Lịch sử hình thành ngành máy dò kim loại

Máy dò kim loại là một dụng cụ điện tử trong đó phát hiện sự hiện diện của kim loại gần đó. Máy dò kim loại rất hữu ích cho việc tìm kiếm kim loại vùi ẩn trong các đối tượng hoặc các vật kim loại được chôn dưới lòng đất.

Máy dò thường bao gồm một đơn vị cầm tay với một đầu dò cảm biến có thể được quét trên mặt đất hoặc các đối tượng khác. Nếu các cảm biến đến gần một miếng kim loại này được chỉ định bởi một giai điệu thay đổi trong tai nghe hoặc kim chỉ thị di chuyển trên thang đo. Thông thường các thiết bị cung cấp một số dấu hiệu cho thấy khoảng cách của vật được phát hiện; kim loại gần hơn cho âm thanh lớn hơn trong tai nghe hoặc kim lệch xa hơn. Một dạng phổ biến khác là cổng dò kim loại được sử dụng để kiểm tra an ninh tại các điểm ra vào trong các nhà tù, tòa án và các sân bay để phát hiện vũ khí, kim loại giấu trên cơ thể của một người.

Hình thức đơn giản nhất của một máy dò kim loại bao gồm một bộ dao động tạo ra một dòng điện xoay chiều đi qua cuộn dây tìm kiếm và sinh ra một từ trường biến thiên. Khi có một miếng kim loại dẫn điện đặt trong từ trường biến thiên đó sẽ làm sinh ra một dòng điện cảm ứng trong vật kim loại, dòng này này biến thiên tạo ra một từ trường riêng. Một cuộn dây khác được sử dụng để đo từ trường của đối tượng kim loại (hoạt động như một từ kế ), sự thay đổi trong từ trường do các vật bằng kim loại có thể được phát hiện.

Máy dò kim loại công nghiệp đầu tiên được phát triển trong những năm 1960 và đã được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng công nghiệp khoáng sản và thăm dò khác. Sử dụng bao gồm rà phá mìn (phát hiện mỏ đất ), phát hiện các loại vũ khí như dao và súng (đặc biệt là an ninh sân bay ),  khảo sát địa vật lý , khảo cổ học và tìm kiếm  kho báu . Máy dò kim loại cũng được sử dụng để phát hiện dị vật trong thực phẩm và trong các ngành công nghiệp xây dựng để phát hiện  cốt thép trong bê tông và ống dẫn và dây điện chôn trong bức tường và sàn nhà.

Lịch sử và phát triển của Máy Dò Kim Loại

Máy dò kim loại sớm, năm 1919, được sử dụng để tìm bom mìn chưa nổ ở Pháp sau Thế chiến 1.

Vào cuối thế kỷ 19, nhiều nhà khoa học và các kỹ sư sử dụng tri thức tiên tiến của lý thuyết điện học trong một nỗ lực để đưa ra một máy dò có thể xác định kim loại. Việc sử dụng một thiết bị như vậy để tìm đá chứa quặng sẽ cung cấp một lợi thế rất lớn cho những người thợ mỏ. Đầu tiên thì máy rất là thô sơ, tiêu thụ rất nhiều năng lượng pin và chỉ làm việc ở một mức độ rất hạn chế.Alexander Graham Bell sử dụng một thiết bị như vậy để cố gắng xác định vị trí một viên đạn găm vào ngực của Tổng thống Mỹ James Garfield vào năm 1881; máy dò kim loại làm việc chính xác nhưng các nỗ lực đã không thành công bởi vì các cuộn dây kim loại giường lò xo Garfield nằm trên phát hiện vẫn còn lúng túng.

