Патент на изобретение №2398248

(54) СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕЛКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРЕДМЕТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области дефектоскопии и может быть использовано для обнаружения мелких предметов, выполненных из драгоценных металлов, при контроле проходов аэропортов, морских портов и проходных промышленных предприятий. Сущность: на зону обнаружения, в которой находится предмет поиска, действуют низкочастотным электромагнитным и СВЧ-полями. Подбирают величину низкочастотного электромагнитного поля, достаточную для возникновения механической вибрации предмета поиска в зоне обнаружения. Осуществляют прием отраженного от зоны обнаружения СВЧ-сигнала, модулированного параметрами механической вибрации предмета поиска. Выделяют из принимаемого модулированного СВЧ-сигнала полезный сигнал частотой , где – частота механической вибрации предмета поиска. Устройство содержит низкочастотный генератор, соединенный с индукционным излучателем, автодинный СВЧ-приемопередатчик с антенной, фазовый детектор, фильтр нижних частот и индикатор. Технический результат: повышение чувствительности и надежности обнаружения. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области дефектоскопии и может быть использовано для обнаружения мелких предметов, выполненных из драгоценных металлов, при контроле проходов аэропортов, морских портов и проходных промышленных предприятий.

Известен индуктивный аппарат для обнаружения металлических объектов в зоне обнаружения [патент FR 2145679, МКИ G01V 3/10, G08B 13/24, опубл. 23.02.1973], содержащий по крайней мере один блок индуктивностей, источник переменного тока и блок обработки принимаемого сигнала. Блок индуктивностей состоит из излучающей катушки, соединенной через подстраиваемую катушку связи с детекторной катушкой. При отсутствии в постоянном магнитном поле, произведенным излучающей катушкой, металлического предмета путем минимизации взаимной индукции между излучающей и детекторной катушками на выходе детекторной катушки напряжение равно нулю. Источник переменного тока, вырабатывающий сигнал в диапазоне частот от 200 до 4000 Гц, соединен с излучающей катушкой, а детекторная катушка подключена к блоку обработки принимаемого сигнала.

Наиболее близким техническим решением является устройство для обнаружения металлических объектов в зоне поиска [патент GB 1334295, МКИ G01V 3/10, опубл. 17.10.1973], содержащее передающую цепь, приемную цепь и выходной блок. Передающая цепь включает задающий генератор, который через блок предварительных усилителей соединен с передающей катушкой. Задающий генератор обеспечивает зондирование зоны поиска электромагнитным сигналом с определенным уровнем энергии на единицу объема зоны поиска. Приемная цепь состоит из приемной катушки, сумматора принимаемого сигнала, суммирующего трансформатора, соединенного через один из предварительных усилителей передающей цепи с нуль-цепью, и проходного усилителя. На выходе приемной цепи в отсутствие металлического объекта в зоне поиска скомпенсированное напряжение равно нулю. Выходная цепь содержит блок датчиков фазы, параллельно подключенных к проходному усилителю, и блок фазовращателей, соединенных с одним из предварительных усилителей передающей цепи. Число фазовращателей равно числу датчиков фазы. При обнаружении металлического предмета в зоне поиска происходит изменение амплитуды и полярности выходного сигнала, причем по полярности сигнала на выходе каждого датчика фазы судят о типе металла (черный или цветной).

В основу изобретения положена задача повышения чувствительности и надежности обнаружения мелких металлических предметов, вносимых в зону обнаружения.

Поставленная задача решается тем, что в способе обнаружения мелких металлических предметов, основанном на возбуждении зоны обнаружения низкочастотным электромагнитным полем и приеме отраженного от зоны обнаружения сигнала, согласно изобретению дополнительно зону обнаружения облучают СВЧ-полем, подбирают величину низкочастотного электромагнитного поля, достаточную для возникновения механической вибрации предмета поиска в зоне обнаружения, осуществляют прием отраженного от зоны обнаружения СВЧ-сигнала, модулированного параметрами механической вибрации предмета поиска, выделяют из принимаемого модулированного СВЧ-сигнала полезный сигнал частотой , где – частота механической вибрации предмета поиска.

Поставленная задача решается также тем, что в известное устройство, содержащее низкочастотный генератор, соединенный с индукционным излучателем, дополнительно введены автодинный СВЧ-приемопередатчик с антенной, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами фазового детектора соответственно, а выход фазового детектора через фильтр нижних частот подключен к индикатору обнаружения.

На фиг.1 представлена схема реализации заявляемого способа.

Предмет поиска 1 помещают в низкочастотное электромагнитное поле

зоны обнаружения, периметр которой совпадает со средним радиусом R_Г индукционного излучателя 3, питаемого низкочастотным генератором 2. Под действием низкочастотного электромагнитного поля зоны обнаружения в предмете поиска 1 наводятся вторичный вихревой ток I₂, амплитуда которого равна:

где – электродвижущая сила, наведенная гармоническим током I₁ в предмете поиска 1;

µ=4×10^-7 Гн/м – магнитная проницаемость воздуха;

R – средний радиус предмета поиска 1, м;

R_Г – средний радиус индукционного излучателя 3, м;

– сопротивление проводящего кольца с поперечным сечением h, эквивалентного предмету поиска;

– проводимость материала предмета поиска 1, См/м;

h – толщина предмета поиска, м;

– глубина скин-слоя в материале предмета поиска 1.

Сила Лоренца, возникающая при взаимодействие токов I₁ и I₂ и вызывающая механическую вибрацию предмета поиска 1 с частотой вибрации =2F и с углом отклонения от начального горизонтального положения, определяется выражением:

Подставим отношение (1) в выражение (2) и получим следующее уравнение для определения силы Лоренца, действующей на предмет поиска 1:

Причем для обеспечения колебательного смещения предмета поиска 1 необходимо соблюдать следующее условие:

где Р=R²h – вес предмета поиска 1;

– удельный вес материала предмета поиска 1, кг/м³.

Для возникновения механической вибрации предмета поиска 1 частотой =2F подбирают величину амплитуды тока , протекающего в индукционном излучателе 3. Из выражений (3) и (4) находим необходимую величину амплитуды тока I₁ для обеспечения механической вибрации предмета поиска 1:

Как видно из выражения (5), необходимая величина тока I₁ для обеспечения механической вибрации предмета поиска 1 зависит от частоты и от среднего радиуса индукционного излучателя R_.

Дополнительно зону обнаружения облучают СВЧ-полем частотой =2f с помощью антенны, соединенной с приемопередатчиком 4. Затем осуществляют прием отраженного от зоны обнаружения СВЧ-сигнала , модулированного по фазе частотой вибрации предмета поиска :

где () – фаза отраженного СВЧ-сигнала ;

E и H начальное значение амплитуды электрической и магнитной составляющих СВЧ-поля соответственно;

Фаза отраженного электромагнитного сигнала определяется следующим выражением:

где =2F – частота механической вибрации предмета поиска 1;

()=К×Р_Л – амплитуда механической вибрации предмета поиска;

К – коэффициент пропорциональности;

– длина волны отраженного электромагнитного поля.

Подставив величину =90° в выражение (7), находим максимальную амплитуду механической вибрации предмета поиска 1:

Как видно из выражения (7), фаза отраженного электромагнитного сигнала () зависит от параметров механической вибрации предмета поиска и, следовательно, от габаритных размеров и электрофизических параметров предмета поиска 1.

Последующая фазовая демодуляция принимаемого СВЧ-сигнала позволяет выделить полезный сигнал, содержащий информацию о габаритных размерах и электрофизических параметрах предмета поиска 1. Изменяя частоту , можно идентифицировать предмет поиска 1 по классам. Таким образом, предлагаемый способ позволяет обнаружить с большей надежностью мелкие металлические предметы, находящиеся в зоне обнаружения, чем в известном способе.

Дадим количественную оценку амплитуды механической вибрации предмета поиска 1.

Пусть предметом поиска является диск радиусом R=5×l0^-3 м и толщиной h=1×10^-3 м. Материал предмета поиска – золото с проводимостью =5×10⁷ См/м и удельным весом 20×10³ кг/м. Радиус индукционного излучателя R=0,5 м, а частота первичного магнитного поля F=1 кГц. Подставим вышеприведенные данные в выражение (5) и получим I₁>10³ . Если индукционный излучатель выполнить в виде спирали с n=10 витками провода, то необходимая величина тока I₁ составит I₁/n=100 A. Фазовый сдвиг ()=1/57 рад1° при длине волны первичного электромагнитного СВЧ-поля =10 см получают при значении амплитуды механической вибрации предмета поиска, равном

На фиг.2 представлена функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ.

Устройство обнаружения мелких металлических предметов содержит низкочастотный генератор 2 с индукционным излучателем 3 и автодинный СВЧ-приемопередатчик 4 с антенной. Первый выход автодинного СВЧ-приемопередатчика 4 (на фиг.2 обозначен как ± со стрелочкой) соединен с первым входом фазового детектора 5, а второй выход (на фиг.2 обозначен как со стрелочкой) – с вторым входом фазового детектора 5. Фазовый детектор 5 через фильтр нижних частот 6 соединен с индикатором обнаружения 7. Индукционный излучатель 3 выполнен в виде рамки, в которой протекает ток . На фиг.2 также отображены СВЧ-поле , облучающее зону обнаружения, и СВЧ-сигнал , отраженный от предмета поиска 1, в котором под действием низкочастотного электромагнитного поля зоны обнаружения наводится ток .

Устройство работает следующим образом.

Низкочастотный генератор 3 создает ток частотой =2F, протекающий в индукционном излучателе 2, с помощью которого в зоне обнаружения наводится низкочастотное электромагнитное поле . Одновременно автодинный СВЧ-приемопередатчик 4 вырабатывает СВЧ-сигнал частотой =2f, который через антенну облучает зону обнаружения. При попадании в зону обнаружения предмет поиска 1, в котором под действием низкочастотного электромагнитного поля наводится вихревой ток , механически вибрирует с частотой =2F. Амплитуда механической вибрации предмета поиска 1, возникающая под действием силы Лоренца, вызванной взаимодействием токов и , увеличивается с ростом амплитуды тока . Автодинный СВЧ-приемопередатчик 4 с помощью антенны осуществляет прием отраженного от зоны обнаружения СВЧ-сигнала

модулированного по фазе частотой механической вибрации предмета поиска . С выхода автодинного СВЧ-приемопередатчика 4 принимаемый СВЧ-сигнал поступает на первый вход фазового детектора 5, на второй вход которого подается зондирующий СВЧ-сигнал частотой =2f. Фазовый детектор 5, соединенный с фильтром нижних частот 6, выделяет из принимаемого СВЧ-сигнала полезный сигнал частотой , поступающий на индикатор 7.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяет обнаружить с большей надежностью мелкие металлические предметы, проносимые через зону обнаружения, чем в известном способе.

Формула изобретения

1. Способ обнаружения мелких металлических предметов, основанный на возбуждении зоны обнаружения низкочастотным электромагнитным полем и приеме отраженного от зоны обнаружения сигнала, отличающийся тем, что дополнительно зону обнаружения облучают СВЧ-полем, подбирают величину низкочастотного электромагнитного поля, достаточную для возникновения механической вибрации предмета поиска в зоне обнаружения, осуществляют прием отраженного от зоны обнаружения СВЧ-сигнала, модулированного параметрами механической вибрации предмета поиска, выделяют из принимаемого модулированного СВЧ-сигнала полезный сигнал частотой , где – частота механической вибрации предмета поиска.

2. Устройство для обнаружения мелких металлических предметов, содержащие низкочастотный генератор, соединенный с индукционным излучателем, отличающееся тем, что дополнительно содержит автодинный СВЧ-приемопередатчик с антенной, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами фазового детектора соответственно, а выход фазового детектора через фильтр нижних частот подключен к индикатору обнаружения.

РИСУНКИ