Введение

Обобщенную структурную схему обычного одночастотного индукционного металлоискателя можно представить в следующем виде (См. Рис.1.). Именно по такой схеме в последние двадцать-тридцать лет было построено большинство промышленных и любительских индукционных металлодетекторов. За эти годы, благодаря техническому прогрессу, индукционные приборы уже фактически достигли теоретического предела по глубине обнаружения. И в последнее время совершенствование этих приборов идет в основном в направлении улучшения распознавания типа мишени.
 

                          Рис. 1.
Интересное решение в этом плане – многочастотный анализ. Суть идеи заключается в том, что некоторые неразличимые при одночастотном анализе мишени могут быть различены при смене рабочей частоты. И хотя это решение известно довольно давно [1], реальные многочастотные приборы (Minelab, Whites и др.) стали появляться только недавно. Производители коммерческих приборов по понятным причинам не афишируют свои схемотехнические решения, в радиолюбительской практике такие приборы тоже пока не известны. В этой статье мы попробуем рассмотреть некоторые аспекты схемотехники таких приборов. В общем-то, обобщенная структурная схема многочастотного индукционного прибора остается такой же, как и у одночастотного (См. рис.1). Однако отдельные узлы будут иметь свои особенности.

2. Передатчик

 В классических одночастотных схемах катушка датчика обычно включается в цепь параллельного или последовательного  колебательных контуров. (см. Рис. 2.)

                  Рис.2.
Каждая из этих схем обладает своими особенностями, однако обе они обладают одним общим свойством – оптимальная работа возможна только вблизи резонансной частоты
(1)
Для обеспечения работы многочастотного металлоискателя с подобными датчиками потребуется перестраивать резонансную частоту контура. Это можно сделать либо путем коммутации отводов на катушке датчика, либо набора контурных конденсаторов. (см. рис. 3.) Именно такой способ предложен в
[2].

Рис.3.

 Очевидно, что такое техническое решение не отличается ни изяществом, ни простотой реализации. Особенно, если рабочих частот
много. Попытка отказаться от резонансной схемы (убрать  конденсатор) и возбуждать индуктивный датчик синусоидальным сигналом приводит к тому, что эффективность такой схемы сильно ухудшается. Сравним такой датчик, например, с параллельным
контуром. В параллельном контуре ток через катушку индуктивности во много раз превышает ток, который поступает от выходного усилителя. Этот коэффициент увеличения тока определяется добротностью контура и составляет для реальных схем величину порядка 10…300. В случае же нерезонансного возбуждения такого умножения тока не произойдет – в катушке будет тот же ток, что и на выходе усилителя.
Между тем в схемотехнике импульсных источников питания давно известны широкополосные схемы с рекуперацией энергии. Например, это мостовая и полумостовая схемы. Такие схемы обладают свойствами, похожими на свойства параллельного контура – через катушку индуктивности протекает намного больший ток, чем потребляется от источника питания. Причем это свойство обеспечивается в широком диапазоне частот.

 

 Рис.4.

Рассмотрим работу мостовой схемы подробнее (см. рис.4). Транзисторы VT1…VT4 образуют мост и открываются поочередно – в
первую половину периода открыты VT1,VT4, а VT2,VT3 закрыты. Во вторую половину периода – наоборот. Датчик на схеме представлен в виде катушки индуктивности L. Все омические потери (сопротивление катушки, сопротивление открытых ключей, сопротивление кабеля датчика и т.д.) в схеме условно сведены в резистор r . Ключи коммутируются с периодом T. Предположим, что постоянная времени
?=
L/r >>T. В этом случае ток через катушку индуктивности (и через резистор r соответственно) будет изменяться практически по линейному закону (см. рис.5)

      Рис.5.

 Из этих осциллограмм видно, что в некоторые интервалы
времени ток и напряжение на датчике имеют одинаковый знак, а в некоторые – разный. В первом случае энергия потребляется от источника питания, во втором случае энергия, накопленная в катушке индуктивности, отдается обратно в источник питания. Немаловажно чтобы схемотехника источника питания позволяла принимать
этот обратно текущий ток. В данной схеме это условие обеспечивается за счет электролитического конденсатора C достаточно большой емкости.
Определим квазидобротность такой схемы как отношение действующего значения тока в катушке к усредненному току, который каскад потребляет от источника питания:

(2) Потребляемый ток определим как:

 

(3) где P – это активная мощность, E – напряжение
питания каскада. Учитывая, что все потери мы условно свели в резистор r , потребляемая мощность будет составлять :

(4) Амплитудное значение тока через катушку составит: 

(5) Действующее значение тока для треугольного закона определяется как:

 

(6) Подставляем формулы (3),(4),(5),(6) в формулу (2) и получаем:

(7) Сравним эту формулу с формулой для добротности параллельного колебательного контура:

