Металлоискатели


Министерство образования и науки РФ
Северо-Кавказский горно-металлургический институт
(Государственный технологический университет)
Факультет Электронной техники
Кафедра Электронных приборов
Реферат по дисциплине
Компьютерные технологии в научных исследованиях
на тему:
Металлоискатели. Типы. Принципы работы. Структурные схемы
Выполнил:
ст-т гр. ЭНм-15-2
Мартемьянов Б. А.
Проверил:
Асланов М. А.
Владикавказ 2016
Содержание
TOC \o "1-3" \n \h \z \u Введение1 Устройство металлоискателя2 Основные принципы работы и типы металлоискателей2.1 Металлоискатели BFO (Beat Frequency Oscillator)2.2 Металлоискатели TR–IB (Transmitter Receiver – Induction Balance)2.3 Металлоискатели FM (Frequency Meter)2.4 Металлоискатели OR (Off Resonance)2.5 Импульсные металлоискатели PI (Puls Induction)2.6 Радиолокационные металлоискатели2.7 Глубина обнаружения объектов металлоискателем3 Импульсный металлоискатель3.1 Практическая конструкция4.2 Основные технические характеристики3.3 Структурная схема3.4 Принципиальная схема3.5 Алгоритм функционирования4 Металлоискатель по типу передача–приём4.1 Структурная схема4.2 Принципиальная схема5.3 Генератор4.4 Кольцевой счетчик4.5 Усилитель мощности4.6 Приемный усилитель4.7 Схема стабилизации4.8 Синхронный детектор4.9 Нелинейный усилитель4.10 Ограничитель по минимуму4.11 Балансный модулятор4.12 Формирователь опорного сигнала4.13 Усилитель пьезоизлучателя4.14 Типы деталей и конструкцияЗаключениеСписок использованных источников:
ВведениеВ 20–е годы в США были разработаны приборы, обнаруживающие инструменты и готовые изделия, выносимые рабочими с заводов. Приборы назывались металлодетекторы (metal detector дословно – металлообнаружитель).
Металлоиска́тель — электронный прибор, позволяющий обнаруживать металлические предметы в нейтральной или слабопроводящей среде за счёт их проводимости.
Металлоискателями заинтересовались военные. Во время Второй Мировой войны быстро развивалась техника обнаружения металлов, и было разработано специальное оборудование для поиска мин. После войны оно дешево распродавалось в США, и многие люди быстро оценили возможности миноискателей при поиске зарытых сокровищ и золотых самородков. Послевоенные металлоискатели работали на вакуумных лампах, были громоздки и потребляли много энергии. Лишь в середине 60–х годов были созданы малогабаритные, стабильные и чувствительные приборы, которые могли различать металлы и позволяли отстраиваться от влияния окружающей среды.
С каждым годом расширяется область использования металлоискателей в самых различных сферах. Для военных метоллоискатель – это прежде всего миноискатель. Здесь не требуется способность прибора различать металлы. До недавнего времени не требовалась и высокая чувствительность, однако с появлением пластиковых мин ситуация изменилась: в пластиковой или керамической мине осталась одна незаменимая металлическая деталь – маленькая пружина во взрывателе. Обнаружить ее способен только высокочувствительный прибор. Как ни удивительно, у нас пока еще засекречены технические разработки на приборы времен Великой Отечественной войны, хотя в Московских магазинах свободно продается современная американская техника. Российская армия до недавних пор обходилась только отечественными миноискателями (прибор ИМП–1). В последнее время, по разным причинам, миноискателей собственного производства стало резко не хватать, и в телевизионных репортажах из горячих точек бывшего Союзе то и дело мелькают наши солдаты с американскими приборами в руках.
В охранных структурах и криминалистике металлоискатель применяется сейчас шире, чем где–либо. Любой человек сталкивался с подобными приборами при входе в банк, аэропорт или ночной клуб. Прежде всего – это "ворота", при проходе через которые можно обнаружить даже незначительные металлические предметы. Бывает, в человеке после хирургической операции остается металлический объект (например титановые стержни при переломах костей). Тогда на помощь секьюрити приходит небольшой металлоискатель для личного досмотра. Им без труда и с высокой точностью локализуется подозрительный предмет. Подобными приборами обязательно оснащены подразделения внутренних войск, охраняющие места лишения свободы. На Западе террористы часто практикуют посылку писем с заложенными в них взрывчатыми устройствами, в основном – в средства массовой информации. Пытаясь защититься от этого, крупные учреждения имеют специальные приборы для проверки входящей почтовой корреспонденции. Ни одно уважающее себя предприятие по производству пищевых продуктов , будь то кондитерская