Phát triển hiện đại

Sự phát triển của máy dò kim loại hiện đại đã bắt đầu vào những năm 1920. Gerhard Fisher đã phát triển một hệ thống radio direction finding sử dụng điều hướng chính xác. Hệ thống này làm việc rất tốt, nhưng Fisher nhận thấy rằng có những bất thường ở những nơi có địa hình chứa đá chứa quặng. Ông lý luận rằng nếu một chùm vô tuyến có thể bị bóp méo bởi kim loại thì có thể thiết kế một máy phát hiện kim loại sử dụng cuộn dây cộng hưởng ở một tần số vô tuyến điện. Năm 1925, ông áp dụng và được chấp thuận bằng sáng chế đầu tiên cho một máy dò kim loại. Mặc dù Gerhard Fisher là người đầu tiên được cấp bằng sáng chế cho một máy dò kim loại, là người đầu tiên áp dụng là Shirl Herr, một doanh nhân từ Crawfordsville, Indiana. Ứng dụng của ông ta cho một máy dò kim loại cầm tay đã được nộp vào tháng Hai năm 1924, nhưng không cấp bằng sáng chế cho đến tháng Bảy năm 1928. Herr hỗ trợ lãnh tụ Ý Benito Mussolini trong việc tìm lại các đồ còn lại từ thuyền của Hoàng đế Caligula dưới đáy hồ Nemi của Ý trong tháng 8 năm 1929. Phát minh Herr được sử dụng thám hiểm Nam Cực thứ hai bởi Đô đốc Richard Byrd vào năm 1933, khi nó được sử dụng để xác định vị trí đối tượng bỏ lại phía sau bởi nhà thám hiểm trước đó. Nó có hiệu quả lên đến độ sâu hai mét rưỡi. Tuy nhiên, Trung Józef Stanisław Kosacki , một sĩ quan Ba Lan thuộc một đơn vị đóng quân ở St Andrews , Fife , Scotland , trong những năm đầu của Thế chiến II , người đã cải tiến các thiết kế thành một thực tế máy dò mìn ở Ba Lan . Chúng rất nặng, chạy trên ống chân không và sử dụng pin riêng.

Thiết kế phát minh bởi Kosacki đã được sử dụng rộng rãi trong quá trình giải phóng mặt bằng của các khu vực mìn của Đức trong trận đánh thứ hai của El Alamein khi 500 đơn vị được chuyển tới Thống chế Montgomery để xóa sạch các bãi mìn của người Đức khi rút lui, và sau đó được sử dụng trong cuộc xâm lược đồng minh của Sicily , các cuộc xâm lược đồng minh của Ý và Cuộc xâm lược của Normandy . Vì hoạt động nghiên cứu trong chiến tranh tạo ra và cải tiến nó nên nghiên cứu mà Kosacki tạo ra máy dò kim loại đầu tiên đã được giữ bí mật trong hơn 50 năm.

Nhiều cải tiến mới

Nhiều nhà sản xuất của các thiết bị mới mang ý tưởng của mình ra thị trường.  White's Electronic của Oregon bắt đầu vào những năm 1950 bằng cách xây dựng một máy được gọi là Oremaster Geiger Counter. Một người đi đầu trong công nghệ máy dò là Charles Garrett , người đi tiên phong trong BFO (Beat Frequency Oscillator). Với sự phát minh và phát triển của các bóng bán dẫn trong năm 1950 và 1960, các nhà sản xuất máy dò kim loại và thiết kế làm máy nhẹ hơn nhỏ hơn với mạch cải tiến, chạy trên gói pin nhỏ có rất nhiều công ty đã mọc lên trên toàn Hoa Kỳ và Anh để cung cấp cho nhu cầu ngày càng tăng.

Các dòng máy hiện đại được máy tính hóa hoàn toàn, sử dụng công nghệ mạch tích hợp cho phép người dùng thiết lập độ nhạy, phân biệt đối xử, theo dõi tốc độ, âm lượng ngưỡng, bộ lọc notch vv, và giữ các thông số trong bộ nhớ để sử dụng trong tương lai. So với chỉ một thập kỷ trước, máy dò được nhẹ hơn, tìm kiếm đối tượng sâu hơn, sử dụng ít năng lượng pin và phân biệt đối xử tốt hơn.

