История металлоискателей
Сегодня современные металлоискатели способны делать практически всё, кроме откапывания обнаруженного предмета. Они могут искать объект, определять точное место его залегания, примерно указать его размер, форму и глубину, на которой он залегает, а так же сообщать оператору, стоит ли находку выкапывать. Некоторые из таких объектов распознаются самим оператором, который работает более эффективнее со своим детектором, изучая и анализируя аудио информацию и показания индикатора. Какие приборы будут разработаны завтра, можно только догадываться, но это точно будут новые и улучшенные устройства. Как увлекательно думать об этом! В самом начале эры использования металлодетекторов они применялись преимущественно для обнаружения ценных металлов.
Как только окончилась вторая мировая Война, металлодетекторы стали использоваться в большей степени для поиска ценностей другого вида. По прошествии времени использование металлодетекторов расширилось в других областях, включающих поиск монет, реликвий, сокровищ, золота и других ценных металлов.
Применение металлодетекторов для обеспечения правопорядка и безопасности имеет довольно длительную историю. Имеются документально подтверждённые случаи, когда приборы для поиска металлических объектов были использованы стражами правопорядка на месте преступления, а так же при проведении расследования. Арочные и обычные металлодетекторы используются сегодня всё чаще на фабриках и заводах для предотвращения краж продукции так называемыми "несунами", а так же применяются в местах повышенного скопления народа - на вокзалах, в аэропортах, в супермаркетах, для обеспечения безопасности людей и противодействию терроризму.
В наши дни область применения металлодетекторов постоянно расширяется. Новые модели металлодетекторов привлекают к себе внимание по всему миру, в основном за счёт применения новых технологий, а так же благодаря высоким параметрам. В настоящее время металлодетекторы практически в каждой стране стали неотъемлемой частью нашей жизни.
В древних Китайских документах были найдены свидетельства того, что металлодетекторы использовались за двести с лишнем лет до нашей эры, то есть ранее 200 года до н.э. У Китайского императора имелась специальная арка в дверном проёме, работающая как детектор металла и предназначенная для защиты от потенциальных ассасинов. Императорские умельцы создали каркас этой арки из магнитного минерала - магнетита, по-видимому форма каркаса напоминала подковообразный магнит. Используя нагрев и ковку магнетита кувалдами, удалось создать устройство, способное притягивать металл. Из-за нагревания и разковки металла молекулы выстраиваются по направлению магнитного поля Земли.
Если кто-то попытается скрытно пронести какой-либо металлический предмет типа холодного оружия, например, меч или кинжал, то эти предметы притянутся аркой и нарушителя быстро задержат.
В 1881 году изобретатель телефона Александр Белл работал над электрическими индукционными приборами для обнаружения металлов. В это же время было произведено покушение на президента США Джеймса Гарфилда, во время которого он был смертельно ранен. Одна пуля зацепила его руку, а вторая засела в спине. После ряда неудачных попыток обнаружить точное местонахождение пули и в связи с ухудшением самочувствия президента его доктора обратились за помощью к Александру Беллу, прося его принести свой металлодетектор в Белый Дом.
Свидетельства о последующих событиях разнятся, по одной версии у Белла не было достаточно времени для усовершенствования своего инструмента, которым можно было бы обнаружить пулю. По другой версии Белл пробовал обнаружить местоположение пули, но у него ничего не вышло. Двадцатый президент США Джеймс Гарфилд скончался.
В 1890 году был проведён ряд исследований по поиску сульфидов (это соединения металлов с серой) используя их свойства электрической проводимости. Здесь применялся телеграфный приёмник, включённый последовательно с батареей питания и проволочной щёткой. Один контакт цепи был заземлён, а другим контактом являлась проволочная щётка, которую тащили по поверхности земли. Цепь замыкалась тогда, когда щётка касалась сульфидов, что индицировалось щелчком в приёмнике.
Этот способ поиска минералов имел ограниченное применение, так как он работал только при наличии открытой минерализованной поверхности. Исследования способов обнаружения металлов продолжались дальше, среди них был использован измерительный мост Чарьза Витстона для измерения сопротивлений. В этом случае так же определяющим фактором являлась проводимость, которую можно было косвенно рассчитать между двумя точками земной поверхности, используя измерение сопротивления. Этот метод так же оказался неудобным для практического применения.
Значительное внимание было уделено другому методу измерения проводимости земной поверхности. Так как электрические токи, протекающие через землю, создают электрический потенциал, то если их измерить, используя специальные щупы с постоянным расстоянием между ними и гальванометр, и по результатам измерений построить график, в этом случае наличие в почве руды или каких-нибудь других больших проводящих объектов будет обнаружено по всплескам на графике. Реализацию такого метода в современном исполнении можно посмотреть на примере прибора для измерения сопротивления почвы.
Хотя этот метод был довольно успешным, но в нём было много непостоянных факторов влияния. Кроме того, из-за наличия грунтовых вод, областей почвы с переменной влажностью и других причин, повышающих электронную проводимость почвы, показания прибора могли вводить оператора в заблуждение. Так же в некоторых случаях невозможность отыскать руду таким прибором вовсе не означала её отсутствие в земле. В условиях окисления вокруг сульфидных руд формируются почти идеальный изолятор, сопротивление которого препятствует проведению точных измерений.
В те давние годы был разработан метод, наиболее близкий к тому, что используют современные детекторы. С помощью этого метода измерялись искажения магнитных полей, генерируемых электрическим проводником с очень низким сопротивлением, проходящем в земле, например, рудным телом. Поскольку этот метод не требовал использования каких-либо электрических контактов между землёй и рудой, то его применение позволяло избежать проблем, вызванных влагой и другими похожими факторами. Этот способ был ограничен только небольшим расстоянием, на котором интенсивность магнитного поля была достаточной для работы.
Другим перспективным методом был метод индуктивного баланса, применение которого позволяет обнаружить наличие золота так же легко, как и наличие сульфидов или других полезных ископаемых. Главная проблема при реализации этого метода заключается в получении необходимой глубины обнаружения объектов.
Идея обнаружения рудных тел электромагнитным способом возможно была впервые рассмотрена доктором Даниэлем Чилсоном в 1904 году в штате Невада. Ранние эксперименты по исследованиям проводимости почвы, воды и других веществ показали, что сульфиды (вид серы, имеющей электропроводность) были лучшими проводниками. В 1909 году доктор Чилсон, экспериментируя с короткими волнами, обратился к известному способу приёма-передачи.
В 1925 году была разработана электронная проходная, позволявшая сократить на заводах постоянно растущее количество краж инструментов и продукции. Принцип работы этой проходной основывался на использовании электромагнитных волн. Разработано это оригинальное устройство было двумя германскими физиками, доктором Джеффакеном и доктором Рихтером из Лейпцига. Их работу продолжили братья Ветцель из того же города.
Электронная проходная работала следующим образом: генерировалось электромагнитное поле, протекающее через арку. Если кто-нибудь пытался пройти с металлическим предметом через эту проходную, то в электромагнитном поле возникал всплеск, который и обнаруживался схемой, включающей сигнал тревоги. Эта электронная проходная была предшественницей современных рамочных металлодетекторов, имела возможность регулировки чувствительности, что позволяло так настроить систему, что бы исключить срабатывания на мелкие металлические предметы типа ключей и наручных часов, обнаруживая при этом только крупные объекты. Для персонального обыска подозрительных лиц, вызвавших сигнал тревоги при прохождении электронной проходной, использовалась отдельная небольшая поисковая катушка. Чувствительность этой катушки регулировалась так, что бы она не реагировала на мелкие объекты типа монет в карманах.
Схема металлоискателя из патента США US1679339 от 1924 года.
Передающая катушка 6, намотанная на каркасе с металлическим сердечником 5, подключена к батарее 8 последовательно с прерывателем (10...13), так что катушка 6 периодически коммутируется к батарее с частотой несколько сот Герц, создавая вокруг переменное электрическое поле. Ось передающей катушки 6 точно совпадает с плоскостью приёмной катушки 18, к выводам которой подключены головные телефоны 19. Расположение катушек должно быть точно отрегулировано таким образом, что бы при отсутствии поблизости металлических объектов в наушниках не было бы слышно звука и система была бы сбалансирована. Если теперь в поле катушки 6 попадёт какой-либо металлический объект, то баланс нарушится, и в катушке 18 наведётся сигнал переменного тока, который можно будет обнаружить по звуку в наушниках.
Рассмотрим более подробно принцип действия этого металлодетектора. Стоит отметить, что прерыватель в схеме использовался исключительно потому, что в то время создание переменного электромагнитного поля с помощью генератора на вакуумной лампе было бы затруднительно, так как тогда лампы стоили довольно дорого и были недолговечны. К тому же схема получилась бы относительно сложной и для её питания потребовалась бы ещё и громоздкая дорогая анодная батарея.
Как вообще работает индукционно-балансный металлодетектор? Разберём это на примере.
Если взять две катушки индуктивности, направление намоток которых совпадают, одну катушку запитать синусоидальным напряжением (передающая катушка - на рисунках изображена красным цветом), а с выводов второй катушки (приёмная катушка - на рисунках изображена синим цветом) снимать сигнал, то результат на выходе будет зависеть от относительного положения одной катушки относительно другой. Итак, первый случай - передающая и приёмная катушки лежат на одной оси и в одной плоскости:
На выходе приёмной катушки амплитуда сигнала будет чуть меньше входного, фазы сигнала на входе и на выходе совпадают - фактически это обычный трансформатор, только без сердечника.
Если расположить одну катушку рядом с другой, как показано на нижнем рисунке, то правая часть витков передающей катушки наведёт в левой части приёмной катушки ток, так что на её выходе напряжение будет противофазно входному, а его амплитуда будет меньше, так как у обоих катушек только небольшие площади проводников взаимодействуют между собой:
Итак, при перемещении передающей катушки за пределы приёмной на выходе поменялась фаза сигнала и его амплитуда. Но фаза резко поменяться не может. Это значит, что существует такое геометрическое положение катушек одна относительно другой, когда на выходе приёмной катушки будет отсутствовать всякий сигнал (либо он будет ничтожно мал):
В данном случае на приёмную катушку наводятся токи разных направлений, которые в ней взаимно компенсируются. Если теперь в магнитное поле попадёт какой-либо предмет, то он исказит магнитное поле, и на выводах приёмной катушки появится сигнал разбаланса. Аналогичный принцип работы лежит в основе металлоискателя из патента US1679339, только катушки расположены несколько иначе - их оси перпендикулярны, ось передающей катушки лежит в плоскости приёмной:
В наше время способ индуктивного баланса широко применяется в современных металлоискателях, к примеру на его принципе работает металлодетектор "Магнум".
Примерно в то же время Ширл Херр был признан изобретателем принципа магнитного баланса (патент США US1679339). Устройство, использующее этот принцип работы, способно обнаруживать минералы и металлы, лежащие под землёй. В 1927 году был изобретён искровой металлодетектор, фотография которого появилась в журнале "Популярная механика" за сентябрь 1930 года (стр. 34):
|
Любительский прибор для поиска сокровищ. Вы можете приобрести набор для самостоятельной сборки этого устройства - "радио изыскателя", позволяющего найти серебряный доллар, закопанный на глубину нескольких дюймов под землёй. Когда металл оказывается поблизости от датчика, то в наушниках слышен жужжащий звук. |
Как видно из фотографии, это индукционный балансный двухкатушечный металлодетектор типа приём-передача. Наборы для его сборки продавались довольно неплохо. С начала 1930-х годов до Второй мировой войны начали производство металлодетекторов, принцип действия которых основывался на разных принципах. Во время войны интерес к металлоискателям возрос, что было связано в основном с возможностью обнаружения мин и неразорвавшихся снарядов, это привело к быстрому росту технологии металлообнаружения.
К концу войны тысячи металлодетекторов были доступны на распродажах, так как они уже устарели и стали ненужными армии. Эти приборы хорошо раскупались бывшими военными, которые были обучены использованию металодетекторов. Они быстро поняли ценность этих устройств для поиска спрятанных сокровищ. С начала 1950-х годов несколько компаний стали производить металлодетекторы на лампах и транзисторах. Так как распространение транзисторов позволяло изготавливать простые и лёгкие приборы, то к началу 1960-х производство металлодетекторов на вакуумных лампах было прекращено. Где-то к концу 1960-х - началу 1970-х годов интерес к металлодетекторам значительно вырос благодаря существенному прогрессу в развитии направления металлодетекции. в тот период были разработаны высокостабильные и очень чувствительные приборы, позволяющие отсеивать ненужные объекты и не реагирующие на минерализацию земли.
В 1980-х годах появились приборы, способные анализировать обнаруженный объект, и с каждым годом точность анализирования возрастала. Применение микропроцессоров и цифровой обработки сигнала позволило сделать гигантский скачок в области обработки информации. Патент фирмы "Гаррет электроникс" US4709213, выданный фирме в 1987 году, описывает первый металлоискатель с микропроцессорной технологией. Компании потребовалось 10 лет для конструирования и полевых испытаний первого образца микропроцессорного металлодетектора, прежде чем он попал на рынок, где и был восторженно встречен.
Читайте также другую статью об истории металлодетекторов