Импульсные металлоискатели получили свое название от принципа своей работы: сначала он излучает импульс сигнала, потом молчит и принимает на ту же катушку сигнал от металлической цели, потом опять излучает импульс и т.д.
Еще импульсные металлоискатели называют аналоговыми. Это связано с тем, что они ничего не обрабатывают, у них нет никаких встроенных программ для обработки сигнала, а сразу посылают сигнал от цели на динамик оператору.
Они не имеют процессора в отличии от многих современных металлоискателей с экраном, выдающих на дисплей число VDI.
Но не всякий аналоговый металлоискатель является импульсным. Прибор может работать и на других технологиях и быть аналоговым. Ниже представлен дисплей типичного представителя аналоговых металлоискателей - Golden Mask 4WD PRO .
Достоинства и недостатки импульсных (аналоговых) металлоискателей.
Достоинства:
- быстрый отклик от цели
- высокая глубина поиска
- эффективная работа на тяжелых грунтах
- хорошая работа на высоко минерализованных почвах
- хорошая работа на соленых почвах
- им сложно работать в условиях сильной замусоренности металлическими предметами
- сильно подвержены влиянию электромагнитных помех
Так цифровые металлоискатели увеличивают глубину поиска, могут работать на тяжелых грунтах.
А аналоговые миноискатели становятся в состоянии работать в условиях большого количества металлического мусора.
Тем не менее, по большому счету наши утверждения о достоинствах и недостатках аналоговых металлоискателей остаются верны.
Справедливо мнение, что импульсные металлоискатели хороши на месте старых поселений, в сельской местности, на пляжах, но не в городских условиях.
Принцип работы импульсного металлоискателя
Импульсный металлоискатель имеет катушку с одной намоткой проволоки. Эта намотка и принимает и излучает сигнал.Сначала металлоискатель излучает сигнал, потом молчит и принимает наведенный сигнал от цели. (Как Вы, наверно, знаете электромагнитный импульс наводит электромагнитный сигнал в металлическом предмете, а при движении электромагнитного поля в проводнике возникает электрический ток и обратный импульс).
Такие металлоискатели называют еще - PI -детекторами.
Классический пример такого прибора - это импульсный глубинный металлоискатель Deep Hunter PRO-3 фирмы Golden Mask.
Но вернемся к теме статьие - "Импульсные металлоискатели - принцип работы".
Сигнал полученный от цели имеет изменение скорости затухания по сравнению с исходным сигналом. На этом основании и делается вывод, что под катушкой находится цель.
На схеме внизу показана эта картина в точке - 10 (в ней находится цель). Видно изменение скорости затухания.
Получаемый сигнал от цели увеличивается по мере приближения к ней катушки. Соответственно, если цель лежит глубоко, то будет слышен слабый сигнал.
(У приборов цифровых сила сигнала должна превысить определенный порог, после чего процессор даст команду на звуковой сигнал о цели).
Аналоговые металлоискатели могут иметь только линейную дискриминацию, т.е. Вы можете последовательно закрыть или открыть сегменты целей. (В профессиональных цифровых - это можно делать в произвольном порядке. За это отвечает процессор)
Соответственно та же проблема и с аудио настройками. В импульсных приборах Вы можете менять высоту звука. Но звуков будет не больше 2-х: черный, цветной. Тональность их будет различна (Вы сами это подстраиваете), но о полифонии не может быть и речи. А в процессорных это бывает часто, и этим занимается процессор.
Аналоговые приборы не имеют дисплея, а только имеют ручки и тумблеры регулировок. (нет процессора, который будет обрабатывать что-то и передавать на дисплей)
Импульсники могут одночастотными или многочастотными, но в любом случае надо будет щелкать тумблер для перехода на новую частоту.
Чем ниже частота в этих приборах, тем глубже они видят цель. Для слабо проводящих целей требуется высокая частота. (Собственно в цифровых приборах та же зависимость).
Обычно импульсные металлоискатели работают на частотах ниже 30кГц.
Радиолюбители-народному хозяйству 1992 год.
Создание достаточно чувствительных металлоискателей - довольно сложная и неблагодарная задача. Радиолюбители периодически берутся за её решение, представляют на выставку экспонаты, но редкие из них отвечают требуемым параметрам. Так, долгое время металлоискатели конструировали на основе двух генераторов высокой частоты, настроенных на близкие частоты, один из которых был стабильным по частоте (обычно стабилизировался кварцевым резонатором), а другой - рабочий - был связан с приёмной рамкой и изменял свою частоту при приближении к металлам. Сигналы двух генераторов суммировались, выделялся сигнал биений низкой частоты и по нему судили о наличии металла. После появления новой элементной базы вместо генераторов опорного сигнала начали конструировать металлоискатель с преобразователем напряжение-частота, аналого-цифровые преобразователи, синтезаторы частот и другие возможные новинки.
Археологам и криминалистам можно было бы посоветовать другую схему измерения - геофизическую. На площади, где ищут металлические включения, следует разложить петлю провода диаметром 5...25 м и больше, запитать её от автономного генератора частотой 500 Гц (чем выше частота, тем меньше глубинность). Очень удобно использовать авиационные преобразователи постоянного напряжения в переменное частотой 400 Гц (умформеры). Они имеют достаточную мощность. Можно использовать и преобразователи постоянного напряжения в переменное, выполненные на мощных транзисторах. Их можно сделать на несколько частот, и тем самым проводить «частотное зондирование», т. е. определять глубину залегания предполагаемого металлического предмета. Для проведения поисков помимо генератора надо иметь приёмник, который может представлять собой избирательный усилитель, настроенный на частоту (частоты) генератора и иметь приёмную магнитную антенну на входе, также настроенную на частоту (частоты) генератора. Идея этого метода поиска заключается в том, что в области действия электромагнитного поля петли провода любые металлические тела сплошной проводимости начинают излучать своё поле, сдвинутое по фазе относительно первичного в идеальном случае на 90°. Приёмную рамку относительно первичного поля обычно ориентируют так, чтобы в отсутствие металлических включений сигнал на выходе приёмника был бы минимальным или вообще отсутствовал, а при наличии металлических включений достигал бы максимума. Проведя измерения на нескольких частотах, можно определить ориентировочно глубину залеганий, а используя по-разному ориентированные в пространстве приёмные рамки, и местонахождение предметов. Главное преимущество такого метода измерений в том, что искомый металлический предмет становится сам источником излучения.
Аппаратуру такого рода можно использовать для трассирования труб под землёй, прокладки кабеля, трассировки скрытой проводки и других целей. Для этого генератор одним концом подсоединяют к прослеживаемой металлической системе, а другой конец заземляют (если поиск ведут на улице, в поле) или подсоединяют к трубам теплосети, водопровода (если прослеживание ведут в здании).
Петлевой индукционный метод широко был представлен на ВРВ в приложении к индукционным бесконтактным методам включения бытовых электроприборов (бесконтактные наушники для прослушивания программ радио, телевидения и др., бесконтактные телефонные аппараты, не связанные проводами с телефонной сетью, которые можно свободно носить в руках, перемещаясь по комнате). Казалось бы, другая задача, а принцип решения тот же: индуктивная связь между петлёй, в которой генерируется сигнал, и приёмником, который этот сигнал улавливает.
Импульсный металлоискатель (рис. 27). Автор конструкции радиолюбитель В. С. Горчаков. На 33 ВРВ экспонат был отмечен Третьей премией выставки.
Прибор предназначен для нахождения металлических предметов в земле. Его испытания показали, что он может обнаруживать алюминиевую пластину 100 x100 x 2 мм на глубине 75 см, ту же пластину размерами 200 x 200 x 2 мм на глубине 100 см, стальную трубу большой протяжённости и диаметром 300 мм на глубине 200 см, люк канализационного колодца на глубине 200 см, стальную трубу большой протяжённости диаметром 50 мм на глубине 120 см, медную шайбу диаметром 25 мм на глубине 35 см.
Прибор (рис. 27, а) состоит из задающего генератора 1 на частоту 100 Гц, усилителя тока импульса 2, излучающей рамки 3, генератора задержки 4 на 100 мкс, генератора стробирующих импульсов 5, согласующего усилителя 6, электронного коммутатора 7, приёмной рамки 8, двустороннего ограничителя 9, усилителя сигнала 10, интегратора 11, усилителя постоянного тока 12, индикатора 13, стабилизатора напряжения 14.
Металлоискатель работает следующим образом. Задающий генератор излучает импульс длительностью Т и (рис. 27, б), спад которого запускает генератор задержки. Импульс задающего генератора усиливается по мощности усилителем тока и поступает на излучающую рамку. Генератор задержки вырабатывает импульс длительностью 100 мкс, спадом которого запускается генератор стробирующих импульсов. Этот генератор вырабатывает стробирующий импульс длительностью 30 мкс, который через согласующий усилитель управляет работой электронного коммутатора. Коммутатор открывает усилитель сигналов на время действия стробирующего импульса и пропускает сигнал с усилителя 10 на интегратор. Сигнал с выхода интегратора через усилитель постоянного тока поступает на стрелочный индикатор.
На рис. 27, б показано распределение во времени сигналов на передающей (излучающей) рамке (кривая 1), на приёмной рамке при отсутствии (кривая 2) и при наличии металла (кривая 5). В результате экспериментов было установлено, что при отсутствии металла принятый импульс за время 100 мкс довольно резко убывает по амплитуде. При наличии в зоне контроля металлических включений длительность убывания принятого импульса по амплитуде значительно затягивается в основном за счёт действия токов Фуко. Свойство деформации формы принятого сигнала из-за воздействия металлических включений положено в основу конструкции этого прибора.
Конструкция датчика прибора показана на рис. 27, в. Излучающая и приёмная рамки намотаны на каркасе из диэлектрика наружным диаметром 300 мм. Приёмная рамка намотана внутри излучающей. Её внутренний диаметр 260 мм. Передающая рамка содержит 300 витков провода ПЭВ-2 0,44, а приёмная - 60 витков провода ПЭВ-2 0,14. Крепление ручки 1 произвольное и особых пояснений не требует.
На рис. 28 изображена принципиальная схема прибора. Задающий генератор выполнен на микросхемах DD1.1 и DD1.2. Сигнал с выхода генератора через резистор R9 поступает на вход усилителя тока импульса - транзисторы VT3-VT5, нагрузкой которого является излучающая рамка L1.1. Через конденсатор С3 импульс с задающего генератора поступает на вход генератора задержки, выполненного на элементах DD1.3, DD1.4 по схеме триггера Шмидта. Спад импульса задержки запускает генератор стробирующих импульсов, выполненный на элементах DD2.1-DD2.3. Стробирующий импульс через согласующий усилитель (транзисторы VT1, VT2) поступает на электронный коммутатор DA1, который управляет работой усилителя сигналов (DA1.1 и DA1.2) и интегратором (С12, R30), пропуская сигнал постоянного тока на усилитель постоянного тока (DA2) во время действия стробирующего импульса. Нагрузкой усилителя постоянного тока служит стрелочный прибор РА1. Для повышения стабильности измерений питание усилительных каскадов дополнительно стабилизировано. Электронные стабилизаторы выполнены на транзисторах VT6, VT7.
Принцип работы
На поисковую головку-излучатель (индуктивности 0.2-0.3 мкГн) импульсного детектора металлов подаются импульсы с частотой следования 40 – 200 Гц большой силы тока (до 20 А) и напряжением до 200 В. Если рядом с излучателем нет металлического предмета, то задний фронт импульса остается коротким. В случае близкого расположения трубы, кабеля или чего-нибудь токопроводящего, задний фронт затягивается.
Рис.1. Временная диаграмма импульсного металлодетектора
На основе анализа переходного процесса можно судить о наличии не только металлического предмета, но и о виде металла.
В основу прибора положена схема, разработанная Ю.Колоколовым, с обработкой параметров импульса при помощи микроконтроллера. Это позволило упростить схемотехнику прибора без снижения технических характеристик.
Технические характеристики металлоискателя:
Напряжение питания: 7,5 – 14 В.
Потребляемый ток: 90 мА.
Глубина обнаружения:
- монета диаметром 25 мм: 0,23м;
- пистолет: 0,40 м;
- каска: 0,60 м.
Рис.2. Структурная схема металлоискателя
"Изюминкой" этой схемы является применение дифференциального усилителя во входном каскаде. Он служит для усиления сигнала, напряжение которого выше напряжения питания. Дальнейшее усиления обеспечивает приемный усилитель. Для измерения полезного сигнала предназначен первый интегратор. Во время прямого интегрирования производится накопление полезного сигнала, а во время обратного интегрирования - преобразование результата в цифровую форму. Второй интегратор имеет большую постоянную интегрирования (240 мс) и служит для балансировки усилительного тракта по постоянному току.
Принципиальная схема импульсного металлоискателя приведена на рис. 3.
Рис.3. Принципиальная схема металлоискателя
Мощный ключ собран на полевом транзисторе VT1. Так как полевой транзистор IRF740 имеет емкость затвора более 1000пФ, для его быстрого закрытия используется предварительный каскад на транзисторе VT2. Скорость открытия мощного ключа уже не столь критична из-за того, что ток в индуктивной нагрузке нарастает постепенно. Резисторы R1,R3 предназначены для "гашения" энергии самоиндукции. Защитные диоды VD1,VD2 ограничивают перепады напряжения на входе дифференциального усилителя.
Дифференциальный усилитель собран на D1.1. Микросхема D1 представляет собой счетверенный операционный усилитель TL074. Его отличительными свойствами являются высокое быстродействие, малое потребление, низкий уровень шумов, высокое входное сопротивление, а также возможность работы при напряжениях на входах, близких к напряжению питания. Коэффициент усиления дифференциального усилителя составляет около 7 и определяется номиналами резисторов R3, R6, R9, R11.Приемный усилитель D1.2 представляет собой неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 57. Во время действия высоковольтной части импульса самоиндукции этот коэффициент снижается до 1 с помощью аналогового ключа D2.1 что предотвращает перегрузку входного усилительного тракта и обеспечивает быстрое вхождение в режим для усиления слабого сигнала. Транзисторы VT3 и VT4 предназначены для согласования уровней управляющих сигналов, подаваемых с микроконтроллера на аналоговые ключи.
С помощью второго интегратора D1.3 производится автоматическая балансировка входного усилительного тракта по постоянному току. Постоянная интегрирования 240 мс. выбрана достаточно большой, чтобы эта обратная связь не влияла на усиление быстро изменяющегося полезного сигнала. С помощью этого интегратора на выходе усилителя D1.2 при отсутствии сигнала поддерживается уровень +5 В.
Измерительный первый интегратор выполнен на D1.4. На время интегрирования полезного сигнала открывается ключ D2.2 и соответственно закрывается ключ D2.4. На ключе D2.3 реализован логический инвертор. После завершения интегрирования сигнала ключ D2.2 закрывается и открывается ключ D2.4. Накопительный конденсатор C6 начинает разряжаться через резистор R21. Время разряда будет пропорционально напряжению, которое установилось на конденсаторе C6 к концу интегрирования полезного сигнала. Это время измеряется с помощью микроконтроллера, который осуществляет аналого-цифровое преобразование. Для измерения времени разряда конденсатора C6 используются аналоговый компаратор и таймеры, которые встроены в микроконтроллер D3.
Микроконтроллер AT90S2313 также имеет в своем составе 8-ми битный RISC процессор с быстродействием 10 MIPS, 32 рабочих регистра, 2 килобайта Flash ПЗУ, 128 байт ОЗУ, сторожевой таймер.
С помощью светодиодов VD3...VD8 производится световая индикация. Кнопка S1 предназначена для начального сброса микроконтроллера. С помощью переключателей S2 и S3 задаются режимы работы устройства. С помощью переменного резистора R29 регулируется чувствительность металлоискателя.
Алгоритм функционирования
Для разъяснения принципа работы описываемого импульсного металлоискателя ниже приведены осциллограммы сигналов в наиболее важных точках прибора (рис.4)
Рис.4. Осциллограмма прибора
На время интервала A открывается ключ VT1. Через катушку датчика начинает протекать пилообразный ток. При достижении величины тока около 2 А ключ закрывается. На стоке транзистора VT1 возникает выброс напряжения самоиндукции. Величина этого выброса более 300В и ограничивается резисторами R1, R3. Для предотвращения перегрузки усилительного тракта служат ограничительные диоды VD1, VD2. Также для этой цели на время интервала A (накопление энергии в катушке) и интервала B (выброс самоиндукции) открывается ключ D2.1. Это снижает сквозной коэффициент усиления тракта с 400 до 7. На осциллограмме 3 показан сигнал на выходе усилительного тракта (вывод 8 D1.2). Начиная с интервала C ключ D2.1 закрывается и коэффициент усиления тракта становится большим. После завершения защитного интервала C, за время которого усилительный тракт входит в режим, открывается ключ D2.2 и закрывается ключ D2.4 - начинается интегрирование полезного сигнала интервал D. По истечении этого интервала ключ D2.2 закрывается, а ключ D2.4 открывается - начинается "обратное" интегрирование. За это время (интервалы E и F) конденсатор C6 полностью разряжается. С помощью встроенного аналогового компаратора микроконтроллер отмеряет величину интервала E, которая оказывается пропорциональной уровню входного сигнала. Для версий V1.0 и V1.1 микропрограммного обеспечения установлены следующие значения интервалов: A - 60...200 мкс, мкс, B - 12 мкс, C - 8 мкс, D - 50 мкс, А + В + С + D + E + F (период повторения).
Микроконтроллер обрабатывает полученные цифровые данные и индицирует с помощью светодиодов VD3...VD8 и излучателя звука Y1 степень воздействия мишени на датчик. Светодиодная индикация представляет собой аналог стрелочного индикатора - при отсутствии мишени горит светодиод VD8, далее в зависимости от уровня воздействия последовательно загораются VD7,VD6 и т.д.
Настройку прибора рекомендуется проводить в следующей последовательности:
- убедиться в правильности монтажа;
Подать питание и убедиться, что потребляемый ток не превышает 100 мА;
- вместо резистора R7 установить переменный резистор и вращая его ротор добиться такой балансировки усилительного тракта, чтобы осциллограмма на выводе 7 D1.4 соответствовала осциллограмме 4 (рис. 4). При этом необходимо следить за тем, чтобы сигнал в конце интервала D был неизменным, т.е. осциллограмма в этом месте должна быть горизонтальной. После этого переменный резистор необходимо измерить и заменить на постоянный ближайшего номинала.
Собрать металлодетектор можно из деталей набора NM8042, выпущенного компанией МАСТЕР КИТ и включающего в себя печатную плату, корпус, полный комплект деталей и инструкцию по сборке.
Рис.5. Собранный металлодетектор из набора NM8042 МАСТЕР КИТ
Поисковая головка
Поисковая головка для металлодетектора - одна из важнейших его частей. От качества ее изготовления зависит, как будет работать прибор.
Данные катушки - диаметр 19 см, количество витков 27, провод ПЭВ, ПЭЛ 0,5 мм, кабель для катушки - двухпроводной, многожильный не экранированный провод в резиновой изоляции. Данная головка обеспечивает чувствительность обнаружения монеты 5 коп (СССР) на расстоянии 19 -20 см на воздухе.
Рис.6. Одноконтурная головка
Одно контурная поисковая головка диаметром 19 мм не обладает достаточной чувствительностью к мелким металлическим объектам (например ювелирным украшениям), маленькая же имеет небольшую глубину поиска. Совместить глубину поиска с чувствительностью к мелким объектам можно изготовив двухконтурную поисковую головку.
Рис.7. Двухконтурная головка
На кусочках ДВП размечаем контуры будущей катушки (внешний диаметр 200 мм, внутренний диаметр 90 мм, толщина стенок 18 мм). Наматываем катушки. На отправке диаметром 19,2 мм – 25 витков, на оправке диаметром 84 мм – 5 витков. Пропитываем катушки лаком и укладываем их в канавки, соединяя последовательно. Заводим кабель, распаиваем концы, вставляем кабельный ввод. Кладем катушку вверх канавкой и заливаем канавку эпокисдной смолой. После полимеризации переворачиваем катушку, вклеиваем ушки и покрываем всю поверхность эпоксидкой в 2 слоя. Распаиваем штекер, кабель оборачиваем скотчем для защиты от краски и 2-3 раза окрашиваем катушку.
Конструкция катушки позволяет локализовать 1 коп (СССР) на расстоянии 100 мм. Центр объекта очень легко определяется, поскольку диаграмма чувствительности к небольшим предметам получается конусной (в центре на 1-2 см больше).
Верхняя штанга
Для изготовления верхней штанги металлодетектора потребуется отрезок дюралюминиевой, медной или латунной трубы диаметром 22 мм с толщиной стенок 2 мм. Его длина - 120-140 см. Из трубы с помощью трубогиба выгибается S-образная штанга (см рис. 8).
Рис.8. Чертеж штанги
Из листового металла 1,5 - 2,5 мм вырезается и изгибается подлокотник. Подлокотник крепится к штанге болтом М6. Под подлокотником находится контейнер для элементов питания. Провод питания пропущен внутри штанги и выведен через отверстие диаметром 5 мм в районе электронного блока. Пластиковая затяжная муфта взята от раздвигающейся щетки для мытья окон. Внутренний диаметр затяжного элемента муфты - 16 мм, внешний – 20 мм. Затяжной элемент вклеивается в штангу на эпоксидной смоле. Неопреновая ручка может быть заменена отрезком резинового шланга или поролоновым валиком.
Нижняя штанга
Нижняя штанга намотана на оправке диаметром 14 мм из 6 слоев стеклоткани до получения диаметра 16 мм. Длина штанги - 500-750 мм. В моем варианте штанга сделана разрезной из 2 частей по 370 мм каждая.
Общий вид прибора приведен на рис. 9.
Рис.9. Общий вид прибора
Андрей Щедрин
г. Москва
Юрий Колоколов
г. Донецк
Предлагаемый вашему вниманию импульсный металлоискатель является совместной разработкой Юрия Колоколова и Андрея Щедрина. Прибор предназначен для любительского поиска кладов и реликвий, поиска на пляже и т.д. После публикации первой версии металлоискателя в , этот прибор получил высокую оценку среди любителей, повторивших конструкцию. Вместе с тем были высказаны полезные замечания и пожелания, которые мы учли в новой версии прибора.
В настоящее время металлоискатель серийно выпускается московской фирмой МАСТЕР КИТ в виде наборов "сделай сам" для радиолюбителей под обозначением NM8042 (в настоящее время выпускается обновленная версия металлоискателя в виде готового микропроцессорного модуля). Набор содержит печатную плату, пластиковый корпус и электронные компоненты, включая уже запрограммированный контроллер. Возможно, для многих любителей приобретение такого набора и последующая его несложная сборка окажутся удобной альтернативой приобретению дорогого промышленного прибора или полностью самостоятельному изготовлению металлоискателя.
Принцип действия импульсного или вихретокового металлоискателя основан на возбуждении в металлическом объекте импульсных вихревых токов и измерении вторичного электромагнитного поля, которое наводят эти токи. В этом случае возбуждающий сигнал подается в передающую катушку датчика не постоянно, а периодически в виде импульсов. В проводящих объектах наводятся затухающие вихревые токи, которые возбуждают затухающее электромагнитное поле. Это поле, в свою очередь, наводит в приемной катушке датчика затухающий ток. В зависимости от проводящих свойств и размера объекта, сигнал меняет свою форму и длительность. На рис.1. Схематично показан сигнал на приемной катушке импульсного металлоискателя. Осциллограмма 1 – сигнал в отсутствии металлических мишеней, осциллограмма 2 – сигнал при нахождении датчика вблизи металлического объекта.
Импульсные металлоискатели имеют свои достоинства и недостатки. К достоинствам относится малая чувствительность к минерализованному грунту и соленой воде, к недостаткам - плохая селективность по типу металла и сравнительно большое потребление энергии.
Рис.1. Сигнал на входе импульсного металлоискателя.
Большинство практических конструкций импульсных металлоискателей строятся либо по двухкатушечной схеме, либо по однокатушечной схеме с дополнительным источником питания. В первом случае прибор имеет раздельные приемную и излучающую катушки, что усложняет конструкцию датчика. Во втором случае катушка в датчике одна, а для усиления полезного сигнала используется усилитель, который питается от дополнительного источника питания. Смысл такого построения заключается в следующем – сигнал самоиндукции имеет более высокий потенциал, чем потенциал источника питания, который используется для подачи тока в передающую катушку. Поэтому для усиления такого сигнала усилитель должен иметь собственный источник питания, потенциал которого должно быть выше напряжения усиливаемого сигнала. Это также усложняет схему прибора.
Предлагаемая однокатушечная конструкция построена по оригинальной схеме, которая лишена приведенных выше недостатков.
Технические характеристики
- Напряжение питания: 7,5 – 14 (В)
- Потребляемый ток не более: 90 (мА)
- Глубина обнаружения:
Монета диаметром 25 мм - 20 (см)
- пистолет - 40 (см)
- каска - 60 (см)
Структурная схема металлоискателя изображена на рис.2. Основой устройства является микроконтроллер. С его помощью осуществляется формирование временных интервалов для управления всеми узлами устройства, а также индикация и общее управление прибором. С помощью мощного ключа производится импульсное накопление энергии в катушке датчика, а затем прерывание тока, после которого возникает импульс самоиндукции, возбуждающий электромагнитное поле в мишени.
Рис.2. Структурная схема импульсного металлоискателя.
Изюминкой предлагаемой схемы является применение дифференциального усилителя во входном каскаде. Он служит для усиления сигнала, напряжение которого выше напряжения питания и привязке его к определенному потенциалу - + 5 (В). Для дальнейшего усиления служит приемный усилитель с большим коэффициентом усиления. Для измерения полезного сигнала служит первый интегратор. Во время прямого интегрирования производится накопление полезного сигнала в виде напряжения, а во время обратного интегрирования производится преобразование результата в длительность импульса. Второй интегратор имеет большую постоянную интегрирования и служит для балансировки усилительного тракта по постоянному току.
Рис.3. Принципиальная электрическая схема простого импульсного металлоискателя
Предложенная конструкция прибора разработана полностью на импортной элементной базе. Использованы самые распространенные компоненты ведущих производителей. Некоторые элементы можно попытаться заменить на отечественные, об этом будет сказано ниже. Большинство примененных элементов не являются дефицитными и могут быть приобретены в больших городах России и СНГ через фирмы, торгующие электронными компонентами.
Дифференциальный усилитель собран на ОУ D1.1. Микросхема D1 представляет собой счетверенный операционный усилитель типа TL074. Его отличительными свойствами являются высокое быстродействие, малое потребление, низкий уровень шумов, высокое входное сопротивление, а также возможность работы при напряжениях на входах, близких к напряжению питания. Эти свойства и обусловили его применение в дифференциальном усилителе в частности и в схеме в целом. Коэффициент усиления дифференциального усилителя составляет около 7 и определяется номиналами резисторов R3, R6…R9, R11.
Приемный усилитель D1.2 представляет собой неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 57. Во время действия высоковольтной части импульса самоиндукции этот коэффициент снижается до 1 с помощью аналогового ключа D2.1. Это предотвращает перегрузку входного усилительного тракта и обеспечивает быстрое вхождение в режим для усиления слабого сигнала. Транзисторы VT3 и VT4 предназначены для согласования уровней управляющих сигналов, подаваемых с микроконтроллера на аналоговые ключи.
С помощью второго интегратора D1.3 производится автоматическая балансировка входного усилительного тракта по постоянному току. Постоянная интегрирования 240 (мс) выбрана достаточно большой, чтобы эта обратная связь не влияла на усиление быстро изменяющегося полезного сигнала. С помощью этого интегратора на выходе усилителя D1.2 при отсутствии сигнала поддерживается уровень +5 (В).
Измерительный первый интегратор выполнен на D1.4. На время интегрирования полезного сигнала открывается ключ D2.2 и, соответственно, закрывается ключ D2.4. На ключе D2.3 реализован логический инвертор. После завершения интегрирования сигнала ключ D2.2 закрывается и открывается ключ D2.4. Накопительный конденсатор C6 начинает разряжаться через резистор R21. Время разряда будет пропорционально напряжению, которое установилось на конденсаторе C6 к концу интегрирования полезного сигнала. Это время измеряется с помощью микроконтроллера , который осуществляет аналого-цифровое преобразование. Для измерения времени разряда конденсатора C6 используются аналоговый компаратор и таймеры, которые встроены в микроконтроллер D3.
Кнопка S1 предназначена для начального сброса микроконтроллера. С помощью переключателя S3 задается режим индикации устройства. С помощью переменного резистора R29 регулируется чувствительность металлоискателя.
С помощью светодиодов VD3…VD8 производится световая индикация .
Алгоритм функционирования
Для разъяснения принципа работы описываемого импульсного металлоискателя на рис.4 приведены осциллограммы сигналов в наиболее важных точках прибора.
Рис.4. Осциллограммы.
На время интервала A открывается ключ VT1. Через катушку датчика начинает протекать пилообразный ток – осциллограмма 2. При достижении величины тока около 2(А) ключ закрывается. На стоке транзистора VT1 возникает выброс напряжения самоиндукции – осциллограмма 1. Величина этого выброса - более 300 Вольт (!) и ограничивается резисторами R1, R3. Для предотвращения перегрузки усилительного тракта служат ограничительные диоды VD1, VD2. Также для этой цели на время интервала A (накопление энергии в катушке) и интервала B (выброс самоиндукции) открывается ключ D2.1. Это снижает сквозной коэффициент усиления тракта с 400 до 7. На осциллограмме 3 показан сигнал на выходе усилительного тракта (вывод 8 D1.2). Начиная с интервала C, ключ D2.1 закрывается и коэффициент усиления тракта становится большим. После завершения защитного интервала C, за время которого усилительный тракт входит в режим, открывается ключ D2.2 и закрывается ключ D2.4 – начинается интегрирование полезного сигнала – интервал D. По истечении этого интервала ключ D2.2 закрывается, а ключ D2.4 открывается – начинается “обратное” интегрирование. За это время (интервалы E и F) конденсатор C6 полностью разряжается. С помощью встроенного аналогового компаратора микроконтроллер отмеряет величину интервала E, которая оказывается пропорциональной уровню входного полезного сигнала. Для текущих версий микропрограммного обеспечения установлены следующие значения интервалов:
A – 60…200 мкс, B – 12 мкс, С – 8 мкс, D – 50 (мкс), A + B + C + D + E + F – 5 (мс) - период повторения.
Микроконтроллер обрабатывает полученные цифровые данные и индицирует с помощью светодиодов VD3…VD8 и излучателя звука Y1 степень воздействия мишени на датчик. Светодиодная индикация представляет собой аналог стрелочного индикатора – при отсутствии мишени горит светодиод VD8, далее в зависимости от уровня воздействия последовательно загораются VD7, VD6 и т.д.
Рис.5. Принципиальная схема второй усовершенствованной версии микропроцессорного импульсного металлоискателя
Отличия (рис.5) от первой версии прибора (рис.3) состоят в следующем:
1. Добавлен резистор R30. Это сделано для того, чтобы снизить влияние внутреннего сопротивления различных батарей на настройку прибора. Теперь можно безболезненно менять кислотный аккумулятор на 6-8шт солевых батарей. Настройка прибора при этом не "съедет".
2. Добавлены "ускоряющие" конденсаторы C15,C16,C17. Благодаря этому существенно улучшилась термостабильность схемы. В старой схеме ключи VT2...VT4 были самым уязвимым местом в этом плане. Плюс к этому в программу добавлена непрерывная автобалансировка нуля.
3. Добавлена цепь R31 , R32, C14 . Эта цепь позволяет непрерывно контролировать состояние аккумуляторной батареи. С помощью резистора R32 теперь можно выставить любой порог безопасной(для аккумулятора) разрядки аккумуляторов различных типов. Например, для 8шт NiCd или NiMH аккумуляторных батарей типа АА нужно будет установить уровень 8 Вольт, а для 12 В кислотного аккумулятора - 11 Вольт... Когда будет достигнут пороговый уровень, будет включена световая и звуковая индикация.
Настраивается этот режим просто. Прибор запитывается от блока питания. На блоке питания выставляется требуемое пороговое напряжение, движок резистора R32 сначала ставится в “верхнее” по схеме положение., а затем, вращая ротор резистора R32, нужно добиться срабатывания индикации – светодиод VD8 начнет мигать, источник звука будет издавать прерывистый сигнал. Из этого режима прибор выходит только по сбросу.
4. В качестве альтернативного устройства индикации теперь можно использовать двухстрочный шестнадцатисимвольный ЖКИ. Этот режим включается при замыкании переключателя S3. В этом случае сигнальные выводы ЖКИ подключаются согласно схемы вместо светодиодов. Также на модуль ЖКИ необходимо подать напряжение +5 В и подключить “земляной” провод. Резистор R33 монтируется непосредственно на контактах модуля ЖКИ (рис.6).
Рис.6. Альтернативный ЖКИ - индикатор.
В этом случае в верхней строке всегда индицируется название металлоискателя, а в нижней строке в зависимости от режима: "Autotuning", "Low battery". В режиме поиска в этой строке рисуется столбец на 16 градаций уровня сигнала. При этом звуковой сигнал тоже имеет 16 градаций тона.
Типы деталей и конструкция
Вместо операционного усилителя D1 TL074N можно попробовать применить TL084N.
Микросхема D2 - это счетверенный аналоговый ключ типа CD4066, который можно заменить на отечественную микросхему К561КТ3.
Микроконтроллер D4 AT90S2313-10PI прямых аналогов не имеет. В схеме не предусмотрены цепи для его внутрисхемного программирования, поэтому контроллер желательно устанавливать на панельку, чтобы его можно было перепрограммировать.
Транзистор VT1 типа IRF740 можно попробовать заменить на IRF840.
Транзисторы VT2…VT4 типа 2N5551 можно заменить на КТ503 с любым буквенным индексом. Однако следует обратить внимание на тот факт, что они имеют другую цоколевку.
Светодиоды могут быть любого типа, VD8 желательно взять другого цвета свечения. Диоды VD1,VD2 типа 1N4148.
Резисторы могут быть любых типов, R1 и R3 должны иметь рассеиваемую мощность 0,5 (Вт), остальные могут быть 0,125 или 0,25 (Вт). R9 и R11 желательно подобрать, чтобы их сопротивление отличалось не более, чем на 5%.
Конденсатор C1 – электролитический, на напряжение 16В, остальные конденсаторы керамические.
Кнопка S1, переключатели S3,S4, переменный резистор R29 могут быть любых типов, которые подходят по габаритам. В качестве источника звука можно использовать пъезоизлучатель или головные телефоны от плеера.
Конструкция корпуса прибора может быть произвольной. Штанга вблизи датчика (до 1 метра) и сам датчик не должны иметь металлических деталей и элементов крепления. В качестве исходного материала для изготовления штанги удобно использовать пластиковую телескопическую удочку.
Датчик содержит 27 витков провода диаметром 0,6 - 0,8 мм, намотанного на оправке 190 (мм). Датчик не имеет экрана и его крепление к штанге должно осуществляться без применения массивных шурупов, болтов и т.д. (!) Для соединения датчика и электронного блока нельзя использовать экранированный кабель из-за его большой емкости. Для этих целей надо использовать два изолированных провода, например типа МГШВ, свитых вместе.
Налаживание прибора
ВНИМАНИЕ! В приборе имеется высокое, потенциально опасное для жизни напряжение – на коллекторе VT1 и на датчике. Поэтому при настройке и эксплуатации следует соблюдать меры электробезопасности.
1. Убедиться в правильности монтажа.
2. Подать питание и убедиться, что потребляемый ток не превышает 100 (мА).
3. С помощью подстроечного резистора R7 добиться такой балансировки усилительного тракта, чтобы осциллограмма на выводе 7 D1.4 соответствовала осциллограмме 4 на рис.4. При этом необходимо следить за тем, чтобы сигнал в конце интервала D был неизменным, т.е. осциллограмма в этом месте должна быть горизонтальной.
В дальнейшей настройке правильно собранный прибор не нуждается. Необходимо поднести датчик к металлическому объекту и убедиться в работе органов индикации. Описание работы органов управления приводится ниже, в описании программного обеспечения.
Программное обеспечение
На момент написания этой статьи было разработано и протестировано программное обеспечение версий V1.0-demo, V1.1 для первой версии прибора и V2.4-demo, V2.4 для второй версии. Демо-версия программы полностью работоспособна и отличается только отсутствием точной регулировки чувствительности. Полные версии поставляются в уже прошитых микроконтроллерах, входящих в состав набора МАСТЕР КИТ NM8042 . HEX файл прошивок V1.0-demo и V2.4-demo можно скачать .
Работа над новыми версиями программного обеспечения продолжается, планируется введение дополнительных режимов. Новые версии, после их всестороннего тестирования, будут доступны в наборах МАСТЕР КИТ.
Работа с прибором
В начале работы необходимо включить питание прибора, поднять датчик на уровень 60-80 см от грунта и нажать на кнопку "Сброс". В течении 2-х секунд прибор произведет автонастройку. По окончании автонастройки прибор издаст характерный короткий звук. После этого датчик необходимо приблизить к грунту (в месте, где отсутствуют металлические предметы) на расстояние 3-7 см и отрегулировать чувствительность с помощью резистора R29. Ручку необходимо вращать до исчезновения ложных откликов. После этого можно приступать к поискам. При появлении индикации разряда батарей поиски необходимо прекратить, выключить прибор и заменить источник питания.
Заключение
Чтобы сэкономить время и избавить Вас от рутинной работы по поиску необходимых компонентов и изготовлению печатных плат МАСТЕР КИТ предлагает набор NM8042.
На рис.7 приведен рисунок печатной платы (для схемы рис.3) и расположение компонентов на ней.
Рис. 7.1. Вид печатной платы сверху.
Рис.7.2. Вид печатной платы снизу.
Набор состоит из заводской печатной платы, прошитого контроллера с версией программы V 1.1, всех необходимых компонентов, пластикового корпуса и инструкции по сборке и эксплуатации. Конструктивные упрощения были сделаны сознательно, с целью уменьшения стоимости набора.
Изготовление поисковой катушки
Катушка представляет собой 27 витков эмалированного провода сечением 0,7-0,8 мм, намотанных в виде кольца 180-190 мм. После намотки катушки витки необходимо обмотать изоляционной лентой. Для подключения датчика необходимо изготовить витую пару из монтажного провода. Для этого берется два куска провода нужной длины, и свиваются вместе из расчета одна скрутка на сантиметр. С одной стороны этот кабель подпаивается к катушке, с другой к плате. Корпус датчика и штанга металлоискателя не должны содержать металлических деталей!
Доработка корпуса
Перед установкой платы металлоискателя в корпус, в нем необходимо сделать отверстия под выносные элементы.
На рис.8 показаны отверстия на передней панели под светодиоды, регулятор чувствительности R29, выключатель питания S4 и кнопку сброса S1. На рис.9 – отверстие на боковой поверхности корпуса под телефонный разъем Earphone JACK. На рис.10 – отверстия на задней панели под кабель питания и под кабель поисковой катушки.
Внешний вид собранной электронной начинки показан на рис. 11.
Рис.8. Отверстия на передней панели корпуса под светодиоды.
Рис.9. Отверстие на боковой поверхности корпуса под телефонный разъем.
Рис.10. Отверстия на задней панели под кабель питания и под кабель поисковой катушки.
Рис.11. Внешний вид электронной начинки микропроцессорного импульсного металлоискателя из набора NM8042.
Источники информации
1. Щедрин А.И. Новые металлоискатели для поиска кладов и реликвий: -М.:”Горячая линия-Телеком”, 2003. -173с.
Всем привет! Давно я тут не писал. Много было дел… За окном уже весна, второй день температура держится на уровне 9-10 градусов. Снег неспешно сходит. Открытие сезона уже не за горами. Так вот, одним из дел, которое помогло бы скоротать время и приблизить сезон, была сборка металлоискателя с нуля своими руками. Результат меня порадовал:)
Кому не терпится, видео с работой данного чуда:
Все началось с того, что я наконец обзавелся фольгированным текстолитом, не заплатив за это ни копейки)). Первым делом для испытания этого текстолита) была сборка металлоискателя.
Для сборки была выбрана схема импульсного металлоискателя «Пират», ибо прибор на биениях делать было не охота). Итак, схема загружена, установлена программа Sprint Layot, распечатана на фотобумаге печатная плата. Приступаю к сборке.
Плату делал методом лазерного утюга (сокращенно ЛУТ). Подробно расписывать не буду, на это дело есть гугл:). Все, вырезан текстолит, дорожки перенесены на плату.
Далее развожу раствор для травления. И тут мне снова помог электролит из аккумулятора! Раствор включил в себя поваренную соль, перекись водорода и электролит (вечером этого же дня банку с раствором опрокинул котенок).
Ну вот, плата протравлена, отверстия просверлены. Теперь ее надо залудить. Лужение производилось паяльником.
Настал самый длительный этап сборки. А именно сбор, поиск и впайка деталей. Обе микросхемы и два транзистора были найдены без затруднений. Конденсаторы и резисторы вытащены со старых плат. Но не нашлось у меня нескольких резисторов. За ними пришлось идти в телемастеркую. Там мне их дали БЕСПЛАТНО.
Плата собрана, экспериментальная катушка намотана. Настал момент включения. Первое включение производилось от двенадцативольтового блока питания. Скрутил провода, подключил катушку, перепроверил полярность, включаю…не работает…молчит(. Греется транзистор. Перепаял. Включаю снова…тишина. Последующие проверки выявили неисправность микросхемы К157УД2. На следующий день была найдена новая и пуск повторился. И тут собранная схема показала признаки жизни. Оно работает!!! Радости было море:)
На следующий день схема была налажена и получила культурный корпус. Выведены разъемы. Теперь нужна была нормальная катушка. Ее я вырезал из куска фанеры. Потом же подобрал количество витков, залил обмотку термоклеем и замотал синей изолентой.
Теперь требовался материал для штанги, чему и был посвящен следующий день. Купил 4 метра водопроводной ПВХ трубы и 0,5 метра канализационной трубы. Из них были вырезаны соответствующие детали для сбора штанги. Трубы спаивались с помощью термоклея и фена. 
Штанга собрана, катушка готова, корпус прибора приобрел надлежащий вид. Осталось все совместить. Блок прикреплен к штанге с помощью фитингов. А вот для крепления катушки в магазине не нашлось пластикового болтика. Катушка пока что временно держится на стяжке.
Осталось только купить аккумулятор с ЗУ. Работает и с аккумулятором от шуруповерта:).
В условиях дома прибор начинает реагировать на пятак с 20 см, что думаю неплохо. Также скажу, что он не имеет дискриминации, поэтому нельзя отсечь столь ненавистный всем копателям металломусор.
От процесса сборки и от полученных результатов я получил полное удовлетворение и, как я думаю, немного повысил навыки радиолюбительства, применив в своей практике новые методы.
Итак, мои вложения (кроме покупки аккумулятора) ушло 230 рублей. С аккумулятором, думаю, будет около 1000 рублей. Данный прибор можно легко окупить и даже заработать, занимаясь с его помощью поиском металлолома. Поиск монет тоже возможен, но в виду отсутствия дискриминации, он будет затруднителен.
Скажу насчет фотографий. Их я делал для себя, поэтому их качество немного жидковато:)
Также советую вам подписаться на канал «Старая Вятка» , где вас ждет много видео о копе, металлоискателях, навигации, картографии и уходу за монетами: