Jak działa wykrywacz metali?

Poszukiwanie metali i złota jest zjawiskiem bardziej powszechnym niż sądzisz. 

Zdjęcie: TAHREER PHOTOGRAPHY / GETTY IMAGES

Faktem jest, że wszystkie te skojarzenia są poprawne. Technologia, która stanowi podstawę działania wykrywacza metali, znajduje szerokie zastosowanie w odniesieniu do różnych aspektów życia ludzkiego począwszy od czasu wolnego a skończywszy na pracy i bezpieczeństwie. Stosowanie wykrywaczy metali na lotniskach, w biurach, szkołach, agencjach rządowych i więzieniach ma pomóc wykluczyć możliwość wnoszenia broni na teren obiektów użyteczności publicznej. Wykrywacze metali przeznaczone dla zwykłych zjadaczy chleba dają milionom ludzi na całym świecie możliwość szukania ukrytych skarbów (wraz z ogromną ilością śmieci).

W niniejszym artykule dowiemy się, czym jest wykrywacz metali i jakie technologie zostały wykorzystane do jego budowy. Skupimy się głównie na wykrywaczach metali dla użytkowników indywidualnych, chociaż większość podanych tutaj informacji będzie odnosiła się również do rozwiązań stosowanych na lotniskach, a także w ręcznych skanerach bezpieczeństwa.

Spis treści

1. Budowa wykrywacza metali
2. Technologia VLF
3. Przesunięcie fazowe VLF
4. Technologia PI
5. Technologia BFO
6. Zakopany skarb
7. Praca na podobieństwo pracy detektywa

Budowa wykrywacza metali

Wykrywacz metali Garrett GTI 1500

Zdjęcie: GARRETT ELECTRONICS

Typowy wykrywacz metali jest lekki i składa się z zaledwie kilku części:

1. Stabilizator (opcjonalnie) — zapewnia stabilne działanie urządzenia podczas machania nim do przodu i do tyłu.

2. Panel sterujący - zawiera obwody, elementy sterujące, głośnik, baterie i mikroprocesor.

3. Sztyca - łączy panel sterujący z cewką; często regulowana z możliwością dostosowania jej długości do wzrostu użytkownika.

4. Cewka - część wykrywacza, która faktycznie wykrywa metal; funkcjonująca również pod nazwą „głowica wyszukiwania”, „pętla” lub „antena”.

Większość urządzeń posiada również gniazdo do podłączenia słuchawek na jack'a, a niektóre mają panel sterujący umieszczony poniżej sztycy i niewielki wyświetlacz znajdujący się powyżej.

Obsługa wykrywacza metali jest prosta. Po włączeniu urządzenia należy powoli przemieszczać się z wykrywaczem po przeszukiwanym obszarze. W większości przypadków wiąże się to z wymachiwaniem cewką (głowicą wyszukiwania) przed sobą, tam i z powrotem nad powierzchnią ziemi. Kiedy cewka znajdzie się nad poszukiwanym obiektem, rozlegnie się sygnał dźwiękowy. Bardziej zaawansowane wykrywacze metali posiadają wyświetlacze, które dokładnie informują o rodzaju wykrytego metalu i głębokości, na jakiej znajduje się zlokalizowany przedmiot.

Wykrywacze metali korzystają z jednej z trzech niżej wymienionych technologii:

Technologia bardzo niskiej częstotliwości (VLF);

Technologia impulsów indukcyjnych (PI);

Technologia oscylacji częstotliwości bicia (BFO).

W dalszej części przyjrzymy się szczegółowo każdej z tych technologii, aby poznać ich zasadę działania.

Technologia VLF

Wykrywacz metali LandRanger firmy Bounty Hunter opiera się na technologii VLF.

Zdjęcie: BOUNTY HUNTER

Technologia bardzo niskiej częstotliwość (VLF), znana również jako technologia równowagi indukcyjnej, jest prawdopodobnie najpopularniejszą obecnie stosowaną technologią w produkcji wykrywaczy metali. Wykrywacz metali wykorzystujący technologię VLF posiada dwie różne cewki:

Cewka nadajnika – jest to zewnętrzny obwód cewki. Ma on formę zwoju drutu. Tym przewodem, tysiące razy na sekundę, biegnie prąd elektryczny, najpierw w jednym kierunku, a następnie w kierunku przeciwnym. Liczba zmian kierunku przebiegu prądu na sekundę stanowi o częstotliwości urządzenia.

