ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПОИСКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Металлоискатель, магнитометр, поисковая рамка, чувствительность, селективность, магнитное поле, индуктивность, магнитная индукция, приемная катушка, излучающая катушка, генератор, детектор

5.1. Классификация и основные параметры

Поиск металлосодержащих предметов при таможенном досмотре выполняется с помощью металлоискателей (по зарубежной терминологии – металлодетекторы).

Эти приборы имеют поисковую рамку, которая в процессе поиска перемещается вдоль контролируемого объекта. При обнаружении металлического предмета прибор издает световой и/или звуковой сигналы. В наиболее совершенных приборах для индикации результатов поиска используются и дисплеи.

Различают ручные и стационарные металлоискатели.

В таможенной практике стационарные металлоискатели широко используются в аэропортах, на железнодорожных и переходах, в морских портах и иных местах, где имеет место таможенное оформление пассажиров. Такие металлоискатели устанавливается стационарно и представляет собой большую рамку, через которую проходят пассажиры.

Ручные металлоискатели имеют небольшие размеры и вес. Используются сотрудниками таможенных органов в местах пропуска людей для обнаружения в их одежде, личных вещах и багаже металлических предметов.

По способу взаимодействия с объектом контроля и регистрируемым сигналам металлоискатели можно разделить на три группы: локационные, параметрические и магниточувствительные. Первые две группы иногда называют индукционными металлоискателями, так как их чувствительным элементом является катушка индуктивности.

Локационные металлоискатели работают по следующему принципу. Возбуждающей (излучающей) катушкой, по которой протекает импульсный или периодический ток, наводят в искомом проводящем объекте вихревые токи. Эти токи (в физике их называют токами Фуко) создают вторичное электромагнитное поле, которое воздействует на приемную катушку. При достижении приемной катушки оно наводит в ней э.д.с. (напряжение) сдвинутую по фазе относительно излучения, воздействующего на объект. Такая э.д.с. выделяется, усиливается и поступает на индикатор. Иными словами в приборах этого типа реализован принцип радиолокатора: металлоискатель воздействует на объект электромагнитным полем, которое частично возвращается (отражается) и регистрируется.

В металлоискателях параметрического типа металлический предмет и/или создаваемое им отраженное поле действуют на некоторый параметр регистрирующего элемента металлоискателя, изменение которого выделяется и подается на индикатор. Металлоискатели этого типа создают переменное электромагнитное поле. При попадании металлического предмета в это поле изменяется магнитная индукция поля вокруг приемной катушки и, соответственно - индуктивность катушки. Это изменение регистрируется тем или иным способом. Например, если катушка является частью генератора, изменение ее индуктивности влечет изменение частоты генератора. Выделяется изменение частоты и, если оно достаточно большое, формируется сигнал (звуковой, световой) присутствия металла.

Для обнаружения металлических предметов могут применяться специальные приборы, предназначенные для измерения параметров собственно магнитного поля. Последние называют магнитометрами и относят к числу магниточувствительных металлоискателей. Они измеряют модуль или направление вектора магнитной индукции поля Земли. Использование магнитометров в качестве металлоискателей основано на явлении локального искажения естественного магнитного поля Земли ферромагнитными материалами. Ферромагнитные объекты обладают либо собственным магнитным полем, либо искажают однородное поле Земли. И в том и в другом случае величина магнитного поля в зоне чувствительного элемента изменяет свою величину и направление. Отклонение показаний магнитометра от нормальных для данного места свидетельствует о появлении магнитной аномалии, которая обычно вызывается металлическими предметами. По отношению к искомому объекту эти приборы являются пассивными, т. е. не оказывают на него никакого воздействия.

Магниточувствительные металлоискатели в практической работе таможенных органов не применяются.

В таможенных органах применяются индукционные металлоискатели.

По принципу действия среди них выделяют четыре основных класса:

· металлоискатели по принципу «прием – передача»;

· металлоискатели на биениях;

· однокатушечные металлоискатели индукционного типа;

· импульсные металлоискатели.

