О Металлодетекторах и Металлопоиске

По мнению специалистов ЮНЕСКО, трехсотая часть богатств, находящихся в личном пользовании граждан, запрятана в кладах. На территории нашей страны уровень социальных потрясений и войн был значительно выше, чем в среднем по земному шару.

М. Гуртовой, «Московские новости«, 1991.

Про всякого человека клад захоронен, только надо уметь брать клад. Неверному человеку клад не дастся Пьяному клад не взять. Со скоромными мыслями к кладу не приступай, ибо клад себе цену знает.

Н. К Рерих, "Избранное".

Металлодетекторы

В 20-е годы в США были разработаны приборы, обнаруживающие инструменты и готовые изделия, выносимые рабочими с заводов. Приборы назывались металлодетекторы (metal detector дословно – металлообнаружитель). Металлодетекторами или, по-русски, »металлоискателями« заинтересовались военные. Во время Второй мировой войны быстро развивалась техника обнаружения металлов, и было разработано специальное оборудование для поиска мин. После войны оно дешево распродавалось в США, и многие люди быстро оценили возможности миноискателей при поиске зарытых сокровищ и золотых самородков.

Послевоенные металлоискатели работали на вакуумных лампах, были громоздки и потребляли много энергии. Лишь в середине 60-х годов были созданы малогабаритные, стабильные и чувствительные приборы, которые могли различать металлы и позволяли отстраиваться от влияния окружающей среды. Типы металлодетекторов

Существуют несколько типов схем которые используются в металлодетекторах, включая : генератор частоты биения, передача-при?м, низкочастотный и импульсно- индукционная схема.

Детекторы выполненные на основе схемы генератора частоты биения больше не производится, хотя и широко используются по сей день. Они плохо себя зарекомендовали в соленых и минерализованных железом грунтах. Но удовлетворительно ведут себя на территориях с минимальной минерализацией земли (когда наблюдается естественное наличие минералов, в частности железа и соли, влияющие на сигнал детектора). ГЧБ детекторы обеспечивают маленькую глубину поиска и их катушки с более узким динамическим диапазоном, чем у других типов детекторов.

Автоматическая отстройка от грунта низкочастотного металлодетектора делает его хорошим и вполне приемлемым выбором для искателей. Эти детекторы легки в использовании. Оператору не нужно больше вручную настраивать детектор для устранения влияния минерализации грунта, так как у прибора есть специальная функция, которая делает это автоматически.

Автоматически отстраиваемые от грунта низкочастотные металлодетекторы называют детекторами »движения«, катушка прибора должна находится в постоянном движении для определения местонахождения металлических предметов. Если пользователь остановит перемещение катушки над объектом, отражающим сигнал, то звук от прибора постепенно затухает. Однако очень маленькое движение приводит большинство приборов к работе. Оператор может почти прекратить движение катушки прибора для точного целеуказания нахождения предмета. Но некоторые из этих металлодетекторов имеют особенность режима электронного целеуказания что позволяет оператору переключатся между движением и статическим режимом.

Специализированные металлодетекторы существенны, когда необходим поиск под водой или других экстремальных окружающих условиях, которые существуют. Подводные металлодетекторы разработаны с уч?том полного погружения всего прибора вместе с панелью управления. Максимальная глубина, с которой они могут погружаться варьируется в зависимости от модели, приблизительная глубина погружения некоторых приборов может достигать порядка 100 футов.

Водолазы часто используют импульсно-индукционный металлодетектор для подводных поисков, хотя низкочастотный детектор с автоматической отстройкой грунта также работает хорошо в этих условиях. Импульсно- индукционный металлодетектор известен своими глубинными способностями. Эти детекторы игнорируют ч?рный металл и сол?ную воду, которые могут влиять на чувствительность других типов детекторов.

До недавнего времени, импульсно- индукционные металлодетекторы требовали большей мощности заряда батарей чем низкочастотные приборы с автоматической отстройкой грунта. Как результат, эти детекторы имели большой вес и меньший заряд батарей чем остальные системы. Новые разработки, однако, повысили время работы батарей прибора и снизили его вес.

