Электронные средства досмотра: Учебное пособие

ÌÈÍÈÑÒÅÐÑÒÂÎ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÉ ÔÅÄÅÐÀÖÈÈ

Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò àýðîêîñìè÷åñêîãî ïðèáîðîñòðîåíèÿ

И. И. Чадович

ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА ДОСМОТРА Учебное пособие

Ñàíêò-Ïåòåðáóðã 2001

УДК 621.38(075) ББК 32.85 Ч13 Чадович И. И. Ч13 Электронные средства досмотра: Учеб. пособие/ СПбГУАП. СПб., 2001. 36 с. Рассматриваются назначение, принцип действия и функциональные схемы электронных средств досмотра, используемых в аэропортах: переносных и стационарных металлоискателей и рентгеновского интроскопа. Предназначено для студентов дневной и заочной формы обучения по дисциплине «Электронные средства досмотра» для специальности 2013. Рецензенты: кафедра связи с общественностью и социологии Санкт-Петербургского государственного института сервиса и экономики; кандидат философских наук доцент В. Г. Смирнов Óòâåðæäåíî ðåäàêöèîííî-èçäàòåëüñêèì ñîâåòîì óíèâåðñèòåòà â êà÷åñòâå ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ

Учебное издание Чадович Игорь Иванович

ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА ДОСМОТРА Учебное пособие Редактор А. Г. Ларионова Компьютерная верстка А. Н. Колешко Лицензия ЛР № 020341 от 07.05.97. Сдано в набор 16.09.01. Подписано к печати 25.10.01. Формат 60×84 1/16. Бумага тип. № 3. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,16. Усл. кр.-отт. 2,3. Уч. -изд. л. 2,3. Тираж 200 экз. Заказ № Редакционно-издательский отдел Лаборатория компьютерно-издательских технологий Отдел оперативной полиграфии СПбГУАП 190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 67

2

©

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, 2001

©

И.И. Чадович, 2001

ВВЕДЕНИЕ Задачей досмотра является выявление на теле, в одежде, ручной клади и багаже авиапассажира предметов, не разрешенных к перевозке авиатранспортом, в первую очередь холодного, огнестрельного оружия и взрывных устройств. Первичный досмотр выполняется с помощью технических средств, которые позволяют обнаружить наличие скрытых подозрительных предметов, изготовленных главным образом из черных или цветных металлов. На основании первичного досмотра в необходимых случаях производится вторичный – визуальный – досмотр, в результате которого устанавливается функциональное назначение обнаруженных предметов. Основными техническими средствами первичного досмотра являются металлоискатели и рентгеновские интроскопы. В зависимости от конструкции металлоискатель либо только обнаруживает металлический предмет, либо дополнительно позволяет оценить размеры и массу предмета. Возможна также идентификация черного или цветного металла. Рентгеновский интроскоп создает теневое изображение внутренней структуры досматриваемого объекта. Металлоискатели делятся на переносные (мобильные) и стационарные. Первые применяются преимущественно при индивидуальном досмотре. Для массового досмотра большого пассажиропотока практичнее вторые. Рентгеновские интроскопы применяются для контроля багажа. С их помощью можно также производить досмотр крупногабаритных объектов (например, контейнеров).

3

1. МЕТАЛЛОИСКАТЕЛИ 1.1. Принцип обнаружения металлических предметов Возможность обнаружения предметов из металлов основана на искажении первоначальной структуры электромагнитного поля внесенным в него предметом. Искажение структуры поля воспринимает датчик, вырабатывающий определенный электрический сигнал. Электромагнитное поле создает катушка поискового элемента металлоискателя. Выходной сигнал датчика в зависимости от его типа подвергается той или иной обработке и сравнивается с пороговым напряжением. Если порог превышен, формируется сигнал сигнализации обнаружения. На обнаружение могут влиять внешние помехи и помехи, возникающие в самом металлоискателе и связанные типом используемого датчика. Поэтому процесс обнаружения имеет вероятностный характер. Из сказанного вытекает обобщенная структурная схема металлоискателей (рис. 1.1). ПЭ ПК

АГ

Uо УО

Д

Uвых

ПУ

Uу

УС

БП

Uд Uп Рис. 1.1

Электромагнитное поле создается автогенератором АГ относительно высокочастотных колебаний и передающей катушкой ПК поискового элемента ПЭ. С поисковым элементом конструктивно объединяется датчик Д, выходной сигнал Uд которого поступает в устройство обработки УО. В некоторых металлоискателях на второй вход УО подается опорное напряжение Uо от АГ. Выходное напряжение Uвых сравнивается в пороговом устройстве ПУ с пороговым напряжением Uп. При превышении порога ПУ вырабатывается управляющее напряжение Uу для устройства сигнализации УС. Блок питания БП переносных металло4

искателей обычно автономный. Поскольку в любом металлоискателе имеется ПУ, для получения порогового напряжения необходимо наличие в составе его схемы стабилизатора напряжения. В некоторых типах металлоискателей для питания отдельных элементов УО также требуется стабильное напряжение. 1.2. Основные технические характеристики металлоискателей 1. Чувствительность. Для мобильных металлоискателей она характеризуется максимальным расстоянием между поисковым элементом и эталонным для данного типа металлоискателя предметом из черного или цветного металла. При этом в зависимости от типа датчика может оговариваться определенный интервал для скорости перемещения (сканирования) поискового элемента относительно объекта досмотра. Для стационарных металлоискателей указывается определенная область пространства вблизи передающих катушек и датчиков, в которой чувствительность максимальна. 2. Разрешающая способность. Характеризуется минимальным расстоянием между двумя эталонными для данного типа металлоискателя предметами, которые обнаруживаются раздельно на указанном максимальном расстоянии от них до поискового элемента. При этом для некоторых типов датчиков указывается интервал допустимой скорости перемещения поискового элемента. 3. Вероятность правильного обнаружения. Этот показатель – отношение числа правильных обнаружений Nпр к общему числу Nобщ процедур обнаружения одного и того же предмета или эталона, произведенных в одинаковых условиях при соблюдении требований, оговоренных для чувствительности данного металлоискателя. Например, если при последовательном проведении ста процедур обнаружения (Nобщ=100) предмет или эталон был обнаружен 90 раз (Nпр=90), то вероятность правильного обнаружения Pпр =

N пр N общ

=

90 = 0,9. 100

4. Время готовности к работе после включения питания. 5. Условия эксплуатации. Под этим подразумеваются допустимые интервалы температуры окружающей среды, атмосферного давления и влажности воздуха. 5