фабрика, или колбасный цех, не обходится без металлоискателя. До недавнего времени в нашей стране обнаружение в пищевых продуктах посторонних предметов грозило предприятию –изготовителю не более чем упреками в халатности и заметкой в местной газете под рубрикой "Позор бракоделам"... Сейчас это может повлечь судебное разбирательство, а в странах с более развитьми структурами потребительского рынка попадание, скажем, гвоздя в колбасу– верный путь к банкротству мясоперерабатывающего комбината (придать такой факт огласке позаботятся его конкуренты) и судебной ответственности персонала. Естественно, что лучше потратить несколько сотен долларов на прибор, чем оплачивать потом судебные издержки. Незаменимы металлоискатели в строительстве и в процессе ремонтных работ. Подумайте, как обойтись без этого прибора, если Вам нужно составить проект реконструкции старого здания, на которое отсутствуют чертежи расположения балок и других несущих конструкций (нельзя ведь долбить памятник архитектуры где попало); а если необходимо проследить как проходит в земле трубопровод или электрический кабель (не перекапывать же все вокруг); или просто Вы хотите просверлить электрической дрелью отверстие в стене своего дома, то незнание расположения проводки может стоить Вам жизни. Спасти Вашу жизнь или избавить от ненужной работы поможет металлоискатель.
В процессе обработки древесины, особенно поступающей из пригородных лесов, в стволах попадаются гвозди и другие металлические предметы. Избежать поломки пилы или другого оборудования можно только, проверив древесину металлоискателем. Специальная рамка, установленная перед циркулярной пилой, автоматически остановит транспортер при обнаружении металла в древесине. При сортировке мусора на мусороперерабатывающих предприятиях возникает необходимость избавить, например, макулатуру от металлических предметов. Хорошо, если предметы –железные, и их можно удалить магнитом. Обнаружить и удалить немагнитные металлические объекты можно только индукционным металлоискателем. При добыче полезных ископаемых, особенно самородного золота, метаплоискатель просто незаменим. Многие прииски в Америке, Австралии и других странах пережили второе рождение, когда при помощи металлоискателей производительность труда старателей увеличилась в десятки раз. Российских золотодобытчиков подобная "революция" еще ждет: металлоискатели только начинают появляться на бескрайних просторах Зауралья. Археологу метаплоискатель поможет определить наиболее перспективное место для детальных раскопок, даст возможность извлечь интересные находки там где сплошные раскопки просто невозможны по разным причинам.
Бок о бок с археологами работают искатели кладов и сокровищ,. Ни с чем нельзя сравнить радость открытия – будь то первая найденная старинная монета, потерянный столетия назад перстень, или клад древних украшений. Действительно, поиск сокровищ захватывает каждого, кто взял в руки метаплоискатель. Именно при разработке оборудования для кладоискателей приборы достигли наибольшего совершенства в чувствительности и дискриминации (отсеивании нежелательных находок). Поиск потерянных людьми предметов, своего рода "домашняя археология", в Америке достиг больших размахов. Существуют клубы поисковиков, коллекционеров находок, например, пряжек от ремней или запонок. Издаются специальные журналы. За рубежом, работают десятки фирм, производящих оборудование для кладоискателей . Данная область досуга представлена и в Интернете. В соответствии с назначением и кругом решаемых задач кладоискательские приборы подразделяются на:
– приборы для начинающих –дешевые приборы, ориентированные для поиска на пляжах и хорошо подходящие для приобретения начального опыта работы с металлоискателями; такие приборы обладают 1–2 органами управления и имеет чаще всего 1 режим работы – динамическую дискриминацию;
– универсальные приборы – ориентированные на решение широкого круга задач – от развлечений на пляже до серьезного поиска "сокровищ". Для работы с такими приборами требуется некоторая подготовка; приборы имеют несколько режимов работы, среди которых обязательно есть статический режим точного обнаружения;
– компьютеризированные приборы – предназначенные для подготовленных пользователей, позволяют осуществлять детальный анализ скрытых объектов по размеру, металлу и глубине; их настройка осуществляется обычно с помощью небольшой клавиатуры и ЖКИ дисплея;
– глубинные – приборы для поиска, больших объектов на большой глубине (2–6 м);
– подводные – герметичные приборы для поиска сокровищ на дне водоема.

