Виды катушек металлоискателей

Передающие и приемные катушки металлодетекторов: ортогональ­ные, формы "OO", double-D катушки, коаксиальные, концентрические, петли 4B, катушки в виде цифры 8, а также монокатушки. Их харак­теристики, свойства, достоинства и недостатки.

Поисковая катушка является важной частью металлоискателя, поэтому знание её устройства и принципа действия крайне желательно для выбора конструкции с оптимальными для поиска характеристиками.
Как правило, катушка металлоискателя состоит из двух катушек, заключенных в одном корпусе – передающей и приемной. А разобраться с многообразием и особенностями поисковых катушек поможет статья признанного специалиста в области проектирования и промышленного производства металлодетекторов – Карла Морленда.

Основы катушек                      Карл Морленд, 2006

Подобно антенне, передающая катушка металлодетектора преобразует электрический ток в электромагнитную энергию, а катушка приёмника, наоборот – ЭМ энергию в ток. Но ЭМ энергия, производимая антенной, ведет себя по-разному в зависимости от того, на каком расстоянии от антенны она измеряется. Существуют две области распространения волн – область ближнего поля и область дальнего поля. Переход между двумя этими областями постепенный, но в основном это происходит примерно на расстоянии одной длины излучаемой волны (d=λ).
Независимо от расстояния, электромагнитная энергия становится слабее по мере удаления. Однако в области дальнего поля (d>λ) электромагнитная энергия ослабевает пропорционально квадрату удалённости от антенны, в то время как в области ближнего поля (d<<λ, как в случае с металлоискате­лем) энергия падает как функция 1/d³, что намного хуже.

С точки зрения классических антенн, размер катушек металлодетектора крайне мал по сравнению с излучаемой диной волны (которая, к примеру, на 10 кГц составляет 30000 м), поэтому не следует к ним относиться, как к серьёзным преобразователям энергии. Однако, поскольку мы не заинтересованы в распространении волны на высокие расстояния, мы можем рассматривать это, как катушки для фиксации изменений магнитного поля.

В большинстве случаев катушки металлодетекторов намотаны в виде тонких бубликов, состоящих из нескольких десятков витков изолированного провода. Если вы пропустите ток через такую катушку, то это создаст поле, как показано на Рис.1. Постоянный ток (DC) будет генерировать статическое магнитное поле, а переменный ток (AC) будет генерировать переменное магнитное поле.



Нас интересует поле переменного тока, которое мы для простоты будем называть электромагнитным полем. Если рядом с первой (передающей) катушкой разместить вторую (приёмную), то сигнал от первой катушки передастся во вторую посредством индукции так же, как это происходит в трансформаторе.

Если в поле поместить кусок металла, то электромагнитная энергия будет создавать в этом металле круговые токи, известные как вихревые токи, которые, в свою очередь, создают обратное электромагнитное поле. Итак, теперь у нас есть передающая катушка, создающая электромагнитное поле, и металлическая мишень, расположенная достаточно близко, чтобы создать обратное электромагнитное поле (см. Рис.2).
Теперь нам нужен способ обнаружить наведенное поле мишени. Имейте в виду, что это очень слабое поле по сравнению с гораздо большим полем передающей катушки, поэтому для оптимального обнаружения нам нужно избавиться от поля передачи. Это все равно что пытаться услышать чей-то шепот на рок-концерте. И если в импульсных PI (Pulse Induction) металло­искателях мы делаем это, быстро выключая передатчик и “прислушиваясь” к слабому отклику мишени, то в детекторах VLF-типа (Very Low Frequency) сигналы передаются непрерывно, поэтому нам нужно сделать что-то другое.

Для этой цели катушки можно взаимно расположить таким образом, чтобы между ними не было связи. В этом случае говорят, что в системе достигнут “индукционный баланс” (IB), т. е. катушки сбалансированы индуктивно таким образом, что при отсутствии металла на выходе приёмной катушки почти нет сигнала.
На практике индукционный баланс используется для металлоискателей типа: VLF (Very Low Frequency), TR (Transmitter-Receiver) и RF (Radio Frequency). Также IB может применяться к PI и даже к детекторам BFO.

Типы катушек (RX – приемная, TX – передающая)

Как было сказано, передающая катушка создает сильное электромагнитное поле, мишень создает крошечное обратное электромагнитное поле, и нам нужна приемная катушка, которая будет игнорировать гигантское поле передачи при обнаружении крошечного поля мишени.
Решение состоит в том, чтобы каким-то образом "сбалансировать" приемную катушку так, чтобы она не имела индуктивной связи с передающей.
В рамках данной статьи рассмотрим механические методы, как наиболее часто используемые в конструкциях металлоискателей.

На Рис.3 показан, по-видимому, один из самых ранних методов индукционного баланса. В этом методе приемная катушка повернута на 90° к передающей, т. е. катушка RX расположена таким образом, что она лежит точно вдоль изомагнитных линий магнитного поля передающей катушки TX. Из-за этого магнитное поле на приемную катушку не воздействует, и, следовательно, индуцированный ток отсутствует. Теоретически индуктивная связь равна нулю.
При таком подходе сразу возникает, по крайней мере, пара проблем. 1. Ортогональное расположение катушки приводит к громоздкости поисковой головки. 2. Вторая проблема заключается в сложности отстройки от грунта на минерализованной почве. Как только катушки будут перемещаться вблизи земли, любая минерализация начнёт сжимать передающее поле, причём только с одной стороны, что сразу приведёт к нарушению баланса.



На Рис.4 показан другой ранний метод для достижения баланса индукции в катушке. Приемная катушка слегка перекрывается с передающей, так что часть внутреннего поля катушки TX проходит через катушку RX, и часть внешнего поля катушки TX также проходит через катушку RX. Внутреннее и внешнее поля катушки TX имеют противоположную полярность, поэтому, если катушка RX расположена точно, можно добиться взаимной компенсации этих полей. Данный тип катушек часто называют копланарными, поскольку катушки TX и RX лежат в одной плоскости.
Для передающей катушки TX наибольшая EM напряженность EM поля находится вдоль воображаемой оси, которая проходит через центр катушки (см. Рис.1). Аналогично приемная катушка RX наиболее чувствительна к сигналам мишени вдоль оси, проходящей через ее центр. Для катушек типа "OO", эти оси не совпадают, а область наибольшей чувствительности находится там, где две катушки перекрываются. Поскольку это не является областью наибольшей чувствительности ни для одной из катушек, общая чувствительность этого метода несколько ниже, чем у других.

На Рис.5 показан очень популярный вариант конструкции с перекрытием внахлест. Участки перекрытия катушек несколько выпрямлены, что позволяет добиться трех улучшений. Во-первых, общая форма поисковой головки стала круглой. Во-вторых, зона перекрытия (по-прежнему наиболее чувствительная область) теперь проходит от передней части катушки к задней, образуя длинную узкую зону обнаружения. В-третьих, оси наибольшей чувствительности для каждой катушки перемещены ближе к зоне перекрытия, что улучшает глубину.
В этом варианте каждая катушка выглядит как буква “D”, поэтому общий тип катушек обычно называют “DD” или “double-D”.
Хотя катушки с перекрытием, вероятно, относятся к самым ранним экспериментам, связанным с индукцией (1830-е годы) и определенно использовались в начале 20-го века, катушка DD была впервые разработана компанией Compass Electronics только в начале 1970-х годов. В настоящее время это второй по популярности тип катушек.



На Рис.6 показан ещё один метод достижения баланса в приёмной катушке. Такая конфигурация обычно называется коаксиальной поскольку все катушки расположены вдоль одной и той же центральной оси. Передающая катушка находится двумя приемными катушками, а приемные катушки подключены противофазно, поэтому их индуцированные токи нейтрализуются.
В качестве альтернативы вы можете поместить приемную катушку между двумя передающими, подключенными противофазно, таким образом, чтобы их поля нейтрализовались прямо посередине, где расположена приемная катушка (Рис.7).
Коаксиальные катушки использовалась в ранних металлоискателях Garrett VLF и Cat от компании C&G Technology, возможно, и некоторых других. Я полагаю, что устройства C&G Technology на самом деле использовали модифицированную коаксиальную конструкцию, в которой приемные катушки меньше передающей. Такой подход все еще обеспечивает баланс индукции, но при этом уменьшает влияние земли для достижения лучшей отстройки от грунта.
Коаксиальная схема расположения катушек обычно приводит к небольшому снижению глубины обнаружения из-за частичного подавления сигнала между катушками “+” и “-”. Однако у нее есть и одно неоспоримое преимущество. Поскольку баланс индукции достигается в вертикальном направлении, это делает конструкцию менее чувствительной к металлическим мишеням в горизонтальной плоскости. а это, в свою очередь, позволяет коаксиальной катушке приближаться к таким объектам, как металлические столбы и ограждения, не реагируя на них. Сегодня коаксиальные катушки редки и их можно приобрести только у поставщиков вторичного рынка.

На Рис.8 показана конструкция копланарной катушки, которая была очень популярна в 1970-х и начале 80-х годов. Ее обычно называют петлей “4B” и она широко использовалась в TR и VLF детекторах.
Небольшая часть передающей катушки загнута внутрь приемной катушки. Загнутая часть создает поле обратной передачи вокруг приемной катушки, которое нейтрализует поле, наводимое от основной части передающей катушки.


Многие современные детекторы используют концентрическую катушку, показанную на Рис.9. Обычно, если вы размещаете приемную катушку внутри передающей, то получаете кучу индуктивной связи. Хитрость здесь заключается в том, чтобы добавить компенсирующую катушку, которая представляет собой еще одну передающую катушку, расположенную либо очень близко, либо внутри приемной катушки. Эта компенсирующая катушка получает сигнал передачи, противоположный по фазе с основным и, находясь вблизи приемной катушки, подавляет основное поле передачи.
Компенсирующая катушка может быть расположена непосредственно за приемной катушкой, или внутри, или даже прямо над ней.
Еще один способ настройки – использовать противофазную приемную катушку, расположенную рядом с передающей катушкой, как это показано на Рис.10.
Концентрические катушки обладают наилучшей общей чувствительностью среди всех типов катушек и относительно просты в изготовлении. В большинстве случаев диаметр меньшей катушки составляет половину диаметра большой катушки, хотя это и не обязательно. В некоторых катушках фирмы Fisher приемная катушка имеет эллиптическую форму. В катушках "Garrett imaging coils" имеются две приемные катушки: одна примерно вдвое меньшего диаметра, чем катушка TX, а диаметр другой составляет примерно ¾ диаметра TX.

Еще одной интересной конфигурацией контура является петля в виде восьмёрки, показанная на Рис.11. Передающая катушка TX скручена в виде цифры 8 и создаёт таким образом как положительное, так и отрицательное ЭМ поле. Катушка RX, центрированная на перекрестии, воспринимает оба поля, одинаковых по величине и противоположных по знаку, поэтому суммарное поле равно нулю, т. е. система индуктивно сбалансирована.



Такая конфигурация катушки имеет некоторые особенности. Во-первых, передающее поле имеет нулевое значение на пересечении, поэтому теоретически оно будет иметь низкую чувствительность в центре. Во-вторых, передающее поле в верхней половине восьмерки будет на 180° отличаться по фазе с полем в нижней части. Это означает, что в конструкциях с дискриминацией мишени по фазе правильная идентификация будет осуществляться только в одной из половин.

Петли в виде восьмёрки могут быть выполнены различными способами. На Рис.12 показан один из вариантов с удлиненной катушкой RX, который даёт длинную и узкую зону обнаружения, что обеспечивает более быстрый охват местности.

На Рис.13 приведена катушка RX в форме "8" со стандартной катушкой TX. Она имеет те же недостатки, что и катушка на Рис.8.

Наконец, на Рис.14 представлена двойная восьмерка, которая позволяет точно определить фазу в центральной части катушки с двумя "мертвыми" зонами по краям.