6. Номинальное напряжение питания и потребляемая мощность. Очевидно, что показатель потребляемой мощности особенно важен для переносных металлоискателей с автономным питанием. 1.3. Датчики металлоискателей и их сравнительная характеристика Датчики всех металлоискателей относятся к индукционному типу, т. е. их основой является одна или несколько катушек, которые часто называют приемными катушками. Датчики различаются физическим принципом преобразования изменения структуры электромагнитного поля при появлении в нем металлического предмета в выходной сигнал, видом выходного сигнала – постоянный или переменный ток, свойствами выходного сигнала, конструкцией. Наибольшее распространение получили следующие виды датчиков: вихретоковые, дифференциально-мостовые и трансформаторные. Вихретоковый датчик Принцип действия этого датчика основан на явлении возникновения в металлическом образце под действием переменного магнитного поля кольцевых микротоков, называемых индукционными или токами Фуко. Они нагревают образец, т.е. происходит поглощение и преобразование в тепловую форму части энергии электромагнитного поля. После резкого исчезновения переменного магнитного поля индукционные токи постепенно затухают. Оба указанных свойства используются в датчиках. Датчик первого типа работает в непрерывном режиме и схемотехнически составляет единое целое с высо+Eп кочастотным АГ, создающим электромагR нитное поле. Такой вариант вихретокового датчика называется вихретоковым Ср преобразователем (ВТП). Функции передающей и приемной катушек в нем моС L гут быть совмещены. На рис. 1.2 представлена упрощенная принципиальная Uд схема ВТП. Катушка L поискового элемента и конденсатор C образуют колебаРис. 1.2 тельный контур АГ, выполненного по 6

схеме индуктивной трехточки. Выходное напряжение Uд снимается с отвода катушки. Амплитуда колебаний напряжения на контуре при неизменных прочих условиях уменьшается при увеличении затухания контура. Поглощение части энергии электромагнитного поля, создаваемого катушкой, металлическим предметом эквивалентно увеличению затухания. Поэтому полезным эффектом является отрицательное приращение амплитуды напряжения Uд. Датчик второго типа, принцип действия которого иллюстрирует рис. 1.3, работает в импульсном режиме. Передающая катушка питается импульсами длительностью tи переменного тока с частотой порядка 1 кГц (см. временную диаграмму 1), повторяющимися с периодом T. Напряжение приемной катушки в интервале tи имеет примерно прямоугольную форму, а по окончании этого интервала постепенно затухает (см. диаграмму 2). Полезным выходным сигналом датчика являются относительно короткие импульсы длительностью tc, которые получаются в результате стробирования затухающего напряжения приемной катушки (см. диаграмму 3). Ток передающей катушки 1

Время tи

Напряжение приемной катушки

T

2

3

Время tс

Сигнал датчика

Время

Рис. 1.3

Характер выходных напряжений обоих вихретоковых датчиков одинаков. Это – периодические последовательности импульсов, различающихся лишь частотой повторения. У вихретокового преобразователя частота повторения импульсов равна частоте, на которой работает автогенератор (обычно порядка 100 кГц). У датчика второго типа – частоте повторения импульсов, питающих передающую катушку (порядка 10 Гц). 7

Дифференциально-мостовой датчик Схема датчика приведена на рис. 1.4. Две одинаковые катушки индуктивности L1 и L2 соединены последовательно и согласно. Катушки совмещают функции передающих и приемных. Совместно с остальными элементами схемы они образуют последовательный колебательный контур, настраиваемый в резонанс с автогенератором металоискателя с помощью конденсатора С2. + При положительной полуволне (−) С2 питающего напряжения U% 0 (знаки L1 L2 мгновенного напряжения в этой полуволне показаны на рис. 1.4 без + скобок) ток катушки L1 i%L1 протеD1 D2 D3 D4 кает через диод D1 и конденсатор + протекает ~ C1. Ток катушки L2 i%L2 U0 + + − i%L1 % % iL2 iL1 через диод D4 и конденсатор C3. − i%L2 Uд При отрицательной полуволне С1 + (знаки питающего напряжения по− С3 ∆U ∆ UC 3 − C1 казаны в скобках) через конденса+ − − тор C1 и диод D2 протекает ток i%L2 (+) катушки L2, а через конденсатор − Рис. 1.4 C3 и диод D3 протекает ток i%L1 катушки L1. Если индуктивности катушек L1 и L2, параметры диодов D1 – D4 и емкости конденсаторов C1 и C3 попарно одинаковы, то напряжения на конденсаторах C1 и C3 имеют одинаковую амплитуду в обоих полупериодах и синфазны. Поэтому выходное напряжение датчика Uд, как разность падений напряжений на C1 и C3, равно нулю. В реальной схеме попарной идентичности параметров одноименных элементов из-за технологических погрешностей их изготовления нет. Поэтому амплитуды полуволны напряжений на конденсаторах C1 и C3 различны, и на них появляются постоянные составляющие DUC1 и DUC2, противоположные по знаку. В результате выходное напряжение датчика имеет не равное нулю значение, называемое остаточным напряжением датчика Uост. При внесении в поле датчика металлического предмета возникает добавочная асимметрия индуктивностей катушек L1 и L2, зависящая от расстояния между катушками и предметом, его размера и массы. Обус8

ловленное этой добавочной асимметрией изменение выходного напряжения является полезным сигналом Uс датчика. Таким образом, при наличии металлического предмета в поле датчика его выходное напряжение: (1.1) Uд = Uост + Uс. Слагаемые (1.1) могут отличаться только величиной. Физического различия между ними нет. Поэтому в статическом режиме выделение полезного сигнала невозможно. Обнаружение полезного сигнала Uс возможно лишь в течение ограниченного и относительно небольшого интервала времени (порядка нескольких десятков секунд) после появления металлического предмета в поле датчика. Такое обнаружение реализуется следующим образом. В устройство обработки сигнала датчика (см. рис. 1.1) вводится схема автоматической компенсации остаточного напряжения, которая при отсутствии металлического предмета в поле датчика уменьшает выходное напряжение устройства обработки до значения меньшего порога обнаружения Uп. При появлении металлического предмета выходное напряжение устройства обработки возрастает и превышает порог, т.е. происходит обнаружение появившегося полезного сигнала. Однако одновременно схема автоматической компенсации начинает отработку возникшего рассогласования. Через время, зависящее от постоянной времени следящей системы, выходное напряжение устройства обработки будет уменьшено до подпорогового уровня. Из сказанного следует, что: выходное напряжение дифференциально-мостового датчика является постоянным напряжением, которое представляет собой алгебраическую сумму остаточного напряжения и полезного сигнала и может иметь положительное или отрицательное значение относительно общей шины; выход датчика – симметричный; входной каскад устройства обработки должен выполнять операцию вычитания напряжений, имеющихся на конденсаторах C1 и C3. Трансформаторный датчик Применяется в стационарных металлоискателях, иногда называется индукционным. Принцип действия датчика поясняется рис. 1.5 и 1.6. Передающая катушка L3 имеет вид прямоугольной рамки (см. рис. 1.5). На боковых сторонах рамки расположены приемные катушки L1 и L2 так, что их 9

I3

–

+ –

L1

L2

U& д

L1

U& L1

L2 I&

U& L2 U& д

+ I&3

I&3

ε& 2

ε&1

Рис. 1.6

Рис. 1.5

одноименные выводы находятся вверху. Катушки соединены параллельно. В местах расположения приемных катушек синусоидальный переменный ток I&3 передающей катушки L3 протекает в противоположных направлениях. Поэтому ЭДС, наведенные в приемных катушках, противофазны и порождают в них ток I& , показанный на эквивалентной схеме рис. 1.6. Покажем, что при совершенно одинаковых приемных катушках выходное напряжение датчика равно нулю. Для эквивалентной схемы рис. 1.6 можно записать уравнения ε&1 − U& L1 − U& L2 + ε& 2 = 0, U& д = ε&1 − U& L1.

Выражая U& L1 и U& L2 через ток I& и индуктивности катушек, получаем ε&1 − I&ωL1 − I&ωL2 + ε& 2 = 0,

(1.2)

U& д = ε&1 − I&ωL1.

(1.3)

При ε&1 = ε& 2 = ε& и L1 = L2 = L из (1.2) следует ε& − I&ωL = 0 , из (1.3) – U& д = ε& − I&ωL и U& д = 0 . Предположим, что индуктивности катушек не совсем одинаковы, т. е. L2 = L1 + DL = L + DL. Тогда из (1.2) и (1.3) вытекает 2ε& − 2 I&ωL − I&ω∆L = 0, I&ω∆L U& д = ε& − I&ωL и U& д = ≠ 0. 2

10

(1.4)

Поскольку из-за технологических погрешностей изготовления идентичность приемных катушек невозможна, трансформаторному датчику присуще остаточное напряжение. Металлический предмет, внесенный в электромагнитное поле датчика, изменяет индуктивности катушек, и в соответствии с выражением (1.4) возникает полезный сигнал датчика. Выходное напряжение трансформаторного датчика – переменное. В устройстве обработки металлоискателя должна быть схема автоматической компенсации остаточного напряжения. Сравнительная характеристика датчиков Основное различие между рассмотренными типами датчиков связано с остаточным напряжением. Металлоискатели с дифференциально-мостовыми и трансформаторными датчиками схемотехнически сложнее, так как должны иметь следящую систему компенсации остаточного напряжения. Обнаружение ими металлического предмета принципиально возможно лишь при относительном перемещении поискового элемента и объекта досмотра. Напротив, металлоискатели с вихретоковыми датчиками могут работать в обоих режимах. Схемотехнически они проще. Но в процессе эксплуатации зачастую требуются оперативные регулировки. В первую очередь это относится к простейшему металлоискателю с вихретоковым преобразователем. Для переносных металлоискателей, по-видимому, наиболее подходящим является дифференциально-мостовой датчик. Во-первых, потому, что металлоискатель с этим датчиком не требует оперативных регулировок. Во-вторых, сформировать постоянное компенсирующее напряжение легче, чем пременное. Трансформаторный датчик лучше соответствует стационарным металлоискателям. В них приемные катушки расположены на значительном расстоянии друг от друга, и их взаимное влияние минимально. Однако сформировать переменное компенсирующее напряжение сложнее, чем постоянное. Это обусловлено сложностью подгонки фазы компенсирующего напряжения. Стационарные металлоискатели с электромеханической следящей системой (например, типа МИС) в процессе эксплуатации нуждаются в оперативной регулировке. Электронная следящая система автокомпенсации, выполненная на современной элементной базе, могла бы существенно улучшить их эксплуатационные качества. 11

В стационарных металлоискателях используется и вихретоковый датчик, работающий в импульсном режиме (например, типа METOR). Схемотехнически он проще металлоискателя с трансформаторным датчиком. 1.4. Примеры технической реализации переносных металлоискателей Рассмотрим на уровне функциональных схем металлоискатель с вихретоковым преобразователем типа ВМ-10Н и с дифференциально-мостовым датчиком типа МИП-3. Хотя первый уже практически не используется, он хорошо иллюстрирует простоту металлоискателя с вихретоковым преобразователем. Второй достаточно современен по своим эксплуатационным свойствам и содержит поучительные аналоговые и цифровые схемотехнические решения. Переносной металлоискатель с вихретоковым преобразователем Функциональная схема металлоискателя приведена на рис. 1.7. Он состоит из: датчика (вихретоковый преобразователь с автогенератором ВТП, АГ); устройства обработки сигнала датчика (буферный каскад БК, амплитудный детектор АД, релейный усилитель РУ); устройства сигнализации (электронный ключ ЭК, звуковой генератор ЗГ, динамик Д); блока питания (батарея Б, стабилизатор напряжения СН). Поскольку полезным эффектом при обнаружении металлического предмета является относительно небольшое уменьшение амплитуды колебаний автогенератора, вихретоковый преобразователь, автогенератор и устройство обработки должны быть застрахованы от изменения напряжения батареи при ее разряде. Поэтому их питание производится от стабилизатора напряжения. Устройство сигнализации питается непосредственно от батареи. По той же причине выходное напряжение автогенератора поступает на амплитудный детектор через буферный каскад с большим входным сопротивлением (истоковый повторитель). Д ВТП, АГ

БК

АД

РУ

ЭК

СН Рис. 1.7

12

ЗГ

Б

Металлоискатель работает следующим образом. При отсутствии металлического предмета в поле поискового элемента выпрямленное и сглаженное амплитудным детектором выходное напряжение автогенератора отрицательной полярности, поступающее на вход релейного усилителя, удерживает его выходной каскад в закрытом состоянии. При этом электронный ключ, коммутирующий питание звукового генератора, разомкнут, и звуковая сигнализация не работает. Когда в поле поискового элемента появляется металлический предмет, вследствие уменьшения добротности контура автогенератора уменьшается амплитуда его выходного напряжения. Напряжение на выходе амплитудного детектора повышается, и выходной каскад релейного усилителя открывается. Электронный ключ замыкает цепь питания звукового генератора, и включается звуковая сигнализация. Она работает до тех пор, пока металлический предмет остается в поле датчика, независимо от их взаимного перемещения. Технические характеристики этого металлоискателя сопоставимы с аналогичными характеристиками более совершенного металлоискателя с дифференциально-мостовым датчиком. Однако рассматриваемый металлоискатель в гораздо большей степени подвержен влиянию изменения температуры окружающей среды. Главным образом этим и обусловлена необходимость выполнения оперативных регулировок в процессе эксплуатации. Переносной металлоискатель с дифференциально-мостовым датчиком Укрупненная функциональная схема металлоискателя представлена на рис. 1.8. Она состоит из аналоговой (выделена штриховой рамкой) и цифровой частей. Аналоговая часть содержит автогенератор АГ, дифференциально-мостовой датчик ДМД, схему обработки сигнала датчика, состоящую из дифференциального усилителя ДУ, суммирующего усилителя СУ, порогового устройства ПУ, преобразователя напряжение-частота ПНЧ, части кольца следящей системы формирователя компенсирующего напряжения, делителя напряжения ДН и стабилизатора напряжения СН, который питает аналоговую и цифровую части схемы металлоискателя. Цифровая часть – это в основном формирователь компенсирующего напряжения ФКН, представляющий собой цифровую следящую систему. 13

