Схемы металлоискателей MD4U

Хочу промоделировать на МатЛаб различные устройства IB датчиков с целью их сравнения. С этой целью собираю коллекцию датчиков, принципиально различающихся по топологии катушек.

В коллекции уже есть:

0. Кольцевая без компенсации;
1. Концентрический датчик с Cx;
2. Омега;
3. DD катушка;
4. Супер DD;
5. БигФут;
...

Пока без феррита, так как с его физикой пока не разобрался.
Темы, где уже строили графики, видел, но там не со всем можно согласиться.
Поэтому воспроизвожу расчеты заново с нуля.

"Паук" (на фото); ещё болгары упоминают датчик "Рыбка" (что-то типа асечного "лаптя" - овал в овале, у нас его делают ещё уже и зовут "Лодочка"); ещё бывают датчики-одороблы типа "Ж@па" (Нексус) - два кольца, сведённые, как DD У DD разновидностей много - и два овала, и "бабочка", - букву D гнут, кто как хочет.

Спасибо, названия погуглю, но интересно знать как у них внутри лежат катушки.

Разновидностей DD я знаю, что много, я хочу сначала с типом определиться, чтобы потом внутри типа лучшую конфигурацию искать.

Из того, что уже посчитал, сделал вывод, что DD не имеет бОльшей ширины сканирования (вопреки распространенному мнению) и никакого узконаправленного конуса у круглой катушки нет. Там, скорее, перевернутый купол. У DD направленность похожа на веер. Развернутый плоскостью поперек махов. Поэтому сигналы звучат отрывистей и пространственная различимость лучше.

Выраженного конуса нет, поэтому поднимать круглую катушку над землей, чтобы получить короткий сигнал или точнее определить цель смысла нет. Диаграмма круглой катушки похожа на столб с закругленным концом диаметром с размер катушки. Наверное, поэтому маленькая катушка и считается "снайперкой". Потому, что в ее "свет" меньше целей одновременно попадает за счет более узкого луча.

Это все для меня интересно, много нового для практики поиска из этого узнал и хочу другие катушки хотя бы теоретически поизучать. А вдруг есть какая-то новая экзотическая форма, которую можно применить?

Скалярное произведение векторов магнитной индукции полей ТХ и RX (CX - добавляется как векторная сумма к ТХ или RX. Тут интересен датчик кольцо (ТХ+СX) * RX у которого минимум чувствительности к целям лежит в плоскости датчика, а следовательно нарастает с удалением от этой плоскости, т е. имеет пониженную чувствительность к неравномерности поверхности грунта. )
Конуса, конечно же нет, но есть заостренный максимум чувствительности по дальности удаленной цели, когда вектора ТХ и RX имеют максимальное совпадение по направлению и величине.

ДД бывают разные Круглая, эллипс, SEF, и два кольца как у NEXUS. И зависимость глубины сканирования у них такая как на рисунке. На рисунке два крайних варианта. Конусов здесь нет.

Предлагаю провести мысленный эксперимент:

Берем лист пенопласта 20х20 см, в него втыкаем деревянные шпажки для шашлыка с интервалом 0,25 см.
Снизу кладем круглую катушку диаметром 10 см.
Далее надеваем на одну шпажку медную гайку и начинаем двигать ее вниз, пока прибор не запищит.
Если он может работать в статике.
Если не может, то потребуется еще как-то колебать катушку в горизонтальной плоскости.
Когда прибор запищит, обламываем шпажку в этом месте.
И переходим к следующей.
Собственно, мои расчеты и есть имитация такого эксперимента.

В итоге получим "ежика", высота игл которого будет соответствовать глубине обнаружения цели в этом месте.
Если его перевернуть и вдавить в мягкий грунт, то получится ямка вот такой формы (диаграмма эквичувствительности).

Откуда тогда взялся конус?

Наверное, люди строили уровень сигнала, который можно услышать, подключив наушники к катушке Rx и двигая ее на некоторой высоте (на приведенном рисунке это 10 см) над целью. Это диаграмма действительно похожа на конус. Но тут никаких вариаций глубины не делается, поэтому судить о глубине по последней диаграмме невозможно. Так, на глубине 1 см будет вообще не конус, а "края кратера". В теории антенн диаграмму направленности строят, измеряя сигнал на "достаточно большом" расстоянии от нее. Для нашего случая это будут метры и это мало что покажет.

