Tổng quát về cơ sở và lý thuyết của máy dò kim loại

Bài viết dưới đây cung cấp nhiều thông tin hữu ích cho những người sử dụng máy dò kim loại mà quan tâm đến công nghệ. Bài viết cung cấp kiến thức về lý thuyết cơ bản và thiết bị điện tử của máy dò kim loại.

Giới thiệu máy dò kim loại

Minelab đã dành một phần lớn trong doanh thu hàng năm để đầu tư cho việc nghiên cứu và phát triển máy dò kim loại. Kết quả của nỗ lực này được thể hiện trong các công nghệ đột phá mà Minelab đã kết hợp và áp dụng trên các dòng máy dò của mình.
Một máy dò được sản xuất ra cần đạt được các tiêu chí như sau:

•    Có tính năng hữu ích và hiệu suất tốt nhất có thể
•    Độ tin cậy cao
•    Vượt hơn cả sự mong đợi của người dùng.  

Để đạt được những mục tiêu này, người chế tạo phải hiểu tường tận lý thuyết xây dựng các máy dò tiên tiến. 

Tổng quan về cách mà Minelab tạo ra máy dò

1. Basic operation – Nguyên tắc hoạt động cơ bản

Máy dò kim loại hoạt động theo nguyên lý phát ra một trường điện từ biến thiên theo thời gian. Máy dò kim loại sẽ dùng cuộn dây phát để tạo ra trường điện từ trong môi trường và cuộn dây thu để thu trường cảm ứng trong vùng không gian dò tìm hiệu dụng của đầu dò.
Nếu không có kim loại, cuộn thu chỉ thu được từ trường bình thường. Khi có kim loại sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng gây lệch trường ở vùng cuộn dây thu. Tín hiệu ngay lập tức được báo về cho người dò tìm. 
Các cuộn dây được đặt trong một vỏ bọc mà thường gọi đơn giản là "đĩa dò" và tất cả các thiết bị điện tử được đặt trong một hộp bảo vệ kết nối với cuộn dây thông qua một dây cáp, thường được gọi là "hộp điều khiển".
Từ trường được tạo ra từ các dòng điện xoáy gây ra một tín hiệu điện áp đảo chiều ở cuộn dây nhận. Tín hiệu này sẽ được khuếch đại lên bằng các mạch điện tử bởi vì các mục tiêu được chôn ở độ sâu tương đối sẽ tạo ra tín hiệu trong cuộn dây nhận yếu hơn hàng triệu lần so với các tín hiệu trong cuộn dây phát. Do đó chúng cần phải được khuếch đại đến một mức độ hợp lý để các thiết bị điện tử có thể xử lý. Tóm lại:

• Tín hiệu phát từ các mạch điện sinh ra dòng điện phát trong cuộn dây phát.
• Dòng điện trong cuộn dây phát tạo ra một từ trường phát
• Từ trường phát tạo ra dòng điện chạy trong mục tiêu (gọi là dòng điện xoáy.)
• Dòng xoáy sinh ra một từ trường. Từ trường này là khác so với từ trường được phát ra từ cuộn dây phát.
• Cuộn dây nhận phát hiện từ trường được sinh ra bởi dòng điện xoáy như một điện áp rất nhỏ.
• Tín hiệu từ cuộn dây nhận được khuếch đại lên bởi các mạch nhận, sau đó xử lý các tín hiệu từ mục tiêu một cách chính xác, chứ không phải là tín hiệu từ các nguồn môi trường khác như từ trường của trái đất.

Tín hiệu được cảm ứng trong cuộn dây nhận, bởi từ trường của dòng điện xoáy, có thể được coi như được tạo ra đồng thời từ hai thành phần, mà không chỉ là một thành phần được thay đổi:

• Một thành phần có hình dạng tương tự như tín hiệu truyền. Đây được gọi là tín hiệu phản ứng ("X"). Do nó có hình dạng như của từ trường phát, nên theo định nghĩa, tín hiệu đáp ứng ngay lập tức với những gì tín hiệu truyền phát ra.
• Khi thành phần X này bị trừ khỏi tín hiệu cảm ứng của dòng điện xoáy trong cuộn dây nhận, thì hình dạng của tín hiệu còn lại chỉ phụ thuộc vào lịch sử của từ trường được phát ra và không phải là giá trị tức thời. Tín hiệu này được gọi là thành phần trở kháng hoặc thành phần tổn thất ("R").

