Giới thiệu về máy dò kim loại

Khi đề cập tới cụm từ “máy dò kim loại” ta có thể liên hệ tới nhiều hoạt động của nhiều người khác nhau. Chẳng hạn trường hợp có người đi dọc bờ biển để tìm kiếm những đồng xu hoặc kho báu. Một số người lại nghĩ tới vấn đề an ninh ở sân bay, hoặc các máy quét cầm tay tại các buổi hòa nhạc hay sự kiện thể thao.

Tất cả các trường hợp trên đều hợp lí. Công nghệ máy dò kim loại ứng dụng rộng khắp trên nhiều lĩnh vực trong cuộc sống của chúng ta. Máy dò kim loại trong sân bay, công sở, trường học, văn phòng chính phủ, nhà tù, … giúp ta đảm bảo rằng không ai mang các loại vũ khí vào trong. Các loại máy dò kim loại dân dụng mang lại cho hàng triệu người trên thế giới cơ hội để khám phá tra các kho báu bị chôn giấu (cùng với đó là rất nhiều rác :))

Trong bài viết này, bạn sẽ được giới thiệu về máy dò kim loại và các công nghệ khác nhau mà chúng sử dụng. Trọng tâm chúng ta đề cập đến các máy dò dân dụng, nhưng hầu hết các thông tin cũng có thế áp dụng đối với các hệ thống máy dò khác như ở sân bay, hay các thiết bị quét an ninh cầm tay.

Cấu tạo của một máy dò kim loại

Một máy dò kim loại thường khá đơn giản, bao gồm các phần sau:

1. Bộ thăng bằng (stabilizer) (tùy chọn) - sử dụng để giữ cho thiết bị ổn định khi ta quét lui tới
2. Hộp điều khiển - chứa mạch điện, bảng điều khiển, loa, pin và có thể có cả vi xử lí
3. Cán - kết nối hộp điều khiển và cuộn dây; thường có thể điều chỉnh được để người dùng có thể cảm thấy thoải mái.
4. Cuộn dây dò - là thành phần nhận biết sự có mặt của kim loại; còn được goi là “đầu dò”, “loop”, “ăn-ten”

Nhiều hệ thống còn có jack cắm để kết nối với headphone, một số lại có hộp điều khiển bên dưới cán cùng một thành phần hiển thị ở trên.

Hoạt động của một máy dò rất đơn giản, dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Sau khi bật nguồn thiết bị, người dùng sẽ di chuyển đầu dò từ từ trên khu vực cần tìm kiếm, khi qua một đối tượng (kim loại), tín hiệu âm thanh được phát ra. Nhiều loại máy dò kim loại tiên tiến còn hiển thị cả loại kim loại và độ sâu của đối tượng.

Máy dò kim loại sử dụng 3 công nghệ:

• Very low frequency (VLF) - tần số rất thấp
• Pulse induction (PI) - cảm ứng xung
• Beat-frequency oscillation (BFO): dao động tần số phách

Trong các phần dưới đây, chúng ta sẽ tìm hiểu kĩ hơn về các công nghệ này để xem cách làm việc của chúng.

Kỹ thuật VLF

Very low frequency (VLF), còn được biết với tên “cân bằng cảm ứng” (induction balance), là công nghệ máy dò khá phồ biết được dùng ngày nay. Trong máy dò VLF, có 2 cuộn dây riêng biệt.

• Cuộn phát (transmitter coil) - Đây là cuộn dây vòng ngoài. Nó đơn giản chỉ là 1 cuộn dây dẫn. Dòng điện được đưa dọc theo sợ dây, ban đầu theo 1 hướng và sau đó theo hướng ngược lại, lặp đi lặp lại hàng ngàn lần mỗi giây. Số lần mà dòng điện đổi chiều mỗi giây tạo nên tần số của thiết bị.
• Cuộn thu (receiver coil) - là cuộn dây vòng trong. Cuộn dây này đóng vai trò như 1 ăng-ten để thu nhận và khuếch đại các tần số nhận được đến từ đối tượng mục tiêu trong lòng đất.

