Funkcjonowanie wszystkich popularnych wykrywaczy oparte jest na jednej fundamentalnej zasadzie polegającej na pomiarze wpływu metali na  pole elektromagnetyczne. Pole to wytwarzane jest sztucznie przez sondę wykrywacza i jeżeli w pobliżu sondy znajdzie się metal zostanie ono zakłócone. Reasumując, aby wykrywacz coś wykrył,  powinien on generować własne pole elektromagnetyczne, powinien także mierzyć i sygnalizować w odpowiedni sposób jego zakłócenia. Reakcja detektora zależy głównie od właściwości magnetycznych zbliżanego do sondy materiału. Materiały posiadające względną przenikalność mniejszą od jedności, czyli mniejszą od przenikalności próżni, określane są mianem materiałów diamagnetycznych. Diamagnetyki to między innymi: złoto, srebro i miedź. Materiały posiadające względną przenikalność nieznacznie większą od jedności należą do grupy paramagnetyków (aluminium). I wreszcie materiały posiadające względną przenikalność magnetyczną znacznie większą od jedności, to ferromagnetyki - żelazo, kobalt i nikiel. Warto zapamiętać, że dia- i paramagnetyki zbliżone do sondy zmniejszają jej własną indukcyjność, natomiast ferromagnetyki zwiększają. Sztuczne pole elektomagnetyczne wytwarzane w sondzie detektora przenika do gruntu. Jeśli nie ma w nim jakiegokolwiek metalu to parametry pola powinny być stałe. W realnych warunkach, w wyniku mineralizacji gruntu, generowane pole jest stale zakłócane. Gdyby mineralizacja gruntu miała wartość stałą dla wszystkich rodzajów gleby to można by jej wpływ łatwo wyeliminować. Tak nie jest. Mineralizacja zmienia się przyjmując coraz to inne wartości dla różnych rodzajów gruntu. Ma tu znaczenie zawartość w gruncie soli, tlenków metali i wody. Stąd w rozbudowanych detektorach znajdują się skomplikowane układy, które śledzą na bieżąco stopień mineralizacji gruntu w celu jego całkowitej lub też częściowej kompensacji. Generowanie pola polega na doprowadzeniu do cewki pomiarowej wykrywacza sygnału sinusoidalnego lub prostokątnego, mogą to być także pojedyncze impulsy (wykrywacze typu PI). Częstotliwość sygnału wzbudzania cewki ma fundamentalne znaczenie. Częstotliwości niskie, rzędu 2 - 4 kHz wytwarzają pole penetrujące grunt głębiej, częstotliwości z zakresu 10 - 20 kHz szybciej zanikają w gruncie - penetracja jest płytsza. Z drugiej strony, detektory pracujące na bardzo małych częstotliwościach są mniej czułe na małe przedmioty. Natomiast detektory pracujące na częstotliwościach wyższych lepiej reagują właśnie na przedmioty małe. Kompromisem jest wybór częstotliwości w zakresie 5 - 8 kHz. Większość nowoczesnych wykrywaczy pracuje właśnie w tym zakresie. Stosunkowo niedawno, na rynku pojawiły się detektory pracujące na więcej niż jednej częstotliwości. Takie rozwiązanie zapewnia maksymalną głębokość penetracji i doskonałe wykrywanie przedmiotów małych i dużych. Podstawowym elementem detektorów mającym największy wpływ na ich zasięg jest cewka pomiarowa (sonda). Większa średnica sondy - większy zasięg wykrywania przedmiotów dużych i położonych dalej od cewki, za to mniejsza czułość na przedmioty mniejsze. Mniejsza średnica sondy - mniejszy zasięg wykrywania przedmiotów dużych i położonych głębiej, ale większa czułość na małe przedmioty.  Ze względu na budowę sondy wszystkie detektory możemy podzielić na dwie grupy. Do pierwszej z nich należą urządzenia wyposażone w sondę zawierającą jedno uzwojenie (cewkę). Grupa druga zawiera detektory wyposażone w sondy zawierające więcej niż jedną cewkę.

I. Detektory zawierające sondę z jedną cewką.

Najprostszym detektorem w tej grupie jest detektor częstotliwości (OR - Off Resonance)

Obwód rezonansowy detektora częstotliwości zestrojony jest w pobliżu częstotliwości generatora pomiarowego. Zmiana częstotliwości generatora na skutek zmian indukcyjność L cewki pomiarowej powoduje zmianę napięcia na wyjściu detektora. Zmiany napięcia prezentowane są na wskaźniku. Przedstawiony wariant detektora metalu praktycznie nie jest stosowany. Pomimo prostej konstrukcji charakteryzuje się wieloma mankamentami. Do najważniejszych z nich należy bezwarunkowa konieczność stabilizacji amplitudy napięcia generatora oraz wpływ zewnętrznych warunków na częstotliwość rezonansową obwodów LC detektora i generatora. Detektor częstotliwości może być zamieniony przetwornikiem typu f/U (częstotliwość - napięcie), jednak zmiany indukcyjności, a co za tym idzie i częstotliwości są tak małe, że w obecności szumów wyselekcjonowanie użytecznego sygnału jest problematyczne, stąd nadal niska czułość tego typu wykrywaczy.

Poprawienie czułości możliwe jest w wykrywaczach typu BFO (BFO - Beat Frequency Oscillation).

Zasada działania detektora polega na zdudnieniu wyjściowej częstotliwości  generatora pomiarowego (L - indukcyjność cewki pomiarowej) z częstotliwością heterodyny (generator wzorcowy). Generator pomiarowy i heterodyna (generator wzorcowy) są zestrojone na tą samą częstotliwość. Zmiana częstotliwości generatora (obecność metalu w polu cewki pomiarowej) powoduje, że na wyjściu mieszacza pojawi się sygnał częstotliwości różnicowej. Informacyjnym sygnałem jest sygnał akustyczny otrzymany z wyjścia mieszacza. Jest on doprowadzony bezpośrednio do słuchawek, stosowane są także analogowe wskaźniki. Wadą detektorów typu BFO jest ich nadal stosunkowo niska czułość związana z efektem wzajemnej synchronizacji dwóch generatorów (pomiarowego i wzorcowego), właściwość ta wyklucza detekcję bardzo małych zmian częstotliwości. Nie istnieje także możliwość rozróżnienia rodzaju metalu znajdującego się w polu cewki pomiarowej. Zbliżenie do cewki pomiarowej przedmiotu o właściwościach ferromagnetycznych powoduje zmniejszenie częstotliwości generatora pomiarowego, pozostałe rodzaje metali powodują jej zwiększenie. Na wyjściu mieszacza otrzymujemy sygnał różnicowy, niestety nie  zawiera on już informacji o znaku odchylenia częstotliwości. Zasada działania detektorów metali typu BFO wykorzystywana jest do dziś w prostych i tanich konstrukcjach. Detektory tego typu występują w wielu odmianach, jednak ich stosunkowo mały zasięg i stałe rozstrajanie się powodują, że konstruowane i wykonywane są głównie przez amatorów, sprzedawane są także jako zabawki.

Rozróżnienie rodzaju metali możliwe jest w detektorach zawierających obwody automatycznej fazowej regulacji częstotliwości (PLL - Phase Locked Loop).

Struktura detektora zawiera generator pomiarowy oraz generator wzorcowy. Generatory pracują na tej samej częstotliwości, przy czym częstotliwość generatora pomiarowego stale dostrajana jest do częstotliwości generatora wzorcowego. Rolę układu porównującego dwie częstotliwości spełnia pętla fazowa - blok “automatyczna fazowa regulacja częstotliwości”. Napięcie błędu pętli fazowej zawiera informację o kierunku odstrojenia generatora pomiarowego. Tak więc, detektor tego typu pozwala określić rodzaj materiału z jakiego jest wykonany przedmiot znajdujący się w polu cewki pomiarowej. Jednak w dalszym ciągu występuje tu efekt wzajemnej synchronizacji dwóch generatorów. Powoduje to zmniejszenie nachylenia charakterystyki regulacji, co skutkuje zmniejszeniem czułości urządzenia.

