Металлоискатели, работающие по принципу импульсной индукции. Глубинный металлоискатель своими руками Принцип работы импульсного металлоискателя

Предлагаемый вашему вниманию импульсный металлоискатель является совместной разработкой автора и инженера из г. Донецка (Украина) Юрия Колоколова (адрес в Интернете - http://home.skif.net/~yukol/index.htm), усилиями которого удалось воплотить идею в законченное изделие на основе программируемого однокристального микроконтроллера. Им разработано программное обеспечение, а также проведены натурные испытания и обширная работа по отладке.

В настоящее время московской фирмой "Мастер Кит" (см. также Рекламное приложение в конце книги) планируется выпуск наборов для радиолюбителей для самостоятельной сборки описываемого металлоискателя. Набор будет содержать печатную плату и электронные компоненты, включая уже запрограммированный контроллер. Возможно, для многих любителей поиска кладов и реликвий приобретение такого набора и последующая его несложная сборка окажутся удобной альтернативой приобретению дорогого промышленного прибора или изготовлению металлоискателя полностью своими силами.

Для тех, кто чувствует уверенность в себе и готов попробовать изготовить и запрограммировать микропроцессорный импульсный металлоискатель, на персональной страничке Юрия Колоколова в Интернете помещен код ознакомительной версии прошивки контроллера в формате Intel HEX и другая полезная информация. Данная версия прошивки отличается от полной версии отсутствием некоторых режимов работы 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. 24. схематично показан сигнал на приемной катушке импульсного металлоискателя.

Рис. 24. Сигнал на входе 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.

Практическая конструкция

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 должен быть выше напряжения усиливаемого сигнала. Это также усложняет схему прибора.

Предлагаемая однокатушечная конструкция построена по оригинальной схеме, которая лишена приведенных выше недостатков.
Основные 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 с

Внимание!

Несмотря на относительную простоту конструкции предлагаемого импульсного металлоискателя, его из-I готовление в домашних условиях может оказаться затруднительным из-за необходимости занесения в микроконтроллер специальной программы. Это можно сделать, только имея соответствующую квалификацию и программно-аппаратные средства для работы с микроконтроллером.

Структурная схема

Структурная схема изображена на рис. 25 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. 25. 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 (240 мс) и служит для балансировки усилительного тракта по постоянному току.

Принципиальная схема

Принципиальная схема импульсного металлоискателя изображена на рис. 26 - дифференциальный усилитель, приемный усилитель, интеграторы и мощный ключ. С1 2200М

Рис. 26. Принципиальная электрическая схема импульсного металлоискателя. Усилительный тракт, мощный ключ, интеграторы

Рис. 27. Принципиальная электрическая схема импульсного металлоискателя. Микроконтроллер

На рис. 27 изображен микроконтроллер и органы управления и индикации. Предложенная конструкция 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 не-инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 56. 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. Транзистор VT3, а также транзистор 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 С6 начинает разряжаться через резистор R21. Время разряда будет пропорционально напряжению, которое установилось на конденсаторе С6 к концу интегрирования полезного сигнала.

Это время измеряется с помощью микроконтроллера, который осуществляет аналого-цифровое преобразование. Для измерения времени разряда конденсатора С6 используются аналоговый компаратор и таймеры, которые встроены в микроконтроллер D3.

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

Рис. 28. Осциллограммы

Для разъяснения принципа работы описываемого импульсного металлоискателя на рис. 28 приведены осциллограммы сигналов в наиболее важных точках прибора.

На время интервала А открывается ключ VT1. Через катушку датчика начинает протекать пилообразный ток -осциллограмма 2. При достижении тока около 2 А ключ закрывается. На стоке транзистора VT1 возникает выброс напряжения самоиндукции - осциллограмма 1. Величина этого выброса - более 300 В (!) и ограничивается резисторами R1, R3. Для предотвращения перегрузки усилительного тракта служат ограничительные диоды VD1, VD2. Также Для этой цели на время интервала А (накопление энергии в катушке) и интервала В (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 С, ключ D2.1 закрывается и коэффициент усиления тракта становится большим. После завершения защитного интервала С, 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 Е и F) конденсатор С6 полностью разряжается. С помощью встроенного аналогового компаратора микроконтроллер отмеряет величину интервала Е, которая оказывается пропорциональной уровню входного полезного сигнала. Для версии 1.0 микропрограммного обеспечения установлены следующие значения интервалов:

А-60...200 мкс, С - 8 мкс,

В- 12 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.

