Схема самодельного металлоискателя прием передача. Принцип работы металлоискателя

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

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.

Принцип действия металлоискателей этого типа основан на воздействии на изучаемый объект переменным магнитным полем передающей катушки и регистрации сигнала, появляющегося вследствие наведения вихревых токов в мишени. Таким образом они относятся к приборам локационного типа и должны иметь по крайней мере 2 катушки – передающую и приёмную.

Как излучаемы, так и принимаемый сигналы являются непрерывными и совпадают по частоте.

Принципиальным моментом для металлоискателей такого типа является выбор расположения катушек. Они должны быть расположены так, чтобы в отсутствие посторонних металлических предметов магнитное поле излучающей катушки наводило нулевой сигнал в приёмной катушке.

Катушки, которые создают излучение или принимаю сигнал, выполняют в виде некоторой конструкции, называемой поисковой рамкой. Параллельное расположение катушек называется компланарным.

Обычно в металлоискателях такого типа поисковую рамку образуют 2 катушки, расположенный в одной плоскости и сбалансированные так, что при подаче сигнала в предыдущую катушку на выходе приёмной – минимальный сигнал. Рабочая частота излучении – от одного до нескольких десятков кГц.

Металлоискатели на биениях

Биением называют явление, возникающее при перемножение двух периодических сигналов с близкими частотами и амплитудами. Результирующий сигнал будет иметь пульсации с частотой, равной разности частот. Если сигнал низкой частоты подать на динамик, то мы услышим характерный «булькающий» звук.

Металлоискатель содержит два генератора: опорный и измерительный. Первый имеет стабильную частоту, а второй может менять частоту при приближении к металлическому предмету. Его чувствительным элементом является катушка индуктивности, выполненная в виде поисковой рамки.

Сигналы от генераторов поступают на детектор, на выходе которого выделяется переменное напряжение с частотой, равной разности частот опорного и измерительного генераторов. Далее этот сигнал увеличивается по амплитуде и поступает на световой звуковой индикаторы.

Наличие металла вблизи измерительной рамки приводит к изменению параметров окружающего его магнитного поля и к изменению частоты соответствующего генератора. Возникает разность частот, которая выделяется и используется для формирования сигнала.

Чем больше масса металла и ближе металлический предмет, тем сильнее различаются частоты генераторов и выше частота выходного напряжения генератора.

Как некоторую модификацию металлоискателей на биениях можно рассматривать металлоискатели – частотомеры . В них есть только измерительный генератор. При приближении измерительной рамки металлоискателя к металлическому предмету меняется частота генератора. Затем из неё вычитается длина периода при отсутствии металла.

Однокатушечные металлоискатели индукционного типа

В этом металлоискателе - одно катушка, которая одновременно является излучающей и приёмной.

Вокруг катушки создаётся электромагнитное поле, которое достигнув металлический предмет, создаёт в нём вихревые токи, которые являются причиной изменения магнитной индукции поля вокруг катушки.

Возникшие в объекте токи меняют величину магнитной индукции электромагнитного поля вокруг катушки. Компенсирующее устройство поддерживает постоянный ток через катушку. Поэтому при изменении индуктивности сработает индикатор.

Импульсные металлоискатели

Импульсный металлоискатель состоит из генератора импульсов тока, приёмной и излучающей катушек, устройства коммутации и блока обработки сигнала. По принципу работы – металлоискатель локационного типа.

С помощью блока коммутации генератор тока периодически формирует короткие импульсы тока, поступающие в излучающую катушку, которая создаёт импульсы электромагнитного излучения. При воздействии этого излучения на металлический предмет в последнем возникает и некоторое время сохраняется затухший импульс тока. Этот ток создаёт излучение от металлического объекта, которое наводит ток в катушке измерительной рамки. По величине наведённого сигнала можно судить о наличии или отсутствии проводящих предметов около измерительной рамки.

Главная проблема металлоискателей этого типа – отделить слабое вторичное излучение от значительно более мощного излучения.

Большинство металлоискателей импульсного типа имеют низкую частоту следования импульса тока, подаваемых на излучающую катушку.

Магнитометры

Для магниточувствительных металлоискателей чувствительность принято обозначать величиной магнитной индукции поля, которую способен зарегистрировать прибор. Обычно чувствительность измеряют в нанотеслах.

Кроме чувствительности для определения качеств магнитометра используют разрешающую способность, которая определяет минимальную разницу индукции.

Широкое распространение получили приборы, принцип работы которых основан на использовании нелинейных свойств ферромагнитных материалов.

