способ обнаружения металлических объектов

Формула изобретения

Способ обнаружения металлических объектов, в том числе расположенных в маскирующих или скрывающих непроводящих или слабо проводящих электрический ток средах, основанный на возбуждении их импульсным магнитным полем и регистрацией магнитного поля токов, вызванных переходными процессами в них, путем выборки измеряемого сигнала во время воздействия возбуждающих импульсов магнитного поля, отличающийся тем, что в качестве источника возбуждающего поля используют импульсную последовательность линейно изменяющихся импульсов поля треугольной формы высокой линейности со скважностью импульсов равной или большей 1,5, имеющих последовательно фазу нарастания магнитного поля, фазу спада магнитного поля и фазу отсутствия магнитного поля, измерения производят в течение каждой фазы стробированием сигналов не менее чем в двух временных коррелированных положениях в каждой фазе, при этом каждая первая выборка удалена от начала фазы на промежуток времени, определяемый длительностью затухания собственных переходных процессов датчика, каждая вторая выборка удалена от каждого начала фазы на промежуток времени равный или больший постоянной времени переходного процесса объекта, при обработке сигналов в каждой фазе вычисляют разность сигналов между первой и второй выборками, абсолютные значения полученных разностей в первой и второй фазах суммируют, фильтруют, усиливают и используют для обнаружения объектов путем сравнения с некоторым устанавливаемым пороговым уровнем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области обнаружения электропроводящих тел в непроводящих или слабопроводящих электрический ток средах с использованием индуктивных методов, в частности к области создания обнаружителей металлических объектов, в том числе при проведении инженерных изысканий в строительстве и сельском хозяйстве, для обнаружения мин в металлических корпусах при инженерной разведке, обнаружения огнестрельного и холодного оружия в контрольно-пропускных пунктах.

Известен способ обнаружения хорошо проводящих объектов, основанный на методе переходных процессов, в котором объекты подвергаются воздействию импульсного магнитного поля и приеме в паузах между импульсами неустановившегося магнитного поля вихревых токов, возникающих в проводящих объектах [1]:

Электроразведка: Справочник геофизика. В двух книгах / Под ред. В.К.Хмелевского и В.К.Бондаренко. Книга первая. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1989. 391-405 с.

Наиболее близким техническим решением является способ обнаружения металлических предметов, основанный на возбуждении исследуемой среды импульсным электромагнитным полем, измерении переходной характеристики среды путем двукратного стробирования измеряемого сигнала после переключения электромагнитного поля и в конце переходного процесса и определении разности этих сигналов в течение каждого полупериода возбуждающего поля, по которой судят о наличии металлических предметов [2]:

Авторское свидетельство СССР №345619, кл. G01V 3/10, 1981.

Формирование линейно изменяющегося поля при этом производится подачей на генераторный контур, образуемый катушкой индуктивности L_g (возбуждающая катушка датчика) и суммарным активным сопротивлением r в цепи коммутации генераторного контура, двухполярного прямоугольного питающего напряжения типа "меандр", при выполнении условия:

_g=L_g/r>Т _раб,

где _g - постоянная времени генераторной катушки;

L_g - индуктивность генераторной катушки;

r - активное сопротивление в цепи коммутации ГК;

Т_раб - период рабочей частоты.

Сигнал, возникающий в приемном контуре (приемных катушках датчика), стробируется дважды в течение каждого полупериода питающего напряжения. Отстройка от сигналов, вызванных нарушением ортогональности приемных и возбуждающей катушек датчика (нарушение "геометрии" датчика), осуществляется вычитанием проинтегрированных сигналов первого и второго стробов. По разностному сигналу судят о наличии металлического объекта.

Однако этому способу присущи недостатки.

Так как характер изменения тока в генераторном контуре при отсутствии проводящего объекта нелинеен и определяется выражением:

сигнал в приемных катушках индукционного дифференцирующего датчика:

e_s(t)=G_p ·d[i_g(t)·M_gp ]/dt;

G_p - коэффициент преобразования приемных катушек индукционного датчика;

M _gp - коэффициент связи магнитного поля генераторной катушки индукционного датчика с приемными катушками датчика.

В связи с нелинейностью выражения d[i_g(t)·M _gp]/dt в датчике при отсутствии проводящего объекта возникает сигнал, вызванный этой нелинейностью, что не позволяет полностью отстроиться от сигналов, вызванных нарушением ортогональности приемных и возбуждающей катушек датчика путем вычитания проинтегрированных сигналов первого и второго стробов.