Принцип действия и устройство самых распространенных на данный момент металлодетекторов принципа: Сверх Низкие Частоты. (VLF) Схема передатчик-приемник (TR).

Передатчик

Внутри поисковой рамки металлодетектора (которую также называют поисковой головкой, катушкой, антенной) находится намотанный провод, называемый передающей катушкой. Электрический ток, протекая по ней, создает электро-магнитное поле. Направление тока меняется несколько тысяч раз в секунду на противоположное, и характеристика »рабочая частота« говорит о том, сколько раз в секунду ток движется по часовой и против часовой стрелки.

Когда ток протекает в одном направлении возникает магнитное поле, направленное в землю, когда направление тока изменяется на противоположное, то и магнитное поле будет направлено уже от земли (как южный и северный полюса у школьного магнита). В любом металлическом (и даже электропроводящем) объекте, оказавшемся поблизости, под влиянием такого изменяющегося магнитного поля возникнут электрические токи, во многом аналогичные тем, что возникают в обмотке генератора, вращающейся в постоянном магнитном поле. Наведенный ток, в свою очередь, создаст собственное магнитное поле, с направленностью обратной магнитному полю передатчика.

Приемник

Внутри рамки есть еще одна – приемная – катушка, расположенная таким образом, чтобы максимально нейтрализовать влияние передающей катушки, для чего используются специальные методы. А вот поле от металлического предмета оказавшегося поблизости, будет наводить в приемной катушке ток, который можно усилить и обработать электроникой, предварительно отделив от более мощного сигнала передатчика.

Суммарный принятый сигнал обычно появляется с некоторой задержкой относительно излученного сигнала. Эта задержка вызвана тем, что проводящие материалы обладают свойствами сопротивляться как самому протеканию электрического тока (резистивностью), так и изменению величины уже протекающего в них тока (индуктивностью). Мы называем эту видимую задержку »фазовым сдвигом«. Максимальный фазовый сдвиг будут производить объекты, которые по большей части индуктивны – это большие, толстые предметы, сделанные из отличных проводников, таких как золото, серебро и медь. Меньший фазовый сдвиг характерен для объектов, которые по природе своей резистивны – это более мелкие, более тонкие объекты либо предметы, сделаные из материалов с худшей проводимостью.

Те материалы, которые плохо проводят электрический ток или совсем его не проводят, также могут вызывать сильный сигнал в приемнике. Такие материалы называются ферромагнетиками. Ферромагнитные тела сильно намагничиваются, будучи помещенными во внешнее поле (например, скрепка которая прицепляется к поднесенному магниту). Сигнал в при?мнике покажет минимальный либо нулевой фазовый сдвиг. Многие типы почвы содержат мельчайшие крупинки железосодержащих минералов, которые на детекторе будут определяться как ферромагнетики. Металлические отливки (например, кованые гвозди) и стальные предметы (пивные пробки) обнаружат как ферромагнитные, так и проводящие свойства.

Следует также отметить, что здесь описываются схемы детекторов »индуктивного баланса« иногда называемые схемами СНЧ – сверхнизкой частоты (ниже 30 кгц). В настоящее время это наиболее популярная технология включающая в себя также и схемы НЧ – низкой частоты (30…300 кГц) .

Дискриминация

Поскольку сигнал принятый от любого металлического предмета проявит свой характерный фазовый сдвиг, то можно классифицировать различные типы объектов и различать их. Например, серебряная монетка дает значительно больший фазовый сдвиг, нежели алюминиевая пуговица, поэтому можно так настроить детектор, что он будет подавать звуковой сигнал в первом случае и молчать во втором, либо идентифицировать предмет на дисплее, либо отклонять стрелку микроамперметра. Процесс распознавания металлических объектов называется дискриминацией (распознаванием, разделением). Самая простая форма дискриминации позволяет прибору подавать звуковой сигнал когда рамкой проводят над объектом, фазовый сдвиг сигнала от которого превышает среднюю величину (настраиваемую). К сожалению, аппараты с таким типом дискриминатора не будут срабатывать на некоторые монеты и большую часть ювелирных изделий, если уровень дискриминация настроен достаточно высоко (для игнорирования обычного алюминиевого хлама типа пуговиц или крышечек от лекарств).

