Пристрій твердовського для виявлення схованих металевих об’єктів

Устройство относится к области радиотехники и предназначено для обнаружения в земле, воде и других слабопроводящих средах скрытых в них различных металлических предметов как из черных, так и цветных металлов (трубы, кабели, отдельные предметы) путем направленного электромагнитного излучения и регистрации отраженных сигналов. Оно может быть использовано в военном деле, при ведении земляных работ в строительстве, на предприятиях и в коммунальном городском хозяйстве для уточнения фактических планов подземных инженерных сетей, в криминалистике, археологии, а также во всех других случаях, когда необходима информация о скрытых металлических объектах. По наибольшей совокупности общих признаков среди известных маталлоискателей близок к МИТ (заявляемое устройство) металлоискатель, подробно описанный в болгарском журнале "Радио, телевизия, электроника" 6/1984 г. стр. 19 (библиография, позиция N-7). Он работает по принципу передатчик-приемник и состоит из генератора высокой частоты с выносным параллельным резонансным контуром, индуктивная катушка которого является излучателем (передающей антенной) электромагнитного поля в среду. Высокая частота генератора модулирована звуковой частотой 300 герц. Отраженный от металла сигнал регистрирует приемная катушка (приемная антенна), Передающая (диаметром от 200 мм) и приемная (диаметром от 100 мм) катушки расположены в одной плоскости, приемная внутри передающей. Частичная компенсация наведенного сигнала от передающей катушки в приемную подучена за счет формы приемной катушки, которая имеет компенсационную петлю. Более полную компенсацию осуществляют с помощью дополнительных компенсаторов 1 и 2, которые подают компенсирующий сигнал передающей антенны в противофазе на входе усилителя высокой частоты вместе с сигналом приемной катушки. После усиления результирующий сигнал демодулируют и полученный сигнал частотой 300 герц подают на первый вход компаратора. Модулированный сигнал генератора высокой частоты используют также для определения типа металла (черный - цветной). Для этого его детектируют и после соответствующего формирования импульсы с частотой 300 герц подают на второй вход компаратора. Они служат опорными импульсами для определения сдвига фазы принятого приемной катушкой отраженного сигнала. Сдвиг фазы между посланным и отраженным сигналом характеризует тип обнаруженного металла. Выход компаратора (узла сравнения) подключен к входу усилителя звуковой частоты нагруженного на звукоизлучатель (телефоны). По силе звучания частоты 300 герц определяют наличие, тип и местонахождение металла. К недостаткам этого прототипа следует отнести: 1. Сложность взаимной юстировки передающей и приемной катушек с целью минимизации наведенного сигнала в приемной катушке от передающей и, следовательно, повышения чувствительности металлоискателя за счет улучшения соотношения "сигнал/шум". 2. Недостаточная глубина компенсации наведенного сигнала по п. 1 требует дополнительных схемных решений: подача на вход усилителя высокой частоты регулируемого компенсирующего противофазного сигнала. Формирование такого сигнала сложная техническая задача из-за присутствия высши х гармоник в генераторах высокочастотных сигналов на транзисторах. Требуемое снижение наведенного сигнала практически добиваются только в хорошо оснащенных лабораториях. Увеличение глубины обнаружения металла в грунте до одного метра требует минимизировать прямой наведенный сигнал в приемной катушке до уровня нескольких микровольт. Работа измерительных схем со столь слабым сигналом требует их высокой стабильности. 3. Большой диаметр выносной головки (блока передающей и приемной катушек), необходимый для увеличения глубины поиска, увеличивает рабочие и транспортные габариты прибора, а также затрудняют работу в стесненных условиях, 4. Точность определения прибором местонахождения металла, его типа по силе звучания телефонов (громче-тише) хуже чем у приборов с тональным изменением звука (особенность человеческого уха). 5. Отсутствие стабилизации напряжения питающего генератор и визуального контроля за уровнем сигнала не позволяют построить градуировочные таблицы прибора, что затрудняет индентификацию сигнала, ухудшает информативность поиска. 6. Схемотехника, настройка и наладка металлоискателя очень сложна, требует хорошо оснащенную лабораторию и его элементную базу с повышенными параметрами, что удорожает конструкцию. В основу данного изобретения положена задача - созданиеметаллоискателя типа TR (передача-прием) с расширенными функциональными возможностями метода, свободного от недостатков, присущих прототипам, и соответствующего следующим требованиям: компактность, минимальные габариты; экономичность в потреблении энергии; простота в изготовлении и дешевизна; простота в эксплуатации и индикации результатов измерений; возможность отстраивания от помех; достаточная для потребителя глубина поиска крупных объектов; способность различать цветные и черные металлы; прямые измерения глубины залегания обнаруженного предмета; точное указание местонахождения предмета в плоскости. В основу металлоискателя Твердовского (МИТ) заложен принцип TR - (передатчик-приемник). Структурно МИТ состоит из передатчика, состоящего из генератора синусоидальных колебаний, усилителя мощности, передающей антенны, приемного устройства, состоящего из приемных антенн подключенных к усилителямограничителям, схемы сравнения с подключаемым фазовращателем, блока индикации, включающего в себя усилитель постоянного тока, стрелочный прибор и преобразователь "напряжение-частота", работающий на телефоны, двух высокостабильных источников питания, На фиг. 1 показана принципиальная схема устройства; на фиг. 2 - элементы конструкции МИТ. Устройство МИТ-7 конструктивно состоит из передающего и приемного блоков. Передающий блок состоит из общей аккумуляторной батареи. (1), подключенной к стабилизатору напряжения передатчика (2), выход которого соединен с цепями питания генератора высокой частоты (3) и усилителя мощности (4), генератора высокой частоты (3), выход которого соединен со входом усилителя мощности (4), а выход усилителя мощности соединен с передающей антенной (5), которая индуктивно связана с катушкой фазорегулятора (6), соединенной с фазорегулирующей цепью приемного блока (7), выход которой соединен с третьим входом коммутирующего узла (8). Приемный блок состоит из двухполярного стабилизатора напряжения приемника (9), вход которого подключен к аккумуляторной батарее (1), а выход к первому входу коммутирующего узла (8), к двухкаскадному усилителю-ограничителю первого канала (11), к двухкаскадному усилителю-ограничителю второго канала (18), к узлу сравнения (12), к усилителю постоянного тока (13) и преобразователю "напряжение-частота" (15); приемной антенны первого канала (10), соединенной со входом двухкаскадного усилителя - ограничителя (11), выход которого соединен с первым входом узла сравнения (12), приемной антенны второго канала (17), соединенной со входом двухкаскадного усилителя-ограничителя второго канала (18), выход которого через второй вход коммутирующе го узла (8) соединен со вторым входом узла сравнения (12), а выход узла сравнения соединен со входом усилителя постоянного тока (13), выход которого соединен со стрелочным прибором (14) и входом преобразователя "напряжение-частота" (15), нагруженного на телефоны (16). Передающий блок с передающей антенной выполнен исходя из следующи х требований; минимальные габариты, минимальное потребление тока, максимальная неискаженная мощность в передающей антенне, достаточная для регистрации приемным устройством отраженных сигналов с глубины до 3 метров, стабильность частоты излучения, технологичность конструкции. Для реализации этих требований передающий блок выполнен в следующем исполнении: Задающий генератор (3) - транзисторный автогенератор синусоидальных колебаний на одном транзисторе с трансформаторной обратной связью и температурной стабилизацией рабочей точки. Рабочая частота 90 кГц. Стабильность частоты 10 Е-5. Выход генератора подключен к входу усилителя мощности. Связь с усилителем мощности трансформаторная. Усилитель мощности (4) - каскад усиления высокой частоты на одном транзисторе средней мощности в режиме "А". Подключен к последовательному резонансному контуру, индуктивностью которого является катушка передающей ферритовой антенны (5). На этой антенне размещают компенсационную катушку (6), которая является элементом фазовращателя (7), подключаемого к третьему входу коммутирующего узла (8), выход которого соединен с вторым входом схемы сравнения (12) приемного устройства. Передающий блок подключен к выходу стабилизатора напряжения передатчика (2) с коэффициентом нестабильности не хуже 0,003-0,005%. На вход стабилизатора подключена аккумуляторная батарея (1). Узлы (2), (3), (4) передающего блока размещены на плате, установленной за передающей ферритовой магнитной антенной (5) в токонепроводящей трубке длиной 50 см, с электростатическим разрезным экраном. Перпендикулярно оси этой трубки, в ее начале и конце, устанавливают на разъемах магнитные приемные антенны (10, 17), что делает конструкцию разборной при достаточной жесткости в собранном виде (см. фиг. 2). Существенными признаками в передатчике устройства МИТ являются; 1. Использование в качестве передающей антенны ферритового стержня с катушкой, являющейся элементом последовательного резонансного контура, настроенного в резонанс на рабочей частоте генератора. Ферритовая магнитная антенна резко уменьшает габариты МИТ, она лучше работает в непосредственной близости к проводящим поверхностям, резонанс напряжений в ней при добротности контура порядка 100, увеличивает излучаемое антенной электромагнитное поле в несколько десятков раз. Острая направленность передающей магнитной антенны по минимуму сигнала увеличивает точность определения местонахождения металла в плоскости поиска. 2. Использование автономного стабилизированного напряжения для питания передатчика с коэффициентом нестабильности по напряжению не хуже 0,003-0,005%. Стабилизированное питание передатчика поддерживает неизменной излучаемую мощность в передающей антенне в процессе работы с металлоискателем, что гарантирует стабильность градуировки МИТ. Приемное устройство обеспечивает прием и обработку отраженного сигнала. Оно подключено к автономному двухполярному выходу стабилизатора напряжения (9) с напряжением -5-0-+5 вольт и коэффициентом нестабильности по напряжению не хуже 0,003-0,005%. Приемные ферритовые магнитные антенны (10) и (17), настроенные на резонансную частоту генератора (3), разнесены между собой на 50 см. Их устанавливают перпендикулярно передающей антенне, фиксируют после минимизации наведенного сигнала и подключают к неинвертирующим входам двухкаскадных усилителей-ограничителей (11) и (18) с полевыми транзисторами на входе, которые имеют большое входное сопротивление и слабо шун тируют резонансные контуры антенн. На инвертирующие входы эти х усилителей через постоянные делители напряжения подключают часть стабилизированного опорного напряжения, снимаемого с двухполярного выхода стабилизатора (9). Это напряжение определяет уровень ограничения снизу входного сигнала (состоящего из наведенного и отраженного сигнала). После предварительного усиления и ограничения в усилителе-ограничителе (11) сигнал антенны (10) подают на неинвертируемый вход блока сравнения (12), выход которого подключен к входу усилителя постоянного тока (13), а его выход соединен со стрелочным прибором (14), показывающим уровень принятого сигнала. В случае необходимости слухового контроля, сигнал с выхода усилителя постоянного тока (13) подают на вход преобразователя "напряжение-частота" (15), который в зависимости от входного сигнала генерирует частоты в диапазоне 300-1500 герц, прослушиваемые телефоном (16). Для определения глубины залегания обнаруженного предмета используют дополнительный сигнал с антенны (17). Этот сигнал предварительно усиливают и ограничивают по тем же схемным решениям, что и основной сигнал с антенны (10) и подают через второй вход коммутирующего узла (8) на узел сравнения. Усиленные сигналы обеих антенн сравнивает узел сравнения (12) и выдает разностный сигнал, который несет информацию о глубине. (Ослабление принятого сигнала обратно пропорционально кубу расстояния от предмета до антенны). При определении типа металла на инвертирующий вход узла сравнения (12) подают