Чувствительные элементы, реализующие этот принцип, назвали феррозонды .

Типичная конструкция магнитометра включает в себя штангу с размещёнными на ней батарейным блоком питания и электронным блоком, а также феррозондовый преобразователь на оси, перпендикулярной штанге.

Перед применением прибор предварительно калибруют, чтобы компенсировать воздействие поля Земли в отсутствие ферромагнитных объектов контроля.

Существуют магнитометры, работающие на других физических принципах. Так, известны квантовые приборы, основанные на эффекте ядерного магнитного резонанса и эффекта Зеемана, с оптической накачкой. Они обладают большой чувствительностью.

Ручные металлоискатели

Имеют не большие размеры и вес. В процессе поиска они вручную перемещаются вдоль объекта контроля.

Способность объекта воспринимать металлические предметы определяется его чувствительностью. Ручные металлоискатели позволяют обнаружить предмет размером с небольшую монету с расстояния от 5-10 до нескольких десятков сантиметров.

Чувствительность зависит от ориентации рамки металлоискателя относительно объекта контроля. Рекомендуется проводить поисковую рамку вдоль объекта контроля несколько раз под разными углами.

Примеры ручных металлоискателей:

селективный металлодетектор АКА 7215 :

Тональность сигнала тревоги зависит от типа обнаруженного металла

Имеет потенциометр для плавной регулировки чувствительности, а также переключатель – черные и цветные металлы

Непрерывное время работы от свежей 9В-батареи – не менее 40 часов

Вес 280 г.

Ручной металлодетектор GARRETT :

Наличие переключателя для снижения чувствительности

Автоматический контроль степени разряженности батареи

Индикация тревоги – звуковая и светодиодная

Ударопрочный корпус

Разъем для наушников/аккумулятора

Удовлетворяет гигиеническим сертификатам

Время непрерывной работы - до 80 часов

Для разработок последних лет характерно увеличение «электронной сложности» приборов. Они снабжаются микропроцессорами, дисплеями и т.д. Всё это позволяет расширить функциональные возможности приборов.

На дисплеях отображается информация об обнаруженном предмете и его проводимости.

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.

Они могут устойчиво работать при проходе десятков человек в минуту. Обычно стационарные металлоискатели имеют габариты прохода по высоте до 2 м, по ширине – до 1 м. Так металлодетекторы METOR 200 HS имеют габариты прохода 2010 х 710 х 594 mm (рис.1).

Современные стационарные металлоискатели снабжаются микропроцессорами, с помощью которых задаются режимы работы (возможна настройка на обнаружение определенных металлов, на массу предмета и др.) и индикации (обычно они имеют световую, звуковую индикации, вывод данных на дисплей), подсчитывают число прошедших пассажиров, определяют сторону и зону проноса металлических предметов, выполняют автоматический самоконтроль и т.п. Можно настроить прибор так, что он будет обнаруживать лезвие бритвы, но не будет реагировать на алюминиевую банку с пивом или на горсть монет. Некоторые металлоискатели снабжаются выносными пультами для управления и индикации результатов их работы. В качестве такого пульта может применяться компьютер.

Например, в стационарном металлодетекторе Intelliscan 12000 (рис. 2) пространство под аркой разбито на 18 независимых зон детектирования - 6 горизонтальных и 3 вертикальных. При проносе металлических предметов на дисплее, на котором изображен контур человеческого тела, отображаются зоны локализации этих предметов.

Рис. 1. Стационарный металлодетектор METOR 200 HS

Рис. 2. Стационарный металлодетектор Intelliscan 12000 с дисплеем

Металлодетектор Intelliscan 12000 обладает следующими возможностями:

20 программ селективного обнаружения металлических предметов;

99 уровней чувствительности при работе по любой из программ;

сигналы тревоги в каждой из зон формируются, если размеры металлических предметов превышают заданные;

позонная установка чувствительности в пределах от -99% до +99% относительно базовой;

настройка нижних зон для компенсации влияния металлической арматуры в полу;

автоматическое тестирование и автокалибровка;

отстройка от шумов с помощью цифровой фильтрации;

постоянное отображение состояния на цветном дисплее;

защита установок от постороннего вмешательства шестизначным кодом доступа;

количество выбираемых пользователем рабочих частот – 16;

соответствие всем требованиям Федеральной авиационной администрации США от 1991 г. по применению в аэропортах и требованиям стандартов национального Института правосудия NILECJ (США);

соответствие гигиеническому сертификату Минздрава РФ 77.01.09.346.П.10046.04.0.

