Гармоническое намагничивание

Металлический предмет, помещенный в гармоническое магнитное поле, сам становится источником переменного магнитного поля, изменяющегося с той же частотой. Характерными признаками ОП являются особенности их амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных (ФЧХ) характеристик. Т.е. электрофизические свойства материалов объекта поиска, а также геометрические размеры его элементов приводят к тому, что при некотором значении частоты намагничивающего поля амплитуда и фазовый сдвиг сигнала, переизлучаемого ОП, будут при конкретной ориентации иметь отличия от множества ПЛП.

Рассмотрим это на следующем примере. Фазовый сдвиг поля, переизлучаемого металлическим предметом, больше у массивного предмета, к которым ближе ОП, чем у тонкостенного, что более характерно для ПЛП. Это связано с воздействием на намагничивающее поле реакции вихревых токов, протекающих ближе к поверхности металла. С глубиной из-за поверхностных вихревых токов уменьшается напряженность электромагнитного поля. Эти токи оказывают экранирующее влияние на проникновение поля, что одновременно вызывает их ослабление и нарастающий с глубиной сдвиг по фазе по отношению к намагничивающему полю. Глубина проникновения электромагнитных полей и вихревых токов в металл зависит от частоты:

где: f - частота, s - электропроводность, m - магнитная проницаемость.

Из формулы видно, что глубина проникновения вихревых токов в металл уменьшается с ростом частоты. Поэтому на высоких частотах массивный металлический предмет и тонкостенный (одинаковой площади и формы, изготовленные из одного и того же материала), окажутся источниками одинаковых переизлученных полей. Т.е. на высоких частотах нельзя отличить массивный предмет от немассивного.

Дальнейший анализ показывает, что компонента индуцированного магнитного момента, синфазная с намагничивающим полем, у ферромагнитного предмета меняет знак при возрастании частоты, а у неферромагнитного не меняет. Это дает возможность различать эти предметы между собой.

Проведенные исследования в гармоническом магнитном поле характеристик такого ОП как пистолет Макарова, показали, что:

• фаза сигнала слабо зависит от его ориентации в электромагнитном поле (изменения не более 5 - 7° ),
• амплитуда сигнала изменяется в зависимости от ориентации до 10 - 12 раз.

Представленные данные показывают, что селекция в одномерном поле только по амплитуде не обеспечивает приемлемую отстройку от ПЛП.

Кроме того, амплитуда сигнала от переизлученного поля существенно зависит от расстояния между исследуемым предметом и катушками. Максимальный сигнал соответствует нахождению предмета вблизи приемной или излучающей катушки, а минимальный — позиции посредине между ними. Для выравнивания чувствительности приемной катушки по ширине прохода металлодетектора применяют специальные меры:

• создают конструкции излучающих и приемных катушек, обеспечивающие в контролируемой зоне перекрестные электромагнитные поля;
• размещают излучающие и приемные катушки с двух сторон от ОП и по специальным алгоритмам производят обработку с пары приемных катушек.

Однако полностью устранить неравномерность топографии чувствительности не удается.

На рисунке 1 представлена функциональная схема металлодетектора с использованием гармонического намагничивания.

Рис. 1. Функциональная схема металлодетектора с гармоническим намагничиванием.

При гармоническом методе поле переизлучения ОП измеряется на фоне намагничивающего поля, превышающего его по амплитуде в тысячи и миллионы раз. Поэтому в металлодетекторе используется компенсатор, устраняющий сигнал, наведенный в приемной катушке намагничивающим полем. В фазовом детекторе и пороговом устройстве оцениваются амплитуда и фазовый сдвиг поля переизлучения ОП, фиксируемого приемной катушкой.

ИМПУЛЬСНОЕ НАМАГНИЧИВАНИЕ

Характерными признаками ОП при использовании такого метода являются продолжительность и вид процесса затухания вихревых токов в обследуемом предмете, переносимые в сигнал, наведенный в приемной катушке переизлученным полем. В качестве критериев селекции могут использоваться как мгновенные значения переходной характеристики для различных моментов времени, так и результат их совместной обработки по специальным алгоритмам, выбранным для распознавания ОП.

Теоретически можно, стробируя сколь угодно подробно переходную характеристику переизлучения, получить неограниченный объем информации об электромагнитных характеристиках ОП. Кроме того, в момент измерения намагничивающее поле выключено и не создает помех для оценки поля переизлучения. Однако возможности технической реализации метода переходных процессов существенно снижают его обнаруженческие и селективные параметры. При применении этого метода идеальным является намагничивающее поле, изменяющееся по прямоугольному закону. Однако на практике получить это в настоящее время невозможно. Излучающая катушка обладает самоиндукцией, которая у устройств, предназначенных для досмотра человека, где требуется создание магнитного поля в значительном пространстве, может составлять десятки миллигенри. А для получения максимальной напряженности намагничивающего поля при ограниченных размерах (массе) катушки и энергозатратах активное сопротивление катушки стараются минимизировать (не более единиц или десятков ом). Ток в катушке, подключенной к генератору прямоугольных импульсов, будет нарастать по экспоненциальному закону с постоянной времени

t= L /R

При рассмотренных выше ограничениях L и R (L » 0,01 Гн, R » 5 ом) постоянная времени составит не менее единиц мсек. Следовательно, и длительность переднего фронта импульса намагничивающего поля составит также единицы мсек.

Задний фронт импульса намагничивающего тока зависит от быстродействия силовых ключей, разрывающих цепь этого тока, и еще в большей степени от условий отсутствия затухающих колебаний намагничивающего поля после выключения тока. При таких условиях длительность заднего фронта волны намагничивающего поля реально может составлять не менее 10^-4 сек. Следовательно, при импульсном намагничивании в реальном металлодетекторе максимальная частота гармонических составляющих не превысит 10 кГц.

В настоящее время большое распространение получило импульсное намагничивание с формой волны поля в виде отрезков полусинусоид (или комбинация таких отрезков). В этом случае время с момента начала выключения намагничивающего поля до момента измерений должно составлять не менее 10^-4 сек.

Кроме постоянной времени намагничивающей цепи (в обесточенном состоянии), необходимо учитывать и постоянную времени приемной катушки, воспринимающей поле переизлучения ОП. Для предотвращения возникновения затухающих колебаний эта постоянная также должна быть не менее некоторого значения. На основании этого верхняя граница частотного диапазона поля переизлучения ОП при использовании метода переходных процессов, так же как и для намагничивающего поля, не превышает 10 кГц

На рисунке 2 приведена функциональная схема металлодетектора, в котором используется импульсное намагничивание.

Рис. 2. Функциональная схема металлодетектора с импульсным намагничиванием.

Блок задержек обеспечивает проведение измерений после прекращения действия импульса возбуждающего поля.

Перечислим основные достоинства и недостатки рассмотренных методов намагничивания.

Для гармонического метода:

Достоинство — высокая помехозащищенность, обусловленная возможностью эффективной фильтрации в диапазонах частот, отличных от рабочих;
Недостаток — необходимость значительной жесткости конструкций катушек и предохранения их от сотрясений и прикосновения посетителей.

Примерами металлодетекторов, в которых используется гармонический метод, являются следующие модели: 773 LF (Rens Manufacturing Co, США), МР 1783 (Valon GmbH, Германия), Intelliscan 12000 (RANGER, США).

Для метода переходных процессов:

Достоинство — отсутствие высоких требований к жесткости конструкции катушек и относительная независимость от малых перемещений и сотрясений.
Недостаток — меньшие, чем у гармонического метода возможности по борьбе с помехами. Однако использование импульсного намагничивания с формой волны поля в виде отрезков полусинусоид заметно уменьшает этот недостаток.

Примерами металлодетекторов, в которых используется метод переходных процессов, являются следующие модели: Metor-200 (Metorex International Oy, Финляндия), PMD 2 (C.E.I.A, Италия), Поиск-3 (Россия), Рубеж-2 (Россия).

В настоящее время серийно выпускаемые модели металлодетекторов, в которых используется метод переходных процессов, значительно превосходят по количеству модели с гармоническим намагничиванием. Это в большой мере связано с отмеченной выше относительной независимостью числа ложных срабатываний от сотрясений и перемещений катушечных систем изделий.

Заключение.

Итог занятия, задание на самоподготовку.

Доцент кафедры ОАБ Вербицкий Ю. А.