Металлодетекторы — обнаружители оружия.
Березанский Давид Павлович, кандидат технических наук
Источник: журнал «Специальная Техника»
В настоящее время широкое распространение в различных областях человеческой деятельности получили устройства, решающие с помощью магнитных методов задачи обнаружения проводящих объектов в непроводящей среде.
Металлодетекторы (металлоискатели, металлообнаружители) применяются сегодня в дефектоскопии (поиск металлических включений в различных материалах), рудной электроразведке, в системах контроля доступа, предотвращения хищений и т. д.
Разновидностями магнитных методов являются индукционные токовихревые с различными видами намагничивающего поля и магнитоэлектрические с использованием естественного геомагнитного поля земли или искусственного магнитного поля.
В статье рассматриваются принципы действия и особенности металлодетекторов, предназначенных для выявления оружия и взрывных устройств на людях, посещающих охраняемые объекты. Наибольшее применение в таких устройствах сегодня нашли токовихревые методы.
Металлодетектор должен решать задачу селективного обнаружения определенных металлических или металлосодержащих объектов поиска (ОП) на фоне металлических предметов личного пользования (ПЛП), обычно имеющихся у посетителей.
Селективное обнаружение — способность устанавливать факт наличия ОП на фоне одновременного присутствия ПЛП и не давать ложных тревог от ПЛП при отсутствии объектов поиска. Селективное обнаружение может осуществляться только при наличии у ОП характерных признаков.
Под этими признаками понимаются какие-либо постоянные их свойства, выявляемые в том или ином реализуемом в металлодетекторе физическом методе, по которому имеются наибольшие различия между ОП и основной частью множества ПЛП.
Рассмотрим подробнее метод вихревых токов. Он основан на наличии у ОП основных признаков, присущих металлам: электропроводности и магнитной проницаемости.
Вихревые токи — это замкнутые токи, протекающие в проводящей среде и индуцированные в ней изменяющимся магнитным полем. Возбуждение вихревых токов осуществляется переменным электрическим полем, создаваемым специальной катушкой, по которой протекает переменный электрический ток. Электромагнитная энергия, проникающая в металлический предмет, частично превращается в тепло, а частично переизлучается.
В зависимости от вида формируемого намагничивающего поля различают метод гармонического поля и метод импульсного поля (метод переходных процессов).
Из основ гармонического анализа следует, что при одинаковом гармоническом составе намагничивающего поля можно получить один и тот же объем информации об электромагнитных характеристиках намагниченного ОП как в частотной области, измеряя амплитуды и фазы гармоник его поля переизлучения, так и во временной области, изучая временной ход этого поля.
При использовании гармонического метода ОП намагничивается суммой гармонических полей не более трех (чаще всего двух) частот.
При использовании метода переходных процессов намагничивание производят импульсами сложной формы, теоретически являющимися суммой неограниченного количества гармонических полей с частотами, кратными основной частоте следования импульсов.
ГАРМОНИЧЕСКОЕ НАМАГНИЧИВАНИЕ
Металлический предмет, помещенный в гармоническое магнитное поле, сам становится источником переменного магнитного поля, изменяющегося с той же частотой.
Характерными признаками ОП являются особенности их амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных (ФЧХ) характеристик.
Т.е. электрофизические свойства материалов объекта поиска, а также геометрические размеры его элементов приводят к тому, что при некотором значении частоты намагничивающего поля амплитуда и фазовый сдвиг сигнала, переизлучаемого ОП, будут при конкретной ориентации иметь отличия от множества ПЛП.
Рассмотрим это на следующем примере.
Фазовый сдвиг поля, переизлучаемого металлическим предметом, больше у массивного предмета, к которым ближе ОП, чем у тонкостенного, что более характерно для ПЛП.
Это связано с воздействием на намагничивающее поле реакции вихревых токов, протекающих ближе к поверхности металла. С глубиной из-за поверхностных вихревых токов уменьшается напряженность электромагнитного поля.
Эти токи оказывают экранирующее влияние на проникновение поля, что одновременно вызывает их ослабление и нарастающий с глубиной сдвиг по фазе по отношению к намагничивающему полю.
