Хотя большинство людей понятия не имеют, что находится внутри блока управления металлоискателя, многие на самом деле неправильно понимают, что находится в датчике на другом конце штанги и как это работает. В этой статье мы заглянем внутрь!
Электромагнетизм
Многие детекторы называют катушку антенной. Это не так, по крайней мере, классическим способом использования антенн. Подобно антенне, он преобразует электрический ток в электромагнитную (ЭМ) энергию и наоборот. Но электромагнитная энергия, производимая антенной, ведет себя по-разному в зависимости от того, насколько далеко она находится. Обычно есть две области: ближняя и дальняя. Переход между двумя областями постепенный, но в основном он происходит на расстоянии одной волны. В любом из этих регионов электромагнитная энергия ослабевает по мере удаления от нее. Это потому, что энергия распространяется во все большее и большее пространство1. В дальней зоне электромагнитная энергия спадает как функция 1 / d2 (где d -это расстояние), как и следовало ожидать от базовой алгебры, где площадь поверхности сферы пропорциональна r2 ( радиус). В ближнем поле происходят странные вещи, и энергия падает в зависимости от 1 / d3. Это намного хуже, и я дам вам два предположения относительно того, в какой области работает детекторная петля2. Почему? Что ж, посмотрите на длины волн, с которыми мы работаем. Возьмем типичный VLF 10 кГц — длина волны — это скорость света, деленная на частоту, или
Ответ — 30 000 метров, или примерно 18-1 / 2 мили! Согласно классической теории антенн, такие элементы, как диполи и кольцевые петли, наиболее эффективны при передаче энергии, когда их размеры (длина или окружность) равны четверти длины волны. В нашем случае нам понадобится петля диаметром около 1-1 / 2 мили. Не подходит для точного определения местоположения. В качестве альтернативы рассмотрим классическую телевизионную антенну Яги-Уда, которая висит на многих крышах. УКВ-диапазон низкочастотного канала составляет около 75 МГц, поэтому длина
волны составляет
или 4 метра, а четверть длины волны — 1 метр. Это позволяет получить антенну разумного размера, и, действительно, она размером с обычную телевизионную антенну. Очевидно, что размер наших катушек далек от оптимального для распространения классических электромагнитных волн (в ОНЧ), и мы действительно не для этого используем их. То есть нас не интересует распространение (или получение) волны на расстояние в несколько миль. Мы используем его больше как индуктор и смотрим на искажения магнитного поля вблизи. Большинство петлевых катушек наматываются как тонкие пончики с использованием нескольких витков изолированного провода. Если вы пропустите ток через такую катушку, она создаст поле, как показано на рис. 1.
Постоянный ток (DC) будет генерировать статическое магнитное поле, а переменный ток (AC) будет генерировать переменное магнитное поле. Нас интересует поле переменного тока, которое мы для простоты назовем электромагнитным полем. Когда мы приближаем вторую катушку к первой, сигнал от первой катушки будет передаваться во вторую катушку посредством индукции. Индукция невероятно полезна, и именно так работают трансформаторы. Эффективность индуктивной связи зависит от нескольких факторов, таких как размещение катушки и материал сердечника, на который они намотаны. В трансформаторах используется железо или сталь для повышения эффективности связи, а в катушках металлоискателей используется воздух.Если вы поднесете кусок металла к полю, электромагнитная энергия вызовет в металле круговые токи, известные как вихревые токи, которые, в свою очередь, создают обратное электромагнитное поле. Итак, теперь у нас есть передающая катушка, создающая электромагнитное поле, и металлическая цель, достаточно близкая для создания обратного электромагнитного поля (см. Рис. 2).
Помните, что я использую термин «ЭМ» в широком смысле слова; все, что нас действительно интересует, — это переменное магнитное поле. Теперь нам нужен способ обнаружить индуцированное поле цели. Имейте в виду, что это очень маленькое поле в присутствии гораздо большего поля передачи, поэтому для оптимального обнаружения нам нужно избавиться от поля передачи. Это похоже на попытку услышать чей-то шепот на рок-концерте. В детекторе PI мы делаем это, быстро выключая передатчик и «прислушиваясь» к слабому отклику цели. Детекторы типа VLF непрерывно передают сигнал, поэтому нам нужно сделать что-то другое. Как я сказал ранее, вторую катушку можно разместить так, чтобы она индуктивно взаимодействовала с передающей катушкой. Путем осторожного размещения мы также можем поместить вторую катушку в «ноль» поля передачи, так что связи не будет. В таком случае мы говорим, что катушки индуктивно сбалансированы, и отсюда происходит термин «индукционный баланс» (IB). Индукционный баланс -это метод, используемый для того, что большинство людей называют детекторами VLF, TR и даже «RF» (двухблочные). Тем не менее, IB может быть применен и к детекторам PI и даже BFO.