Cewka odbiornika – jest to dodatkowy zwój drutu stalowego. Działa on jak antena, która wychwytuje i wzmacnia częstotliwości pochodzące od przedmiotów znajdujących się w ziemi.

Prąd przepływający przez cewkę nadajnika tworzy pole elektromagnetyczne, podobnie jak w silniku elektrycznym. Pole magnetyczne jest spolaryzowane prostopadle do zwoju drutu. Przy każdej zmianie kierunku przepływu prądu zmienia się polaryzacja pola magnetycznego. Oznacza to, że jeżeli zwój drutu znajduje się w płaszczyźnie równoległej do powierzchni ziemi, pole magnetyczne cały czas „wchodzi” w ziemię, a następnie z niej „wychodzi”.

Takie pulsowanie pola magnetycznego góra-dół, w kierunku do i z ziemi, oddziałuje na wszystkie napotkane po drodze przedmioty mające właściwości przewodzenia. W wyniku tego oddziaływania same zaczynają wytwarzać słabe pole magnetyczne. Pole magnetyczne danego przedmiotu jest spolaryzowane dokładnie przeciwnie do pola magnetycznego cewki nadajnika. Jeżeli pole magnetyczne cewki nadajnika pulsuje w dół, pole magnetyczne przedmiotu pulsuje w górę.

Cewka odbiornika jest całkowicie izolowana od pola magnetycznego generowanego przez cewkę nadajnika. Jednakże, nie jest izolowana od pola magnetycznego pochodzącego od przedmiotów znajdujących się w ziemi. Dlatego też, gdy cewka odbiornika przesuwa się ponad obiektem wytwarzając pole magnetyczne, przez cewkę przepływa niewielki prąd elektryczny. Prąd ten oscyluje z tą samą częstotliwością, co pole magnetyczne przedmiotu. Cewka wzmacnia częstotliwość i wysyła ją do panelu sterowania wykrywacza, w którym czujniki analizują sygnał.

Wykrywacz metali jest w stanie określić w przybliżeniu na jakiej głębokości leży dany przedmiot na podstawie siły generowanego przez niego pola magnetycznego. Im bliżej powierzchni ziemi znajduje się przedmiot, tym silniejsze pole magnetyczne odbiera cewka odbiornika. A co za tym idzie, tym silniejszy generuje prąd elektryczny. Im głębiej pod powierzchnią ziemi znajduje się dany przedmiot, tym słabsze jest jego pole magnetyczne. Poniżej pewnej głębokości pole magnetyczne generowane przez przedmiot jest tak słabe, że  staje się niewykrywalne dla cewki odbiornika.

W dalszej części artykułu dowiemy się w jaki sposób wykrywacz metali wykonany w technologii VLF dokonuje rozróżnienia pomiędzy różnymi rodzajami metali.

Przesunięcie fazowe VLF

W jaki sposób wykrywacz metali wykonany w technologii VLF rozróżnia różne metale? Wszystko opiera się na zjawisku znanym jako przesunięcie fazowe. Przesunięcie fazowe to różnica w czasie pomiędzy częstotliwością cewki nadajnika a częstotliwością obiektu docelowego. Ta rozbieżność może wynikać z kilku rzeczy:

Indukcyjność - przedmiot, który łatwo przewodzi prąd (charakteryzuje się indukcyjnością), wolno reaguje na zmiany prądu. Indukcyjność można porównać do głębokiej rzeki: jeżeli zmieni się ilość wody wpływającej do niej, różnicę można zauważyć dopiero po jakimś czasie.

Rezystancja - przedmiot, który nie przewodzi łatwo elektryczności (charakteryzuje się rezystancją), szybko reaguje na zmiany prądu. Stosując tą samą analogię do wody, opór to mały, płytki strumień: jeżeli zmieni się ilość wody wpływającej do strumienia, spadek poziomu wody da się zauważyć bardzo szybko.

Zasadniczo oznacza to, że przedmiot o wysokiej indukcyjności będzie miał większe przesunięcie fazowe, ponieważ zmiana jego pola magnetycznego trwa dłużej. Przedmiot o dużej rezystancji będzie miał mniejsze przesunięcie fazowe.