Глубина проникновения электромагнитных полей и вихревых токов в металл зависит от частоты:
где: f — частота, s — электропроводность, m — магнитная проницаемость.
Из формулы видно, что глубина проникновения вихревых токов в металл уменьшается с ростом частоты.
Поэтому на высоких частотах массивный металлический предмет и тонкостенный (одинаковой площади и формы, изготовленные из одного и того же материала), окажутся источниками одинаковых переизлученных полей.
Т.е. на высоких частотах нельзя отличить массивный предмет от немассивного.
Теория метода вихревых токов дает возможность при различных частотах намагничивающего поля определить изменение активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления катушки в зависимости от электропроводности, размера и формы предмета помещенного в катушку.
Теория базируется на уравнении Максвелла.
Из решения этого уравнения вытекает ряд формул, на основании которых можно получить семейство зависимостей комплексного сопротивления катушки от электропроводности, магнитной проницаемости материала и размеров предмета, помещенного в нее.
Эти зависимости показывают, что имеется максимум реактивной составляющей комплексного сопротивления катушки, соответствующий определенным параметрам (размерам, материалу), находящегося в ней предмета.
Рассмотрим влияние на характеристики магнитного момента, индуцированного в проводящем предмете, типа материала, из которого он изготовлен.
Пусть круглый, тонкий плоский неферромагнитный диск с радиусом r, толщиной l , обладающий электропроводностью g намагничивается однородным синусоидальным во времени электромагнитным полем.
Поле направлено перпендикулярно к плоскости диска и имеет параметры: амплитуда Hm, круговая частота w .
Тогда при некоторых частотах (w < w рез. x 0,5) намагничивающего поля вихревой ток обуславливает появление в диске индуцированного магнитного момента Р с амплитудой:
отстающего по фазе приблизительно на 90° от намагничивающего поля.
При некоторых частотах (больших w рез.) вихревой ток отстает по фазе на 180° от намагничивающего поля, а следовательно создаваемый им магнитный поток через плоскость диска направлен навстречу потоку индукции намагничивающего поля и почти компенсирует его (полная компенсация при w = ? ).
В этом случае магнитный момент отстает на 180° от намагничивающего поля, а его амплитуда определяется выражением Рm=6 x r3 x Hm.
Обе приведенные зависимости для амплитуды магнитного момента сохраняются для квадрата со стороной а= 2r.
Для тонкой плоской прямоугольной пластины толщиной d с размерами сторон а x аn, где n — произвольное целое число, амплитуда магнитного момента будет в n-раз больше.
С определенными допущениями эти зависимости сохраняются и для предметов более сложной формы.
Следовательно, индуцированный магнитный момент неферромагнитного проводящего предмета в основном определяется третьей и четвертой степенями его меньшего размера в плоскости, перпендикулярной намагничивающему полю и в значительно меньшей степени зависит от других его геометрических характеристик.
Рассмотрим особенности намагничивания ферромагнитного проводящего предмета.
С изменением частоты намагничивающего поля суммарный вектор магнитного момента предмета может сначала несколько возрасти по модулю, а затем с ростом частоты намагничивающего поля будет уменьшаться.
И станет существенно меньше значения, соответствующего нулевой частоте.
Из изложенного следует, что компонента индуцированного магнитного момента, синфазная с намагничивающим полем, у ферромагнитного предмета меняет знак при возрастании частоты, а у неферромагнитного не меняет.
Квадратурная компонента магнитного момента всегда имеет один и тот же знак как для ферромагнитного предмета, так и для неферромагнитного. Это дает возможность различать эти предметы между собой.
Кроме типа материала на величину комплексного сопротивления катушки разное влияние оказывает расположение предмета относительно катушки.
Зависимость этой характеристики катушки от перечисленных параметров соответственно по-разному влияет на амплитуду и фазу ЭДС, наведенной в ней под действием переизлученного предметом поля.
При включении такой катушки в соответствующую измерительную схему появляется возможность выделения сигналов и оценки их параметров, наиболее характерных для обнаруживаемых ОП.
