Устройства обнаружения объектов вихретоковым методом

На сегодняшний день различные технические устройства, работающие на основе использования электромагнитного поля, прочно вошли в нашу жизнь. Подклассом таких устройств являются устройства, предназначенные для обнаружения различных объектов в физических средах. Например, устройства для обнаружения подводной лодки в море или самолета в небе, устройства для обнаружения залежей железной руды в Земле и т. п.

Значительную долю устройств обнаружения объектов (далее для краткости просто устройств обнаружения) занимают устройства обнаружения, работающие на вихретоковом методе [1], и поэтому называемые вихретоковыми. К ним относятся различные металлоде-текторы, радиочастотные противокражные системы в магазинах, вихретоковые дефектоскопы обнаружения дефектов в приповерхностном слое металлических изделий и др.

Вихретоковый метод обнаружения заключается в регистрации интегрального возмущения электромагнитного поля, возникающего в результате наведения в обнаруживаемом объекте, расположенном в ближней зоне излучения, вихревых токов.

Вихретоковые устройства обнаружения могут классифицироваться по типу применяемых в них первичных измерительных преобразователей. В ряде случаев в качестве первичных преобразователей используются так называемые магнитные антенныи, в частности, электрически малые рамочные антенны [2]. Электрически малыми антеннами называют антенны, у которых максимальный размер антенны, измеренный от входных зажимов, не превышает Aw/n/8 [3], где Amjn — длина волны, соответствующая максимальной частоте в спектре тока.

В настоящее время вихретоковые приборы и установки широко используются для обнаружения и определения параметров дефектов — несплошностей материалов (дефектоскопия и дефектометрия), обнаружения электропроводящих объектов (металлоискатели) и для других целей [1]. Вихретоковый вид неразрушающего контроля применяют только для контроля объектов из электропроводящих материалов [4].

Таким образом, вихретоковый метод обнаружения нашел широкое применение для обнаружения сильнопроводящих сильномагнитных {]л «1) и слабомагнитных (//"1) объектов в слабопроводящих и диэлектрических средах (металлодетекторы, радиочастотные противокражные системы в магазинах и др.) и диэлектрических объектов в сильнопроводящих сильномагнитных и слабомагнитных средах (вихретоковые дефектоскопы и др.).

Однако, в настоящее время имеется целый ряд актуальных задач, выходящих из числа вышеперечисленных, которые можно успешно решить с помощью применения вихретоковой техники обнаружения. К этому ряду задач, в частности, относятся:

— обнаружение пищевых пакетов с напыленной высокоомной пленкой, которые можно использовать в качестве электромагнитных экранов электронной метки для обмана радиочастотных противокражных систем, предназначенных для обнаружения выносимых из магазина неоплаченных товаров;

— обнаружение под снегом, песком, почвой различных неметаллических объектов, таких как тело пострадавшего человека, вода, пустоты, неметаллические трубопроводы и т. п.;

— регистрация факта прохода более одного человека по одной предъявленной карте доступа в помещение с ограниченным доступом.

Постановка задач и обоснование целесообразности разработки этих устройств даны в соответствующих главах.

Данная диссертация посвящена разработке новых, не имеющих аналогов, вихретоко-вых устройств обнаружения слабопроводящих объектов в слабомагнитных слабопроводящих и диэлектрических средах с магнитными антеннами в качестве первичных измерительных преобразователей, позволяющих решить вышеперечисленные задачи.

В процессе выполнения диссертации были получены следующие теоретические результаты.

1) Разработана методика проектирования вихретоковых устройств обнаружения сла-бопроводящих объектов.

2) Приведено метрологическое обоснование разработанного бесконтактного индукционного устройства для дверного проема за счет введения понятия относительного магнитного веса тела человека для плоской магнитной антенны конечных размеров.

3) Проведен анализ факторов, влияющих на нестабильность магнитных весов людей во времени.