Ну и скалярное произведение можно использовать только, если цель - шарик.

Кстати, а почему квадратных ДД нет? Теория их не запрещает...

К сожалению, поясняющий рисунок вообще не понял, что на нем нарисовано и с какой стороны нужно смотреть.
Понять очень хочется и еще узнать, чем он обоснован?

Зона обнаружения, это поле которое излучается датчиком. Конечно исследовать зону обнаружения лучше круглым проводящим шариком. Но зона сканирования есть зона сканирования. И она зависит только от конструкции датчика, от его формы. То есть грунт и цель к этому приписывать не надо. Не надо пенопласт, включите прибор возьмите шарик, и нарисуйте основную зону сканирования катушки.

Все там понятно. Сверху форма катушки, снизу зона сканирования. Вот еще фото квадратной катушки Тесоро размер 3х18 дюймов. Глубина или диаграмма направленности зависит от диаметра датчика в стороны. А ширина захвата зависит от длины датчика в длину. Например круг имеет большую глубину, чем ДД эллипс, но меньше зону сканирования. А два кольца имеют самую малую зону сканирования, но максимальную глубину (NEXUS). И в завсимости для каикх целей используется прибор, и на каком месте и выбирается форма датчика ДД. Конкретно эта катушка Тесоро имеет малую глубину, но очень широкую зану захвата. Ей можно искать цели, котрые лежат на поверхности, или на глубине до 5 сантиметров. Но зато раз махнул, два шага шагнул. Катушка в длину почти полметра.

Смотрел видео, где махали монеткой в воздухе, положив прибор на бок на фоне сантиметровой ленты. Точность там была никакая. И нарисовать по тем данным можно было все, что угодно, подтвердив любую фантазию. Для моих целей нужна гораздо более высокая точность и больше точек для измерений.

Теперь наконец разобрался, стало гораздо понятнее.

Вообще я со многим из вами сказанного согласен. Про эллипс и круг, что глубина от меньшего размера зависит.
Чтобы исключить такого рода зависимости я все сравниваемые катушки по возможности в квадрат 10х10 вписываю.

Но некоторые детали при перепроверке не подтверждаются.
Например, не увидел никакой особой глубины у Нексуса.
С точки зрения физики катушек.

Большое спасибо за фото. Вот такие необычные катушки я и ищу.
Еще бы до патентов добраться.

Вы можете отключить эти сообщения.

Если расматривать простой прибор. Взять две кругдые обмотки, их можно двигать как угодно, в зависимости от желания. И получать разные диаграммы, можно даже круги разных диаметров взять. Интересно, но времени нет этим заниматься. И если фирмы используют какие то ормы дтчиков, то думаю, что они уже испробовали всевозможные варианты и остановились на оптимальных.
Катушку по форме НЕКСУС я делал. И скажу честно, что не получил большой глубины. Делал для Е-Трака маленькую снайперку, но снайперка получилась отличная. Думаю здесь еще нужно учитывать мощность поля, котрую надо привязать к форме катушки. На маленькой каутшке грубо говоря все слипнется, а на большой катушке при слабой мощности глубины не будет. Потому что все завязнет в грунте. Так же надо учитывать частоту сигнала. Этот комплекс нужно балансирвать. Вот Нексус имея простой прибор(по сложности как Тесоро) и используя такую форму датчика, добились лубины и установили цену на свои приборы в 10 раз дороже.