Проведенные исследования в гармоническом магнитном поле характеристик такого ОП как пистолет Макарова, показали, что:
- фаза сигнала слабо зависит от его ориентации в электромагнитном поле (изменения не более 5 — 7° ),
- амплитуда сигнала изменяется в зависимости от ориентации до 10 — 12 раз.
Представленные данные показывают, что селекция в одномерном поле только по амплитуде не обеспечивает приемлемую отстройку от ПЛП.
Кроме того, амплитуда сигнала от переизлученного поля существенно зависит от расстояния между исследуемым предметом и катушками.
Максимальный сигнал соответствует нахождению предмета вблизи приемной или излучающей катушки, а минимальный — позиции посредине между ними.
Для выравнивания чувствительности приемной катушки по ширине прохода металлодетектора применяют специальные меры:
- создают конструкции излучающих и приемных катушек, обеспечивающие в контролируемой зоне перекрестные электромагнитные поля;
- размещают излучающие и приемные катушки с двух сторон от ОП и по специальным алгоритмам производят обработку с пары приемных катушек.
Однако полностью устранить неравномерность топографии чувствительности не удается.
На рисунке 1 представлена функциональная схема металлодетектора с использованием гармонического намагничивания.
Рис. 1. Функциональная схема металлодетектора с гармоническим намагничиванием.
При гармоническом методе поле переизлучения ОП измеряется на фоне намагничивающего поля, превышающего его по амплитуде в тысячи и миллионы раз.
Поэтому в металлодетекторе используется компенсатор, устраняющий сигнал, наведенный в приемной катушке намагничивающим полем.
В пороговом устройстве оцениваются амплитуда и фазовый сдвиг поля переизлучения ОП, фиксируемого приемной катушкой.
ИМПУЛЬСНОЕ НАМАГНИЧИВАНИЕ
Характерными признаками ОП при использовании такого метода являются продолжительность и вид процесса затухания вихревых токов в обследуемом предмете, переносимые в сигнал, наведенный в приемной катушке переизлученным полем.
В качестве критериев селекции могут использоваться как мгновенные значения переходной характеристики для различных моментов времени, так и результат их совместной обработки по специальным алгоритмам, выбранным для распознавания ОП.
Теоретически можно, стробируя сколь угодно подробно переходную характеристику переизлучения, получить неограниченный объем информации об электромагнитных характеристиках ОП.
Кроме того, в момент измерения намагничивающее поле выключено и не создает помех для оценки поля переизлучения. Однако возможности технической реализации метода переходных процессов существенно снижают его обнаруженческие и селективные параметры.
При применении этого метода идеальным является намагничивающее поле, изменяющееся по прямоугольному закону.
Однако на практике получить это в настоящее время невозможно. Излучающая катушка обладает самоиндукцией, которая у устройств, предназначенных для досмотра человека, где требуется создание магнитного поля в значительном пространстве, может составлять десятки миллигенри.
А для получения максимальной напряженности намагничивающего поля при ограниченных размерах (массе) катушки и энергозатратах активное сопротивление катушки стараются минимизировать (не более единиц или десятков ом).
Ток в катушке, подключенной к генератору прямоугольных импульсов, будет нарастать по экспоненциальному закону с постоянной времени
t = L /R
При рассмотренных выше ограничениях L и R (L » 0,01 Гн, R » 5 ом) постоянная времени составит не менее единиц мсек. Следовательно, и длительность переднего фронта импульса намагничивающего поля составит также единицы мсек.
Задний фронт импульса намагничивающего тока зависит от быстродействия силовых ключей, разрывающих цепь этого тока, и еще в большей степени от условий отсутствия затухающих колебаний намагничивающего поля после выключения тока.
При таких условиях длительность заднего фронта волны намагничивающего поля реально может составлять не менее 10-4 сек.
Следовательно, при импульсном намагничивании в реальном металлодетекторе максимальная частота гармонических составляющих не превысит 10 кГц.
В настоящее время большое распространение получило импульсное намагничивание с формой волны поля в виде отрезков полусинусоид (или комбинация таких отрезков).