Rozwinięciem koncepcji detektora zawierającego cewkę pomiarową z jednym uzwojeniem jest częstościomierz cyfrowy (FM - Frequency Meter)

Częstościomierz mierzy stale sygnał generatora pomiarowego, częstotliwość, którego zmienia się w zależności od rodzaju i odległości przedmiotów metalowych znajdujących się w polu cewki pomiarowej. W początkowej fazie mierzona jest częstotliwość generatora bez wpływu przedmiotów metalowych. Zmierzona wartość zapisywana jest w pamięci. Następnie wykonywane są dalsze pomiary. Częstotliwość bieżąca porównywana jest z częstotliwością zapamiętaną. Jeśli pojawi się różnica pomiędzy bieżącą i zapamiętaną wartością częstotliwości generowany jest sygnał detekcji metalu. Znak różnicy określa rodzaj metalu. Podstawową zaletą detektora opartego na pomiarze częstotliwości jest praktyczny brak efektu synchronizacji generatorów. Generator pomiarowy pracuje z częstotliwością rzędu 2 - 15 kHz, natomiast częstotliwość generatora wzorcowego (heterodyny) wynosi zwykle 10 - 20MHz. Wykonanie detektora może opierać się na elementach dyskretnych, jednak zadanie jest dość skomplikowane i wymaga zastosowanie wielu układów. Zwiększy się znacznie pobór prądu, zwiększą gabaryty i cena, dodatkowo zmniejszy się niezawodność urządzenia. Zastosowanie odpowiedniego jednoukładowego procesora rozwiązuje wszystkie problemy. Procesor wyposażony w odpowiednie oprogramowanie zapewni bardzo dokładny pomiar częstotliwości - rzędu 0,1Hz (komplikując układ można poprawić jeszcze dokładność o jeden rząd wielkości), odpowiednie moduły oprogramowania umożliwią także eliminację wpływu mineralizacji gruntu, możliwa będzie kompensacja zmian częstotliwości generatora pomiarowego.

Większość funkcji, trudnych do realizacji w technologii wieloukładowej, wykonuje mikroprocesor. Pomiar częstotliwości, porównanie i zapamiętanie zmierzonych wartości, ich obróbka i filtracja, generowanie sygnałów dźwiękowych i świetlnych to podstawowe funkcje wykonywane przez procesor. Jeśli zastosowany procesor zawiera przetworniki analogowo-cyfrowe to dodając jeden potencjometr można regulować czułość urządzenia, można także sterować nim włączanie dodatkowych funkcji, takich jak praca w trybie rozróżniania rodzaju metalu, włączanie trybu pracy bez dźwięku itp. Ten typ wykrywacza nadaje się najbardziej do konstrukcji małego, lekkiego i energooszczędnego “pinpointera”. Opis takiego urządzenia zamieściłem w rozdziale “Detektory-konstrukcje  - Pinpointer”.

Jak już wspomniałem we wstępie do grupy detektorów wyposażonych w sondę pomiarową zawierającą jedno uzwojenie (zdarzają się nieliczne konstrukcje wyposażone w sondy z dwoma uzwojeniami) należą detektory typu PI (PI - Pulse Induction). Zasada działania detektora jest następująca. Na uzwojenie cewki detektora podawane są unipolarne impulsy prostokątne z częstotliwością od 10 - 20 Hz do nawet 1 - 2 kHz. Podczas trwania impulsu prąd w cewce narasta, przy czym przyrost prądu nie jest skokowy. Czas trwania pojedynczego impulsu dobiera się tak, by doprowadzić cewkę do nasycenia. Czyli do momentu, w którym prąd płynący w cewce ograniczony będzie tylko jej opornością. W czasie trwania impulsu generowane jest pole elektromagnetyczne przenikające w głąb gruntu. Jeśli w pobliżu znajduje się metalowy przedmiot wygenerowane pole powoduje powstanie prądów wirowych w “oświetlanym” przedmiocie. Wzbudzane jest własne pole elektromagnetyczne przedmiotu, które oddziaływuje na pole generowane przez cewkę detektora Obserwując kształt i prędkość zaniku prądu (napięcia) w cewce (po wyłączeniu impulsu wzbudzania) można określić czy w pobliżu cewki znajdują się jakieś przedmioty metalowe.

