Зайцев А.П. и др. Технические средства и методы защиты информации (7-е издание, 2012) (1095365), страница 37
Текст из файла (страница 37)
При использовании метода переходных процессов намагничивание производят импульсамисложной формы, которые можно теоретически представить рядом Фурье (бесконечной суммой гармоник с определенными амплитудами и начальнымифазами). Металлический предмет, помещенный в магнитное поле гармонической формы, сам становится источником переменного магнитного поля, изменяющегося с той же частотой. Характерными признаками ОП являются особенности их амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных (ФЧХ) характеристик. Это значит, что электрофизические свойства материалов объекта поиска,а также геометрические размеры его элементов приводят к тому, что при некотором значении частоты намагничивающего поля амплитуда и фазовый сдвигсигнала, переизлучаемого ОП, будут при конкретной ориентации иметь отличия от множества ПЛП.Фазовый сдвиг поля, переизлучаемого металлическим предметом, больше у массивного предмета, к которому ближе ОП, чем у тонкостенного, чтоболее характерно для ПЛП.
Это связано с воздействием на намагничивающееполе реакции вихревых токов, протекающих ближе к поверхности металла.С глубиной из-за поверхностных вихревых токов уменьшается напряженностьэлектромагнитного поля. Эти токи оказывают экранирующее влияние на проникновение поля, что одновременно вызывает их ослабление и нарастающийс глубиной сдвиг по фазе по отношению к намагничивающему полю. Глубинапроникновения δ электромагнитных полей и вихревых токов в металл зависитот частоты:1δ≅,2 π f gμгде f – частота; g – электропроводность; μ – магнитная проницаемость.184Из формулы видно, что глубина проникновения вихревых токов в металлуменьшается с ростом частоты.
Поэтому на высоких частотах массивный металлический предмет и тонкостенный (одинаковой площади и формы, изготовленные из одного и того же материала) окажутся источниками одинаковыхпереизлученных полей. Поэтому на высоких частотах нельзя отличить массивный предмет от немассивного.Теория вихревых токов дает возможность при различных частотах намагничивающего поля определить изменение активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления катушки в зависимости от электропроводности, размера и формы предмета, помещенного в катушку.
Теория базируется на уравнении Максвелла. Из решения этого уравнения вытекает рядформул, показывающих зависимости комплексного сопротивления катушки отэлектропроводности, магнитной проницаемости материала и размеров предмета, помещенного в нее. Эти зависимости показывают также, что имеетсямаксимум реактивной составляющей комплексного сопротивления катушки,соответствующий определенным параметрам (размерам, материалу), находящегося в ней предмета.Рассмотрим влияние на характеристики магнитного момента, индуцированного в проводящем предмете, вида материала, из которого он изготовлен.Пусть круглый, тонкий плоский неферромагнитный диск с радиусом r,толщиной l, обладающий электропроводностью g, намагничивается однородным синусоидальным во времени электромагнитным полем.
Поле направленоперпендикулярно к плоскости диска и имеет параметры: амплитуда напряженности магнитного поля Hm, круговая частота ω. Тогда при некоторых частотах (ω < 0,5ωрез) намагничивающего поля вихревой ток обусловливает появление в диске индуцированного магнитного момента Р с амплитудойPm = 0,42 ⋅10−6 γλω r 4 H m ,отстающего по фазе приблизительно на 90° от намагничивающего поля.При некоторых частотах (больших резонансной частоты ωрез) вихревойток отстает по фазе на 180° от намагничивающего поля, а следовательно, создаваемый им магнитный поток через плоскость диска направлен навстречупотоку индукции намагничивающего поля и почти компенсирует его.
В этомслучае магнитный момент отстает на 180° от намагничивающего поля, а егоамплитуда определяется выражением Рm = 6 r3 Hm.Приведенные зависимости для амплитуды магнитного момента сохраняются для квадрата со стороной а = 2r. Для тонкой плоской прямоугольнойпластины толщиной d с размерами сторон а, аn, где n – произвольное целоечисло, амплитуда магнитного момента будет в n раз больше. В целом эти зависимости сохраняются и для предметов более сложной формы.185Индуцированный магнитный момент неферромагнитного проводящегопредмета в основном определяется третьей и четвертой степенями его меньшего размера в плоскости, перпендикулярной намагничивающему полю, и вменьшей степени зависит от других его геометрических характеристик.Особенности намагничивания ферромагнитного проводящего предметазаключаются в следующем. С изменением частоты намагничивающего полясуммарный вектор магнитного момента предмета может сначала нескольковозрасти по модулю, а затем с ростом частоты намагничивающего поля будетуменьшаться, становясь заметно меньше значения, соответствующего нулевойчастоте.
Вследствие этого составляющая индуцированного магнитного момента, синфазная с намагничивающим полем, у ферромагнитного предметаменяет знак при возрастании частоты, а у неферромагнитного не меняет.Квадратурная составляющая магнитного момента всегда имеет один и тот жезнак для любого предмета. Это дает возможность различать эти предметымежду собой.Кроме типа материала, на величину комплексного сопротивления катушки влияет расположение предмета относительно катушки. Зависимость этойхарактеристики катушки от перечисленных параметров соответственно поразному влияет на амплитуду и фазу ЭДС, наведенной в ней под действиемпереизлученного поля.
При включении такой катушки в соответствующуюизмерительную схему становятся возможными выделение сигналов и оценкаих параметров, наиболее характерных для обнаруживаемых ОП.Амплитуда сигнала от переизлученного поля сильно зависит от расстояния между исследуемым предметом и катушками. Максимальный сигнал соответствует нахождению предмета вблизи приемной или излучающей катушки, а минимальный – позиции посредине между катушками.Характерными признаками ОП при использовании импульсного намагничивания являются продолжительность и вид процесса затухания вихревыхтоков в обследуемом предмете, переносимые в сигнал, наведенный в приемной катушке переизлученным полем.
За критерии селекции могут быть приняты текущие значения переходной характеристики для различных моментоввремени или результат их совместной обработки по специальным алгоритмамраспознавания ОП.При применении этого метода идеальным является намагничивающееполе, изменяющееся по прямоугольному закону. Однако на практике получить это невозможно из-за электромагнитной инерции излучающей катушки.Ток в катушке, подключенной к генератору прямоугольных импульсов, будетнарастать по экспоненциальному закону с постоянной времениτ = L /R .При ограничениях на индуктивность L и активное сопротивление R(L > 0,01 Гн, R > 5 Ом) постоянная времени τ составит не менее единиц мил186лисекунд, а длительность переднего фронта импульса намагничивающего поля составит (3…4)τ.Задний фронт импульса намагничивающего тока зависит от быстродействия силовых ключей, разрывающих цепь этого тока, и еще в большей степени от условий отсутствия затухающих колебаний намагничивающего поляпосле выключения тока.
При таких условиях длительность заднего фронтаволны намагничивающего поля реально может составлять не менее 10–4 с.Это значит, что при импульсном намагничивании в реальном металлодетекторе максимальная частота гармонических составляющих не может превысить10 кГц. В настоящее время большое распространение получило импульсноенамагничивание с формой волны поля в виде отрезков полусинусоид (или комбинация таких отрезков).Кроме постоянной времени намагничивающей цепи (в обесточенном состоянии), необходимо учитывать и постоянную времени приемной катушки,воспринимающей поле переизлучения ОП.
Для предотвращения возникновения затухающих колебаний эта постоянная времени также должна быть неменее некоторого значения. Вследствие этого верхняя граница частотногодиапазона поля переизлучения ОП при использовании метода переходныхпроцессов, так же как и для намагничивающего поля, не превышает 10 кГц.Металлодетекторы подразделяются на переносные и стационарные, нопринципы их работы одинаковы. Рассмотрим принципы работы индукционных токовихревых металлодетекторов на примерах переносных моделей [32].Металлодетекторы низкой и сверхнизкой частоты.
Здесь описываютсядетекторы «индуктивного баланса», которые иногда называют детекторамисверхнизкой частоты (СНЧ). Рабочая частота у таких детекторов ниже 30 кГц.В настоящее время это наиболее распространенная технология, включающаяв себя также и детекторы низкой частоты (НЧ) – 30…300 кГц.Внутри поисковой рамки металлодетектора низкой частоты (поисковуюрамку также называют поисковой головкой, катушкой, антенной) располагаетсянамотанный провод передающей катушки. Электрический ток, проходя по ней,создает переменное электромагнитное поле с частотой несколько килогерц.При проходящем токе одного направления возникает магнитное поле,направленное в землю, а при смене направления тока магнитное поле будетнаправлено уже от земли (как южный и северный полюса у магнита). В любом металлическом или электропроводящем объекте, оказавшемся в зоне действия изменяющегося магнитного поля, возникнет индуктированный электрический ток.
Наведённый ток, в свою очередь, создаст собственное магнитноеполе, направленное встречно магнитному полю передатчика.Внутри рамки расположена еще одна (приемная) катушка, ориентированная таким образом, чтобы максимально ослабить взаимное влияние передающей катушки. Для этой цели используются и другие специальные методы.187Электромагнитное поле от оказавшегося поблизости металлического предмета будет наводить в приемной катушке ЭДС и ток, который можно усилить иобработать электронными средствами, предварительно отфильтровав его отболее мощного сигнала передатчика.Принятый сигнал из-за электромагнитной инерции приемной катушки иобъекта появляется с некоторым сдвигом по фазе относительно излученногосигнала. Максимальный фазовый сдвиг обеспечат объекты, которые обладаютбольшей индуктивностью и меньшей резистивностью – это большие, толстыепредметы, сделанные из хороших проводников, таких как золото, серебро имедь.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