Вот, например: http://www.md4u.ru/viewtopic.php?f=91&t=11666 только они вам покажут как была реализована та или иная система, но не почему, за счет чего и какие отличительные параметры могут быть получены...
Скалярное произведение - это полное представление поля датчика, но его можно значительно упростить в применении к МД - использовать для анализа только вертикальную составляющую, которая наводит эдс в катушке RX, пересекая её плоскость.
Форма зон чувствительности представленная вами не соответствует реальному датчику: какой-то ровненький "колокол", нет зон инверсии, не учтены пороговые уровни чувствительности... Граница чувствительности одиночной катушки будет больше походить на выдуваемый мыльный пузырь прилепившийся к обручу.., чем сильнее дуем (больше чувствительность) - тем больше размер пузыря, превышающий размер катушки.
Фома тоже не прав на счет ровного лепестка датчика DD, это показал Andy_F: http://www.md4u.ru/viewtopic.php?f=24&t=9306&p=252294&sid=b963fd4b4f96cba719d3da9d9a4126e0#p252294

Понятно что две обмотки не дуют такую струю как она нарисована на моей картинке. Я рисую примерную зону обнаружения, ту которая используется при поиске. И когда человек покупает катушку, он примерно должен представлять себе, что от нее ожидать. Как ей водить по земле, где центр, где края.
Переменный ток течет по обмотке, обмотка наводит магнитное поле, котрое потом наводит снова электрическое поле. Вот нашел на старом компьютере картинки, котрые сам нарисовал давно. Условия наведения баланса в датчике, в трех типах катушек. Которые мы все и делаем. Может они здесь ни к месту, но иногда хочется посмотреть.

Катушек типа NEXSUS я сделал уже наверное более 500 штук. С диаметром колец 21,5 и 23 см.На разные приборы. По глубине могу сказать - с такими размерами получаются самые глубокие снайперки, нет катушек среди других, в том числе фирменных, чтоб так глубоко доставали малые и средние цели. По большим монетам уступают Торнадам,Голиафам и им подобным. Из замеченного - каким то образом качество дискриминации заметно лучше.

Тут можно поступить так: посчитать ток в цели, наведенный током Tx. А затем посчитать ток в Rx, наведенный током в цели. Тогда на это нужно смотреть, хотя интегрировать можно и не по плоскости, а по любой поверхности типа вашего мыльного пузыря. Но это к слову...
В моих расчетах я как все считаю приемную катушку как передающую (это допускается теорией). Поэтому и получается скалярное произведение - проекция вектора передатчика на вектор приемника (или наоборот). Если цель шарик.
Если цель монетка и лежит плоско, то нужно перемножать проекции но вертикальную ось Z. Если лежит на ребре, то либо на ось X, либо на Y в зависимости как ориентирована плоскость монетки (ее проекция на поверхность).
Во всяком случае, если монетка лежит на ребре вдоль маха катушки, то она для DD катушки "пропадает".
И в моих расчетах и в моей практике (так серебрушку недавно "потерял", пока "крестом" не провел).
Так что брать скалярное произведение или произведение проекций зависит от того, чувствительность к какой и как расположенной цели мы хотим определить (ИМХО).

Тут я взял простую катушку из двух соосных катушек одного размера в одной плоскости. Не скомпенсированных. Чтобы не пугать сложной формой с зонами инверсии и прочее. Такие картинки есть, но к разговору о конусности они не к чему.

Это пример того, как могут ошибаться люди с большим опытом и глубокими знаниями, полагаясь на умозрительные размышления. У меня опыта поменьше и знаний в этой области, наверное, тоже. Поэтому я полагаюсь на численный эксперимент, результатами которого хочу вас удивить, а для себя - пытаюсь объяснить.
По моим расчетам граница чувствительности похожа, скорее, на огурец (посмотрел как выглядит чечевица и подумал, что такой пример будет ближе), а катушка у него посередине (внутри!!!). Чем больше чувствительность, тем длиннее будет огурец. В толщину он растет мало, так как (я думаю) поле за пределами двух катушек в их плоскости и близко к ней очень и очень быстро убывает. Поэтому, увеличивая чувствительность (ток, усиление), трудно сильно отдалить границу обнаружения в этих зонах.
Хотя в других вещах могу и ошибаться, так что спасибо за критический взгляд.

И со всем остальным сказанным и с схематическим рисунком согласен (проверил расчетами).

Разве что по моим расчетам получается, что зона перекрытия должна быть больше: 2.3927 для десятисантиметровых катушек, 4.7854 для двадцатисантиметровых катушек. То есть почти половина радиуса, как здесь и говорили.