Типы катушек
Таким образом, передающая катушка создает сильное электромагнитное поле; цель создает крошечное обратное электромагнитное поле посредством индукции; и нам нужна приемная катушка, которая будет игнорировать гигантское поле передачи при обнаружении крошечного целевого поля. Без проблем. Решение состоит в том, чтобы каким-то образом «сбалансировать» приемную катушку, чтобы передающее поле не вступало с ней в индуктивную связь. Есть разные способы сделать это, включая механический баланс и электрический баланс. Давайте сначала рассмотрим механические методы, поскольку я думаю, что это то, что сейчас все используют. На рис. 3 показан один из самых ранних методов индукционного баланса.
Вы должны узнать в нем локатор с двумя ящиками или то, что некоторые люди называют «RF» детектором. В этом случае приемная катушка повернута на 90 ° к передающей катушке и размещена так, чтобы она лежала точно вдоль изомагнитных линий передающего поля. Таким образом, на приемную катушку не проникает магнитное поле, и, следовательно, не будет наведенного тока. Индуктивная связь теоретически равна нулю. При таком подходе есть как минимум пара проблем. Вы можете сжать катушки и надеть их на конец вала, но ортогональная ориентация катушек приведет к громоздкой поисковой головке. В статье 1969 года в Popular Electronics такая конструкция описана с использованием трех катушек. Вторая проблема заключается в том, что балансировка грунта в минерализованной почве затруднена. Как только катушки переместятся к земле, любая минерализация начнет сжимать передаваемое поле только с одной стороны и вывести баланс из строя. На рис. 4 показан еще один ранний метод достижения баланса индукции в катушке.
Рис. 4 ˝ОО Катушка˝
Приемная катушка немного перекрывается с передающей катушкой, так что часть внутреннего поля катушки TX проходит через катушку RX, а часть внешнего поля катушки TX также проходит через катушку RX. Внутреннее и внешнее поля катушки TX имеют противоположную «полярность», поэтому, если катушка RX точно расположена, можно добиться компенсации эффектов полей. Катушки этого типа часто называют копланарными, потому что катушки TX и RX лежат в одной плоскости.Для катушки TX наибольшая напряженность электромагнитного поля находится вдоль воображаемой оси, проходящей через центр катушки (см. Рис. 1). Точно так же катушка RX наиболее чувствительна к сигналам цели вдоль оси, проходящей через ее центр. Для такого типа расположения катушек эти оси не совпадают. Оказывается, область наибольшей чувствительности находится там, где две катушки перекрываются. Поскольку это не самая высокая чувствительность ни для одной из катушек, этот метод имеет несколько более низкую общую чувствительность, чем другие методы. На рис. 5 показан вариант конструкции с перекрытием, ставший очень популярным.
Рис. 5 ˝DD Катушка˝
Части перекрытия катушек несколько сглажены, что дает три улучшения. Во-первых, общая форма поисковой головки круглая. Во-вторых, область перекрытия — по-прежнему область наибольшей чувствительности — теперь проходит от передней части к задней части катушки, образуя длинную узкую зону обнаружения. В-третьих, оси наивысшей чувствительности для каждой катушки перемещаются ближе к области перекрытия, что улучшает глубину. В этом варианте каждая катушка выглядит как буква «D», поэтому общий тип обычно называют «DD» или «двойной D» катушкой. Хотя катушки с перекрытием, вероятно, восходят к самым ранним экспериментам с индукцией (1830-е годы) и определенно использовались в начале 20-го века, катушка DD, похоже, была изобретена компанией Compass Electronics в начале 1970-х годов. Сейчас это второй по популярности тип катушек, который почти исключительно используется в детекторах Minelab. На рис. 6 показан другой метод достижения баланса в блинной катушке. Это обычно называется коаксиальной катушкой, потому что все катушки расположены вдоль одной центральной оси.
Рис.6 ˝Коаксильная катушка˝
Передающая катушка помещается между двумя приемными катушками, а приемные катушки соединены друг с другом, так что их индуцированные токи нейтрализуются. В качестве альтернативы вы можете расположить приемную катушку между двумя передающими катушками, соединенными друг с другом, так что их поля нейтрализуются прямо в середине, где расположена приемная катушка (рис. 7).
Рис.7 ˝Коаксильная катушка 2˝
Коаксиальная катушка использовалась в ранних VLF-машинах Garrett и детекторах Cat от C&G Technology, а может быть, и в других. Я считаю, что блоки C&G фактически использовали модифицированную коаксиальную конструкцию, в которой приемные катушки меньше передающей катушки. Это по-прежнему обеспечивает баланс индукции, а также снижает амплитуду сигнала заземления для лучшего отношения цели к земле. Расположение коаксиальной катушки обычно имеет небольшое ухудшение глубины из-за частичного подавления сигнала между катушкой «+» и катушкой «-». Однако у него есть одно явное преимущество. Поскольку баланс индукции достигается в вертикальном направлении, это снижает чувствительность всей катушки к металлическим целям на краю пакета. Это позволяет коаксиальной катушке приближаться к таким объектам, как металлические столбы ограждения, не обнаруживая их. Сегодня единственные коаксиальные катушки, которые производятся поставщиками послепродажного обслуживания.На рис. 8 показана компланарная конструкция катушки, которая была очень популярна в 1970-х и начале 80-х годов. Его обычно называют петлей «4B», и она широко использовалась в детекторах TR и VLF от White’s и Bounty Hunter.
Рис. 8 ˝4В катушка˝
Небольшая часть передающей катушки загнута внутрь, и приемная катушка проходит поперек этого участка. Сложенная часть создает меньшее поле обратной передачи вокруг приемной катушки, которое компенсирует большее поле передачи. Многие детекторы сегодня используют концентрическую катушку, показанную на рис. 10.
Рис. 10 ˝Виды концентрированных катушек˝
Обычно, если вы размещаете приемную катушку концентрично внутри передающей катушки, вы получаете массу индуктивной связи. Хитрость здесь в том, чтобы добавить компенсирующую катушку, которая представляет собой другую передающую катушку, размещенную очень близко к приемной катушке. Компенсирующая катушка получает сигнал передачи в противофазе и вблизи приемной катушки подавляет основное поле передачи. Компенсирующую катушку можно разместить сразу за приемной катушкой, внутри или даже прямо над ней. Другой способ сконфигурировать концентрическую катушку -использовать встречную приемную катушку, которая расположена рядом с передающей катушкой, но подключена не в фазе, как на рис. 10. Я считаю, что в большинстве концентраторов используется компенсация передачи. катушка, но я не уверен, какое именно размещение наиболее распространено. Концентрическая катушка фирмы White’s. Одна прядь проволоки (перевязанная лентой) используется для точной настройки баланса. Черный объект представляет собой проводящую резину, которая прижимается к экрану, напыляемому на другую половину оболочки катушки. За исключением Minelab, концентрическая катушка является стандартной практически для всех детекторов. Концентрические катушки имеют лучшую общую чувствительность среди всех типов катушек и относительно просты в изготовлении. В большинстве случаев приемная катушка составляет половину диаметра передающей катушки, хотя это не обязательно. В некоторых катушках Фишера принимающая катушка имеет эллиптическую форму. В катушках для визуализации Garrett есть две приемные катушки; один примерно на половину диаметра катушки TX, а другой примерно на 1/4 диаметра TX. Последней интересной конфигурацией контура является «фигура 8», показанная на рисунке 11. Контур TX скручен в виде цифры 8, поэтому он создает как положительное, так и отрицательное поле. Когда катушка RX находится в центре кроссовера, она видит одинаковую величину каждого поля и индуктивно сбалансирована. У этой конфигурации катушки есть две особенности. Во-первых, поле передачи имеет нулевое значение на кроссовере, поэтому теоретически оно будет иметь низкую чувствительность в центре. Во-вторых, передающее поле в передней половине катушки будет сдвинуто по фазе на 180 ° по фазе с полем задней половины. Это означает, что в схеме с фазовой дискриминацией правильный идентификатор цели будет работать только на половине. Петли-восьмерки можно делать разными способами. Также на Рис. 11 показан один с удлиненной катушкой RX, которая создает длинную и узкую зону обнаружения, обеспечивая более быстрое покрытие земли. На этом же рисунку показывают катушку RX на со стандартной катушкой TX; у этого есть те же недостатки, что и у катушки TX, как у восьмерки. И последняя на рисунку представляет собой двойную восьмерку, которая дает точный идентификатор фазы для центральной части катушки и с двумя нулями от центра.
