اصول عملکرد فلزیاب های پالسی

معمولاً وقتی در اینترنت به دنبال یک موضوع خاص می‌گردید و وارد سایت‌های مختلف می‌شوید، با توضیحات طولانی مثل معرفی و تاریخچه روبه‌رو می‌شوید. اما بیایید دقیق‌تر نگاه کنیم؛ زمانی که فردی در حال خواندن مقاله «فلزیاب‌های پالسی» است، به احتمال زیاد از قبل می‌داند فلزیاب چیست و با کاربرد و تاریخچه آن آشنایی دارد. بنابراین هدف او، آشنایی با خود فلزیاب‌های پالسی است. در نتیجه، بدون توضیحات اضافه، مستقیماً به سراغ اصل موضوع می‌رویم.

برای ادامه بحث نیاز به یادگیری چند پدیده فیزیکی داریم :

ما با مفهومی نسبتاً پیچیده و در عین حال بنیادی به نام میدان‌های الکترومغناطیسی سروکار داریم. درک کامل ماهیت این میدان‌ها همچنان یکی از موضوعات مهم پژوهشی در مراکز علمی بزرگی مانند CERN است. در عمل، ما رفتار این میدان‌ها را با دقت بسیار بالا مدل‌سازی و پیش‌بینی می‌کنیم و معادلات متعددی برای توصیف آن‌ها داریم. همچنین در فناوری‌های مختلف از آن‌ها استفاده می‌کنیم؛ اما درک ماهیت بنیادین اینکه دقیقاً «چی هستند» و «از چه چیزی تشکیل شده‌اند»، در چارچوب دانش فعلی بشر به‌طور کامل ممکن نیست. بنابراین ما آن‌ها را به‌عنوان مفاهیمی با رفتارهای قابل پیش‌بینی در نظر می‌گیریم.

اگر یک الکترون را به‌عنوان یک بار الکتریکی در نظر بگیریم، در اطراف خود میدانی به نام میدان الکتریکی ایجاد می‌کند. زمانی که این الکترون شروع به حرکت کند، از دید یک ناظر ساکن، علاوه بر میدان الکتریکی، یک میدان جدید به نام میدان مغناطیسی نیز مشاهده می‌شود. این وابستگی به چارچوب مرجع ناظر اهمیت زیادی دارد و باید همیشه در نظر گرفته شود.

بنابراین هرگاه الکترون‌ها در حال حرکت باشند، مانند جریان الکتریسیته در یک سیم، در اطراف مسیر حرکت آن‌ها (سیم) یک میدان مغناطیسی شکل می‌گیرد. با توقف جریان، این میدان مغناطیسی نیز از بین می‌رود.

در مقابل ، اجسام دارایه خاصیت مغناطیسی مانند آهنربا نیز میدان مغناطیسی تولید می‌کنند. برای توضیح ساده‌تر، آهنربا را به‌عنوان نمونه در نظر می‌گیریم. یک آهنربا در اطراف خود دارای میدان مغناطیسی است. اگر این جسم مغناطیسی شروع به حرکت کند (اعم از حرکت یکنواخت، شتاب‌دار، نوسانی یا چرخشی)، از دید یک ناظر ساکن، یک میدان الکتریکی در اطراف آن ظاهر می‌شود. با توقف حرکت، این میدان الکتریکی از بین می‌رود و تنها میدان مغناطیسی باقی می‌ماند.

در بسیاری از کتاب‌های فیزیک و منابع آموزشی، به‌جای بررسی دقیق و رفتاری این پدیده‌ها، بیشتر به بیان آن‌ها در قالب قوانین از پیش تعریف‌شده پرداخته می‌شود. در نتیجه ممکن است مخاطب درک عمیقی از رفتار واقعی این پدیده‌ها به دست نیاورد. در این مقاله تلاش شده ابتدا رفتار این ذرات به‌صورت ساده و دقیق توضیح داده شود و سپس به سراغ قوانین مربوطه برویم. در نهایت باید توجه داشت که قوانین فیزیک، توصیفی از همین رفتارهای مشاهده‌شده هستند و نه مفاهیمی پیچیده و غیرقابل فهم.

