* Скрипник Ю. А., Іващенко В. А., Яненко А. Ф.

* Київський національний університет технологій та дизайну Київ, 01010, Україна, тел.: (044) 291-21-30 , НДЦ квантової медицини “Відгуки” М3 Україна Київ, 01033, Україна, тел.: (044) 220-87-81, 220-72-88

Анотація Розглянуто резонансний метод і пристрій для виявлення токо магнітопроводящіх об’єктів в діелектричних, напівпровідникових і біологічних середовищах. Запропонований метод може бути використаний в медицині для виявлення сторонніх об’єктів в тілі людини.

I. Вступ

У медичній практиці часто виникає завдання виявлення сторонніх предметів, що знаходяться в тілі людини у вигляді металевих частинок, осколків, згустків крові та інших об’єктів, що володіють струмопровідними або магнітними властивостями.

Для виявлення струмопровідних або магнітних об’єктів використовують системи з індукційними котушками, що створюють змінне магнітне поле, яке глибоко проникає в діелектричну, напівпровідникову або біологічне середовище. Струмопровідні об’єкти, які знаходяться в цих середовищах, наприклад, металеві, створюють вторинне магнітне поле вихрових струмів, яке вносить розмагнічуюче дію в поле індукційних котушок, обумовлюючи додаткові електричні втрати. Присутність струмопровідних об’єктів поблизу індукційного датчика з системи котушок, впливає на його обмотки, змінюючи їх індуктивне опір. За величиною цього зміни можна судити про масу і глибині знаходження шуканого струмопровідного об’єкта [1, 2].

Однак неминуча неідентичність параметрів котушок, яка викликає нерівність їх індуктивностей. Завжди має місце просторова асиметрія осей котушок відносно поверхні досліджуваної середовища, що обумовлює появу паразитного різницевого сигналу. Попереднє налаштування системи за нульовим відхиленню стрілки індикатора за відсутності струмопровідних об’єктів, не виключає появу паразитного сигналу в процесі роботи системи, наприклад, через деформацію каркасів, порушення ізоляції і т.д.

II. Теоретична частина

Авторами розроблено метод і пристрій, в якому за допомогою нового схемотехнічного рішення виключена можливість появи помилкового сигналу, що виникає через неідентичності індукційних котушок та нестабільності резонансних частот коливальних контурів. Метод підвищує точність і чутливість локалізації струмопровідних об’єктів (рис. 1).

Метод реалізується в такий спосіб.

Індукційні котушки 1 і 2 датчика розташовують перпендикулярно один одному і механічно жорстко фіксують. Котушки наближають до поверхні досліджуваної середовища 21, в якій може перебувати струмопровідний об’єкт 22. До котушок 1 і 2 з однаковими індуктивностями Ц = L2 = L0 по черзі за допомогою автоматичних перемикачів 3 і 4 підключаються конденсатори 5 і 6 з різними ємностями С., і С22> З1). Конденсатори утворюють спільно з індуктивностями котушок два коливальних контура. Резонансна частота одного

контуру

Рис. 1. Функціональна схема пристрою для виявлення захованих струмопровідних об’єктів

Fig. 1. Schematics of the device for detecting hidden conducting objects

Оскільки висновки індукційних котушок 1 і 2 з’єднані з протилежними входами автоматичних перемикачів 3 і 4, то резонансні частоти й>1 і т2 виникають в кожній котушці окремо.

При зазначеному положенні перемикачів 3 і 4 в котушці 1 і конденсаторі 6 виникає високочастотний резонанс, а в котушці 2 і конденсаторі 5 – Надвисокочастотний резонанс. Опору резисторів 7 і 8 вибирають рівними опору резонансних контурів на високої і надвисокої частоти.

При наявності в досліджуваному середовищі 21 струмопровідного (металевого) об’єкта 22 реакція індукційних котушок 1 і 2 буде різною, внаслідок їх просторового положення щодо об’єкта 22 і значень резонансних частот.

Так, якщо об’єкт 22, наприклад, металева пластина розміщена перпендикулярно осі котушки

1, в якій протікає високочастотний змінний струм, то високочастотні вихрові струми, наведені в пластині, надаватимуть на котушку розмагнічує вплив. На перпендикулярно розташовану котушку 2, вісь якої паралельна плоско

сти предмета, металева пластина 22 практично не буде надавати розмагнічує вплив. Якщо врахувати, що через котушку 2 в цей час протікає змінний СВЧ струм, то реакція проводить об’єкта взагалі буде відсутній. Останнє обумовлено тим, що електромагнітне СВЧ поле котушки сильно загасає і взаємодіє практично лише з поверхнею тіла 21.

При зміні положення перемикачів 3 і 4 на протилежне, котушка індуктивності 1 збудиться СВЧ струмом. Але і в цьому випадку вона також не буде сприймати надвисокочастотне розмагнічує вплив від струмопровідного об’єкта внаслідок його глибинного розташування. В обмотці 2 в цей час буде протікати ВЧ струм, однак через перпендикулярного положення її осі до об’єкта 22 реакція останнього буде також відсутні.

Таким чином, резонансна частота а>2 і Добротність ВЧ контура буде періодично змінюватися при наявності струмопровідного об’єкта в досліджуваному середовищі, а резонансна частота СВЧ контуру

не буде. У відсутність струмопровідного об’єкта, перемикання котушок з однаковими індуктивностями не змінює частоту ВЧ резонансу і відповідну добротність ВЧ контура.

Коливальні контуру з резисторами 7 і 8 утворюють подільники напруги по відношенню до входів підсилювачів 12 і 14. Тому, якщо модуль повного опору контуру і його фаза періодично змінюються при перемиканні котушок індуктивності (через вплив струмопровідного об’єкта), то на вхід підсилювача 14 високої частоти буде надходити модульоване по амплітуді і фазі напругу. Глибина модуляції при цьому тим більше, чим більше маса струмопровідного об’єкта або він ближче розміщений до поверхні.

Посилене модульоване напруга надходить на синхронний ВЧ детектор 15, який управляється безпосередньо напругою високої частоти з виходу дільника частоти 10. Аналогічним чином СВЧ напруга з виходу дільника напруги посилюється підсилювачем 12 і детектируется синхронним детектором 13 СВЧ напруги, який управляється СВЧ напругою кварцового генератора 9.

На виходах синхронних детекторів 13 і 15 виділяються напруги огинають модульованих напруг, частота яких визначається частотою комутації перемикачів 3 і 4 і задається вихідний частотою дільника частоти 11. Змінні напруги частоти комутації підсумовуються в суматорі 16. Результуюче напруга на виході суматора 16 посилюється виборчим підсилювачем 17 частоти комутації, налаштованим на вихідну частоту дільника частоти 11.

Посилена напруга випрямляється синхронним детектором 18 частоти комутації, який управляється тим же напругою, що і перемикачі 3 і 4. Випрямлена напруга згладжується фільтром 19 нижніх частот і реєструється приладом 20. Оскільки амплітуда напруги частоти комутації пропорційна глибині модуляції ВЧ напруги, то показання приладу 20 пропорційні масі пошукового об’єкта і обернено пропорційні глибині його залягання.

Теоретично, за відсутності струмопровідного об’єкта, модуляція ВЧ напруги, а тим більше надвисокочастотного напруги відсутня.

Практично ж, через неминучої неідентичності індуктивних обмоток 1 і 2 \ Ц * 1-2), а також асиметричного розташування їх відносно зондуючого поверхні 21, виникає паразитна модуляція в високочастотному напрузі навіть при відсутності струмопровідного об’єкта. Нерівність індуктивностей котушок 1 і 2 та їх просторова асиметрія викликає поява аналогічної модуляції і в надвисокочастотному напрузі з тією ж глибиною. Але огинають цих напруг знаходяться в протифазі, так як обмотки 1 і 2 підключені до протилежних входів перемикачів 3 і 4. Це означає, що коли в високочастотний контур вводиться, наприклад, обмотка Ц з більшою індуктивністю (L |> / –2), То в Надвисокочастотний контур вводиться обмотка з меншою індуктивністю {i2<