Целью данного изобретения является повышение чувствительности и уменьшение влияния возбуждающего поля.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе обнаружения металлических объектов, основанном на возбуждении их импульсным магнитным полем и регистрации магнитного поля токов, вызванных переходными процессами в них, путем выборки измеряемого сигнала стробированием, в качестве источника возбуждающего поля используют линейно изменяющееся поле треугольной формы высокой линейности со скважностью импульсов

Q=(Т _Н+Т_С+Т_П)/(Т _Н+Т_С),

равной или большей 1.5, имеющее последовательно фазу нарастания магнитного поля длительностью Т_Н, фазу спада магнитного поля длительностью Т_C и фазу отсутствия магнитного поля длительностью Т_П, измерения производят в течение каждой фазы стробированиием сигналов не менее чем в двух временных коррелированных положениях в каждой фазе, при этом каждая первая выборка удалена от начала фазы на промежуток времени, определяемый длительностью затухания собственных переходных процессов датчика, каждая вторая выборка удалена от каждого начала фазы на промежуток времени, равный или больший постоянной времени переходного процесса объекта, при обработке сигналов в каждой фазе вычисляют разность сигналов между первой и второй выборками, абсолютные значения полученных разностей в первой и второй фазах суммируют, фильтруют, усиливают и используют для обнаружения объектов путем сравнения с некоторым пороговым уровнем V_por.

Сущность изобретения заключается в следующем: в связи с тем, что сигналы, вызванные переходным процессом в металлическом объекте, регистрируются во время воздействия возбуждающего импульсного магнитного поля, то с целью ослабления влияния возбуждающего поля, вызванного нелинейностью тока в генераторном контуре, в качестве источника возбуждающего поля используют линейно изменяющееся поле треугольной формы высокой линейности, измерение производят выборками сигнала в начале и конце фазы нарастания и фазы спада поля, в каждой фазе вычисляют разность сигналов между выборками, полученные разности суммируют с учетом знака. При линейном возбуждающем поле в первой и второй выборках в каждой фазе в приемных катушках индукционного датчика будет выделяться сигнал постоянной величины, вызванный первичным полем:

e_s(t)=d[i _g(t)·M_gp]/dt=const,

величина которого в первой e_s(t₁ ) и второй e_s(t₂) выборках одинакова и при вычитании их разностный сигнал будет равен нулю:

e_s(t₁ )-e_s(t₂)=0,

чем исключается или уменьшается влияние возбуждающего поля.

При наличии в зоне чувствительности датчика металлического объекта, эквивалентного замкнутому контуру с индуктивностью L _ob и активным сопротивлением R_ob, в нем под действием возбуждающего поля наводится эдс Е _ob, возбуждающая в контуре объекта ток:

где - постоянная времени контура объекта,

формирующий собственное экспоненциально убывающее магнитное поле, пропорциональное току в объекте:

H_ob(t)=I _ob(t),

которое при дифференцировании его приемными катушками датчика на выходе их создает сигналы в фазе нарастания величиной V_1-1 и V_2-1 и фазе спада V_1-2 и V_2-2 .

При обработке сигналов в каждой фазе вычисляются разности сигналов между первой и второй выборками:

V1=V _1-1-V_2-1,

V2=V _1-2-V_2-2,

абсолютные значения полученных разностей в первой и второй фазах суммируются:

V=|V1|+|V2|,

фильтруются, усиливаются и используются для обнаружения объектов путем сравнения с некоторым пороговым уровнем V_por. При V>V _por выводится сигнал об обнаружении объекта. В связи с тем, что во второй фазе эдс самоидукции индуктивности контура объекта суммируется с эдс, вызванной возбуждающим полем, V2 во второй фазе превышает величину V1. Таким образом V по величине превышает каждую отдельно взятую в каждой фазе разность:

V>V1 и V>V2,

чем объясняется повышение чувствительности.

На фиг.1а приведен рисунок, поясняющий принцип возбуждения металлического объекта и регистрации магнитного поля токов в нем, создаваемых возбуждающим полем. На нем изображен индукционный датчик, состоящий из возбуждающей (генераторной) катушки L _g и приемных катушек L1 и L2; Но - магнитное поле возбуждающей катушки, Hob - магнитное поле объекта.

На фиг.1б приведена эквивалентная электрическая схема проводящего контура объекта поиска: Lob - эквивалентная индуктивность объекта, Rob - активное сопротивление контура объекта, Eob - возбужденная эдс в контуре объекта, Iob - ток в контуре объекта.