قوانین فیزیکی مورد نیاز برای درک بهتر :

قانون القای فارادی : بیان می‌کند که یک میدان مغناطیسیِ متغیر با زمان می‌تواند در یک مدار بسته جریان الکتریکی القا کند. به‌عنوان مثال، اگر یک آهنربا در حال حرکت باشد (از لحظه شروع حرکت تا توقف)، تغییر میدان مغناطیسی آن باعث ایجاد جریان در یک مدار بسته می‌شود.

بر اساس تعاریف اولیه‌ای که گفتیم، درک این موضوع ساده‌تر می‌شود: هر میدان مغناطیسی که با زمان تغییر کند، یک میدان الکتریکی القا می‌کند. این میدان الکتریکی سپس باعث حرکت بارهای الکتریکی درون رسانا شده و در نتیجه جریان الکتریکی به‌وجود می‌آید.

جریان‌های گردابی (Eddy Currents) : در واقع یکی از نتایج مستقیم قانون القای فارادی هستند. طبق این قانون، هرگاه میدان مغناطیسی متغیر در زمان به یک رسانا اعمال شود، جریان الکتریکی در آن القا می‌شود.

اگر در یک مدار مسیر مشخصی برای حرکت الکترون‌ها وجود داشته باشد، جریان به‌صورت معمول در همان مسیر برقرار می‌شود. اما زمانی که مسیر مشخص و هدایت‌شده‌ای وجود نداشته باشد مثل یک صفحه یا دیسک فلزی الکترون‌ها نمی‌توانند در یک خط مستقیم حرکت کنند. در نتیجه، در داخل ماده مسیرهای بسته و حلقه‌ای شکل می‌گیرند و جریان‌های چرخشی به وجود می‌آیند که به آن‌ها جریان گردابی گفته می‌شود. جریان گردابی منحصر به فلز های با شکل تخت و یا فلز های ایزوله خارج مدار نیست ، حتی در سطح سیم حامل جریانی که در معرض میدان مغناطیسی متغیر با زمان قرار دارد ، ممکن است عده ای از الکترون ها به دور خود در مسیر های کوچک شروع به چرخیدن کنند ، دقیق مانند رقص مذهبی چچنی ها !

این جریان‌ها درون ماده به صورت حلقه‌های تو در تو شکل می‌گیرند و در نواحی مختلف به گردش درمی‌آیند. در این حالت، الکترون‌ها عملاً در مسیرهای بسته داخلی حرکت می‌کنند. همین حرکت‌های حلقه‌ای خود باعث ایجاد میدان مغناطیسی جدید می‌شود که با میدان اصلی در تعامل است (بنا بر قانون لنز) .

همچنین باید در نظر داشت که حرکت این الکترون‌ها در داخل رسانا به دلیل وجود مقاومت الکتریکی، موجب تولید گرما می‌شود. به همین دلیل بخش قابل توجهی از گرمایش در هسته موتورهای الکتریکی و ترانسفورماتورها ناشی از همین جریان‌های گردابی است که در اثر میدان‌های مغناطیسی متغیر ایجاد می‌شوند. علاوه بر این خود فلز ، یعنی مسیری که الکترون ها در ان میچرخند دارای یک ظرفیت سلفی نیز می باشد ، لذا اگر میدان مغناطیسی متغیر رو قطع کنیم ، با یک تاخیر کوچک الکترون خواهد ایستاد .