Имеются варианты стационарных металлоискателей, которые могут получать питание от аккумуляторов, работать при минусовой температуре в несколько десятков градусов в полевых условиях.

3. Металлоискатели по принципу «прием- передача»

Принцип действия металлоискателей этого типа основан на воздействии на изучаемый объект (мишень) переменным магнитным полем передающей (излучающей) катушки и регистрации сигнала, появляющегося в следствии наведения вихревых токов в металлическом предмете (мишени). Таким образом, они относятся к приборам локационного типа и должны иметь по крайней мере две катушки – передающую (излучающую) и приемную.В зарубежной терминологии металлоискатели, работающие по этому принципу, очень часто обозначают IB (Induction Balance) или VLF - (Very Low Frequency).

Как излучаемый, так и принимаемый сигналы являются непрерывными и совпадают по частоте.

Принципиальным моментом для металлоискателей такого типа является выбор взаимного расположения катушек. Они должны быть расположены так, чтобы в отсутствие посторонних металлических предметов магнитное поле излучающей катушки наводило нулевой сигнал в приемной катушке.

На рис 3 а) и б) показано расположение катушек с перпендикулярными и со скрещивающимися осями, при котором не происходит наведение тока в приемной катушке. На рис. 3 в) приведена система из одной излучающей (в центре) и двух приемных катушек. Последние включаются встречно по сигналу, наводимому излучающей катушкой, и в отсутствии металлических предметов на их выходе суммарная э.д.с. равна нулю.

Рис. 3. Расположение катушек, при котором не происходит наведение

токов в приемной катушке

Катушки, которые создают излучение и/или принимают сигнал, выполняют в виде некоторой конструкции, называемой поисковой рамкой. Параллельное расположение катушек называют компланарным (рис. 4). Такое расположение катушек позволяет уменьшить габариты поисковой рамки, так как ее можно выполнить в плоском (в виде «блина») защитном корпусе.

Рис. 4. Варианты компланарного расположения катушек

Известно несколько способов расположения катушек в одной плоскости, обеспечивающих нулевой сигнал в приемной катушке. Катушки можно наложить друг на друга так, чтобы суммарный поток вектора магнитной индукции через плоскость приемной катушки равнялся нулю (рис. 4 а). Рис. 4 б) иллюстрирует способ, когда приемная катушка в виде «восьмерки» помещается внутри излучающей. При этом в разных половинках «восьмерки» наводятся э.д.с. с разными знаками и компенсируют друг друга. Возможно размещение приемной катушки обычной формы внутри излучающей катушки но тогда используется специальное компенсирующее устройство.

Обычно в металлоискателях данного типа поисковую рамку образуют две катушки, расположенные в одной плоскости и сбалансированные так, что при подаче сигнала в передающую катушку на выходе приемной минимальный сигнал. Рабочая частота излучения от одного до нескольких десятков кГц.

Рассмотрим один из вариантов структурной схемы металлоискателя, работающего по принципу «прием-передача» (рис. 5).

Генератор создает переменное (прямоугольное или синусоидальное) напряжение, которое через усилитель мощности поступает на излучающую катушку.

Рис. 5. Функциональная схема металлоискателя,

работающего по принципу «прием-передача»

При появлении вблизи металлоискателя металлической мишени в ней наводятся токи от излучающей катушки, которые являются причиной появления вторичного электромагнитного излучения. Последнее воздействует на приемную катушку и в ней наводится переменная э.д.с. (напряжение). Частота наводимого сигнала такая же, как и в излучающей катушке.

Сигнал, наводимый в приемной катушке, имеет некоторый сдвиг по фазе по отношению к сигналу излучающей катушки, так как он поступает на приемную катушку с некоторой задержкой. При появлении вблизи поисковой рамки металлического объекта амплитуда сигнала в приемной катушке увеличивается, а фазовый сдвиг изменяется в зависимости от проводимости металла (черный, цветной).

Синхронный детектор выделяет полезный переменный сигнал, поступающий с выхода приемного усилителя и созданный излучением от металлического объекта, в постоянный сигнал. Синхронизация его работы с работой источника (генератора) излучающего сигнала позволяет повысить эффективность его работы на фоне шумов и помех, значительно превышающих полезный сигнал по амплитуде.

Выходной сигнал синхронного детектора усиливается и подается на индикатор, например звуковой или световой, который сигнализирует о появлении вблизи металлоискателя металлического предмета.

Индикация включается только для сигналов, превосходящих по амплитуде некоторый порог. Таким образом, слабые сигналы, связанные в основном с движением металлоискателя и внешними электромагнитными помехами, не вызывают срабатывания индикатора.