Схемы металлоискателей MD4U

Спасибо за вашу работу с визуализацией полей датчиков, это очень интересно и полезно.
Тут вам такую "информацию к размышлению": есть такие себе "концентрические датчики" (впервые предложены компанией Вайтс в 70-х гг.) и получившие популярность (считаю, что не очень заслуженную))) у нас благодаря Кощеям, которые написали подробные инструкции их практического изготовления. Это те самые, где большая кольцевая катушка ТХ по периметру датчика, а приёмная - ВДВОЕ МЕНЬШЕГО диаметра, расположена по центру датчика. Глубина обнаружения мишеней, при этом - не хуже (часто - лучше) - чем у DD-датчика с симметричными "половинками" RX-TX.
Вот такая вот "чем больше размер приёмной катушки - тем глубже берёт" - нет! Приёмная катушка IB-металлодетектора НЕ ПРИНИМАЕТ (!!!) прямой переотражённый отклик от мишени (точнее - принимает на близком расстоянии, что только мешает нормальному поиску).
В довесок, для размышления: передающая катушка создала поле, в монете 5 коп СССР возникают вихревые токи, которые создают вторичное поле - поле монеты. ВЫ ВЕРИТЕ, что это вторичное поле такое сильное, ЧТО ДОСТИГАЕТ своими силовыми магнитными линиями плоскости катушки RX (это расстояние в 25-30 см - т.е. воображаемый диаметр поля вокруг монеты 50-60 см!!!), дабы навести в ней отклик???

Вот результаты в сравнении с Нексус. Круглые катушки 10 см. Поверхности построены для уровня сигнала 0.01. То есть соответствуют уровню -2 на диаграмме. Велосипед "впритык". Сх отнес к краю.

Спасибо за Ваши труды! Действительно, судя по диаграмме, даже в таком размере - 10см - Nexus показывает очень неплохой результат.

Действие магнитного поля, созданного вихревыми токами в маленькой монетке на ток в далекой приемной катушке кажется невероятным. Сильно не углубляясь, можно объяснить этот неочевидный эффект так: все дело в относительно больших размерах приемной катушки.

Есть простой понятный физический закон, который говорит, что суммарный поток, проходящий через поверхность одинаков для любых поверхностей самой сложной формы, если их край - один и тот же виток. То есть магнитный поток через монетку будет равен магнитному потоку через мыльный пузырь любого размера, выдутого из кольца края монетки.

Кстати, это очевидно справедливо и для всех других потоков (водяных, воздушных, ...).

Выдуем пузырь в сторону приемной катушки до соприкосновения с ней. Тогда доля магнитного потока через нее будет зависеть от доли площади пузыря, прикасающегося к приемной катушке. Это заметная, но не исчезающе малая величина. Ясно, что чем ближе катушка, тем доля больше. Но и чем больше катушка, тем доля больше тоже.

Как-то так... - приходиться верить.

Не надо в "велосипеде" такую хитрую уменьшенную CX.
Надо такого же размера, как RX.

Охотно поверю вам, если объясните вот это -
, ведь по вашей логике тогда глубина обнаружения концентрического датчика с соотношением диаметров RX:TX как 1:2 должна быть вдвое меньше такого же размера, но DD.

Тогда нужен рисунок или более подробное пояснение. Размер Сх выбран подбором из расчета того, чтобы имел место баланс. Если Сх поместить в центре, она будет побольше, но, конечно, существенно меньше Rx. Как она ей может быть равна - не могу представить.

Наверное, я недостаточно ясно там выразился, но имелось ввиду, что площади перемножаются. Так как определяют коэффициенты передачи в звеньях Tx -> Цель и Цель -> Rx соответственно.
Поэтому если у DD площадь катушки 0.5 от круга, то сила принятого сигнала будет 0.5 х 0.5 = 0.25. А у концентрического датчика 1 х 0.25 = 0.25.
(площадь вдвое меньшей по диаметру Rx у концентрической катушки будет в четыре раза меньше!).
Из-за наличия компенсирующей катушки эффективная площадь Tx будет немного меньше (примерно на 0.25 * 0.225 с учетом сниженного в 0.225 раза числа витков и четвертной площади Cx). Получается примерно 0.236.
А у DD, наоборот, площадь половинок из-за зоны компенсации площадь будет чуть больше: 0.5 + 0.05 для круглых катушек с параллельными краями D. Получается примерно 0.2547.
То есть DD с линейной зоной компенсации глубже, а DD с круглой зоной компенсации - еще глубже. Но так как поле неравномерно, то из этих расчетов прирост глубины прямо вывести нельзя, можно только качественно судить, чего нужно добиваться, чтобы увеличилась глубина на воздухе.
Это я и имел ввиду.