Типы деталей и конструкция

Вместо операционного усилителя D1 TL074N можно попробовать применить TL084N или по два сдвоенных ОУ типов TL072N, TL082N. Микросхема D2 - это счетверенный аналоговый ключ типа CD4066, который можно заменить на отечественную микросхему К561КТЗ. 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.

Стабилизатор 78L05 можно, в крайнем случае, заменить на КР142ЕН5А.

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 разную цо-колевку. 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 %.

Подстроечный резистор R7 желательно использовать многооборотный.

Конденсатор С1 - электролитический, на напряжение 16 В, остальные конденсаторы керамические. Конденсатор С6 желательно взять с хорошим ТКЕ.

Кнопка S1, переключатели S2-S4, переменный резистор R29 могут быть любых типов, которые подходят по габаритам. В качестве источника звука можно использовать пьезоизлучатель или головные телефоны от плеера.

Конструкция корпуса прибора может быть произвольной. Штанга вблизи датчика (до 1 м) 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. (!) В остальном технология его изготовления может быть такая же, как для индукционного металлоискателя. 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. 28. 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 в описании программного обеспечения.

Программное обеспечение

На момент написания этой главы было разработано и протестировано программное обеспечение версий 1.0 и 1.1. Код "прошивки" версии 1.0 в формате Intel HEX можно найти в Интернете на персональной страничке Юрия Колоко-лова .

Коммерческая версия 1.1 программного обеспечения планируется к поставке в виде уже запрограммированных микроконтроллеров в составе наборов, выпускаемых фирмой "Мастер Кит" . Версия 1.0 реализует следующие функции:

Контроль напряжения питания - при напряжении питания менее 7 В начинает прерывисто загораться светоди-од VD8;

Фиксированный уровень чувствительности;

Статический режим поиска.

Версия программного обеспечения 1.1 отличается тем, что позволяет регулировать чувствительность прибора с помощью переменного резистора R29.

Работа над новыми версиями программного обеспечения продолжается, планируется введение дополнительных режимов. Для управления новыми режимами зарезервированы переключатели S1, S2. Новые версии, после их всестороннего тестирования, будут доступны в наборах "Мастер Кит". Информация о новых версиях будет публиковаться в Интернете на персональной страничке Юрия Колоколова .

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.

Передатчик

Передающая часть состоит из генератора прямоугольных импульсов на микросхеме IC1 — NE555 (отечественный аналог КР1006ВИ1) и мощного ключа на транзисторе Т1 — IRF740 (IRF840). Для его раскачки стоит транзистор Т2 — 2N3904. Нагрузкой Т1 является поисковая катушка L1. Для подстройки длительности и частоты импульса подбираем сопротивление R10 и R11 соответственно.

Приёмник

Приемный узел собран на микросхеме IC2 — TL074. В её состав входит четыре малошумящих операционных усилителя. По входу первого каскада усилителя стоит ограничитель сигнала на диодах VD1,VD2, включенных встречно-параллельно. На выходе последнего усилителя включен светодиод, загорающийся при наличии металла в поле катушки.

После первого каскада усиления стоит пассивный фильтр, вырезающий полезную часть приходящего импульса.

На микросхеме IC3 — NE555 собран звуковой генератор, срабатывающий вместе со светодиодом при появлении металла. Управляет генератором транзистор T3 — 2N3906.

Диод VD3 IN4001 совместно с предохранителем (0,5А) нужны для защиты схемы от переполюсовки питания.

Поисковая катушка

Катушка L1 (250μH) намотана на оправке 180 — 200 мм и содержит 27 витков провода ПЭЛШО в лаковой и шёлковой изоляции, если такого нет, то ПЭВ (ПЭЛ, ПЭТВ и др.), диаметром 0,3 — 0,8 мм. Провод можно взять с трансформаторов, дросселей, отклоняющей системы или петли размагничивания негодного цветного телевизора. Катушку можно намотать на круглой оправке, например, ведре или кастрюле. Затем снять с оправки и обмотать несколько слоёв изоленты. Для изготовления катушки можно использовать пластмассовую крышку от ведра или пяльцы для вышивания, в которые очень хорошо укладывается провод.

Каркас катушки НЕ должен содержать металла! Сама катушка в этом типе металлоискателя тоже НЕ обматывается фольгой!