Более полезная схема – это так называемый дискриминатор с выделением диапазона (notch discriminator). Такого типа схемы реагируют на объекты в пределах определенного диапазона (например, диапазон »никелевые монетки и кольца«) и не будут реагировать на фазовые сдвиг сигнала выше этого диапазона (пуговицы, крышечки от лекарств) так и ниже него (железо, фольга). Более продвинутые детекторы этого типа можно настроить так, что для каждого из нескольких диапазонов он будет либо реагировать либо наоборот игнорировать сигналы фазового сдвига внутри него. Например прибор White's Spectrum XLT дает возможность программировать 191 вариант различных диапазонов.

Детекторы металлов могут быть оборудованы различными устройствами считывания информации: цифровой дисплей, индикация на стрелочном приборе, и другие, помогающие идентифицировать объект. Мы называем эту характеристику ВИД (визуальный индикатор дискриминации) и главная ее функция – дать оператору возможность принять информированное решение о том, стоит ли приниматься за раскопки, не полагаясь только на звуковой сигнал. Но большинство, если не все МД, оборудованые ВИД, имеют также и звуковую систему распознавания.

Тип металлического объекта можно предсказать по коэффициенту отношения его индуктивности к его собственной резистивности. При заданной частоте передатчика этот коэффициент можно вычислить по задержке (фазовый сдвиг) сигнала, приходящего от объекта. Электронная схема, называемая фазовым детектором, может измерить эту задержку фазы. Обычно используется два таких фазовых демодулятора, пиковые величины сигнала на которых они производят измерения, сдвинуты друг относительно друга на 1/4 длины волны передатчика или на 90 градусов. Мы называем эти два канала X и Y , соответственно. Третий демодулирующий канал, называемый G, может быть настроен так, что его отклик на любой сигнал с постоянным фазовым сдвигом относительно импульсов передатчика (например, почва) может быть уменьшен до нуля, невзирая на амплитуду этого сигнала. Это нужно для того, чтобы разделить две составляющие сигнала – отклика от почвы и от объекта , и определить наиболее вероятный тип объекта.

Некоторые МД используют микропроцессор для обработки этих трех каналов и определения наиболее вероятного типа обьекта. Соотношение показаний каналов X и Y, вне зависимости от значения канала G (), есть некоторое число. Мы можем найти это отношение с хорошим разрешением – лучше, чем 500 к 1 по всему диапазону встречающихся материалов, от феррита до чистого серебра. Сигнал от железных объектов чувствителен к ориентации, поэтому численная характеристика может сильно меняться, когда рамка движется над ними. Графические дисплеи, откладывающие отношение X/Y по горизонтальной оси, а амплитуду принятого сигнала по вертикальной, очень полезны для отбраковывания металлического мусора от более ценных предметов. Мы называем такой тип дисплея »сигмаграф« (SigmaGraph TM)(см.рисунок внизу)

Отстройка от грунта (ground balance)

Как прежде было сказано, большинство почв являются железосодержащими. Они также могут иметь свойства электропроводности из-за присутствия солей, растворенных в подпочвенной воде. Поэтому сигнал, получаемый МД от почвы может быть в 1000 раз сильнее сигнала от металлического предмета, зарытого в землю на достаточную глубину. К счастью, фазовый сдвиг принимаемого сигнала от почвы оста?тся достаточно постоянным в пределах некоторой площади поверхности Земли. Можно так сконструиировать детектор, что даже когда сигнал от земли сильно изменяется – например, при поднимании и опускании рамки, или при прохождении оператора по насыпи или над ямой, показания МД будут оставаться неизменными. Про такой МД говорят, что он »отстроен от земли«. Хорошая отстройка от земли делает возможным определить с большой точностью как расположение объекта, так и оценить глубину его залегания. Если вы выбираете режим »все металлы« – без дискриминации сигналов по фазовому сдвигу – хорошая отстройка от земли особенно важна.