Практическая значимость диссертации определяется созданием ряда новых устройств: детектора экранов метки, вихретокового поискового устройства, бесконтактного индукционного устройства для дверного проема, бесконтактного индукционного устройства для пропускной кабины, которые были разработаны и экспериментально исследованы соискателем, выступавшим в качестве разработчика.

Разработанный детектор экранов метки нашел применение в радиочастотной проти-вокражной системе марки «Menhir» голландской фирмы «Telsec» для предотвращения кражи товара с помощью оборачивания его металлической фольгой или высокоомной пленкой, экранирующих электронную метку. Имеется акт о внедрении от российской фирмы «Кватро Люкс», являющейся деловым партнером голландской фирмы «Telsec».

Разработанное вихретоковое поисковое устройство нашло применение в следующих НИР, выполненных для фирмы «Абигар» в интересах МЧС РФ:

— «Разработка эскизно-технического проекта устройства для обнаружения и распознавания тела человека под слоем грунта». М.: МИФИ, 1995;

— «Разработка действующего макета устройства для обнаружения тела человека под слоем грунта». М.: МИФИ, 1994.

Проведены успешные испытания устройства на полигоне МЧС РФ в г. Химки. Новизна устройства подтверждена патентом РФ.

Разработанные бесконтактное индукционное устройство для дверного проема и бесконтактное индукционное устройство для пропускной кабины нашли применение в НИР, выполненных для фирм «Кватро Люкс» и «Магнитометрические Системы»:

— «Исследование возможности и обоснование целесообразности применительно к зарубежному и российскому рынкам разработки нового поколения систем контроля доступа на основе использования БИУП и нового поколения пропускных кабин на основе использования БИУ и создания их серийного производства». М.: МИФИ, 2001;

— «Создание электронных блоков опытного образца МСКУД-БИУП для металлических дверей, наладка и испытание опытного образца МСКУД-БИУП, написание инструкции по эксплуатации МСКУД-БИУП». М.: МИФИ, 2002.

Проведены обширные долговременные наблюдения за стабильностью магнитных весов людей во времени. Полученные положительные результаты позволили запустить системы управления физическим доступом, работающие на основе измерения магнитного веса тела человека, в опытное производство и обеспечить надежное функционирование этих систем.

Проведены успешные испытания устройств, что подтверждается протоколом испытаний. Опытный образец модуля «Порог» (МСКУД-БИУП) экспонировался на международной выставке MIPS-2002 Protection, Security & Fire Safety. Полученные отзывы от организаций, занимающихся в области разработки систем безопасности: НИИ Интроскопии МНПО «Спектр», компании «Микком ИСБ», Международной ассоциации по проблемам CALS, подтверждают важность данных разработок. Новизна устройств подтверждена патентом РФ.

Результаты выполненной диссертации позволяют сформулировать следующие положения, выносимые на защиту.

1) Развитие вихретокового метода на случай обнаружения слабопроводящих объектов, в том числе на фоне неподвижных и движущихся металлических объектов, и создание вихретоковых устройств обнаружения слабопроводящих объектов.

2) Методика расчета метрологических характеристик вихретоковых устройств.

2) Понятие относительного магнитного веса тела человека для плоской магнитной антенны конечных размеров.

3) Анализ и обширные статистические наблюдения за стабильностью магнитных весов людей во времени.

Таким образом, теоретической целью данной диссертации является развитие вихрето-кового метода для обнаружения слабопроводящих объектов в слабомагнитных диэлектрических средах, в том числе на фоне неподвижных и движущихся металлических объектов, а практической целью диссертации — создание вышеперечисленных устройств обнаружения.

Выводы по главе.

1) Рассмотрено бесконтактное индукционное устройство для пропускной кабины, разработка которого стала возможным благодаря применению научных результатов, полученных в данной работе. А именно, выбор высокой рабочей частоты (более 1 МГц) и применение двухпараметрового метода измерения позволили с помощью вихретокового метода надежно обнаруживать тело человека в воздухе, а также измерять его магнитный вес с погрешностью достаточной для предотвращения piggybacking событий.