Кстати, из всего этого следует, что в концентрическом датчике для повышения глубины можно увеличить Rx. До определенного предела, поскольку станет снижаться эффективная площадь Тх. Формулу оптимального размера вывести легко, но я этот вопрос не доисследовал. Так как используемый мной метод нахождения и проверки баланса почему-то плохо работает в этих случаях.

CX делается не больше-меньше размером, а вплотную к RX(в случае когда она последовательно с TX).
В этом случае число витков её минимально и меньше всего ослабляет основное поле TX. Компенсация подбирается числом витков.
========================
По поводу размера RX в"кольце": RX не может быть большой, во всяком случае - не больше 2\3 TX. В противном случае число витков и размер компенсационной обмоки CX приблизится к числу витков и размеру TX . И практически полностью ослабит основное поле излучения.

У меня есть датчик "кольцо" в котором TX - 11 см, а RX - 1,5 см(на шпульке от швейной машинки). Там с глубиной поиска всё нормально. Я делал его специально, чтобы в этом убедиться. По моему мнению влияет на глубину не отношение TX\RX, а бОльший диаметр катушки.

Замечательное доказательство, спасибо! А-то уже рябит в глазах "...приёмная катушка ПРИНИМАЕТ ОТКЛИК от вторичного поля монеты..." - причём, от довольно опытных МД-строителей
Во-во-во. А слабО вывести "более простую" формулу - формулу расчёта катушки RX для IB-детектора. Вот, никто не вывел, даже исходных вводных для расчёта и размышлений о том, из чего надо исходить - практически, нету. А всё по той же причине - "...приёмная катушка ПРИНИМАЕТ ОТКЛИК от вторичного поля монеты..." - как только "перестанет принимать", так может и формула выведется

Прочитал последнее. И напишу. Не принимает RХ отклик от монеты. Тх излучает, в RX в ее разных частях наводится разной полярности ЭДС, в результате в сбалансированной катушке на выходе RX есть ноль. В дальнейшем любое изменение геометрии катушки, внесение в это сбалансированное ЭМП проводящих предметов (в котрых может возникать электрический ток) нарушает этот баланс. И на выходе RX ноль меняется на какую то величину. Меняется и по амплитуде и по фазе. Это есть система IB (индуктивный баланс).

Вы можете отключить эти сообщения.

Приёмная катушка действительно принимает отклик от цели .
Если быть более точным : переменный ток идущий в катушку ТХ, создаёт переменное магнитное поле в окружаещем пространстве . Все электропроводящие предметы попадающие в область этого переменного магнитного пространства , и они же проводящие электрический ток ,чаще всего это металлы , ну это и конечно же могут быть и грунт и соль , сгенерируют в своём теле токи , т.н. вихревые токи , ещё можно сказать,что это генерация электроэнергии в пространстве. В свою очередь сгенерированные внутри металла вихревые токи создают уже собственное магнитное поле направленное противоположно тому полю которое его создаёт . Иными словами монета выбрасывает пучёк своего собственного магнитного поля в сторону катушки TX которая её возбуждает , именно в сторону TX , но не в сторону RX. Это противодействующее собственное поле монеты достаточно далеко бьёт , оно в других примерах промышленных применений плавит металлы в индукционных печах , или даже тормозит локомотив без трения.
Осталось это отражённое поле зафиксировать . Вот тут и выступает катушка RX . Если её расположить внутри TX , то будет мощная наводка э.д.с. от TX, что конечно не допустимо . Если же RX расположить за периметром TX, то то опять будет наводка э.д.с. , но уже с противоположным знаком , так как магнитный поток за пределами TX имеет уже другое противоположное направление . А если расположить RX где то по середине , то мы получим э.д.с. где та часть .что внутри TX имеет один знак , и э.д.с в той части которая за пределами TX , но имеет уже другой знак . Таким образом сдвигая катушку RX во внутрь-наружу можно добиться равенства э. д.с. в разных частях приёмной катушки. Это и есть баланс индукций , равенство наведённых э.д.с .в разных частях приёмной катушки.
Как Вы теперь заметите катушка RX находится рядом с TX , но не видит передающее поле TX так как она сбалансирована по отношению к её полю , имеет равенство индукций , нулевой э.д.с. Но эта приёмная катушка прекрасно принимает внешние изменяемые магнитные поля которые наводит в её приёмных витках э.д.с . отражённую уже от искомого предмета.
Далее : так как полярность передающего магнитного поля ТX меняется ровно столько раз , сколько передающий генератор меняет полярность своего тока в TX , то есть это и есть рабочая частота прибора . Соответственно столько раз поменяет свою полярность отклик от монеты , ведь он противодействует возбуждающему его полю. Приёмная катушка в свою очередь принимает этот переменный отклик , а синхронный детектор приводит это переменный отклик к постоянному знаменателю. Далее идёт обработка сигнала ,её мы опустим. Всё!
Какие могут быть формулы расчёта RX исходя из этого ? Я не вижу закономерностей.
Какие диаграммы рисует ТС , если сами исходники нарисованы "от балды",без учёта индукционного баланса и что они дают?
Покажите мне влияние грунта?
Покажите сохранение индукционного баланса на разных частотах?
Дальность ?
Идентификация целей ?...