قانون لنز : اثر لنز بیان می‌کند جهت جریان القاشده در یک مدار همیشه به‌گونه‌ای است که با علت ایجادکننده آن مخالفت کند؛ یعنی اگر تغییر در میدان مغناطیسی باعث ایجاد جریان شود، این جریان طوری جهت می‌گیرد که اثر آن تغییر را کاهش یا خنثی کند. به‌عنوان مثال وقتی یک آهنربا به سیم‌پیچ نزدیک می‌شود، جریان القاشده در سیم‌پیچ میدانی ایجاد می‌کند که با نزدیک شدن آهنربا مخالفت می‌کند و در نتیجه نوعی مقاومت در برابر حرکت به‌وجود می‌آورد. این قانون در واقع مکمل قانون القای فارادی است و نقش مهمی در حفظ قانون پایستگی انرژی دارد، زیرا مانع از تولید انرژی بدون منبع خارجی می‌شود . این شامل همه الکترون ها خواهد شد چه آن هایی که در یک جریان گردابی گیر کرده اند و چه آن هایی که در یک مسیر بسته طولانی مانند یک سیم حرکت میکنند .

اثر پوستی : به تمایل جریان الکتریکی متناوب برای تمرکز در لایه‌های سطحی یک رسانا گفته می‌شود؛ به این معنی که با افزایش فرکانس جریان، الکترون‌ها بیشتر در ناحیه‌ی بیرونی یا سطحی جسم رسانا حرکت می‌کنند و از عمق آن دور می‌شوند.

تا اینجا هر آنچه برای درک فیزیک پایه فلزیاب‌های پالسی لازم است بیان شد. به‌طور خلاصه باید به خاطر داشت که حرکت الکترون‌ها می‌تواند میدان مغناطیسی ایجاد کند، و میدان مغناطیسی متغیر با زمان نیز به نوبه خود میدان الکتریکی القا می‌کند. همچنین در اثر میدان‌های مغناطیسی متغیر، الکترون‌ها می‌توانند حرکت‌های گردابی یا حلقه‌ای داشته باشند که به آن جریان‌های گردابی گفته می‌شود؛ این پدیده بیشتر در بخش‌هایی از رسانا رخ می‌دهد که خارج از مسیر مستقیم جریان هستند یا در قطعاتی مانند یک دیسک فلزی قرار دارند

عملکرد فلزیاب پالسی (Pulse Induction) :

در فلزیاب‌های پالسی، فرآیند تشخیص فلز به‌صورت سریع و زمان‌بندی‌شده در چند مرحله انجام می‌شود. در این سیستم تنها یک سیم‌پیچ (کویل) وجود دارد که به‌صورت لحظه‌ای و در بازه‌های بسیار کوتاه (در حد میکروثانیه یا میلی‌ثانیه) به منبع تغذیه متصل و سپس قطع می‌شود. این اتصال و قطع شدن معمولاً توسط یک مدار سوئیچ انجام می‌گیرد. در توضیحات قبلی گفتیم که هر میدان مغناطیسی متغیر با زمانی موجب ایجاد جریان گردابی در فلز خواهد شد که در نهایت ما می توانید از طریق این جریان وجود فلز را تشخیص دهیم . در فلزیاب های BFO و IB از یک سیگنال سینوسی جهت ایجاد میدان مغناطیسی متغیر با زمان استفاده می شود ، هر چقد نرخ تغییر میدان سریع تر باشد ، جریان گردابی شدیدتری ایجاد خواهد شد ، این قاعده ای هست که فلزیاب های پالسی از آن استفاده میکنند ، یعنی بجای سیگنال سینوسی از یک پالس با لبه های عمودی استفاده میکنند (بجای تغییرات نرم در سیگنال سینوسی ) همین امر موجب ایجاد جریان گردابی شدید تر و در نتیجه قابلیت تشخیص بهتر فلزات در عمق های بیشتر میشود . در ادامه مرحله به مرحله نحوه تحریک لوپ و در نهایت تشخیص فلز شرح داده می شود .