2) Введено понятие относительного магнитного веса тела человека для магнитной антенны в форме двух плоскопараллельных витков конечных размеров.

3) Проведен расчет магнитного поля антенны в форме прямоугольных витков, что позволило определить метрологические характеристики устройства.

4) Проведены обширные долговременные наблюдения за стабильностью магнитных весов людей во временирезультаты обработки полученных данных показывают, что стабильность магнитного веса достаточно высока для надежного функционирования охранных систем, базирующихся на этом понятии.

5) Предложена методика выбора зоны допуска для магнитного веса человека.

6) Приведены осциллограммы выходных сигналов БИУ на тело человека, из которых видно возможность надежного обнаружения тела человека.

Заключение

.

Основным научным результатом диссертации является развитие вихретокового метода на случай обнаружения слабопроводящих объектов в диэлектрических и слабопроводя-щих средах, в том числе на фоне неподвижных и движущихся металлических объектов, и создание ряда новых устройств: детектора экранов метки (ДЭМ), вихретокового поискового устройства (ВГ1У), бесконтактного индукционного устройства для дверного проема (БИУП), бесконтактного индукционного устройством для пропускной кабины (БИУ), работа которых основана на развитии этого метода.

Основным теоретическим результатом диссертации является предложенная методика создания вихретоковых устройств обнаружения слабопроводящих объектов в слабопроводящих и диэлектрических средах, в том числе на фоне неподвижных и движущихся металлических предметов.

В процессе выполнения диссертации были получены следующие частные теоретические результаты.

1) Предложена классификация эффектов в вихретоковых устройствах обнаружения по изменению магнитного потока через «приемную антенну».

2) Представлен расчет изменения тока приемной антенны прямоугольной формы под действием магнитного поля, создаваемого токами Фуко, развивающимися в слабопроводящем шаре, при помещении шара в магнитное поле передающей антенны прямоугольной формы.

3) Обобщен расчет изменения внешнего однородного магнитного поля под действием вносимого шара при условии, когда токи смещения в шаре много меньше токов проводимости, на случай, когда токи смещения в шаре по величине сравнимы с токами проводимости.

4) Обобщен расчет сопротивления, вносимого в круговую рамку полупространством, расположенным «на расстоянии h» от плоскости рамки при условии, когда токи смещения в полупространстве много меньше токов проводимости, на случай, когда токи смещения в полупространстве сравнимы с токами проводимости.

5) Проведен расчет магнитного поля антенны, выполненной из двух отстоящих друг от друга прямоугольных витков.

6) Введено понятие магнитного веса физического тела для плоского контура и контура в форме двух плоскопараллельных витков.

7) Введено понятие относительного магнитного веса тела человека для плоской магнитной антенны конечных размеров и магнитной антенны в форме двух плоскопараллельных витков конечных размеров, используемое в системах управления доступом.

8) Проведен анализ стабильности магнитного веса тела человека.

9) Предложена методика выбора зоны допуска для магнитного веса человека.

Основным практическим результатом диссертации являются разработанные вихретоковые устройства обнаружения: детектор экранов метки (ДЭМ), вихретоковое поисковое устройство (ВПУ), бесконтактное индукционное устройство для дверного проема (БИУП), бесконтактное индукционное устройство для пропускной кабины (БИУ).

В процессе выполнения диссертации были получены следующие частные практические результаты.

1) Предложен и исследован способ увеличения вносимого объектом сопротивления в магнитную антенну за счет изготовления дополнительного колебательного контура.

2) Проведены обширные долговременные наблюдения за стабильностью магнитных весов людей во временирезультаты обработки полученных данных показывают, что стабильность магнитного веса достаточно высока для надежного функционирования охранных систем, базирующихся на этом понятии.