Dòng điện di chuyển dọc theo cuộn phát tạo ra một trường điện từ, điều này giống như trong một motor. Cực tính của từ trường trực giao với vòng dây. Mỗi lần dòng điện đổi chiều, cực tính của từ trường thay đổi. Điều này có nghĩa là nếu cuộn dây (hay mặt phẳng chứa vòng dây) song song với mặt đất, từ trường được đẩy ổn định xuống lòng đất và sau đó phản xạ trở lại (bị đẩy ngược lên).

Vì từ trường di chuyển lên và xuống lòng đất, nó tương tác với các vật thể dẫn điện bắt gặp được, làm cho chúng sinh ra một trường cảm ứng yếu. Cực tính của trường cảm ứng của đối tượng ngược với trường của cuộn phát. Nếu trường của cuộn phát rơi xuống thì trường của đối tượng lại đẩy lên.

[Hình trên để cập đến công nghệ VLF]

Cuộn thu hoàn toàn được ngăng cách với từ trường tạo bởi cuộn phát. Tuy nhiên, nó không ngăn cách với từ trường đến từ vật thể trong lòng đất. Vì vậy, khi cuộn thu đưa qua vật thể tạo ra từ trường, một dòng điệ nhỏ chạy trong cuộn dây (cuộn thu). Dòng điện này dao động với cùng tần số như của từ trường tạo bởi vật thể. Cuộn dây khuếch đại tín hiệu này và gửi nó đến hộp điều khiển của máy dò, nơi các cảm biến sẽ phân tích tín hiệu.

Máy dò kim loại có thể xác định xấp xỉ độ sâu của vật thể dưới lòng đất dựa trên cường độ của từ trường được tạo ra. Vật thể càng gần mặt đất thì từ trường nhận được càng mạnh, và dòng điện sinh ra càng lớn. Ngược lại, vật thể càng xa mặt đất thì từ trường càng yếu. Dưới một độ sâu nhất định nào đó, trường của vật thể quá yếu thì thiết bị sẽ không thể nhận biết được.

Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ xem xét cách máy dò VLF phân biệt các loại kim loại khác nhau.

Dịch pha tần số rất thấp (VLF phase shifting)

Bằng cách nào mà máy dò có thể phân biệt các loại kim loại khác nhau? Điều này phụ thuộc vào một khái niệm gọi là “độ dịch pha” (phase shifting). Độ dịch pha là khoảng chênh lệch về thời gian giữa tín hiệu từ cuộn phát với tín hiệu nhận được trên cuộn thu. Sự khác nhau này có thể được gây ra bởi các nguyên nhân sau”

• Điện cảm - một vật thể dẫn điện tốt (có hệ số điện cảm lớn) sẽ chậm phản ứng với sự thay đổi của dòng điện. Bạn có thể liên tưởng độ điện cảm với một dòng sông sâu. Việc thay đổi lượng chảy vào sông sẽ cần một thời gian khá lâu để ta có thể thấy được sự thay đổi của mực nước.
• Điện trở - Một vật thể dẫn điện kém (có điện trở lớn) sẽ nhanh phản ứng với sự thay đổi của dòng điện. Sử dụng sự liên tưởng với nước như ở trên, điện trở giống như một dòng chảy nhỏ và nông: sự thay đổi lượng nước chảy vào đó sẽ nhanh chóng làm thay đổi mực nước của dòng chảy.

Hiểu đơn giản, điều này có nghĩa là một vật thể thiên về tính điện cảm sẽ có độ dịch pha lớn, bởi vì nó cần nhiều thời gian hơn để thay đổi từ trường. Một vật thể với tính điện trở sẽ có dộ dịch pha nhỏ hơn.

