Что же такое металлоискатель, и как ему удается различать металлы?
Металлоискатель - это электронное устройство, которое обнаруживает присутствие металла, не контактируя с ним (благодаря излучению радиоволн и улавливанию вторичных сигналов), и, обнаружив, информирует об этом факте оператора (звуковым сигналом, перемещением стрелки и т.д.).
При включении прибора в поисковой головке создается электромагнитное поле, которое распространяется в окружающую среду, будь то земля, камень, вода, дерево, воздух. На поверхности металлов, попавших в зону действия поисковой катушки под действием электромагнитного поля, возникают так называемые вихревые токи. Эти вихревые токи создают собственные встречные электромагнитные поля, приводящие к снижению мощности электромагнитного поля, создаваемого поисковой катушкой, что и фиксируется электронной схемой прибора. Кроме того, это вторичное поле искажает конфигурацию основного поля, что также улавливается прибором. Электронная схема металлоискателя обрабатывает полученную информацию и сигнализирует об обнаружении металла. Вихревые токи образуются на поверхности любых металлических объектов или электропроводящих минералов. Такие металлы как золото, серебро, медь имеют высокую электропроводность по сравнению с железом, тонкой алюминиевой фольгой, никелем и минералами. Определение металла в объекте основано на измерении удельной электропроводности объекта.
Разница между дешевыми и дорогими моделями заключается лишь в методах излучения радиоволн и методах улавливания и обработки и интерпретации вторичных сигналов. Более дорогой прибор может определять с известной степенью вероятности вид обнаруженного металла до его извлечения, определять глубину его залегания, может отстраиваться от минералов грунта, а также иметь много различных дополнительных функций, увеличивающих производительность и эффективность поиска, которые отсутствуют у дешевых приборов.
В литературе различают следующие основные подходы к построению схемотехники металлоискателей:
BFO - beat frequency oscillation (метод биений). Измеряемым параметром является частота LC-генератора, включающего катушку поисковой головки; она сравнивается с эталонной частотой и, полученная разностная частота биений, выводится на звуковую индикацию. Схемотехника приборов достаточна проста, катушка не требует прецизионного исполнения. Рабочая частота 40 - 500 Кгц. Чувствительность BFO-приборов невысокая при низкой стабильности работы и слабой возможности отстраиваться от влажного и минерализированного грунта. Метод BFO применялся в серийных иностранных приборах в 60-70 годы. В настоящее время этот метод популярен у радиолюбителей и встречается в недорогих приборах российских производителей.
TR/VLF - transmitter-reciver / very low frequency (передатчик-приемник / очень низкая частота). Поисковую головку образуют две катушки, расположенных в одной плоскости и сбалансированных так, что при подаче сигнала в передающую катушку на выходах приемной присутствует минимальный сигнал. Передающая катушка включается в контур LC-генератора. Измеряемым параметром является амплитуда сигнала на приемной катушке и фазовый сдвиг между переданным и принятым синусоидальными сигналами. VLF - разновидность этого метода, когда рабочая частота уменьшена до 1 - 10 Кгц при обычной ~20 Кгц. VLF - метод позволяет построить высокочувствительные приборы с хорошим различением металлов за счет анализа фазовых характеристик. Схемотехника приборов достаточно сложна, катушки требуют прецизионной балансировки. По этому методу сейчас строится большинство серийных приборов, в том числе и компьютеризованных. Дискриминация объектов и отстройка от грунта в таких приборах делается сравнительно просто с помощью фазосдвигающих цепей. Принцип TR (или его разновидность TR/VLF) предусматривает анализ фазовых характеристик сигнала, поэтому все они легко различают черные и цветные металлы, отстраиваются от мусора и грунта. Эти приборы имеют высокую чувствительность и разрешающую способность, которая зависит от диаметра головки - чем головка больше, тем глубже обнаружение, но тем труднее искать мелкие предметы.