(8) которую с учетом формулы (1) и заменив F=1/T можно переписать в виде:

 

(9) В результате мы видим, что формулы (7) и (9) идентичны с точностью до постоянного коэффициента! Т.е., имея датчик с заданными параметрами L и r , мы можем получить близкие
энергетические показатели, как для резонансного, так и для нерезонансного возбуждения. При этом в случае колебательного контура для каждой рабочей частоты потребуется подстройка в резонанс с помощью контурного конденсатора. В случае же
мостовой схемы никаких подстроек датчика не требуется! Высокая энергетическая эффективность этой широкополосной схемы стала возможной не только в теории, благодаря достижениям современной силовой электроники, после появления мощных транзисторов, которые имеют ничтожно малое сопротивление в открытом состоянии
(единицы-десятки миллиОм) и обладают способностью проводить ток в обоих направлениях. Справедливости ради следует также заметить, что в колебательном контуре протекает гармонический ток, а в рассмотренной схеме ток имеет треугольную форму. При разложении такого колебания в гармонический ряд амплитуда первой гармоники составит 81% от амплитуды треугольного колебания, амплитуда 3-й
гармоники составит 9%, амплитуда 5-й гармоники 2.4% и т.д. Теоретически высшие гармоники во многочастотном металлоискателе тоже можно использовать с пользой.
Можно, например, вести одновременный анализ переизлученного мишенью сигнала как на основной частоте, так и на частотах гармоник, как это предлагается в [7].».
Однако из-за того, что высшие гармоники в треугольном сигнале имеют небольшой вес, более предпочтительным будет попеременное излучение сигналов разной частоты. Если частота излучаемого сигнала изменяется достаточно быстро (время “стояния” на одной частоте менее единиц миллисекунд), то можно говорить о
квазиодновременном многочастотном излучении. В этом случае датчик металлоискателя, который перемещается над мишенью, успевает облучить ее на всех частотах. Некоторые производители металлодетекторов используют именно такой принцип излучения в своих многочастотных приборах. Конкретный вид эпюры напряжения одного из таких приборов можно посмотреть, например, здесь
[3]. Напоследок следует отметить еще одно положительное
свойство нерезонансного возбуждения датчика. Это техническое решение позволяет избавиться от контурного конденсатора. А ведь в реальных резонансных схемах этот контурный конденсатор является “узким местом”. Он должен обеспечивать очень высокую температурную стабильность при достаточно высокой емкости. Поэтому такие конденсаторы дефицитны и недешевы.

3.Схемотехника приемной части

Одна из основных технических проблем в индукционных  металлоискателях — это выделение слабого сигнала от мишени на фоне мощного сигнала передатчика [4,5]. В индукционных одночастотных приборах обычно используются специальные схемы компенсации (см. Рис.6.), с помощью которых осуществляется подавление прямого прохождения сигнала с выхода передатчика на вход приемника.

 
Рис.6. Эти схемы можно условно разделить на чисто  хемотехнические и “пространственные”. В первом случае компенсирующий сигнал формируется с помощью специального фазосдвигающего каскада. Такие схемы используются, например, в однокатушечных индукционных металлоискателях [4,5]. Применительно к многочастоным металлоискталям этот способ выглядит малоперспективным, т.к. создание таких широкополосных схем
является нетривиальной задачей. Во втором случае компенсация достигается за счет такой пространственной ориентации передающей и приемной катушек (в некоторых схемах еще и компенсирующей катушки), которая минимизирует прямое прохождение сигнала [4]. Это, например, датчики с дубль-D катушками, с концентрическим расположением катушек и др. Как показала практика, такие схемы
обладают компенсирующим эффектом в широком диапазоне частот и поэтому могут быть успешно использованы во многочастотном металлоискателе. Рассмотрим теперь другой аспект, важный для многочастотного прибора. В классических одночастотных
металлоискателях приемная катушка, как правило, включается в состав колебательного контура (См. рис.7.). Основной смысл такого подключения — это сужение полосы пропускания приемного тракта, что позволяет улучшить помехозащищенность. Второе полезное свойство, которое дает резонансное включение — датчик не вносит дополнительных фазовых сдвигов в принимаемый сигнал.
Рис.7.

При переходе к многочастотной схеме опять, как и в случае передающего тракта, появляются две альтернативы – либо широкополосная схема, либо сложная перестраиваемая узкополосная схема. Как уже было написано выше, узкополосная схема позволяет получить более высокое отношение сигнал-помеха. Нельзя сказать, что применительно к металлоискателям этот фактор вносит столь же решающую роль, как для случая обычных радиоприемных устройств,
потому что радиосигналы в диапазоне до 30кГц очень быстро затухают при удалении от источника излучения. Тем не менее, это свойство на практике полезно – например, в случае работы близко расположенных металлоискателей (на разных частотах), в случае работы возле высоковольтной линии электропередач и т.д. На наш взгляд наиболее приемлемым компромиссным вариантом построения приемного
тракта многочастотного металлоискателя является вариант, показанный на Рис.8.