1 Устройство металлоискателяНа рисунке 1 представлена стандартная конструкция металлоискателя.

Рисунок 1 – Составные части металлоискателя
Подлокотник. Он находится наверху основной штанги и фиксирует локоть руки оператора. Крепится к штанге с помощью болтов.
Основная, верхняя штанга. Обычно она имеет "S"–образный профиль, как показано на рисунке 1. На изгибе основной штанги помещена губчатая рукоятка, за которую оператор держит металлоискатель. К ней крепится подлокотник с возможностью регулировки расстояния.
Идеальным расстоянием между подлокотником и рукояткой должна быть длина кисти оператора. Это обеспечивает эргономичность за счет наилучшего баланса системы, при этом оператор меньше устает.
Блок управления. Содержит электронные схемы, позволяющие генерировать и обрабатывать сигналы поисковой катушки. Чаще всего блок управления крепится на основной штанге на разъемном соединении, но встречаются модели, у которых основная штанга и блок управления, представляют единое целое.
Нижняя штанга из армированного пластика. Одной стороной она вставляется в основную штангу, где фиксируется соединительным разъемом с зажимным кольцом. Применение данного типа фиксатора позволяет в любой момент времени регулировать общую длину прибора, выбирая наиболее оптимальную для оператора.
Поисковая катушка. Крепится к нижней штанге при помощи пластмассовых болта и гайки. Получается соединение с возможностью регулировки угла между плоскостью катушки и штангой. От катушки к блоку управления идет кабель, который имеет соединительный штекер и подключается к разъему.
Обычно, по завершении поиска, производиться неполная разборка металлоискателя для целей транспортировки на две части:
нижняя штанга с катушкой;
верхняя штанга с блоком управления и подлокотником.
Конфигурация катушек металлодетектораКатушки металлоисктелей (металлодетекторов) могут иметь различную конфигурацию. Наиболее практичными и технологичнымисчитаются:
катушки с "широким" захватом;
катушки с "точечным" захватом.
В настоящее время наиболее часто используется второй вариант конструкции с "точечным" захватом.
В ряде случаев вокруг приемной катушки наматывается часть передающей катушки, которая включается противо– фазно–основной (большого диаметра). Количество витков такой противофазной катушки подбирается таким образом, чтобы поле вокруг приемной катушки было уравновешенно. А магнитный поток большой передающей катушки, входящий с одной стороны, уравновешивается магнитным потоком малой катушки, входящий в приемную катушку с другой стороны.
Существует определенная пропорция в соотношении диаметров передающей и приемной катушек. При этом достигается наилучшая настройка этой системы, а также возможность получения в приемной катушке малого уровня остаточного сигнала.
Уровень остаточного сигнала зависит от многих факторов:
от мощности сигнала в передающей катушке;
от расположения катушек;
от количества витков приемной катушки;
от добротности;
от качества изготовления;
от формы катушек;
от их взаимного расположения.
Поэтому может иметь значительный разброс от единиц до сотен милливольт.
Если приемная катушка включена в состав параллельного колебательного контура (что делается довольно часто), уровень остаточного сигнала может увеличиваться в десятки и сотни раз за счет резонанса.
В этом случае невозможно получить значительного предварительного усиления сигнала приемной катушки по переменному напряжению. Это, в свою очередь, требует значительных коэффициентов усиления по постоянному напряжению после детектирования полезного сигнала. Но тогда обостряется проблема "дрейфа", приводящая к нестабильной работе металлодетектора.
Уровень остаточного сигнала (О.С.) в некоторой степени может влиять на чувствительность металлоискателя. Ведь после детектирования полезного сигнала в преемнике, соотношение сигнал/шум при больших уровнях О.С. уменьшается.
Сравнение свойств катушек с большой и малой шириной захвата
Какая катушка лучше для поиска – с "широким" или "узким" захватом? Однозначного ответа нет.
По опыту использования "точечный" захват лучше, так как катушки с "широким" захватом:
имеют малую способность точечной направленности;
обладают тенденцией принимать фальшивые сигналы от железных предметов, которые находятся на окраинах поисковой зоны.
Но "широкозахватные" катушки позволяют вести не такое плотное сканирование осматриваемого участка земли, как катушки с "точечным" захватом.
Это позволяет за фиксированный промежуток времени просматривать большие территории, а если участок еще и не слишком насыщен металлом, получается приличная экономия времени.
Работая с катушкой, имеющей "точечный" захват, необходимо следить за плотностью сканирования. Каждый последующий взмах катушкой должен не более чем на полдиаметра перекрывать предыдущую траекторию. В противном случае пропуски неизбежны, особенно на предельной глубине обнаружения.
Катушки с точечным захватом имеют преимущества:
хороши при работе на сильно замусоренных участках;
ими легче и быстрее установить точное место залегания находки (мишени).
Мало поисковиков соблюдают правила работы с катушками, имеющими "точечный" захват.
Траектория движения их катушки напоминает широкий зигзаг на пройденных участках, как следствие, получается много пропусков находок. В итоге в ходе повторного "прозвона" таких участков, нередко находились пропущенные ими находки.

2 Основные принципы работы и типы металлоискателейМеталлический предмет, скажем монета, находящийся в земле, сам по себе ничего не излучает и не выдает своего присутствия. Чтобы его обнаружить, необходимо облучить его радиоволнами и уловить вторичный сигнал. Все металлоискатели основаны на этом принципе Различие между дешевыми и дорогими моделями заключается в методах излучения этих радиоволн, в методах улавливания вторичных сигналов, а также в способах информирования вас о наличии металла.

Рисунок 2 – Электромагнитное поле поисковой катушки

Рисунок 3 – Возникновение вихревых токов на поверхности металлических предметов
Когда вы включаете металлоискатель, в поисковой катушке протекает переменный электрический ток, создающий вокруг катушки электромагнитное поле. Это поле проходит в окружающую среду, будь то воздух, грунт, вода, камень, дерево и т.д. Если на пути этого поля оказывается металлический предмет, то на его поверхности возникают так называемые вихревые токи. Эти токи образуют свое электромагнитное поле, которое ослабляет поле передающей катушки. Электронная схема прибора с помощью катушки улавливает это ослабление поля, вызванное присутствием под катушкой металла, и информирует вас об этом тем или иным способом. Более сложные электронные схемы обеспечивают лучшее улавливание более слабых вторичных сигналов, более точно их обрабатывают. Поэтому такие приборы трудоемки в изготовлении и стоят дороже. Однако они, как правило, способны находить объекты набольшей глубине.

Рисунок 4 – Влияние минерализации грунта на глубину обнаружения
Вихревые токи образуются на поверхности любых электропроводных материалов – металлов, минералов и т.п. Цветные металлы более электропроводны, чем черные металлы и минералы. Поэтому вихревые токи на них затухают дольше. Металлоискатель чувствует, в каком случае вихревые токи затухают быстрее, и на этом основании может "сказать" вам, какой из металлов – черный или цветной – находится под катушкой.
К сожалению, в некоторых местах грунт содержит большое количество электропроводных минералов (магнетит, соли натрия и калия), которые крайне нежелательны, поскольку маскируют присутствие металла, уменьшая глубину его обнаружения. Минералы железа и соли представляют большую проблему для производителей и пользователей металлоискателей. Применяя различные фильтры, можно в значительной мере снизить влияние фунта. Некоторые приборы имеют автоматическую отстройку от грунта, в других это достигается вручную оператором, что более точно, если выполнено правильно.
2.1 Металлоискатели BFO (Beat Frequency Oscillator)Благодаря простоте схемотехнических решений использующие принцип биений металлоискатели типа BFO (Beat Frequency Oscillator) – по методу биений – получили широкое распространение. В основу этих устройств положено явление формирования биений, возникающих при смешивании двух близких по частоте сигналов (рисунок 5).

Рисунок 5 – Упрощённая блок–схема металлоискателя, работающего по принципу биений
В металлодетекторах BFO используются два генератора, настроенных на одну и ту же частоту. При этом частота опорного (эталонного, образцового) генератора неизменна. Катушка контура измерительного генератора одновременно является поисковой или измерительной катушкой.
Когда в зоне возбуждаемого поисковой катушкой электромагнитного поля появляется металлический предмет, частота измерительного генератора изменяется. Сигнал измененной частоты подается на смеситель, где смешивается с сигналом опорной частоты. В результате на выходе смесителя выделяется сигнал с частотой биений, который поступает на блок индикации.
В качестве индикатора в металлоискателях на биениях обычно используются акустические устройства, однако встречаются конструкции со стрелочными и светодиодными индикаторами. При использовании акустических индикаторов по изменению знака биений довольно просто определить, из какого металла, цветного или черного, изготовлен предмет, находящийся в зоне действия прибора.
Необходимо отметить, что частота биений в металлодетекторах BFO лежит в низкочастотном диапазоне, ближе к нижней границе звукового восприятия человеческого уха. Это позволяет значительно упростить конструкцию блока индикации, поскольку биение частот главного (измерительного, поискового) и вспомогательного (опорного) генератора можно анализировать на слух. Однако чувствительность металлоискателей, работающих по принципу биений, оставляет желать лучшего. Тем не менее, характеристики этих приборов вполне удовлетворят непритязательных пользователей.
2.2 Металлоискатели TR–IB (Transmitter Receiver – Induction Balance)В последнее время особой популярностью пользуются металлоискатели TR–IB (Transmitter Receiver – Induction Balance), или просто TR, в основу которых положен принцип "прием–передача" (рисунок 6). В таких устройствах, называемых балансными металлодетекторами, система катушек сбалансирована до нулевой взаимной индукции.
Главная особенность устройств TR–IB заключается в том, что на приемную катушку поступает не отраженный сигнал передатчика, а сигнал, источником которого являются вихревые токи, возбуждаемые на поверхности металлического предмета.

Рисунок 6 – Упрощенная блок–схема металлоискателя, работающего по принципу передача – прием
Передающий сигнал, формируемый опорным генератором, поступает на передатчик и далее – на передающую катушку. При появлении металлического предмета в зоне излучения передающей катушки на его поверхности под воздействием сигнала VLF инициируются вихревые или поверхностные токи. Эти токи являются источником вторичного сигнала, который принимается приемной катушкой металлодетектора. С выхода приемника сигнал подается на анализатор, где происходит оценка его параметров. На основе проведенного анализа формируется соответствующий сигнал для блока индикации.
Следует отметить, что главными достоинствами таких металлоискателей являются высокая чувствительность, возможность отстройки не только от фона грунта, но и от разного мусора. И, конечно же, такие устройства позволяют определять вид металла. Главным же недостатком балансных металлодетекторов следует считать сложности, возникающие при изготовлении и балансировке системы катушек.
2.3 Металлоискатели FM (Frequency Meter)Одним из первых возможных вариантов построения детектора металлических предметов, который может прийти в голову любому человеку, хотя бы немного знакомому с основами электротехники, можно считать устройство, в основе которого лежит изменение частоты генератора под влиянием металлического предмета.
Из школьных учебников физики известно, что частота сигнала, генерируемого в контуре, образуемом параллельно включенными катушкой L и конденсатором С, зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора. При изменении хотя бы одного из этих параметров изменится резонансная частота контура, что приведет к соответствующему изменению и частоты генерации. Легче всего можно изменить индуктивность катушки. Для этого достаточно, например, поместить вблизи нее предмет из соответствующего металла. Данное физическое явление и положено в основу конструкции детекторов металлических предметов, работающих по принципу изменения частоты (рисунок 7). В специализированной литературе такие устройства часто называют металлоискателями FM (Frequency Meter).

Рисунок 7 – Упрощенная блок–схема металлоискателя, работающего по принципу частотомера
Несмотря на то, что о влиянии металлических предметов, помещаемых в зону возбуждаемого катушкой поля, на резонансную частоту контура давно известно, практическая реализация таких приборов до недавнего времени была довольно затруднительной. Причина заключалась в том, что оценивать изменение частоты контура на слух просто не представлялось возможным.
В настоящее время для анализа и оценки изменений девиации частоты используются микропроцессоры, функционирующие под управлением специальных программ.
При появлении металлического предмета в зоне возбуждаемого измерительной катушкой электромагнитного поля резонансная частота контура опорного генератора меняется. Это изменение оценивается частотомером, основу которого составляет микроконтроллер. Величина девиации частоты, а также ее знак зависят не только от глубины залегания и величины предмета, но и от вида металла, из которого он изготовлен. Обработанные данные поступают на блок индикации, в составе которого часто используется линейка светодиодов.
Следует отметить, что металлоискатели FM обладают большей чувствительностью по сравнению, например, с металлодетекторами BFO.
2.4 Металлоискатели OR (Off Resonance)Интересные схемотехнические решения можно встретить при рассмотрении конструкций металлодетекторов, в основу работы которых положен принцип оценки изменения амплитуды сигнала на катушке контура, резонансная частота которого близка к частоте подаваемого на него сигнала опорного генератора. Главным достоинством таких устройств, иногда обозначаемых сокращением OR (Off Resonance), являются простота и надежность (рисунок 8).

Рисунок 8 – Упрощенная блок–схема металлоискателя, работающего на околорезонансной частоте
Измерительная катушка является составной частью колебательного контура, резонансная частота которого незначительно отличается от частоты опорного генератора. При появлении металлического предмета в зоне электромагнитного поля, возбуждаемого измерительной катушкой, резонансная частота этого контура изменяется. В зависимости от того, какой металл оказался в зоне действия данного устройства (цветной или черный), частота контура или увеличивается, или уменьшается. При этом происходят соответствующие изменения амплитуды колебаний опорного генератора, которые оцениваются анализатором. В результате анализатор формирует управляющий сигнал для блока индикации.
2.5 Импульсные металлоискатели PI (Puls Induction)Как и радиолокационные металлоискатели, импульсные металлодетекторы относятся к устройствам категории TD (Time Domain), использующим импульсный сигнал (рисунок 9). При этом частота следования импульсов, формируемых в этих устройствах, составляет от нескольких десятков до нескольких сотен герц.

Рисунок 9 – Упрощенная блок–схема импульсного металлоискателя
В импульсных металлодетекторах типа PI (Puls Induction) для оценки наличия металлических предметов в зоне поиска используется явление возникновения вихревых поверхностных токов в металлическом предмете под воздействием внешнего электромагнитного поля. Однако в отличие от рассмотренных ранее устройств типа TR–IB в импульсных металлоискателях анализируется сигнал, формирующийся в металле после воздействия не непрерывного, а импульсного сигнала.
Импульсный сигнал, формируемый генератором импульсов, усиливается и поступает на передающую катушку, в которой соответственно инициируется переменное электромагнитное поле. При появлении металлического предмета в зоне действия этого поля на его поверхности периодически, под воздействием импульсного сигнала, возникают вихревые токи. Эти токи и являются источником вторичного сигнала, который принимается приемной катушкой, усиливается и подается на анализатор. Необходимо отметить, что благодаря явлению самоиндукции длительность вторичного сигнала будет больше, чем длительность излученного передающей катушкой импульса. При этом параметры заднего фронта вторичного импульсного сигнала и используются для анализа с последующим формированием данных для блока индикации.
Нетрудно предположить, что при наличии специального развязывающего устройства или коммутатора в импульсных металлоискателях вместо передающей и приемной катушек можно было бы использовать всего одну катушку, которая поочередно применялась бы для передачи и приема сигналов (рисунок 10).

Рисунок 10 – Упрощенная блок–схема импульсного металлоискателя с одной катушкой
Основными достоинствами импульсных металлоискателей являются сравнительно высокая чувствительность, а также простота конструкции катушек. Однако схемотехнические решения отдельных блоков (например генератора импульсов, коммутатора, анализатора) пока отличаются значительной сложностью. Помимо всего прочего в таких приборах используются микропроцессоры с соответствующим программным обеспечением. Программирование микропроцессоров также требует соответствующего оборудования и навыков. Поэтому собрать подобную конструкцию смогут лишь подготовленные радиолюбители.
2.6 Радиолокационные металлоискателиПоследние достижения в области теоретических разработок и практического применения микроволновой техники, а также развитие элементной базы (в том числе микропроцессорной техники) позволяют ожидать, что в самом недалеком будущем появятся конструкции детекторов металлических предметов, в которых будет использован принцип радиолокации. Интерес к устройствам, в которых используется радиолокационный принцип, объясняется тем, что дальность действия таких металлоискателей несравнимо выше, чем у детекторов других типов.
В настоящее время в различных источниках можно встретить весьма оригинальные схемотехнические решения таких металлоискателей. Однако их практическая реализация пока довольно затруднительна.
Основой построения таких устройств является принцип, используемый в радиолокации (рисунок 11). Как и в радиолокаторах, информация о наличии в зоне действия прибора какого–либо объекта (дальность, размеры и т. п.) оценивается после обработки параметров импульсного сигнала, отраженного от этого объекта.