В простейшей форме отстройка от земли выглядит так: оператор поднимает и опускает рамку металлоискателя, вращая ручку настройки и добиваясь равенства показаний индикатора. Хотя этот метод достаточно эффективен, он может показаться утомительным, а для некоторых пользователей и достаточно сложным. Более дорогие модели МД производят отстройку от земли автоматически, обычно в два приема: первый – с поднятой, а второй – с опущенной головкой. Самые »умные« приборы будут осуществлять подстройку постоянно, так, что вы даже не заметите этого при переходе с одного на другой тип почвы. Это так называемая »следящая отстройка от земли« ( tracking ground balance). Хорошие детекторы с такой функцией позволяют настроившись раз, провести весь оставшийся день в поисках без дополнительных подстроек. Но, предупреждаем: большинство МД, которые продаются под вывеской »автоматическая« или »следящая отстройка от земли«, на самом деле просто настроены производителем на некоторый фиксированный уровень баланса земли. Это слегка напоминает ситуацию, если бы вам приварили педаль газа электросваркой к полу автомобиля в положении »средний газ« и сообщили, что на ваш автомобиль установлена современная система »круиз-контроль«.

Динамические и Статические режимы (motion/ non-motion modes)

Хотя сигнал от земли может быть значительно сильнее сигнала от объекта, все же сигнал от земли стремиться оставаться неизменным или изменяться очень плавно во время движения рамкой. С другой стороны, сигнал от объекта возрастает резко до пикового значения и затем спадает в момент, когда рамка проходит над ним. Это открывает возможности использовать технику распознавания объекта не по амплитуде полученного сигнала, а по скорости его изменения. Такой режим работы МД называется »динамическим« (motion mode). Наиболее важный пример использования такого принципа – это динамическая дискриминация (motion discrimination). Если мы хотим выделить полезные сигналы, достаточные для идентификации объекта , недостаточно произвести только лишь отстройку от земли. Нужно посмотреть на объект под двумя различными углами, примерно так, как для определения расстояния мы решаем триангуляционную задачу, выбирая более чем одну точку наблюдения. Отстроившись от земли в одной точке, а в другой мы получаем некую комбинацию сигнала земли и объекта. И динамический режим используется для того, чтобы минимизировать этот остаточный сигнал от земли. В настоящее время все дискриминаторы и ВИД детекторы требуют для эффективного распознавания металлов постоянного передвижения рамки. Это не такой уж большая беда, поскольку в процессе поиска вс? равно нужно двигаться.

Если вы обнаружили объект в режиме динамической дискриминации, то, вероятно захотите поточнее определить его местоположение, чтобы не копать впустую. Если ваш детектор оборудован глубиномером, вы захотите измерить и глубину залегания. Для точного определения положения и глубины залегания используется режим »все металлы« (all metal mode). Дискриминация тут не нужна, соответственно и рамкой двигать не нужно, за исключением тех движений, которые выводят рамку на точно на центр объекта. Если выражаться точнее – не важна скорость, с которой вы перемещаете рамку в этом режиме. Поэтому режим »все металлы« часто называют »статическим« (non-motion mode) (а также »нормальным режимом« (normal mode) или »режимом постоянного тока« (D.C.mode)).