Máy dò kim loại cầm tay lớn hơn được sử dụng bởi các nhà khảo cổ và thợ săn kho báu để xác định vị trí các vật kim loại, chẳng hạn như đồ trang sức, tiền xu , đạn và  các hiện vật  khác nhau chôn nông dưới lòng đất.

Discriminators (phân biệt đối xử)

Sự thay đổi lớn nhất trong công nghệ máy dò là sự phát triển của hệ thống cân bằng cảm ứng. Hệ thống này liên quan đến hai cuộn dây được cân bằng điện. Khi kim loại xuất hiện gần vùng lân cận của máy dò, chúng sẽ trở nên mất cân bằng. Cho phép máy dò phân biệt đối xử giữa các kim loại , thực tế là tất cả các kim loại có đáp ứng phase khác nhau khi tiếp xúc với dòng điện xoay chiều. Các nhà khoa học từ lâu đã biết đến sự kiện này bởi các máy dò thời gian được phát triển có chọn lọc có thể phát hiện kim loại mong muốn, trong khi bỏ qua những đối tượng không mong muốn.

Ngay cả với chế độ phân biệt đối xử, nó vẫn còn là một thách thức để tránh các kim loại không mong muốn, bởi vì một số trong số chúng có phản ứng phase tương tự nhau, ví dụ như giấy thiếc và vàng, đặc biệt là ở dạng hợp kim. Do đó, điều chỉnh không đúng loại bỏ một số kim loại có thể bỏ qua một vật có giá trị. Một bất lợi của chế độ phân biệt là giảm độ nhạy của máy.

Xem thêm: Nguyên lý hoạt động, cấu tạo và cách sử dụng máy dò kim loại

Thiết kế cuộn dây mới

Những nhà thiết kế cuộn dây cũng luôn cố gắng đưa ra thiết kế. Hệ thống cuộn dây cân bằng cảm ứng ban đầu gồm hai cuộn dây giống hệt nhau được đặt trên nhau. La bàn điện tử sản xuất một thiết kế mới: hai cuộn dây hình chữ D, gắn kết lại để trở lại để tạo thành một vòng tròn. Hệ thống này được sử dụng rộng rãi trong những năm 1970 cả hai loại đồng tâm và DD (hoặc quét rộng). Phát triển khác là sự phát minh ra máy dò có thể loại bỏ tác dụng của khoáng trong đất. Điều này cho độ sâu lớn hơn nhưng là chế độ không phân biệt đối xử. Nó làm việc tốt nhất ở tần số thấp hơn so với những cái trước đây và tần số từ 3 đến 20 kHz cho kết quả tìm kiếm tốt nhất. Nhiều thiết bị dò những năm 1970 đã có một chuyển đổi cho phép người dùng chuyển qua lại giữa các chế độ phân biệt đối xử và các chế độ không phân biệt đối xử. Sau này phát triển chuyển đổi điện tử giữa cả hai chế độ. Sự phát triển của các máy dò cân bằng cảm ứng cuối cùng trong việc phát hiện chuyển động, liên tục kiểm tra và cân bằng các khoáng nền.

Xung cảm ứng

Một máy dò kim loại cảm ứng xung với một loạt các cuộn dây.

Đồng thời, các nhà phát triển đã được xem xét sử dụng một kỹ thuật khác nhau trong việc phát hiện kim loại được gọi là cảm ứng xung. Không giống như các dao động tần số nhịp hoặc máy cân bằng cảm ứng mà cả hai sử dụng một bộ dòng điện xoay chiều ở tần số thấp, máy cảm ứng xung chỉ đơn giản là bắn một xung điện áp cao của tín hiệu vào mặt đất. Trong trường hợp không có kim loại, xung phân rã với tốc độ thống nhất, và thời gian nó giảm xuống 0 volt có thể đo chính xác. Tuy nhiên, nếu kim loại có mặt khi máy máy dò bắn xung xuống mặt đất, một dòng nhỏ sẽ chảy trong các kim loại, và thời gian cho điện áp giảm xuống bằng không sẽ được tăng lên. Những sự khác biệt thời gian là phút, nhưng những cải tiến trong thiết bị điện tử đã làm cho nó có thể để đo lường chúng chính xác và xác định sự hiện diện của kim loại ở một khoảng cách tương đối. Những máy mới này có một lợi thế lớn: Chúng hoàn toàn bị ảnh hưởng của khoáng, và do đó nhẫn và đồ trang sức khác bây giờ có thể được đặt ngay cả dưới khoáng cao cát đen.