К числу основных параметров, характеризующих ручные металлоискатели относят следующие.

Чувствительность. Важнейший параметр металлоискателей – им определяется максимальная дальность обнаружения металлического предмета.

Для магниточувствительных металлоискателей чувствительность принято оценивать минимальной величиной магнитной индукции поля, которую способен зарегистрировать прибор.

Для индукционных металлоискателей в качестве эталонов чувствительности обычно используют пластины круглой или квадратной формы из различных металлов и различных размеров. С помощью этих пластин можно сравнивать расстояния, на которых их обнаруживают разные металлоискатели. Часто в качестве эталона рассматривается монета определенного размера.

В общем случае чувствительность зависит от ряда физических параметров искомого объекта и технических характеристик металлоискателя: электропроводности, магнитной проницаемости и геометрических размеров объекта, частоты генераторов прибора, метода регистрации «информационного» сигнала от объекта др. Чувствительность тем больше, чем больше размер искомого объекта и меньше расстояние до него.

При досмотре людей, личного багажа или корреспонденции высокой чувствительности не требуется. Как правило, достаточно 15-20 см.

Помехоустойчивость. В процессе применения металлоискателя на него воздействует внешняя среда, создавая помехи, затрудняющие или делающие невозможным выполнение им своих функций. Чаще всего помехи создаются источниками электромагнитного излучения (электрооборудование, мониторы компьютеров и т.п.) или вызваны наличием вблизи больших масс металла, перемещающихся или неподвижных.

Помехоустойчивость металлоискателя определяется его способностью сохранять свои характеристики в условиях воздействия внешних помех.

Селективность. Свойство различать объекты по составу вещества и иным параметрам называют селективностью. Современные металлоискатели могут различать объекты по массе, геометрическим размерам, составу вещества (золото, сталь, латунь и т.п.).

Конструкция и разрешающая способность. К числу основных характеристик металлоискателя относится разрешающая способность, т.е. возможность раздельно регистрировать близко расположенные предметы. Для улучшения этой характеристики важным является выбор размера и форма поискового элемента (измерительного элемента). При малых размерах поискового элемента улучшается разрешающая способность прибора. К сожалению, при малых размерах поискового элемента снижается производительность контроля, так как увеличивается время, необходимое для досмотра объекта, что является существенным показателем при использовании приборов, например, в аэропортах с большим пассажиропотоком. Наиболее эффективный путь устранения противоречия между разрешающей способностью и производительностью - это придание поисковому элементу продольно-вытянутой формы. К тому же, если поисковый элемент достаточно плоский, появляется возможность контроля в труднодоступных местах (щели, полости).

Вероятность обнаружения. В результате воздействия помех, недостаточной селективности или разрешающей способности металлоискатель может выдавать ложный сигнал тревоги. В принципе, пользователю не важно какая помехоустойчивость или чувствительность у прибора, он хотел бы иметь гарантию обнаружения некоторых предметов (например, ножа или пистолета) при выполнении им правил поиска.

Оценкой такой гарантии может быть вероятность обнаружения.

Имеются международные стандарты, определяющие требования к металлоискателям, используемым для обнаружения оружия на человеке. Так, в стандарте Федерального управления гражданской авиации США нормируется нижняя граница вероятности обнаружения (Р_обн) для трех конкретных образцов огнестрельного оружия. Образцы выполнены из разных материалов (сталь, нержавеющая сталь, специальные сплавы), имеют достаточно малые массу и габариты. Испытания для оценки значения Р_обн проводятся в трех фиксированных точках на теле человека. Используемая в этом стандарте методика позволяет оценивать вероятность обнаружения типовых объектов при их различной пространственной ориентации в наиболее вероятных местах расположения на человеке.