Рис. 11 ˝Фигурные восьмёрчастые типы катушек˝
Есть много других интересных способов создания индуктивно сбалансированных контуров, но они охватывают подавляющее большинство, которые вы встретите на рынке. С любой катушкой IB хороший баланс очень чувствителен к точному размещению приемной катушки, и даже небольшое перемещение приемной катушки нарушит баланс. Обычно все катушки размещаются в форме, отрегулированной для почти оптимального баланса, затем их заливают канифолью. Чтобы отрегулировать баланс после схватывания эпоксидной смолы, одну петлю провода можно оставить свисающей и перемещать, а затем приклеить на место.Эффект грунта. Хорошего баланса довольно легко достичь, когда катушка находится в воздухе, вдали от всего, что может исказить поле и нарушить баланс. Когда металлическая цель приближается, это нарушает баланс, чего мы и хотим. Но почва часто содержит минералы, которые также искажают поле TX, и это может создавать нежелательный сигнал RX. Когда катушка опускается на землю, почва искажает поле TX, эффективно подавляя поле только на нижней стороне катушки. См. Рис. 12.
Рис. 12 ˝Земляной эффект на катушку˝
Это происходит не из-за вихревых токов, как в случае с металлической мишенью, а из-за сдвига проницаемости, подобно тому, как порошковый железный сердечник используется для увеличения мощности индукторов. Верхняя сторона катушки все еще видит воздух, поэтому поле, проецируемое вверх, не сжимается. Для большинства катушек это нарушит индукционный баланс и создаст сигнал RX. Мы будем называть это «наземным сигналом», чтобы отличать от сигнала цели. Металлоискатели решают эту проблему, обеспечивая контроль «баланса грунта». Полное изучение этой техники выходит за рамки данной статьи, но мы сделаем полет на большой высоте. Большинство детекторов идентифицируют металл по фазовой характеристике целевого сигнала. Когда катушка находится в воздухе, сигнал заземления отсутствует, поэтому, когда цель движется перед катушкой, результирующий сигнал RX будет состоять только из фазы сигнала цели. Но с катушкой на земле теперь есть постоянный сигнал земли, который имеет свою собственную фазу, и любая фаза сигнала цели будет добавлена к фазе сигнала земли. По сути, баланс грунта регулирует опорную фазу, с которой сравнивается фазовая характеристика металлической цели; т.е. обнуляет фазу сигнала заземления. Однако он не устраняет и даже не уменьшает сигнал заземления, воспринимаемый катушкой RX или последующей схемой приема. Это означает, что высокоминерализованная земля может создавать сигнал земли большой амплитуды, который может перегрузить приемную схему или, по крайней мере, снизить чувствительность к металлическим целям. К настоящему времени вы должны думать, что количество создаваемого сигнала заземления зависит от конструкции катушки. Хорошая конструкция должна поддерживать индукционный баланс даже тогда, когда минерализованная почва сжимает поле TX. Интуитивно понятно, что катушка на фигуре 8 должна быть безоговорочным победителем, особенно такая, как на рисунке 16. Независимо от того, как сжимается поле TX, катушка RX всегда будет иметь отличное подавление. Катушки DD рекламируются за их хорошую работу в плохой почве, поэтому они являются стандартным типом катушек для катушек Minelab. В Австралии, вероятно, самая минерализованная почва в мире. Также интуитивно понятно, что катушка DD будет работать хорошо, потому что часть сигнала TX находится вне катушки RX, а часть — внутри. Пока сжатие поля не изменяет соотношение внутренней и внешней частей, баланс сохраняется. Но пропорции немного изменены из-за сплющенных сторон в области перекрытия. Скорее всего, катушка «ОО» (рис. 4) будет еще менее чувствительна к сжатию поля. Самая популярная катушка конценрическая, не так хорошо работает на плохих грунтах. Сжатие поля TX влияет на основную катушку TX гораздо больше, чем на компенсирующую катушку TX4, и приводит к дисбалансу. Ортогональные катушки также плохо работают, как и коаксиальные катушки.
Моно катушки
До сих пор все катушки, которые мы рассматривали, предназначены для индукционного баланса. Некоторым детекторам не требуются сбалансированные катушки. В старых детекторах BFO использовалась одноконтурная катушка, обычно называемая моно катушкой. В BFO частота колебаний поисковой катушки сравнивается с частотой колебаний небольшой катушки в блоке управления, и обнаруживается сдвиг частоты, вызванный металлической целью. BFO ушел в прошлое, но современные детекторы PI также используют моно катушки. Детектор PI передает магнитное поле, а затем быстро отключает его, чтобы прослушать принимаемый сигнал. Его можно получить с помощью той же катушки. Хотя моно катушки обычно имеют круглую форму, они действительно могут иметь любую форму: овальную, квадратную5 и даже треугольную6. Катушки PI обычно имеют низкую индуктивность и могут быть изготовлены на печатной плате вместо обмотки.
Про динамический и статический режим автор забыл написать.