На фиг.1в приведены эпюры напряженности возбуждающего магнитного поля Но, э.д.с. в контуре объекта Eob, тока в контуре объекта Iob и магнитного поля тока Hob, a также сигналов на выходе приемных катушек Emp, поясняющие сущность изобретения.

На фиг.2 и 3 показана функциональная схема варианта устройства, реализующего предложенный способ обнаружения металлических объектов.

Схема содержит: 1 - датчик; 2 - объект обнаружения; 3 - устройство обработки сигналов; 4 - исполнительное устройство; 5 - генератор возбуждающего тока; 6 - формирователь синхронизирующих импульсов; 8 - предварительный усилитель: 9, 10 - запоминающие конденсаторы остаточного напряжения; 11, 14 - стробирующие ключи выборок сигналов; 12, 13 - ключи запоминания остаточных напряжений; 15, 16 - устройства накопления и фильтрации сигналов; 17 - суммирующий дифференциальный усилитель; 18 - выходной оконечный усилитель.

Приведенные фигуры поясняют вариант практической реализации заявляемого изобретения в устройстве, предназначенном для обнаружения металлических объектов. Датчик, фиг.1a, состоит из возбуждающей катушки Lg и двух приемных катушек L1 и L2, включенных согласно по компонентам Hob поля объекта и дифференциально по внешнему полю. Плоскости приемных и генераторной катушек ортогональны; катушки жестко закрепляются на диэлектрическом жестком основании.

Возбуждающая катушка Lg подключена к генератору возбуждающего тока 5 (фиг.2 и 3б), создающего в ней ток треугольной формы высокой линейности и, соответственно, магнитное поле Но треугольной формы (фиг.1в). Генератор возбуждающего тока состоит из формирователя импульсов напряжения треугольной формы, получаемого с помощью интегратора 22, поочередно подключаемого с помощью ключа 20 к источнику отрицательного напряжения -U (нарастание треугольного импульса) и ключа 21 к источнику положительного напряжения +U (спад треугольного импульса). Ключи управляются импульсными последовательностями F1 и F2, поступающими с формирователя синхронизирующих импульсов 6 (фиг.2 и 3б). Формирование возбуждающего тока производится с помощью преобразователя напряжение-ток 23 (фиг.3б).

В фазе 1 поле линейно нарастает, в фазе 2 - линейно падает; в фазе 3 магнитное поле отсутствует. Магнитное поле Но наводит в контуре объекта э.д.с. Eob (фиг.1б, 1в), которая создает ток:

где - постоянная времени контура объекта,

формирующий собственное экспоненциально убывающее магнитное поле, пропорциональное току в объекте: H_ob(t)=I _ob(t). В фазе 1 (фиг.1в) индуктивность Lob заряжается, в фазе 2 эдс Eob суммируется с эдс самоиндукции, создаваемой при разряде Lob, в фазе 3 происходит разряд накопленной в Lob энергии.

Магнитное поле объекта Hob регистрируется приемными катушками L1, L2. На выходе их возникает эдс Emp (фиг.1в), пропорциональная:

E_mp=G_p·dHob/dt,

где G_p - коэффициент преобразования приемных катушек индукционного датчика.

В устройстве обработки сигналов 3 (фиг.2 и 3а) выходные сигналы с приемных катушек 7 усиливаются предварительным усилителем 8 и путем стробирования ключами 11 и 14 производятся выборки сигналов V1-1 в фазе 1 и V1-2 - фазе 2. В фазе 1 в конце переходного процесса сигнала от объекта с помощью ключа 12 в выборке V2-1 запоминается на конденсаторе 9 остаточное напряжение. Так как процессы возбуждения поля и выборок сигналов являются периодическами, то в каждой последующей выборке V1-1 происходит вычитание остаточного напряжения, накапливаемого на конденсаторе 9 в выборках V2-1.

Запоминание остаточного напряжения в фазе 2 производится с на конденсаторе 10 в выборке V2-2 с помощью ключа 13.

Сигналы с выходов ключей 11 и 14 накапливаются и фильтруются в устройствах 15 и 16 и с выходов их суммируются с учетом знаков в дифференциальном усилителе 17. С выхода оконечного усилителя 18 сигнал 19 подается на исполнительное устройство 4, в котором производится пороговый анализ и индикация срабатывания в случае превышения сигналом установленного порогового напряжения.

Устройством 6 (фиг.2 и фиг.3в) производится формирование управляющих импульсных последовательностей.