Также существует много других интересных способов создания индуктивно сбалансированных контуров, охватывающих многообразие устройств, присутствующих на рынке. При этом любое изделие с индукционным балансом (IB) очень чувствительно к точному размещению приемной катушки относительно передающей, и даже незначительное её перемещение может нарушить тонкий баланс.
Как правило, все катушки укладываются в форму, рассчитанную на достижение оптимального баланса, затем их заливают эпоксидкой. Для точной настройки баланса одну из петель обмоток можно оставить свободной и после того, как эпоксидная смола застынет, перемешать её до тех пор, пока не будет достигнут приемлемый результат. После чего приклеить и её.

Влияние эффекта земли

Пока катушка находится в воздухе вдали от металлических предметов, техногенных помех и всего того, что может исказить поле, добиться хорошего баланса довольно просто. При приближении металлической мишени баланс нарушается, что мы и фиксируем приборами устройства.

Когда же катушка опускается на землю, зачастую содержащую минералы, почва искажает поле передачи, оставляя его неизменным сверху от катушки и эффективно подавляя на нижней стороне катушки (см. Рис.15). Причём происходит это не из-за вихревых токов (как в случае с металлической мишенью), а скорее из-за изменения проницаемости, подобно тому, как увеличивает индуктивность катушки порошкообразный железный сердечник.

Для большинства катушек такого рода деформация поля нарушит баланс индукции и создаст паразитный входящий сигнал. Мы будем называть его "сигналом земли", чтобы отличать от сигнала мишени.

Металлодетекторы решают эту проблему, обеспечивая контроль “баланса грунта”. Подробное изучение этого метода выходит за рамки данной статьи, однако беглый экскурс по этой теме мы всё-таки проведём.

Большинство детекторов идентифицируют металл по фазовой харак­теристике сигнала мишени. Когда катушка поднята в воздух, сигнал от почвы отсутствует, поэтому, если мишень находится перед катушкой, то результирующий принимаемый сигнал будет состоять только из сигнала мишени с соответствующей ему фазой.
Но когда катушка опущена на почву, появляется постоянный сигнал земли, который имеет свою собственную фазу, и фаза любой мишени будет добавлена к фазе сигнала земли.

По сути, механизм отстройки от земли (ground balance) должен регулировать опорную фазу, с которой сравнивается фазовая характеристика метал­лической мишени, т. е. обнулять фазу сигнала земли.
Однако этот способ не устраняет и даже не уменьшает сигнал земли, воспринимаемый катушкой RX и последующей схемой приема. А это означает, что высокоминерализованный грунт может генерировать сигнал значительной амплитуды, который возможно приведёт либо к перегрузке приемной схемы, либо, по крайней мере, к снижению чувствительности к металлическим мишеням.
Поэтому данную функцию лучше переложить на правильно выполненную конструкцию катушки, которая должна поддерживать баланс индукции, даже в условиях, когда минерализованный грунт сжимает поле передачи.

К настоящему моменту вы, вероятно, уже поняли, что RX катушка в виде восьмёрки, должна быть оптимальной, особенно такая, как приведена на Рис.13. Независимо от того, как сжато поле передачи, такая катушка всегда будет иметь отличное подавление.

Катушки DD также широко известны своей хорошей производительностью на плохих почвах. Также интуитивно понятно, что катушка DD будет работать хорошо из-за того, что часть сигнала TX находится снаружи катушки RX, а часть – внутри. Пока сжатие поля не изменяет соотношение внутренней и внешней частей, баланс сохраняется. Но пропорции несколько изменены из-за сглаженных сторон в зоне перекрытия. Скорее всего, катушка “OO” (Рис.4) была бы еще менее чувствительна к сжатию поля.

Одни из самых популярных катушек – концентрические (Рис.9 и 10) не так хорошо работают на плохом грунте. Сжатие поля влияет на основные катушки TX намного больше, чем на компенсирующие, что приводит к дисбалансу.
Ортогональные катушки (Рис.3) также плохо работают, как и коаксиальные катушки (Рис.6 и 7).

Монокатушки

Все рассмотренные ранее катушки работают по принципу балансировки индуктивности. Однако не всем детекторам требуются сбалансированные катушки. В старых BFO металлоискателях использовалась одна катушка, отвечающая за частоту посылаемого в мишень сигнала. Сегодня технология BFO отошла в прошлое, однако в современных импульсных PI-детекторах также используются монокатушки. Этот тип устройств передаёт с помощью катушки импульс магнитного поля, затем быстро отключает его для прослушивания принимаемого сигнала, который может приниматься с использованием той же катушки.

