Магнітометричні засоби виявлення

магнітометричнихзасоби виявлення

Введення

магнітометричних засоби виявлення призначенідля реєстрації факту пронесення в їх чутливої вЂ‹вЂ‹зоні предметів, виконанихз металів або їх сплавів.

1. Види магнітометричних СО,принципи їх дії

МСО розрізняють по фізичним принципам дії,закладеним в основу побудови засобів виявлення, як то:

- з використанням ефекту перевипромінювання сигналу;

- з використанням ефекту биття частоти;

- з використанням ефекту самоіндукції;

- з використанням ефекту локального спотвореннямагнітного поля Землі.

Розглянемо коротко фізичну суть викладенихпринципів.

СО з використанням ефектуперевипромінювання сигналу. СОПмістить дві котушки - передавальну і приймальню. На передавальну котушку подаєтьсяопорний сигнал, частота і амплітуда якого постійні в часі. За допомогоюпередавальної котушки цей сигнал випромінюється в навколишнє середовище. За рахунок явищасамоіндукції під зустрінутим на шляху сигналу провідному предметі наводиться ЕРС,яка в свою чергу викликає випромінювання цим предметом "вторинного"поля, тобто має місце переизлучение сигналу.

перевипромінювання сигнал приймається приймальною котушкоюСОП. Для ослаблення ефекту прямого наведення ЕРС на приймальну котушку відпередавальної, котушки розташовують під кутом один до одного або навіть розносять впросторі.

Дане МСО володіє селективністю - чітковираженою здатністю розрізняти об'єкти, виготовлені з різних металіві сплавів, по фазі відбитого сигналу за рахунок оптимізації вибору частотисигналу випромінюючої котушки.

Рівень сигналу, що наводиться в приймальній котушці,обернено пропорційний 6-7-го ступеня відстані до знайденого предмета, тобтопри збільшенні відстані від приймальні котушки до виявляти предмети в 2рази рівень сигналу U в приймальній котушці зменшиться більш ніж в 2 рази ійого нова величина Ui будезнаходитися в межах:

СОП має чітко виражену діаграму спрямованості.За рахунок цього він теоретично володіє максимальною завадостійкістю попорівнянні з іншими типами СО аналогічного призначення.

Схема застосовується в переважній більшостізарубіжних СО. Володіє властивістю виявляти об'єкти з мінімальними розмірамив порівнянні з іншими СО.

СО з використанням ефектуперевипромінювання сигналу, що містить одну котушку індуктивності для передачі іприйому сигналів. Це приватнийвипадок СОП. Соін містить тільки одну котушку індуктивності, збуджуєзмінним струмом. При наближенні котушки до металевого предмету з'являєтьсяперевипромінювання сигнал, який наводить у ній додаткову ЕРС.

Рівень сигналу, що наводиться в котушці, назадпропорційний 6-й ступеня відстані до знайденого предмета, тобто призбільшенні відстані від котушки до виявляти предмети в 2 рази рівеньсигналу U в котушці зменшиться більш ніж в 2 рази і його новавеличина Ui складе:

Соін поєднують в собі чутливість іселективність до металів СОП і простоту конструкції СВБ, який будерозглянуто нижче. Недолік - необхідність компенсації зміни параметрівкотушки індуктивності від температури, так як в принципі дії Соін закладеноне тільки реагування на корисний відбитий сигнал, але і на будь-яку змінупараметрів чутливого елемента.

СО з використанням ефектубиття частоти. СОБ містить двагенератора, частоти яких за відсутності зовнішніх дестабілізуючих факторівдорівнюють.

Генератори відрізняються один від одного тим, що частотаперший стабільний і не залежить від зовнішніх дестабілізуючих факторів, а частотадругого може змінюватися.

Частоти генераторів надходять на пристрій порівняння,виокремлює різницеву частоту. Сигнал на виході пристрою з'являється тільки ввипадку нерівності частот і він тим вище, чим більше ця нерівність.

Зміна частоти другого генератора відбувається зарахунок зміни параметрів коливального контуру, визначального частотуналаштування генератора. Індуктивність коливального контуру може мінятися зарахунок наближення останнього до металевого предмету.

Таким чином, за відсутності металу частотигенераторів рівні і різницевий сигнал дорівнює нулю. Наявність металу призводить доперебудові контуру не стабільного по частоті генератора і появірізницевого сигналу.

Рівень різницевого сигналу обернено пропорційний6-й ступеня відстані від знайденого предмета, тобто при збільшеннівідстані до виявляти предмети в 2 рази рівень сигналу зменшитьсябільш ніж в 2 рази і його нова величина Ui складе:

У порівнянні з іншими типами МСО, СОБ володіємалої дальністю виявлення внаслідок ефекту паразитної синхронізації.Селекція по металах відсутня.