через фазовращатель (7) и его регуляторы амплитуды "а" и фазы (ф), третий вход коммутирующего узла (8), сигнал с компенсационной катушки (6), размещенной на стержне передающей антенны (5). При равенстве на входах узла сравнения (12) амплитуд и фаз на его выходе сигнал отсутствует (н улевой метод). Указатель ручки потенциометра (Ф), изменяющего угол сдвига фазы, несет информацию о свойствах металлического предмета (цветной или черный). Коммутирующий узел (8) обеспечивает: В режиме поиск - "пск" подключение регулируемого постоянного напряжения, которое является опорным, через первый вход коммутирующего узла к второму (инвертируемому) входу узла сравнения (12). В режиме определение глубины залегания металла - "глб" подключение второго приемного канала (17), (18) через свой второй вход к второму входу узла сравнения (12). В режиме определения типа обнаруженного металла - "мтл" подключение сигнала передающей антенны (5) регулируемого по амплитуде и фазе с фазорегулятора (6), (7) через свой третий вход к второму входу узла сравнения (12). В данном случае опорным напряжением является сигнал' с первого приемного канала (10), (11). Существенными отличительными признаками приемного устройства МИТ являются: замена обычных рамочных передающих и приемных антенн на ферритовые магнитные антенны; введение второй приемной ферритовой магнитной антенны, размещенной на расстоянии 50см от первой параллельно ей и перпендикулярно оси передающей антенны. Разница сигналов с эти х антенн позволяет измерять расстояние до обнаруженного скрытого предмета введение фазорегулятора с использованием компенсационного метода с плавной регулировкой фазы и амплитуды сигнала, снятого с передающей антенны и сравниваемого с принятым отраженным сигналом, который является опорным для узла сравнения. Это позволяет определить тип обнаруженного металла, при этом положение ручки потенциометра фазовращателя несет информацию о свойствах обнаруженного металла и таким образом отпадает необходимость в использовании специального регистрирующего прибора; введение усилителей-ограничителей на базе дифференциальных усилителей с полевыми транзисторами на входе, в схемах ограничения сигнала снизу. Это избавляет от сложных котировочных работ по минимизации отраженного сигнала при сборке антенн, упрощает наладку МИТ и, главное, обеспечивает отстройку от минерализованных грун тов, помех, за счет регулирования порога ограничения снизу без снижения чувствительности приемного устройства; введение отдельного двухполярного стабилизатора напряжения с коэффициентом нестабильности по напряжению не хуже 0,003-0,005% для питания дифференциальных усилителей приемного устройства. Это обеспечивает требуемую стабильность порога ограничения, усиления и индикации принятых сигналов, возможно градуировки измерительной шкалы прибора. Работа с МИТ: МИТ имеет четыре ручки управления: 1 - переключатель на пять положений (8): "выключено"; "тест", "пск."; "глб."; "мтл."; 2 - регулятор порога ограничения "порог"; 3 - регулировка фазы фазовращателя "ф"; 4 регулировка амплитуды фазовращателя "а". При установке переключателя в положение "тест" проверяют напряжение питания на аккумуляторной батарее и работу блока индикации. В положении "пск." МИТ готов к поиску металла. Регулятором "порог" с максимально возможной чувстви тельности отстраиваются от помех. Выбирают режим индикации (звук стрелочный прибор). Передающую антенну ориентируют к плоскости поиска под углом 80-90 градусов. Появление металла в зоне поиска регистрируют по повышению частоты звукового сигнала и увеличению показаний стрелочного прибора. По максимальному показанию фиксируют местонахождение объекта в плане. Поставив переключатель в положение "глб.", производят определение глубины залегания (в метрах) по шкале стрелочного прибора. В положении переключателя "мтл." добиваются минимального уровня сигнала над обнаруженным объектом по звуковому или стрелочному индикаторам с помощью ручек "фаза", "ампл". По шкале ручки "фаза" (+0 -) определяют наличие цветного или черного металла. После десяти часов непрерывной работы определяют состояние аккумуляторной батареи в режиме "тест".