+Eп + Eп 2 АГ, ДМД

ДУ

СУ

ПУ

ПНЧ

ДН

CН

+Eп БП ФКН

ФКИ

К

ЗИ

Рис. 1.8

Функциональные узлы аналоговой части, т. е. схемы обработки сигнала, выполнены на операционном усилителе (ОУ). Для питания ОУ требуется, как известно, биполярный источник, средняя точка которого является общей шиной. Одно питающее ОУ напряжение положительно, а другое – отрицательно. В данном случае для питания металлоискателя используется одна батарея БП напряжением 9 В или штатный сетевой блок питания с тем же выходным напряжением. Эти напряжения являются входными для СН. Его выходное напряжение Eп ≈ +6 В поступает на ДН, выполненный по схеме неинвертирующего повторителя напряжения на ОУ. Выходное напряжение ДН Eп /2 = +3 В служит общей шиной для питания ОУ аналоговой части схемы металлоискателя. Таким образом, напряжение Eп служит аналогом положительного напряжения биполярного источника относительно уровня + Eп /2, а уровень ноль, т. е. шина, соединенная с отрицательным полюсом батареи, – аналогом отрицательного напряжения биполярного источника питания. Цифровая часть схемы питается напряжением Eп. Общая шина цифровой части соединена с отрицательным полюсом батареи питания. Металлоискатель работает следующим образом. Предположим, что до включения питания металлического предмета в поле поискового элемента нет (в поисковом элементе – лопаточке – расположены катушки дифференциально-мостовой схемы, приведенной на рис. 1.4). После включения питания за нескольких секунд автокомпенсатор подготавливает металлоискатель к работе. В течение этого времени происходят следующие процессы. Остаточное напряжение датчика, усилен14

ное дифференциальным усилителем, поступает на верхний вход суммирующего усилителя, (см. рис. 1.8). Сразу после включения питания напряжение на выходе формирователя компенсирующего напряжения ФКН, поступающее на нижний вход суммирующего усилителя, близко к нулю. С выхода суммирующего усилителя усиленное остаточное напряжение поступает на входы порогового устройства и преобразователя напряжение-частота, и включается звуковая сигнализация. Автокомпенсатор начинает формировать постепенно увеличивающееся по модулю и противоположное по знаку относительно уровня +Eп /2 компенсирующее напряжение на нижнем входе суммирующего усилителя. На выходе суммирующего усилителя напряжение стремится к уровню +Eп /2, т. е. к условному нулю. Когда этот уровень будет достигнут, звуковая сигнализация выключается, металлоискатель готов к работе. При появлении металлического предмета в поле поискового элемента металлоискателя увеличивается по модулю выходное напряжение датчика и происходят описанные выше процессы, т. е. включается звуковая сигнализация и происходит компенсация появившегося на выходе суммирующего усилителя напряжения. Но формирователь компенсирующего напряжения сделан так, что после обнаружения металлического предмета компенсация происходит гораздо медленнее, чем после включения питания. Тем не менее, если обнаруженный металлический предмет остается в поле поискового элемента, через некоторое время компенсация завершится и звуковая сигнализация выключится. Преобразователь напряжение-частота Преобразует входное постоянное или медленно изменяющееся напряжение в прямоугольное напряжение, частота которого пропорциональна входному напряжению. На вход ПНЧ поступает напряжение с выхода суммирующего усилителя, которое тем больше, чем больше размеры и масса металлического предмета и чем меньше расстояние между ним и поисковым элементом. Выходное напряжение ПНЧ управляет ключом К, в цепь которого включен звуковой излучатель ЗИ (см. рис. 1.8). Благодаря ПНЧ тон звуковой сигнализации тем выше, чем больше металлический предмет и ближе к поисковому элементу. При досмотре это позволяет косвенно судить о характере предмета. Функциональная схема ПНЧ изображена на рис. 1.9. ПНЧ состоит из инвертирующего усилителя ИУ с единичным коэффициентом усиления, 15

От СУ

ЭК И

РК

ИУ От ПУ

ФКИ

Рис. 1.9

электронного ключа ЭК, интегратора И, регенеративного компаратора РК и формирователя коммутирующих импульсов ФКИ. С помощью инвертирующего усилителя и электронного ключа на входе интегратора из однополярного относительно уровня +Eп /2 выходного напряжения суммирующего усилителя формируется биполярное, относительно того же уровня, прямоугольное напряжение. Оно преобразуется интегратором в биполярное треугольное напряжение, скорость нарастания и спада которого пропорциональна выходному напряжению суммирующего усилителя, т. е. полезному сигналу. Выходное напряжение регенеративного компаратора может принимать одно из двух значений – +Eп или 0. Из этого напряжения в схеме компаратора образуется порог сравнения, изменяющийся синхронно с ним, симметрично относительно уровня +Eп /2. Переключение компаратора происходит, когда треугольное выходное напряжение интегратора достигает действующего в данном интервале времени порога. Через логическую схему ФКИ выходное напряжение компаратора управляет электронным ключом. Поступающий на второй вход ФКИ логический сигнал с выхода порогового устройства (см. рис. 1.8) несет информацию о знаке выходного напряжения суммирующего усилителя относительно уровня условного нуля +Eп /2. Этим достигается необходимая для работы ПНЧ фазировка переключения электронного ключа. Формирователь компенсирующего напряжения Упрощенная функциональная схема ФКН приведена на рис. 1.10. В состав формирователя входят: формирователь импульсов запрета ФИЗ, тринадцатиразрядный двоичный счетчик СЧ1 и восемнадцатиразрядный двоичный счетчик СЧ2, импульсно-фазовый детектор ИФД, таймер Т, фильтр нижних частот ФНЧ и цифровой коммутатор ЦК. Формирователь выполняет три функции: – ускоренную компенсацию остаточного напряжения датчика после включения питания; 16

От АГ~300 КГц

Счет

СЧ1

13 р

Запрет От ПУ

~ 37 Гц

К СУ ИФД

ФНЧ

~ 37 Гц

ФИЗ ~10 КГц ~ 2,5 КГц

5р Счет

ЦК Вход

13 р СЧ2 16 р

~ 4 Гц

18 р Запрет

Выход ~ 1 Гц Т

Адрес

Fп.з Рис. 1.10

– замедленную компенсацию полезного сигнала после обнаружения металлического предмета; – следящую компенсацию остаточного напряжения датчика между обнаружениями, т. е. поддержание металлоискателя в состоянии готовности к работе. Непосредственное формирование компенсирующего напряжения, приблизительно равного выходному напряжению дифференциального усилителя (см. рис. 1.8) и противоположного по знаку относительно уровня условного нуля +Eп /2, осуществляется ИФД и ФНЧ. На входы ИФД подаются импульсные последовательности (меандры) с 13-го разряда счетчиков импульсов СЧ1 и СЧ2 с частотой порядка 37 Гц. Если последовательности совпадают, то среднее за период выходное напряжение ИФД равно нулю; если сдвинуть на четверть периода, то равно +Eп /2; если сдвинуть на полпериода, то равно Eп. Для изменения компенсирующего напряжения входные импульсные последовательности 17

