Металлоискатель по принципу Передача-Прием. Схема, описание. Самый простой металлоискатель Схемы металлоискателей по принципу передача прием

Предлагаемый металлоискатель предназначен для "дальнего" поиска сравнительно крупных предметов. Он собран по простейшей схеме без дискриминатора по типам металлов. Прибор несложен в изготовлении.

Глубина обнаружения составляет:

пистолет - 0,5 м;
каска -1 м;
ведро - 1,5 м.

Структурная схема

Структурная схема приведена на рис. 4. Она состоит из нескольких функциональных блоков.

Рис. 4. Структурная схема металлоискателя по принципу "передача-прием"

Для его устранения предназначена схема компенсации. Смысл ее работы заключается в том, что в сигнал приемного усилителя подмешивается некоторая часть сигнала с выходного колебательного контура так, чтобы минимизировать (в идеале - довести до нуля) выходной сигнал синхронного детектора при отсутствии вблизи датчика металлических предметов. Настройка схемы компенсации осуществляется с помощью регулировочного потенциометра.

Синхронный детектор преобразует полезный переменный сигнал, поступающий с выхода приемного усилителя, в постоянный сигнал. Важной особенностью синхронного детектора является возможность выделения полезного сигнала на фоне шумов и помех, значительно превышающих полезный сигнал по амплитуде. Опорный сигнал синхронного детектора берется со второго выхода кольцевого счетчика, сигнал которого имеет сдвиг по фазе относительно первого выхода на 90°. Динамический диапазон изменения полезного сигнала как на выходе приемной катушки, так и на выходе синхронного детектора очень широк. Чтобы устройство индикации - стрелочный прибор или звуковой индикатор одинаково хорошо регистрировали как очень слабые сигналы, так и очень (например, в 100 раз) более сильные сигналы, необходимо иметь в составе прибора устройство, сжимающее динамический диапазон. Таким устройством является нелинейный усилитель, амплитудная характеристика которого приближается к логарифмической. К выходу нелинейного усилителя подключен стрелочный измерительный прибор.

Формирование звукового сигнала индикации начинается ограничителем по минимуму, т.е. блоком, имеющим зону нечувствительности для малых сигналов. Это означает, что звуковая индикация включается только для сигналов, превосходящих по амплитуде некоторый порог. Таким образом, слабые сигналы, связанные в основном с движением прибора и его механическими деформациями, не раздражают слух. Формирователь опорного сигнала звуковой индикации формирует пачки прямоугольных импульсов частотой 2 кГц с частотой повторения пачек 8 Гц. С помощью балансного модулятора этот опорный сигнал перемножается на выходной сигнал ограничителя по минимуму, формируя таким образом сигнал нужной формы и нужной амплитуды. Усилитель пьезоизлучателя увеличивает амплитуду сигнала, который поступает на акустический преобразователь - пьезоизлучатель.

Принципиальная схема

Рис. 5. Принципиальная электрическая схема входного блока металлоискателя по принципу "передача-прием" (нажмите для увеличения)

Генератор

Генератор собран на логических элементах 2И-НЕ D1.1-D1.4. Частота генератора стабилизирована кварцевым или пьезокерамическим резонатором Q с резонансной частотой 215 Гц " 32 кГц ("часовой кварц"). Цепь R1C1 препятствует возбуждению генератора на высших гармониках. Через резистор R2 замыкается цепь ООС, через резонатор Q - цепь ПОС. Генератор отличается простотой, малым потребляемым током от источника питания, надежно работает при напряжении питания 3...15 В, не содержит подстроечных элементов и чересчур высокоомных резисторов. Выходная частота генератора - около 32 кГц.

Кольцевой счетчик

Кольцевой счетчик выполняет две функции. Во- первых, он делит частоту генератора на 4, до частоты 8 кГц. Во-вторых, он формирует два сигнала, сдвинутых один относительно другого на 90° по фазе. Один сигнал используется для возбуждения колебательного контура с излучающей катушкой, другой - в качестве опорного сигнала синхронного детектора. Кольцевой счетчик представляет собой два D-триггера D2.1 и D2.2, замкнутых в кольцо с инверсией сигнала по кольцу. Тактовый сигнал - общий для обоих триггеров. Любой выходной сигнал первого триггера D2.1 имеет сдвиг по фазе на плюс-минус четверть периода (т.е. на 90°) относительно любого выходного сигнала второго триггера D2.2.

Усилитель мощности

Усилитель мощности собран на операционном усилителе (ОУ) D3.1. Колебательный контур с излучающей катушкой образован элементами L1C2. Параметры катушки индуктивности приведены в табл. 2. Марка провода обмоток - ПЭЛШО 0,44.

Таблица 2. Параметры катушек индуктивности датчика

В цепь ОС усилителя выходной колебательный контур включен только на 25%, благодаря отводу от 50-го витка излучающей катушки L1. Это позволяет увеличить амплитуду тока в катушке при приемлемом значении емкости прецизионного конденсатора С2.

Значение переменного тока в катушке задается резистором R3. Этот резистор должен иметь минимальную величину, но такую, чтобы ОУ усилителя мощности не попадал в режим ограничения выходного сигнала по току (не более 40 мА) или, - что вероятнее всего при рекомендуемых параметрах катушки индуктивности L1, - по напряжению (не более ±3,5 В при напряжении батарей питания ±4,5 В). Для того чтобы убедиться в отсутствии режима ограничения, достаточно проверить осциллографом форму сигнала на выходе ОУ D3.1. При нормальной работе усилителя на выходе должен присутствовать сигнал, приближающийся по форме к синусоиде. Вершины волн синусоиды должны иметь плавную форму и не должны быть срезаны. Цепь коррекции ОУ D3.1 состоит из корректирующего конденсатора С3 емкостью 33 пФ.

Приемный усилитель

Приемный усилитель - двухкаскадный. Первый каскад выполнен на ОУ D5.1. Он обладает высоким входным сопротивлением благодаря последовательной ООС по напряжению. Это позволяет исключить потери полезного сигнала вследствие шунтирования колебательного контура L2C5 входным сопротивлением усилителя. Коэффициент усиления первого каскада по напряжению составляет: Кu = (R9/R8) + 1 = 34. Цепь коррекции ОУ D5.1 состоит из корректирующего конденсатора С6 емкостью 33 пФ.

Второй каскад приемного усилителя выполнен на ОУ D5.2 с параллельной ООС по напряжению. Входное сопротивление второго каскада: Rвх = R10 = 10 кОм - не так критично, как первого, ввиду низкоомности его источника сигнала. Разделительный конденсатор С7 не только предотвращает накапливание статической погрешности по каскадам усилителя, но и корректирует его ФЧХ. Емкость конденсатора выбирается такой, чтобы создаваемое цепью C7R10 опережение по фазе на рабочей частоте 8 кГц компенсировало запаздывание по фазе, вызванное конечным быстродействием ОУ D5.1 и D5.2.

Второй каскад приемного усилителя, благодаря своей схеме, позволяет легко осуществить суммирование (подмешивание) сигнала от схемы компенсации через резистор R11. Коэффициент усиления второго каскада по напряжению полезного сигнала составляет: Кu = - R12/R10 = -33, а по напряжению компенсирующего сигнала: Кuk = - R12/R11 = - 4. Цепь коррекции ОУ D5.2 состоит из корректирующего конденсатора С8 емкостью 33 пФ.

Схема стабилизации

Схема компенсации выполнена на ОУ D3.2 и представляет собой инвертор с Кu = - R7/R5 = -1. Регулировочный потенциометр R6 включен между входом и выходом этого инвертора и позволяет снять сигнал, лежащий в диапазоне [-1,+1] от выходного напряжения ОУ D3.1. Выходной сигнал схемы компенсации с движка регулировочного потенциометра R6 поступает на компенсирующий вход второго каскада приемного усилителя (на резистор R11).

Регулировкой потенциометра R6 добиваются нулевого значения на выходе синхронного детектора, что приблизительно соответствует компенсации проникшего в приемную катушку нежелательного сигнала. Цепь коррекции ОУ D3.2 состоит из корректирующего конденсатора С4 емкостью 33 пФ.

Синхронный детектор

Синхронный детектор состоит из балансного модулятора, интегрирующей цепи и усилителя постоянных сигналов (УПС). Балансный модулятор реализован на основе многофункционального коммутатора D4, выполненного по интегральной технологии с комплементарными полевыми транзисторами как в качестве управляющих дискретных вентилей, так и в качестве аналоговых ключей. Коммутатор работает в качестве аналогового переключателя. С частотой 8 кГц он поочередно замыкает на общую шину выходы "треугольника" интегрирующей цепи, состоящей из резисторов R13 и R14 и конденсатора C10. Сигнал опорной частоты поступает на балансный модулятор с одного из выходов кольцевого счетчика.

Сигнал на вход "треугольника" интегрирующей цепи поступает через разделительный конденсатор С9 с выхода приемного усилителя. Постоянная времени интегрирующей цепи t = R13*C10 = R14*C10. Она должна быть, с одной стороны, как можно больше, чтобы как можно сильнее ослабить влияние шумов и помех. С другой стороны, она не должна превышать некоторый предел, когда инерционность интегрирующей цепи препятствует отслеживанию быстрых изменений амплитуды полезного сигнала.

Наибольшую скорость изменения амплитуды полезного сигнала можно охарактеризовать некоторым минимальным временем, за которое может произойти это изменение (от установившегося значения до максимального отклонения) при движении датчика металлоискателя относительно металлического предмета. Очевидно, что максимальная скорость изменения амплитуды полезного сигнала будет наблюдаться при максимальной скорости движения датчика. Она может достигать 5 м/с для "маятникового" движения датчика на штанге. Время изменения амплитуды полезного сигнала можно оценить как отношение базы датчика к скорости движения. Положив минимальное значение базы датчика, равное 0,2 м, получим минимальное время изменения амплитуды полезного сигнала 40 мс. Это в несколько раз больше, чем постоянная времени интегрирующей цепи при выбранных номиналах резисторов R13, R14 и конденсатора C10. Следовательно, инерционность интегрирующей цепи не исказит динамику даже самых быстрых из всех возможных изменений амплитуды полезного сигнала от датчика металлоискателя.

Выходной сигнал интегрирующей цепи снимается с конденсатора СЮ. Так как у последнего обе обкладки находятся под "плавающими потенциалами", УПС представляет собой дифференциальный усилитель, выполненный на ОУ D6. Помимо усиления постоянного сигнала, УПС выполняет функцию фильтра нижних частот (ФНЧ), дополнительно ослабляющего нежелательные высокочастотные компоненты на выходе синхронного детектора, связанные, в основном, с неидеальностью балансного модулятора.

ФНЧ реализуется благодаря конденсаторам С11, С13. В отличие от остальных узлов металлоискателя, ОУ УПС по своим параметрам должен приближаться к прецизионным ОУ. В первую очередь, это относится к величине входного тока, величине напряжения смещения и величине температурного дрейфа напряжения смещения. Удачным вариантом, сочетающим хорошие параметры и относительную доступность, является ОУ типа К140УД14 (или КР140УД1408). Цепь коррекции ОУ D6 состоит из корректирующего конденсатора С12 емкостью 33 пФ.

Нелинейный усилитель

Нелинейный усилитель выполнен на ОУ D7.1 с нелинейной ООС по напряжению. Нелинейная ООС реализована двухполюсником, состоящим из диодов VD1-VD8 и резисторов R20-R24. Амплитудная характеристика нелинейного усилителя приближается к логарифмической. Она представляет собой кусочно-линейную, с четырьмя точками излома для каждой полярности, аппроксимацию логарифмической зависимости. Благодаря плавной форме вольтамперных характеристик диодов амплитудная характеристика нелинейного усилителя сглажена в точках излома. Малосигнальный коэффициент усиления нелинейного усилителя по напряжению составляет: Кuk = - (R23+R24)/R19 = -100. С ростом амплитуды входного сигнала коэффициент усиления уменьшается. Дифференциальный коэффициент усиления для большого сигнала составляет: dUвых/dUвх = - R24/R19 = = -1. К выходу нелинейного усилителя подключен стрелочный измерительный прибор - микроамперметр с последовательно включенным добавочным резистором R25. Так как напряжение на выходе синхронного детектора может иметь любую полярность (в зависимости от сдвига фазы между, его опорным и входным сигналами), использован микроамперметр с нулем в середине шкалы. Таким образом, стрелочный прибор имеет диапазон индикации -100... 0 ... +100 мкА. Цепь коррекции ОУ D7.1 состоит из корректирующего конденсатора С18 емкостью 33 пФ.

Ограничитель по минимуму

Ограничитель по минимуму реализован на ОУ D7.2 с нелинейной параллельной ООС по напряжению Нелинейность заключена во входном двухполюснике и состоит из двух встречно-параллельно включенных диодов VD9, VD10 и резистора R26.

Рис. 6. Принципиальная электрическая схема блока индикации металлоискателя по принципу "передача-прием" (нажмите для увеличения)

Формирование звукового сигнала индикации из выходного сигнала нелинейного усилителя начинается с еще одной корректировки амплитудной характеристики усилительного тракта. В данном случае формируется зона нечувствительности в области малых сигналов. Это означает, что звуковая индикация включается только для сигналов, превосходящих некоторый порог. Этот порог определяется

прямым напряжением диодов VD9, VD10 и составляет около 0,5 В. Таким образом, слабые сигналы, связанные в основном с движением прибора и его механическими деформациями, отсекаются и не раздражают слух.

Малосигнальный коэффициент усиления ограничителя по минимуму равен нулю. Дифференциальный коэффициент усиления по напряжению для большого сигнала составляет: dUвых/dUвх = - R27/R26 = -1. Цепь коррекции ОУ D7.2 состоит из корректирующего конденсатора С19 емкостью 33 пФ.

Балансный модулятор

Сигнал звуковой индикации формируется следующим образом. Постоянный или медленно меняющийся сигнал на выходе ограничителя по минимуму перемножается на опорный сигнал звуковой индикации. Опорный сигнал задает форму для звукового сигнала, а выходной сигнал ограничителя по минимуму - амплитуду. Перемножение двух сигналов осуществляется с помощью балансного модулятора. Он реализован на многофункциональном коммутаторе D11, работающем в качестве аналогового ключа, и ОУ D8.1. Коэффициент передачи устройства равен +1 при разомкнутом ключе и -1 - при замкнутом. Цепь коррекции ОУ D8.1 состоит из корректирующего конденсатора С20 емкостью 33 пФ.

Формирователь опорного сигнала

Формирователь опорного сигнала реализован на двоичном счетчике D9 и счетчике-дешифраторе D10. Счетчик D9 делит частоту 8 кГц с выхода кольцевого счетчика до частоты 2 кГц и 32 Гц. Сигнал с частотой 2 кГц поступает на младший разряд адреса АО многофункционального коммутатора D11, задавая таким образом тональный сигнал с наиболее чувствительной для человеческого уха частотой. Этот сигнал будет воздействовать на аналоговый ключ балансного модулятора только в том случае, когда на старшем разряде адреса А1 многофункционального коммутатора D11 будет присутствовать логическая 1. При логическом нуле на А1 аналоговый ключ балансного модулятора все время разомкнут.

Сигнал звуковой индикации формируется прерывистым, чтобы меньше утомлялся слух. Для этого используется счетчик-дешифратор D10, который управляется тактовой частотой 32 Гц с выхода двоичного счетчика D9 и формирует на своем выходе прямоугольный сигнал с частотой 8 Гц и соотношением длительности логической единицы и логического нуля, равным 1/3. Выходной сигнал счетчика-дешифратора D10 поступает на старший разряд адреса А1 многофункционального коммутатора D11, периодически прерывая формирование тональной посылки в балансном модуляторе.

Усилитель пьезоизлучателя

Усилитель пьезоизлучателя реализован на ОУ D8.2. Он представляет собой инвертор с коэффициентом усиления по напряжению Ки = - 1. Нагрузка усилителя - пьезоизлучатель - включена по мостовой схеме между выходами ОУ D8.1 и D8.2. Это позволяет в два раза увеличить амплитуду выходного напряжения на нагрузке. Выключатель S предназначен для отключения звуковой индикации (например, при настройке). Цепь коррекции ОУ D8.2 состоит из корректирующего конденсатора С21 емкостью 33 пФ.

Типы деталей и конструкция

Типы используемых микросхем приведены в табл. 3. Вместо микросхем серии К561 возможно использование микросхем серии К1561. Можно попытаться применить некоторые микросхемы серии К176 и зарубежные аналоги.

Таблица 3. Типы используемых микросхем

Сдвоенные операционные усилители (ОУ) серии К157 можно заменить любыми сходными по параметрам одиночными ОУ общего назначения (с соответствующими изменениями в цоколевке и цепях коррекции), хотя применение сдвоенных ОУ удобнее (возрастает плотность монтажа).

Операционный усилитель синхронного детектора D6, как уже указывалось выше, по своим параметрам должен приближаться к прецизионным ОУ. Кроме типа, указанного в таблице, подойдут К140УД14, 140УД14. Возможно применение ОУ К140УД12, 140УД12, КР140УД1208 в соответствующей схеме включения.

К применяемым в схеме металлоискателя резисторам не предъявляется особых требований. Они лишь должны иметь прочную конструкцию и быть удобны для монтажа. Номинал рассеиваемой мощности 0,125...0,25 Вт.

Потенциометр компенсации R6 желателен многооборотный типа СП5-44 или с нониусной подстройкой типа СП5-35. Можно обойтись и обычными потенциометрами любых типов. В этом случае желательно их использовать два. Один - для грубой подстройки, номиналом 10 кОм, включенный в соответствии со схемой. Другой - для точной подстройки, включенный по схеме реостата в разрыв одного из крайних выводов первого потенциометра, номиналом 0,5...1 кОм.

Конденсаторы С15, С17 - электролитические. Рекомендуемые типы - К50-29, К50-35, К53-1, К53-4 и другие малогабаритные. Остальные конденсаторы, за исключением конденсаторов колебательных контуров приемной и излучающей катушек, - керамические типа К10-7 (до номина- па 68 нФ) и металлопленочные типа К73-17 (номиналы выше 68 нФ). Конденсаторы контуров - С2 и С5 - особые. К ним предъявляются высокие требования по точности и термостабильности. Каждый конденсатор состоит из нескольких (5...10 шт.) конденсаторов, включенных в параллель. Настройка контуров в резонанс осуществляется подбором количества конденсаторов и их номинала. Рекомендуемый тип конденсаторов К10-43. Их группа по термостабильности - МПО (т.е. приблизительно нулевой ТКЕ). Возможно применение прецизионных конденсаторов и других типов, например К71-7. В конце концов, можно попытаться использовать старинные термостабильные слюдяные конденсаторы с серебряными обкладками типа КСО или полистирольные конденсаторы.

Диоды VD1-VD10 типа КД521, КД522 или аналогичные кремниевые маломощные.

Микроамперметр - любого типа, рассчитанный на ток 100 мкА с нулем посередине шкалы. Удобны малогабаритные микроамперметры, например, типа М4247.

Кварцевый резонатор Q - любой малогабаритный часовой кварц (аналогичные кварцевые резонаторы используются в портативных электронных играх).

Выключатель питания - любого типа малогабаритный. Батареи питания - типа 3R12 (по международному обозначению) и "квадратные" (по нашему).

Пьезоизлучатель Y1 - может быть типа ЗП1-ЗП18. Хорошие результаты получаются при использовании пье- зоизлучателей импортных телефонов (идут в огромных количествах "в отвал" при изготовлении телефонов с определителем номера).

Конструкция прибора может быть достаточно произвольной. При ее разработке желательно учесть рекомендации, изложенные ниже, а также в параграфах, посвященных датчикам и конструкции корпусов.

Внешний вид прибора показан на рис. 7.

Рис. 7. Общий вид металлоискателя, выполненного по принципу "передача-прием"

По своему типу датчик предлагаемого металлоискателя относится к датчикам с перпендикулярными осями. Катушки датчика склеены из стеклотекстолита эпоксидным клеем. Этим же клеем залиты обмотки катушек вместе с арматурой их электрических экранов. Штанга металлоискателя изготовлена из трубы из алюминиевого сплава (АМГЗМ, АМГ6М или Д16Т) диаметром 48 мм и с толщиной стенки 2...3 мм. Катушки приклеены к штанге эпоксидным клеем: соосная (излучающая) - с помощью переходной усиливающей втулки; перпендикулярная к оси штанги (приемная) - с помощью подходящей формы переходника.

Указанные вспомогательные детали выполнены также из стеклотекстолита. Корпус электронного блока изготовлен из фольгированного стеклотекстолита путем пайки. Соединения катушек датчика с электронным блоком выполнены экранированным проводом с внешней изоляцией и проложены внутри штанги. Экраны этого провода подключены только к шине общего провода на плате электронной части прибора, куда также подключаются экран корпуса в виде фольги и штанга. Снаружи прибор покрашен нитроэмалью.

Печатная плата электронной части металлоискателя может быть изготовлена любым из традиционных способов, удобно также использовать готовые макетные печатные платы под DIP корпуса микросхем (шаг 2,5 мм).

Налаживание прибора

1. Проверить правильность монтажа по принципиальной схеме. Убедиться в отсутствии коротких замыканий между соседними проводниками печатной платы, соседними ножками микросхем и т.п.

2. Подключить батареи или двуполярный источник питания, строго соблюдая полярность. Включить прибор и измерить потребляемый ток. Он должен составлять около 20 мА по каждой шине питания. Резкое отклонение измеренных значений от указанной величины свидетельствует о неправильности монтажа или неисправности микросхем.

3. Убедиться в наличии на выходе генератора чистого меандра с частотой около 32 кГц.

4. Убедиться в наличии на выходах триггеров D2 меандра с частотой около 8 кГц.

5. Подбором конденсатора 02 настроить выходной контур L1C2 в резонанс. В простейшем случае - по максимуму амплитуды напряжения на нем (около 10 В), а более точно - по нулевому фазовому сдвигу напряжения контура относительно меандра на выходе 12 триггера D2.

Внимание! Настройку потенциометром R6 необходимо проводить при отсутствии вблизи катушек датчика металлоискателя крупных металлических предметов, включая измерительные приборы! В противном случае, при перемещении этих предметов или при перемещении датчика относительно них прибор расстроится, а при наличии крупных металлических предметов вблизи датчика установить выходное напряжение синхронного детектора в ноль не удастся. О компенсации см. также в параграфе, посвященном возможным модификациям.

8. Убедиться в работе нелинейного усилителя. Простейший способ - визуально. Микроамперметр должен реагировать на процесс настройки, производимой потенциометром R6. При некотором положении движка R6 стрелка микроамперметра должна установиться в ноль. Чем дальше стрелка микроамперметра находится от нуля, тем слабее должен реагировать микроамперметр на вращение движка R6.

Может так оказаться, что неблагоприятная электромагнитная обстановка затруднит наладку прибора. В этом случае стрелка микроамперметра будет совершать хаотические или периодические колебания при приближении движка потенциометра R6 к тому положению, в котором должна иметь место компенсация сигнала. Описанное нежелательное явление объясняется наводками высших гармоник сети 50 Гц на приемную катушку. На значительном удалении от проводов с электричеством колебания стрелки при настройке должны отсутствовать.

9. Убедиться в работоспособности узлов, формирующих звуковой сигнал. Обратить внимание на наличие небольшой зоны нечувствительности по звуковому сигналу вблизи нуля по шкале микроамперметра.

При наличии неполадок и отклонений в поведении отдельных узлов схемы металлоискателя следует действовать по общепринятой методике:

проверить отсутствие самовозбуждения ОУ;
проверить режимы ОУ по постоянному току;
сигналы и логические уровни входов/выходов цифровых микросхем, и т.д. и т.п.

Возможные модификации

Схема прибора достаточно проста и поэтому речь может идти только о дальнейших усовершенствованиях. К ним можно отнести:

2. Добавление дополнительного канала визуальной индикации, содержащего синхронный детектор, нелинейный усилитель и микроамперметр. Опорный сигнал синхронного детектора дополнительного канала берется со сдвигом на четверть периода относительно опорного сигнала основного канала (с любого выхода другого триггера кольцевого счетчика). Обладая некоторым опытом поиска, можно по показаниям двух стрелочных приборов научиться оценивать характер обнаруженного объекта, т.е. работать не хуже электронного дискриминатора.

3. Добавление защитных диодов, включенных в обратной полярности параллельно источникам питания. При ошибке в полярности включения батарей в этом случае гарантируется, что схема металлоискателя не пострадает (хотя, если вовремя не среагировать, полностью разрядится неправильно включенная батарея). Включать диоды последовательно с шинами питания не рекомендуется, так как в этом случае на них пропадет впустую 0,3...0,6 В драгоценного напряжения источников питания. Тип защитных диодов - КД243, КД247, КД226 и т.п.

Устройство позволяющее отыскивать металлические предметы, расположенные в нейтральной среде, например, грунте, за счет их проводимости называют металлодетектором (металлоискателем). Это прибор позволяет находить металлические предметы в различных средах, в том числе и в организме человека.

Во многом благодаря развитию микроэлектроники металлодетекторы, которые выпускают множество предприятий по всему свету, обладают высокой надежностью и небольшими габаритно-весовыми характеристиками.

Еще не так давно, такие приборы можно было чаще всего увидеть у саперов, то теперь, ими пользуются спасатели, кладоискатели, работники коммунальных служб при поиске труб, кабелей и пр. Более того, многие «кладоискатели» применяют металлодетекторы, которые они собирают своими руками.

Конструкция и принцип работы прибора

Металлодетекторы, предлагаемые на рынке, работают на разных принципах. Многие считают, что они используют принцип импульсной эхо- или радиолокации. Их отличие от локаторов заключается в том, передаваемый и принимаемый сигналы, действуют постоянно и одновременно, ко всему прочему они работают на совпадающих частотах.

Приборы, работающие по принципу «прием-передача», регистрируют отраженный (переизлученный) от металлического предмета сигнал. Этот сигнал появляется из-за воздействия на металлический предмет переменным магнитным полем, которое генерируют катушки металлоискателя. То есть в конструкции устройств этого типа предусмотрено наличие двух катушек, первая – передающая, вторая – приемная.

Приборы этого класса обладают следующими достоинства:

простота конструкции;
большие возможности для обнаружения металлических материалов.

В тоже время, металлоискатели этого класса обладают определенными недостатками:

металлоискатели могут быть чувствительными к составу грунта, в котором производят поиск металлических предметов.
технологические сложности при производстве изделия.

Другими словами, устройства этого типа перед работой необходимо настраивать своими руками.

Другие устройства иногда называют металлоискатель на биениях. Это название пришло из далекого прошлого, точнее со времен, когда широко эксплуатировались супергетеродинных приемников. Биения – это явление, которое становится заметно при суммировании двух сигналов с близкими частотами и равными амплитудами. Биение заключается в пульсировании амплитуды просуммированного сигнала.

Частота пульсирования сигнала равняется разностью частот суммируемых сигналов. Пропуская такой сигнал через выпрямитель, его еще называют детектором, выделяют, так называемую разностную частоту.

Такая схема долго применялось, но в наши дни, ее не применяют. Их сменили синхронные детекторы, но термин остался в применении.

Металлодетектор на биении работает, используя следующий принцип – он регистрирует разность частот от двух генераторных катушек. Одна частота стабильна, вторая содержит в себе катушку индуктивности.

Устройство настраивают своими руками так, чтобы генерируемые частоты совпадали или по крайней мере были близки. Как только, в зону действия попадает металл, происходит изменение заданных параметров и частота изменяется. Разность частот может быть зарегистрирована разными способами, начиная от наушников и заканчивая цифровыми методами.

Устройства этого класса отличаются простой конструкцией датчика, слабой чувствительностью к к минеральному составу почвы.

Но кроме этого, при их эксплуатации необходимо учитывать и то, что у них высокое энергопотребление.

Типовая конструкция

В состав металлоискателя входят следующие составные части:

Катушка – это конструкция коробчатого типа, в ней располагают приемник и передатчик сигнала. Чаще всего катушка имеет эллиптическую форму и для ее изготовления применяют полимеры. К ней подведен провод, соединяющий ее с блоком управления. Это провод передает сигнал от приемника к блоку управления. Передатчик формирует сигнал при обнаружении металла, который транслируется на приемник. Катушку устанавливают на нижнюю штангу.
Металлическую часть, на которой фиксируется катушка и настраивается угол ее наклона, называют нижней штангой. Благодаря такому решению происходит более тщательное исследование поверхности. Существуют модели, в которых нижняя часть может регулировать высоту металлоискателя и обеспечивает телескопическое соединение со штангой, которую называют средней.
Средняя штанга – это узел, расположенный между нижней и верхней штангами. На ней закрепляют приспособления, позволяющие регулировать размеры устройства. на рынке можно встретить модели, которые состоят из двух штанг.
Верхняя штанга, как правило, имеет изогнутый вид. Она напоминает, букву S. Такая форма считается оптимальной для закрепления ее на руке. На ней устанавливают подлокотник, блок управления и рукояткой. Подлокотник и рукоятку изготавливают из полимерных материалов.
Блок управления металлодетектором необходим для обработки получаемых от катушки данных. После того, как сигнал преобразован он направляется на наушники или другие средства индикации. Кроме того, блок управления предназначен для регулировки режима работы устройства. Провод от катушки присоединяется с помощью быстросъемного устройства.

Все устройства входящие в состав металлоискателя выполняют во влагозащищенном исполнении.

Вот такая относительная простота конструкция и позволяет изготовлять металлоискатели своими руками.

Разновидности металлодетекторов

На рынке представлена широкая номенклатура металлодетекторов, применяемых во многих сферах. Ниже приведен список, в котором указаны некоторые разновидности этих устройств:

Большая часть современных металлоискателей может найти металлические объекты на глубине до 2,5 м, специальные глубинные изделия могут обнаружить изделие на глубине до 6 метров.

Частота работы

Второй параметр – это частота работы. Все дело в том, что низкие частоты позволяют металлоискателю видеть на довольно большую глубину, но мелкие детали они увидеть не в состоянии. Высокие частоты позволяют заметить мелкие объекты, но не допускает просмотра грунта на большую глубину.

Самые простые (бюджетные) модели работают на одной частоте, модели которые относят к среднему ценовому уровню используют в работе 2 и более частоты. Существуют модели, которые при поиске применяют 28 частот.

Современные металлодетекторы оснащаются такой функцией, как дискриминация металла. Она позволяет различать тип материала находящегося на глубине. При этом при обнаружении черного металла в наушниках поисковика будет звучать один звук, а при обнаружении цветного другой.

Такие устройства относят к ипульсно – балансным. Они используют в своей работе частоты от 8 до 15 кГц. В качестве источника применяют батареи в 9 – 12 В.

Приборы этого класса способны обнаружить золотой предмет на глубине в несколько десятков сантиметров, а изделия из черных металлов на глубине порядка 1 и более метра.

Но, разумеется, эти параметры зависят от модели устройства.

Как собрать самодельный металлоискатель своими руками

На рынке существует множество моделей приборов для поиска металла в грунте, стенах и пр. Несмотря на его внешнюю сложность, изготовить металлоискатель своими руками не так и сложно и это может сделать практически любой человек. Как уже отмечалось выше, любой металлоискатель состоит из следующих ключевых компонентов – катушки, дешифратора и сигнализирующего устройства блока питания.

Для сборки своими руками такого металлоискателя необходим следующий набор элементов:

контроллер;
резонатор;
конденсаторы разных типов, в том числе и пленочные;
резисторы;
излучатель звука;
стабилизатор напряжения.

Металлоискатель простейший своими руками

Схема металлоискателя не отличается сложностью, а найти ее можно или на просторах мировой сети, или в специализированной литературе. Выше приведен перечень радиоэлементов, которые пригодятся для сборки металлоискателя своими руками в домашних условиях. Простой металлоискатель можно собирать своими руками, используя паяльник или другой доступный способом. Главное при этом, детали не должны касаться корпуса прибора. Для обеспечения работы собранного металлоискателя применяют источники питания в 9 – 12 вольт.

Для намотки катушки применяют провод с диаметром сечения в пределах 0,3 мм, разумеется, это будет зависеть от выбранной схемы. Кстати, намотанную катушку необходимо защитить от воздействия постороннего излучения. Для этого ее экранируют своими руками при помощи обыкновенной пищевой фольги.

Для прошивки контроллера применяют специальные программы, которые также можно найти на просторах интернет.

Металлоискатель без микросхем

Если у начинающего «кладоискателя» нет желания связываться с микросхемами, существуют схемы и без них.

Существуют более простые схемы, основанные на использовании традиционных транзисторов. Такой прибор может найти металл на глубине в несколько десятков сантиметров.

Глубинные металлодетекторы используют для поиска металлов на больших глубинах. Но стоит отметить, что стоят они недешево и поэтому вполне возможно его собрать его своими руками. Но перед тем, как приступить к его изготовлению надо понять как работает типовая схема.

Схема глубинного металлоискателя не самая простая и существует несколько вариантов его исполнения. Перед его сборкой необходимо подготовить следующий набор деталей и элементов:

конденсаторы разного типа – пленочные, керамические и пр.;
резисторы разного номинала;
полупроводники – транзисторы и диоды.

Номинальные параметры, количество зависят от выбранной принципиальной схемы прибора. Для сборки приведенных элементов потребуется паяльник, набор инструмента (отвертка, плоскогубцы, кусачки пр.), материал для изготовления платы.

Процесс сборки глубинного металлодетектора выглядит примерно следующим образом. Сначала собирают блок управления, основу которого составляет печатная плата. Ее изготавливают из текстолита. Затем схему сборки переносят непосредственно на поверхность готовой платы. После того, как рисунок перенесен, плату необходимо протравить. Для этого применяют раствор, в который входят перекись водорода, соль, электролит.

После того, как выполнено травление платы, в ней необходимо выполнить отверстия для установки компонентов схемы. После того, как выполнено лужение платы. Наступает самый важный этап. Установка и пайка своими руками деталей на подготовленную плату.

Для намотки катушки своими руками применяют провод марки ПЭВ с диаметром 0,5 мм. Количество витков и диаметр катушки зависят от выбранной схемы глубинного металлоискателя.

Немного о смартфонах

Существует мнение о том, что вполне возможно изготовить металлоискатель из смартфона. Это не так! Да, есть приложения, которые устанавливают под ОС Android.

Но по факту, после установки такого приложения он действительно сможет находить металлические предметы, но только предварительно намагниченные. Искать и тем более дискриминировать металлы он не сможет.

Металлоискатели часто бывают нужны например, при поиске потерявшихся металлических предметов или труб, кабелей, баков, закопанных под землёй. Ещё металлоискатели ассоциируются с искателями кладов и минёрами 🙂

Типы металлоискателей

Самый сложные и чувствительные, но и самые дорогие, построены по принципу передачи/приёма радиосигнала . Сложность и дороговизна заключается не только в обилии электронных компонентов схемы, но и в необходимости квалифицированной настройки контуров.

Есть еще несколько видов по разным принципам: индукционные, измерители частоты, импульсные, ослабление генерации, метод биений, импульсная индукция, срыв резонанса…

Смысл всех металлоискателей в одном: изменение частоты генератора при попадании в поле катушки металлического предмета . Это изменение частоты, как правило очень незначительное, и вторая суть той или иной схемы - уловить это малейшее изменение и во что-то преобразовать.

Схема простого металлоискателя представлена ниже.

Сделав подобный металлоискатель компактным и взяв его с собой в поездку на море, он вам поможет, при поиске потерянной вами или родственниками на пляже золотое украшение. Но что вам ближе, так это поиск скрытой проводки в стене ли какого-нибудь гвоздика. Вот такую простую и зарекомендовавшую себя схему металлоискателя для подобных целей мы и рассмотрим здесь, чтобы собрать её своими руками.

Схема простого металлоискателя на транзисторах

Схема этого простого металлоискателя, которую сможет повторить любитель без большого опыта.

Характеристики металлоискателя:

Обнаружение монеты - 10-15 см (при хорошей наладке некоторые хватаются, что до 50 см!);
Стальные ножницы - 20-25 см;
Крупные предметы - 1-1,5 метра.

Схема состоит из двух высокочастотных генераторов, каждый - на одном транзисторе (VT1 и VT2). Частота левого генератора (VT1) изменяется при попадании в поле L1 металла, а частота правого (VT2) остается неизменной. Номиналы элементов обоих генераторов подобраны так, чтобы частоты генераторов лишь незначительно отличались. Генераторы работают на радиочастоте (более 100кГц), и такой звук не слышим ни нашим ухом, ни воспроизводится динамиком. Но небольшая их разница, к примеру 160 кГц и 161 кГц равна 1 кГц - это уже слышимые ухом колебания. А обе катушки генераторов (L1, L2) индуктивно связаны (находятся вблизи), поэтому оба сигнала от генераторов с разницей в 1 кГц объединяются и мы слышим так называемые амплитудные биения частотой 1 кГц.

Настройка металлоискателя

Металлоискатель по принципу передача-прием — Теория

Термины «передача-прием» и «отраженный сигнал» в различных поисковых приборах обычно ассоциируются с методами типа импульсной эхо- и радиолокации, что является источником заблуждений, когда речь заходит о металлоискателях.

В отличие от различного рода локаторов, в металлоискателях рассматриваемого типа как передаваемый сигнал (излучаемый), так и принимаемый сигнал (отраженный) являются непрерывными, они существуют одновременно и совпадают по частоте.

Принцип действия

Принцип действия металлоискателей типа «передача-прием» заключается в регистрации сигнала, отраженного (или, как говорят, переизлученного) металлическим предметом (мишенью), см. , стр.225-228. Отраженный сигнал возникает вследствие воздействия на мишень переменного магнитного поля передающей (излучающей) катушки металлоискателя. Таким образом, прибор данного типа подразумевает наличие как минимум двух катушек, одна из которых является передающей, а другая приемной.

Основная принципиальная проблема, которая решается в металлоискателях данного типа, заключается в таком выборе взаимного расположения катушек, при котором магнитное поле излучающей катушки в отсутствие посторонних металлических предметов наводит нулевой сигнал в приемной катушке (или в системе приемных катушек). Таким образом, необходимо предотвратить непосредственное воздействие излучающей катушки на приемную. Появление же вблизи катушек металлической мишени приведет к появлению сигнала в виде переменной э.д.с. в приемной катушке.

Схемы датчиков

Поначалу может показаться, что в природе существует всего два варианта взаимного расположения катушек, при котором не происходит непосредственной передачи сигнала из одной катушки в другую (см. рис.1 а и 16) — катушки с перпендикулярными и со скрещивающимися осями.

Рис. 1. Варианты взаимного расположения катушек датика металлоискателя по принципу «передача-прием «.

Более тщательное изучение проблемы показывает, что подобных различных систем датчиков металлоискателей может быть сколь угодно много, однако они будут содержать более сложные системы с количеством катушек больше двух, соответствующим образом включенных электрически. Например, на рис.1 в изображена система из одной излучающей (в центре) и двух приемных катушек, включенных встречно по сигналу, наводимому излучающей катушкой. Таким образом, сигнал на выходе системы приемных катушек в идеале равен нулю, так как наводимые в катушках э.д.с. взаимно компенсируются.

Особый интерес представляют системы датчиков с компланарными катушками (т.е. расположенными в одной плоскости). Это объясняется тем, что с помощью металлоискателей обычно проводят поиск предметов, находящихся в земле, а приблизить датчик на минимальное расстояние к поверхности земли возможно только в том случае, если его катушки компланарны. Кроме того такие датчики обычно компактны и хорошо вписываются в защитные корпуса типа «блина» или «летающей тарелки».

Основные варианты взаимного расположения компланарных катушек приведены на рис.2а и 26. В схеме на рис.2а взаимное расположение катушек выбрано таким, чтобы суммарный поток вектора магнитной индукции через поверхность, ограниченную приемной катушкой, равнялся нулю. В схеме рис.26 одна из катушек (приемная) скручена в виде «восьмерки», так что суммарная э.д.с., наводимая на половинки витков приемной катушки, расположенные в одном крыле «восьмерки», компенсирует аналогичную суммарную э.д.с., наводимую в другом крыле «восьмерки».

Рис. 2. Компланарные варианты взаимного расположения катушек металлоискателя по принципу «передача-прием «.

Возможны и другие разнообразные конструкции датчиков с компланарньми катушками, например рис.2в. Приемная катушка расположена внутри излучающей. Наводимая в приемной катушке э.д.с. компенсируется специальным трансформаторным устройством, отбирающим часть сигнала излучающей катушки.

Практические соображения

Чувствительность металлоискателя зависит, в первую очередь от его датчика. Для рассмотренных вариантов датчиков чувствительность определяется формулами (1.20) и (1.33). При оптимальной для каждого случая ориентации ориентации датчика на объект по углу крена y, она определяется одним и тем же коэффициентом K 4 и функциями нормированных координат F(X,Y) иG(X,Y). Для сравнения, в квадрате Х О[-4,4], Y О[-4,4], модули этих функций приведены в виде аксонометрического набора сечений в логарифмическом масштабе на рис.12 и рис.13.

Первое, что бросается в глаза — это ярко выраженные максимумы вблизи точек расположения катушек датчика (0,+1) и (0,-1). Максимумы функций F(X,Y) иG(X,Y) не представляют практического интереса и для удобства сравнения функций обрезаны по уровню 0(дБ). Из рисунков и из анализа функций F(X,Y) иG(X,Y) также видно, что в указанном квадрате модуль функции F практически везде немного превосходит модуль функции G, за исключением самых удаленных точек по углам квадрата и за исключением узкой области вблизи Х=0, где у функции F имеет место «овраг».

Асимптотическое поведение указанных функций вдали от начала координат можно проиллюстрировать при Y=0. Оказывается, что модуль функции F убывает с расстоянием пропорционально х^(-7), а модуль функции G — пропорционально х^(-6). К сожалению, преимущество функции G по чувствительности проявляется лишь на больших расстояниях, превышающих практический радиус действия металлоискателя. Одинаковые значения модулей F и G получаются при Х>>4,25.

Рис. 12. График функции F(X,Y).

Рис.13. График функции G(X,Y).

Очень важное практическое значение имеет «овраг» функцииF. Во-первых, он свидетельствует о том, что датчик системы катушек с перпендикулярными осями имеет минимальную (теоретически нулевую) чувствительность к металлическим предметам, расположенным на его продольной оси. Естественно, к этим предметам относятся и многие элементы конструкции самого датчика. Следовательно, отраженный от них бесполезный сигнал будет намного меньше, чем у датчика системы катушек со скрещивающимися осями. Последнее очень важно, учитывая, что отраженный сигнал от металлических элементов самого датчика может на несколько порядков превосходить полезный сигнал (ввиду близости этих элементов к катушкам датчика). Дело не в том, что бесполезный сигнал от металлических элементов конструкции датчика трудно скомпенсировать. Основная сложность заключается в малейших изменениях этих сигналов, которые обычно вызываются тепловыми и особенно механическими деформациями указанных элементов. Эти малейшие изменения могут быть уже сопоставимы с полезным сигналом, что приведет к неверным показаниям или ложным срабатываниям прибора. Во-вторых, если с помощью металлоискателя системы катушек с перпендикулярными осями некоторый небольшой объект уже обнаружен, то направление его точного местонахождения может быть легко «запеленговано» по нулевому значению сигнала металлоискателя при точной ориентации его продольной оси на объект (при любых ориентациях по крену). Учитывая, что площадь «захвата» датчика при поиске может составлять несколько квадратньк метров, последнее качество сис

темы катушек с перпендикулярными осями весьма полезно на практике (меньше бесполезных раскопок).

Следующая особенность графиков функцийF(X,Y) и G(X,Y) — наличие кольцеобразного «кратера» нулевой чувствительности, проходящего через центры катушек (окружность единичноо радиуса с центром в точке (0,0)). На практике эта особенность позволяет определять расстояние до небольших объектов. Если обнаружится, что на некотором конечном расстоянии отраженный сигнал зануляется (при оптимальной ориентации по крену) — значит, расстояние до объекта составляет половину базы прибора, то есть величину L/2.

Необходимо также отметить, что диаграммы направленности по углу крена y для датчиков металлоискателей с различным взаимным расположением катушек также различаются. На рис.14б приведена диаграмма направленности прибора с перпендикулярньми осями у катушек, а на рис.14а — со скрещивающимися. Очевидно, что вторая диаграмма более предпочтительна, так имеет меньшее количество зон нечувствительности по крену и меньшее количество лепестков.

Для того, чтобы оценить зависимость наведенного в приемной катушке напряжения от параметров металлоискателя и объекта, надо проанализировать выражение (1.19) для коэффициента К 4. Наведенное в приемной катушке напряжение пропорционально (L/2)^6. На величину L/2 нормируются и аргументы функций F и G, убывание которых происходит с 6-й — 7-й степенью расстояния. Поэтому, в первом приближении, при прочих равных условиях, чувствительность металлоискателя не зависит от его базы.

Диаграммы направленности по крену датчиков систем катушек:
— со скрещивающимися осями (а)
— с перпендикулярными осями (б).

Для того, чтобы проанализировать селективность металлоискателя, то есть его способность различать объекты, изготовленные из различных металлов или сплавов, необходимо обратиться к выражению (1.23). Металлоискатель может различать объекты по фазе отраженного сигнала. Для того, чтобы разрешающая способность прибора по типу ме

таллов была максимальной, необходимо соответствующим образом выбрать частоту сигнала излучающей катушки, так, чтобы фаза отраженного от объектов сигнала составляла около 45°. Это — середина диапазона возможных изменений фазы первого слагаемого выражения (1.23), и там крутизна фазочастотной характеристики максимальна. Второе слагаемое выражения (1.23) считаем нулевым, так как при поиске в первую очередь нас интересует селективность по цветным металлам — неферромагнетикам. Естественно, оптимальный выбор частоты сигнала подразумевает знание типового размера предполагаемых объектов. Практически во всех зарубежных промышленных металлоискателях в качестве такого размера заложен размер монеты. Оптимальная частота составляет:

При типовом диаметре монеты 25(мм) ее объем составляет около 10^(-6) (м^3), что по формуле (1.25) соответствует эквивалентному радиусу около 0,6(см). Отсюда получаем оптимальное значение частоты около 1(кГц) при проводимости материала монеты 20(н0м Ч м). В промышленных приборах частота обычно на порядок выше (по технологическим соображениям).

Выводы

1. По мнению автора, система катушек с перпендикулярными осями предпочтительнее для поиска кладов и реликвий, чем система катушек со скрещивающимися осями. При прочих равных условиях, первая система имеет чувствительность немного выше. Кроме того, с ее помощью гораздо проще определить («запеленговать») точное направление, в котором следует искать обнаруженный объект.

2. Рассмотренные системы катушек имеют важное свойство, позволяющее оценивать расстояние до небольших объектов по занулению отраженного сигнала при расстоянии до объекта, равном половине базы.

3. При прочих равных условиях (размеры и число витков катушек, чувствительность приемного тракта, величина тока и его частота в излучающей катушке), чувствительность металлоискателя по принципу «передача-прием» практически не зависит от его базы, то есть от расстояния между катушками.

Предлагаю для повторения лично собранный недавно и успешно заработавший простой металлоискатель. Этот металлоискатель работает по принципу "передача-прием". В качестве передатчика использован мультивибратор, а в качестве приемника - усилитель звуковой частоты. Принципиальная схема была опубликована в журнале Радио.

Схема приёмника МД - второй вариант

Параметры металлоискателя

Рабочая частота - около 2 кГц;
- глубина обнаружения монеты диаметром 25 мм - 9 см;
- железной закаточной крышки от банки - 25 см;
- алюминиевого листа размерами 200x300 мм - 45 см;
- канализационного люка - 60 см.

Подключенные к нему поисковые катушки должны быть абсолютно одинакавые по размеру и намотачным даным. Их необходимо расположить так, чтобы в отсутствие посторонних металлических предметов связь между ними практически отсутствовала, примеры катушек приведены на рисунке.

Если катушки передатчика и приемника расположить именно так, то сигнал передатчика в приемнике прослушиваться не будет. При появлении поблизости от этой сбалансированной системы металлического предмета, в ней под действием переменного магнитного поля передающей катушки возникают так называемые вихревые токи и как следствие, собственное магнитное поле, которое наводит в приемной катушке переменную ЭДС.

Сигнал, принятый приемником, преобразуется телефонами в звук. Схема металлоискателя действительно очень проста, но несмотря на это, довольно хорошо работает, да и чувствительность не плохая. Мультивибратор передащего блока можно собрать и на других транзисторах аналогичной структуры.

Катушки металлоискателя имеют размер 200х100 мм и содержат около 80 витков проводом 0.6-0.8мм. Для проверки работы передатчика вместо катушки L1 подключают наушники и убеждаются в том, что при включении питания в них слышен звук. Затем, подключив на место катушку, контролируют ток, потребляемый передатчиком - 5...8 мА.

Приемник настраивают при замкнутом входе. Подбором резистора R1 в первом каскаде и R3 во втором устанавливают на коллекторах соответственно транзисторов напряжение, равное примерно половине напряжения питания. Затем подбором резистора R5 добиваются того, чтобы ток коллектора транзистора VT3 стал равным 5...8 мА. После этого, разомкнув вход, подключают к нему катушку приемника L1 и, принимая сигнал передатчика на расстоянии примерно 1 м, убеждаются в работоспособности устройства.