Безопасность. Как и любой прибор, с которым работает человек, металлоискатель должен удовлетворять определенным требованиям по безопасности. Это, например, требования по электрической безопасности, так как он имеет электропитание.

Металлоискатели генерируют электромагнитное поле, которое воздействует на человека, магнитные и электронные приборы. Поэтому кроме выполнения обычных требований по безопасности металлоискатель должен обеспечивать:

• безопасность по отношению к организму человека,

• допустимый уровень влияния на имплантируемые электрокардиостимуляторы,

• допустимый уровень влияния на магнитные носители информации.

Требования по безопасности электромагнитного поля по отношению к организму человека определяются СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96 «Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона» и МСанПиН 001-96 «Санитарные нормы допустимых уровней физических факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях».

Потребляемая мощность. Поскольку портативные металлоискатели работают с автономным источником питания (батарея, аккумуляторы), желательно, чтобы потребляемая мощность была минимальной. От этого зависит время работы до замены источника питания и подзарядки аккумулятора.

Индикация. Большинство портативных металлоискателей имеют световую (светодиод) и звуковую сигнализацию при обнаружении металла, а также индикатор включения прибора и разряда батарей. Возможна сигнализация с помощью «виброзвонка», встроенного в ручку металлоискателя, что используется для сокрытия факта обнаружения металла. У наиболее совершенных моделей для индикации результатов работы и настроек используется малогабаритный дисплей. Существуют модели, которые имеют разъем для подключения головных телефонов.

Некоторые модели приборов осуществляют раздельную регистрацию объектов из черных и цветных металлов (различная тональность звукового сигнала, светодиоды разного цвета). Предназначенные для досмотра пассажиров металлоискатели иногда снабжаются специальной кнопкой, при нажатии которой имитируется сигнал обнаружения металлического предмета, что дает возможность спровоцировать углубленный досмотр.

Органы управления. Для обеспечения оперативности контроля количество органов управления и настройки в портативных металлоискателях стремятся сократить до минимума. Лучшие модели оснащены системами автоматической настройки, т.е. реализован принцип: ''включил - работай''. Однако у любого прибора как минимум имеется кнопка «включения-выключения».

Отечественные металлоискатели, поступившие на вооружение таможенных органов России в первой половине 90-х годов, имеют ручки ручной регулировки чувствительности. С ее помощью перед применением металлоискателя выставляется максимально возможная чувствительность, при которой в отсутствие металла не срабатывают индикаторы.

Органы настройки современных металлоискателей позволяют производить селекцию объектов по типу металла и поиска по геометрическим размерам.

Заметим, что электронные схемы и конструкции металлоискателей во многом зависят от типа объектов, для обнаружения которых они предназначены. Так, состав вещества наиболее значительно влияет на фазу принимаемого металлоискателем сигнала. В связи с этим металлоискатели, различающие, например, черные и цветные металлы, реализуют методы обработки сигналов с приемной катушки, позволяющие реагировать на фазу принимаемого сигнала. Сила вторичного излучения от объекта зависит от частоты сигнала, создаваемого излучающей катушкой. При больших частотах полый металлический предмет и такой же литой объект будут создавать вторичное излучение одной силы. Поэтому металлоискатели, различающие объекты по массе, должны иметь определенную частоту излучения.

5.2. Стационарные металлоискатели

Они могут устойчиво работать при проходе десятков человек в минуту. Обычно стационарные металлоискатели имеют габариты прохода по высоте до 2 м, по ширине до 1 м. Так, металлодетекторы METOR 200 HS имеют габариты прохода 2010 х 710 х 594 mm (рис. 5.1).

Современные стационарные металлоискатели снабжаются микропроцессорами, с помощью которых задаются режимы работы (возможна настройка на обнаружение определенных металлов, на массу предмета и др.) и индикации (обычно они имеют световую, звуковую индикации, вывод данных на дисплей), подсчитывают число прошедших пассажиров, определяют сторону и зону проноса металлических предметов, выполняют автоматический самоконтроль и т.п. Можно настроить прибор так, что он будет обнаруживать лезвие бритвы, но не будет реагировать на алюминиевую банку с пивом или на горсть монет. Некоторые металлоискатели снабжаются выносными пультами для управления и индикации результатов их работы. В качестве такого пульта может применяться компьютер.

