Структурная схема МСО

5. Структурная схема МСО

Рассмотрим структурную схему МСО на примере СОМ.

Наиболее распространенным ЧЭ СОМ является катушка индуктивности. Типичное значение сигнала, снимаемого с ЧЭ, - порядка десятков микровольт в полосе частот от 0,1 до 10 Гц.

Выбор полосы не случаен. Выше было отмечено, что главное назначение МСО - поиск оружия. В подавляющем большинстве случаев СО применяют для негласного контроля за пересечением вооруженными людьми контролируемой зоны.

Движение с оружием совершается в определенном диапазоне скоростей и с интервалом не менее 1 м. Кроме того, при ходьбе оружие совершает еще и колебательные движения. Другими словами, границы полосы пропускания с учетом только скоростей движения и интервала: F_H=0,5 Гц; F„=2 Гц.

Очевидный запас по границам частотного диапазона необходим для более надежной работы МСО, что подтверждается практикой.

Назначение полосового фильтра ПФ - формирование заданной полосы частот. Одним из важных параметров является крутизна спада характеристики фильтра вне полосы пропускания. Обычно эта величина составляет не менее 40 децибел на октаву, т.е. при изменении частоты вне полосы пропускания в 10 раз сигнал на выходе ПФ уменьшается в 100 раз.

Назначение УНЧ - усиление сигнала, снимаемого с выхода ПФ, до величины, достаточной для надежной работы ПУ. Обычно эту величину принимают равной не менее 1 В. Таким образом, коэффициент усиления УНЧ должен быть порядка 10⁵ раз.

Назначение ПУ - выдача сигнала логического уровня при достижении полезным сигналом уровня срабатывания ПУ.

Назначение ИУ - выдача сигнала "Тревога" при поступлении на его вход с выхода ПУ логического сигнала соответствующего уровня.

6. Основы теории разработки магнитометрического средства обнаружения

Как было сказано ранее, магнитометрические средства обнаружения применяют для выявления факта проноса на охраняемую территорию предметов с магнитными свойствами. В основу построения МСО могут быть положены три группы методов:

- с использованием феррозондов;

- с использованием пассивных катушек;

- квантовые измерители индукции.

В связи с тем, что феррозонды получают все более широкое применение при разработке МСО, рассмотрим теоретические основы этого метода.

Феррозондом называется устройство, чувствительное к внешним магнитным полям, главным образом постоянным и медленно изменяющимся, содержащее ферромагнитные сердечники и обмотки, распределенные по их длине.

От пассивных индукционных датчиков и ферритовых антенн феррозонды отличаются тем, что являются устройствами активного типа. Происходящие в них процессы всегда связаны с существованием двух полей - внешнего измеряемого поля и некоторого вспомогательного поля, образуемого за счет тока, протекающего в одной из его обмоток. Взаимодействие этих полей в объеме сердечников, изготавливаемых из легко насыщающихся магнитных материалов, например пермаллоя, приводит к появлению в другой обмотке электродвижущей силы, по величине которой и судят о напряженности внешнего поля.

По принципу действия феррозонды наиболее близки к магнитным усилителям. По существу они и являются магнитными усилителями, у которых управляющая электрическая цепь заменена разомкнутой магнитной цепью.

Существует довольно много типов и модификаций феррозондов. Все они отличаются друг от друга режимом работы, способом наложения вспомогательного поля, выбранной схемой и конструктивным исполнением. Эти отличия оказываются более или менее существенными в зависимости от диапазона и частотного спектра измеряемых полей, условий, в которых проводятся измерения, особенностей преобразования полезного сигнала в измерительной схеме. Однако феррозондам присущи и некоторые общие свойства.

Рассмотрим эти свойства на примере дифференциального феррозонда.

Дифференциальный феррозонд содержит два одинаковых пермаллоевых сердечника, выполненных в виде тонких стержней прямоугольного сечения, уложенных в специальные каркасы параллельно друг другу. Поверх каркасов нанесены первичные обмотки, включенные последовательно и образующие цепь возбуждения феррозонда. Эту цепь питают переменным током звуковой частоты. Кроме первичных обмоток имеется также общая вторичная обмотка, которая вместе с подключаемым к ней индикаторным прибором образует измерительную цепь.

В дифференциальном феррозонде первичные обмотки соединены таким образом, что протекающий в них ток i создает в объеме сердечников поля напряженности, равные по величине, но противоположные по направлению. При наличии внешнего поля Н₀, направленного вдоль сердечников, в объеме одного из них действует разность напряженностей, в объеме другого - сумма.

Если сердечники идентичны, то можно записать:

где В' и 6'- индукции или плотности магнитных потоков в сердечниках.

ЭДС во вторичной обмотке, охватывающей оба сердечника,

где s - поперечное сечение сердечников; w₂ - количество витков

вторичной обмотки и t - время.

Появление ЭДС во вторичной обмотке дифференциального феррозонда с идентичными сердечниками принципиально возможно лишь при нелинейности характеристик B=f.

Действительно, предположив обратное и введя для каждого сердечника постоянные и одинаковые коэффициенты fx_a=BIH, имеющие размерность абсолютной магнитной проницаемости, получим:

Последнее выражение совпадает с известной формулой для выходной ЭДС пассивных индукционных датчиков; при Н₀ = const оно становится равным нулю.

Аппроксимируем теперь характеристики B=f укороченным полиномом третьей степени:

где а и b - коэффициенты аппроксимации, зависящие от материала и формы сердечников.

Эта аппроксимация весьма приближенна. Однако, отличаясь простотой, она оказывается полезной для качественного описания процессов и явлений в ферромагнитных цепях. В соответствии с

Допустим, чтои Н = const. Тогда

гдеf - частота вспомогательного поля; Н - амплитуда этого поля.

Таким образом, в отличие от пассивных индукционных датчиков ЭДС в феррозонде появляется при наличии постоянного поля и оказывается пропорциональной этому полю.

Из выражения следует также, что выходная ЭДС имеет удвоенную частоту. Работа на удвоенной частоте типична для феррозондов. Однако принципиально дифференциальный феррозонд может работать и на основной частоте.

Пусть ток возбуждения дифференциального феррозонда, кроме переменной составляющей, содержит также и постоянную. Тогда можно записать:

где Н₂ = const. Произведя необходимую подстановку в, взамен получаем:

где С - постоянная составляющая индукции. После дифференцирования в соответствии с имеем:

т.е. в составе ЭДС появилась первая гармоника, величина которой также пропорциональна внешнему полю.

Заметим, что приведенное ранее выражение является частным случаем. Последнее переходит в при Н₂ = 0.

Выражения и получены в предположении строгой идентичности и сердечников, и первичных обмоток феррозонда. Однако на практике сердечники и обмотки могут быть подобраны лишь с определенной точностью. В результате этого во вторичной обмотке появляется дополнительная ЭДС, которая не связана или почти не связана с наличием внешнего поля. Эту дополнительную ЭДС мы будем называть помехой и обозначать индексом N. Полезную же ЭДС будем обозначать индексом S.

Найдем спектр помехи. Для этого воспользуемся выражением, выбрав из него попарные члены с разными знаками.

Введем обозначения:

.

Тогда

где C_N - постоянная составляющая помехи. Подставив это выражение в, получим

Теперь можно написать выражение для суммарной ЭДС, появляющейся во вторичной обмотке феррозонда. Допустим, что в

Тогда

и при Н₂ = 0

Сравнивая с, нетрудно установить, что режим работы феррозонда, характеризующийся наличием постоянной составляющей в токе возбуждения, менее благоприятен. В этом случае информацию о внешнем поле Н₀ несет не только вторая, но и первая гармоника. Однако обе эти гармоники содержатся и в спектре помехи. Поэтому независимо от того, какую гармонику мы будем выделять, используя частотную фильтрацию, добиться существенного улучшения отношения сигнал/помеха в данном случае не удается. Величина помехи не остается постоянной, так как коэффициенты s_a, е_ь оказываются зависимыми от таких внешних факторов как температура окружающей среды, вибрация и т.п. Когда же постоянная составляющая в токе возбуждения отсутствует, информацию о внешнем поле несет главным образом вторая гармоника, причем спектр помехи содержит лишь первую и третью гармоники. Следовательно, выделив из общего спектра выходной ЭДС феррозонда вторую гармонику, мы можем резко улучшить соотношение сигнал/помеха.

Феррозонды с дополнительным постоянным подмагничиванием оказались пригодными лишь для измерения относительно сильных магнитных полей, а феррозонды без начального подмагничива-ния с выходом на удвоенной частоте применяются для измерения слабых магнитных полей или малых приращений поля. Типичные схемы, соответствующие использованию этих двух режимов работы феррозонда, изображены на рис. 5.

Возможность выделения той или иной гармоники позволяет говорить о соответствующих коэффициентах преобразования или чувствительностях феррозонда. В общем случае имеем:

где- чувствительность феррозонда по n-ой гармонике; - амплитуда п-й гармоники полезной ЭДС.

На начальных участках зависимость, как правило,

линейна. Поэтому для слабых полей взамен получим

Отсюда с учетом следует, что чувствительность феррозонда пропорциональна коэффициенту аппроксимации Ь, характеризующему магнитные свойства сердечников, поперечному сечению сердечников, числу витков вторичной обмотки, частоте и амплитуде вспомогательного поля. Видно также, что чувствительность по первой и второй гармоникам различна, в частности, чувствительность по первой гармонике зависит от величины дополнительного поля

Возможность работы на той или иной гармонике позволяет также говорить и о соответствующих порогах чувствительности феррозонда. Под порогом чувствительности обычно понимают то наименьшее значение измеряемой величины, которое способно вызвать заметное изменение выходного параметра прибора или устройства.

В феррозонде это наименьшее значение определяется уровнем помехи. Поэтому можно записать:

где- амплитуда n-й гармоники ЭДС помехи,- чувствительность по п-й гармонике; р_п - порог чувствительности.

Заметим, что порог чувствительности феррозонда выражается в единицах поля.

Часто пользуются также величиной

где- амплитуда суммарной ЭДС помехи.

Величина q оказывается полезной для оценки качества феррозонда. Однако ее не следует путать с величиной Р_п. Например,

при работе феррозонда на удвоенной частоте величина q характеризует лишь степень неидентичности его сердечников и обмоток. Эта величина может быть на несколько порядков больше величины Р₂.

Экспериментально чувствительность и порог чувствительности могут быть определены благодаря наложению на феррозонд поля, напряженность которого заранее известна. Это поле обычно создается с помощью калиброванных катушек или колец Гельмгольца. Контрольно-измерительный комплекс, используемый для определения указанных параметров феррозонда, показан на рис. 6.

Испытуемый феррозонд устанавливают в центре колец Гельмгольца таким образом, чтобы его продольная ось совпала с осью колец. К обмотке возбуждения подключают генератор синусоидального напряжения. При оценке чувствительности по первой гармонике в эту же обмотку подают ток смещения, создающий в объеме сердечников дополнительное постоянное поле. Выходную обмотку феррозонда подключают ко входу анализатора гармоник и ламповому милливольтметру. С помощью анализатора выделяют нужную гармонику выходного напряжения. Затем кольца вместе с закрепленным в них феррозондом ориентируют таким образом, чтобы продольная ось феррозонда оказалась перпендикулярной вектору геомагнитного поля.

О перпендикулярности судят по минимуму показаний милливольтметра анализатора и лампового милливольтметра. Показание первого соответствует величине E_nN, показание второго - E_N.

В кольца подают ток, измеряемый миллиамперметром. Если постоянная колец известна, то становится известным и поле, создаваемое в объеме феррозонда. При наличии поля милливольтметр анализатора измерит величину Ј_nS. Зная напряженность поля, создаваемую

кольцами, и располагая значениями E_nS, E_nN и £ можно оценить

чувствительность, порог чувствительности и качество изготовления феррозонда.

Особенности экспериментальной оценки указанных параметров свидетельствуют о том, что феррозонд по существу является относительным индикатором поля. Действительно, чувствительность феррозонда определяют в известном поле, созданном, например, с помощью колец Гельмгольца. Об измеренном же значении поля судят по выходной ЭДС и чувствительности феррозонда. Следовательно, измеренные значения есть результат сравнения напряженности внешнего поля с величиной того же наименования.

До сих пор мы предполагали, что внешнее поле направлено вдоль сердечников, параллельно продольной оси феррозонда. Однако это всего лишь частный случай взаимного расположения вектора внешнего поля и продольной оси феррозонда. Касаясь экспериментальной оценки чувствительности феррозонда, мы уже говорили о перпендикулярности его оси вектору геомагнитного поля. По достижении перпендикулярности наблюдался минимум выходной ЭДС феррозонда. Изменение амплитуды выходной ЭДС в зависимости от ориентации феррозонда в поле свидетельствует о присущем ему свойстве направленности.

Диаграммы направленности феррозонда в геомагнитном поле в двух различных плоскостях изображены на рис. 7. Видно, что они представляют собой правильные "восьмерки". Максимумы диаграмм соответствуют направлению продольной оси феррозонда, минимумы - направлению, перпендикулярному этой оси. Подобные диаграммы могут иметь место лишь при косинусоидальной зависи

мости амплитуды выходной ЭДС от угла между продольной осью феррозонда и вектором внешнего поля. Поэтому можно записать:

где i - единичный вектор, совпадающий с направлением продольной оси феррозонда; Н - вектор внешнего поля.

Если допустить, что Н cos а = Н где а - угол между векторами i и Н, то все приведенные ранее выражения остаются в силе, хотя и с оговоркой, что Н есть не что иное, как продольный компонент поля.

Свойство направленности феррозондов позволяет использовать их для измерения компонентов поля и углов.

Чувствительность феррозонда к углу может быть получена путем дифференцирования по:

где j - единичный вектор, совпадающий с нормалью к плоскости, образованной векторами Н и i.

Из, в частности, следует, что наибольшая чувствительность феррозонда к угловым перемещениям наблюдается

в том случае, когда векторы Н и i взаимно перпендикулярны. Это обстоятельство учитывается при построении следящих систем, в которых феррозонды используются в качестве датчиков угла рассогласования.

Подводя итог, перечислим основные, учитываемые при разработке СО, свойства феррозонда:

1. Феррозонд является датчиком активного типа, преобразующим действующую на него напряженность внешнего постоянного поля в ЭДС, кратную по частоте питающему его переменному току. Преобразование оказывается возможным благодаря нелинейности магнитных характеристик его сердечников.

2. В зависимости от выбранного режима работы феррозонда информацию о внешнем поле могут нести первая или вторая гармоники его выходной ЭДС Использование второй гармоники выходной ЭДС предпочтительнее, поскольку позволяет улучшить соотношение сигнал/помеха и создать высокочувствительные измерительные устройства.

К этому следует добавить, что феррозонд является наиболее надежным и помехоустойчивым датчиком магнитного поля. При малой потребляемой мощности он отличается высоким коэффициентом полезного действия. Феррозонд имеет незначительные габариты и массу, прост в изготовлении.

Выводы

1. По физическим принципам действия МСО можно разделить на следующие виды:

- с использованием эффекта переизлучения сигнала;

- с использованием эффекта биения частоты;

- с использованием эффекта самоиндукции;

- с использованием эффекта локального искажения магнитного поля Земли.

По уровню излучения МСО делятся на активные и пассивные. К активным МСО можно отнести СОП, СОБ, СОИН и СОИМ, к пассивным - СОМ.

3. Наиболее помехоустойчивыми, как правило, являются активные МСО.

4. Главное назначение МСО - поиск оружия. На практике наиболее часто для этого используется СОМ, как пассивное и легко камуфлируемое средство.