Sử dụng trong khảo cổ học

Máy dò kim loại được sử dụng rộng rãi trong khảo cổ học và được ghi nhận sử dụng đầu tiên bởi sử gia quân sự Don Rickey vào  năm 1958 đã sử dụng một để phát hiện các đường bắn ở Little Big Horn. Tuy nhiên các nhà khảo cổ phản đối việc sử dụng máy dò kim loại của "người tìm hiện vật" hoặc "những người hôi của trong khu vực" có các hoạt động phá vỡ địa điểm khảo cổ.

5 hoạt động của máy dò kim loại dưới lòng đất gồm có:

Coin shooting là tìm kiếm tiền xu sau một sự kiện có nhiều người, giống như một trò chơi bóng chày, hoặc đơn giản là tìm kiếm bất kỳ đồng tiền xu cũ. Một số người tìm tiền xu đã tiến hành nghiên cứu lịch sử để xác định các khu vực có khả năng bị lãng quên và tiền xu chung.

Prospecting (thăm dò) là tìm kiếm các kim loại quý như vàng và bạc trong các hình thức tự nhiên của chúng chẳng hạn như cốm hoặc vẩy.
Phát hiện Kim loại nói chung là tương tự như tìm kiếm tiền xu ngoại trừ những người dò kim loại sau này là tìm kiếm các hiện vật lịch sử. Những người chuyên bảo tồn hiện vật lịch sử và thường có chuyên môn đáng kể. Tiền xu, đạn, các nút, đầu rìu và khóa chỉ là một vài trong số các mặt hàng thường được tìm thấy bởi thợ săn di tích; nhìn chung ở châu Âu và châu Á có khả năng hơn nhiều so với nhiều nơi khác trên thế giới. Nhiều hiện vật có giá trị được tìm thấy ở Anh bao gồm nơi chôn giấu vàng Staffordshire của Anglo-Saxon, được bán với giá £ 3.285.000, Newark Torc , Cốc vàng Ringlemere , Khu cất giữ phíaTây Bagborough, Milton Keynes , Roman Crosby Garrett Helmet , Stirling  ,Collette và hàng ngàn phát hiện nhỏ hơn.

Beach combing là tìm kiếm tiền xu hoặc đồ trang sức bị mất trên bãi biển. Tìm kiếm trên bãi biển có thể là đơn giản hoặc phức tạp như người ta muốn làm cho nó. Nhiều thợ săn bãi biển chuyên dụng cũng làm quen với các phong trào thủy triều và xói mòn bờ biển. Có hai kỹ thuật chính cho việc tìm kiếm trên bãi biển. Đầu tiên được gọi là "Gridding", là khi bạn tìm kiếm trong một mô hình. Ví dụ, bạn bắt đầu từ đường bờ biển và làm việc xuống đến bờ biển, di chuyển sang bên một chút, và lặp lại quá trình. Kỹ thuật tiếp theo được gọi là "tìm kiếm ngẫu nhiên".Tìm kiếm ngẫu nhiên là khi bạn đi bộ xung quanh bãi biển mà không có mô hình cụ thể, hy vọng sẽ bao phủ mặt đất nhiều hơn.

Các câu lạc bộ dò tìm kim loại trên khắp Hoa Kỳ, Anh Quốc và Canada tồn tại cho người có sở thích để học hỏi lẫn nhau, chia sẻ về các cuộc tìm kiếm và trau dồi sở thích.

Chính kiến và xung đột trong dò tìm kim loại theo sở thích

Cộng đồng dò tìm kim loại và các nhà khảo cổ chuyên nghiệp có sự khác biệt liên quan đến từng địa phương, phục hồi và bảo tồn phát hiện lịch sử và địa điểm. Các nhà khảo cổ cho rằng người có sở thích phát hiện có một cách tiếp cận hiện vật trung tâm, loại bỏ những ngữ cảnh của họ dẫn đến một sự mất mát vĩnh viễn thông tin lịch sử. Cướp bóc khảo cổ học những nơi như trang trại Slack trong năm 1987 và Chiến trường Quốc gia Petersburg là bằng chứng chống lại việc cho phép dò tìm kim loại không được giám sát tại các địa điểm lịch sử.

Những người tìm kiếm theo sở thích thường nói rằng nguồn tài nguyên khảo cổ chuyên nghiệp hạn chế, mất mát, hư hỏng nhiều đồ tạo tác do máy cày, sự phát triển, xói mòn và chăn nuôi. Pháp chế về ngôn ngữ và chiều rộng liên quan đến sưu tập hiện vật cũng là một vấn đề, như Luật Bảo vệ Tài nguyên khảo cổ học năm 1979 không bao gồm tiền xu nằm rải rác, mục tiêu chính của những người dò tìm theo sở thích nội địa. Nhiều người đi tìm kiếm gặp vấn đề với lệnh cấm phát hiện kim loại lớn, đào bới những đường rạch lớn. Đề nghị khai báo hoặc cung cấp giấy phép cho việc phát hiện tại khu di tích lịch sử đã được cố gắng thực hiện trong một số khu vực của Hoa Kỳ.

Gần đây, những nỗ lực sản xuất cho phù hợp giữa các máy dò kim loại mục đích giải trí và máy dò chuyên nghiệp đã bắt đầu, bao gồm cả  dự án Khảo cổ học Montpelier và  Phục hồi bãi chiến trường BRAVO và Tổ chức Tình nguyện viên khảo cổ học và nhiều hơn nữa. Trong các chương trình này, detectorists có kỹ năng làm việc với các chuyên gia có kinh nghiệm với mục tiêu chung là chính xác, phát hiện khu vực hiệu quả và khai quật. Cách xa khu vực giám sát, người có sở thích sử dụng bản ghi lưu trữ được cải thiện và sử dụng hệ thống định vị toàn cầu , GIS , sổ lộ trình, tỉ lệ ảnh và cơ sở dữ liệu trực tuyến có thể giúp các chuyên gia trong việc đánh giá các khu vực có thể. Khi tìm kiếm trên một khu vực, người tìm kiếm có thể hỗ trợ với chức năng quét điện tử, giảm nhu cầu kiểm tra lỗ hổng. Một số cán bộ quản lý đất đai chẳng hạn như chính quyền tiểu bang Tennessee  đã trích dẫn một vai trò cho các nhà khảo cổ nghiệp dư trong việc bảo vệ các khu vực nhạy cảm khỏi việc cướp bóc bất hợp pháp và người có sở thích dò tìm kim loại đã hỗ trợ địa phương và bảo tồn nhiều khu vực.

Giám sát an ninh

Một loạt các vụ cướp máy bay nổ ra trên nước Mỹ vào năm 1972 để áp dụng công nghệ dò kim loại để kiểm tra hành khách sân bay, ban đầu sử dụng từ kế cái mà được thiết kế hoạt động đốn gỗ để phát hiện đột biến trong cây. Công ty Phần Lan Outokumpu đã phỏng theo máy dò mìn những năm 1970, vẫn còn đặt trong một ống hình trụ lớn, làm ra một cổng dò an ninh. Hệ thống này tiếp tục được phát triển trong công ty phụ và mang nhãn hiệu cổng dò kim loại Metor đã tiến triển trong các hình thức của hình chữ nhật và bây giờ là tiêu chuẩn trong các sân bay. Chung với những phát triển trong sử dụng khác của máy dò kim loại cả hai dòng điện xoay chiều và hệ thống xung được sử dụng và thiết kế của các cuộn dây và các thiết bị điện tử đã hướng tới để cải thiện khả năng phân biệt đối xử của các hệ thống này. Năm 1995, các hệ thống như Metor 200 xuất hiện với khả năng chỉ ra chiều cao gần đúng của các vật bằng kim loại trên mặt đất, tạo điều kiện cho nhân viên an ninh để xác định vị trí nhanh hơn nguồn gốc của tín hiệu. Tay dò kim loại nhỏ hơn cũng được sử dụng để xác định vị trí một vật kim loại trên người chính xác hơn.

Máy dò kim loại công nghiệp

Máy dò kim loại được sử dụng trong các ngành dược phẩm, thực phẩm, đồ uống, dệt may, nhựa, hóa chất, gỗ và các ngành công nghiệp đóng gói.

Ô nhiễm thực phẩm do các mảnh kim loại từ máy móc chế biến bị hỏng rơi ra trong quá trình sản xuất là một vấn đề an toàn lớn trong ngành công nghiệp thực phẩm. Vì vậy máy dò kim loại trong thực phẩm đã và đang được ứng dụng phổ biến hơn trong các khâu sản xuất. 

Thực tế hiện nay tại các nhà máy may hoặc may mặc công nghiệp là để áp dụng phát hiện kim loại sau khi các sản phẩm may mặc hoàn thành hoặc trước khi được đóng gói để kiểm tra xem có bất kỳ ô nhiễm kim loại (kim, ghim bị hỏng, vv) trong các sản phẩm may mặc. Điều này cần phải được thực hiện vì lý do an toàn.

Máy dò kim loại công nghiệp được phát triển bởi Bruce Kerr và David Hiscock trong năm 1947. Công ty Göring Kerr được thành lập và tiên phong trong việc sử dụng và phát triển các máy dò kim loại công nghiệp đầu tiên. Mars Incorporated là một trong những khách hàng đầu tiên của Göring Kerr sử dụng máy dò kim loại Metlokate của họ để kiểm tra socolar.

Nguyên tắc cơ bản trong hoạt động của các máy dò kim loại công nghiệp là dựa trên một thiết kế 3 cuộn dây. Thiết kế này sử dụng một cuộn dây phát AM (amplitude modulated /điều chế biên độ ) và hai cuộn dây nhận trong đó có một cuộn bên cạnh bộ phát. Việc thiết kế và cấu tạo vật lý của các cuộn dây nhận là công cụ trong khả năng phát hiện kim loại rất nhỏ (1mm hoặc nhỏ hơn) gây ô nhiễm. Ngày nay máy dò kim loại hiện đại tiếp tục sử dụng cấu hình này để phát hiện kim loại còn sót, lẫn.

Cấu hình cuộn dây có hình dạng cổng (cửa) tạo ra một góc mở để các sản phẩm (thực phẩm, nhựa, dược phẩm, vv) đi qua các cuộn dây. Cổng này cho phép các sản phẩm vào và ra thông qua hệ thống 3 cuộn dây tạo ra một cân bằng nhưng tín hiệu phản ánh trên hai cuộn dây nhận. Các tín hiệu cuối cùng được tổng hợp với nhau loại trừ ảnh hưởng của nhau.

Khi một chất gây ô nhiễm kim loại được đưa vào sản phẩm gây ra mất cân bằng. Điều này tạo ra một tín hiệu điện tử rất nhỏ được khuếch đại thông qua các thiết bị điện tử đặc biệt. Khuếch đại sau đó báo hiệu một thiết bị cơ khí gắn kết với các băng tải hệ thống để loại bỏ các sản phẩm bị ô nhiễm từ các dây chuyền sản xuất. Quá trình này hoàn toàn tự động và cho phép sản xuất để hoạt động không bị gián đoạn.

Xây dựng dân dụng

Trong xây dựng dân dụng, máy dò kim loại đặc biệt được sử dụng để xác định vị trí các thanh gia cố . Các thiết bị dò là ít phức tạp và chỉ có thể xác định vị trí các vật kim loại bên dưới bề mặt.