Например, в стационарном металлодетекторе Intelliscan 12000 (рис. 5.2) пространство под аркой разбито на 18 независимых зон – в соответствии с координатной сеткой - 6 по горизонтали х 3 по вертикали. При проносе металлических предметов на дисплее, на котором изображен контур человеческого тела, отображаются зоны локализации металлических предметов.

Рис. 5.1. Стационарный металлодетектор METOR 200 HS

Рис. 5.2. Стационарный металлодетектор Intelliscan 12000 с дисплеем

Металлодетектор Intelliscan 12000 обладает следующими возможностями:

- 20 программ селективного обнаружения металлических предметов;

- 99 уровней чувствительности;

- сигналы тревоги в каждой из зон формируются, если размеры металлических предметов превышают заданные;

- позонная установка чувствительности в пределах от -99% до +99% относительно базовой;

- настройка нижних зон для компенсации влияния металлической арматуры в полу;

- автоматическое тестирование и автокалибровка;

- отстройка от шумов с помощью цифровой фильтрации;

- постоянное отображение состояния на цветном дисплее;

- защита установок от постороннего вмешательства шестизначным кодом доступа;

- количество выбираемых пользователем рабочих частот – 16;

- соответствие всем требованиям Федеральной авиационной администрации США от 1991 г. по применению в аэропортах и требованиям стандартов национального Института правосудия NILECJ (США);

- соответствие гигиеническому сертификату Минздрава РФ 77.01.09.346.П.10046.04.0.

Выбирая ту или иную программу можно настроить металлоискатель на обнаружение определенных объектов. В частности, имеются программы:

- досмотра авиапассажиров для выявления легкого огнестрельного оружия, а также крупных и среднегабаритных ножей;

- подобная программе выше, но с добавлением поиска свинца;

- для использования в зданиях суда и тюрьмах для обнаружения ножей малого размера;

- обнаружение прутьев из магнитной и немагнитной стали;

- обнаружение объектов из меди, бронзы и алюминия с исключением объектов из других материалов;

- обнаружение малогабаритных тонких объектов из черного металла (бритвенных лезвий и продукции микроэлектроники) и др.

Имеются варианты стационарных металлоискателей, которые могут получать питание от аккумуляторов, работать в полевых условиях при минусовой температуре в несколько десятков градусов, имеют выносные пульты управления и контроля.

5.3. Металлоискатели по принципу «прием- передача»

Принцип действия металлоискателей этого типа основан на воздействии на изучаемый объект (мишень) переменным магнитным полем передающей (излучающей) катушки и регистрации сигнала, появляющегося вследствие наведения вихревых токов в мишени. Таким образом, они относятся к приборам локационного типа и должны иметь по крайней мере две катушки – передающую (излучающую) и приемную. В зарубежной терминологии металлоискатели, работающие по этому принципу, очень часто обозначают IB (Induction Balance) или VLF - (Very Low Frequency).

Как излучаемый, так и принимаемый сигналы являются непрерывными и совпадают по частоте.

Принципиальным моментом для металлоискателей такого типа является выбор взаимного расположения катушек. Они должны быть расположены так, чтобы в отсутствие посторонних металлических предметов магнитное поле излучающей катушки наводило нулевой сигнал в приемной катушке.

На рис 5.3 а) и б) показано расположение катушек с перпендикулярными и со скрещивающимися осями, при котором не происходит наведения тока в приемной катушке. На рис. 5.3 в) приведена система из одной излучающей (в центре) и двух приемных катушек. Последние включаются встречно по сигналу, наводимому излучающей катушкой, и в отсутствии металлических предметов на их выходе суммарная э.д.с. равна нулю.

Рис. 5.3. Расположение катушек, при котором не происходит наведение

токов в приемной катушке

Катушки, которые создают излучение и/или принимают сигнал, выполняют в виде некоторой конструкции, называемой поисковой рамкой. Параллельное расположение катушек называют компланарным (рис. 5.4). Такое расположение катушек позволяет уменьшить габариты поисковой рамки, так как ее можно выполнить в плоском (в виде «блина») защитном корпусе.

Известно несколько способов расположения катушек в одной плоскости, обеспечивающих нулевой сигнал в приемной катушке. Катушки можно наложить друг на друга так, чтобы суммарный поток вектора магнитной индукции через плоскость приемной катушки равнялся нулю (рис. 5.4 а). Рис. 5.4 б) иллюстрирует способ, когда приемная катушка в виде «восьмерки» помещается внутри излучающей. При этом в разных половинках «восьмерки» наводятся э.д.с. с разными знаками и компенсируют друг друга. Возможно размещение приемной катушки обычной формы внутри излучающей катушки но тогда используется специальное компенсирующее устройство.

Рис. 5.4. Варианты компланарного расположения катушек

Обычно в металлоискателях данного типа поисковую рамку образуют две катушки, расположенные в одной плоскости и сбалансированные так, что при подаче сигнала в передающую катушку на выходе приемной минимальный сигнал. Рабочая частота излучения - от одного до нескольких десятков кГц.

Рассмотрим один из вариантов структурной схемы металлоискателя, работающего по принципу «прием-передача» (рис. 5.5).

Генератор создает переменное (прямоугольное или синусоидальное) напряжение, которое через усилитель мощности поступает на излучающую катушку.

Рис. 5.5. Функциональная схема металлоискателя,

работающего по принципу «прием-передача»

Приемный усилитель усиливает сигнал, поступающий с приемной катушки. В приемную катушку кроме полезного проникает также и паразитный сигнал, обусловленный неидеальностью конструкции системы катушек металлоискателя, проводимостью грунта и другими причинами. Для его устранения предназначена схема компенсации. В приемном усилителе сигнал от приемной катушки смешивается с частью сигнала от излучающей катушки так, чтобы минимизировать (в идеале – довести до нуля) выходной сигнал синхронного детектора при отсутствии вблизи металлических предметов. Настройка схемы компенсации осуществляется с помощью некоторого регулировочного элемента.

При появлении вблизи металлоискателя металлической мишени в ней наводятся токи от излучающей катушки, которые являются причиной появления вторичного электромагнитного излучения. Последнее воздействует на приемную катушку, и в ней наводится переменная э.д.с. (напряжение). Частота наводимого сигнала такая же, как и в излучающей катушке.

Сигнал, наводимый в приемной катушке, имеет некоторый сдвиг по фазе по отношению к сигналу излучающей катушки, так как он поступает на приемную катушку с некоторой задержкой. При появлении вблизи поисковой рамки металлического объекта амплитуда сигнала в приемной катушке увеличивается, а фазовый сдвиг изменяется в зависимости от проводимости металла (черный, цветной).

Синхронный детектор выделяет полезный переменный сигнал, поступающий с выхода приемного усилителя и созданный излучением от металлического объекта, в постоянный сигнал. Синхронизация работы детектора с работой генератора излучающего сигнала позволяет повысить эффективность его работы на фоне шумов и помех, зачастую значительно превышающих полезный сигнал по амплитуде.

Выходной сигнал синхронного детектора усиливается и подается на индикатор, например звуковой или световой, который сигнализирует о появлении вблизи металлоискателя металлического предмета. Индикация включается только для сигналов, превосходящих по амплитуде некоторый порог. Таким образом, слабые сигналы, связанные в основном с движением металлоискателя и внешними электромагнитными помехами, не вызывают срабатывания индикатора.

5.4. Металлоискатели на биениях

Биением называют явление, возникающее при перемножении двух периодических сигналов с близкими частотами и амплитудами. Результирующий сигнал будет иметь пульсации с частотой, равной разности частот. Если сигнал низкой частоты подать на динамик мы услышим характерный «булькающий» звук. Это и послужило причиной, чтобы назвать биением получаемый в данном случае сигнал, а сами приборы- металлоискателями на биениях.

Функциональная схема и внешний вид металлоискателя на биениях «Шахта – Р», который до сих пор используется в оперативной работе таможенных органов, изображены на рис. 5.6 и 5.7.

Металлоискатель на биениях содержит два генератора: опорный и измерительный. Первый имеет стабильную (неизменную) частоту, а второй может менять частоту при приближении к металлическому предмету. Его чувствительным элементом является катушка индуктивности, выполненная в виде поисковой рамки (датчика). Типичные частоты генераторов: 40¸500 кГц.

Измерительный генератор содержит две индуктивные катушки L1 и L2. Катушка L1 имеет подстроечный сердечник, что позволяет проводить в небольших пределах регулировку частоты генератора. Катушка L2 является поисковой рамкой (датчиком) и для обеспечения жесткости заключена в тонкостенную медную трубку.

Измерительная +

рамка Выключатель

Питание питания

L2 L1 прибора

Аккумулятор

-

Звуковой

индикатор

Светодиодный

индикатор

L3

Рис. 5.6. Функциональная схема металлоискателя на биениях

Опорный генератор содержит индуктивную катушку L3 с латунным подстроечным сердечником. Сердечник перемещается с помощью ручки регулировки чувствительности, которая расположена в торцевой части корпуса металлоискателя. Эта ручка регулировки используется для подстройки частоты опорного генератора перед началом поиска.

Сигналы от генераторов поступают на детектор, на выходе которого выделяется переменное напряжение с частотой, равной разности частот опорного и измерительного генераторов. Далее этот сигнал усиливается по амплитуде и поступает на звуковой и светодиодный индикаторы.

Перед поиском с помощью ручки регулировки прибор настраивается таким образом, чтобы в отсутствие металла вблизи измерительной рамки частоты генераторов совпадали. Когда генераторы выдают одинаковые частоты, на выходе детектора напряжение равно нулю и индикатор не работает.

Наличие металла вблизи измерительной рамки приводит к изменению параметров окружающего его магнитного поля и, как следствие, к изменению частоты соответствующего генератора (фактически меняется индуктивность приемной катушки, от которой, в свою очередь, зависит частота измерительного генератора). Возникает разность частот, которая выделяется и используется для формирования сигнала о наличии металлического предмета.

Рис. 5.7. Внешний вид металлоискателя «Шахта-Р»

При появлении в поле поисковой рамки металлического предмета напряжение на выходе детектора изменяется с частотой, равной разности частот опорного и измерительного генераторов. В результате начинает мигать светодиодный индикатор и появляется сигнал от звукового индикатора. Частота мигания и звука определяется разностной частотой. Чем больше масса металла и ближе металлический предмет, тем сильнее различаются частоты генераторов и выше частота выходного напряжения детектора и мигания светодиодного индикатора, выше тон звука у звукового индикатора.

В металлоискатели «Шахта-Р» параллельно аккумулятору подсоединена специальная электронная схема со светодиодным индикатором, который загорается, когда напряжение аккумулятора падает ниже допустимого (см. рис. 5.6).

Как некоторую модификацию металлоискателей на биениях можно рассматривать металлоискатели - частотомеры. В них есть только измерительный генератор. При приближении измерительной рамки (катушки) металлоискателя к металлическому предмету меняется частота генератора. Обычно измеряется не собственно частота, а длина периода колебаний генератора. Затем из нее вычитается длина периода при отсутствии металла. Если длины начального (т.е. при отсутствии металла) и измеренного периодов различны, то выдается сигнал присутствия металла.