Смотрите картинки от Andy_F... там хорошо видно, как расширяется зона чувствительности при удалении цели, значительно перекрывая инверсные зоны, лежащие за пределами геометрических размеров пересечения катушек TX*RX (так же видно, что количество оцифрованных данных от цели значительно возрастает, т.е. цель находится большее время в зоне обнаружения за счет её расширения)

Неужели никаких типов катушек больше нет, уважаемое сообщество?

Думаю, все же их найти:
- "Больше катушек, хороших и разных"!

Для затравки придуманная и рассчитанная мной катушка "мальтийский крест". Углы в ней прямые, но легко и в круглую переделать. Правда, круглую я еще не считал, поэтому размеров для обеспечения компенсации "мальтийского креста" в круглом варианте пока не знаю. Если заинтересует - посчитаю...

Это уже скомпенсированная катушка! Размер внутреннего квадрата 6.11 см (для 10 см. внешнего). Если внешний будет больше, пропорционально будет больше и внутренний квадрат.

По глубине она буквально сантиметр-другой уступает круглой нескомпенсированной (!!!) катушке. Правда, по остроте диаграммы направленности она хуже DD. Поэтому я пока ее убрал из своего списка кандидатов на реализацию.

Ну так давайте треугольную попробуем..

Попробуем, картинку нарисуйте, пожалуйста (если это не сарказм).

Теперь посмотрел, первый раз не увидел самих картинок.

В общем, буду еще думать, картинки информативные.

Посмотрю именно DD катушки. Построю такие же графики численно...

Возможно, проблема в том, что 3 см - слишком мало и сыграли роль физические размеры обмоток.
Возможно, наоборот, в модели нужно учесть размеры обмоток (сейчас они ноль в сечении).
Возможно, 3 см - это вообще зона "края кратера", где чувствительность не растет по высоте, а снижается.
Возможно, я со слишком большой высоты стартую поиск.
Возможно, я просто не вижу нижележащую часть поверхности эквичувствительности, потому что нахожу единственную высоту с заданной чувствительностью.
Возможно, стоит перейти к полярным координатам (как в диаграммах направленности антенн).
Возможно, вообще нужно смотреть рост размеров купола при снижении уровня сигнала.
На крайний случай: рука шла медленней из-за психологически необходимости точнее держать большую высоту, был наклон катушки (почему-то справа "земля" больше), разный масштаб по высоте (его лучше выровнять). Но это самые запасные объяснения.
В любом случае, практически вертикальные стенки меня в свое время удивили и этому нужно дать объяснение.

В общем, еще подумаю.

Но, в любом случае, тут не конус, не пузырь, а "расходящийся луч".

...
После размышлений понял следующее:
1. Нужно учесть физические размеры катушек в модели. Это, скорее всего, и позволит заметить "расхождение луча" при расчетах. Это будет полезно проверить. Это, возможно, даст еще одно конструктивное требование к катушкам.
2. Но изобразить его с помощью приведенной диаграммы "эквичуствительности" проблематично. Потому, что там несколько поверхностей, ограничивающих области обнаружения. Нижняя - максимальная глубина обнаружения монетки. Потом (при движении вверх) начало мертвой зоны, когда монетка, приближаясь не по центру, выходит из "луча фонаря". И еще одна поверхность, когда монетка, например, попадает в зону инверсии.
3. Нужно переходить на сечения. Жалко, поскольку их трудно совмещать в одной картинке.

Так что обсуждение этого вопроса (почему диаграмма не конус) оказалось познавательным.

И да и нет.

Спасибо, понял...

Но если серьезно, то интуитивно кажется, что (1) не сведется. Там нет геометрического параметра, который можно для этого варьировать. Жалко, форма интересная. Никак не могу вспомнить, где ее видел

В (2) много площади без индукции пропадает - не даст глубины.

(3) это тот же Нексус. Преимуществ не видно. Малая ширина сканирования. Если симметрично заполнить неиспользуемое пространство и скруглить углы, получится вариант ДД катушки с круглой зоной компенсации. Видел такую, только не знаю, делал ли кто ее и каковы результаты. Возьму на заметку как вариант ДД катушки. Возможно, посчитаю.

Спасибо!

Вот -> http://www.md4u.ru/viewtopic.php?f=77&t=3641 когда-то рисовал для ближней зоны...