А.В. Масалов,
(КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань)
В настоящее время широкое распространение в различных областях человеческой деятельности получили устройства, решающие с помощью магнитных методов задачи обнаружения и идентификации проводящих объектов в непроводящей среде.
Наибольшее применение в таких устройствах сегодня нашли токовихревые методы, позволяющие решать задачу селективного обнаружения определенных металлических или металлосодержащих объектов поиска. Селективное обнаружение - способность устанавливать факт наличия объекта и с возможностью идентификации его типа. Идентификацию объекта можно осуществляться только при наличии у его характерных признаков. Под этими признаками понимаются какие-либо постоянные их свойства, выявляемые в том или ином реализуемом в детекторе физическом методе, по которому имеются наибольшие различия между объектами поиска и основной частью множества других объектов.
Метод вихревых токов основан на наличии у объектов идентификации основных признаков, присущих металлам: электропроводности и магнитной проницаемости.
Вихревые токи - это замкнутые токи, протекающие в проводящей среде и индуцированные в ней изменяющимся электромагнитным полем. Возбуждение вихревых токов осуществляется переменным электромагнитным полем, создаваемым специальной катушкой, по которой протекает переменный электрический ток. Электромагнитная энергия, проникающая в металлический предмет, частично превращается в тепло, а частично переизлучается.
Метод 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 объекта идентификации помещенного в катушку. Теория базируется на уравнении Максвелла. Из решения этого уравнения вытекает ряд формул, на основании которых можно получить семейство зависимостей комплексного сопротивления катушки от электропроводности, магнитной проницаемости материала, и размеров объекта, помещенного в нее.
В зависимости от вида формируемого намагничивающего поля различают метод гармонического поля и метод импульсного поля (метод переходных процессов). При гармоническом типе поле возбуждается синусоидой одной частоты (гармоникой). При импульсном - возбуждение осуществляется импульсом, близким к прямоугольной форме.
Из основ гармонического анализа следует, что при одинаковом гармоническом составе намагничивающего поля можно получить один и тот же объем информации об электромагнитных характеристиках намагниченного объекта идентификации как в частотной области, измеряя амплитуды и фазы гармоник его поля переизлучения, так и во временной области, изучая временной ход этого поля. 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 объекта поиска, будут при конкретной ориентации иметь отличия от множества других металлических объектов. При использовании гармонического метода объект намагничивается суммой гармонических полей не более трех (чаще всего двух) частот.
При использовании метода переходных процессов намагничивание производят импульсами сложной формы, теоретически являющимися суммой неограниченного количества гармонических полей с частотами, кратными основной частоте следования импульсов. 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 идентификации объекта.
У каждого из этих методов идентификации есть свои недостатки и преимущества.
Прежде всего, у этих методов разная информативность. У гармонического колебания всего два параметра для последующего анализа: амплитуда и фаза переизлученного поля. При импульсном возбуждении поля для анализа используются переходные характеристики всего спектра Фурье-составляющих прямоугольного импульса. Это ведет к значительному увеличению собираемой информации о характеристиках и размерах исследуемого металлического объекта.
Гармонический принцип менее информативен, чем импульсный, поскольку в гармоническом сигнале, то есть синусоиде, изменение фазы можно измерить не более двух раз за период сигнала. Пиковые значения амплитуды при проносе металлического объекта принципиально не могут меняться чаще частоты сигнала (скорость перемещения объекта много меньше частоты электромагнитного поля), если частоты при разных типах генерации поля не отличаются в тысячи раз. У импульсных систем, можно анализировать бесконечное множество частот.
Преимущество гармонических детекторов заключается в хорошей помехозащищенности, так как существует возможность эффективной фильтрации помех с частотами, отличными от частоты возбуждения.
Повышение информативности в гармонических детекторах возможно использованием возбуждения поля одновременно несколькими, специально подобранными частотами, то удастся несколько приблизить их характеристики обнаружения к импульсным системам. Однако на сегодняшний день использование гармонических детекторов с многочастотным методом возбуждения затрудненно в первую очередь усложнением конструкции излучающих катушек и электронной схемой управления.
Импульсный метод формирования поля детектором представляется наиболее перспективным в развитии. При использовании методов анализа переходных процессов (опенка затухания электромагнитного поля в детекторе по окончании действия импульса возбуждения) имеется теоретическая возможность дать заключение о точной форме и электромагнитных характеристиках исследуемого объекта. Достигается это путем измерения амплитуд переходных характеристик на разных частотах при различных задержках относительно заднего фронта импульса возбуждения. Накапливая результаты измерений за несколько циклов воздействия импульса при проносе объекта идентификации через детектор, и применяя необходимую обработку, можно получить электромагнитный образ объекта. Сравнивая его с образами из существующей библиотеки, можно довольно точно идентифицировать предметы, являющиеся объектами поиска.
|