Розглянутий принцип дії СО широковикористовувався в перших промислових моделях міношукачів.

СО з використанням ефектусамоіндукції. Принцип діїСОІМ схожий на СОП. Відмінність полягає в тому, що в СОП сигнал випромінюється іприймається безперервно, наприклад, у вигляді імпульсної послідовності, а вСОІМ - у вигляді одиночних імпульсів. До складу СОІМ зазвичай входять генераторімпульсів струму, приймальня і випромінює котушки, пристрій комутації та блокобробки сигналів.

Рівень сигналу, що наводиться в приймальній котушці,обернено пропорційний 4 ... 6-й ступеня відстані до знайденого предмета,тобто при збільшенні відстані від приймальні котушки до виявляти предметив 2 рази рівень сигналу в приймальній котушці зменшиться більш ніж в 2 рази і йогонова величина буде знаходитися в межах:

Практично відсутня селекція по металах.Істотний недолік СОІМ в тому, що він є джерелом перешкодімпульсного характеру.

СО з використанням ефектулокального спотворення магнітного поля Землі. Принцип дії цього виду СО заснований на явищілокального спотворення магнітного поля Землі феромагнітними матеріалами. Вінволодіє максимальною дальністю виявлення. Це пояснюється тим, що аналогомвипромінюваного поля для магнітометрів є сильне однорідне магнітне полеЗемлі, тому відгук на феромагнітний предмет обернено пропорційний третійступеня відстані, тобто при збільшенні відстані від котушки довиявляти предмети в 2 рази рівень сигналу в котушці зменшиться більшніж в 2 рази і його нова величина 1 складе:

До недоліків СОМ, як правило, слід віднестивеликі габаритні розміри і масу, а також неможливість виявлення предметівз кольорових металів.

2. Основні характеристики МСО

Умовно всі МСО можна розділити на пасивні іактивні. На практиці в оперативних заходах намагаються застосовувати пасивніМСО, тобто такі, власне випромінювання у яких відсутній. Пасивні МСОзначно важче виявити, а значить легше камуфлювати. Активні МСО застосовуютьв тих випадках, коли не потрібна їх камуфлювати по випромінюванню.

До активних МСО можна віднести СОП, СОБ, Соін і СОІМ,до пасивних - СОМ.

Головне призначення МСО - пошук зброї. Тому, доосновними характеристиками МСО можна віднести дальність виявлення металевихпредметів і завадостійкість.

Основні характеристики розглянутих типів МСОзведені в морфологічну табл. 1.

З табл. 1. видно, що найбільшу дальністьвиявлення має пасивний засіб СОМ, а найбільш перешкодостійким єактивний засіб СОП. У той же час СОП дозволяє визначити вид металу, зякого виготовлений виявлений предмет.

На практиці СОМ часто використовується в камуфліруемойапаратурі для виявлення зброї. Така апаратура встановлюється скритно іможе працювати тривалий час в автономному режимі, так як власнеспоживання СОМ незначно або відсутній. Завдяки пасивного характеруроботи СОМ виявити таку апаратуру за власним випромінюванню дуже важко.Найбільш важливою характеристикою СОМ в цьому випадку є саме дальністьвиявлення, так як спеціальні методи обробки сигналів дозволяютьістотно компенсувати чутливість пристрою до перешкод.

Найбільш характерна область застосування СОП -міношукачі. У цій апаратурі ідеально поєднуються порівняно малімасогабаритні характеристики СОП з його високою зав...адостійкістю. Дальністьвиявлення не має істотного значення, так як міни часто встановлюютьна малій глибині. Власне випромінювання СОП в даному випадку значення не має.

3. Характерні перешкоди призастосуванні МСО та способи їх компенсації

Умовно перешкоди МСО можна розділити на внутрішні ізовнішні. До внутрішніх перешкод відносяться перешкоди, створювані власне роботоюМСО, і власні шуми МСО. Для боротьби з внутрішніми перешкодами застосовуютьрізного роду екрани та розв'язки, використовують комплектуючі елементи з малимрівнем шуму.

До зовнішніх перешкод можна віднести перешкоди від роботирізного роду електрообладнання, а також перешкоди за рахунок природногозміни магнітного поля Землі. Позбутися від зовнішніх перешкод зазвичай вдаєтьсяшляхом просторового рознесення МСО на відстань Lі їх диференціального включення.

У цьому випадку відбувається взаємне віднімання сигналівперешкоди. Ступінь компенсації перешкод тим вище, чим далі рознесені МСО та ніжбільше відстань до джерела перешкоди.

На рис. 2. показано зміну рівня сигналу навиході диференціального підсилювача в залежності від відстані L 2 від МСО до джерела перешкоди при фіксованомувідстані L міжМСО.

4. Особливості розробки тазастосування МСО

Як правило, конструкція активних МСО складнішепасивних. При цьому і масогабаритні характеристики активних МСО вище. Цепояснюється насамперед тим, що пасивні МСО працюють в області низьких іінфранизьких частот часто без перенесення спектра сигналу. Наприклад, СОМ частовиконують у вигляді котушки індуктивності з дуже великим числом витків ісердечником з матеріалу з можливо більшою магнітною проникністю.Чутливість СОМ пропорційна кількості витків котушки, магнітноїпроникності сердечника і його довжині. Все це призводить до збільшеннямасогабаритних характеристик СОМ.

Будь-яку котушку індуктивності можна розглядати якрамкову антену. Діючу довжину такої антени можна обчислити за формулою

де X -довжина хвилі; п - число витків котушки індуктивності; S-Площа витка.

Для рамки з сердечником можна записати:

де-діюча довжина рамковоїантени з магнітним осердям; ц а - відносна магнітнапроникність антени;

де-магнітна проникністьосердя; -коефі-

ціент, що враховують залежність міжгеометричними розмірами котушки і осердя.

де ц - відносна магнітна проникністьматеріалу сердечника; D c -діаметр сердечника; Ц-довжина сердечника. Підставляючиотримаємо:

Проведемо аналіз з точки зору залежності l gc = f,

допускаючи: А. -> оо,п-> <В»- рамка намотана в одиншар.

У результаті аналізу можна прийти до висновку, що приц-> оо довжина антени

Нехай ц-І, тоді

Проведемо аналіз з точки зору залежності l gc = f, допускаючи, що L c = const.

У результаті аналізу можна прийти до висновку, що при D c -> 0 довжина антени

/ ес -> 0.

Нехай D c -> oo, тоді> Дс-> В«> в– 

Проведемо аналіз з точки зору залежності l gc = f, допускаючи, що D c = const, D c i = D c /L c .

Очевидно, що для інфранізкочастотного діапазону зметою збільшення рівня сигналу на виході чутливого елемента необхіднозбільшувати її кількість витків

і одночасно застосовувати сердечник можливо більшоїдовжини з матеріалу з можливо більшою магнітною проникністю. Діаметрсердечника при його фіксованій довжині помітного впливу на рівень сигналу не робить.

Активні МСО працюють в області порівняно високихчастот, що дозволяє виготовити сам чутливий елемент з порівнянохорошими масогабаритними характеристиками, так як зі збільшенням частотиз'являється можливість зменшити індуктивність котушки чутливого елемента.При цьому за поліпшення названих характеристик доводиться платити ускладненнямконструкції чутливого елемента, так як часто тут використовуєтьсякілька котушок індуктивності, рознесених у просторі.

Головне призначення МСО - пошук зброї. Найважливішийпараметр вогнепальної зброї, що впливає на рівень корисного сигналу якактивних, так і пасивних МСО - залишкова намагніченість зброї. В той жечас залишкова намагніченість зброї-це єдиний параметр,визначає рівень корисного сигналу пасивних МСО. Характерними місцямирозташування магнітних мас вогнепальної зброї є область дула і, якправило, діаметрально протилежна їй область - до 50%. Однак рівенькорисного сигналу суттєво залежить і від амплітуди коливання зброї при йогоперенесенні. В якості прикладу можна навести збільшення рівня корисногосигналу від автомата Калашникова приблизно в 3 ... 5 разів при його проносах повз МСО замплітудою коливання його дула приблизно на 0,1 м з частотою близько 1 Гц.

5. Структурна схема МСО

Розглянемо структурну схему МСО на прикладі СОМ.

Найбільш поширеним ЧЕ СОМ є котушкаіндуктивності. Типове значення сигналу, що знімається з ЧЕ, - порядку десятківмікровольт в смузі частот від 0,1 до 10 Гц.

Вибір смуги не випадковий. Вище було відзначено, щоголовне призначення МСО - пошук зброї. У переважній більшості випадків СОзастосовують для негласного контролю за перетином озброєними людьмиконтрольованої зони.

Рух із зброєю здійснюється у визначеномудіапазоні швидкостей і з інтервалом не менше 1 м. Крім того, при ходьбі зброю здійснює ще і коливальні рухи. Іншими словами, межі смугипропускання з урахуванням тільки швидкостей руху та інтервалу: F H = 0,5 Гц; F "= 2 Гц.

Очевидний запас по межах частотного діапазонунеобхідний для більш надійної роботи МСО, що підтверджується практикою.

Призначення смугового фільтра ПФ - формуваннязаданої смуги частот. Одним з важливих параметрів є крутизна спадухарактеристики фільтра поза смуги пропускання. Зазвичай ця величина становитьне менше 40 децибел на октаву, тобто при зміні частоти поза смугипропускання в 10 разів сигнал на виході ПФ зменшується в 100 разів.

Призначення УНЧ - посилення сигналу, що знімається звиходу ПФ, до величини, достатньої для надійної роботи ПУ. Зазвичай цю величинуприймають рівною не менше 1 В. Таким чином, коефіцієнт підсилення ПНЧ повиненбути порядку 10 5 раз.

Призначення ПУ - видача сигналу логічного рівня придосягненні корисним сигналом рівня спрацьовування ПУ.

Призначення ІУ - видача сигналу "Тривога"при надходженні на його вхід з виходу ПУ логічного сигналу відповідногорівня.

6. Основи теорії розробкимагнітометричних засоби виявлення

Як було сказано раніше, магнітометричні коштивиявлення застосовують для виявлення факту пронесення на територію, що охороняєтьсяпредметів з магнітними властивостями. В основу побудови МСО можуть бути покладенітри групи методів:

- з використанням феррозондов;

- з використанням пасивних котушок;

- квантові вимірники індукції.

У зв'язку з тим, що феррозонди отримують все більшешироке застосування при розробці МСО, розглянемо теоретичні основи цьогометоду.

Феррозондом називається пристрій, чутливе дозовнішнім магнітним полям, головним чином постійним і повільно мінливих,містить феромагнітні сердечники та обмотки, розподілені по їх довжині.

Від пасивних індукційних датчиків і феритовихантен феррозонди відрізняються тим, що є пристроями активного типу.Відбуваються в них процеси завжди пов'язані з існуванням двох полів -зовнішнього вимірюваного поля і деякого допоміжного поля, утвореного зарахунок струму, що протікає в одній з його обмоток. Взаємодія цих полів уобсязі сердечників, що виготовляються з легко насищаються магнітних матеріалів,наприклад пермалою, призводить до появи в інший обмотці електрорушійної сили,за величиною якої і судять про напруженості зовнішнього поля.

За принципом дії феррозонди найбільш близькі домагнітним підсилювачам. По суті вони і є... магнітними підсилювачами, уяких керуюча електричний ланцюг замінена розімкнутого магнітного ланцюгом.

Існує досить багато типів і модифікаційферрозондов. Всі вони відрізняються один від одного режимом роботи, способомнакладення допоміжного поля, обраної схеми і конструктивним виконанням.Ці відмінності виявляються більш або менш суттєвими в залежності віддіапазону і частотного спектра вимірюваних полів, умов, в яких проводятьсявимірювання, особливостей перетворення корисного сигналу у вимірювальній схемі.Однак феррозондам властиві і деякі загальні властивості.

Розглянемо ці властивості на прикладі диференціальногоферрозонда.

Диференціальний феррозонд містить два однаковихпермалоєвих сердечника, виконаних у вигляді тонких стрижнів прямокутногоперетину, покладених у спеціальні каркаси паралельно один одному. Поверхкаркасів нанесені первинні обмотки, включені послідовно й утворюютьланцюг збудження феррозонда. Цю ланцюг живлять змінним струмом звукової частоти.Крім первинних обмоток мається також загальна вторинна обмотка, яка разом зпідключається до неї індикаторним приладом утворює вимірювальну ланцюг.

У диференціальному феррозонде первинні обмотки

Однак,

Тоді

ОднакТоді можназаписати:

Зробивши

Після

тобтоОднак на практиціВДля цього скористаємося

.

Тоді

Тоді

поля.5.

Наприклад,

Ця6.

ДоПри оцінцінапруги.Однак цеполя.7. Видно,

1.Перетворення

2.овленіі.

Висновки

1. За фізичним принципам дії МСО можнарозділити на наступні види:

- з використанням ефекту перевипромінювання сигналу;

- з використанням ефекту биття частоти;

- з використанням ефекту самоіндукції;

- з використанням ефекту локального спотвореннямагнітного поля Землі.

За рівнем випромінювання МСО діляться на активні і пасивні. До активних МСО можна віднести СОП, СОБ, Соін і СОІМ,до пасивних - СОМ.

3. Найбільш перешкодостійкими, як правило, єактивні МСО.

4. Головне призначення МСО - пошук зброї. Напрактиці найбільш часто для цього використовується СОМ, як пасивне і легкокамуфліруемое засіб.