дискретно сдвигаются друг относительно друга с шагом дискретизации, равным периоду колебаний автогенератора Т0 ≈ 3,3 мкс. Изменению компенсирующего напряжения от 0 до Eп соответствует сдвиг на 213 = 8192 временных дискретов. Одному временному дискрету соответствует, очевидно, дискрет напряжения DU = Eп /212 ≈ 0,75 мВ. ФНЧ сглаживает компенсирующее напряжение. Дискретный взаимный временной сдвиг импульсных последовательностей реализуется счетчиками СЧ1 и СЧ2, имеющими вход запрета счета. Импульсы запрета счета на один тактовый период T0 ≈ 3,3 мкс формируются ФИЗ так, что в данном тактовом интервале счет запрещается только в одном из счетчиков, т. е. выходы ФИЗ логически взаимно инверсные. Использование для сдвига двух счетчиков эквивалентно сдвигу влево или вправо. На верхний по схеме рис. 1.10 вход ФИЗ поступает тактовая последовательность от автогенератора, задающая длительность импульса запрета tи.з = T0. На нижний вход – импульсная последовательность с выхода цифрового коммутатора, задающая частоту повторения импульсов запрета Fп.з. На левый вход – выходное напряжение порогового устройства, задающее направление сдвига последовательностей на входах ИФД. Следовательно, направление сдвига определяется знаком выходного напряжения суммирующего усилителя относительно уровня условного нуля + Eп /2. После включения питания на выходе таймера выставляется код 000, и на выход цифрового коммутатора проходит импульсная последовательность с 5-го разряда СЧ2, имеющая частоту около 10 кГц. Смена адреса происходит с периодом ~ 0,25 с, так как на вход таймера поступает импульсная последовательность с 16-го разряда СЧ2. Таким образом, в течение 0,25 с после включения частота повторения импульсов запрета Fп.з ~ 10 кГц, и сдвиг входных последовательностей ИФД происходит максимально быстро. При каждой последующей смене адреса Fп.з уменьшается, как видно из функциональной схемы, в 4 раза. Таймер прекращает свою работу после выставления адреса 111. С этого момента и вплоть до выключения питания частота повторения импульсов запрета Fп.з ~ 1 Гц. Так реализуется быстрое формирование компенсирующего напряжения после включения питания, медленное в рабочем состоянии и в следящем режиме между обнаружениями. Из сказанного о металлоискателе с дифференциально-мостовым датчиком видно, что его достоинство по сравнению с металлоискателем с 18

вихретоковым преобразователем достигается существенным усложнением схемы и алгоритма работы. 1.5. Примеры технической реализации стационарных металлоискателей Стационарные металлоискатели способны обнаружить металлические предметы в любом месте одежды авиапассажира за время его прохода через датчик металлоискателя и поэтому применяются для массового досмотра. Датчики стационарных металлоискателей выполняются в виде замкнутой или П-образной рамки, через которую проходит досматриваемый. Они относятся к трансформаторному типу. Стационарные металлоискатели, расположенные в линейку на некотором расстоянии друг от друга, могут работать в синхронном параллельном режиме. В этом случае один из них является ведущим, а остальные – ведомыми. Ведущий металлоискатель задает остальным свою частоту тока, питающего передающую катушку датчиков. Такое включение нескольких металлоискателей существенно уменьшает взаимные помехи. Параллельный синхронный режим работы целесообразен при большом пассажиропотоке. Металлоискатель типа МИС Укрупненная функциональная схема стационарного металлоискателя приведена на рис. 1.11.

БД

Uд

.Uу

I T

ИУ

Д ДЦМ УК

IIа

IIб

ДЧМ Сброс

БГ

К U0

АК К

Сигн УСС

Синх. Рис. 1.11

19

Блок генератора БГ вырабатывает стабилизированное по частоте кварцем синусоидальное напряжение с частотой 2667 ± 20 Гц. Генератор выполнен по схеме с независимым возбуждением, т. е. состоит из автогенератора и усилителя мощности. При параллельной работе нескольких металлоискателей усилитель мощности отключается от автогенератора, и на его вход подается синхронизирующее напряжение от ведущего металлоискателя. Выходное напряжение усилителя мощности через последовательно соединенные конденсатор и резистор подается на передающую катушку блока датчика БД. Емкость конденсатора подобрана так, что образованный этими элементами последовательный колебательный контур настроен в резонанс с колебаниями генератора. Это обеспечивает максимальную амплитуду тока передающей катушки, так как при резонансе ток последовательного контура определяется подведенным напряжением и его активным сопротивлением (в данном случае суммой сопротивления резистора и активного сопротивления передающей катушки). Падение напряжения на резисторе U0 используется в качестве опорного при обработке сигнала датчика Uд. В блоке генератора размещены источники питания металлоискателя. С приемных катушек блока датчика его выходное напряжение Uд через первичную обмотку трансформатора Т поступает на вход избирательного усилителя ИУ. Усилитель настроен на частоту генератора. Это ослабляет помехи, которые могут наводиться на приемные катушки от сети и других электроустановок. Усилитель имеет логарифмическую амплитудную характеристику в диапазоне входных напряжений порядка 80 дБ, что позволяет избежать его перегрузки при большом остаточном напряжении после включения питания металлоискателя. Выходное напряжение избирательного усилителя Uу поступает на входы дискриминатора Д и автокомпенсатора АК. Автокомпенсатор, компенсатор К и трансформатор формируют в первичной обмотке последнего компенсирующее напряжение, равное по амплитуде и противоположное по фазе остаточному напряжению датчика. Компенсирующее напряжение формируется потенциометрической схемой компенсатора из опорного напряжения Uо. Автокомпенсатор управляет исполнительными электродвигателями, которые через редукторы вращают валы потенциометров компенсато20

ров. Напряжения, управляющие электродвигателями, формируются в автокомпенсаторе в результате сравнения выходного напряжения избирательного усилителя Uу и опорного напряжения Uо. Трансформатор, избирательный усилитель, автокомпенсатор и компенсатор образуют замкнутую петлю электромеханической следящей системы. Когда в электромагнитном поле датчика нет металлического предмета, следящая система поддерживает напряжение Uу на выходе избирательного усилителя близким к нулю, т. е. осуществляет непрерывную компенсацию текущего остаточного напряжения датчика. При появлении в поле датчика металлического предмета напряжения Uд на входе следящей системы компенсации и на выходе избирательного усилителя Uу возрастают. Начинается компенсация появившегося рассогласования в следящей системе. Но на полную компенсацию требуется определенное время. Именно за это время дискриминатор обрабатывает появившийся сигнал, сравнивает его с пороговым напряжением и включает устройство коммутации УК, которое включает световую и звуковую сигнализацию. Если металлический предмет остается в поле датчика, то после завершения компенсации на выходе избирательного усилителя снова устанавливается близкое к нулю напряжение. В зависимости от установленного режима работы устройства сигнализации и сброса УСС сигнализация об обнаружении металлического предмета продолжает работать или автоматически выключается. Дискриминатор имеет два идентичных канала: дискриминатор цветного металла ДЦМ и дискриминатор черного металла ДЧМ, – предназначенные для обнаружения предметов из цветных и черных металлов соответственно. Возможность различения вида металла основана на том, что начальные фазы сигналов датчика от цветного и черного металлов относительно опорного напряжения отличаются примерно на 180°. Каждый канал дискриминатора состоит из фазового детектора и порогового устройства. Различие между каналами лишь в том, что опорные напряжения, подаваемые на фазовые детекторы, сдвинуты по фазе относительно друг друга на 180°. Соответственно, пороговые напряжения пороговых устройств противоположны по знаку относительно общей шины. Перепад напряжения на выходе порогового устройства включает тиристор, который замыкает обмотку реле устройства коммутации на ис21