Тоже так думаю.
А тут хочу спросить: каким именно образом?
Какие физические процессы за этим стоят?
Если не электромагнитная индукция и цепочка: переменный ток в передающей катушке -> переменное магнитное поле в пространстве вокруг нее -> наведенный вихревой переменный ток в цели -> переменное магнитное поле вокруг цели -> переменный электрический ток в приемной катушке?
Какие силы природы, по вашему, должны действовать вместо этого?

При этом интересно: сигнал от грунта вы тоже не признаете? Считаете, что приближение к грунту "сбивает баланс" катушки? А тут за счет чего?

Исходники (схемы катушек) не нарисованы "от балды". Они "сведены". Их геометрические параметры подбираются специальной процедурой (могу код привести) для обеспечения индукционного баланса. Для этого в каждом типе катушек определен параметр, влияющий на баланс, его изменением он обеспечивается. Для концентрического датчика это, например, величина тока в Cx (в доле от тока Тх). Для нексуса - расстояние между окружностями и т.п.

Влияние грунта предполагаю учесть так: просуммировать отклик множества мелких целей по всем точкам пространства рядом с катушкой. Так я найду некоторую величину, которую можно будет сравнить для разных катушек. Ясно, что для бигстеп, например, сумма будет нулевой.

Для целей моделирования (это всегда упрощение) катушки полагаются безрезонансными. На индукционный баланс частота теоретически влиять не должна.

Дальность оценивается диаграммами направленности. Из них видно при какой глубине и местоположении цели какой уровень сигнала (логарифмическая шкала) будет получен приемной катушкой. Уровень условный (физические константы не учтены и размер цели тоже). Но все равно это дает возможность сравнения. Например, я узнал, что Супер Д 35 см обнаруживает 5 коп на глубине 50 см. На моей диаграмме это примерно уровень -4 (0.0001). Поэтому я стал сравнивать катушки в исполнении 35 см. и определять глубину цели для уровня -4.

Идентификация целей. Фаза отклика, на мой взгляд, никак с формой катушки не связана. Только большая чувствительность. Ну, или отношение сигнала цели к сигналу грунта влияют на точность определения квадратур. Так что точность идентификации тут обеспечивается большей чувствительностью. А все другое уже за рамками...

Раз Вы уже все типы катушек загнали в программу, то не подскажете какая зависимость расстояния от центров обмоток к диаметру обмоток. Это для Нексуса.
Тоесть, если известен диаметр обмоток, то какое будет расстояние между их центрами? По какой формуле его вычислять?

И еще одно,что меня интересует в теории - а что будет если в катушке Нексус приемную и передающую обмотки расположить не в одной плоскости (не паралельно ), а под небольшим углом. Спасибо.

Направить оси излучения на точку 30-40 см от датчика - очень интересная тема!
Я давно хотел такой датчик сделать, но пока не дошли руки. Могут быть сложности с заливкой эпоксидкой, или придется делать его несколько толще и тяжелей.
------
Можно считать такой датчик промежуточным между плоским DD и геометрически ортогональным.
Геометрически ортогональный датчик с круглыми катушками - они друг в друге, в пополам под 90 градусов.
Значит "Нексус" с катушками под углом будет иметь меньший общий размер и больше промежуточную зону.
По моим прикидкам чувствительность вниз увеличится, вверх - уменьшится. Инверсные зоны внизу станут меньше, вверху больше.

