Министерство образования
Российской Федерации
Новосибирский
государственный технический университет
КУРСОВОЙ
ПРОЕКТ
на тему
«Металлоискатель. Расчет параметров»
Факультет: Преподаватель:
Группа:
Студенты:
Новосибирск
2011
Оглавление
Постановка задачи. 3
Исходные данные. 3
Теоретическая часть. 4
Расчетная часть. 7
Заключение. 8
Список литературы. 9
Постановка задачи.
1. Обзор современных металлоискателей,
их принципов построения.
2. Расчет рабочей частоты
контура и индуктивности рамки.
3. Построить зависимость
f(h)
4. Определить предельную
дальность работы датчика для
рассчитанной частоты.
Исходные данные.
Rрамки
(радиус рамки) = 0.1м
Rпоп.сеч.р. (радиус поперечного
сечения провода) 4*10-3м
Rоб.поиска (даиус объекта
поиска) 0.05 и 0.1м
Cпар (емкость автогенератора
паразитная) 15пФ
Iв конутре. (ток в контуре
5мА)
Метод расчета – по электромагнитному
полю.
Теоретическая часть.
Металлоиска́тель
(металлодетектор) — электронный
прибор, позволяющий обнаруживать металлические
предметы в нейтральной или слабопроводящей
среде за счет их проводимости. Металлоискатель
обнаруживает металл в грунте, воде,
стенах, в древесине, под одеждой
и в багаже, в пищевых продуктах,
в организме человека и животных
и т. д. Благодаря развитию микроэлектроники
современные металлоискатели являются
компактными и надежными приборами.
Немецкий
физик Хайнрих Вильхельм Дофе
(нем. Heinrich Wilhelm Dove) изобрел систему
индукционного баланса, которая
вошла в металлоискатель сто
лет спустя.
Различные модели металлоискателей работают
на различных частотах. Это связано
с физикой явления распространения
электромагнитных волн. Так металлоискатели,
работающие на низких частотах, могут
находить предметы глубоко, но большого
размера. При этом на поверхности
земли они не в состоянии заметить
металлические предметы. Если частота
работы металлоискателя высокая, то
приборы хорошо обнаруживают мелкие
объекты, но не могут находить предметы
в глубине почвы.
Пример частот металлоискателей по
назначению:
Глубинные металлоискатели работают,
напр., на частоте — 6,6 кГц. Глубина
обнаружения — около 4 м.
Грунтовые металлоискатели для
поиска мелких предметов — до 22,5
кГц. Глубина обнаружения, например
каски — около 1-1,5 м, монеты —
до 40 см.
Виды металлоискателей
По принципу работы
- Приборы типа «приём-передача». В основе их лежат две катушки индуктивности — приёмная и передающая, расположенные так, чтобы сигнал, излучаемый передающей катушкой, не просачивался в приёмную катушку. Когда вблизи прибора появляется металлический предмет, то сигнал передающей катушки переизлучается им во всех направлениях и попадает в приёмную катушку, усиливается и подаётся на блок индикации.
Достоинства: относительно простая схемотехника, широкие возможности для определения типа обнаруженного объекта.
Недостатки: сложность изготовления датчика, влияние минерализации грунта.
- Индукционные металлоискатели. Представляют собой разновидность приборов типа «приём-передача», однако в отличие от последних содержат не две, а только одну катушку, которая одновременно является и передающей и приёмной. Основной трудностью при создании подобных приборов является выделение весьма малого отражённого (наведённого) сигнала на фоне мощного передаваемого (излучаемого).
Достоинства: простота конструкции датчика.
- Приборы — измерители частоты. В их основе лежит LC-генератор. При приближении металла к контуру его частота изменяется. Это изменение фиксируется различными методами:
- Смешивание частоты генератора с эталонной и измерение частоты биений.
- Подача сигнала с генератора на систему ФАПЧ и измерение напряжения в цепи обратной связи.
Достоинства: простота конструкции датчика, простая схемотехника.
Недостатки: худшие возможности дискриминации обнаруженных объектов, малая чуствительность.
- Импульсные металлоискатели — принцип работы основан на возбуждении в зоне расположения металлического объекта импульсных вихревых токов и измерении вторичного электромагнитного поля, которое наводят эти токи. В данном случае, возбуждающий сигнал передается в катушку датчика не постоянно, а периодически, в виде импульсов. В проводящих объектах наводятся затухающие вихревые токи, которые возбуждают затухающее электромагнитное поле. Поле, в свою очередь, наводит в катушке датчика затухающий ток. Соответственно, в зависимости от проводящих свойств и размера объекта, сигнал меняет свою форму и длительность.
Достоинства: нечуствительность к минерализированному грунту, простота конструкции датчика.
Недостатки: повышенное потребление энергии, слабые возможности дискриминации.
В профессиональных металлоискателях
могут совмещаться несколько
способов обнаружения объектов.
По выполняемым задачам
- Грунтовый металлоискатель — предназначен для поиска кладов, монет и ювелирных изделий. Как правило, построен по индукционной технологии. Имеет множество настроек, DSP-процессор, дискриминатор металлов — специальную функцию для определения металла, из которого предположительно состоит объект в земле. Глубина обнаружения объектов от 20 см до 1 метра.
- Военный металлоискатель (миноискатель) — предназначен для поиска преимущественно мин. Как правило, построен на принципе «приём-передача». Имеет минимум настроек. Глубина обнаружения мины от 20 см (советский миноискатель ИМП) до 1 метра (современные военные миноискатели ИМП-2).
- Досмотровый металлоискатель — ручной металлоискатель предназначенный для служб безопасности. Служит для обнаружения на теле человека металлических предметов (пистолет, нож). Дальность обнаружения пистолета Макарова — до 25 см.
- Арочный (рамочный) металлоискатель — досмотровый металлоискатель, используюемый для контроля больших потоков людей, например, в метро, на вокзалах. Представляют собой рамку, через которую проходит человек.
- Глубинный металлоискатель — предназначен для поиска больших глубинных целей, таких как сундук с золотом. Имеет две разнесённые друг от друга катушки, либо одну большую рамку с катушкой. Основан на принципе «приём-передача». Отличительной особенностью данного вида металлоискателей является то, что он реагирует не только на металлы, но и на любые изменения в глубине грунта (переходы от одной почвы к другой, старые фундаменты зданий и т. д.). Глубина обнаружения объектов от 50 см до 3 метров.
- Магнитометр — предназначен для поиска ферромагнитных предметов (например железо). Данный вид металлоискателей самый компактный и самый чувствительный, так как поисковая головка может поместится на ладони. Также магнитометры могут применяться и для поиска золота, меди, алюминия… Но для этого нужен дополнительно возбудитель, который будет делать из неферромагнитных металлов, образно говоря, электромагниты.
Расчетная часть.
Расчет
параметров индукционного датчика
производился в среде MathCAD
Рассчитаем
индуктивность катушки датчика:
Рамка входит в состав колебательного
контура автогенератора, паразитную
емкость которого принимаем 15 пФ (складывается из паразитной
емкости транзистора, емкости монтажа
и емкости рамки). Расчетная формула для
определения рабочей частоты автогенератора:
Рассмотрим случай, когда электромагнитное
поле создаваемое индукционным датчиком
направлено только вдоль оси Х, тогда
магнитную составляющую напряженности
данного поля на расстоянии h от датчика
можно рассчитать по формуле:
- магнитный
момент рамки
k – постоянная
распространения электромагнитных волн
в воздухе:
где f – рабочая частота датчика; с – скорость света
м/с.
ОП при взаимодействии с датчиком
сам становится источником индуцированного
электромагнитного поля, которое
может быть уподоблено полю, создаваемому
одновитковой рамкой, с магнитным
моментом, величина которого определяется
по формуле :
Зная m, можно определить напряженность
поля в месте положения датчика:
Первичное поле создаваемое в датчике:
При принятых допущениях
и выбранных параметрах рамка
обеспечивает
. В результате взаимодействия поля, создаваемого
датчиком, с полем, индуцированным ОП,
датчик изменяет свою начальную напряженность
поля. Это эквивалентно изменению индуктивности,
то есть происходит относительное изменение
индуктивности при взаимодействии с ОП,
что приводит к изменению частоты, по которому
можно определить расстояние до объекта:
Заключение.
В ходе данной
работы были изучены методы построения
современных металлоискателей и рассмотрены
принципы их работы.
Был произведен
расчет параметров металлоискателя и
построена зависимость частоты от расстояния.
- Рабочая частота — f = 6.154×107
Гц;
- Построена зависимость Δf(h);
- Определено максимальное расстояний на котором датчик может засечь объект. Расстояние равно 0.5м
Список литературы.
1. Дениова
Е.В. Легкий В.Н. Принцип построения автономных
систем обнаружения скрытых объектов.
Учебное пособие. Новосибирск 2012.
2. http://www.zaotimer.ru/grot/grot11.htm
3. http://www.evit.ru/show_full.asp?uic=23082007112955
4. http://www.bnti.ru/des.asp?itm=1591&tbl=02.17
Приложение 1.