точник питания. Его контакты включают сигнализацию и разрывают цепь питания аналогичного реле второго канала обнаружения. Это исключает возможность одновременного срабатывания обоих каналов сигнализации. Выключение сигнализации производится кнопкой «Сброс» устройства сигнализации и сброса или автоматически с помощью реле времени, расположенном в этом устройстве. После сброса включается световая индикация готовности металлоискателя к новому циклу работы. Стационарный металлоискатель METOR Финский стационарный металлоискатель METOR 118 предназначен для обнаружения скрытых металлических предметов, огнестрельного и холодного оружия в одежде и на теле человека. Применяется для обеспечения безопасности в аэропортах, банках, посольствах и т. п. Датчик металлоискателя вихретокового типа с импульсным питанием передающих катушек. После окончания импульса тока в передающих катушках вихревые токи, наведенные в металлическом предмете, затухая экспоненциально, индуктируют полезный сигнал в приемных катушках. Длительность сигнала зависит от проводимости металла и может изменяться от нескольких до сотен микросекунд. Приемник металлоискателя с некоторой задержкой по отношению к концу импульса тока в передающих катушках отпирается на короткий интервал времени затухания вихревых токов. В приемнике усиленные и обработанные полезные сигналы датчика сравниваются с пороговым напряжением, при превышении которого на некоторое время включается световая и звуковая сигнализация. Металлоискатель состоит из блока датчика, электронного блока, соединенного кабеля и кабеля питания. Передающие и приемные катушки размещены по вертикальным сторонам П-образной рамки, через которую проходят досматриваемые люди. На лицевой панели электронного блока вертикально расположен двухцветный светодиодный линейный индикатор. Нижняя зеленая часть индикатора соответствует установленному порогу обнаружения, причем свечение зеленого светодиода служит сигналом готовности металлоискателя к работе. При обнаружении металлического предмета включаются красные светодиоды верхней части индикатора. Сигнализацией обнаружения служат: гашение нижнего зеленого светодиода индикатора, звуковой сигнал, сигнальная лампа датчика и сра22

батывающий контакт реле для управления дополнительными устройствами сигнализации. Питание металлоискателя может осуществляться от сети переменного тока с частотой 50 или 60 Гц и от аккумуляторной батареи (12– 20 В). Переключение металлоискателя на питание от аккумуляторной батареи при пропадании сетевого напряжения и обратное переключение при восстановлении сетевого питания происходит автоматически. Электронный блок металлоискателя работает в интервале температур 0…+55°С при относительной влажности воздуха в пределах 10 – 95%. Рабочий интервал температур блока датчика в зависимости от исполнения 0…+55°С или 35…+65°С – при относительной влажности воздуха до 95%. Металлоискатели могут работать параллельно при условии синхронизации рабочих частот. Чувствительность при обнаружении металлических предметов зависит от выбранной программы чувствительности. Имеется 16 программ, различающихся усилением приемника, частотой среза сигнального фильтра нижних частот, измерительной частотой и режимами тактовой синхронизации передатчика. Число значений усиления приемника – 5, частот среза фильтра нижних частот – 2, измерительной частоты – 3 и режимов тактовой синхронизации – 16. Выбор той или иной программы позволяет приспособить металлоискатель к конкретным условиям эксплуатации. Рабочая частота металлоискателя может быть синхронизирована с частотой питающей сети переменного тока (сетевая синхронизация) или с частотой кварцованного генератора (внутренняя синхронизация). В зависимости от режима тактовой синхронизации передатчика длительность его импульсов может быть в пределах 300–1000 мкс, время задержки после окончания импульса передатчика – 80–500 мкс и длительность измерения (выборки полезного сигнала) – 50–200 мкс. Структурная схема металлоискателя представлена на рис. 1.12. Блок питания с трансформаторным входом питает выпрямленным низковольтным напряжением (порядка 12 В) высокочастотный преобразователь, формирующий напряжение питания блоков (+24, ±15, +5 В). При аварийном питании металлоискателя от аккумуляторной батареи ее напряжение непосредственно подается на высокочастотный преобразователь. 23

uс.Пр uс.ПД1 uс.БИС1 ИО

ПД1

uс.БП

БП

ПДК1

БС

uа.с

ПРК1

КР

Пр

БД

uош

БИС

СЛ

uост ПД2

ПДК2

ПРК2

ЗС

uс.БИС2 uс.ПД2 uп.п uп.с Рис. 1.12

Блоки металлоискателя: БП – блок питания; БС – блок синхронизации; ПД1, ПДК1 – передатчик и передающая катушка первого канала; ПД2, ПДК2 – передатчик и передающая катушка второго канала; БД – блок датчика; ПРК1, ПРК2 – приемные катушки первого и второго каналов; Пр – приемник; БИС – блок индикации и сигнализации; ИО – индикатор обнаружения; КР – контакт реле; СЛ – сигнальная лампа обнаружения на датчике; ЗС – звуковая сигнализация. Напряжения межблочных связей: uс.БП – напряжение, синхронизирующее работу высокочастотного преобразователя блока питания с измерительной частотой; 24

uост – сигнал прерывания работы преобразователя блока питания на время измерения; uс.Пр – напряжение синхронизации интервала времени измерения (выработки) полезного аналогового сигнала; uс.ПД1, uс.ПД2 – соответственно напряжения синхронизации импульсов передатчиков и формирования измерительной частоты; uс.БИС1, uс.БИС2 – напряжения, передающие информацию о возможных сбоях в работе передатчиков; uп.п – команда переключения программ чувствительности; uа.с – напряжение аналогового сигнала; uош – сигнал ошибки коммутации (сбоя) в передающих или приемных катушках. Блок синхронизации управляет работой всех блоков металлоискателя. В нем формируются измерительная частота, которой сигналом uс.БП синхронизируется высокочастотный преобразователь блока питания; сигнал uост прерывания работы преобразователя на время измерения; напряжения uс.ПД1, uс.ПД2, синхронизирующие импульсы передатчиков с измерительной частотой; напряжение uс.Пр синхронизации выборки полезного сигнала. Блоки передатчиков формируют импульсный биполярный ток в передающих катушках датчика. В них формируются сигналы uс.БИС1, uс.БИС2 ошибки коммутации для блока индикации и сигнализации, которые совместно с сигналом сбоя коммутации из приемника используются для предотвращения ложного обнаружения. В блоке приемника сигналы приемных катушек каждого канала с определенной задержкой относительно окончания импульсов передатчиков стробируются, усиливаются и фильтруются фильтрами нижних частот. После сложения сигналы каналов усиливаются каскадом с регулируемым усилением (регулировка чувствительности) и передаются (uа.с) в блок индикации и сигнализации. В блоке приемника также формируется команда uп.п переключения программ для блока синхронизации. Двухканальная структура металлоискателя позволяет улучшить обнаружение продолговатых предметов, перемещающихся в различных ориентациях относительно электромагнитного поля датчика. В блоке индикации и сигнализации сигнал uа.с сравнивается с порогом обнаружения, который соответствует зеленой части индикатора обнаружения. Если порог превышен, загорается верхняя (красная) часть 25

индикатора обнаружения, гаснет нижний диод индикатора, замыкается контакт реле, загорается сигнальная лампа на блоке датчика. В этом блоке формируется также сигнал uп.с с частотой питающей сети для блока синхронизации. Кроме того, в блоке индикации и сигнализации по сигналам uош, uс.БИС1 и uс.БИС2 обнаруживается ошибка коммутации передающих и приемных катушек. В этом случае красная часть индикатора обнаружения не загорается, сигнализация не включается, а нижний зеленый светодиод индикатора выключается, индицируя произошедшую ошибку коммутации.