Провод, соединяющий катушку и плату должен быть толстым и желательно экранированным, а также не иметь соединений и разъёмов. В импульсе ток достигает больших значений и всё выше сказанное влияет на чувствительность прибора.

Настройка металлоискателя

Настройка этого металлоискателя намного сложнее, чем рассматриваемого ранее на одной микросхеме К561ЛА7.

Паять плату чистой канифолью или спирто-канифольным раствором. После пайки зубной щёткой смыть со спиртом остатки канифоли. После монтажа ОБЯЗАТЕЛЬНО ещё раз проверьте правильность монтажа согласно принципиальной схеме.

Правильно собранный металлоискатель работает сразу, но чтобы добиться максимальной чувствительности понадобится не мало усилий и терпения, а также не помешали бы для настройки осциллограф и частотомер. Также нужен будет мультиметр. При включении проконтролируйте ток, потребляемый прибором. При 9В — 30 мА, при 12В — 42мА .

Для питания устройства лучше взять аккумуляторы. Я взял из старой батареи от ноутбука. 4 шт по 3В = 12В.

Сначала рекомендуется намотать катушку около 30 витков, затем настроить максимальную чувствительность резисторами. В наушниках необходимо добиться R6 и R16 РЕДКОЕ ПОТРЕСКИВАНИЕ . Затем смотать 2 витка — далее настроить до потрескивания. Например, смотал 2 витка и пробовать первый каскад регулировать усиление (R6), затем прогнать регулировку фильтра (R14, C8), затем регулировку усиления второго каскада (R20), третьего (R22).

Контролировать пока можно на звук, на светодиод не обращать внимания. При сматывании витков ток будет расти, а вот чувствительность нужно «поймать» максимальную. Если много витков — она будет слабая и при малых витках тоже слабая. Найти нужно «золотую середину».

Резисторы R6 — порог усиления первого каскада (таблица напряжений ниже)совместно с регуляторами «Фильтр» и «Усиление» добиваемся максимальной чувствительности (в наушниках редкое потрескивание! ) и R24 — порог срабатывания звукового генератора , для того чтобы светодиод и тон генератора в наушниках появлялись одновременно. Регуляторами «Фильтр» и «Усиление» устанавливаем порог начала свечения светодиода.

Мультиметром можно померить напряжения (В) на выводах ОУ (без присутствия металла в поле катушки /с присутствием металла) (питание металлоискателя +12В):

IC1 (NE555)

IC2 (TL074)

1. 0 / 4,1
2. 0,8 / 4,3
3. 0,8 / 4,3
4. 0,1 / 4,3
5. 4 / 3,6
6. 4,0 / 3,6

IC3 (NE555)

1. 7,1 / 6,3
2. 11,5 / 10,1
3. 7,1 / 6,3
4. 7,1 / 6,3

Если есть Осциллограф, то можно посмотреть:

Работу передатчика

1. частоту генератора на IC1 выв.3 (подстройка R11 — 120 — 150Гц);
2. длительность управляющего импульса на затворе Т1 (подстройка R10 — 130-150 мкс).

Работу приёмника

Прохождения импульсов передатчика в контрольных точках приёмника (выходы операционных усилителей Вывода 1, 14, 8 и 7.

На выходе микросхемы звукового генератора (выв. 3) появляется тон, частотой около 800 — 1000 Гц. Частота тона определяется конденсатором С13 и сопротивлением R27.

Для увеличения громкости на выходе микросхемы стоит транзисторе Т4 — 2N3906. Громкость в наушниках устанавливается сопротивлением R31, включенным последовательно с наушником.

Печатная плата металлоискателя «Винтик»

Схема металлоискателя собрана на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита по приведённому рисунку выше.

Расположение деталей на плате

Работа с металлоискателем

При включении регуляторами R14 «Фильтр» и R16 «Усиление» устанавливаем порог начала свечения светодиода. Настройка на максимальную чувствительность: находим такое положение, при котором в динамике едва прослушиваются щелчки!

