Schlagender Metalldetektor, Theorie. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Metalldetektoren

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Der Name „Beat Metal Detector“ ist eine Anlehnung an die Terminologie, die in der Funktechnik seit den Tagen der ersten Superheterodyn-Empfänger verwendet wird. Schwebungen sind ein Phänomen, das sich am deutlichsten äußert, wenn zwei periodische Signale mit ähnlichen Frequenzen und annähernd gleichen Amplituden addiert werden und in einer Pulsation der Amplitude des Gesamtsignals bestehen. Die Welligkeitsfrequenz ist gleich der Frequenzdifferenz der beiden addierten Signale. Indem ein solches pulsierendes Signal durch einen Gleichrichter (Detektor) geleitet wird, ist es möglich, das Differenzfrequenzsignal zu isolieren. Solche Schaltungen sind seit langem traditionell, werden jedoch derzeit weder in der Funktechnik noch in Metalldetektoren mehr verwendet. In beiden Fällen wurden Amplitudendetektoren durch Synchrondetektoren ersetzt, der Begriff „auf Schwebungen“ ist jedoch bis heute geblieben.

Das Funktionsprinzip eines Beat-Metalldetektors ist sehr einfach und besteht darin, die Frequenzdifferenz zweier Generatoren aufzuzeichnen, von denen einer frequenzstabil ist und der andere einen Sensor enthält – eine Induktivität in seinem Frequenzeinstellkreis. Das Gerät ist so eingestellt, dass bei Abwesenheit von Metall in der Nähe des Sensors die Frequenzen der beiden Generatoren übereinstimmen oder sehr nahe beieinander liegen. Das Vorhandensein von Metall in der Nähe des Sensors führt zu einer Änderung seiner Parameter und infolgedessen zu einer Änderung der Frequenz des entsprechenden Generators. Diese Änderung ist normalerweise sehr gering, aber die Änderung der Frequenzdifferenz zwischen den beiden Oszillatoren ist bereits erheblich und kann leicht aufgezeichnet werden.

Die Aufzeichnung der Frequenzdifferenz kann auf verschiedene Arten erfolgen, von der einfachsten, wenn das Differenzfrequenzsignal über Kopfhörer oder über einen Lautsprecher gehört wird, bis hin zu digitalen Methoden der Frequenzmessung.

Die Empfindlichkeit eines Metalldetektors gegenüber Schlägen hängt unter anderem von den Parametern zur Umwandlung von Impedanzänderungen des Sensors in Frequenz ab.

Typischerweise besteht die Umwandlung darin, die Differenzfrequenz eines stabilen Generators und eines Generators mit einer Sensorspule im Frequenzeinstellkreis zu ermitteln. Je höher also die Frequenz dieser Generatoren ist, desto größer ist der Frequenzunterschied als Reaktion auf das Erscheinen eines Metallziels in der Nähe des Sensors. Die Registrierung kleiner Frequenzabweichungen stellt eine gewisse Schwierigkeit dar. So kann man mit dem Gehör sicher eine Verschiebung der Frequenz des Tonsignals um mindestens 10 Hz wahrnehmen. Optisch können Sie durch Blinken der LED eine Frequenzverschiebung von mindestens 1 Hz registrieren. Auf andere Weise ist es möglich, eine Registrierung einer kleineren Frequenzdifferenz zu erreichen. Diese Registrierung erfordert jedoch viel Zeit, was für Metalldetektoren, die immer in Echtzeit arbeiten, nicht akzeptabel ist.

Die Methode zur Isolierung einer kleinen Frequenzdifferenz zwischen zwei Generatoren führt zu einem erheblichen technischen Problem – der Phasenverriegelung. Das Problem besteht darin, dass zwei Oszillatoren, die auf sehr nahe beieinander liegende Frequenzen abgestimmt sind, dazu neigen, sich miteinander zu synchronisieren. Diese Synchronisation zeigt sich darin, dass beim Versuch, die Differenzfrequenz zweier Generatoren auf irgendeine Weise näher an Null zu bringen, wenn die Differenzfrequenz einen bestimmten Schwellenwert erreicht, ein abrupter Übergang in den Zustand der Generatoren auftritt, wenn ihre Frequenzen übereinstimmen. Generatoren werden synchronisiert. Physikalisch erklärt sich das Phänomen der Phasenverriegelung durch Nichtlinearitäten, die zwangsläufig in jedem Generator vorhanden sind, und durch parasitäres Eindringen des Signals von einem Generator in einen anderen (durch Stromkreise, durch parasitäre Kapazitäten usw.). Wie die Praxis zeigt, kann man, wenn man nicht auf spezielle Tricks wie die optoelektronische Entkopplung der Generatoren zurückgreift, für die Differenzfrequenz tatsächlich einen Schwellenwert für das Einsetzen der parasitären Synchronisation in der Größenordnung von 10 relativ zur Frequenz der Generatoren erhalten Hier können Sie abschätzen, mit welcher Frequenz der Metalldetektor auf Schwebungen arbeiten sollte, um eine maximale Empfindlichkeit von 4 ... 10 kHz und höher zu erreichen.

Die Selektivität für Metalle ist bei solchen Frequenzen, die alles andere als optimal sind, sehr schwach. Darüber hinaus ist es nahezu unmöglich, aus der Frequenzverschiebung des Generators die Phase des reflektierten Signals zu bestimmen. Daher hat der Metalldetektor keine Selektivität gegenüber Schlägen.

Die Reaktion des Geräts auf einen Metallgegenstand ist umgekehrt proportional zur sechsten Potenz der Entfernung. Es ist fast dasselbe wie bei Metalldetektoren, die auf dem „Sende-Empfangs“-Prinzip basieren. Allerdings ist die Erfassungsreichweite dieser Art von Geräten aufgrund des Effekts der parasitären Synchronisation meist deutlich schlechter.

Autor: Shchedrin A.I.

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