Rysunek przedstawia fazę pracy urządzenia po wyłączeniu impulsu wzbudzania. Krzywa 1 przedstawia kształt sygnału bez metalu w pobliżu cewki detektora, krzywa 2 - kształt sygnału z przedmiotem metalowym w pobliżu cewki. Detektory tego typu posiadają znaczny zasięg i przy rozsądnych gabarytach sondy można nimi wykrywać przedmioty stosunkowo małe położone blisko cewki, jak i przedmioty duże położone baaardzo głęboko. Do wad tego typu urządzeń należy zaliczyć brak możliwości wykrywania rodzaju metalu, stosunkowo wysoki pobór mocy i wysoką cenę w profesjonalnym wydaniu. Chociaż, zdarzają się konstrukcje posiadające, w formie szczątkowej, funkcje rozróżniania metali, przynajmniej tak je reklamują. Urządzenia tego typu są do dziś produkowane i są wykorzystywane przez poszukiwaczy zwłaszcza tych, którzy lubią głęboko kopać.

II. Detektory wyposażone w sondę zawierającą więcej niż jedną cewkę.

Rodzaj urządzeń wyposażonych w tego typu sondy tworzy grupę detektorów typu IB (IB - Induction Balance), czyli są to detektory z sondami indukcyjnie zrównoważonymi. Sondy takich detektorów mogą zawierać dwa lub trzy uzwojenia (cewki). Sondy z dwoma uzwojeniami zawierają cewkę nadawczą i cewkę odbiorczą. Pierwsza służy do wzbudzania własnego pola elektromagnetycznego detektora, w drugiej, jeśli w pobliżu znajduje się przedmiot metalowy, indukuje się sygnał celu. Jeśli w pobliżu sondy nie ma metalu w cewce odbiorczej nie powinien indukować się sygnał. Jak tego dokonać? Istnieje kilka sposobów. Jeśli cewka odbiorcza i nadawcza umieszczone są w tej samej płaszczyźnie (sondy z tak umieszczonymi uzwojeniami spotyka się najczęściej) to profilując w odpowiedni sposób kształt cewki nadawczej można doprowadzić do sytuacji, w której sprzężenie między cewkami będzie znikome i pomimo przepływu prądu w cewce nadawczej, na wyjściu cewki odbiorczej nie będzie indukowany żaden sygnał. Sondy tego typu mają charakterystyczny kształt rogala, są dziś konstruowane i produkowane bardzo rzadko (konstrukcje amatorskie i rzemieślnicze). Do podstawowych wad takiego rozwiązania należy zaliczyć skomplikowaną budowę i stosunkowo małą powierzchnię penetracji gruntu.

Istnieją także sondy, typ DD, konstrukcja których polega na umieszczeniu dwóch uzwojeń cewek wykonanych w kształcie litery D, przy czym jedno z uzwojeń jest odwrócone. Uzwojenia zachodzą na siebie, przez co uzyskuje się zerowy stopień sprzężenia cewek. Takie sondy świetnie nadają się do pracy w warunkach dużej mineralizacji gruntu. Charakteryzują się także dużym obszarem penetracji, jednak namierzanie celu jest trudniejsze. Mogą mieć kształt okrągły lub eliptyczny. Produkowane są do dziś.

Jeśli cewkę nadawczą umieścimy w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny, w jakiej umieszczono cewkę odbiorczą, to w takim układzie przy braku metalu w pobliżu cewek sprzężenie między nimi będzie także zerowe. Takie przestrzenne ustawienie cewek stosowane jest w wykrywaczach typu “Two-Box” (dwie skrzynki). Wykrywacze wyposażone w tak umieszczone uzwojenia charakteryzują się dużym zasięgiem detekcji dużych przedmiotów, ich zaletą jest także niska czułośc na przedmioty małe i położone w pobliżu cewek. Większość obecnie produkowanych urzadzeń tego typu pozwala wykrywać pustki.

Istnieją także sondy zawierające trzy cewki (uzwojenia). Wszystkie trzy uzwojenia umieszczone są w jednej płaszczyźnie, koncentrycznie. Zazwyczaj cewka nadawcza ma największą średnicę. Bliżej środka sondy umieszczona jest tak zwana cewka kompensacyjna  połączona szeregowo z cewką nadawczą. Jeszcze bliżej środka umieszczona jest cewka odbiorcza. Odpowiednia liczba zwojów poszczególnych cewek oraz ich położenie względem siebie powoduje, że i w tym rodzaju sond przy braku metalu w pobliżu sondy sygnał na wyjściu cewki odbiorczej nie występuje. Produkowane dziś detektory wyposażone są standardowo w tego typu sondy. Charakteryzują się dobrym zasięgiem. Stosować je należy dla mało i średnio zmineralizowanego gruntu.

 Reasumując, sondy można kompensować poprzez dobór kształtu cewek, ich ilość oraz poprzez odpowiednią wzajemną ich orientację w przestrzeni.

W idealnym przypadku, przy pełnej kompensacji uzwojeń i braku metalu w pobliżu sondy,  na wyjściu cewki odbiorczej nie występuje sygnał. Przy zbliżeniu metalu na wyjściu cewki indukowane jest napięcie zmienne, amplituda którego zależy od odległości i wielkości przedmiotu, a faza w stosunku do sygnału podawanego na cewkę nadawczą, od rodzaju zbliżanego materiału. Przesunięcia fazowe dla różnych metali ilustruje rysunek przedstawiony poniżej.

Wartości przesunięcia fazy dla para- i diamagnetyków są dodatnie i zawierają się w prawej części wykresu (krzywe w kolorze zielonym), dla ferromagnetyków przesunięcie fazowe jest ujemne (linia w kolorze niebieskim). Grunt, a w zasadzie jego mineralizacja ma także wpływ na przesuniecie fazowe odbieranego sygnału (wartości ujemne, linia w kolorze czerwonym).

Ogólny schemat blokowy nowoczesnego wykrywacza metali jest stosunkowo prosty. Sercem detektora jest układ synchronizacji, który wytwarza stabilny sygnał służący do zasilania cewki nadawczej sondy (połączone szeregowo dwie cewki nadawcza i kompensacyjna, przy czym koniec uzwojenia cewki kompensacyjnej połączony jest z końcem uzwojenia cewki nadawczej). Układ ten wytwarza również sygnał przesunięty o 90 stopni w stosunku do sygnału zasilającego cewkę nadawczą. Indukowany w cewce odbiorczej słaby sygnał jest wzmacniany. Po wzmocnieni sygnał ten doprowadzony jest do bloku synchronicznych detektorów fazy. W najprostszym rozwiązaniu blok detektorów fazy synchronizowany jest dwoma przebiegami podawanymi z bloku synchronizatora (sygnał z 0 fazą i sygnał z przesuniętą fazą o 90 stopni). Na wyjściu synchronicznego detektora fazy otrzymujemy dwa sygnały służące do wyliczenia przesunięcia fazowego odebranego sygnału, zwykle występuje także trzeci kanał, sygnał którego zawiera informację o tym czy w polu cewki znajduje się metal czy też nie. W układzie detekcji i sygnalizacji celu dokonywana jest obróbka matematyczna sygnałów, ich interpretacja oraz wyprowadzenie informacji na wyświetlacz, uruchamiany jest odpowiedni sygnał dźwiękowy.

