Detectores de metales — detectores de armas.
David Pavlovich Berezansky, Candidato de Ciencias Técnicas
Fuente: revista «Equipos especiales&# 187 ;
Actualmente, los dispositivos que resuelven el problema de detectar objetos conductores en un medio no conductor mediante métodos magnéticos se han generalizado en diversas áreas de la actividad humana.
p>
Los detectores de metales (detectores de metales, detectores de metales) se utilizan hoy en día en la detección de defectos (búsqueda de inclusiones metálicas en diversos materiales), prospección eléctrica de minerales, en sistemas de control de acceso, prevención de robos, etc.
Las variedades de métodos magnéticos son la inducción de corrientes parásitas con varios tipos de campos magnetizantes y el magnetoeléctrico utilizando el campo geomagnético natural de la tierra o un campo magnético artificial.
El artículo analiza los principios de funcionamiento y las características de los detectores de metales diseñados para detectar armas y artefactos explosivos en personas que visitan sitios protegidos. Los métodos de corrientes de Foucault han encontrado la mayor aplicación en este tipo de dispositivos hoy en día.
El detector de metales debe resolver el problema de la detección selectiva de ciertos metales o objetos de búsqueda (OP) que contienen metal en el fondo. de artículos personales metálicos (PLP), generalmente disponibles para los visitantes.
La detección selectiva es la capacidad de establecer la presencia de un OP en el contexto de la presencia simultánea de un PLP y no dar falsas alarmas de un PLP en ausencia de objetos de búsqueda. La detección selectiva sólo se puede llevar a cabo si el OP tiene rasgos característicos.
Estas características significan cualquiera de sus propiedades permanentes que se identifican en uno u otro método físico implementado en el detector de metales, por ejemplo. cuáles son las mayores diferencias entre el OP y la parte principal del conjunto de PLP.
Echemos un vistazo más de cerca al método de las corrientes de Foucault. Se basa en la presencia de las principales características inherentes a los metales en el OP: conductividad eléctrica y permeabilidad magnética.
Las corrientes parásitas son corrientes cerradas que fluyen en un medio conductor e inducidas en él por un campo magnético cambiante. Las corrientes parásitas son excitadas por un campo eléctrico alterno creado por una bobina especial a través de la cual fluye una corriente eléctrica alterna. La energía electromagnética que penetra en un objeto metálico se convierte parcialmente en calor y en parte se vuelve a irradiar.
Dependiendo del tipo de campo magnético generado, se distingue entre el método del campo armónico y el método del campo pulsado (método de procesos transitorios).
De los fundamentos del análisis armónico se deduce que que con la misma composición armónica del campo magnetizante es posible obtener la misma cantidad de información sobre las características electromagnéticas de un OP magnetizado tanto en el dominio de la frecuencia, midiendo las amplitudes y fases de los armónicos de su reemisión campo, y en el dominio del tiempo, estudiando el curso temporal de este campo.
Cuando se utiliza el método armónico, el OP se magnetiza mediante la suma de campos armónicos de no más de tres (normalmente dos) frecuencias.
Cuando se utiliza el método de proceso transitorio, la magnetización se realiza mediante pulsos de forma compleja, que teóricamente son la suma de un número ilimitado de campos armónicos con frecuencias múltiplos de la frecuencia de repetición del pulso fundamental.
MANETIZACIÓN ARMÓNICA
Un objeto metálico colocado en un campo magnético armónico se convierte en una fuente de un campo magnético alterno, que cambia a la misma frecuencia.
Las características características de los OP son las características de su amplitud-frecuencia ( AFC) y características de frecuencia de fase (PFC).
Aquellos. Las propiedades eléctricas de los materiales del objeto de búsqueda, así como las dimensiones geométricas de sus elementos, conducen al hecho de que a un cierto valor de la frecuencia del campo magnetizante, la amplitud y el cambio de fase de la señal reemitida por el OP, en una orientación específica, diferirá del conjunto de PLP.
Consideremos esto usando el siguiente ejemplo.
La fase El cambio del campo reemitido por un objeto metálico es mayor para un objeto masivo, al que el OP está más cerca, que para uno de paredes delgadas, lo cual es más típico de PLP
Esto se debe al efecto sobre el campo de reacción magnetizante de las corrientes parásitas que fluyen más cerca de la superficie del metal. Con la profundidad, debido a las corrientes parásitas superficiales, la intensidad del campo electromagnético disminuye.