Przesunięcie fazowe zapewnia wykrywaczom metali opartym na technologii VLF funkcję zwaną dyskryminacją. Ponieważ większość metali różni się zarówno indukcyjnością, jak i rezystancją, wykrywacz metali VLF bada wielkość przesunięcia fazowego za pomocą pary obwodów elektronicznych zwanych demodulatorami fazy i porównuje je ze średnią dla określonego rodzaju metalu. Następnie wykrywacz powiadamia za pomocą sygnału dźwiękowego lub wskaźnika wizualnego, do jakiej grupy metali prawdopodobnie należy dany przedmiot.

Wiele wykrywaczy metali daje nawet możliwość przefiltrowania (rozróżniania) przedmiotów powyżej pewnego poziomu przesunięcia fazowego. Poziom filtrowania przesunięcia fazowego można zazwyczaj ustawić regulując pokrętło zwiększające lub zmniejszające zakres. Wykrywacze metali VLF posiadają jeszcze jedną funkcję dyskryminacji. Jest to tzw. dyskryminacja wybiórcza. Funkcja dyskryminacji wybiórczej to filtr różnicujący wykrywane przedmioty pod względem określonego segmentu przesunięcia fazowego. Wykrywacz  nie tylko powiadamia jakie przedmioty znajdują się powyżej tego segmentu, jak to miałoby miejsce w przypadku normalnej dyskryminacji, ale informuje również o przedmiotach znajdujących się poniżej tego zakresu.

Zaawansowane wykrywacze metali umożliwiają nawet zaprogramowanie wielu poziomów dyskryminacji. Na przykład można ustawić wykrywacz tak, aby ignorował przedmioty, których przesunięcie fazowe jest porównywalne z przesunięciem fazowym zawleczki puszki po napojach gazowanych lub małego gwoździa. Wadą dyskryminacji wybiórczej jest to, że korzystając z tej funkcji możemy pominąć wiele cennych przedmiotów, ze względu na fakt, że ich przesunięcie fazowe jest podobne do przesunięcia fazowego „śmieci”. Jeżeli jednak wiemy jakiego typu przedmiotu szukamy, funkcja ta może być niezwykle przydatna.

Technologia PI

Wykrywacz metali firmy Garrett korzysta z funkcji indukcji impulsowej.

Zdjęcie: GARRETT ELECTRONICS

Mniej popularny wykrywacz metali opiera się na indukcji impulsowej (PI). W przeciwieństwie do VLF, wykrywacze metali bazujące na funkcji PI oferują możliwość wykorzystywania jednej cewki jako nadajnika i odbiornika, lub mogą mieć dwie lub nawet trzy cewki pracujące jednocześnie. Przy zastosowaniu tej technologii urządzenie wysyła silny, krótki impuls elektryczny za pośrednictwem cewki elektrycznej. Każdy taki impuls generuje krótkie pole magnetyczne. Wraz z jego wygaśnięciem, pole magnetyczne odwraca polaryzację i gwałtownie zanika, powodując gwałtowny wzrost impulsu elektrycznego. Trwa on kilka mikrosekund (milionowych części sekundy) i wywołuje kolejny przepływ prądu przez cewkę. Prąd ten nazywany jest impulsem odbitym i jest niezwykle krótki. Trwa zaledwie około 30 mikrosekund. Następnie wysyłany jest kolejny impuls i proces się powtarza. Typowy wykrywacz metali oparty na technologii PI wysyła około 100 impulsów na sekundę, ale liczba ta może się znacznie różnić w zależności od producenta i modelu, i waha się od kilkudziesięciu impulsów na sekundę do ponad tysiąca.

W chwili, gdy wykrywacz metalu znajdzie się nad metalowym przedmiotem, wysyłany przez niego impuls wywołuje powstanie w przedmiocie przeciwnego pola magnetycznego. Kiedy pole magnetyczne impulsu zanika, wywołując impuls odbity, pole magnetyczne przedmiotu sprawia, że całkowite zanikanie odbitego impulsu zajmuje więcej czasu. Proces ten jest podobny do powstawania echa: jeśli krzykniemy w pomieszczeniu, w którym znajduje się tylko kilka twardych powierzchni, prawdopodobnie usłyszymy bardzo krótkie echo lub w ogóle go nie usłyszymy. Ale jeśli krzykniemy w pomieszczeniu, w którym jest wiele twardych powierzchni, echo będzie trwać dłużej. W wykrywaczu metali opartym na technologii PI pole magnetyczne poszukiwanego przedmiotu dodaje swoje „echo” do odbitego impulsu, dzięki czemu trwa on ułamek dłużej niż gdyby „echo"  nie zostało w ogóle dodane.