RF - radio frequency (радио частота) - высокочастотный вариант TR, где передающая и приемная катушки образуют не плоский трансформатор, а разнесены в пространстве и расположены перпендикулярно друг к другу. Приемная катушка принимает отраженный от металлической поверхности сигнал, излучаемый передающей катушкой. Диапазон рабочих частот 70-500 Кгц. Этот метод используется в глубинных приборах и характеризуется нечувствительностью к мелким объектам и отсутствием различения металлов.
PI - pulse induction (импульсная индукция). В приборах этого типа катушка поисковой головки не является частью колебательного контура. В нее от запускающего генератора подается импульсный сигнал. Анализируемым параметром является время окончания переходного процесса (положение заднего фронта импульса напряжения). К конструкции катушки не предъявляется особых требований. Отличительными чертами этого метода являются: низкая рабочая частота следования импульсов (50-400 Гц), большое потребление энергии, нечувствительность к грунту, не очень хорошее распознавание металлов, приборы не требуют периодической подстройки. PI-метод часто используется в подводных приборах для ослабления влияния воды.
OR - off resonance (срыв резонанса). Анализируемым параметром является амплитуда сигнала на катушке колебательного контура, настроенного близко к резонансу с подаваемым на него сигналом от генератора. Появление металла в поле катушки вызывает или достижение резонанса или уход от него, в зависимости от вида металла, что приводит к увеличению или уменьшению амплитуды колебаний на катушке. Этот метод также как и BFO разрабатывался радиолюбителями, но сведений о его использовании в серийных приборах для поиска сокровищ не обнаружено.
По мере усложнения конструкции прибора и увеличения его стоимости улучшается способность прибора распознавать металлический предмет без выкапывания. При различии стоимости в несколько раз чувствительность детекторов увеличивается незначительно (чаще всего она составляет 20 - 35 см для монет и около 1 - 1.5 м для крупных находок). Однако более сложные приборы, оснащенные процессорами, могут дать заключение не только о составе металла и глубине находки, но и определить достоинство монеты.
В самом общем виде металлоискатели можно разделить на следующие группы:
универсальные - для поиска мелких предметов (монет, украшений, самородков) на глубине до 40 см в грунте и крупных (размером с чайник и более) на глубине до 1 - 1,5 м. Как правило, это приборы, работающие на принципе "передатчик-приемник" с индукционным балансом. Передающая и приемная катушки расположены в одной плоскости и образуют поисковую головку. Диаметр головки 10-40 см (наиболее ходовой - 21 см).
глубинные - для поиска только крупных предметов на глубине 2 - 6 м. Приборы используют принцип RF и катушки расположены на большом расстоянии друг от друга (50-100 см) в перпендикулярных плоскостях. Для этих целей используются и импульсные приборы с диаметром катушки метр и более. Этими приборами хорошо искать сундуки, сейфы, потерянную технику и т. п., но они не чувствительны к монетам и другим мелким предметам и не различают металлы.
подводные - герметичные приборы со специфической индикацией для поиска под водой с аквалангом. В большинстве эти приборы используют импульсный индукционный принцип, что существенно уменьшает влияние воды как электропроводящей среды на поиск. Глубина обнаружения импульсного прибора (не только подводного) обычно больше, чем у TR/VLF. Эти приборы не нуждаются в ручной подстройке, но испытывают затруднения в различении металлов.
старательские - для преимущественного поиска отдельных объектов из драгоценных металлов (самородного золота, серебра). Обычно это TR/VLF приборы для поиска золота, оптимизированные для поиска мелких самородков, что требует иной рабочей частоты, чем у универсальных приборов.
строительные - для поиска трубопроводов, кабелей, и иных подземных коммуникаций. Сюда же можно отнести магнитометры для поиска железа. Их принцип действия несколько отличен от индукционных металлоискателей.
охранные приборы можно подразделить на носимые досмотровые приборы, стационарные детекторы, т. н. "ворота" , приборы для проверки почтовой корреспонденции.