменяется. Амплитуду и фазу переменного напряжения, задающего генератора переменного напряжения, сравнивают с амплитудой и фазой переменного напряжения на катушке датчика металлоискателя, входящей в состав параллельного колебательного LC- контура, их небаланс фиксируют, и по его результату выносят заключение об обнаружении мишени. К недостаткам данного способа следует отнести: нестабильность параметров датчика, вследствие дестабилизирующих факторов, температурный дрейф омического сопротивления катушки, высокие требования к стабильности конденсатора параллельного колебательного LC- контура, сложность выделения малого полезного сигнала, на фоне большого электрического сигнала возбуждения, катушки датчика металлоискателя. Соотношение амплитуд этих сигналов может достигать , что является минимальным возможным порогом выявления сигнала отраженного от мишени.

Другим решением является патент [2], в котором реализуется способ обнаружения изменения импеданса приемника магнитного поля металлодетектора, т.е. выявления отраженного сигнала от мишени. Данный способ, обнаружения изменения импеданса приемника магнитного поля металлодетектора, включающий в себя: наличие первой сети пассивных компонентов, включая импеданс приемника магнитного поля; наличие второй сети пассивных компонентов, исключая импеданс приемника магнитного поля; обработку первого измерительного сигнала от первого узла первой сети; обработку второго измерительного сигнала, от второго узла второй сети; сравнение их для обнаружения изменения импеданса приемника магнитного поля. При этом первая сеть, вторая сеть, первый узел, второй узел сконфигурированы таким образом, что при отсутствии внешнего воздействия, которое влияет на импеданс приемника магнитного поля, первый измерительный сигнал по существу одинаков со вторым измерительным сигналом и при наличии внешнего воздействия первый измерительный сигнал отличается от второго измерительного сигнала.

Приведенный способ и устройство реализующие его, обладают определенными недостатками: импеданс приемника, или совместно приемника и передатчика, в составе первой сети пассивных компонентов, представляющий собой последовательный колебательный LC- контур, а именно: индуктивность, емкость, омическое сопротивление катушки, имеющие температурный дрейф, обуславливают необходимость их учета, а возможное присутствие внутрисхемных паразитных связей требует наличие двух противофазных генераторов, с возможностью регулировки фазы и амплитуды одного из них. Наличие омических сопротивлений, в первой и второй сети пассивных компонентов, для успешной реализации способа требуют от них высокой температурной и временной стабильности.

Прогрессивным решением является патент [3], вариант 3 принятым за прототип. Представляющий собой способ и устройство его реализующее, по которому, в последовательный колебательный LC- контур, катушка которого является датчиком металлоискателя, подается синусоидальное переменное напряжение, с частотой равной его собственной частоте, производится сравнение амплитуд напряжения на катушке датчика и конденсаторе.

Для этого напряжения с катушки датчика и конденсатора, относительно общей точки последовательного колебательного LC- контура, преобразуют в постоянные напряжения, равные их амплитуде, причем напряжение с катушки датчика преобразуют в положительное постоянное напряжение, а с конденсатора - в отрицательное. Производят сравнение постоянного напряжения, соответствующего амплитуде напряжения, на катушке датчика с постоянным напряжением, соответствующим амплитуде напряжения, на конденсаторе, сложением их. В результате сравнения выявляют результирующее постоянное напряжение, максимальное значение которого не должно превышать величины пробоя электронных компонентов металлоискателя. При этом последовательный колебательный LC- контур поддерживают в уравновешенном состоянии, при котором амплитуды напряжений на катушке датчика и конденсаторе должны быть равными, в процессе поиска, при разнообразных дестабилизирующих факторах, в условиях отсутствия отраженного сигнала от мишени.

В процессе поиска мишени, отклонение результирующего постоянного напряжения более, чем на величину напряжения минимально возможного порога выявления сигнала отраженного от мишени, будет свидетельствовать об обнаружении мишени, причем полярность результирующего постоянного напряжения определяет характер материала мишени: ферромагнетик или диамагнетик, а величина напряжения - объем мишени и глубину залегания.

Данный способ и устройство его реализующее, прост в реализации и позволяет выявлять и идентифицировать мишени на большой глубине, сопоставимой с металлоискателями реализованными на принципе импульсной индукции. При этом ему присущ определенный недостаток, а именно: сравнение амплитуд напряжения на катушке датчика и конденсаторе осуществляется в следствии преобразования их в постоянные напряжения, что вносит некоторые пределы по достоверности выявления отраженного сигнала от мишени.

Целью предлагаемого изобретения является: улучшение достоверности выявления отраженного сигнала от мишени в индукционном, резонансном металлоискателе, при наличии влияния дестабилизирующих факторов, в процессе поиска и обнаружении ее, а именно: температурной нестабильности датчика, электронных компонентов металлоискателя, уровня минерализации грунта и защите электронных компонентов металлоискателя от электрического пробоя.

На Фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, реализующего способ выявления отраженного сигнала от мишени в индукционном резонансном металлоискателе, при наличии влияния дестабилизирующих факторов, в процессе поиска и обнаружения ее, содержащая: 1- генератор напряжения; 2 - экранированную катушку датчика; 3 - конденсатор; 4 - трансформатор; 5- пассивный сумматор, состоящий из: 6 - первого, 7- второго и 8 - третьего резисторов; 9 - буферный усилитель; 10 -синхронный детектор; 11 - сглаживающий фильтр; 12 - модуль коррекции; 13 - оптическую развязку; 14 - модуль индикации; 15 - первый источник питания; 16 - второй источник питания.

На Фиг. 2 представлены графики, иллюстрирующие работу устройства реализующего способ выявления отраженного сигнала от мишени в индукционном резонансном металлоискателе, при наличии влияния дестабилизирующих факторов, в процессе поиска и обнаружения ее.

Поставленная цель достигается тем, что в последовательном колебательном LC- контуре, катушка которого является датчиком металлоискателя, в который подано синусоидальное переменное напряжение, с частотой равной его собственной частоте, производят сравнение амплитуд напряжения на катушке датчика и конденсаторе. При этом последовательный колебательный LC- контур поддерживают в уравновешенном состоянии, при котором амплитуды напряжений на катушке датчика и конденсаторе должны быть равными, в процессе поиска, при разнообразных дестабилизирующих факторах, в условиях отсутствия отраженного сигнала от мишени.

Предложенный способ отличается тем, что в последовательном колебательном LC- контуре переменное напряжение на катушке датчика инвертируют, инвертированное переменное напряжение катушки сравнивают с переменным напряжением на конденсаторе, относительно общей точки. Выявленное в результате сравнения результирующее переменное напряжение с заданной периодичностью преобразуют в полноволновое выпрямленное результирующее напряжение, полярность которого определяется разностью инвертированного переменного напряжения и переменного напряжения на конденсаторе. Если инвертированное переменное напряжение больше переменного напряжения на конденсаторе, полярность полноволнового выпрямленного результирующего напряжения - положительная. Если инвертированное переменное напряжение меньше переменного напряжения на конденсаторе полярность полноволнового выпрямленного результирующего напряжения - отрицательная. Полноволновое выпрямленное результирующее напряжение преобразуют в результирующие постоянное напряжение, которое характеризует наличие или отсутствие мишени в процессе поиска.

В процессе поиска мишени, отклонение результирующего постоянного напряжения более, чем на величину напряжения минимально возможного порога выявления сигнала отраженного от мишени, будет свидетельствовать об обнаружении мишени, причем полярность результирующего напряжения определяет характер материала мишени: ферромагнетик или диамагнетик, а величина напряжения - объем мишени и глубину залегания.

Для обеспечения высокой точности преобразования результирующего переменного напряжения в полноволновое выпрямленное результирующее напряжение, его осуществляют не менее чем за два периода синусоидального переменного напряжения подаваемого в последовательный колебательный LC-контур, с периодичностью преобразования Т=0,2-0,05Сек

Контроль равенства амплитуд напряжений на катушке датчика и конденсаторе, в процессе поиска, при разнообразных дестабилизирующих факторах, в условиях отсутствия отраженного сигнала от мишени, осуществляют с задержкой, после преобразования результирующего переменного напряжения в полноволновое выпрямленное результирующее напряжение, в течении 1-2 мСек.

Устройство реализующее способ выявления отраженного сигнала от мишени в индукционном резонансном металлоискателе, при наличии влияния дестабилизирующих факторов, в процессе поиска и обнаружения ее, содержащее: генератор переменного напряжения, последовательный колебательный LC-контур состоящий из экранированной катушки, являющейся датчиком металлоискателя и конденсатора, два гальванически развязанных источника питания, пассивной сумматор содержащий три резистора, буферный усилитель, оптическую развязку, модуль коррекции и модуль индикации, снабжено трансформатором, синхронным детектором, сглаживающим фильтром. Причем, первый вывод выхода генератора подключен к с первому выводу катушки и началу первичной обмотки трансформатора, начало вторичной обмотки трансформатора подключено к первому выводу первого резистора пассивного сумматора, второй вывод выхода генератора - к первому выводу конденсатора и к первому выводу второго резистора, пассивного сумматора, вторые выводы первого и второго резисторов соединены с первым выводом третьего резистора пассивного сумматора и входом буферного усилителя, который выходом подключен к входу синхронного детектора, своим выходом подключенным к входу сглаживающего фильтра, который выходом соединен с входами модуля индикации и модуля коррекции, первый выход которого подключен к входу управления синхронного детектора, второй через оптическую развязку - к входу управления генератора. Экран катушки датчика, концы первичной и вторичной обмоток трансформатора, вторые выводы катушки датчика, конденсатора и третьего резистора, пассивного сумматора, соединены с нулевым проводом буферного усилителя. Первый источник питания подключен к цепям питания генератора, второй - к цепям питания буферного усилителя, модуля индикации, модуля коррекции.

Предлагаемое устройство (Фиг. 1), реализующего способ выявления отраженного сигнала от мишени в индукционном резонансном металлоискателе, при наличии влияния дестабилизирующих факторов, в процессе поиска и обнаружения ее, работает следующим образом.

Синусоидальное переменное напряжение , частотой с выхода генератора 1 переменного напряжения, подают на последовательный колебательный LC-контур, образованный катушкой датчика 2 и конденсатором 3, в результате чего на них формируются переменные напряжения соответственно, относительно общей точки последовательного колебательного LC- контура, второго вывода третьего резистора 8, вторых концов первичной и вторичной обмоток трансформатора 4 и нулевого провода буферного усилителя 9. Переменное напряжение с катушки датчика 2 поступает на первичную обмотку трансформатора 4, в котором инвертируется, при этом на вторичной обмотке его формируется инвертированное переменное напряжение , амплитуда которого равна амплитуде переменного напряжения на катушке 2.

В режиме резонанса величина максимальных амплитуд напряжений на катушке датчика и конденсаторе и вторичной обмотке трансформатора достигают величины:

Где: - амплитуда переменного напряжения на выходе генератора 1 переменного напряжения;

- амплитуда переменного напряжения на катушке датчика 2;

- амплитуда переменного напряжения на конденсаторе 3;

- амплитуда инвертированного переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора 4;

Q - добротность последовательного колебательного LC- контура.

- мгновенное значение переменного напряжения на первом выводе катушки 2, относительно нулевого провода;

- мгновенное значение переменного напряжения на первом выводе конденсатора 3, относительно нулевого провода;

- мгновенное значение инвертированного переменного напряжения на начале вторичной обмотки трансформатора 4, относительно нулевого провода.

Переменное напряжения , с начала вторичной обмотки трансформатора 4 поступает на первый вывод первого резистора 6, пассивного сумматора 5, переменное напряжение с конденсатора 3 поступает на первый ввод второго резистора 7, пассивного сумматора 5. В узле пассивного сумматора 5, образованным соединением вторых выводов первого 6, второго 7 резисторов и первым выводом третьего 8 резистора выделяется переменное напряжение, которое поступает на вход буферного усилителя 9. На выходе буферного усилителя 9 формируется результирующее переменное напряжение:

Мгновенное значение которого будет определяться выражением:

в случае если ; в случае если ; Где: - заданный коэффициент масштабирования пассивного сумматора 5; - заданный коэффициент усиления буферного усилителя 9.

При этом необходимо соблюдение условия: R1=R2 (9). Заданный коэффициент усиления буферного усилителя 9 принимается равным величине заданного коэффициента масштабирования пассивного сумматора 5, т.е.

Следовательно:

в случае если ; в случае если .

С выхода буферного усилителя 9 результирующее переменное напряжение поступает на сигнальный вход синхронного детектора 10. С первого выхода модуля коррекции 12, на вход управления вход синхронного детектора 10 поступает напряжение управления в форме двух-полярного меандра, совпадающих по фазе с переменным напряжением на выходе генератора 1, не менее двух периодов с периодичностью Т=0,2 - 0,05Сек. На выходе синхронного детектора 10 формируется полноволновое выпрямленное результирующее напряжение .

- мгновенное значение полноволнового выпрямленного результирующего напряжения на выводе синхронного детектора 10, относительно нулевого провода.

Полноволновое выпрямленное результирующее напряжение поступает на вход сглаживающего фильтра 11, на выходе которого формируется результирующие постоянное напряжение равное амплитуде полноволнового выпрямленного результирующего напряжения , которое поступает на входы модуля коррекции 12 и модуля индикации 14.

В случае если: результирующие постоянное напряжение , если результирующие постоянное напряжение .

При отсутствии в зоне поиска мишени, соответственно, отсутствия отраженного сигнала от мишени, необходимо соблюдение равенства (1). Не соблюдение его, означает не устраненное воздействие дестабилизирующих факторов, вследствие чего производится автоматическая коррекция частоты генератора переменного напряжения 1.

В модуле коррекции 12 на втором выходе, с задержкой после сравнения величин и , формируются импульсы коррекции длительностью 1-2 мСек, знаком соответствующие полярности результирующего постоянного напряжения , на момент коррекции, которые меняют частоту генератора 1 переменного напряжения, на величину равной шагу изменения частоты, соответствующему напряжению, минимально возможного порога выявления сигнала отраженного от мишени.

В случае, если (Фиг. 2, участок I, II), частота генератора 1 переменного напряжения увеличивается на один шаг изменения частоты после сравнения величин , увеличивая тем самым напряжение и уменьшая напряжение на величину напряжения, соответствующего минимально возможному порогу выявления сигнала отраженного от мишени.

Если (Фиг. 2, участок III), частота генератора 1 переменного напряжения уменьшается на один шаг изменения частоты после сравнения величин , уменьшая тем самым напряжение и увеличивая напряжение на величину напряжения, соответствующего минимально возможному порогу выявления сигнала отраженного от мишени.

Состояние периодической смены знака результирующего постоянного напряжения , при отсутствии отраженного сигнала от мишени, (Фиг. 2, участок III, IV) свидетельствует, об устранении влияния дестабилизирующих факторов, т.е. и соответственно Отклонение, в процессе поиска, результирующего постоянного напряжения от нуля, на величину превышающую напряжение минимально возможного порога выявления сигнала отраженного от мишени, фиксируемую модулем индикации 11, будет свидетельствовать об обнаружении мишени. Причем полярность результирующего постоянного напряжения определяет характер материала мишени: ферромагнетик (Фиг. 2, участок V) или диамагнетик (Фиг. 2, участок VI), а величина - объем мишени или глубину залегания.

Источники информации

1. Книга. А. Щедрин, И. Осипов «Металлоискатель для поиска кладов и реликвий.» Москва, Радио и связь: Горячая линия-Телеком., 2000 г.

2. US 9557390, 31.01.2017 Noise reduction circuitry for a metal detector.

3. RU 2 768 205, 27.01.2020 Способ выявления отраженного сигнала от мишени в индукционном резонансном металлоискателе, при наличии влияния дестабилизирующих факторов, в процессе поиска и обнаружения ее, устройство его реализующие (варианты).

Изобретение относится к области обнаружения токопроводящих и ферримагнитных предметов с помощью индукционных катушек, создающих переменное магнитное поле. Техническим результатом является улучшение достоверности выявления отраженного сигнала от мишени в индукционном резонансном металлоискателе при наличии влияния дестабилизирующих факторов. Изобретение представляет собой способ, заключающийся в том, что преобразуют напряжение с катушки датчика в противофазное, производят сравнение его с напряжением на конденсаторе, полученное результирующее напряжение преобразуют в постоянное результирующее напряжение, при этом отклонение результирующего постоянного напряжения в процессе поиска мишени более чем на величину напряжения минимально возможного порога выявления сигнала, отраженного от мишени, будет свидетельствовать об обнаружении мишени. Устройство, реализующее способ, содержит: генератор переменного напряжения, последовательный колебательный LC-контур, состоящий из катушки датчика, конденсатора, два гальванически развязанных источника питания, пассивной сумматор, содержащий три резистора, буферный усилитель, оптическую развязку, модуль индикации и модуль коррекции, кроме того, трансформатор, синхронный детектор, сглаживающий фильтр. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ выявления отраженного сигнала от мишени в индукционном резонансном металлоискателе при наличии влияния дестабилизирующих факторов в процессе поиска и обнаружения ее, осуществляемый подачей синусоидального переменного напряжения в последовательный колебательный LC-контур, катушка которого является датчиком металлоискателя, с частотой, равной его собственной частоте, в котором производят сравнение амплитуд напряжения на катушке датчика и конденсаторе относительно общей точки последовательного колебательного LC-контура, при этом его поддерживают в уравновешенном состоянии, при котором амплитуды напряжений на катушке датчика и конденсаторе равны в процессе поиска при наличии дестабилизирующих факторов, в условиях отсутствия отраженного сигнала от мишени, отличающийся тем, что переменное напряжение на катушке датчика инвертируют и сравнивают с переменным напряжением на конденсаторе относительно общей точки последовательного колебательного LC-контура, выявленное результирующее переменное напряжение с заданной периодичностью преобразуют в полноволновое выпрямленное результирующее напряжение, полярность которого определяется разностью инвертированного переменного напряжения и переменного напряжения на конденсаторе, в случае если инвертированное переменного напряжение больше напряжения на конденсаторе, полярность полноволнового выпрямленного результирующего напряжения положительная, если инвертированное переменного напряжение меньше переменного напряжения на конденсаторе, полярность - отрицательная, полноволновое выпрямленное результирующее напряжение преобразуют в результирующие постоянное напряжение, которое своим знаком и величиной характеризует наличие или отсутствие мишени в процессе поиска, при этом полярность результирующего постоянного напряжения определяет характер материала мишени: ферромагнетик или диамагнетик, а величина - объем мишени или глубину залегания.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что преобразование результирующего переменного напряжения в полноволновое выпрямленное результирующее напряжение осуществляют не менее чем за два периода синусоидального переменного напряжения, подаваемого в последовательный колебательный LC-контур, с периодичностью преобразования Т=0,2-0,05 с.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контроль равенства амплитуд напряжений на катушке датчика и конденсаторе, в процессе поиска, при разнообразных дестабилизирующих факторах, в условиях отсутствия отраженного сигнала от мишени осуществляют с задержкой, после преобразования результирующего переменного напряжения в полноволновое выпрямленное результирующее напряжение, в течении 1-2 мс.

4. Устройство, реализующее способ выявления отраженного сигнала от мишени в индукционном резонансном металлоискателе при наличии влияния дестабилизирующих факторов в процессе поиска и обнаружения ее по п.1, содержащее: генератор переменного напряжения, последовательный колебательный LC-контур, состоящий из экранированной катушки, являющейся датчиком металлоискателя и конденсатора, два гальванически развязанных источника питания, пассивный сумматор, содержащий три резистора, буферный усилитель, оптическую развязку, модуль индикации и модуль коррекции, отличающееся тем, что оно снабжено трансформатором, синхронным детектором, сглаживающим фильтром, причем первый вывод выхода генератора подключен к первому выводу катушки и началу первичной обмотки трансформатора, начало вторичной обмотки трансформатора подключено к первому выводу первого резистора пассивного сумматора, второй вывод выхода генератора подключен к первому выводу конденсатора и к первому выводу второго резистора, пассивного сумматора, вторые выводы первого и второго резисторов соединены с первым выводом третьего резистора и входом буферного усилителя, который своим выходом подключен к входу синхронного детектора, соответственно своим выходом подключенным к входу сглаживающего фильтра, который выходом соединен с входами модуля индикации и модуля коррекции, первым выходом подключенным к входу управления синхронного детектора, вторым, через оптическую развязку, - к входу управления генератора, экран катушки датчика, концы первичной и вторичной обмоток трансформатора, вторые выводы катушки датчика, конденсатора, третьего резистора соединены с нулевым проводом буферного усилителя, первый источник питания подключен к цепям питания генератора, второй - к цепям питания буферного усилителя, модуля индикации, модуля коррекции.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что импеданс трансформатора больше импеданса катушки датчика последовательного колебательного LC-контура, на частоте резонанса, как минимум в 1000 раз.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что в пассивном сумматоре первый и второй резисторы имеют одинаковую величину сопротивления.

7. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что заданный коэффициент масштабирования пассивного сумматора равен заданному коэффициенту усиления буферного усилителя.