Магнитометрические средства обнаружения предназначены для регистрации факта проноса в их чувствительной зоне предметов, выполненных из металлов или их сплавов.
МСО различают по физическим принципам действия, заложенным в основу построения средств обнаружения, как то:
— с использованием эффекта переизлучения сигнала;
— с использованием эффекта биения частоты;
— с использованием эффекта самоиндукции;
— с использованием эффекта локального искажения магнитного поля Земли.
Рассмотрим кратко физическую суть изложенных принципов.
Переизлученный сигнал принимается приемной катушкой СОП. Для ослабления эффекта прямого наведения ЭДС на приемную катушку от передающей, катушки располагают под углом друг к другу или даже разносят в пространстве.
Уровень сигнала, наводимого в приемной катушке, обратно пропорционален 6-7-й степени расстояния до обнаруженного предмета. СОП имеет четко выраженную диаграмму направленности. За счет этого он теоретически обладает максимальной помехоустойчивостью по сравнению с другими типами средств обнаружения аналогичного назначения.
Схема применяется в подавляющем большинстве зарубежных средств обнаружения. Обладает свойством обнаруживать объекты с минимальными размерами по сравнению с другими СО.
Средство обнаружения с использованием эффекта переизлучения сигнала, содержащее одну катушку индуктивности для передачи и приема сигналов (СОИН) содержит только одну катушку индуктивности, возбуждаемую переменным током. При приближении катушки к металлическому предмету появляется переизлученный сигнал, который наводит в ней дополнительную ЭДС.
Средство обнаружения с использованием эффекта биения частоты. (СОБ) содержит два генератора, частоты которых при отсутствии внешних дестабилизирующих факторов равны.
Генераторы отличаются друг от друга тем, что частота первого стабильна и не зависит от внешних дестабилизирующих факторов, а частота второго может меняться.
Частоты генераторов поступают на устройство сравнения, выделяющее разностную частоту. Сигнал на выходе устройства появляется только в случае неравенства частот и он тем выше, чем больше это неравенство.
Изменение частоты второго генератора происходит за счет изменения параметров колебательного контура, определяющего частоту настройки генератора. Индуктивность колебательного контура может меняться за счет приближения последнего к металлическому предмету.
Таким образом, при отсутствии металла частоты генераторов равны и разностный сигнал равен нулю. Наличие металла приводит к перестройке контура не стабильного по частоте генератора и появлению разностного сигнала.
Уровень разностного сигнала обратно пропорционален 6-й степени расстояния от обнаруженного предмета. По сравнению с другими типами магнитометрических средств обнаружения, СОБ обладает малой дальностью обнаружения вследствие эффекта паразитной синхронизации. Сетема по металлам отсутствует.
Рассмотренный принцип действия средств обнаружения широко использовался в первых промышленных моделях миноискателей.
Уровень сигнала, наводимого в приемной катушке, обратно пропорционален 4. 6-й степени расстояния до обнаруженного предмета. Практически отсутствует сетема по металлам. Существенный недостаток СОИМ в том, что он является источником помех импульсного характера.
Средство обнаружения с использованием эффекта локального искажения магнитного поля Земли (СОМ). Принцип действия этого вида средства обнаружения основан на явлении локального искажения магнитного поля Земли ферромагнитными материалами. Он обладает максимальной дальностью обнаружения. Это объясняется тем, что аналогом излучаемого поля для магнитометров является сильное однородное магнитное поле Земли, поэтому отклик на ферромагнитный предмет обратно пропорционален 3-й степени расстояния. К недостаткам СОМ, как правило, следует отнести большие габаритные размеры и массу, а также невозможность обнаружения предметов из цветных металлов.
Основные характеристики магнитометрических средств обнаружения
Условно все МСО можно разделить на пассивные и активные. На практике в оперативных мероприятиях стараются применять пассивные МСО, т.е. такие, собственное излучение у которых отсутствует. Пассивные МСО значительно труднее обнаружить, а значит легче камуфлировать. Активные МСО применяют в тех случаях, когда не требуется их камуфлировать по излучению.
Наибольшую дальность обнаружения имеет пассивное средство СОМ, а наиболее помехоустойчивым является активное средство СОП. В то же время СОП позволяет определить вид металла, из которого изготовлен обнаруженный предмет.
В подавляющем большинстве случаев средства обнаружения применяют для негласного контроля за пересечением вооруженными людьми контролируемой зоны.
Как было сказано ранее, магнитометрические средства обнаружения применяют для выявления факта проноса на охраняемую территорию предметов с магнитными свойствами. В основу построения МСО могут быть положены три группы методов:
— с использованием феррозондов;
— с использованием пассивных катушек;
— квантовые измерители индукции.
Феррозондом называется устройство, чувствительное к внешним магнитным полям, главным образом постоянным и медленно изменяющимся, содержащее ферромагнитные сердечники и обмотки, распределенные по их длине.
Существует довольно много типов и модификаций феррозондов. Все они отличаются друг от друга режимом работы, способом наложения вспомогательного поля, выбранной схемой и конструктивным исполнением. Эти отличия оказываются более или менее существенными в зависимости от диапазона и частотного спектра измеряемых полей, условий, в которых проводятся измерения, особенностей преобразования полезного сигнала в измерительной схеме. Однако феррозондам присущи и некоторые общие свойства.
Магнитометрические средства обладают высокой помехоустойчивостью, потому что большинство природных и климатических условий не оказывают на них влияния. Среди плюсов, которыми обладают такие средства, необходимо отметить маскируемость, пассивность, отсутствие «мертвых зон» и простоту эксплуатации. Кроме того, отсутствует необходимость подстраиваться под рельеф, окружающую среду, учитывать сезонные изменения, есть возможность дистанционного контроля. МСО не реагирует на животных, которые «необоснованно» являются источниками помех для других извещателей.
Анализ свойств магнитометрических средств обнаружения позволяет рекомендовать их применение в следующих случаях:
Все упомянутые качества МСО хороши для так называемого неподготовленного нарушителя. Например, Израиль известен всему миру охранными системами, однако это не стало помехой для нелегального пересечения израильской границы.
Сокращения, обычно применяемые в технических описаниях магнитометрических средств обнаружения:
Название: Магнитометрические средства обнаружения Раздел: Рефераты для военной кафедры Тип: реферат Добавлен 06:29:36 20 августа 2009 Похожие работы Просмотров: 308 Комментариев: 20 Оценило: 2 человек Средний балл: 5 Оценка: неизвестно Скачать
Магнитометрические средства обнаружения
Магнитометрические средства обнаружения предназначены для регистрации факта проноса в их чувствительной зоне предметов, выполненных из металлов или их сплавов.
1. Виды магнитометрических СО, принципы их действия
МСО различают по физическим принципам действия, заложенным в основу построения средств обнаружения, как то:
— с использованием эффекта переизлучения сигнала;
— с использованием эффекта биения частоты;
— с использованием эффекта самоиндукции;
— с использованием эффекта локального искажения магнитного поля Земли.
Рассмотрим кратко физическую суть изложенных принципов.
Переизлученный сигнал принимается приемной катушкой СОП. Для ослабления эффекта прямого наведения ЭДС на приемную катушку от передающей, катушки располагают под углом друг к другу или даже разносят в пространстве.
Уровень сигнала, наводимого в приемной катушке, обратно пропорционален 6-7-й степени расстояния до обнаруженного предмета, т.е. при увеличении расстояния от приемной катушки до обнаруживаемого предмета в 2 раза уровень сигнала U в приемной катушке уменьшится более чем в 2 раза и его новая величина Uiбудет находиться в пределах:
СОП имеет четко выраженную диаграмму направленности. За счет этого он теоретически обладает максимальной помехоустойчивостью по сравнению с другими типами СО аналогичного назначения.
Схема применяется в подавляющем большинстве зарубежных СО. Обладает свойством обнаруживать объекты с минимальными размерами по сравнению с другими СО.
СО с использованием эффекта переизлучения сигнала, содержащее одну катушку индуктивности для передачи и приема сигналов. Это частный случай СОП. СОИН содержит только одну катушку индуктивности, возбуждаемую переменным током. При приближении катушки к металлическому предмету появляется переизлученный сигнал, который наводит в ней дополнительную ЭДС.
Уровень сигнала, наводимого в катушке, обратно пропорционален 6-й степени расстояния до обнаруженного предмета, т.е. при увеличении расстояния от катушки до обнаруживаемого предмета в 2 раза уровень сигнала U в катушке уменьшится более чем в 2 раза и его новая величина Uiсоставит:
СО с использованием эффекта биения частоты. СОБ содержит два генератора, частоты которых при отсутствии внешних дестабилизирующих факторов равны.
Генераторы отличаются друг от друга тем, что частота первого стабильна и не зависит от внешних дестабилизирующих факторов, а частота второго может меняться.
Частоты генераторов поступают на устройство сравнения, выделяющее разностную частоту. Сигнал на выходе устройства появляется только в случае неравенства частот и он тем выше, чем больше это неравенство.
Изменение частоты второго генератора происходит за счет изменения параметров колебательного контура, определяющего частоту настройки генератора. Индуктивность колебательного контура может меняться за счет приближения последнего к металлическому предмету.
Таким образом, при отсутствии металла частоты генераторов равны и разностный сигнал равен нулю. Наличие металла приводит к перестройке контура не стабильного по частоте генератора и появлению разностного сигнала.
Уровень разностного сигнала обратно пропорционален 6-й степени расстояния от обнаруженного предмета, т.е. при увеличении расстояния до обнаруживаемого предмета в 2 раза уровень сигнала уменьшится более чем в 2 раза и его новая величина Uiсоставит:
По сравнению с другими типами МСО, СОБ обладает малой дальностью обнаружения вследствие эффекта паразитной синхронизации. Селекция по металлам отсутствует.
Рассмотренный принцип действия СО широко использовался в первых промышленных моделях миноискателей.
Уровень сигнала, наводимого в приемной катушке, обратно пропорционален 4. 6-й степени расстояния до обнаруженного предмета, т.е. при увеличении расстояния от приемной катушки до обнаруживаемого предмета в 2 раза уровень сигнала в приемной катушке уменьшится более чем в 2 раза и его новая величина будет находиться в пределах:
Практически отсутствует селекция по металлам. Существенный недостаток СОИМ в том, что он является источником помех импульсного характера.
СО с использованием эффекта локального искажения магнитного поля Земли. Принцип действия этого вида СО основан на явлении локального искажения магнитного поля Земли ферромагнитными материалами. Он обладает максимальной дальностью обнаружения. Это объясняется тем, что аналогом излучаемого поля для магнитометров является сильное однородное магнитное поле Земли, поэтому отклик на ферромагнитный предмет обратно пропорционален 3-й степени расстояния, т.е. при увеличении расстояния от катушки до обнаруживаемого предмета в 2 раза уровень сигнала в катушке уменьшится более чем в 2 раза и его новая величина 1 составит:
К недостаткам СОМ, как правило, следует отнести большие габаритные размеры и массу, а также невозможность обнаружения предметов из цветных металлов.
2. Основные характеристики МСО
Условно все МСО можно разделить на пассивные и активные. На практике в оперативных мероприятиях стараются применять пассивные МСО, т.е. такие, собственное излучение у которых отсутствует. Пассивные МСО значительно труднее обнаружить, а значит легче камуфлировать. Активные МСО применяют в тех случаях, когда не требуется их камуфлировать по излучению.
Основные характеристики рассмотренных типов МСО сведены в морфологическую табл. 1.
Из табл. 1. видно, что наибольшую дальность обнаружения имеет пассивное средство СОМ, а наиболее помехоустойчивым является активное средство СОП. В то же время СОП позволяет определить вид металла, из которого изготовлен обнаруженный предмет.
3. Характерные помехи при применении МСО и способы их компенсации
Условно помехи МСО можно разделить на внутренние и внешние. К внутренним помехам относятся помехи, создаваемые собственно работой МСО, и собственные шумы МСО. Для борьбы с внутренними помехами применяют различного рода экраны и развязки, используют комплектующие элементы с малым уровнем шума.
К внешним помехам можно отнести помехи от работы различного рода электрооборудования, а также помехи за счет естественного изменения магнитного поля Земли. Избавиться от внешних помех обычно удается путем пространственного разнесения МСО на расстояние L и их дифференциального включения.
В этом случае происходит взаимное вычитание сигналов помехи. Степень компенсации помех тем выше, чем дальше разнесены МСО и чем больше расстояние до источника помехи.
На рис. 2. показано изменение уровня сигнала на выходе дифференциального усилителя в зависимости от расстояния L2 от МСО до источника помехи при фиксированном расстоянии Lмежду МСО.
4. Особенности разработки и применения МСО
Как правило, конструкция активных МСО сложнее пассивных. При этом и массогабаритные характеристики активных МСО выше. Это объясняется прежде всего тем, что пассивные МСО работают в области низких и инфранизких частот часто без переноса спектра сигнала. Например, СОМ часто выполняют в виде катушки индуктивности с очень большим числом витков и сердечником из материала с возможно большей магнитной проницаемостью. Чувствительность СОМ пропорциональна количеству витков катушки, магнитной проницаемости сердечника и его длине. Все это приводит к увеличению массогабаритных характеристик СОМ.
Любую катушку индуктивности можно рассматривать как рамочную антенну. Действующую длину такой антенны можно вычислить по формуле
Для рамки с сердечником можно записать:
где— магнитная проницаемость сердечника;— коэффи-
циенты, учитывающие зависимость между геометрическими размерами катушки и сердечника.
Проведем анализ с точки зрения зависимости lgc =f,
допуская: А.->оо, п-> оо длина антенны
Пусть ц-И, тогда
Проведем анализ с точки зрения зависимости lgc = f, допуская,что Lc = const.
Очевидно, что для инфранизкочастотного диапазона с целью увеличения уровня сигнала на выходе чувствительного элемента необходимо увеличивать ее число витков
и одновременно применять сердечник возможно большей длины из материала с возможно большей магнитной проницаемостью. Диаметр сердечника при его фиксированной длине заметного влияния на уровень сигнала не оказывает.
Активные МСО работают в области сравнительно высоких частот, что позволяет изготовить сам чувствительный элемент со сравнительно хорошими массогабаритными характеристиками, так как с увеличением частоты появляется возможность уменьшить индуктивность катушки чувствительного элемента. При этом за улучшение названных характеристик приходится платить усложнением конструкции чувствительного элемента, так как часто здесь используется несколько катушек индуктивности, разнесенных в пространстве.
5. Структурная схема МСО
Рассмотрим структурную схему МСО на примере СОМ.
Очевидный запас по границам частотного диапазона необходим для более надежной работы МСО, что подтверждается практикой.
6. Основы теории разработки магнитометрического средства обнаружения
Как было сказано ранее, магнитометрические средства обнаружения применяют для выявления факта проноса на охраняемую территорию предметов с магнитными свойствами. В основу построения МСО могут быть положены три группы методов:
— с использованием феррозондов;
— с использованием пассивных катушек;
— квантовые измерители индукции.
В связи с тем, что феррозонды получают все более широкое применение при разработке МСО, рассмотрим теоретические основы этого метода.
Феррозондом называется устройство, чувствительное к внешним магнитным полям, главным образом постоянным и медленно изменяющимся, содержащее ферромагнитные сердечники и обмотки, распределенные по их длине.
По принципу действия феррозонды наиболее близки к магнитным усилителям. По существу они и являются магнитными усилителями, у которых управляющая электрическая цепь заменена разомкнутой магнитной цепью.
Существует довольно много типов и модификаций феррозондов. Все они отличаются друг от друга режимом работы, способом наложения вспомогательного поля, выбранной схемой и конструктивным исполнением. Эти отличия оказываются более или менее существенными в зависимости от диапазона и частотного спектра измеряемых полей, условий, в которых проводятся измерения, особенностей преобразования полезного сигнала в измерительной схеме. Однако феррозондам присущи и некоторые общие свойства.
Рассмотрим эти свойства на примере дифференциального феррозонда.