Obwód próbkujący w wykrywaczu metali jest ustawiony na monitorowanie długości odbitego impulsu. Porównując uzyskany wynik z długością oczekiwaną, obwód jest w stanie określić, czy jakieś inne pole magnetyczne spowodowało dłuższy czas zaniku odbitego impulsu. W przypadku gdy trwa ono o kilka mikrosekund dłużej niż zwykle, istnieje prawdopodobieństwo, że zakłóca go obecność jakiegoś metalowego przedmiotu.

Obwód próbkujący wysyła niewielkie, słabe sygnały do urządzenia zwanego integratorem jednocześnie je monitorując. Integrator odczytuje sygnały z obwodu próbkującego, wzmacnia je i przetwarza na prąd stały (DC). Napięcie prądu stałego jest podłączane do obwodu audio, gdzie zamieniane jest na sygnał dźwiękowy, którym wykrywacz metali sygnalizuje, że wykryto poszukiwany przedmiot.

Wykrywacze oparte na technologii PI niezbyt dobrze sprawdzają się w procesie dyskryminacji, ponieważ rozróżnienie pomiędzy długościami odbitego impulsu poszczególnych metali nie jest sprawą łatwą. Są one jednak przydatne w wielu sytuacjach, w których zastosowanie wykrywaczy metali opartych na technologii VLF byłoby utrudnione, na przykład w miejscach, gdzie w glebie lub w środowisku w sensie ogólnym, występuje materiał o wysokiej przewodności. Dobrym przykładem może być poszukiwanie przedmiotów w słonej wodzie. Ponadto urządzenia oparte na technologii PI, w odróżnieniu od innych urządzeń, często pozwalają na wykrycie metalowego przedmiotu znajdującego się  znacznie głębiej w ziemi.

Technologia BFO

W najbardziej podstawowym sposobie wykrywania metali wykorzystuje się technologię zwaną oscylatorem częstotliwości dudnień (BFO). W urządzeniu opartym na technologii BFO występują dwa zwoje drutu. Jeden duży zwój znajduje się w głowicy wyszukiwania, a mniejsza cewka znajduje się wewnątrz panelu sterującym. Każdy zwój jest podłączony do oscylatora, który generuje tysiące impulsów prądu na sekundę. Częstotliwość tych impulsów jest nieznacznie przesunięta pomiędzy dwoma zwojami.

W chwili, gdy impulsy elektryczne przechodzą przez każdy zwój generowana jest fala radiowa. Mały odbiornik w panelu sterującym odbiera fale radiowe i tworzy serię dźwięków (uderzeń) na podstawie różnicy pomiędzy częstotliwościami.

Jeśli cewka głowicy wyszukiwania przesuwa się nad metalowym przedmiotem, pole magnetyczne wywołane prądem przepływającym przez cewkę tworzy pole magnetyczne wokół przedmiotu. Jego pole magnetyczne zakłóca częstotliwość fal radiowych generowanych przez cewkę głowicy wyszukiwania. Ponieważ częstotliwość tego pola odbiega od częstotliwości cewki w panelu sterującym, długość i ton sygnałów dźwiękowych zmieniają się.

Technologia BFO

Prostota urządzeń opartych na technologii BFO pozwala na ich produkcję i sprzedaż w bardzo niskich cenach.  Jednakże te wykrywacze nie zapewniają poziomu kontroli i dokładności oferowanych przez urządzenia  wykorzystujące technologie VLF lub PI.

Ukryty skarb

Wykrywacze metali doskonale nadają się do poszukiwania zakopanych przedmiotów. Jednakże dany przedmiot musi znajdować się w odległości około stopy od powierzchni ziemi, aby wykrywacz mógł go zlokalizować. Większość wykrywaczy działa w standardowym maksymalnym zakresie głębokości około 8 do 12 cali (20 do 30 centymetrów). Faktyczny zasięg poszczególnych wykrywaczy jest różny w zależności od wielu czynników:

Rodzaj wykrywacza metali - technologia zastosowana do wykrywania metali jest głównym czynnikiem wpływającym na możliwości danego wykrywacza. Istnieją również odmiany i dodatkowe funkcje, które różnicują wykrywacze wykorzystujące tę samą technologię. Przykładowo, niektóre wykrywacze VLF wykorzystują wyższe częstotliwości w porównaniu do innych urządzeń, podczas gdy inne są wyposażone w większe lub mniejsze cewki. Ponadto czujnik i technologia wzmacniania mogą się różnić w zależności od producenta a nawet od modelu oferowanego przez tego samego producenta.

Rodzaj metalu, z którego zbudowany jest przedmiot - niektóre metale, takie jak żelazo, wytwarzają silniejsze pola magnetyczne niż inne.

Wielkość przedmiotu - znacznie trudniej wykryć monetę dziesięciogroszową niż złotówkę, jeżeli są zakopane głęboko w ziemi.

Skład gleby - niektóre minerały są naturalnymi przewodnikami i mogą poważnie zakłócać działanie wykrywacza metali.

Efekt halo przedmiotu - niektóre przedmioty metalowe leżąc w ziemi od dłuższego czasu powodują zwiększenie przewodności gleby w najbliższym sąsiedztwie.

Zakłócenia pochodzące od innych przedmiotów - mogą to być przedmioty znajdujące się w ziemi, takie jak rury lub kable, lub przedmioty znajdujące się nad powierzchnią ziemi, takie jak linie energetyczne.

Wykrywanie metali jako hobby to fascynujący świat, który ma różne oblicza. Oto niektóre z bardziej popularnych aspektów tej działalności:

Polowanie na monety - szukanie monet po zakończeniu różnych, większych wydarzeń kulturalnych, takich jak mecz piłkarski lub koncert muzyczny, lub po prostu poszukiwanie starych monet w sensie ogólnym.

Eksploracja złóż - poszukiwanie cennych metali, takich jak bryłki złota.

Poszukiwanie zabytkowych przedmiotów - szukanie przedmiotów o wartości historycznej, takich jak np. broń używana w USA podczas wojny domowej.

Szukanie skarbów - próby odnalezienia skrzynek ze złotem, srebrem lub czymkolwiek innym, co podobno zostało gdzieś ukryte

Wielu entuzjastów wykrywaczy metali zapisuje się do lokalnych lub krajowych klubów, które udzielają dobrych rad i wskazówek w zakresie poszukiwania. Niektóre z tych klubów sponsorują swoim członkom zorganizowane wyprawy na poszukiwanie skarbów lub inne wycieczki. Więcej informacji odnośnie klubów można uzyskać pod adresem http://www.losttreasure.com/.

Praca na podobieństwo pracy detektywa

Bramkowy wykrywacz metali firmy Garrett.

Zdjęcie: GARRETT ELECTRONICS

Oprócz zastosowań rekreacyjnych wykrywacze metali spełniają również szereg innych funkcji użytkowych. Stacjonarne wykrywacze metali zwykle wykorzystują pewną odmianę technologii PI, podczas gdy wiele podstawowych, ręcznych wykrywaczy opiera się na technologii BFO.

Do niektórych zastosowań wykrywaczy metali zaliczamy:

Ochrona lotniska – kontrola pasażerów przed wejściem do strefy oczekiwania na wejście na pokład samolotu (patrz: Jak działa ochrona na lotnisku: https://science.howstuffworks.com/transport/flight/modern/airport-security.htm)

Ochrona budynków – kontrola osób wchodzących do budynku, np. szkoły, biura czy więzienia.

Bezpieczeństwo imprez – kontrola osób biorących udział w wydarzeniach sportowych, koncertach lub innych, dużych zgromadzeniach ludzi.

Odnajdywanie zagubionych przedmiotów — pomoc w odnalezieniu zagubionego przedmiotu, np. biżuterii.

Wykopaliska archeologiczne - poszukiwanie metalowych przedmiotów o znaczeniu historycznym.

Badania geologiczne - badanie składu gleby lub formacji skalnych pod kątem zawartości metali.

Ręczny wykrywacz metali Super Scanner firmy Garrett.

Zdjęcie: GARRETT ELECTRONICS

Producenci wykrywaczy metali stale udoskonalają proces produkcji w celu poprawienia dokładności, czułości i zapewnienia większej wszechstronności swoich produktów.