26

2. РЕНТГЕНОВСКАЯ ИНТРОСКОПИЯ Интроскопией называется визуальное наблюдение объектов, явлений и процессов в оптически непрозрачных телах и средах (от латинского intro – внутри). В аэропортах рентгеновские интроскопы используются для досмотра багажа и ручной клади пассажиров. 2.1. Общие сведения о рентгеновском излучении Рентгеновским называют электромагнитные излучения с частотой в диапазоне 6,02·1015 – 1,2·1020 Гц. Этот диапазон принято делить на три части: мягкий рентген, классический рентген и жесткий рентген. В рентгеновской технике вместо частоты обычно используют длину волны или энергию кванта излучения. Наиболее удобными единицами измерения являются: длины волны – áнгстрем (1Å = 10–10 м), а энергии кванта излучения – килоэлектронвольт (1кэВ = 1,6·10–16 Дж). Связь энергии с частотой выражается формулой Планка E = h f,

(2.1)

где h = 6,625·10–34 Дж·с. Характеристики рентгеновского излучения в соответствии с принятым делением на упомянутые выше области представлены в табл. 1. Таблица 1 Характеристика

Частота, Гц Длина волны, A° Энергия кванта, кэВ

Мягкий рентген Классический рентген

Жесткий рентген

6,02·1015

2,41·1017

4,82·1018

1,2·1020

496

12,4

0,62

0,025

0,025

1,0

20

500

Длина волны рентгеновского излучения соизмерима с междуатомными расстояниями в твердом веществе. Поэтому оно обладает высокой проникающей способностью. Физическая природа рентгеновского излучения Рентгеновское излучение возникает при резком торможении движущихся электронов в результате их соударения с атомами вещества препятствия. Возможно возникновение двух видов излучения. Тормозное излучение. Его природа объясняется тем, что при соударении электрон тормозится, а согласно электромагнитной теории, уско27

ренное движение электрического заряда приводит к возникновению электромагнитного поля. Спектр тормозного излучения – сплошной. Характеристическое излучение. Возникает после ионизации атома с выбрасыванием электрона с одной из его внутренних оболочек. Такая ионизация может быть результатом столкновения с атомом частицы с высокой энергией или поглощения атомом фотона. Спектр характеристического излучения – линейчатый. Частота линий спектра характерна для атомов каждого химического элемента. Генерация рентгеновского излучения Рентгеновское излучение генерируют с помощью электровакуумных приборов – рентгеновских трубок (рис. 2.1). Основными элементами рентге1 2 3 4 5 6 новской трубки являются: анод 2, термоэмиссионный катод 5 и фокусирующий электрод 4. Для получения сплошного спектра рентгеновского излучения используются аноды из золота или вольфрама. Рабочая часть анода – 10 9 8 7 металлическая зеркальная поверхРис. 2.1 ность – расположена под некоторым углом к потоку электронов 3. Анод сварен с анодным блоком 1, выполненным из металла с большой теплопроводностью. В мощных рентгеновских трубках в анодном блоке имеются каналы со штуцерами 10 для принудительного воздушного или жидкого охлаждения. Катод 5 представляет собой спираль или прямую нить из вольфрамовой проволоки. Выводы катода 6, к которым подводится напряжение накала, проходят через стеклянную колбу 7, изолирующую анодную часть трубки от катодной. Электростатический фокусирующий электрод 4 направляет пучок электронов на рабочую поверхность анода. Рентгеновское излучение 8 выходит через окно 9 в анодном блоке, заполненное бериллием, который слабо поглощает рентгеновское излучение. Напряжение анод-катод, ускоряющее электроны, может достигать 500 кВ, в зависимости от назначения рентгеновской трубки. Анодный 28

блок по конструктивным соображениям электрически соединяется с массой интроскопа. Электронный ток в трубках разного назначения 0,1 мА – 1А. Коэффициент полезного действия рентгеновских трубок 0,1 – 3%. Сплошной спектр тормозного излучения В ускоряющем поле с разностью потенциалов U электрон приобретает кинетическую энергию (2.2) Wk = eU, –19 где e = 1,6·10 Кл – заряд электрона. При столкновении электрона с атомом анода часть его энергии излучается в виде рентгеновского кванта, E U1≥U2 часть передается атому. Часть, переданная атому, может быть любой. Поэтому энергетический спектр тормозU2 ного излучения сплошной (рис. 2.2). В коротковолновой области спектр резко падает до нуля на граничной длине волны λг. В длинноволновой области спад более плавный, стремяλг 3/2 λг λ щийся к нулю. Коротковолновая граРис. 2.2 ничная длина волны соответствует относительно редкому превращению всей кинетической энергии электрона в энергию рентгеновского кванта. Спектр имеет максимум на длине волны l = 3/2 λг. При увеличении ускоряющего напряжения коротковолновая граница и максимум смещаются в сторону коротких длин волн, так как увеличивается кинетическая энергия электронов. Граничная длина волны может быть рассчитана по формуле, которая получается приравниванием энергии кванта (2.1) и кинетической энергии электрона (2.2): λг =

ch , eU

(2.3)

где с – скорость света. Регистрация рентгеновского излучения Технические средства регистрации рентгеновских квантов зависят от длины волны излучения и его интенсивности. 29

Применяемые для досмотра интроскопы работают при небольших интенсивностях пучка излучения. Наиболее подходящими для них являются сцинтилляционные счетчики (от латинского scintillatio – мерцание). Основой счетчика служит сцинтиллятор (люминофор) – вещество, в котором под действием рентгеновских квантов возникают вспышки оптического излучения. Эти вспышки преобразуются фотоприемником (фотодиодом, фототранзистором) в электрические импульсы. Сцинтилляторами являются кристаллы комплексных химических соединений натрия, цинка, цезия (например, сернистый цинк ZnS). Длительность световой вспышки (время высвечивания) для этих веществ примерно от 10 нс до 0,7 мкс. Длина волны оптического излучения в пределах 4100 –5600 Å (голубой - зеленый цвет). 2.2. Примерная конструкция и состав аппаратуры рентгеновского интроскопа Рентгеновский интроскоп позволяет выявить наличие в ручной клади и багаже оружия, взрывных устройств, наркотиков и других запрещенных предметов и объектов. Досматриваемый объект облучается рентгеновским облучением во время его перемещения через интроскоп. Прошедшее через объект излучение регистрируется сцинтилляционными счетчиками, образуя теневое изображение. После обработки электрических сигналов счетчиков телевизионное изображение выводится на монитор. Разрешающая способность современных интроскопов достигает 0,1 мм. Основные элементы конструкции и принцип формирования изображения Основными элементами конструкции интроскопа являются (рис. 2.3): ленточный транспортер 1; детекторная линия 2; веерный рентгеновский луч 3; коллиматор, формирующий веерный луч 4; рентгеновский генератор 5. 2 Ленточный транспортер перемещает досматриваемый объект в горизонтальной плоскости с постоянной скоростью 3 1 4 5 относительно веерного луча и детекторной линии. Скорость перемещения (порядка 0,2 м/с) поддерживается постоянной с помощью электронной следящей Рис. 2.3 системы. 30