Độ dịch pha cho phép các máy dò VLF khả năng “phân biệt”. Bởi vì hầu hết kim loại khác nhau về hệ số điện cảm lẫn điện trở, một máy dò VLF kiểm tra độ dịch pha, sử dụng một mạch so sánh gọi là “mạch giải điều chế pha”, và so sánh độ dịch pha đo được với giá trị dịch pha trung bình ứng với một kim loại nào đó. Máy dò sau đó sẽ báo cho chúng ta một âm điệu hoặc chỉ thị hình ảnh về thông tin dải các kim loại mà vật thể có thể thuộc về.

Nhiều máy dò thậm chí còn cho phép ta lọc ra (phân biệt) các vật thể dựa trên một độ dịch pha nhất định. Thông thường, bạn có thể đặt mức dịch pha để lọc, thường bằng cách điều chỉnh núm vặn để tăng hoặc giảm mức ngưỡng. Một tính năng phân biệt khác của máy dò VLF được gọi là “định nấc” (notching). Về cơ bản, một “nấc” là một bộ lọc phân biệt cho một đoạn dịch pha nào đó. Máy dò sẽ không báo hiệu cho bạn cho tới khi vật thể xác định được nằm trên khoảng này (như ở tính năng phân biệt thông thường), mà chỉ có báo hiệu khi vật thể nằm dưới ngưỡng đó.

Những máy dò tiên tiến thậm chí còn cho bạn lập trình nhiều nấc. Ví dụ, bạn có thể thiết đặt máy để bỏ qua các vật thể có độ dịch pha có thể so sánh với của lon sô-đa hay của một cái đinh nhỏ. Nhược điểm của sự phân biệt và định nấc là nhiều vật có giá trị có thể được lọc ra bởi vì độ dịch pha ứng với chúng tương tự với các loại phế liệu. Nhưng nếu bạn biết đối tượng cụ thể đang cần tìm kiếm thì những tính năng này lại vô cùng hữu ích.

Kỹ thuật PI

Một dạng máy dò ít phổ biến hơn dựa trên cảm ứng xung (pulse induction – PI). Không giống như VLF, hệ thống PI có thể sử dụng cùng 1 cuộn dây cho chức năng bộ phát và bộ thu, hoặc người ta có thể sử dụng 2 hay thậm chi 3 cuộn dây đồng thời. Kĩ thuật này tạo ra một xung điện mạnh, ngắn của dòng qua cuộn dây. Mỗi xung tạo ra một từ trường ngắn. Khi xung kết thúc, từ trường đảo cực tính và suy giảm tức thì, kết quả là tạo một xung điện nhọn. Xung nhọn này tồn tại trong vài micro giây và tạo nên một dòng điện khác chạy trong cuộn dây. Dòng này được gọi là “xung phản xạ” (reflect pulse) và nó vô cùng ngắn, chỉ tồn tài khoảng 30 micro giây. Một xung khác sau đó sẽ tiếp tục được tạo ra bởi máy dò và quá trình lặp lại. Một máy dò PI thông dụng tạo ra khoảng 100 xung trong 1 giây, nhưng số lượng này khác nhau rất nhiều tùy vào nhà sản xuất và mẫu thiết bị, trong khoảng từ 25 tới hàng ngàn xung/giây.
Nếu máy dò được đưa trên một vật kim loại, xung điện tạo ra 1 từ trường đối ngược trong vật thể. Khi từ trường của xung suy giảm, tạo ra xung phản xạ, từ trường của đối tượng làm cho xung phản xạ tồn tại lâu hơn. Quá trình này diễn ra giống như khái niệm “tiếng vang”: Nếu bạn hét lớn trong một căn phòng chỉ có vài bề mặt cứng, hầu như bạn chỉ nghe được tiếng vang rất ngắn, hoặc không nghe thấy; nhưng nếu trong một căn phòng với nhiều bề mặt cứng, tiếng vang lâu hơn. Trong một máy dò PI, từ trường từ đối tượng thêm “tiếng vang” vào xung phản xạ, làm cho xung này tồn tại lâu hơn trường hợp không có “tiếng vang”
Một mạch lấy mẫu trong máy dò được sử dụng để giám sát độ dài của xung phản xạ. Bằng cách so sánh nó với độ dài mong muốn, mạch này có thể xác đinh có phải một từ trường khác đã làm cho xung phản xạ lâu suy giảm hơn không. Nếu sự suy giảm của xung phản xạ lâu hơn vài micro giây so với thông thường, gần như chắc chắc là có đối tượng kim loại nào đó đã tác động lên chúng.