В этом случае время с момента начала выключения намагничивающего поля до момента измерений должно составлять не менее 10-4 сек.
Кроме постоянной времени намагничивающей цепи (в обесточенном состоянии), необходимо учитывать и постоянную времени приемной катушки, воспринимающей поле переизлучения ОП.
Для предотвращения возникновения затухающих колебаний эта постоянная также должна быть не менее некоторого значения.
На основании этого верхняя граница частотного диапазона поля переизлучения ОП при использовании метода переходных процессов, так же как и для намагничивающего поля, не превышает 10 кГц
На рисунке 2 приведена функциональная схема металлодетектора, в котором используется импульсное намагничивание.
Рис. 2. Функциональная схема металлодетектора с импульсным намагничиванием.
Блок задержек обеспечивает проведение измерений после прекращения действия импульса возбуждающего поля.
СРАВНЕНИЕ ГАРМОНИЧЕСКОГО И ИМПУЛЬСНОГО МЕТОДОВ НАМАГНИЧИВАНИЯ
В настоящее время достаточно подробно изучены АЧХ и ФЧХ значительного числа ОП и ПЛП.
На рисунках 3 — 5 показаны зависимости индуцированного магнитного момента Р и его фазового сдвига j относительно намагничивающего поля от частоты.
Рис.3 Частотная зависимость компоненты магнитного момента Р, синфазной с намагничивающим полем
На рисунке: ПМ1, ПЛП1 — для пистолета ПМ, связки ключей при ориентации намагничивающего поля вдоль самой длинной стороны объектов; ПМ2, ПЛП2 — для тех же объектов при ориентации намагничивающего поля поперек плоскости объектов.
Рис.4 Частотная зависимость квадратурной составляющей магнитного момента Р.
Обозначения те же, что на рисунке 3.
Рис.5 Частотная зависимость фазового сдвига магнитного момента Р относительно намагничивающего поля.
Обозначения те же, что на рисунке 3.
Из этих характеристик видно, что амплитуда и фазовый сдвиг индуцированного магнитного момента достаточно заметно меняются лишь при изменении частоты наблюдений в несколько раз.
Поэтому подробная дискретизация переходных характеристик ОП и ПЛП не дает дополнительной информации об их электромагнитных свойствах.
Т.е. метод переходных процессов не обеспечивает заметного преимущества перед гармоническим методом в плане селекции в случае использования в последнем двух — трех рационально выбранных частот.
На основании вышеизложенного можно перечислить основные достоинства и недостатки рассмотренных методов намагничивания.
Для гармонического метода:
Достоинство — высокая помехозащищенность, обусловленная возможностью эффективной фильтрации в диапазонах частот, отличных от рабочих;
Недостаток — необходимость значительной жесткости конструкций катушек и предохранения их от сотрясений и прикосновения посетителей.
Примерами металлодетекторов, в которых используется гармонический метод, являются следующие модели: 773 LF (Rens Manufacturing Co, США), МР 1783 (Valon GmbH, Германия), Intelliscan 12000 (RANGER, США).
Для метода переходных процессов:
Достоинство — отсутствие высоких требований к жесткости конструкции катушек и относительная независимость от малых перемещений и сотрясений.
Недостаток — меньшие, чем у гармонического метода возможности по борьбе с помехами. Однако использование импульсного намагничивания с формой волны поля в виде отрезков полусинусоид заметно уменьшает этот недостаток.
Примерами металлодетекторов, в которых используется метод переходных процессов, являются следующие модели: Metor-200 (Metorex International Oy, Финляндия), PMD 2 (C.E.I.A, Италия), Поиск-3 (Россия), Рубеж-2 (Россия).
В настоящее время серийно выпускаемые модели металлодетекторов, в которых испльзуется метод переходных процессов, значительно превосходят по количеству модели с гармоническим намагничиванием.
Это в большой мере связано с отмеченной выше относительной независимостью числа ложных срабатываний от сотрясений и перемещений катушечных систем изделий.
Читать продолжение: Металлодетекторы — обнаружители оружия. Обзор принципов действия.