Есть несколько пунктов в рекламных буклетах приборов, которые могут сбить вас с толку. Некоторые МД снабжены функцией »автоподстройка порога срабатывания« АПС (SAT-self ajustment threshold), которая медленно увеличивает и уменьшает мощность аудио выхода, обеспечивая тихий, но различимый звук »порога«. Это позволяет сгладить изменения, вызванные переменой типа почвы или плохой отстройкой от земли. »Автоподстройка порога « может быть быстрой или медленной в зависимости типа детектора и его настройки, но честно говоря, АПС сильно смахивает на динамический режим работы. Поэтому вы можете прочитать рекламу о »детекторах которые имеют настоящий статический режим« (true non-motion mode), что по сути означает режим »все металлы« без автоподстройки порога. Другая вещь, которая может иногда сбить с толку: некоторые дискриминаторы позволяют так настроить порог, что дискриминатор начинает реагировать на все металлы. Другими словами – это дискриминатор который не дискриминирует. Это нечто отличное от описанного выше режима »все металлы«. Такой режим часто называется »нулевой диск« (Zero disk).

Микропроцессорное управление

Микропроцессор это сложная электронная схема, выполняющая все логические арифметические и управляющие функции, необходимые для построения компьютера. Последовательность инструкций, записанных в памяти процессора, называется программой и выполняется процессором последовательно, одна за одной, со скоростью до нескольких миллионов действий в секунду.

Использование микропроцессоров в современных МД открывает такие возможности, о которых несколько лет назад нельзя было и мечтать. В прошлом, добавление новых полезных функций в МД означало появление новых кнопок и переключателей. С какого-то момента размеры, стоимость и сложность управления таким прибором выходили за разумные рамки. Микропроцессор, жидко-кристаллический экран и простейшая клавиатура стали решением проблемы. Практически неограниченное число новых функций может быть встроено в прибор без изменения внешнего вида. Дополняется лишь встроенная система меню, и, следуя инструкциям на экране , практически любой человек может разобраться и настроить прибор в соответствии со своим желанием. Таким образом, один и тот же МД может быть настроен под любого оператора.

А что, если вы не хотите заниматься всеми этими настройками? Вот тут и проявляется вся гениальность микропроцессорного управления – вам и не нужно этого делать. При включении аппарата все параметры устанавливаются в некоторые заранее установленные величины, так что новичок или случайный пользователь может даже и не догадываться о всех дополнительных возможностях прибора. И что совсем замечательно – простым перебором меню вы можете выбрать режимы поиска монет, общего просмотра, археологического поиска, и т.д. – и микропроцессор выполнит все необходимые настройки, так как это было выверено многолетним опытом ветеранов поискового дела.

Добавим к этому, что мощная программная поддержка улучшила звуковые функции приборов для определения нужных металлов, а изображения на ЖК мониторе в различных формах ускоряют и упрощают работу оператора.

Вывод по СНЧ схемам

Хотя СНЧ приборы изготовляются уже более 10 лет, улучшения в производительности постоянно происходят. Появляются вс? более »умные» и простые в использовании приборы . Будьте уверены, что пока существуют ненайденные сокровища, разработка новых улучшеных приборов будет вестись, насколько совершенными не казались бы уже существующие.

ЗАПОМНИТЕ!

1. Вообще, при проведении испытаний на воздухе все металлоискатели, будь то дешевые или дорогие, обнаруживают монету, скажем 5 коп, на расстоянии 25-40 см. Не существует индукционных металлоискателей, которые могли бы на воздухе почувствовать такую монету на расстоянии глубже 50 см.
2. С увеличением размера объекта увеличивается и расстояние, на котором он определяется. Чайник, к примеру, можно почувствовать на расстоянии 50-80 см. Здесь уже начинает сказываться качество прибора. Чем лучше (дороже) металлоискатель, тем на большем расстоянии он определяет более крупные объекты. Но все равно все имеет пределы и даже самые лучшие приборы не могут почувствовать 20-литровую канистру более чем на 2 м на воздухе. Когда предмет находится в земле, условия его отыскания в большинстве грунтов ухудшаются. На некоторых грунтах монету (те же 5 коп.) иногда нельзя обнаружить, даже если она просто лежит на поверхности.
3. Металлоискатели не начального уровня мало отличаются по чувствительности, отличие сводится к уровню распознавания объектов, качеству отстройки от грунта и удобстве в эксплуатации.
4. Многие приборы (более дорогие) позволяют в значительной мере отстроиться от влияния грунта, однако глубина обнаружения будет меньше, чем на воздухе. Сильно мешают при поиске некоторые минералы грунта, распространенные в местах нахождения золотых самородков – магнетит, халькопирит и др., которые дают ложные сигналы (как от металла), сильно снижая таким образом эффективность поиска. Импульсные металлоискатели в меньшей степени подвержены влиянию минералов грунта. Глубина их действия в земле и соленой воде больше по сравнению с наиболее распространенными VLF-металлоискателями и сравнима с расстоянием обнаружения такого же объекта на воздухе. В зависимости от минерализации почвы и наличии в ней проводящих объектов, глубина обнаружения может сильно меняться, особенно в любительских приборах. Чем прибор совершеннее, тем лучше в нем компенсируется вредное влияние грунта.
5. Увеличение размера катушки увеличивает глубину обнаружения крупных предметов (на 10-30%), для мелких монет (1 коп.) глубина практически не увеличивается. Большие катушки ухудшают точность обнаружения, но увеличивают площадь захвата и скорость поиска. Максимальная глубина поиска грунтовым металлоискателем (металлическая пластина 2x2м.) не может превышать 200см. Глубинные металлоискатели с разнесенными катушками или с рамкой 1x1м. способны обнаружить такую пластину на глубине до 450см. Использование рамки 2x2м. на максимальную глубину не проверялось.
6. При использовании дискриминации глубина обнаружения как правило теряется на 10-15%.
7. Большинство металлодетекторов работает на одной частоте от 5 до 60 кГц. Высокая частота (60 кГц) позволяет улавливать мелкие предметы (2-5 мм), что целесообразно при поиске золота. Однако высокочастотный сигнал быстрее затухает в почве, поэтому глубина обнаружения предметов несколько меньше. Низкая частота прибора (5 кГц) хуже выявляет мелкие предметы, но зато электромагнитные волны проникают глубже в почву и поэтому глубина обнаружения предметов выше.
8. Наконец, существуют приборы с разнесенными катушками (металлоискатели TM 808, Gemini-3, GTI 2500 с умножителем глубины и др.), глубина действия которых на крупных объектах достигает в зависимости от типа грунта от 1 до 6 м. Преимущество таких металлоискателей в том, что они не реагируют на мелкие объекты размером с монету: пробки, гвозди, куски фольги, составляющие металлический мусор. А есть рамочные металлоискатели, способные обнаружить очень крупный предмет на глубине до 12 метров с очень большой поисковой рамкой – от 2 м.
9. В общем, отсечение прибором металлов происходит в корреляции с следующей последовательностью (соответственно как и последовательность расположения их на шкале дискриминации):

Bi висмут – 1
Zr цирконий – 2
Ti титан – 2
Pb свинец – 5 (определяется выше на шкале дискриминации – около цинка)
Cr хром – 7
Sn олово> – 9
Pt платина – 9
Ni никель - 13
Co кобальт – 15
Zn цинк – 16
Al алюминий – 38 (разный мусор – язычки от баночек, пробки, фолга могут определяться сразу после никеля)

Au золото – 44 (украшения, изделия, мелкие самородки могут определяться сразу после никеля вместе с алюминием)

Cu медь – 59

Ag серебро – 62

10. Только опыт может пролить свет на все хитрости «Различия металлов». Так, например, большие объекты из железа (особенно ржавые) часто идентифицируются прибором как цветной металл, что связано с аномальными магнитными свойствами этого металла. В этом случае определяют площадь поверхности объекта по распределению сигнала (если большая – то скорее всего железо) и/или игнорируют такие объекты путем анализа данных профессиональных приборов (Explorer, GTI 2500 и др.), также порой помогает поднятие поискового датчика более высоко над целью. Золотые украшения и алюминиевый мусор, схожие по структуре, определяются в середине шкалы дискриминации, тогда как цельные изделия (монета) из этих металлов будут обнаруживаться намного выше на шкале дискриминации.