Дифференциальный феррозонд содержит два одинаковых пермаллоевых сердечника, выполненных в виде тонких стержней прямоугольного сечения, уложенных в специальные каркасы параллельно друг другу. Поверх каркасов нанесены первичные обмотки, включенные последовательно и образующие цепь возбуждения феррозонда. Эту цепь питают переменным током звуковой частоты. Кроме первичных обмоток имеется также общая вторичная обмотка, которая вместе с подключаемым к ней индикаторным прибором образует измерительную цепь.
Если сердечники идентичны, то можно записать:
где В’ и 6′- индукции или плотности магнитных потоков в сердечниках.
ЭДС во вторичной обмотке, охватывающей оба сердечника,
Появление ЭДС во вторичной обмотке дифференциального феррозонда с идентичными сердечниками принципиально возможно лишь при нелинейности характеристик B=f.
Действительно, предположив обратное и введя для каждого сердечника постоянные и одинаковые коэффициенты fxa =BIH, имеющие размерность абсолютной магнитной проницаемости, получим:
Последнее выражение совпадает с известной формулой для выходной ЭДС пассивных индукционных датчиков; при Н0 = constоно становится равным нулю.
Аппроксимируем теперь характеристики B=f укороченным полиномом третьей степени:
Эта аппроксимация весьма приближенна. Однако, отличаясь простотой, она оказывается полезной для качественного описания процессов и явлений в ферромагнитных цепях. В соответствии с
Допустим, чтои Н = const. Тогда
Таким образом, в отличие от пассивных индукционных датчиков ЭДС в феррозонде появляется при наличии постоянного поля и оказывается пропорциональной этому полю.
Из выражения следует также, что выходная ЭДС имеет удвоенную частоту. Работа на удвоенной частоте типична для феррозондов. Однако принципиально дифференциальный феррозонд может работать и на основной частоте.
Пусть ток возбуждения дифференциального феррозонда, кроме переменной составляющей, содержит также и постоянную. Тогда можно записать:
где Н2 = const. Произведя необходимую подстановку в, взамен получаем:
т.е. в составе ЭДС появилась первая гармоника, величина которой также пропорциональна внешнему полю.
Заметим, что приведенное ранее выражение является частным случаем. Последнее переходит в при Н2 = 0.
Выражения и получены в предположении строгой идентичности и сердечников, и первичных обмоток феррозонда. Однако на практике сердечники и обмотки могут быть подобраны лишь с определенной точностью. В результате этого во вторичной обмотке появляется дополнительная ЭДС, которая не связана или почти не связана с наличием внешнего поля. Эту дополнительную ЭДС мы будем называть помехой и обозначать индексом N. Полезную же ЭДС будем обозначать индексом S.
Найдем спектр помехи. Для этого воспользуемся выражением, выбрав из него попарные члены с разными знаками.
.
Теперь можно написать выражение для суммарной ЭДС, появляющейся во вторичной обмотке феррозонда. Допустим, что в
Феррозонды с дополнительным постоянным подмагничиванием оказались пригодными лишь для измерения относительно сильных магнитных полей, а феррозонды без начального подмагничива-ния с выходом на удвоенной частоте применяются для измерения слабых магнитных полей или малых приращений поля. Типичные схемы, соответствующие использованию этих двух режимов работы феррозонда, изображены на рис. 5.
Возможность выделения той или иной гармоники позволяет говорить о соответствующих коэффициентах преобразования или чувствительностях феррозонда. В общем случае имеем:
На начальных участках зависимость, как правило,
линейна. Поэтому для слабых полей взамен получим
Отсюда с учетом следует, что чувствительность феррозонда пропорциональна коэффициенту аппроксимации Ь, характеризующему магнитные свойства сердечников, поперечному сечению сердечников, числу витков вторичной обмотки, частоте и амплитуде вспомогательного поля. Видно также, что чувствительность по первой и второй гармоникам различна, в частности, чувствительность по первой гармонике зависит от величины дополнительного поля
Возможность работы на той или иной гармонике позволяет также говорить и о соответствующих порогах чувствительности феррозонда. Под порогом чувствительности обычно понимают то наименьшее значение измеряемой величины, которое способно вызвать заметное изменение выходного параметра прибора или устройства.
В феррозонде это наименьшее значение определяется уровнем помехи. Поэтому можно записать:
Заметим, что порог чувствительности феррозонда выражается в единицах поля.