Cả hai tín hiệu mục tiêu X và R thay đổi phụ thuộc vào khoảng cách từ mục tiêu đến cuộn dây tìm kiếm; khoảng cách xa hơn, từ trường được phát ra ở đối tượng yếu hơn và tín hiệu được nhận từ các dòng điện xoáy yếu hơn; do đó các tín hiệu R và X của cuộn dây nhận cũng yếu hơn, như đã nói ở trên chúng có thể là rất yếu đối với các mục tiêu được chôn sâu.
Tín hiệu nhận được thường được xử lý bằng các mạch điện tử để tạo ra ít nhất là 2 tín hiệu: Độ mạnh của một tín hiệu là tỉ lệ thuận với độ mạnh hoặc biên độ của tín hiệu R, nhưng nó không còn là một tín hiệu xoay chiều. Tương tự như vậy, tín hiệu kia cũng không phải là một tín hiệu xoay chiều, mà chỉ đơn giản là một tín hiệu liên quan đến độ mạnh hoặc biên độ của tín hiệu X. Thật không may, cả hai thuật ngữ "tín hiệu X" và "tín hiệu R" có thể gắn với cả hai hai ý nghĩa khác nhau này: một ý nghĩa đề cập đến tín hiệu nhận xoay chiều ở tần số phát và một ý nghĩa khác là đề cập đến độ mạnh hoặc biên độ của tín hiệu nhận được. Vì vậy, thuật ngữ "tín hiệu X" có thể ám chỉ dạng sóng tín hiệu X ở tần số phát, hoặc chỉ độ mạnh hoặc biên độ tín hiệu X, thay đổi khi cuộn dây tìm kiếm di chuyển trên các khu vực đất khác nhau. Áp dụng tương tự đối với tín hiệu R.
Ý nghĩa kép của cùng thuật ngữ này là chung trong ngành điện tử. Ví dụ, khi đề cập đến một tín hiệu sóng - trung, nó không phải là luôn luôn rõ ràng nếu người thiết kết đề cập đến tín hiệu ở tần số sóng trung, hoặc biên độ thay đổi của nó; cụ thể là, các thông tin được phát ra mà không quan tâm đến tần số truyền. Trong máy dò kim loại, các thuật ngữ tín hiệu "X" và "R", thường là đề cập đến độ mạnh (biên độ) của chúng, chứ không phải là tín hiệu xoay chiều.
Những tín hiệu X và R (độ lớn, biên độ) được tiếp tục xử lý để đưa ra một tín hiệu đầu ra – cái mà có thể được báo cáo cho người vận hành theo một số cách khác nhau, hai cách phổ biến nhất đó là:

• Một tín hiệu âm thanh cân bằng mặt đất, độ lớn của nó thường tỷ lệ thuận với độ mạnh tín hiệu được nhận từ dòng điện xoáy trong các mục tiêu kim loại.
• Một tín hiệu phân biệt – cái mà chỉ phát ra một tiếng "bíp" khi một mục tiêu với các đặc tính lựa chọn được phát hiện. Các đặc tính này có thể  được thay đổi bởi người vận hành máy dò bằng cách thay đổi các điều chỉnh của máy dò. Hầu hết các máy dò phân biệt cũng có một màn hình hiển thị để chỉ ra đặc tính của một mục tiêu kim loại được phát hiện.

Trong các máy dò vàng, khai thác mỏ hoặc dò mìn, thì tín hiệu cân bằng mặt đất là quan trọng nhất và trong các máy dò tiền xu, dò kho báu, thì các tín hiệu phân biệt là quan trọng nhất.

2.  Coin metal detectors – Máy dò kim loại tìm tiền xu

Hầu như tất cả các máy dò tiền xu và kho báu đều có các điều khiển phân biệt để lựa chọn đặc tính mong muốn của một mục tiêu tìm kiếm. Các thuộc tính có thể được lựa chọn là :

• Kim loại đen/ kim loại màu (+ /-X)
• Hằng số thời gian (đôi khi được gọi là độ dẫn).

Nếu mục tiêu kim loại bị hút vào nam châm, nó được gọi là mục tiêu kim loại đen, nếu không bị hút thì nó được gọi là mục tiêu kim loại màu. Các mục tiêu kim loại đen thường không được tìm kiếm và được coi là "kim loại rác" hoặc "phế liệu – đồ bỏ đi". Như vậy, khi một mục tiêu kim loại đen được phát hiện, điều khiển phân biệt của máy dò thường được thiết lập để các đối tượng này không gây ra một phản ứng âm thanh hoặc tiếng "bíp".

Do phần lớn các mục tiêu kim loại được chôn là kim loại đen, nên khả năng quan trọng nhất của bộ phân biệt là không phát hiện các mục tiêu này, mà chỉ phát hiện các mục tiêu cần tìm kiếm; nghĩa là kim loại màu. Điều này bao gồm cả các mục tiêu kim loại màu nằm gần các mục tiêu kim loại đen khi tín hiệu kim loại đen (+ X) cạnh tranh với tín hiệu kim loại màu (-X).

Máy dò kim loại dưới lòng đất có thể phân biệt giữa các mục tiêu kim loại màu khác nhau bằng cách đo các dòng điện xoáy chạy ở bên trong chúng. Được xác định theo "hằng số thời gian" của một mục tiêu kim loại mà thường được gọi là "độ dẫn", đó không phải là một thuật ngữ thích hợp do độ dẫn không phải chỉ là đặc tính của một mục tiêu xác định hằng số thời gian của nó.
Hai thuộc tính của một mục tiêu kim loại xác định hằng số thời gian của nó. Một thuộc tính được gọi là độ tự cảm mục tiêu. Thuộc tính này có thể được coi như là "mức độ" ảnh hưởng của các dòng điện xoáy và cơ bản đó là kích thước của đường dòng điện xoáy. Vì vậy, đối với một dòng điện xoáy, mức độ ảnh hưởng của độ tự cảm mục tiêu lớn hơn, thì "động lượng " của dòng điện xoáy sẽ lớn hơn.

Thuộc tính kia được gọi là "độ dẫn" của mục tiêu, đó là thước đo về mức độ dễ dàng của dòng điện xoáy di chuyển trong mục tiêu. Đối lập với trở kháng điện. Độ dẫn điện cao (trở kháng điện thấp) có nghĩa là dòng điện dễ dàng chạy qua kim loại ("ma sát" của dòng điện thấp). Độ dẫn điện thấp (trở kháng điện cao) có nghĩa là "ma sát" dòng điện xoáy là lớn. Độ dẫn điện của mục tiêu lớn hơn, độ tự cảm tốt hơn và hằng số thời gian dài hơn. Đó là do xung lực của dòng xoáy cao với trở kháng nhỏ, giống như một chiếc xe nặng với ma sát thấp, nên mất nhiều thời gian để dừng lại. Ngược lại, độ dẫn điện của mục tiêu thấp hơn và độ tự cảm nhỏ hơn, hằng số thời gian ngắn hơn. Đó là do xung lực của dòng xoáy thấp với trở kháng "hãm" cao, giống như một chiếc xe nhẹ với ma sát cao, chỉ mất một thời gian ngắn để dừng lại. Hằng số thời gian thay đổi đáng kể giữa các mục tiêu. Ví dụ, những mẩu nhôm lá nhỏ có hằng số thời gian rất ngắn (short) trong khi, thỏi vàng có hằng số thời gian dài (long) hơn nhiều. Dưới đây là một bảng mục tiêu với hằng số thời gian tăng dần (từ ngắn đến dài):

• Những mẩu nhôm lá nhỏ,                                                                             
• Dây chuyền trang sức,
• Các đồng xu nhỏ của ý,
• Đồng 10 xu của Mỹ (small 10c coin)
• Dây khóa đồng trong thời nội chiến mỹ,
• Đầu rìu thời đồ đồng,
• Vàng thỏi lớn, hoặc đĩa nhôm, đồng dày và lớn.

Vàng cốm bao gồm một phạm vi rất lớn của hằng số thời gian, từ rất ngắn đến tương đối dài. Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng các cốm vàng lớn chủ yếu là tạo ra hằng số thời gian tương đối ngắn so với các mục tiêu tiêu kim loại nhân tạo cùng kích thước có độ dẫn cao, do cách mà vàng cốm được hình thành; chúng có nhiều khoảng trống và các tạp chất làm giảm đáng kể độ dẫn và độ tự cảm.
Tính chất từ của các mục tiêu kim loại đen làm cho chúng có độ tự cảm cao. Điều này là do từ trường được tạo ra bởi các dòng điện xoáy là mạnh hơn nhờ tính chất từ của các mục tiêu kim loại đen. Trong thực tế, từ trường này “được khuếch đại” lên làm cho độ tự cảm của mục tiêu cao hơn. Vì vậy, hầu hết các mục tiêu kim loại đen có thể có độ dẫn điện kém, nhưng chúng thường có hằng số thời gian dài vì chúng có độ tự cảm cao. Chỉ có các mảnh sắt thép đã gần như rỉ sét hoàn toàn, hoặc dây thép cực mỏng có hằng số thời gian ngắn (ví dụ như các vảy sắt/ thép rỉ hoặc dập ghim mỏng). Tuy nhiên, một số ít các mục tiêu kim loại đen có hàm lượng sắt ít cũng có thể có hằng số thời gian ngắn, ví dụ một số loại tiền xu hoặc thép không gỉ có từ tính thấp và một số mục tiêu thép bản mỏng.
Hầu hết các máy dò tiền xu có thể được thiết lập để lựa chọn các dải hằng số thời gian khác nhau của kim loại màu. Ví dụ, các tab kéo cũ của lon nước ngọt và lon bia có hằng số thời gian tương đối ngắn trong một dải tương đối hẹp. Dải hằng số thời gian này có thể được phân biệt, tuy nhiên các mục tiêu với các hằng số thời gian khác vẫn sẽ được phát hiện. Dải hằng số thời gian này có thể được lựa chọn bởi tính năng điều chỉnh phân biệt "Notch". Tuy nhiên các mục tiêu khác có hằng số thời gian nằm trong dải hằng số thời gian của tab kéo cũng sẽ không được phát hiện, vì vậy cần phải lưu ý khi thực hiện thiết lập các điều khiển phân biệt. Thiết lập phân biệt phổ biến nhất là phân biệt các mục tiêu kim loại màu và các mục tiêu kim loại màu có hằng số thời gian ngắn nhất.

Xem thêm: Thuê máy dò kim loại dưới lòng đất ở đâu Hà Nội và Hồ Chí Minh

3. Các tín hiệu đất và khoáng chất

Thật không may, các loại đất cũng có thể bị từ hóa và do đó cũng có thể được phát hiện bởi máy dò kim loại và tạo ra các tín hiệu gây trở ngại cho tín hiệu của các mục tiêu kim loại. Mức độ từ tính của đất thay đổi đáng kể. Thuộc tính từ (đất nhiễm từ tính) của đất thường được gọi là "khoáng chất". Các khoáng chất tạo ra gần như là hoàn toàn các tín hiệu X và chỉ một phần nhỏ tín hiệu R. Các tín hiệu R và tín hiệu X của một mục tiêu kim loại sâu thường ít hơn nhiều so với tín hiệu X của đất, vì vậy rõ ràng là sử dụng tín hiệu R là tốt hơn sử dụng tín hiệu X để xác định vị trí mục tiêu kim loại.
Xét về mặt địa chất, đất mới có mức độ khoáng thường yếu, ngoại trừ một số vùng đất núi lửa. Những loại đất mới thường được tìm thấy ở Bắc Mỹ và châu Âu (từ sự nạo sông băng trong thời kỳ băng hà cuối cùng và xói mòn đồi, núi vv..).
Ngược lại, bề mặt đất mà không bị xáo trộn trong một thời gian dài thường có khoáng cao, bởi vì tác động của nước, trong một thời gian dài, gây ra các hợp chất sắt để di chuyển lên bề mặt. Ví dụ, nền đất cũ của Úc, không có sông băng hoặc đồi núi bị xói mòn đáng kể gần đây. Một số loại đá hoặc cát núi lửa, được biết như là cát đen, có thể nhiễm khoáng cao. Ví dụ, trong một vài bang của Hoa Kỳ và vùng Hawaii. Những bãi cát đen (hoặc đá) được hình thành chủ yếu từ quặng sắt từ (magnetite), Oxit sắt được gọi là ferrite (phản sắt từ - vật liệu gốm, bán dẫn từ). Các điển hình này gần như là hoàn toàn tạo ra tín hiệu X và hầu như không có tín hiệu R. Chúng là khoáng nặng, đó là do chúng tập chung ở mật độ cao, và có thể được xác định (nhận dạng) bởi vì chúng bị hút mạnh vào nam châm. Những viên sỏi tròn oxit sắt từ nhỏ (có đường kính một vài mm) cũng bị hút vào nam châm. Các loại này có thể được tìm thấy trong nhiều khu vực khai thác vàng ở Úc, nhưng chúng tạo ra các tín hiệu R đáng kể.
Vì vậy, các khu khai thác vàng ở Hoa Kỳ thường khác với các khu khai thác vàng ở Úc:

• Các loại đất ở Hoa Kỳ chủ yếu là nhiễm khoáng nhẹ nhưng trong một số khu vực có thể chứcác loại đá hoặc cát đen gần như hoàn toàn là oxit sắt từ, mà đây là vấn đề khó khăn đối với các máy dò kim loại vì chúng có thành phần X rất cao (bị hút mạnh vào nam châm).
• Các khu khai thác vàng của Úc có đất bị nhiễm khoáng cao, nhưng rất ít cát đen hoặc các loại đá khoáng – loại mà có chứa gần như là hoàn toàn thành phần X. Các vật liệu từ tính được hình thành từ các loại sỏi nhỏ và than đá, đất sét và đất cát nói chung mà rất giàu oxit sắt từ. Tất cả các vật liệu có từ tính tạo ra mức độ các tín hiệu X cũng như R rất cao. Tỷ lệ X và R là ngẫu nhiên, và các thành phần R phát sinh từ các hạt từ tính cực nhỏ được gọi là vật liệu siêu thuận từ, được thảo luận trong phần dưới đây.

4. Phân biệt trong đất nhiễm khoáng

Để xác định xem một mục tiêu là kim loại màu hay kim loại đen, máy dò phải đo tín hiệu "X". Các mục tiêu kim loại đen tạo ra tín hiệu dương (+ X) và các mục tiêu kim loại màu tạo ra tín hiệu âm (-X). Thật không may, tín hiệu từ đất khoáng cũng tạo ra các tín hiệu dương (+ X) lớn. Điều này gây ra một vấn đề lớn, do tín hiệu đất gây trở ngại cho các phép đo mục tiêu kim loại màu / kim loại đen, đặc biệt là độ mạnh của tín hiệu từ đất thường lớn hơn nhiều lần so với tín hiệu của mục tiêu. Như đã nói ở phần trước, bởi vì hầu hết các mục tiêu là rác kim loại đen, cho nên việc thiếu khả năng phân biệt các mục tiêu kim loại đen với các mục tiêu kim loại màu sẽ dẫn đến hệ quả là đào lên những rác kim loại đen này.

Về cơ bản, tín hiệu mục tiêu phải khác biệt hơn so với tín hiệu khoáng để xác định chính xác thuộc tính của nó, đặc biệt là trạng thái kim loại đen/kim loại màu của mục tiêu. Các mục tiêu gần với cuộn dây tìm kiếm của máy dò, thì tín hiệu mục tiêu sẽ mạnh hơn. Do đó trong đất khoáng, chỉ có các mục tiêu không được chôn quá sâu mới có thể được phân biệt được một cách chính xác. Độ nhạy để phân biệt mục tiêu (độ sâu mà một mục tiêu có thể được phát hiện) được điều chỉnh bởi tính năng "Sensitivity". Do đó, trong đất khoáng, điều chỉnh độ nhạy (Sensitivity) phải được thiết lập ở mức thấp để tránh phân biệt sai. Tuy nhiên, trong hầu hết các máy dò của Minelab độ nhạy được thiết lập một cách tự động với thêm điều chỉnh độ nhạy người vận hành liên quan đến thiết lập tự động này, để tối đa hóa độ sâu và giảm thiểu phân biệt sai. Tính năng này là rất hữu ích.
Khoáng tập trung một cách ngẫu nhiên, nhưng rất may là chúng không thay đổi quá nhiều trên một khoảng cách ngắn (ví dụ như khoảng một foot hoặc 2 foot hoặc 30-50cm...), trong khi các tín hiệu mục tiêu thì tập trung trên một khoảng cách ngắn. Do đó, khi cuộn dây tìm kiếm được quét qua trên đất khoáng, tín hiệu đất thay đổi tương đối chậm, nhưng khi quét qua mục tiêu kim loại, các tín hiệu mục tiêu thay đổi một cách nhanh chóng. Các "bộ lọc" điện tử trong máy dò kim loại tận dụng lợi thế sự khác biệt này. Chúng làm giảm độ mạnh của tín hiệu thay đổi chậm và tăng độ mạnh của tín hiệu thay đổi nhanh, do đó làm cho sự khác biệt giữa các tín hiệu mục tiêu và tín hiệu đất là lớn hơn. Điều này làm cho khả năng phân biệt được chính xác hơn, nhưng không có nghĩa là nó hoàn toàn có thể ngăn chặn được các tín hiệu thay đổi chậm của đất, vì vậy độ sâu mà tại đó khả năng phân biệt là chính xác vẫn còn bị ảnh hưởng bởi khoáng mặc dù có sự hỗ trợ của các bộ lọc.
Các thảo luận ở trên giải thích lý do tại sao điều quan trọng là nên sử dụng máy dò theo cách sau đây: Nếu cuộn dây của máy dò kim loại quét song song với bề mặt của đất, với rất ít sự thay đổi trong khoảng cách của các cuộn dây đến đất, thì sự thay đổi trong các tín hiệu khoáng đất là tương đối nhỏ và có xu hướng được thay đổi chậm, và như vậy cũng sẽ không đi qua bộ lọc. Ngược lại, nếu khoảng cách của cuộn dây đến mặt đất thay đổi một cách nhanh chóng, thì sự thay đổi trong các tín hiệu X của đất là tương đối lớn và thay đổi nhanh chóng. Sự thay đổi nhanh chóng của tín hiệu X của đất sẽ đi qua bộ lọc, gây nhiễu cho các tín hiệu mục tiêu X của kim loại, và do đó tạo ra các bài đọc phân biệt sai. Do vậy, để cải thiện khả năng nhận dạng chính xác mục tiêu và độ sâu phân biệt mục tiêu, điều quan trọng là di chuyển cuộn dây tìm kiếm song song với mặt đất, với ít sự thay đổi trong khoảng cách giữa cuộn dây và mặt đất, và với tốc độ quét ổn định trơn tru.
Tất cả những thông tin trên đây đã miêu tả chi tiết nhất về máy dò kim loại và hướng dẫn cách sử dụng hiệu quả. Nếu còn thắc mắc, hãy gọi cho maydopro theo hotline HN: 0866 421 463 - HCM: 0979 244 335 để được giải đáp sớm nhất.