|
СХЕМЫ---->
Полезная схемотехника. статьи № 1-50
Металлоискатель различает металлы.
Л. ДЖУГУРЯН, г. Ереван, Армения
Устройства для поиска закопанных в землю "кладов " вызывают неизменный интерес читателей. Предлагаемое отличается тем, что позволяет, не приступая к раскопкам, определить, из какого металла (черного или цветного) состоит обнаруженный предмет.
Металлоискателям, построенным на принципе изменения частоты биений, посвящено значительное число публикаций [1—3]. Сигналы от измерительного и образцового генераторов поступают в смеситель, формирующий на выходе сигнал разностной частоты. При приближении металла к катушке измерительного генератора изменяется его частота, а вследствие этого и разностная, лежащая, как правило, в звуковом диапазоне.
На первый взгляд кажется очевидным, что чувствительность металлоискателя тем больше, чем выше частота его генераторов. На самом деле это не совсем так. С повышением частоты растет поглощение электромагнитных волн грунтом, труднее избавиться от нежелательной самосинхронизации генераторов за счет связи через цепи питания и паразитные емкости, случайные флюктуации частоты измерительного генератора достигают значений, сравнимых с вызванными близостью металлических предметов. Наконец, только на сверхнизкой (десятки килогерц) частоте удается дистанционно различать черные и цветные металлы [4].
Предлагаемый сверхнизкочастотный металлоискатель работает в режиме нулевых биений, наличие металла он фиксирует по изменению разности фаз колебаний измерительного и образцового генераторов, синхронизированных с помощью петли ФАПЧ. Поиск ведется динамическим способом с периодом повторения взмахов датчиком приблизительно 1 с. Обеспечено различие металлов по признаку черный/цветной.
Основные характеристики
Источник питания . . . .батарея "Крона"
Ток потребления, мА,
во время поиска...2
при подаче звукового сигнала...5
Дальность обнаружения, м,
монеты диаметром 25 мм....0,2
крышки диаметром 80 мм
для стеклянной банки .....0,4
стального ведра....0,7
Функциональная схема прибора представлена на рис. 1.
Сигналы образцового генератора G1 частотой f1 и измерительного генератора G2 частотой f2 поступают на смеситель U1, служащий фазовым детектором системы ФАПЧ. Смеситель работает на второй гармонике частоты измерительного генератора, чем значительно ослаблена паразитная связь последнего с образцовым. Выходной сигнал смесителя через усилитель постоянного тока А1 и фильтр нижних частот Z1 подан на вход управления частотой измерительного генератора. В режиме захвата равенство f1=2f2 выполняется точно и напряжение на выходе А1 постоянное [5].
Приближение металлического предмета к катушке колебательного контура измерительного генератора (G2) изменяет частоту его свободных колебаний f2. Однако ФАПЧ поддерживает синхронность генераторов, компенсируя уход изменением напряжения на входе управления частотой генератора.
Возникающую на выходе усилителя А1 при взмахах катушкой-датчиком над металлическим предметом переменную составляющую напряжения выделяет фильтр верхних частот Z2. Через усилитель А2 она поступает на управляющий вход генератора звуковой частоты G3, соединенного со звуковым сигнализатором НА1.
Принципиальная схема металлоискателя приведена на рис. 2.
Образцовый генератор выполнен на микросхеме DD1, его частота 32768 Гц стабилизирована кварцевым резонатором ZQ1. Сигнал этого генератора поступает на смеситель VD3VD4 через резистивный делитель напряжения R6R13.
Измерительный генератор — на транзисторе VT1. Катушка L1, служащая чувствительным элементом металлоискателя, соединена с генератором четырехпроводным экранированным кабелем. Сигнал обратной связи с отвода катушки поступает на эмиттер транзистора VT1, а по цепи R6C7 — на смеситель.
ОУ DA1 служит усилителем А1 (см. рис. 1), а цепь R11С6 — фильтром Z1. Управляет частотой измерительного генератора варикап VD1. Цепи R13C10, R17C11 обеспечивают дополнительную фильтрацию, уменьшая уровень высокочастотных составляющих на выходе DA1. Фильтром Z2 служит цепь R22C14, а усилитель А2 собран на ОУ DA2 и DA3. Переменным резистором R25 регулируют чувствительность металлоискателя. Диоды VD7—VD10 предотвращают перегрузку DA3 при срыве синхронизации генераторов во время настройки или вызванной крупными металлическими предметами.
При проходе датчика металлоискателя над предметом из цветного металла, не обладающего ферромагнитными свойствами, на выходе ОУ DA3 возникает всплеск сигнала положительной, а затем отрицательной полярности. Положительная полуволна открывает транзистор VT2, который включает звуковой генератор на транзисторах VT4 и VT5.
Если предмет ферромагнитный, всплеск имеет противоположную полярность. Его первая, отрицательная полуволна открывает транзистор VT3, в результате чего конденсатор С21 заряжается. Транзистор VT6 открывается и на время, необходимое для разрядки конденсатора С21 через резистор R31, шунтирует резистор R33 — коллекторную нагрузку транзистора VT5, запрещая подачу звукового сигнала под действием второй, положительной полуволны сигнала.
Так происходит, если контакты выключателя SA2 разомкнуты (положение "Цветной"). При замкнутых контактах (положение "Черный") звуковая индикация сработает и при обнаружении предмета из железа или стали, но только уже после прохода над ним катушки-датчика.
Микроамперметр РА1 с добавочным резистором R16 служит вольтметром, измеряющим постоянную (переключатель SA1 в положении "Работа") или переменную (в положении "Настройка")
составляющую напряжения на выходе ОУ DA1. Первое позволяет уточнить положение обнаруженного предмета, второе — зафиксировать моменты синхронизации генераторов и ее срыва.
На рис. 3 показана схема узла питания металлоискателя.
Напряжение +9 В для питания звукового сигнализатора снимают непосредственно с батареи GB1 (при замкнутом выключателе SA3). Стабилизатор напряжения +6 В для питания основных узлов металлоискателя собран на транзисторах VT7 и VT8, причем первый из них служит стабилитроном. Искусственная "средняя точка" (цепь +3 В) создана с помощью ОУ DA4.
Конструкция и детали.
Основой для изготовления катушки-датчика L1 послужила тонкостенная алюминиевая труба внешним диаметром 14 мм, согнутая в кольцо диаметром 250 мм с зазором между концами 10 мм. По периметру с внешней стороны кольца ножовкой или фрезой сделана прорезь. Через нее внутрь трубы уложены витки катушки L1 (провод ПЭЛШО 0,3). Их число 25+55+120, начиная от "земляного" конца. В процессе намотки через каждые 2—3 витка провод смазывают эпоксидной смолой. Полость трубы готовой катушки заполняют силиконовым герметиком и покрывают всю конструкцию нитрокраской.
Вблизи разрыва к кольцу крепят стеклотекстолитовую плату с контактными площадками, к которым припаивают выводы катушки, конденсатор С1 и провода соединительного кабеля. Под один из концов трубы в месте крепления к плате подкладывают металлический лепесток, к которому припаян вывод экранирующей оплетки соединительного кабеля. По завершении налаживания металлоискателя весь этот узел для защиты от влаги накрывают пластмассовой коробкой либо заливают силиконовым герметиком.
Катушку устанавливают на деревянную крестовину, в центральной части которой имеются пластмассовые "ушки" для соединения с телескопической штангой из диэлектрического материала. Плата с основными деталями металлоискателя помещена в металлический корпус, закрепленный на противоположном катушке конце штанги. Катушка-датчик может быть изготовлена и по способу, описанному в [4].
Контурный конденсатор С1 составлен из нескольких соединенных параллельно конденсаторов К71-7 суммарной емкостью, равной указанной на схеме. Можно применить и другие термостабильные конденсаторы (групп ТКЕ М47 или М75). Транзистор VT7 следует подобрать с напряжением пробоя эмиттерного перехода 6,2...6,5 В. К остальным элементам схемы особых требований не предъявляется.
Переменный конденсатор С5 — от транзисторного радиоприемника. Кварцевый резонатор ZQ1 — часовой. Микроамперметр РА1 с нулем посередине шкалы. Добавочный резистор R16 подбирают таким образом, чтобы при напряжении ±2,5 В стрелка микроамперметра отклонялась до конца шкалы.
В качестве НА1 были опробованы различные излучатели звука. Наиболее подходящим оказался телефонный капсюль ТЭМК-3II с сопротивлением обмотки 250 Ом. При потреблении звуковым генератором тока не более 3 мА громкость сигнала вполне достаточна. Если использовать высокоомные наушники, ток можно еще уменьшить.
Налаживание.
Включите питание и измерьте напряжение на выходах стабилизатора +6 В и +3 В. Соедините правый (по схеме) вывод резистора R11 с цепью +3 В, отключив его от выхода ОУ DA1. Измерьте ток, потребляемый генератором на VT1. Он должен быть приблизительно 1 мА. Поместите катушку L1 подальше от корпуса металлоискателя, других металлических предметов и источников помех (телевизора, сетевой проводки и пр.). Подключите вход осциллографа к крайним выводам варикапа VD1. Заменив резистор R4 подстроечным 1,5 кОм, добейтесь его регулировкой устойчивых колебаний амплитудой 10...12 В. Замените подстроечный резистор постоянным найденного сопротивления.
Подбирая конденсатор С1 (или емкость отдельных конденсаторов, его образующих), добейтесь частоты колебаний как можно ближе к 16 кГц. Точную установку частоты производят после окончательной сборки металлоискателя, отключив от генератора все измерительные приборы, по минимальной (не выше нескольких герц) частоте биений на выходе ОУ DA1. Подборкой конденсатора СЗ (а возможно, и С1) добейтесь, чтобы нулевые биения наблюдались при среднем положении ротора переменного конденсатора С5. Припаяйте вывод резистора R11 на прежнее место (к выходу DA1). Произойдет захват частоты и напряжение на выходе ОУ станет постоянным. Переключатель SA1 переведите в положение "Работа" и переменным конденсатором С5 установите стрелку микроамперметра РА1 на ноль.
Замкните выключатель SA2, движок переменного резистора R25 установите в соответствующее максимальной чувствительности крайнее левое (по схеме) положение. Взмахивая пятикопеечной
монетой советского образца на высоте 20 см над датчиком (плоскость монеты параллельна плоскости витков), подберите резистор R18 таким образом, чтобы звуковой сигнал включался при каждом взмахе.
Возможно, в городских условиях внешние помехи окажутся слишком велики и сигналы будут звучать и при отсутствии металла в чувствительной зоне. В этом случае придется уменьшать чувствительность переменным резистором R25, пока ложные срабатывания не прекратятся.
Взяв железный предмет (не плоский, например, крупный болт или гвоздь), взмахните им над датчиком. Сигнал должен прозвучать только после прохода предмета над катушкой. Разомкните выключатель S2, и продолжайте взмахи железным предметом. Сигнал не должен звучать при повторении взмахов более одного раза в секунду. В случае необходимости добейтесь этого подборкой номиналов резистора R31 или конденсатора С21.
Переведите переключатель SA1 в положение "Настройка". Медленно вращайте ротор конденсатора С5 в сторону увеличения емкости. Сначала стрелка микроамперметра РА1 будет оставаться в прежнем, нулевом положении. Затем произойдет срыв синхронизации и стрелка микроамперметра резко отклонится, так как на выходе DA1 появится переменное напряжение биений. Дальнейшее вращение ротора С5 в том же направлении приведет к росту частоты биений и уменьшению их амплитуды, вследствие чего стрелка микроамперметра постепенно возвратится к нулевому положению. При изменении направления вращения ротора процесс пойдет в обратную сторону, а после прохода зоны синхронизации картина повторится. Закончив проверку, с помощью С5 восстановите синхронизацию, затем переведите переключатель SA1 в положение5 "Работа" и установите его стрелку на ноль.
При приближении ферромагнитного предмета к датчику стрелка микроамперметра отклоняется в положительную сторону, а если предмет из цветного металла — в отрицательную. К сожалению, под действием всевозможных дестабилизирующих факторов стрелка микроамперметра не остается неподвижной на длительное время и ее установку на ноль приходится довольно часто повторять.
Работа с прибором.
Установите переключатель SA1 в положение "Настройка", с помощью SA2 выберите род металлов, подлежащих поиску. Приподнимите катушку-датчик на 0,5... 1 м над землей и, плавно вращая ротор конденсатора С5 из любого крайнего положения, добейтесь отклонения, а затем резкого возвращения к нулю стрелки микроамперметра РА1. Произошла синхронизация генераторов. Переключатель SA1 переведите в положение "Работа" и, продолжая вращать конденсатор С5, установите стрелку микроамперметра в нулевое (среднее) положение.
Если с приближением датчика к грунту стрелка отклонится более чем на половину шкалы (это бывает при сильной минерализации), верните ее тем же конденсатором приблизительно в среднее положение.
Совершая плавные взмахи датчиком (его плоскость должна быть параллельна поверхности земли, а расстояние до нее минимальным и по возможности постоянным), медленно продвигайтесь.
Ложные срабатывания при неровной поверхности и повышенной минерализации грунта устраняют, уменьшая чувствительность металлоискателя переменным резистором R25.
В [4] дан подробный анализ зависимости фазы сигнала, отраженного объектом, от свойств последнего. Отражение от ферромагнитного непроводящего объекта происходит без изменения фазы. При отражении от немагнитного объекта с хорошей электропроводностью фаза изменяется на противоположную. Фаза сигнала, отраженного от реального объекта, зависит от соотношения его проводимости и магнитной проницаемости. Сделан вывод, что наведенное в датчике напряжение, обусловленное только ферромагнитными свойствами объекта,
примерно пропорционально его объему. Интенсивность сигнала от больших хорошо проводящих объектов также пропорциональна их объему, а от сравнительно небольших — их линейным размерам.
Проведенные автором экспериментальные исследования показали, что отраженный сигнал от плоского проводящего объекта, обусловленный наведенными в нем вихревыми токами, пропорционален магнитному потоку, пронизывающему поверхность. Это наглядно иллюстрирует рис. 4.
Сигнал от пластины из цветного металла в положении 1 (перпендикулярно силовым линиям магнитного поля) намного больше, чем в положении 2 (параллельно силовым линиям), хотя размеры пластины и расстояние от нее до датчика остались прежними.
Аналогичным образом ведет себя сигнал от стальной пластины, обусловленный ее проводимостью. Стандартную жестяную крышку диаметром 80 мм для стеклянной банки в положении 1 на расстоянии 35...40 см металлоискатель идентифицирует как сделанную из цветного металла. В положении 2 доминируют магнитные свойства и прибор фиксирует крышку как черный металл, но лишь на расстоянии 10... 15 см. При входе в поле датчика (положение 3 на рис. 4) стальная пластина (крышка) увеличивает индуктивность катушки, в центре уменьшает ее подобно сделанной из цветного металла, а на противоположном краю датчика вновь увеличивает.
На практике большинство стальных предметов идентифицируются правильно. В режиме "Цветной" металлоискатель иногда ошибочно фиксирует плоские стальные предметы, если они лежат параллельно плоскости датчика на глубине, близкой к предельной для обнаружения предмета данного размера.
ЛИТЕРАТУРА
1. Белоглазов Н., Александров Ю. Металлоискатель МИ-2. — Радио, 1973, № 4, с. 47,48.
2. Васильев В. Миноискатель. — Радио, 1978, № 7, с. 53, 54.
3. Скетерис Р. Три металлоискателя на микросхемах. — Радио, 1990, № 8, с. 32—35.
4. Щедрин А., Осипов И. Металлоискатели для поиска кладов и реликвий. — М.: Радио и связь, 1999.
5. Поляков В. Радиолюбителям о технике прямого преобразования — М.: Патриот, 1990.
|