Часто пользуются также величиной
где— амплитуда суммарной ЭДС помехи.
Экспериментально чувствительность и порог чувствительности могут быть определены благодаря наложению на феррозонд поля, напряженность которого заранее известна. Это поле обычно создается с помощью калиброванных катушек или колец Гельмгольца. Контрольно-измерительный комплекс, используемый для определения указанных параметров феррозонда, показан на рис. 6.
Испытуемый феррозонд устанавливают в центре колец Гельмгольца таким образом, чтобы его продольная ось совпала с осью колец. К обмотке возбуждения подключают генератор синусоидального напряжения. При оценке чувствительности по первой гармонике в эту же обмотку подают ток смещения, создающий в объеме сердечников дополнительное постоянное поле. Выходную обмотку феррозонда подключают ко входу анализатора гармоник и ламповому милливольтметру. С помощью анализатора выделяют нужную гармонику выходного напряжения. Затем кольца вместе с закрепленным в них феррозондом ориентируют таким образом, чтобы продольная ось феррозонда оказалась перпендикулярной вектору геомагнитного поля.
чувствительность, порог чувствительности и качество изготовления феррозонда.
Особенности экспериментальной оценки указанных параметров свидетельствуют о том, что феррозонд по существу является относительным индикатором поля. Действительно, чувствительность феррозонда определяют в известном поле, созданном, например, с помощью колец Гельмгольца. Об измеренном же значении поля судят по выходной ЭДС и чувствительности феррозонда. Следовательно, измеренные значения есть результат сравнения напряженности внешнего поля с величиной того же наименования.
До сих пор мы предполагали, что внешнее поле направлено вдоль сердечников, параллельно продольной оси феррозонда. Однако это всего лишь частный случай взаимного расположения вектора внешнего поля и продольной оси феррозонда. Касаясь экспериментальной оценки чувствительности феррозонда, мы уже говорили о перпендикулярности его оси вектору геомагнитного поля. По достижении перпендикулярности наблюдался минимум выходной ЭДС феррозонда. Изменение амплитуды выходной ЭДС в зависимости от ориентации феррозонда в поле свидетельствует о присущем ему свойстве направленности.
мости амплитуды выходной ЭДС от угла между продольной осью феррозонда и вектором внешнего поля. Поэтому можно записать:
Свойство направленности феррозондов позволяет использовать их для измерения компонентов поля и углов.
Чувствительность феррозонда к углу может быть получена путем дифференцирования по:
Из, в частности, следует, что наибольшая чувствительность феррозонда к угловым перемещениям наблюдается
в том случае, когда векторы Н и i взаимно перпендикулярны. Это обстоятельство учитывается при построении следящих систем, в которых феррозонды используются в качестве датчиков угла рассогласования.
Подводя итог, перечислим основные, учитываемые при разработке СО, свойства феррозонда:
1. Феррозонд является датчиком активного типа, преобразующим действующую на него напряженность внешнего постоянного поля в ЭДС, кратную по частоте питающему его переменному току. Преобразование оказывается возможным благодаря нелинейности магнитных характеристик его сердечников.
2. В зависимости от выбранного режима работы феррозонда информацию о внешнем поле могут нести первая или вторая гармоники его выходной ЭДС Использование второй гармоники выходной ЭДС предпочтительнее, поскольку позволяет улучшить соотношение сигнал/помеха и создать высокочувствительные измерительные устройства.
К этому следует добавить, что феррозонд является наиболее надежным и помехоустойчивым датчиком магнитного поля. При малой потребляемой мощности он отличается высоким коэффициентом полезного действия. Феррозонд имеет незначительные габариты и массу, прост в изготовлении.
1. По физическим принципам действия МСО можно разделить на следующие виды:
— с использованием эффекта переизлучения сигнала;
— с использованием эффекта биения частоты;
— с использованием эффекта самоиндукции;
— с использованием эффекта локального искажения магнитного поля Земли.
3. Наиболее помехоустойчивыми, как правило, являются активные МСО.
— магнитная проницаемость сердечника;
— коэффи-
и Н = const. Тогда
.
, как правило,
— амплитуда суммарной ЭДС помехи.
: