Разработка предложений по созданию усовершенствованного варианта металлодетектора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В современном мире остро стоит проблема защиты человека от террористической угрозы. Известно, что одним из средств контроля проноса оружия и запрещенных предметов в места массового скопления людей и на охраняемые объекты являются металлодетекторы. Металлодетекторами (metal detector дословно - металлообнаружитель) называют устройства, решающие с помощью магнитных методов задачи обнаружения проводящих предметов в непроводящей среде. Другие названия металлодетекторов - металлоискатели, металлообнаружители.

С каждым годом расширяется область использования металлоискателей в самых различных сферах. Металлодетекторы применяются сегодня в дефектоскопии, рудной разведке, в пищевой промышленности (для предотвращения случайного попадания в пищу металлических предметов различного рода), в деревообрабатывающей промышленности, в строительстве и в процессе ремонтных работ.

Особо следует выделить применение металлодетекторов в охранных структурах и криминалистике. Прежде всего - это «ворота», при проходе через которые можно обнаружить даже незначительные металлические предметы.

Требования к металлодетекторам последнего ряда предусматривают не только необходимость своевременного безошибочного обнаружения несанкционированного вноса металлических и металлосодержащих предметов, но и мобильность и миниатюрность данного устройства для обеспечения, например, скрытого контроля, а также возможность интеграции обнаружителя со средствами электронно-вычислительных машин для анализа и систематизации поступающей информации.

Объективно наиболее мобильным и отвечающим современным требованиям будет являться металлодетектор, имеющий помимо достаточной обнаружительной способности небольшие габариты; возможность продолжительной работы от аккумуляторной батареи; возможность интегрированной работы с персональным компьютером. В дополнение к этому важным для конкурентоспособности устройства будет его низкая стоимость при сохранении приемлемой надежности работы. Разработка варианта исполнения такого рода металлодетектора и является задачей данного дипломного проекта.

1 Литетратурно-патентные исследования

металлодетектор электрический патентный

Металлодетектор должен решать задачу селективного обнаружения определенных металлических или металлосодержащих объектов поиска на фоне металлических предметов личного пользования, обычно имеющихся у посетителей. Селективное обнаружение - способность установить факт наличия объекта поиска на фоне одновременного присутствия предметов личного пользования и не давать ложных тревог от предметов личного пользования при отсутствии объектов поиска. Селективное обнаружение может осуществляться только при наличии у объектов поиска характерных признаков. Под этими признаками понимаются какие-либо постоянные их свойства, выявляемые в том или ином реализуемом в металлодетекторе физическом методе, по которому имеются наибольшие различия между объектами поиска и основной частью множества предметов личного пользования.

1.1 Основные принципы построения металлодетекторов

В настоящее время задачи обнаружения проводящих предметов в непроводящей среде решаются в основном магнитными методами. Разновидностями магнитных методов являются индукционные токовихревые, с различными видами намагничивающего поля, и магнитоэлектрические, с использованием естественного геомагнитного поля земли или искусственного магнитного поля [1,2].

Металлодетекторы с гармоническим намагничиванием

Металлический предмет, помещенный в гармоническое магнитное поле, сам становится источником переменного магнитного поля, изменяющегося с той же частотой. Характерными признаками объекта поиска являются особенности их амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных (ФЧХ) характеристик. Т.е. электрофизические свойства материалов объекта поиска, а также геометрические размеры его элементов приводят к тому, что при некотором значении частоты намагничивающего поля амплитуда и фазовый сдвиг сигнала, переизлучаемого объектом поиска, будут при конкретной ориентации иметь отличия от множества предметов личного пользования.

Рассмотрим это на следующем примере. Фазовый сдвиг поля, переизлучаемого металлическим предметом, больше у массивного предмета, к которым ближе объект поиска, чем у тонкостенного, что более характерно для предметов личного пользования. Это связано с воздействием на намагничивающее поле реакции вихревых токов, протекающих ближе к поверхности металла. С глубиной из-за поверхностных вихревых токов уменьшается напряженность электромагнитного поля. Эти токи оказывают экранирующее влияние на проникновение поля, что одновременно вызывает их ослабление и нарастающий с глубиной сдвиг по фазе по отношению к намагничивающему полю. Глубина проникновения электромагнитных полей и вихревых токов в металл зависит от частоты:

, (1.1)

где - частота, - электропроводность, - магнитная проницаемость.

Из формулы видно, что глубина проникновения вихревых токов в металл уменьшается с ростом частоты. Поэтому на высоких частотах массивный металлический предмет и тонкостенный (одинаковой площади и формы, изготовленные из одного и того же материала), окажутся источниками одинаковых переизлученных полей. Т.е. на высоких частотах нельзя отличить массивный предмет от немассивного.

Теория метода вихревых токов дает возможность при различных частотах намагничивающего поля определить изменение активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления катушки в зависимости от электропроводности, размера и формы предмета, помещенного в катушку. Теория базируется на уравнениях Максвелла. Из решения этих уравнений вытекает ряд формул, на основании которых можно получить семейство зависимостей комплексного сопротивления катушки от электропроводности, магнитной проницаемости материала и размеров предмета, помещенного в нее. Эти зависимости показывают, что имеется максимум реактивной составляющей комплексного сопротивления катушки, соответствующий определенным параметрам (размерам, материалу), находящегося в ней предмета.

Рисунок 1.1 - Структурная схема металлодетектора с гармоническим намагничиванием

На рисунке 1.1 представлена структурная схема металлодетектора с использованием гармонического намагничивания. При гармоническом методе поле переизлучения объекта поиска измеряется на фоне намагничивающего поля, превышающего его по амплитуде в тысячи и миллионы раз. Поэтому в металлодетекторе используется компенсатор, устраняющий сигнал, наведенный в приемной катушке намагничивающим полем. В пороговом устройстве оцениваются амплитуда и фазовый сдвиг поля переизлучения объекта поиска, фиксируемого приемной катушкой.

Достоинство гармонического метода - высокая помехозащищенность, обусловленная возможностью эффективной фильтрации в диапазонах частот, отличных от рабочих.

Недостаток - необходимость значительной жесткости конструкций катушек и предохранения их от сотрясений и прикосновения посетителей.

Примерами металлодетекторов, в которых используется гармонический метод, являются следующие модели: 773 LF (Rens Manufacturing Со, США), МР 1783 (Valon GmbH, Германия), Intelliscan 12000 (RANGER, США).

Импульсные металлодетекторы

На рисунке 1.2 приведена структурная схема металлодетектора, в котором используется импульсное намагничивание. Блок задержек обеспечивает проведение измерений после прекращения действия импульса возбуждающего поля.

Характерными признаками объекта поиска при использовании такого метода являются продолжительность и вид процесса затухания вихревых токов в обследуемом предмете, переносимые в сигнал, наведенный в приемной катушке переизлученным полем. В качестве критериев селекции могут использоваться как мгновенные значения переходной характеристики для различных моментов времени, так и результат их совместной обработки по специальным алгоритмам, выбранным для распознавания объекта поиска.

Рисунок 1.2 - Структурная схема металлодетектора с импульсным намагничиванием

Теоретически, можно, стробируя сколь угодно подробно переходную характеристику переизлучения, получить неограниченный объем информации об электромагнитных характеристиках объекта поиска. Кроме того, в момент измерения намагничивающее поле выключено и не создает помех для оценки поля переизлучения. Однако возможности технической реализации метода переходных процессов существенно снижают его обнаруженческие и селективные параметры. При применении этого метода идеальным является намагничивающее поле, изменяющееся по прямоугольному закону. Однако на практике получить это в настоящее время невозможно. Для получения максимальной напряженности намагничивающего поля при ограниченных размерах (массе) катушки и энергозатратах, активное сопротивление катушки стараются минимизировать (не более единиц или десятков Ом). Задний фронт импульса намагничивающего тока зависит от быстродействия силовых ключей, разрывающих цепь этого тока, и еще в большей степени от условий отсутствия затухающих колебаний намагничивающего поля после выключения тока. Кроме постоянной времени намагничивающей цепи, необходимо учитывать и постоянную времени приемной катушки, воспринимающей поле переизлучения объекта. Для предотвращения возникновения затухающих колебаний эта постоянная также должна быть не менее некоторого значения.

Важным преимуществом метода переходных процессов перед гармоническим - отсутствие высоких требований к жесткости конструкции катушек и относительная независимость от малых перемещений и сотрясений. Так же принципиальным достоинством данного метода является возможность произвольного расположения приемной и излучающей катушек, так как прямое проникновение излучаемого сигнала в приемную катушку и действие на нее отраженного сигнала разнесены во времени. В принципе, одна катушка может выполнять роль как приемной, так и излучающей, однако в данном случае гораздо сложнее будет развязывать высоковольтные выходные цепи генератора импульсов тока и чувствительные входные цепи. Следует отметить, что схемотехника импульсных металлодетекторов более проста, особенно при использовании современных электронных компонентов (силовые ключи на МОП - транзисторах, микроконтроллеры, прецизионные ОУ), что положительно сказывается на стоимости таких устройств. Ввиду перечисленных достоинств в настоящее время серийно выпускаемые модели металлодетекторов, в которых используется метод переходных процессов, значительно превосходят по количеству модели с гармоническим намагничиванием. Металлодетектор именно такого типа и будет проектироваться в настоящем дипломном проекте.

К недостаткам импульсных металлодетекторов следует отнести сложность реализации на практике дискриминации объектов по типу металла, высокие технические требования к аппаратуре генерации и коммутации импульсов тока и напряжения большой амплитуды, и худшая, чем у гармонического метода, помехозащищенность.

Примерами металлодетекторов, в которых используется метод переходных процессов, являются следующие модели: Metor -200 (Metorex International, Финляндия), PMD 2 (C.E.I.А, Италия), Поиск_3 (Россия), Рубеж_2 (Россия).

Для уменьшения вышеописанных недостатков в современных металлодетекторах, использующих электромагнитные методы обнаружения, находит применение дискретно-пространственное сканирование излучающих и приемо-измерительных операций (использование многокатушечных систем). В случае распределения предметов личного пользования по высоте, такое построение обеспечивает анализ переизлученных полей по каждой зоне, а не по совокупному полю, переизлученному всеми объектами. Измерение и анализ индуцированного сигнала осуществляется в каждой зоне отдельно и поочередно в разные моменты времени. Переизлучают только предметы, попавшие в ту или иную зону. Совместная обработка сигналов со всех каналов в некоторых случаях, очевидно, позволит отстроиться даже от металлических частей ручной клади. Многокатушечные системы применены в таких моделях металлодетекторов как Intelliscan 12000 и Metor_200. Это дало возможность разделить обнаружение по зонам и уменьшить вероятности ложных тревог.

Другие типы металлодетекторов

Магнитометры

Магнитометрами называется обширная группа приборов, предназначенных для измерения параметров магнитного поля (например, модуля или составляющих вектора магнитной индукции). Использование магнитометров в качестве металлоискателей основано на явлении локального искажения естественного магнитного поля Земли ферромагнитными материалами, например железом. Обнаружив с помощью магнитометра отклонение от обычного для данной местности модуля или направления вектора магнитной индукции поля Земли, можно с уверенностью утверждать о наличии некоторой магнитной неоднородности (аномалии), которая может быть вызвана железным предметом.

По сравнению с рассмотренными ранее металлодетекторами, магнитометры имеют гораздо большую дальность обнаружения железных предметов. Впечатляет информация о том, что с помощью магнитометра можно зарегистрировать мелкие обувные гвозди от ботинка на расстоянии 1 метр, а легковой автомобиль - на расстоянии до 10 метров[1]. Такая большая дальность обнаружения объясняется тем, что аналогом излучаемого поля обычных металлоискателей для магнитометров является однородное магнитное поле Земли, поэтому отклик прибора на железный предмет обратно пропорционален не шестой, а третей степени расстояния.

Принципиальным недостатком магнитометров является невозможность обнаружения с их помощью предметов из цветных металлов, а также громоздкость и сложность конструкции.

Радиолокаторы

Общеизвестен факт, что с помощью современных радиолокаторов можно обнаружить такой объект, как самолет, на расстоянии нескольких сотен километров. Современная электроника позволяет создать компактное устройство, пусть намного уступающее по дальности обнаружения современным стационарным радиолокаторам, но позволяющее обнаруживать интересующие нас предметы. Типичным для них является применение достижений современной микроэлектроники СВЧ, компьютерной обработки полученного сигнала. Использование современных высоких технологий практически делает невозможным самостоятельное изготовление этих устройств. К преимуществам радиолокаторов следует отнести принципиально более высокую дальность обнаружения. Отраженный сигнал в грубом приближении можно считать подчиняющимся законам геометрической оптики и его ослабление пропорционально не шестой и даже не третьей, а лишь второй степени расстояния. Применение таких устройств пока весьма ограничено.

1.2 Обзор аналогичных технических решений

C.E.I.A 02PN10

Производитель - СЕIА (Италия), цена - 7850 у. е. Металлодетектор 02PN10 позволяет определять различные типы оружия (магнитные, немагнитные, изготовленные из композитных материалов) небольших размеров и с минимальной массой, сохраняя при этом высокую селективность по отношению к объектам разрешенным для проноса (очки, ключи, металлические пуговицы, монеты и пр.). Основные области применения: аэропорты с большим пассажиропотоком, массовые мероприятия, требующие повышенной безопасности.

Технические характеристики:

- повышенная селективность;

- доступ к функциям управления, и программирования с помощью набора Chip_карт с различными уровнями безопасности;

- регулировка чувствительности в широком диапазоне;

- устойчивость к электромагнитным помехам и механическим вибрациям;

- возможность установки двух и более металлодетекторов на расстоянии до 5 сантиметров (автоматическим разнесением частот генерации электромагнитного поля);

- не требуется предварительная и периодическая калибровка;

- защита от несанкционированного доступа к панели управления с помощью механического ключа и системы из двух паролей;

- обнаружение объектов перемещающихся с высокой скоростью (до 15 м/с).

Система оповещения:

- световая индикация с градацией массе детектируемого объекта;

- зеленая шкала для объектов с массой ниже заданного порога

чувствительности;

- красная шкала для объектов с массой выше заданного порога

чувствительности.

- программируемые уровень громкости и тональность звукового

сигнала;

- тональность сигнала может быть фиксированной, либо

изменяться в зависимости от массы детектируемого объекта.

Эксплуатационные характеристики:

- цветовое исполнение: светло-серый (RAL 7040);

- внешний интерфейс: RS_232C;

- рабочее напряжение: 115/230 В, 45-65 Гц;

- максимальная мощность: 30 Вт;

- температурный диапазон: от -15 °С до +50 °С;

- относительная влажность воздуха: до 95 % (без конденсации).

GARRETT PD_6500

Производитель - Garrett Electronics (США), цена - 5050 y.e. Многозонный арочный металлодетектор высокой надежности с 32 зонами индикации металла по вертикали арки. Высокая точность обнаружения, современный дизайн, позволяют использовать данную модель в местах с повышенными требованиями к безопасности. GARRETT PD_6500 позволяет определить положение объекта проноса на теле человека с помощью индикации на вертикальной панели, что позволяет свести к минимуму необходимость ручного досмотра. Благодаря использованию многокатушечной схемы имеет абсолютно равномерное покрытие по всей высоте арки. Настраивается на любую массу металла, начиная от нескольких грамм и больше. Работой прибора управляет микропроцессор, программа которого исключает взаимную маскировку предметов с противоположными магнитными свойствами. Включает 20 стандартных программ для любых условий работы, в т.ч. АЭРОПОРТ, ШКОЛА, СУД, СТРОЕНИЯ, АТОМНЫЙ ОБЪЕКТ, ТЮРЬМА. В каждой программе реализовано 200 уровней чувствительности

Имеется возможность синхронизации нескольких детекторов для одновременной работы. В составе устройства счетчик количества проходов, на ИК-барьере.

Технические характеристики GARRET PD_6500:

­ питание 100-240 В, 50/60 Гц, 5Вт;

­ рабочие температуры -20 - +70 С;

­ влажность до 95 %;

­ вес 51 кг;

­ внешние размеры 0.9 х 2.2 х 0.57 м;

­ внутренние размеры 0.76 х 2 х 0.57 м.

Соответствие стандартам:

­ соответствует всем требованиям Федеральной Администрации Авиации США от 1991 г. по применению в аэропортах;

­ соответствует стандарту 0601.00 Национального института силовых структур криминального правосудия США;

­ соответствует новой директиве Европейского сообщества по Электромагнитной совместимости;

­ соответствует стандарту IEC по требованиям безопасности для электронных измерительных аппаратов.

METOREX Metor 200

Производитель - METOREX (Финляндия), цена - 6300 €.

Проходной многозонный металлодетектор с индикацией проноса металла (8 зон) от уровня пола двусторонним дисплеем. Настраивается на любую массу металла от нескольких граммов и больше. Применение: аэропорты, морские порты, банки, общественные здания (залы суда, посольства, конференции), промышленность, тюрьмы, стадионы, больницы, электростанции, гостиницы, рестораны, казино, дискотеки.

METOR 200 оборудован предельно простым пультом дистанционного управления. Пульт находится внутри поперечной перекладины и может извлекаться во время изменения параметров или инсталляции металлодетектора. Также он может быть настроен для работы с одним или несколькими металлодетекторами.

Пульт дистанционного управления работает через пароли, что позволяет избежать изменения параметров другим человеком или использования другого дистанционного пульта управления. Пульт может быть заперт в поперечине, либо находиться у авторизованного персонала, что предотвращает возможность изменения параметров металлодетектора посторонними лицами. Буквенно-цифровой дисплей показывает результаты самодиагностики и количество проходов.

Программное обеспечение включает предустановленные программы, как того требуют международные организации в сфере безопасности, а также программы обнаружения различных материалов.

Технические характеристики:

- рабочая температура: от_10 °С до +55 °С;

- влажность: до 95 %, без конденсата;

- рабочее напряжение: от сети 220 В / 45-65 Гц, батарея 24-35V DC; мощность: 45 Вт;

- сигнал тревоги: свечение дисплея красным светом; показывается строка относительного размера предмета; изменяемый тон и громкость сигнала тревоги;

- регулировка чувствительности: 100 уровней чувствительности в каждой программе;

- регулировка чувствительности зоны: восемь зон; каждая зона индивидуально регулируется (от 0 до 255 %) относительно полного уровня чувствительности;

- автоматическая или ручная настройка чувствительности;

- регулируемое время восстановления после тревоги;

- постоянная самодиагностика с выводом кода ошибки;

- единая сеть управления: подключение к сети управления METORNET® (RS422);

- перекладина + электроника вес в упаковке, кг: 20,0;

- перекладина + электроника объём в упаковке, м³: 0,13.

Ranger Tri Sector

Производитель - Ranger Security (США), цена - 3950 у. е.

Tri Sector разработан для профессионального использования в области обеспечения безопасности в условиях ограниченного финансирования. Эта модель обеспечивает высокий уровень защиты. Как и все металлодетекторы Ranger, он оснащен функциями самодиагностики и автоматической калибровки. Это гармонический металлодетектор, он постоянно активен, его цепи детектирования не могут быть выключены или переведены в режим ожидания. Ranger Tri Sector обнаруживает предметы, как проносимые медленно, так и пробрасываемые в пространстве под аркой. Многие популярные металлодетекторы не удовлетворяют этим требованиям, они переводятся в рабочий режим из состояния ожидания только когда в пространство под аркой входит человек, и сотрудник охраны вынужден постоянно пристально наблюдать за происходящими событиями.

Ranger Tri Sector имеет три вертикальных сектора детектирования, что позволяет определить, находится ли подозрительный объект слева, справа или по центру в пространстве под аркой. Индикация соответствующего сектора осуществляется с помощью ярких светодиодов, расположенный на нижней части центрального блока детектора, а также на дисплее прибора.

Технические характеристики:

- 3 зоны детектирования;

- указание положения объекта - слева, справа или по центру в пространстве под аркой;

- 20 программ селективного обнаружения металлов;

- диапазон базовой чувствительности для всех программ от 1 до 99 % с шагом 1 %;

- настройка чувствительности каждой зоны от 1 до 99 % с шагом 1 %;

- 16 рабочих частот;

- возможность автономного питания;

- диапазон рабочих температур -20 °C…+55 °C, при влажности до 95 %;

- возможность заказа моделей с шириной прохода 914 мм;

- вес - 64 кг.

Металлодетекторы реализуют алгоритмы селективного металлодетектирования. Это означает, что для решения поставленной задачи прибор можно настроить таким образом, чтобы он обнаруживал целевые объекты и игнорировал все остальные. Например, в случае поиска оружия, можно настроить металлодетектор на обнаружение пистолетов, ножей, заточек и т. п., одновременно избежав ложных срабатываний от предметов личного пользования (монеты, ключи сотовые телефоны). Решая же задачу предотвращения хищений, возможно откалибровать прибор для поиска специфических предметов (от малогабаритных электронных изделий до многокомпонентных сплавов) и, опять же, не беспокоить обследуемых и персонал ложными срабатываниями от предметов, разрешенных к проносу. Селективность существенно облегчает и ускоряет процесс досмотра.

Алгоритмы селективного обнаружения реализованы в виде 20 программ селективного детектирования, которые позволяют быстро настроить металлодетектор для работы в большинстве случаев. Для решения специальных задач пользователь может создавать свои собственные программы, возможности которых ограничены только фантазией и трудолюбием создателя.

Особенно стоит отметить высокую помехоустойчивость металлодетекторов Ranger Security Detectors, которая обеспечивается как уникальной системой приемо-передающих контуров, так и использованием новейших цифровых алгоритмов обработки сигнал.

Гвоздика_003 (Россия)

Цена: 2700 у. е. Проходной металлодетектор, предназначенный для поиска и обнаружения металлических предметов - огнестрельного и холодного оружия, скрытого в одежде, обуви и на теле человека в присутствии более мелких рассредоточенных металлических предметов: оправа очков, металлические пуговицы, ювелирные украшения, монеты, ключи, зубные коронки и т. п. Рекомендуется к установке в зонах особого режима, в зданиях судов, на проходных промышленных предприятий, спорткомплексах, дискотеках. Обнаружение металлических предметов соответствующих размеров задается настройкой с панели управления. При наличии металлических предметов более заданной массы раздается звуковой и световой сигнал тревоги. Тональность сигнала тревоги зависит от массы и размеров обнаруженного металлического предмета.

Звуковая и световая индикация о неисправности генераторных каналов и насыщении приемных каналов близко расположенными массивными металлическими предметами. Уровень электромагнитного поля металлодетектора не превышает допустимых по ГОСТ 12.1.002-84 и ГОСТ 12.1.006-84.1

Технические характеристики:

- напряжение питания: 178..244 В, 50 Гц;

- потребляемая мощность: не более 200 Вт;

- диапазон рабочих температур: от -10 °C до +50 °C;

- пропускная способность: не менее 13 человек в минуту;

- суммарный вес боковых детектирующих панелей, блока обработки сигналов и блока питания: 101 кг;

- ширина прохода: 0,74 м или 0,54 м;

1.3 Патентный поиск

Известно, что металлодетекторы с импульсным намагничиванием применяются во многих сферах жизнедеятельности человека. Существует множество вариантов конструктивного и схемотехнического исполнения металлодетекторов такого типа. В ходе подготовки дипломного проекта были проведены патентные исследования, целью которых было выявить насыщенность рынка аналогичными или близкими к проектируемому устройству.

2. Анализ исходных данных

Выявленные в процессе патентного поиска аналоги имеют схожие с разрабатываемым устройством схемотехническое решение, близкие технические характеристики, однако, предполагают, зачастую, иную область применения (поисковые земляные работы, рудная разведка, использование в пищевой промышленности).

В настоящее время имеется доступ к широкой номенклатуре подобных приборов, однако, некоторые их характеристики нуждаются в доработке или усовершенствовании, поскольку разрабатываемое устройство предполагается применять с целью защиты хозяйственных объектов от несанкционированного проноса металлических и металлосодержащих предметов, а также людей в местах массового скопления от террористической угрозы и возможных последствий неосторожного обращения с холодным оружием.

Разрабатываемый металлодетектор, таким образом, может пользоваться спросом у потребителя, если будет являть собой оптимальное сочетание обнаружительных способностей, габаритных параметров при сравнительно невысокой стоимости и возможности интеграции с персональными компьютерами. Большое влияние на мобильность устройства оказывает выбор системы питания: питание от сети переменного тока не всегда удобно, поскольку ограничивает возможность быстрого развертывания поста охраны и скрытность контроля охраняемой зоны. С точки зрения этих требований, целесообразно предусмотреть питание от автономного источника (аккумуляторная батарея). На сегодняшний день на рынке имеется масса предложений автономных источников питания, которые работают как однократно, так и повторные циклы. Опасения по поводу сбоев в работе прибора при низком понижении заряда аккумулятора могут быть скомпенсированы при использовании современных преобразователей и стабилизаторов напряжения, позволяющих обеспечивать оптимальный уровень питания цепи при низком заряде аккумулятора еще некоторое время до смены источников питания.

Большинство современных устройств, имеющих в составе элементы микропроцессорной техники, могут интегрироваться с персональным компьютером для перепрограммирования и отладки микроконтроллеров, анализа уровней, поступающих на оконечный каскад прибора. Основным интерфейсом обмена данных при этом становится RS_232. Однако, в последнее время все более популярным становится интерфейс обмена данными USB. USB (англ. Universal Serial Bus - «универсальная последовательная шина») - последовательный интерфейс передачи данных для периферийных устройств в вычислительной технике. Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводный кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода - для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания.

Уменьшения габаритов и массы готового устройства можно будет добиться применением современной элементной базы, увеличением плотности монтажа. К тому же, грамотный подбор элементной базы позволит соблюсти требования климатического исполнения и повысить надежность готового устройства.

Таким образом, можно сформировать некоторые основные требования к проектируемому устройству:

1. Металлодетектор должен быть построен на принципе взаимной индукции связанных контуров, образованных генераторной рамкой, приемной рамкой и контуром вихревых токов металлического предмета, движущегося в пространстве под аркой.

2. Для детектирования металлических предметов должен использоваться импульсный метод намагничивания, как более совершенный и экономически выгодный.

3. Питание металлодетектора должно осуществляться от аккумуляторной батареи напряжением 12 В.

4. Потребляемая мощность - не более 20 Ватт.

5. Минимальная масса обнаруживаемого предмета - 30 г.

6. Устройство должно реагировать только на движущиеся предметы.

8. Управление и изменение параметров работы осуществить с помощью ЭВМ. Интерфейс обмена данными и командами - USB.

9. Несанкционированный пронос металлического предмета должен сигнализироваться световым и звуковым сигналом.

3. Анализ электрической функциональной и принципиальной схемы устройства

3.1 Функциональная схема устройства

На рисунке 3.1. приведена функциональная схема проектируемого металлодетектора. В состав устройства входит генераторная, приемная рамка, канал формирования импульсов и канал обработки полезного сигнала. Микроконтроллер (МК) формирует импульсы, которые с выходов усилителей мощности, включенных по мостовой схеме, подаются на генераторную рамку. Сканирующее магнитное поле создает в обнаруживаемом металлическом предмете вихревые токи, порождающие переизлученное магнитное поле. Переизлученное магнитное поле наводит в приемной рамке полезный сигнал. Так как достоверно известна фаза принимаемого сигнала и его временное положение, для повышения помехоустойчивости схемы применяется синхронное детектирование. Синхронный детектор собран на двух операционных усилителях, включенных по инвертирующей и неинвертирующей схемах, и двух аналоговых ключах, которые синхронно с управляющими сигналами подключают выходы усилителей к интегратору. Напряжение на интеграторе пропорционально амплитуде полезного сигнала, наведенного в катушке. Управление ключами и формирование временных задержек между импульсами осуществляет микроконтроллер. После усиления и фильтрации отклик от канала подаются на МК, для оцифровки и передачи его в ПК. МК соединяется с ПК посредством преобразователя сигналов FT4232H производителя Future Technology Devices International Ltd. Данная микросхема также позволяет эмулировать работу с МК через интерфейч JTAG, что упрощает программирование и отладку прибора.



Рисунок 3.1 - Функциональная схема металлодетектора

3.2 Конструкция генераторных рамок

На рисунке 3.2 показаны линии магнитной индукции, создаваемые плоской катушкой, выполненной в виде рамки [3]. Применение такой конструкции катушки в качестве генераторной рамки металлодетектора имеет один существенный недостаток. Пусть предмет поиска выполнен в виде тонкой пластины и проносится параллельно плоскости X0Z. Над центральной частью катушки практически отсутствуют линии индукции, которые пронизывали бы такую пластину под прямым углом, что является необходимым условием для возникновения вихревых токов в ней. Следовательно, обнаружение в таком случае будет затруднительно, либо вовсе невозможно. Пластина, проносимая параллельно плоскостям Х0Y и Y0Z, будет пронизываться линиями поля Z_К и X_к, и будет обнаружена.

Рисунок 3.2 - Линии магнитной индукции катушки с током

Чтобы обнаруживать тонкие предметы любой ориентации, следует использовать две генераторные рамки. В данном устройстве стоит цель совместить функциональность и компактность, потому используется только одна генераторная рамка и один канал обработки сигналов.

3.3 Структурная схема устройства

На рисунке 3.3 приведена структурная схема разрабатываемого устройства. Управление формирователями импульсов и синхронными детекторами, оцифровка обработанного сигнала, обмен данными и командами с персональным компьютером, осуществляет микроконтроллер. Задание параметров работы осуществляется с ПЭВМ, при помощи специально разработанного программного обеспечения.

Рисунок 3.3 - Структурная схема металлодетектора

Для обеспечения работы металлодетектора необходима аккумуляторная батарея 12 В.

3.4 Принцип работы схемы. Временные диаграммы

На рисунке 3.4 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы металлодетектора. U₁₁ и U₁₂ - напряжения на затворах транзисторов VT1, VT4 и VT2, VT3. Открывая поочередно соответствующую пару транзисторов на время t_н, мы формируем в генераторной рамке разнополярные треугольные импульсы тока. Так как после окончания действия импульса t_w ток в рамке не может прекратиться мгновенно, формируется индуктивный выброс напряжения (график - U_L), величина которого ограничивается, как было сказано выше, защитными стабилитронами, входящими в состав транзисторов. Таким образом рассасывается (рекуперирует) энергия, накопления в индуктивности. Излучающееся при этом магнитное поле создает в металлических предметах вихревые индукционные токи. В свою очередь, постепенно затухая, эти токи создают переизлученное магнитное поле, которое можно регистрировать. По характеру переизлученного поля можно судить о свойствах обнаруживаемого предмета. В массивных металлических предметах вихревые токи затухают дольше, поэтому по затягиванию заднего фронта импульса принятого сигнала можно судить о массе проносимого предмета.

Рисунок 3.4 - Временные диаграммы работы металлодетектора

Обнаруженные способности данного метода тем выше, чем круче задний фронт импульса тока в генераторной рамке, так как магнитное поле создается изменяющимся во времени током, и чем выше скорость изменения тока, тем интенсивней создается поле. Дополнительная сложность, которая была обнаружена при проведении экспериментов - экспоненциально-затухающие колебательные процессы, возникающие после прекращения действия отпирающего транзисторы импульса, которые делали метод практически неэффективным. Для снижения добротности генераторной и приемной рамки и подавления затухающих колебаний используются резисторы R1 и R13. На следующих двух рисунках представлены осциллограммы напряжения на выходе первого каскада усиления при отсутствии в поле металлодетектора металлических предметов - рисунок 3.5 - и при внесении в поле массивной металлической пластины - рисунок 3.6. Можно заметить, что характер переходных процессов достаточно ярко выражен. Осциллограммы получены с помощью цифрового осциллографа BORDO 421.

Рисунок 3.5 - Осциллограммы напряжения на выходе первого каскада усиления при отсутствии в поле металлодетектора металлических предметов



Рисунок 3.6 - Осциллограммы напряжения на выходе первого каскада усиления при внесении в поле металлодетектора металлической пластины

4. Расчет функциональных узлов

4.1 Расчет входного усилителя

Здесь и далее расчеты ведутся по методикам [4,5,6]. Примем минимальный уровень U_min обнаруживаемого сигнала в приемной рамке равным 1 мкВ, что будет соответствовать младшему разряду 10_битного результата аналогово-цифрового преобразования. Разница между Vref- и Vref+ составляет 5 В, следовательно младшему биту результата преобразования соответствует уровень напряжения U_minADC, равный:

. (4.1)

С учетом вышесказанного сквозной коэффициент усиления приемного тракта должен быть равен:

. (4.2)

Распределим общий коэффициент усиления между тремя каскадами поровну. Получим:

, (4.3)

где K1, K2 и K3 соответственно коэффициенты усиления каскадов на DA2, DA5.

DA2.1 включен по неинвертирующей схеме. Коэффициент усиления такой схемы определяется следующей формуле:

, (4.4)

где Ко - коэффициент усиления усилителя без цепи ООС. Так как собственный коэффициент усиления имеет порядка миллиона то им можно пренебречь, тогда формула (4.4) приобретает вид:

. (4.5)

DA2.2 включен по инвертирующей схеме. Коэффициент усиления такого каскада равен:

, (4.6)

где Ко - коэффициент усиления усилителя без цепи ООС. Так как собственный коэффициент усиления имеет порядка миллиона то им можно пренебречь, тогда формула (4.6) приобретает вид:

. (4.7)

Так как сопротивление приемной рамки порядка двух Ом, то входное сопротивление должно быть примерно в десять раз больше. Входное сопротивление схемы определяется в основном резистором R1, возьмем его номинал из ряда E24 200 Ом. Для того чтобы входное сопротивление каскада на DA1.2 не влияло на входное сопротивление выберем номиналы резисторов R3 и R5 10 кОм. Теперь можно рассчитать остальные элементы входного усилителя по формулам (4.5) и (4.7)

. (4.8)

Примем ближайший номинал R6 из ряда Е24 - 200 кОм.

. (4.9)

Из ряда Е24 выберем величину этого резистора равной 200 кОм.

Рассчитаем номиналы резисторов R2 и R4, они необходимы для предотвращения разбалансировки входов ОУ.

. (4.10)

Из ряда Е24 выберем величину этого резистора равной 10 кОм.

На этом расчет входного усилителя можно считать законченным.

4.2 Расчет синхронного детектора

Синхронный детектор выполнен на мультиплексоре DA3 и интегрирующей цепочки R8, C2. Постоянная времени интегрирующей цепи R8, C2, на которой происходит выделение полезного сигнала, должна быть согласована с длительностью импульса сигнала. Длительность этого импульса есть ширина временного окна t_w измерения. Примем среднее значение t_w=10 мкс. Таким образом

. (4.11)

Из ряда номиналов Е24 выберем R8=1 кОм и С2=10 нФ.

Управление мультиплексором будет осуществлять микроконтроллер, согласно установленным временным параметрам.

4.3 Расчет полосового фильтра

Так как металлодетектор должен реагировать только на движущиеся объекты и не замечать «фон» от постоянно присутствующих в поле обнаружения металлических предметов, постоянная составляющая полезного сигнала не должна усиливаться приемным трактом. В этих целях последовательно R11 и R14 включены конденсаторы соответственно C3 и С5. Величина этих конденсаторов зависит от периода повторения зондирующих импульсов и определяет минимальную скорость движения объекта поиска через арку металлодетектора, при которой еще происходит обнаружение.

Верхняя полоса приемного тракта должна быть ограничена частотой в 100Гц, для того чтобы отфильтровать шумы и исключить ложные срабатывания.

Зададимся минимальной скоростью прохода арки металлодетектора или в метрах в секунду . При такой скорости движения проносимый через арку металлодетектора металлический предмет создаст на входе DA4.1 импульс, длительностью равный

, (4.12)

где - ширина прохода в направлении движения. Основываясь на факте о том, что за три постоянных времени конденсатор в RC_цепочке заряжается до величины входного воздействия, примем постоянную времени цепочек R13, C6 и R14, C5 равными:

. (4.13)

Так как функции резисторов R13, R14, R19 и R20 аналогичны функциям R3, R6, R7 и R5 во входном усилителе, то номиналы их берутся равными т. е. для R13 и R14 по 10 кОм, а для R19 и R20 по 200 кОм соответственно. Рассчитаем значения С9 и С6:

. (4.14)

Из ряда E12 возьмем емкость этих конденсаторов равной 100 мкФ.

Рассчитаем номиналы емкостей С5, С11 исходя из верхней граничной частоты, которая была ранее выбрана равной 100 Гц [5].

. (4.15)

Из ряда E12 возьмем емкость конденсаторов 0,15 мкФ. Так сигнал на выходе приемной части металлодетектора может быть ниже уровня «земли», то для обеспечения работы АЦП в пределах нижнего и верхнего уровня опорного напряжения (соответственно Vref- = 0В и Vref+ = 5В) на неинвертирующий вход DA5.2 подано смещение 2,5 В с помощью резистивных делителей. Величина этих резисторов принята равной 330 кОм.

4.4 Выбор элементов обвязки микросхем

Обоснуем выбор параметров элементов, подключаемых к микроконтроллеру. Частота задающего кварцевого резонатора ZQ1 для микроконтроллера выбрана равной 11,0592 MHz. Для выбора номиналов конденсаторов С7 и С8 обратимся к фирменной документации ATMEL [7]. Согласно [7] емкости этих конденсаторов составляют 22 пФ.

Для вывода микроконтроллера из состояния сброса на его вывод RESET должен быть подан высокий логический уровень напряжения. В этих целях вывод MCLR подтянут к питанию резистором R16, сопротивление которого 10 кОм.

На разъем XS4 через DD2 выведены все необходимые сигналы для передачи данных на ПК через интерфейс USB и программирования микроконтроллера по интерфейсу JTAG, эмулируемому данной микросхемой. Это позволяет программировать и отлаживать устройство в готовой схеме. Данный подход упрощает процесс обновления «прошивки» микроконтроллера и снижает время отладки кода на этапе разработки, так как не требуется извлекать микросхему из устройства и помещать ее в программатор каждый раз при перепрограммировании.

Включение драйверов IR2101 также является типовым и приведено в [10]. Примем С1=С3=0,1 мкФ. В цепи затворов VT1, VT2, VT3 и VT4 рекомендовано включение низкоомных токоограничивающих резисторов. Примем R1=R2=R11=R12=27 Ом.

Необходимость применения резистора R13 - снижение добротности генераторной рамки, тем самым подавление колебательных процессов, возникающие после формирования импульса тока.

Для формирования прямоугольных импульсов напряжения на затворах транзисторов VT1, VT2, VT3 и VT4 диоды VD1 и VD4 должны быть высокочастотными (в данном устройстве использовались диоды BAS 16 JU/A6). С7 - накопительный конденсатор, обеспечивает формирование импульса тока. Для расчета его емкости зададимся допустимым относительным уровнем пульсаций 10 %. При напряжении питания 12 В абсолютный уровень пульсаций U=1,2 В. При длительности импульса накачки t_н и средней величине тока I_ср U может быть рассчитан по следующей формуле:

. (4.16)

Из (4.11) величину С7 можно вычислить по формуле:

. (4.17)

Для I_ср=4 А (пиковое значение, деленное пополам) и t_н=100 мкс значение С7 равно:

. (4.18)

Примем С7=2200 мкФ.

4.5 Расчет потребляемой мощности

Пиковое значение тока, протекающего через генераторную рамку равно I_п=8 А, максимальная длительность импульса накачки - t_н=100 мкс, минимальный период повторения импульсов - Т_п =1500 мкс (666 Гц). Для того, рассчитать потребляемую мощность, определим сперва среднюю за период повторения величину тока I_ср. Для этого найдем средний ток за время действия импульса t_н и разделим его на скважность импульсов W:

. (4.19)

Так как импульс t_н практический треугольный, то среднее значение тока за время его действия равно половине пикового значения. С учетом 4.19 выражение для среднего за период повторения тока I_ср примет вид:

. (4.20)

Примем пик потребляения всеми микросхемами металлодетектора 100 мА, что возможно крайне в редком случае. В окончательном виде формулу для расчета мощности, потребляемой металлодетектором, можно записать в следующем виде:

. (4.21)

Суммарная потребляемая мощность не превысит 20 Вт.

На этом расчет схемы можно считать законченным.

4.6 Расчет параметров генераторной и приемной рамок

В устройстве используются рамки классической конструкции - прямоугольные. Для выполнения условий компактности рамки конструктивно располагаются одна в другой. При различных значениях длины / ширины рамки имеют одинаковую площадь равную 0,01 см².

Для оптимизации расчетов примем рамки за катушки индуктивности с заданным и незвестным числом витков.

При изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, значение которой

, (4.21)

где L - индуктивность катушки, Гн; I - сила тока через обмотку, А; t - время, с; N - число витков катушки, - необходимый магнитный поток, Вб.

Индуктивность катушки пропорциональна линейным размерам катушки, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков намотки

, (4.22)

где м0 - магнитная постоянная, мi - магнитная проницаемость материала сердечника (зависит от частоты), S - площадь катушки (рамки), N - число витков, l - длина провода обмотки.

Величину необходимого для срабатывания устройства магнитного потока можно найти:

, (4.23)

где I - среднее значение тока, по формуле (4.20).

Зная длительность импульса, равную 100 мкс, количество витков приемной рамки (12 по начальным условиям), диаметр провода, применяемого при изготовлении катушек (0,3 мм), получим, что для обеспечения работы прибора будут удовлетворительны следующие параметры рамок:

- генераторная: 18 витков, 160Ч80 мм;

- приемная: 12 витков, 120Ч60 мм.

Заданные условия по компактности можно считать выполненными.

5. Выбор материалов, конструкции, комплектующих узлов

5.1 Выбор материала платы печатной

Для изготовления печатных плат в РЭА наиболее широкое применение получили такие материалы как стеклотекстолит, гетинакс. При выборе материала печатной платы необходимо иметь ввиду следующие рекомендации: материал печатной платы должен иметь высокие электроизоляционные показатели в заданных условиях эксплуатации РЭА, т. е. иметь большую электрическую прочность, малые диэлектрические потери, обладать химической стойкостью к действию химических растворов, используемых при изготовлении печатных плат, допускать штамповку, выдерживать кратковременные воздействия температуры до 240С в процессе пайки на плате ЭРЭ, иметь высокую влагостойкость, быть дешевым [5, 11, 17]. При выборе материала печатной платы также необходимо руководствоваться документами ГОСТ 10316-78, 23751-86, 23752-86.

В качестве материала для производства печатной платы выбираем стеклотекстолит с двусторонним фольгированным слоем и толщиной печатного проводника равной 35 мкм СФ_2-35 ГОСТ 10316-78 для изготовления двусторонних печатных плат. В данное время стеклотекстолит наиболее распространенный материал для изготовления печатных плат, имеет хорошие технологические и эксплуатационно-технологические свойства, среди которых:

– широкий диапазон рабочих температур (от минус 60 до плюс 105 С);

– низкое водопоглощение (0.2…0.8 %);

– большое объемное и поверхностное сопротивления;

– стойкость к короблению;

– повышенная жесткость и прочность.

5.2 Выбор элементной базы устройства

На чертеже приведена электрическая принципиальная схема разрабатываемого лабораторного макета. Приемная рамка подключаются к розетке XS1, генераторная - к розетке XS2. DA2 - входные усилители, которые вместе с микросхемой DA4 выполняют функцию синхронного детектирования принимаемых сигналов. В качестве DA2 использованы микросхемы NE5532 производства фирмы Texas Instruments. Отличительными особенностями этих операционных усилителей является

- низкий ток потребления (330 µА);

- Rail-To-Rail выход (выход, в пределах диапазона питания);

- низкая стоимость;

Эти факторы в основном определили использование их в данном устройстве.

Микросхема DA4 - CD4051 - представляет собой мультиплексор аналоговых сигналов в диапазоне ±7,5 Вольт:

- время включения / выключения - 220 нc;

- сопротивление канала в открытом состоянии - 10 Ом.

Для сравнения, отечественная микросхема со сходными функциями К561КП2 имеет следующие характеристики: время коммутации в пределах 300 - 400 нс, сопротивление открытого ключа в пределах 350 - 500 Ом. Высокие характеристики и доступность определили использование CD4051 в разрабатываемом устройстве. Внутренняя структура и назначение выводов микросхемы приведена на рисунке 4.2 [8].

Дальнейшее усиление и фильтрация сигнала происходит на DA4 (NE5532). Усиленный сигнал с выходов операционных усилителей подается на вход АЦП, входящего в состав микроконтроллера ATMEGA 16 [9], для его оцифровки и передачи на управляющую ЭВМ в целях более сложной обработки (определение геометрических размеров проносимого предмета; определение типа металла; обнаружение характерных признаков, присущих конкретному виду оружия и так далее).

Рисунок 5.1 - Внутренняя структура и назначение выводов CD4051

В схеме использовались полевые транзисторы, как наиболее хорошо подходящие транзисторы для преобразовательной и измерительной техники. Они обладают рядом преимуществ перед биполярными, кроме того, функциональнее и дешевле. Наиболее важные преимущества полевых транзисторов, следующие:

1) Управляется не током, а напряжением (электрическим полем), это значительно упрощает схему и снижает затрачиваемую на управление мощность.

2) В полевых транзисторах нет неосновных носителей, поэтому они могут переключаться с гораздо более высокой скоростью (в биполярном транзисторе, помимо основных носителей тока, существуют также и неосновные, которые прибор приобретает, благодаря току базы. С наличием неосновных носителей связано время рассасывания, что в конечном итоге обуславливает задержку выключения транзистора).

3) Повышенная теплоустойчивость. Рост температуры полевого транзистора при подаче на него напряжения приведет, согласно закону Ома, к увеличению сопротивления открытого транзистора и, соответственно, к уменьшению тока. Поведение биполярного транзистора более сложно, повышение его температуры ведет к увеличению тока. Это означает, что биполярные транзисторы не являются термоустойчивыми приборами. В них может возникнуть очень опасный саморазогрев, который легко выводит транзистор из строя. Вышеуказанное имеет значение, поскольку досмотровая техника эксплуатируется в различных погодных условиях.