Рис.8.

 Полосовой усилитель ПУ подавляет сигналы, которые расположены вне рабочего диапазона частот многочастотного  металлоискателя. Эта схема может быть реализована с применением активных RC
фильтров и не представляет трудностей при проектировании. В общем случае такая схема будет иметь частотозависимую фазовую характеристику. Т.е. на разных частотах тракт будет вносить разные фазовые сдвиги и этот факт нужно учитывать при анализе сигнала, принятого от мишени.

4.Синхронные детекторы

 Дискриминация целей в индукционных металлоискателях основана
на анализе фазового сдвига между излучаемым сигналом и сигналом, принятым от мишени. Для вычисления этого фазового сдвига обычно используют синхронную квадратурную демодуляцию (См. Рис. 9.)

Рис.9.

 На демодулятор X подается опорный сигнал с той же частотой и фазой, что и на передающий усилитель. На демодулятор Y подается сигнал, сдвинутый по фазе на 90?. Зная напряжение на выходах X и Y демодуляторов можно вычислить фазовый сдвиг между излученным ипринятым сигналами по формуле (10)

 

(10) При переходе к многочастотному прибору решением “в лоб” будет набор из X,Y демодуляторов под каждую частоту. В случае, если частоты излучаются попеременно, задача упрощается – в этом случае сигналы на всех частотах можно демодулировать с помощью одного и
того же набора X,Y демодуляторов, изменяя опорную частоту демодуляторов синхронно с излучаемой частотой. Эту идею можно развить дальше и обойтись вообще одним демодулятором! На Рис.10. изображена упрощенная схема такого демодулятора.

 

Рис.10.

Схема содержит набор “запоминающих” конденсаторов,
количество которых равно удвоенному числу рабочих частот. Принцип работы такого демодулятора поясняет Рис. 11.

 

Во время излучения частоты F1(интервал F1x) с помощью аналогового коммутатора K2 сначала подключается конденсатор C1x, а на опорный вход демодулятора (на коммутатор K1) подается сигнал с частотой F1 и нулевым фазовым сдвигом (относительно сигнала передатчика). В конце интервала F1x с выхода демодулятора производится
считывание (например, с помощью АЦП) демодулированного X сигнала для частоты F1.
В начале интервала F1y отключается конденсатор C1x и подключается конденсатор C1y, а на опорный вход подается сигнал с частотой F1, сдвинутый по фазе на 90? относительно сигнала передатчика. В конце
интервала F1y считывается демодулированный сигнал Y для частоты F1. Далее процесс повторяется для остальных рабочих частот.
В результате после излучения всех частот мы имеем емодулированные X и Y сигналы для всех этих частот (на Рис.11. эти сигналы изображены для некоторой условной мишени). Благодаря тому, что для демодуляции каждого сигнала используется свой “запоминающий” конденсатор, переходной процесс на выходе демодулятора при смене
частот существенно сокращается. Предложенная схема кроме простоты обладает еще одним полезным свойством. Т.к. демодуляция X и Y сигналов осуществляется с помощью одной и той же схемы, мы получаем идеальное согласование коэффициентов передачи для обеих компонент. Это позволяет получить высокую точность вычисления
фазы без применения специальных мер по согласованию коэффициентов передачи в каналах X и Y.

5.Остальные каскады

При многочастотной обработке получается довольно обширный объем информации, который несут в себе демодулированные сигналы для каждой частоты. Обработка таких сигналов в аналоговой форме, в общем-то, проблематична. Поэтому вполне оправдано дальнейшую
обработку вести в цифровой форме. Благо сейчас вполне доступны недорогие высокопроизводительные микроконтроллеры и сигнальные процессоры. Т.е. после синхронного детектора ставится АЦП, который переводит демодулированные сигналы в цифровую форму, а вся последующая обработка (фильтрация, подавление сигнала от
грунта, распознавание типа мишени и т.д.) выполняется с помощью
микроконтроллера. Кроме цифровой обработки сигналов на этот микроконтроллер разумно будет “навесить” и другие задачи: генерацию многочастотного сигнала, звуковую и визуальную индикацию, интерфейс пользователя и т.д. Описание
алгоритма функционирования цифровой части многочастотного металлоискателя выходит за рамки этой статьи.

6.Заключение

 В настоящий момент закончены испытания многочастотного индукционного металлоискателя нашей разработки, в котором используются изложенные выше принципы. Прибор показал
неплохие характеристики, с которыми можно ознакомиться здесь
[6]. Техническое описание этой конструкции планируется
опубликовать в отдельной статье.

Популярные запросы


Catalog-Moldova - Ranker, Statistics Rambler's Top100

Портал Электриков — Новости и комментарии из мира техники