W większości produkowanych dziś detektorów regulacja wzmocnienia użytecznego sygnału realizowana jest w dwojaki sposób. Pierwszy z nich, to zmiana współczynnika wzmocnienia (trakt wzmacniacza sygnału). Sprzętowa zmiana wzmocnienia stosowana jest zwykle w droższych modelach detektorów. Drugi sposób regulacji wzmocnienia sygnału polega na zmianie odpowiednich współczynników w oprogramowaniu procesora, jeśli taki jest zainstalowany w naszym detektorze. W tańszych modelach detektorów wzmocnienie sprzętowe jest stałe, ustawione przez producenta jako optymalne, czyli poniżej możliwości samego sprzętu. Modele droższe zapewniają zwykle regulację sprzętową i programową. Ważną cechą nowoczesnych detektorów jest ich tryb pracy. Większość produkowanych dziś urządzeń pracuje w trybie dynamicznym (detekcja celu możliwa jest tylko podczas ruchu sondy), tryb statyczny wykorzystywany jest podczas namierzania celu. Istnieją konstrukcje pracujące tylko w trybie statycznym (detekcja celu możliwa jest bez ruchu sondy). Są i takie modele (te “z górnej półki”, np.: detektory firmy White’s), które umożliwiają pracę w jednym z tych trybów lub w dwóch trybach jednocześnie. Inną, ważną cechą nowoczesnych detektorów jest możliwość dyskryminacji (wykluczenia) pewnych rodzajów metali. Włączenie tej funkcji zwykle zmniejsza nieco zasięg, ale  za to jest bardzo wygodne. Wszystkie produkowane obecnie modele detektorów posiadają systemy kompensacji mineralizacji gruntu. Zwykle pracują one w trybie automatycznym, ale są i takie urządzenia, które pozwalają kompensować wpływ gruntu w sposób ręczny lub automatyczny z możliwością dostosowania prędkości śledzenia zmian. Do rzadziej spotykanych funkcji w jakie wyposażone są bardziej skomplikowane i droższe detektory należy zaliczyć możliwość dostosowania szybkości ruchu sondy, możliwość włączenia dodatkowych filtrów eliminujących wpływ mineralizacji gruntu, praca w trybie dwóch lub większej ilości częstotliwości, regulacja stopnia dyskryminacji żelaza, regulacja szybkość odpowiedzi elektroniki na sygnał celu, stabilizacja poziomu sygnału wiodącego oraz wiele, wiele innych funkcji bardziej lub mniej przydatnych podczas prac poszukiwawczych.

Dopasowanie cewek sondy do układów wejściowych i wyjściowych detektora, kompensacja błędów wynikających z niedoskonałości uzwojeń, ich ilość i rodzaj oraz parametry drutu nawojowego, rodzaj wzmacniacza wejściowego (minimalizacja szumów), ilość kanałów synchronicznego detektora, moc wzmacniacza oraz rodzaj zastosowanych materiałów to zagadnienia, które wykraczają poza zakres niniejszego opracowania. Interesują one zwykle osoby zajmujące się konstruowaniem tego typu urządzeń. Dla zwykłego czytelnika informacje wyżej przedstawione są wystarczające do tego by zorientować się jak, w sposób najbardziej ogólny, działa jego detektor.

Volkmark   mailto: volkmark@gmail.com

[Detektory metali] [Polowanie na ......] [Teatr działań] [Pory roku] [Zasady działania sprzętu] [Czas wytoczyć działa] [White's Spectrum] [Technologia polowania] [Drażnienie kobry cz. I] [Drażnienie kobry cz. II] [Detektory - konstrukcje] [Wasze trofea] [A co nowego u dworu] [O autorze]