Про наклон катушек . Когда провод RX расположен поперёк основному магнитному потоку, то в нём наводится эдс (как в нашем классическом случае).Если провод RX расположить вдоль потока TX , то наводимая эдс уменьшается , так как площадь пронизывания провода тем же магнитным потоком , тоже уменьшается . Иными словами провод поперёк наводит ток , провод вдоль наводит очень малый ток. Но эта наведённая индукция будет так же мала и для отражённого сигнала , если отражённый отклик будет идти вдоль провода.
Я не против того , когда человек , что то делает. Но ,нельзя воспринимать за истину полученные в моделировании результаты.
Сделайте своими руками , вживую , замерьте параметры , и поделитесь , это даст большую пользу.
Читаю форум , пишут , то здесь , то там , что дифференциальная восмёрка прекрасно подавляет грунт , все про неё всё знают , но никто её не делал . Я сделал , проверил , катушка действительно подавляет грунт , но этот момент подавления имеет очень строго определённое положение датчика относительно плоскости грунта . Точка баланса грунта очень острая , малейшее смещение приводит к жуткому разбалансу , сигнал грунта при этом намного , и в разы превышает , такой же сигнал в ДД-катушке. То есть, на практике "восьмёрка абсолютно бесполезна" , или это должна быть действительно очень большая туфля , для специфических задач ,но не в формате обычного корпуса для поиска монет.

Между теоретической и экспериментальной физикой есть большая разница, но они не отрицают друг друга. Тут тоже есть "точка баланса". Вычислительный эксперимент позволяет быстро проверять идеи, которые затем нуждаются в экспериментальной проверке. Я с этим не спорю.
Это очень ценное замечание. Чувствительность баланса к углу наклона тоже придется учитывать. Подумаю над этим.

Рисунки приведены в правильных пропорциях. При сведении Нексуса у меня получилось, что ширина зоны компенсации должна составлять 0.245 от диаметров катушек. Значит, между центрами будет 0.755 диаметра. Еще перепроверю, так как недавно улучшал процедуру балансировки и теперь она может быстрее считать с бОльшей точностью.
Меня тоже этот вопрос интересовал. Думал обеспечить таким образом остроту и глубину направленности.
Но не получилось. Как уже говорил, на большом удалении все диаграммы выравниваются, превращаясь в "пузырь". Глубина которого связана только с площадью катушек. Из-за наклона катушки будут не прижаты к поверхности - отстоять от нее вверх, что снизит глубину. Фокусировка, наверное, есть вблизи (в зоне полдиаметров, или уже не помню), но эта точка тоже поднимается вверх, вместе с увеличением угла наклона.
Чтобы было нагляднее, попозже картинки приведу - мне их придется строить заново (кстати, угол любой могу задать - какой лучше попробовать?), а там проблема с 3d балансировкой.
Надо еще "велосипед" закончить.

Сначала - немного повторюсь:
Приёмная катушка не принимает прямой отклик от мелкой мишени. Точнее - принимает - когда мелкая мишень находится недалеко от плоскости датчика (но это - паразитное, вредное для работы IB-детектора явление). Потому, что мишень не может создать настолько сильное вторичное поле, что его силовые линии распостранятся на расстояние, скажем, в 10 раз большее размера мишени (монета 2,5 см - поле, чтобы достичь приёмной катушки, должно иметь "пузырь", крайние силовые линии поля которого будут отстоять на расстоянии в 25 см от плоскости монеты, если она "плашмя" к датчику). Чтобы достичь такого размера, монета должна буквально нагреться, расплавиться как Земное ядро - закон самосохранения энергии - ей неоткуда взяться для создания такого поля. Катушка ТХ излучающая - мы принудительно закачиваем в неё энергию, делаем большой размер, используем халявную раскачку резонансом - и то её "пузырь" получается, ну, вдвое больше размера катушки (почему не в 10 раз? монета ж в 2.5 см "развивает поле" 25 см в одну сторону, вторичным полем )
Есть металлодетекторы, которые устроены на принципе улавливания прямого отклика (вторичного поля) от мишени приёмной катушкой. Они так и называются - VLF T/R - "очень низкочастотный приёмник-передатчик". Вопрос: так какой прибор вы имеете, каким ищете: VLF T/R или всё-таки IB ??? Зачем вам IB, если вас устраивает допотопный "приём-передача" ??? Старинные глубинники по принципу VLF T/R улавливают приёмной катушкой вторичное поле КРУПНОЙ мишени, способной создать более мощное поле, нежели мишень мелкая, которую они попросту не видят. VLF T/R делались-выпускались в середине ХХ века и с дисковым стандартным датчиком для поиска небольших целей - какая была у этих приборов чувствительность - известно - от обычных грунтовых детекторов на таком принципе давно все отказались. Мы же предпочитаем IB-прибор, "балансник", потому, что он находит мелкие мишени, создающие слабое поле.
Как он это делает?
Мы свели систему катушек в индуктивный баланс. Катушка ТХ возбудила в мелкой мишени вторичное поле. Это вторичное поле выгибает силовые линии поля катушки ТХ таким образом, что они, эти выгнутые силовые линии, пересекая витки катушки RX уже иначе, нежели мы их свели в баланс, изменяют этот самый установленный нами начальный баланс. В катушке RX возникает напряжение (дельта) разбаланса, обработкой которого и занимается схема (и программа) прибора. Таким образом, "балансник" и называется "балансником" от того, что работает на принципе изменения окончательного индуктивного баланса датчика, а не на принципе прямого улавливания приёмной катушкой вторичного поля мелкой мишени, как это делают приборы "по принципу приёма-передачи".
Отделяйте, не путайте VLF T/R с IB !!! Мы для поиска мелких мишеней выбираем IB, потому, что такой МД за счёт именно такого принципа работы датчика помогает "заглянуть в грунт более глубоко".

У меня на вышеупомянутой катушке типа Nexus - при диаметре "по средней линии" - 243,5мм, ширина зоны компенсации составила 58мм, тоже по средней. Так что соотношение вышло 0,238. Близко..

Думаю, вы могли бы очень интересный эксперимент провести:
Взять прибор и маленькую катушку-цель 32 мм. С небольшим числом витков. Замкнутую на измеритель тока.
Включить прибор, померить ток в катушке-цели и приемной катушке прибора.
После этого отключить (разомкнуть! или вообще удалить, если это макет) передающую катушку.
Подключить к катушке-цели генератор. Потенциометром выставить тот же ток.
Посмотреть сигнал на приемной катушке.

Я ход ваших размышлений вроде бы понял (писал до того как увидел ваше последнее сообщение). Вы считаете, что цель вмешивается в процесс передачи ЭМП от передающей к приемной катушке, "поглощая" поле, либо как-то по-другому искажая его, за счет чего теряется баланс и появляется ток в приемнике. Но вам тогда придется признать, что искажение поля должно также достаточно далеко распространяться от маленькой цели, на те же 50-60 см. И объяснить физику распространения этих искажений.

Если вам непонятен пример про мыльный пузырь, есть еще такая аналогия: через маленькую трубу в океан выпускаем рыбок, плывущих по линиям магнитного поля. Чтобы их поймать побольше, нужно или приблизить сеть к трубе (катушку к цели). Или сделать ее достаточно большой, если этого сделать нельзя. Поэтому увеличением катушки долю улавливаемого магнитного поля (пойманных рыбок) всегда можно увеличить до существенного значения.

В общем, теперь из примера 2.5 см и 25 см и размеров полей я понял суть наших расхождений. Ошибка ваших рассуждений - размерность. Вы считаете, что для обнаружения сигнала нужно достижение определенной напряженности поля в одной точке! У монеты в 2,5 см эта напряженность может быть достигнута на расстоянии 5 см, а у 25 см - 50 см. Вы это допускаете. Меряете магнитометром, например. Все так.
Но! - На ЭДС в витке влияет не напряженность в одной точке, а сумма магнитного потока через него! А сумма зависит от площади! Поймать рыбу на удалении от трубы, из которой она выплывает, в одной точке сачком практически невозможно. А если растянуть сеть, то доля пойманной рыбы от выпущенной (доля магнитного потока принятого приемником от созданного монеткой) будет тем больше, чем больше и ближе сеть.
То есть вы не умножаете напряженность магнитного поля на площадь (ошибаетесь в размерности).

Не вижу принципиальной разницы в этих приборах. В них те работают одни и те же законы электромагнитной индукции.
Разница всего лишь в том, что задачу вычитания сигнала Тх, наведенного в Rx, в IB выполняет сам датчик за счет взаимного расположения катушек. В VLF T/R это выполнялось в приборе, что приводило к лишним сложностям в схеме и, в итоге, к меньшей балансо-устойчивости.

Перевод значения IB :
если , индуктивный баланс - Inductive balance
если ,индукционный баланс -induction balance.
Какое из этих формулировок правильное для IB предлагаю сделать самостоятельно.

Индукция правильно, конечно - не индуктивность. Извиняюсь - обычная невнимательность.
А что тут такого, "элементарно, Ватсон" Скажем, находясь на расстоянии 25 см от плоскости датчика монета своим вторичным полем выгибает дальние (от плоскости датчика) силовые линии поля катушки ТХ. Эти линии пересекают плоскость катушки RX точно так же, как и более ближние, в приёмной катушке появляется изменённый разбаланс.