Một mạch lấy mẫu gửi các tín hiệu nhỏ, yếu mà nói bắt được đến 1 thiết bị gọi là bộ tích phân. Bộ tích phân đọc tính hiệu từ mạch lấy mẫu, khuếch đại và chuyển đổi chúng thành dòng 1 chiều (DC). Điện áp của dòng một chiều này được kết nối vào mạch âm thanh, nơi phát ra âm điệu khi may dò nhận biết được sự tồn tại của kim loại.

Kỹ thuật PI không tốt trên phương diện phân biệt đối tượng bởi vì sự khác nhau về độ dài xung phản xạ giữa các kim loại khó tách bạch. Tuy nhiên, nó lại rất hữu ích trong nhiều trường hợp mà kĩ thuật VLF gặp khó khăn, chẳng hạn trường hợp thăm dò nước muối. Thêm vào đó, kỹ thuật PI còn có khả năng phát hiện kim loại ở khoảng cách sâu hơn nhiều so với các kĩ thuật khác.

  Kỹ thuật BFO

Cách đơn giản nhất để phát hiện kim loại là sử dụng kĩ thuật với tên gọi “bộ dao động tần số phách” (beat-frequency oscilator – BFO). Trong một hệ thống BFO, có 2 cuộn dây. Một cuộn lớn nằm trong đầu dò, cuộn nhỏ hơn được đặt trong hộp điều khiển. Mỗi cuộn được kết nối tới 1 bộ dao động, bộ này tạo ra hàng ngàn xung điện trong 1 giây. Tần số của các xung này chênh nhau một chút giữa 2 cuộn giây. Khi các xung này đi qua mỗi cuộn dây, cuộn dây sẽ sinh ra sóng radio. Một bộ thu nhỏ trong hộp điều khiển thu nhận các sóng radio này và tạo ra chuỗi âm điệu (nhịp) dựa trên sự sai khác giữa 2 tần số.
Nếu cuộn dây trong đầu dò đi qua vật thể kim loại, từ trường tạo bởi dòng điện chạy trong cuộn dây tạo ra một từ trường khác quanh đối tượng. Từ trường quanh vật thể giao thoa với sóng radio tạo bởi đầu dò. Vì tần số lệch nhau giữa tín hiệu cuộn dây đầu dò và của hộp điều khiển nên âm nhịp thay đổi về độ dài và cao độ.

 

[Hình trên mô tả kĩ thuật BFO]
Sự đơn giản của kĩ thuật BFO cho phép chúng được các nhà sản xuất tung ra thị trường với giá cả khá thấp. Nhưng những máy dò loại này không cung cấp các mức điều khiển và độ chính xác như dòng VLF hay PI.
Ứng dụng của máy dò kim loại
Máy dò kim loại được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống, có thể kể đến một số như sau:

• Dò tìm các vật kim loại có giá trị bị chôn lấp
  
• An ninh tại sân bay, tòa nhà
  
• An ninh tại các sự kiện
  
• Tìm đồ vật thất lạc
  
• Khảo cổ học
  
• Nghiên cứu địa chất
  
• Rà phá bom mìn, vật liệu nổ
  ...
  

   

 

Nguồn: http://electronics.howstuffworks.com/gadgets/other-gadgets/metal-detector.htm

----- o0o -----

Và đây là 1 bài viết (tiếng Anh) giới thiệu cách chế tạo một máy dò BFO đơn giản: http://www.easytreasure.co.uk/bfo.htm