Estas corrientes tienen un efecto de blindaje sobre la penetración del campo, lo que provoca simultáneamente su debilitamiento y una fase. desplazamiento con respecto al magnetizante que aumenta con la profundidad del campo.
La profundidad de penetración de los campos electromagnéticos y las corrientes parásitas en el metal depende de la frecuencia:
donde: f — frecuencia, s — conductividad eléctrica, m — permeabilidad magnética.
De la fórmula queda claro que la profundidad de penetración de las corrientes parásitas en el metal disminuye al aumentar la frecuencia.
Por lo tanto, a altas frecuencias, un objeto metálico masivo y de paredes delgadas (de la misma área y forma, hecho del mismo material) resultará ser fuente de campos reemitidos idénticos.
Es decir. a altas frecuencias es imposible distinguir un objeto masivo de uno no masivo.
La teoría del método de las corrientes parásitas permite, a diferentes frecuencias del campo magnetizante, determinar el cambio en los componentes activo y reactivo de la resistencia compleja de la bobina en función de la conductividad eléctrica, tamaño y forma del objeto colocado en la bobina.
La teoría se basa en la ecuación de Maxwell.
De la solución de esta ecuación se derivan una serie de fórmulas, a partir de las cuales se puede obtener una familia de dependencias de la resistencia compleja de la bobina con respecto a la conductividad eléctrica, la permeabilidad magnética del material y el tamaño del objeto colocado en ella. .
Estas dependencias muestran que existe el componente reactivo máximo de la resistencia compleja de la bobina, correspondiente a ciertos parámetros (tamaño, material) del objeto ubicado en ella.
Consideremos la influencia sobre las características del momento magnético inducido en un objeto conductor, el tipo de material del que está hecho.
Supongamos que un disco no ferromagnético plano, delgado y redondo con radio r, espesorl y que posee conductividad eléctrica g sea magnetizado por un campo electromagnético sinusoidal uniforme en el tiempo.
El campo se dirige perpendicular al plano del disco y tiene los siguientes parámetros: amplitud Hm, frecuencia circular w.
Entonces, a determinadas frecuencias (w En algunas frecuencias (res. más altas), la corriente parásita está desfasada 180° con respecto al campo magnetizante y, por lo tanto, el flujo magnético que crea a través del plano del disco se dirige hacia el flujo de inducción del campo magnetizante y casi compensa. para ello (compensación total en w = ?). En este caso, el momento magnético está retrasado 180° con respecto al campo magnetizante, y su amplitud está determinada por la expresión Рm=6 x r3 x Hm. Ambas dependencias dadas para la amplitud del momento magnético se conservan para un cuadrado con lado a = 2r. Para una placa rectangular delgada y plana de espesor d con dimensiones laterales a x an, donde n es un número entero arbitrario, la amplitud del momento magnético será n veces mayor. Con ciertas suposiciones, estas dependencias también se conservan para objetos de forma más compleja. En consecuencia, el momento magnético inducido de un objeto conductor no ferromagnético es determinado principalmente por la tercera y cuarta potencias de su menor tamaño en un plano perpendicular al campo magnetizante y en mucha menor medida depende de sus otras características geométricas. Consideremos las características de la magnetización de un objeto conductor ferromagnético. Con un cambio en la frecuencia del campo magnetizante, el vector total del momento magnético del objeto puede primero aumentar ligeramente en magnitud, y luego disminuirá con el aumento de la frecuencia del campo magnetizante. Y será significativamente menor que el valor correspondiente a la frecuencia cero. De lo anterior se deduce que el componente del momento magnético inducido, en fase con el campo magnetizante, cambia de signo para un objeto ferromagnético al aumentar la frecuencia, pero no cambia para un objeto no ferromagnético. La componente de cuadratura del momento magnético siempre tiene el mismo signo tanto para un objeto ferromagnético como para uno no ferromagnético. Esto permite distinguir estos objetos entre sí. Además del tipo de material, el valor de la resistencia compleja de la bobina se ve influenciado de forma diferente por la ubicación del objeto. en relación con la bobina. La dependencia de esta característica de la bobina de los parámetros enumerados, en consecuencia, tiene un efecto diferente en la amplitud y fase de la FEM inducida en ella bajo la influencia del campo reemitido por el objeto. Cuando se incluye una bobina de este tipo en el circuito de medición correspondiente, es posible aislar las señales y evaluar sus parámetros, más característicos de los OP detectados. Los estudios realizados en un campo magnético armónico de las características de un OP como una pistola Makarov han demostrado que: Los datos presentados muestran que la selección en un campo unidimensional solo por amplitud no proporciona una desafinación aceptable del PLP. Además, la amplitud de la señal del campo reemitido depende significativamente de la distancia entre el objeto en estudio y las bobinas. La señal máxima corresponde a la ubicación del objeto cerca de la bobina receptora o emisora, y la señal mínima corresponde a una posición en el medio entre ellas. Para ecualizar la sensibilidad de la bobina receptora a lo largo del ancho del pasaje del detector de metales se utilizan medidas especiales: Sin embargo, es No es posible eliminar por completo el desnivel de la topografía de sensibilidad. La Figura 1 muestra un diagrama funcional de un detector de metales que utiliza magnetización armónica. Fig. 1. Diagrama funcional de un detector de metales con magnetización armónica. Con el método armónico, el campo de rerradiación del OP se mide en el contexto de un campo magnetizante que excede su amplitud. por miles y millones de veces. Por lo tanto, el detector de metales utiliza un compensador que elimina la señal inducida en la bobina receptora por el campo magnetizante. En el dispositivo de umbral se estiman la amplitud y el desplazamiento de fase del campo de rerradiación del OP, fijado por la bobina receptora. Los rasgos característicos del OP cuando se utiliza este método son la duración y el tipo del proceso de atenuación de las corrientes parásitas en el objeto examinado, transferidas a la señal inducida en la bobina receptora por el campo reemitido. Como criterios de selección se pueden utilizar tanto los valores instantáneos de la respuesta transitoria para diferentes momentos de tiempo como el resultado de su procesamiento conjunto utilizando algoritmos especiales seleccionados para el reconocimiento de OP. Teóricamente, es posible al seleccionar con tanto detalle como se desee la característica de reemisión transitoria, obtener una cantidad ilimitada de información sobre las características electromagnéticas del OP. Además, en el momento de la medición el campo magnetizante se apaga y no interfiere con la evaluación del campo de reemisión. Sin embargo, las capacidades de implementación técnica del método de proceso transitorio reducen significativamente sus parámetros selectivos y de detección. Cuando se utiliza este método, el campo magnetizante ideal es aquel que varía según una ley rectangular. Sin embargo, en la práctica esto es actualmente imposible de lograr. La bobina radiante tiene autoinductancia, que en dispositivos destinados a la detección humana, donde es necesario crear un campo magnético en un espacio grande, puede ascender a decenas de milihenrios. Y para obtener la máxima intensidad del campo magnetizante con dimensiones (peso) de la bobina y consumo de energía limitados, intentan minimizar la resistencia activa de la bobina (no más de unos pocos o decenas de ohmios). La corriente en la bobina conectada al generador de impulsos cuadrado aumentará exponencialmente con una constante de tiempo t = L /R   ; Con las restricciones comentadas anteriormente L y R (L » 0,01 H, R » 5 ohmios) la constante de tiempo será al menos de unos pocos ms. En consecuencia, la duración del flanco anterior del pulso del campo magnetizante también será de varios milisegundos. El flanco posterior del pulso de corriente magnetizante depende de la velocidad de los interruptores de potencia que interrumpen el circuito de esta corriente, y más aún en las condiciones de ausencia de oscilaciones amortiguadas del campo magnetizante después de cortar la corriente. En tales condiciones, la duración del borde posterior de la onda del campo magnetizante puede ser de al menos 10 a 4 segundos. En consecuencia, con la magnetización pulsada en un detector de metales real, el máximo La frecuencia de los componentes armónicos no excederá los 10 kHz. Actualmente, se ha generalizado la magnetización pulsada con una forma de onda de campo en forma de segmentos semisinusoide (o una combinación de dichos segmentos). En este caso, el tiempo desde el momento en que el campo magnético comienza a apagarse hasta el momento de la medición debe ser de al menos 10-4 segundos. Además de la constante de tiempo del circuito magnetizante (en estado desenergizado), también es necesario tener en cuenta la constante de tiempo de la bobina receptora que percibe el campo de re-radiación del OP. Para evitar la En caso de oscilaciones amortiguadas, esta constante también debe tener al menos un valor determinado. En base a esto, el límite superior del rango de frecuencia del campo de reemisión de OP cuando se utiliza el método de proceso transitorio, así como para el campo magnetizante, no excede los 10 kHz La Figura 2 muestra un diagrama funcional de un detector de metales en el que se utiliza magnetización por pulsos. Fig. 2. Esquema funcional de un detector de metales con magnetización pulsada. El bloque de retardo garantiza que las mediciones se tomen después de que cese el pulso del campo de excitación. En la actualidad, la respuesta de frecuencia y la respuesta de fase de un número significativo de OP y PLP se han estudiado con suficiente detalle. Las figuras 3 a 5 muestran las dependencias del momento magnético inducido P y su desplazamiento de fase j con respecto al campo magnetizante en frecuencia. Fig. componentes del momento magnético P, en fase con el campo magnetizante En la figura: PM1, PLP1 — para la pistola PM, un manojo de llaves cuando el campo magnetizante está orientado a lo largo del lado más largo del objetos; PM2, PLP2 — para los mismos objetos cuando el campo magnetizante se orienta a través del plano de los objetos. Fig. 4 Dependencia de la frecuencia del componente de cuadratura del momento magnético P. Fig. 5 Dependencia de la frecuencia del cambio de fase del momento magnético P con respecto al campo magnetizante. A partir de estas características queda claro que la amplitud y el cambio de fase del momento magnético inducido cambian de manera bastante notable sólo cuando la frecuencia de observación cambia varias veces. Por lo tanto , el muestreo detallado de las características transitorias OP y PLP no proporciona información adicional sobre sus propiedades electromagnéticas. Aquellos. El método de procesos transitorios no proporciona una ventaja notable sobre el método armónico en términos de selección si este último utiliza dos — tres frecuencias racionalmente seleccionadas. Con base en lo anterior, podemos enumerar las principales ventajas y desventajas de los métodos de magnetización considerados. Para el método armónico: Ventaja — alta inmunidad al ruido debido a la posibilidad de filtrado efectivo en rangos de frecuencia distintos de los operativos; Ejemplos de detectores de metales que utilizan el método armónico son los siguientes modelos: 773 LF ( Rens Manufacturing Co, EE. UU.), MP 1783 (Valon GmbH, Alemania), Intelliscan 12000 (RANGER, EE. UU.). Para el método de proceso transitorio: Dignidad— ausencia de altos requisitos de rigidez del diseño de la bobina y relativa independencia de pequeños movimientos y golpes. Ejemplos de detectores de metales que utilizan el método transitorio son los siguientes modelos: Metor-200 (Metorex International Oy, Finlandia), PMD 2 (C.E.I.A, Italia), Poisk-3 (Rusia), Rubezh-2 (Rusia). Actualmente, los modelos de detectores de metales producidos comercialmente que utilizan el método de proceso transitorio significativamente exceder el número de modelos con magnetización armónica. Esto se debe en gran medida a la relativa independencia antes mencionada del número de falsas alarmas por golpes y movimientos de los sistemas de bobinas del producto. Lea la continuación: Detectores de metales — detectores de armas. Descripción general de los principios operativos
retrasado en fase aproximadamente 90° con respecto al campo magnetizante.
MANETIZACIÓN PULSADA
COMPARACIÓN DE MÉTODOS DE MAGNETIZACIÓN DE ARMÓNICOS Y DE PULSOS
Las designaciones son las mismas que en la Figura 3.
Las designaciones son las mismas que en la Figura 3.
Desventaja— la necesidad de dar una rigidez significativa a los diseños de las bobinas y protegerlas de golpes y toques de los visitantes.
Desventaja — menos capacidades para combatir interferencias que el método armónico . Sin embargo, el uso de magnetización pulsada con una forma de onda de campo en forma de segmentos semisinusoidales reduce notablemente esta desventaja.