1_ ایجاد پالس (اتصال کویل) :

در هر فلزیاب پالسی ما یک لوپ (سلف یا سیم پیچ) داریم که برای مدت زمان های مشخصی به این لوپ تغذیه متصل خواهد شد . در تصویر پایین مدار کلی آن چیزی که ما استفاده میکنیم نشان داده شده است . در این مدار ، زمانی که کلید بسته میشود ، ولتاژ دو سر سلف با ولتاژ منبع تغذیه برابر خواهد شد همچنین جریان نیز در لحظه اولیه 0 خواهد بود ، این به دلیل مقاومت سلف ها در برابر تغیرات ناگهانی جریان است . پس از لحظه اولیه جریان شروع به افزایش خواهد کرد و همزمان ولتاز نیز به سمت 0 میل خواهد کرد . نمودار این دو مقدار به صورت توابع نمایی پاسخ کلاسیک سلف هستند . پس از صفر شدن ولتاژ دو سر سلف ، جریان به حداکثر مقدار خود می رسد که این جریان متناسب با مقاومت داخلی باتری و همچنین مقاومت خود سلف است ، در این حالت انرژی بسیار زیادی از باتری کشیده خواهد شد لذا باید سریع کلید را دو باره باز کرد . اما قبل از باز کردن کلید ، آنچه اتفاق خواهد افتاد تغیرات ناگهانی و شدید شدت میدان مغناطیسی هست که موجب ایجاد یک جریان گردابی شدید در فلز هدف خواهد شد .

2 _ قطع کلید (قطع تغذیه کویل) :

خب حالا نوبت به قطع کلید است ، با قطع کلید به دلیل مقاومت سلف در برابر تغییر جریان ، و همچنین به دلیل صفر شدن ناگهانی جریان ، ولتاژ دو سر سلف به هزاران ولت خواهد رسید ( از همین موضوع در سیستم جرقه زن خودرو ها استفاده میشود ) به این ولتاژ ، ولتاژ فلایبک میگویند . در این شرایط رابطه ثابت زمانی اعمال نخواهد شد . با توجه به توضیحاتی که دادیم نمودار جریان و ولتاز دو سر سلف همانند نمودار تصویر زیر خواهد شد :

نمودار تصویر فوق تنها برای یک شرایط ایده آل است و در عمل اگر ولتاژ دو سر سلف را با اسیلوسکوپ نگاه کنید تصویر بسیار متفاوت تری خواهید دید . سلف ها در عمل ترکیبی از یک مقاومت ، یک سلف ایده آل و یک خازن موازی با آن هستند . پس هر سلف در دنیای واقعی تنها یک سلف نیست بلکه یک مدار RLC است . پس پاسخ واقعی مدار همانند تصویر پایین است ، یعنی سیگنالی میرا با نوسانات سینوسی خواهد بود .

اگرچه پاسخ میرای نوسانی میتواند برای تشخیص هدف مفید باشد ، اما در فلزیاب های پالسی از این سیگنال نوسانی استفاده نخواهد شد . در مدارت فلزیاب های پالسی یک مقاومت را با سلف موازی خواهند کرد . مقدار این مقاومت را به گونه ای در نظر میگیرند که ضریب میرایی را افزایش دهد تا از حد بحرانی گذر کند . در نهایت سیگنال ولتاژ دو سر سلف حالت نوسانی نخواهد داشت و یک سیگنال میرای صاف خواهد بود . در تصویر زیر شکل سیگنال پس افزودن مقاومت ( دمپینگ ) نشان داده شده است . تعیین مقدار این مقاومت اغلب به صورت آزمون و خطا در طراحی ها صورت میگیرد ، اما می توان مقدار آن را نیز محاسبه کرد .

با بازنگری که در مدار اولیه شد ، یعنی افزودن مقاومت دمپینگ موازی ، دیگر پس از قطع کلید ما یک سیگنال صاف و میرا خواهیم داشت . بنابر این ما دو ثابت زمانی در این مدار خواهیم داشت ، اول برای زمان اتصال کلید و دومی برای زمان قطع کلید . به یاد داشته باشید که در تصاویر بالا قله ولتاژ فلای بک ممکن است به صد تا هزاران ولت برسد . اما پرسش اینجاس چرا این ولتاژ فلایبک برای ما اهمیت دارد ؟ . بنابر توضیحاتی که در ابتدای این مقاله دادیم با تغیرات میدان مغناطیسی ( حتی با قطع و وصل شدن ) یک جریان گردابی در فلز موجود در آن میدان ایجاد خواهد شد . این جریان گردابی خود نیز میدان مغناطیسی ایجاد خواهد کرد که بنابر قانون لنز در تقابل با میدان القای شده اصلی است ، پس ما علاوه بر مقاومت دمپینگ یک عامل مقاومت کننده در مقابل ولتاژ فلای بک نیز داریم و آن میدان جریان گردابی فلز هدف است . زمانی که لوپ در معرض هیچ فلزی نباشد ، سیگنال فلایبک ثابت زمانی مشخصی تحت تاثیر مقاومت دمپینگ دارد . اما زمانی که در معرض یک فلز قرار میگیرد ، به دلیل میدان فلز هدف ، ثابت زمانی کاهش می یابد و ولتاژ فلایبک بسیار سریع تر میرا خواهد شد . این اساس فیزیک تشخیص هدف در فلزیاب پالسی هست .

باید به یاد داشت که صرفا جریان گردابی به تنهایی باعث تغیر شکل سیگنال فلایبک نیست بلکه موارد بیشتری مثل نفوذ پذیری مغناطیسی نیز اثر گذارند . مثلا در اهداف آهنی به دلیل وجود خاصیت مغناطیسی ، سیگنال فلایبک شکل متفاوت تری نسبت به پاسخ به طلا و مس خواهد داشت . یا حتی در فواصل نزدیک ، اثر تغییر اندوکتانس کویل به دلیل تغییر در هسته ، بیشتر از اثر جریان گردابی خواهد بود . پس آن چیزی که در فلزیاب های پالسی کلاسیک مورد بررسی قرار خواهد گرفت ، تغیرات انتگرال سیگنال فلای بک است . البته در فلزیاب های مدرن با پردازش سیگنال دیتا های بیشتری همانند نوع فلز و فاصله آن نیز به دست خواهد آمد .

طراحی یک مدار فلزیاب پالسی ساده (بیسیک) :

خب حالا که اصل کار را درک کردیم سراغ طراحی و اجرای یک مدار جهت اجرای فرایندی که گفتیم خواهیم کرد .

مدار کلید زنی :

خب تا اینجا ما کلید را به صورت یک کلید ایده آل مکانیکی در نظر گرفتیم ، اما این چیزی نیست که بشه با آن در ثانیه صد ها بار لوپ را روشن و خاموش کرد ! در فلزیاب های پالسی از ترانزیستور های BJT و یا MOSFET برای عمل کلید زنی استفاده میشود . با توجه به جریان زیاد در اتصال سلف و همچنین نیاز به سرعت بالا در فرایند قطع و وصل شدن ، محبوب ترین گزینه ماسفت ها هستند و اغلب از NMOS ها استفاده میشود . در تصویر پایین مدل های مختلف سوئیچ های ترانزیستوری نشان داده شده است :

برش سیگنال :

خب اگر به یاد داشته باشید گفتیم که قله سیگنال فلایبک ممکن است به هزاران ولت برسد . بررسی این سطح از ولتاژ بسیار دشوار است ، لذا ما نیاز به یک مدار کلمپ داریم تا بدون تغییر شکل ، دامنه سیگنال را کاهش دهیم . در فلزیاب های پالسی از یک کلمپ معمولی استفاده نمیکنند ، بلکه از دو دیود ژرمانیومی موازی (مانند 1N4148) به همراه مقاومت Rs استفاده میکنند . اما چه اتفاقی برای سیگنال فلایبک خواهد افتاد؟ خب زمانی که ولتاژ فلایبک از ولتاژ بایاس دیود های بیشتر باشد ، یعنی از 0.7 ولت ، بنا بر پلاریته ولتاژ یکی از دیود ها بایاس شده و مقاومت Rs با Rd موازی خواهد شد و سیگنال با سرعت زیادی به سمت میرا شدن خواهد رفت . هنگامی که به 0.7 ولت رسید دیگر دیود ها از حالت بایاس خارج شده و تنها Rd به عنوان عامل موثر در ثابت زمانی باقی خواهد ماند و این تا زمان صفر شدن سیگنال ادامه خواهد داشت . پس در نهایت ما در خروجی یک سیگنال مشابه سیگنال فلایبک داریم با این تفاوت که حداکثر تا 0.7 ولت است ( همان شکل سیگنال فلایبک در تصاویر قبلی که از 0.7 برش خورده باشه) . این سیگنال شاید کوچک به نظر بیاد ، اما برای هر نوع تحلیلی برای ما کافیست و به راحتی میتوانیم برای تقویت آن را به یک مدار تقویت کننده بدیم و خروجی را به ADC میکرو کنترلر و یا مدار انتگرال .

سیگنال خروجی مدار بالا به صورت شکل پایین می باشد :

خب هر آنچه که برای تشخیص هدف فلزی لازم بود رو داریم ، تنها به یک میکرو کنترلر جهت پردازش سیگنال نیاز خواهیم داشت . معمولا در مدارات فلزیاب های پالسی ، میکروکنترلر بعد از اتصال و سپس قطع سوئیچ لوپ ، پس از مدت مشخصی شروع به نمونه برداری از سیگنال خروجی مدار فوق میکند . زمان شروع انتگرال و همچنین زمان پایان انتگرال بسته به برنامه مدار میتواند ثابت یا قابل تنظیم توسط کاربر باشد . سیگنال تصویر بالا دو مشکل اساسی دارد که تحیل آن را دشوار میکند ، یکی اینکه سیگنال کوچک تر از 0.7 ولت است پس نیاز به تقویت جهت بزرگنمایی دارد . همچنین در ناحیه منفی قرار دارد پس باید جای کلید را تغیر دهیم . در نهایت به مدار زیر خواهیم رسید :

خب با یک انتگرال از سیگنال فلایبک و بررسی تغییرات آن می‌توان وجود فلز را تشخیص داد. در مقاله کنترل کننده PID، به زبانی ساده و به صورت عملی نحوه انتگرال گرفتن از یک سیگنال متغیر با زمان ADC توضیح داده شده است. در این مقاله سعی شد به صورت کلی و بدون وارد شدن به جزئیات، نحوه عملکرد فلزیاب‌های پالسی شرح داده شود. یکی از فلزیاب‌های پالسی بسیار مشهور و بیسیک، فلزیاب FPI یا همان فلزجو است. این فلزیاب علاوه بر برطرف کردن نیاز به یک فلزیاب پالسی، گزینه‌ای بسیار مناسب برای تحقیق و توسعه فلزیاب‌های پالسی محسوب می‌شود. شما می‌توانید اقدام به هک کردن این برد کرده و در نهایت کدهای کاستوم خود را برای ارتقا یا تحقیق و توسعه آپلود کنید. ویدیوی زیر توضیحاتی پیرامون این برد ارائه می‌دهد.

منابع :

این مقاله ترجمه هیچ مقاله و کتابی نیست و تنها بر اساس دانش شخصی ( مبتنی بر مطالعه مقالات پراکنده و بررسی و مانیتورینگ سیگنال برد فلزیاب های پالسی ) نوشته شده .همچنین تصاویر موجود از مقالات موجود در https://www.researchgate.net برداشت شده اند . در موضوع عامل اثرگذار تر در تغییرات سیگنال ، از ChatGPT کمک گرفته شد .