Детекторная линия расположена в вертикальной плоскости и состоит из нескольких сотен миниатюрных сцинтилляционных датчиков. Датчики могут размещаться либо вертикально, либо Г-образно. Во втором варианте габариты интроскопа получаются несколько меньше. Каждый датчик состоит из пластинки сцинтиллятора, фотодиода и усилителя тока диода (фототока), выполненного, например, по схеме преобразователя ток-напряжение на операционном усилителе. Веерный рентгеновский луч формируется коллиматором, который исключает распространение излучения вне пределов плоского сектора. Рентгеновский генератор работает только в течение времени перемещения досматриваемого объекта в инспекционном туннеле. Такой режим позволяет значительно сократить общее время существования рентгеновского излучения, т. е. повышает радиационную безопасность. Пример внешнего вида германского интроскопа ХАЙМАНН ХИ-СКАН 5170-20 ТС приведен на рис. 2.4, где: 5 4 1 – ленточный транспортер; 2 – свин3 цовые шторки, закрывающие вход ин2 спекционного туннеля; 3 – корпус ин1 спекционного туннеля; 4 – клавиатура управления работой интроскопа; 5 – черно-белый монитор. Двумерное изображение просвечиваемого рентгеновским лучом объекРис. 2.4 та формируется следующим образом. Сигналы датчиков детекторной линии последовательно записываются в память. За один цикл записи формируется вертикальный разрез объекта. К моменту начала следующего цикла объект перемещается в горизонтальной плоскости, и в память записывается следующий разрез. За время перемещения объекта через плоскость веерного рентгеновского луча в памяти накапливается число вертикальных разрезов, пропорциональное горизонтальному размеру объекта и обратно пропорциональное скорости движения ленты транспортера. Обработанные сигналы из памяти выводятся на экран монитора. Возможны два варианта построения изображения: последовательный, по мере прохождения объекта через рентгеновский луч, и выдача полного изображения после выхода объекта из зоны просвечивания. Изображение может воспроизводиться на экране монитора неограниченно долго. 31

Обобщенная электрическая функциональная схема рентгеновского интроскопа Электрическая и электронная часть интроскопа содержит следующие системы (рис. 2.5): перемещения багажа СПБ; управления и контроля СУК; рентгеновской РС; построения изображения СПИ. СУК К

СПБ Б ДДЛТ

СБ

Л Т

БУГ

РГ БПГ РС

УБ

ЭД

БУД

ДЛ

БКИ

АМ

СП

АЦП

ВП

СПИ

Рис. 2.5

Структурные элементы: СПБ – система перемещения багажа; СУК – система управления и контроля; РС – рентгеновская система; СПИ – система построения изображения. Функциональные элементы: ДДЛТ – датчик движения ленты транспортера; БУД – блок управления двигателем; ЭД – электродвигатель; 32

ЦАП

М

ЛТ – лента транспортера; УБ – управляющий блок; СБ – световые барьеры; БКИ – блок контроля и индикации; БУГ – блок управления генератором; РГ – рентгеновский генератор; БПГ – блок питания генератора; ДЛ – детекторная линия; АМ – аналоговый мультиплексор; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; СП – сигнальный процессор; ВП – видеопамять; ЦАП – цифроаналоговый преобразователь; М – монитор. Система перемещения багажа предназначена для поддержания заданной скорости движения ленты транспортера вперед и прерывистого движения назад (короткий возврат). Она состоит из ДДЛТ, БУД, ЭД и ЛТ. Петля следящей системы замыкается через УБ. Система управления и контроля управляет функционированием всех систем интроскопа и контролирует их нормальную работу. На входе и выходе инспекционного туннеля установлены световые барьеры. При пересечении объектом досмотра входного светового барьера в управляющем блоке формируется команда включения рентгеновского генератора, а при пересечении выходного светового барьера – команда выключения. Блок контроля и индикации управляет работой монитора. С его помощью можно изменять масштаб изображения, яркость и контрастность. Управляющий блок синхронизирует считывание сигналов датчиков детекторной линии и запись в видеопамять, а также задает тактовую частоту АЦП. Управляющий блок контролирует интенсивность рентгеновского излучения и в случае превышения допустимого уровня выдает команду отключения генератора. Рентгеновская система содержит блок управления генератором, собственно рентгеновский генератор и блок питания генератора. Генератор и блок питания конструктивно объединены с целью уменьшения длины высоковольтных проводов и обеспечения их надежной изоляции (напомним, что анодное напряжение рентгеновской труб33

ки порядка 150 кВ). Управление блоком питания генератора производится через управляющий блок. В системе построения изображения аналоговый мультиплексор последовательно во времени подключает датчики детекторной линии к входу АЦП. Цифровые сигналы с выхода АЦП поступают в сигнальный процессор, обрабатывающий их по определенной программе. В частности, корректируются геометрические искажения, которые возникают из-за Г-образного расположения датчиков детекторной линии. Из сигнального процессора обработанные цифровые сигналы записываются в видеопамять, а из нее считываются в ЦАП и поступают в монитор. С помощью управляющего блока через блок контроля и индикации производится регулировка контрастности изображения, увеличение сектора изображения, выделение отдельных деталей изображения. Защита обслуживающего персонала и пассажиров от рентгеновского излучения обеспечивается в интроскопах свинцовыми экранами, предотвращающими утечку и рассеивание излучения в окружающем пространстве. Дополнительными мерами защиты служит дублируемый контроль интенсивности излучения и автоматическое выключение генератора в критических ситуациях.

34

Библиографический список 1. Металлоискатель ВМ-10Н: Техническое описание. 2. Металлоискатель МИП-3: Техническое описание. 3. Металлоискатель стационарный МИС: Техническое описание. 4. Металлоискатель МЕТOR 118: Руководство по эксплуатации. 5. Изделие «Луч». Комплекс рентгеновской аппаратуры: Техническое описание. 6. Система для проверки багажа ХАЙМАНН ХИ-СКАН 5170-20 ТС: Руководство по эксплуатации.

35

Оглавление Введение ................................................................................................... 3 1. Металлоискатели ................................................................................ 4 1.1. Принцип обнаружения металлических предметов ................. 4 1.2. Основные технические характеристики металлоискателей .. 5 1.3. Датчики металлоискателей и их сравнительная характеристика ............................................................................ 6 1.4. Примеры технической реализации переносных металлоискателей ..................................................................................... 12 1.5. Примеры технической реализации стационарных металлоискателей ..................................................................................... 19 2. Рентгеновская интроскопия ............................................................... 27 2.1. Общие сведения о рентгеновском излучении. ........................ 27 2.2. Примерная конструкция и состав аппаратуры рентгеновского интроскопа ................................................................................... 30 Библиографический список ................................................................... 35

36