Хотя моно катушки обычно круглые, на самом деле они могут быть любой формы: овальные, квадратные и даже треугольные.

Катушки PI-детекторов обычно имеют низкую индуктивность и могут быть изготовлены на печатной плате без использования намоточных проводов.
На Рис.16 показана подобная спиральная катушка, используемая в детекторах фирмы Tesoro.
На самом деле, PI детекторы могут использовать и отдельные катушки TX и RX, которые при этом необязательно должны быть индуктивно сбалансированы, поскольку TX сигнал отключен во время обработки RX.



Характеристики катушек

Большинство детекторов общего назначения сегодня поставляются с концентрической катушкой, часть с катушкой D-типа. Специальные металлоискатели, такие как высокочастотные детекторы золота и некоторые импульсные устройства, иногда имеют катушку “double-D”, а в отдельных двухкорпусных катушках по-прежнему используется ортогональ­ное расположение.
Почему концентрическая катушка так популярна?
Прежде всего, из-за того, что ее довольно легко изготовить, поскольку все катушки, используемые в ней, круглые, и баланс индукции достигается легко. Но помимо этого, они работают почти так же хорошо, а то и лучше, чем катушки любого другого типа. С помощью концентрических катушек легко определять точное местоположение, при этом глубина обнаружения довольно хороша.
Так зачем же делать что-то еще?
Как мы уже говорили, катушки типа double-D лучше работают в высокоминерализованном грунте, чем концентрические. В Австралии, где производятся детекторы Minelab, о минерализации почвы ходят легенды, и, вероятно, именно поэтому компания Minelab разработала стандартную катушку типа DD. Однако катушка double-D не достигает такой глубины, как концентрическая, и распознавание (идентификатор цели) с помощью DD также, предположительно, не так хорошо, по причинам, которые мне не ясны.
Катушка double-D также известна как широкоугольная катушка, поскольку она имеет чувствительную зону обнаружения, которая в значительной степени проходит по всей площади перекрытия. Концентрическая катушка наиболее чувствительна в зоне приемной катушки.

Чувствительная область практически всех катушек несколько уменьшается по мере того, как вы удаляетесь. На максимальной глубине охват ограничен, возможно, 50% или менее от ширины катушки, поэтому, чтобы найти самые глубокие монеты, вам потребуется накладывать друг на друга движения металлоискателя.

Петли в форме восьмерки, такие как катушка фирмы Bigfoot, также лучше работают в сильно минерализованной почве, потому что половины приемной катушка имеет разнофазную форму (Рис.13). Однако это приводит к наличию положительной зоны отклика и отрицательной зоны отклика с нулевым значением прямо посередине, поэтому к ним нужно немного привыкнуть.
Коаксиальная катушка не так чувствительна, как концентрическая, но у нее есть одно преимущество. Поскольку приемные катушки расположены вертикально и находятся в противофазе, металлические цели на краю катушки, как правило, компенсируют друг друга. Это делает ее полезной для работы вблизи металлических столбов, где другие катушки будут издавать сильный шум. Кроме того, поскольку как восьмерки, так и коаксиальные катушки имеют приемные катушки полуинвертированной формы, они исключительно хорошо подавляют внешние электрические помехи и превосходят концентрические и двухдиапазонные катушки под линиями электропередач.

Наконец, помните, что универсального решения не существует. Большие катушки обеспечивают лучшую глубину обнаружения крупных целей, но меньшую чувствительность к мелким объектам, в то время как маленькие катушки обладают лучшей чувствительностью к мелким целям, но с меньшей глубиной обнаружения. Кроме того, маленькая катушка хороша для работы в замусоренных местах, потому что обеспечивает лучшее разделение близко расположенных целей. Поэтому, даже если вы занимаетесь только поиском монет, наличие двух или трёх размеров катушек или специализированных типов катушек, таких как DD или коаксиальные, расширит зоны вашего поиска.