Принципиальная схема доработанного импульсного металлоискателя «VINTIK-PI»

Схема отличается от предыдущей:

1. Добавлением вместо фильтра узла задержки на микросхеме NE555 и ключа на полевом транзисторе BF245. Длительность импульса регулируется подстроечным резистором от 50 до 100 мкс. В предыдущей версии нужная часть импульса вырезалась пассивным фильтром на R9, R12, R14, C8, C9, C10 теперь это делает узел задержки с ключом (NE555 и BF245). При этом решении упрощается задача настройки фильтра металлоискателя, а также возрастает чувствительность на 5-7 см, ток потребления возрос до 65 мА (в зависимости от катушки).
2. Добавлена схема контроля питания на свободном элементе (IC 2.2) TL074. При понижении питания ниже 12В загорается светодиод. С 12 В до 10 В схема ещё работоспособна с небольшой корректировкой регулятора «усиления». Чувствительность при понижении питания тоже снижается.
3. Изменена схема регулировки громкости. Теперь можно подключать к выходу как наушники, так и маломощный динамик. При подключении наушника динамик отключается.
4. В данной схеме используется поисковая катушка «корзиночного типа» , состоящая из трёх витков компьютерного кабеля «витая пара» (без экрана). С её помощью удается получить большую чувствительность прибора.

Обсудить предложенные металлоискатели можно на .

Если у Вас желание собрать схему, но нет необходимых деталей Вы можете

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.

Структурная схема

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

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

Вся информация на сайте представлена исключительно в образовательных целях.
Администратор сайта не несет ответственности за возможные последствия использования представленной информации.

Типы металлодетекторов

Существует три основных типа металлодетекторов:

Импульсный (англ. Pulse Induction, PI ) металлодетектор (металлоискатель) (англ. Pulse Induction Metal Detector ) представляет собой одну из многочисленных разновидностей этих полезных и занимательных устройств. Импульсные металлодетекторы известны с начала 1960-х годов. Большой вклад в их разработку внес английский инженер Эрик Фостер (Eric Foster) .

Теоретические основы работы импульсного металлодетектора

В процессе его работы с помощью мощного транзисторного ключа поисковая катушка-излучатель периодически на короткое время подключается к источнику питания, что вызывает протекание через катушку тока экспоненциально нарастающего тока силой до нескольких ампер и более (первая часть кривой a ).
Напряженность магнитного поля $H$, создаваемого током $I$ в круглой катушке из $w$ витков радиусом $R$, на оси катушки расстоянии $z$ от центра катушки определяется выражением: $H = { {2 w I {R^2}} \over { {({R^2} + {z^2})}^{3 \over 2} } }$.
При резком прерывании этого тока (вторая часть кривой a ) на катушке возникает импульс напряжения самоиндукции (кривая b ) величиной до сотен вольт. Подобный процесс происходит и в катушке зажигания автомобиля.
При расположении вблизи катушки токопроводящего объекта - мишени (англ. target ) резко изменяющееся при прерывании тока первичное магнитное поле катушки пронизывает этот объект и создает в нем вихревые токи (англ. eddy currents ) (кривая c ). Эти вихревые токи всегда оказывают противодействие вызвавшему их изменению магнитного поля, создавая вторичное магнитное поле. Это переменное магнитное поле достигает витков поисковой катушки и наводит в ней переменное напряжение, которое накладывается на напряжение самоиндукции и приводит к удлинению заднего фронта импульса напряжения на катушке (кривая d ).
Для детектирования факта удлинения фронта импульса сигнал (напряжение на поисковой катушке) стробируется с помощью электронного ключа (кривая e ). При этом отсекается сигнал от передаваемого импульса и всплеск напряжения самоиндукции сразу после его окончания. Короткая задержка стробирования выбирается таким образом, чтобы за это время успели завершиться переходные процессы, вызванные прерыванием тока в катушке (кривая b ).
Таким образом происходит разделение передаваемого и принимаемого сигналов, а единственная катушка используется как для передачи, так и для приема сигнала (TR ).

Схема импульсного металлодетектора

В импульсном металлодетекторе можно выделить генератор импульсов, транзисторный ключ, узел поисковой катушки, схему детектирования и схему индикации.
Генератор импульсов
Две основные разновидности - генератор на интегральном таймере NE555 и генератор на двух транзисторах.


Транзисторный ключ
В качестве ключевого элемента используется мощный MOSFET с предварительным каскадом на биполярном транзисторе.
Во многих конструкциях в качестве ключевого транзистора применяется IRF740 (400 В, 0,55 Ом, 10 А).
Узел поисковой катушки
Катушка намотана "внавал" медным проводом диаметром 1,4 мм. Сопротивление катушки составляет ~ 0,3 Ом.


изготовление поисковой катушки

собранная катушка
Нижеприведенная схема применяется в металлодетекторах PIRAT , BM8042 - КОЩЕЙ-5И, White"s Surfmaster PI .

Параллельно поисковой катушке L включен резистор R7 для гашения импульса напряжения самоиндукции, а два включенных встречно-параллельно диода VD1 и VD2 совместно с резистором R8 ограничивают величину импульса, поступающего на вход схемы детектирования.
Диоды VD1 , VD2 - 1N4148.
Резистор R7 - 220...390 Ом.
Резистор R8 - 390...1000 Ом.
Схема детектирования
Схема детектирования состоит из двух операционных усилителей, один из которых работает в режиме усилителя, а второй в режиме компаратора.
Схема индикации
В простейшем случае схема звуковой индикации представляет собой усилитель звуковой частоты на биполярном транзисторе, нагруженный на динамик.

Моделирование металлодетектора

Изучить особенности работы и настройки рассматриваемого устройства можно с помощью схемотехнического моделирования металлодетектора. Предлагаю Вашему вниманию разработанную мной модель импульсного металлодетектора PIRAT (сокращение от PI - импульсный, RA-T - radioskot - сайт разработчиков) для популярного симулятора LTspice :
щелкните мышкой по рисунку для просмотра в крупном масштабе


Снимок окна программы LTspice с открытой моделью

Для изучения возможностей программы LTspice и основ работы с ней можете воспользоваться моим пособием:
Воронин А.В. Компьютерное моделирование переходных процессов в линейных электрических цепях: учеб.-метод. пособие. - Гомель: БелГУТ, 2014. - 94 с.
(скачать - PDF, 1,98 МБ)

Модель металлодетектора содержит генератор на таймере NE555 , узел поисковой катушки и схему детектирования (без схемы индикации).
Файл модели:
Для запуска также потребуются файлы модели операционного усилителя TL072 :
и .
Файл TL072.asy скопировать в директорию \lib\sub директории LTspice .
Файл TL072.sub скопировать в директорию \lib\sym\Opamps директории LTspice

Вы можете изменять при моделировании:
напряжение питания - параметр U ;
сопротивления резисторов настройки - параметры R12 и R13 ;
индуктивность и сопротивление поисковой катушки - параметры L и R ;
индуктивность мишени и коэффициент связи с ней - параметры Lt и Km соответственно,
а также номиналы других элементов цепи.

Результаты моделирования позволяют анализировать электромагнитные процессы в металлодетекторе:


импульсы на выходе таймера NE555

Генератор на базе таймера NE555 вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов с большой скважностью.
В моем металлоискателе длина импульса составляет 0,17 мс, период повторения - 15,6 мс (частота повторения 64 Гц), причем расчетные значения совпадают с полученными при моделировании.

Резистор R7 предназначен для создания пути для тока при размыкании цепи посредством выключения MOSFET а (в модели обозначен M1 ). Энергия магнитного поля, накопленная в катушке, рассеивается в этом резисторе. Я выполнил моделирование при различных значения сопротивления шунтирующего катушку резистора (напряжение питания 9 вольт) и представил зависимость максимального напряжения на MOSFET е от сопротивления резистора в виде графика:


Как видно из графика, при увеличении сопротивления резистора пиковое значение напряжения возрастает (теоретически стремится к бесконечности). Если это напряжение превысит предельно допустимое напряжение для транзистора, то это может вызвать его пробой.

Также на максимальное значение импульса напряжения на катушке оказывает сильное влияние величина напряжения питания. Результаты моделирования приведены для сопротивления шунтирующего резистора R7 , равного 300 Ом:


На вышеприведенном графике видна линейная зависимость пика импульса напряжения на катушке от напряжения питания.

токи в катушке и мишени

щелкните мышкой по рисунку для просмотра в крупном масштабе


ток в катушке и напряжения в детектирующей части схемы

Увеличение сопротивления переменных резисторов R12+R13 смещает вниз напряжение на прямом входе ОУ2, и оно перестает превышать напряжение на инверсном входе ОУ2, при этом импульсы на выходе ОУ2 отсутствуют. При повышении напряжения питания требуется увеличивать сопротивление переменных резисторов до исчезновения импульсов на выходе ОУ2.

импульс напряжения на катушке

О применении Arduino в таком металлодетекторе Вы можете прочитать .

Источники
1 Энциклопедия полимеров. В.А. Каргин и др. Т.1 - М.: "Советская Энциклопедия", 1972. С. 742.