Рисунок 11 – Упрощенная блок–схема радиолокационного металлоискателя
Импульсный сигнал, сформированный генератором импульсов, модулирует сигнал передатчика, который излучается антенной. По достижении объекта переданный сигнал отражается от него. Отраженный сигнал принимается антенной, а затем через антенный переключатель и приемник подается на анализатор. На каскады анализатора также подается сигнал, формируемый импульсным генератором.
Оба поступивших на анализатор сигнала сравниваются, после чего проводится оценка различий с последующим формированием данных для блока индикации. При этом информация о расстоянии до обнаруженного объекта формируется после оценки времени задержки отраженного сигнала, а сведения о величине объекта – по амплитуде этого сигнала.
2.7 Глубина обнаружения объектов металлоискателем«Как глубоко он берет?» – этот вопрос чаще всего задают те, кто видит металлоискатель впервые. Конкретный ответ нельзя дать, поскольку много различных факторов влияют на глубину обнаружения металла. Именно поэтому ни в одной рекламе металлоискателей вы не найдете упоминание о глубине действия прибора.
Из факторов, определяющих глубину обнаружения объекта, лишь электромагнитное поле и электронная схема, интерпретирующая изменение поля, являются функциями самого прибора. Остальные факторы зависят от самого объекта и от окружающей среды.
Прежде всего, чем больше объект, тем глубже он может быть обнаружен (но до определенных пределов). Например, серебряный полтинник большинство современных приборов могут обнаружить на глубине 20–30 см, тогда как банку из–под пива можно найти на глубине 40–60 см. Однако если грунт сильно минерализован, то глубина обнаружения может значительно снижаться, особенно для объектов небольшого размера. Сказывается и влажность фунта. Обычно она увеличивает глубину обнаружения, но не во всех случаях. Иногда сухой грунт дает лучшие результаты.
Играет роль и продолжительность нахождения объектов в грунте. Так, медные и бронзовые монеты, пролежавшие в земле столетия и покрывшиеся коркой окислов, можно обнаружить на большей глубине по сравнению с современными монетами. Дело в том, что окислы меди проводят электрический ток и, распространяясь вокруг монеты, как бы увеличивают ее размер. При коррозии серебра часто образуются сульфиды, которые снижают глубину обнаружения таких серебряных монет.
Форма объекта также влияет на глубину обнаружения. Объекты с отверстиями, например кольцо, вы можете найти на большей глубине, чем монету такого же размера. Трудными (в смысле обнаружения) являются очень тонкие золотые и серебряные цепочки. Большое значение имеет ориентация объекта в грунте. Монету, стоящую на ребре, иногда не удается обнаружить и на глубине 10 см. К счастью для нас большинство монет лежат плашмя.
Следующим важным фактором является состав металла, из которого сделан объект. Некоторые металлы имеют достаточно высокую электропроводность, однако нередко в сплавах они теряют это свойство, и найти их становится труднее. Примером может служить сплав золота и серебра. Оба металла хорошие проводники, но сплав электрум (50% Au–50% Ag) уже плохой проводник тока.
На глубину обнаружения влияет и уровень дискриминации, который используют. При небольших уровнях разница не так заметна, однако при увеличении дискриминации происходит значительная потеря глубины, особенно для объектов небольших размеров и использования статических приборов. У динамических металлоискателей влияние дискриминации на глубину обнаружения сказывается в меньшей степени
Уровень чувствительности, естественно, также влияет на глубину. Как правило, все хотят установить ручку чувствительности на максимум, однако при сильной минерализации грунта это приводит к появлению ложных сигналов и нестабильной работе прибора. Поэтому при высокой чувствительности глубина обнаружения может в действительности быть заметно ниже, чем при меньшей чувствительности. Помимо плохого грунта, необходимо нередко снижать чувствительность и при различных электрических помехах (линии электропередач, мощные генераторы, радиолокаторы и т.п.). В этих случаях часто снижение чувствительности поможет увеличить глубину обнаружения объектов.
Современные металлоискатели определяют объект не по его объему (массе), а по площади поверхности, обращенной к поисковой катушке. Если у вас уже есть металлоискатель, вы можете убедиться в этом сами, перемещая около катушки крупную монету плоскостью к катушке, а затем ребром к катушке. Во втором случае глубина обнаружения почти в два раза меньше.
Таким образом, обобщая вышесказанное и учитывая другие обстоятельства, на глубину обнаружения объектов влияют следующие факторы:
1. Степень и тип минерализации грунта.
2. Влажность грунта.
3. Размер объекта.
4. Форма объекта.
5. Состав металла объекта.
6. Ориентация объекта.
7. Тип и степень коррозии объекта.
8. Наличие электрических помех.
9. Тип металлоискателя.
10. Рабочая частота металлоискателя.
11. Размер и тип поисковой катушки
12. Уровень дискриминации.
13. Уровень чувствительности.
14. Качество настройки металлоискателя.
15. Состояние батарей.
16. Опыт оператора.
17. Скорость перемещения катушки.
Специальные глубинные металлоискатели могут обнаруживать крупные объекты на глубине в несколько метров, но зато мелкие объекты размером с монету они не чувствуют.
Ниже приведены примерные глубины, на которых в нормальном грунте можно обнаружить различные объекты с помощью современных металлоискателей.
Автомобиль, танк – 4–6 м
Железная бочка 200 л – 2–4 м
Канистра 20 л – 1,5–2 м
Солдатская каска – 0,7–1,3 м
Винтовочная гильза – 0,2–0,4 м
Медная монета – 0,15–0,3 м
Труба диаметром 50 мм – 1–1,5 м

3 Импульсный металлоискательПринцип 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 рисунке 12. схематично показан сигнал на приемной катушке импульсного металлоискателя.

Рисунок 12 – 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.
3.1 Практическая конструкцияБольшинство 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.
4.2 Основные технические характеристикиНапряжение питания 7,5... 14 ВПотребляемый ток не более 90 мА
Глубина обнаружения:
монета диаметром 25 мм – 20 см
пистолет – 40 см
каска – 60 сНесмотря на относительную простоту конструкции предлагаемого импульсного металлоискателя, его изготовление 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.
3.3 Структурная схемаСтруктурная схема изображена на рисунке 13. 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.

Рисунок 13 – 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.
3.4 Принципиальная схемаПринципиальная схема импульсного металлоискателя изображена на рисунке 14 – дифференциальный усилитель, приемный усилитель, интеграторы и мощный ключ.

Рисунок 14 – Принципиальная электрическая схема импульсного металлоискателя. Усилительный тракт, мощный ключ, интеграторы (нажмите для увеличения)
На рисунке 15 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.

Рисунок 15 – Принципиальная электрическая схема импульсного металлоискателя. Микроконтроллер
Мощный ключ собран на полевом транзисторе VT1. Так как примененный полевой транзистор типа IRF740 имеет емкость затвора более 1000 пФ, для его быстрого закрытия используется предварительный каскад на транзисторе VT2. Скорость открывания мощного ключа уже не столь критична из–за того, что ток в индуктивной нагрузке нарастает постепенно. Резисторы R1, R3 предназначены для "гашения" энергии самоиндукции. Их номинал выбран из соображений безопасной работы транзистора VT1, а также обеспечения апериодического характера переходного процесса в контуре, который образован индуктивностью датчика и паразитной межвитковой емкостью. Защитные диоды VD1, VD2 ограничивают перепады напряжения на входе дифференциального усилителя.
Дифференциальный усилитель собран на ОУ D1.1. Микросхема D1 представляет собой счетверенный операционный усилитель типа TL074. Его отличительными свойствами являются высокое быстродействие, малое потребление, низкий уровень шумов, высокое входное сопротивление, а также возможность работы при напряжениях на входах, близких к напряжению питания. Эти свойства и обусловили его применение в дифференциальном усилителе в частности и в схеме в целом. Коэффициент усиления дифференциального усилителя составляет около 7 и определяется номиналами резисторов R3, R6–R9, R11.
Приемный усилитель D1.2 представляет собой неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 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.
3.5 Алгоритм функционированияДля разъяснения принципа работы описываемого импульсного металлоискателя на рисунке 16 приведены осциллограммы сигналов в наиболее важных точках прибора.

Рисунок 16 – Осциллограммы
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, В– 12 мкс,
С – 8 мкс, D – 50 мкс,
A+B+C+D+E+F – 5 мс – период повторения.
Микроконтроллер обрабатывает полученные цифровые данные и индицирует с помощью светодиодов VD3– VD8 и излучателя звука Y1 степень воздействия мишени на датчик. Светодиодная индикация представляет собой аналог стрелочного индикатора – при отсутствии мишени горит светодиод VD8, далее в зависимости от уровня воздействия последовательно загораются VD7, VD6 и т.д.

4 Металлоискатель по типу передача–приёмГлубина обнаружения составляет:
пистолет – 0,5 м;
каска  –1 м;
ведро – 1,5 м.
4.1 Структурная схемаСтруктурная схема приведена на рисунке 17. Она состоит из нескольких функциональных блоков.

Рисунок 17 – Структурная схема металлоискателя по принципу "передача–прием"
Генератор является источником прямоугольных импульсов, из которых в дальнейшем формируется сигнал, поступающий на излучающую катушку. Этот же сигнал используется для формирования сигнала звуковой индикации. Сигнал генератора делится по частоте на 4 с помощью кольцевого счетчика на триггерах. По кольцевой схеме счетчик выполнен для того, чтобы на его выходах можно было сформировать два сигнала, сдвинутых друг относительно друга по фазе на 90°. Прямоугольный сигнал (меандр) подается с первого выхода кольцевого счетчика на вход усилителя мощности, нагрузкой которого является колебательный контур с излучающей катушкой. По своему типу усилитель мощности является преобразователем "напряжение–ток", что позволяет предотвратить перегрузки выходного каскада в моменты смены полярности входного прямоугольного сигнала усилителя мощности. Приемный усилитель напряжения усиливает сигнал, поступающий с приемной катушки. В приемную катушку кроме полезного проникает также и паразитный сигнал, обусловленный неидеальностью конструкции системы катушек металлоискателя, проводимостью грунта и другими причинами.
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.
4.2 Принципиальная схемаПринципиальная схема металлоискателя по принципу "передача–прием" приведена на рисунке 18 – входной блок и на рис19 – блок индикации. Разделение на блоки условно и не отражает особенностей конструкции.

Рисунок 18 – Принципиальная электрическая схема входного блока металлоискателя по принципу "передача–прием" (нажмите для увеличения)
5.3 ГенераторГенератор 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.
4.4 Кольцевой счетчикКольцевой 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.
4.5 Усилитель мощностиУсилитель мощности собран на операционном усилителе (ОУ) D3.1. Колебательный контур с излучающей катушкой образован элементами L1C2. Параметры катушки индуктивности приведены в таблице 1. Марка провода обмоток – ПЭЛШО 0,44.
Таблица 1 – 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.
4.6 Приемный усилительПриемный 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.
4.7 Схема стабилизацииСхема 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.
4.8 Синхронный детекторСинхронный 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.
4.9 Нелинейный усилительНелинейный 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.
4.10 Ограничитель по минимумуОграничитель 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.

Рисунок 19 – 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.
4.11 Балансный модуляторСигнал 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.
4.12 Формирователь опорного сигналаФормирователь 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.
4.13 Усилитель пьезоизлучателяУсилитель 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.
4.14 Типы деталей и конструкцияТипы используемых микросхем приведены в таблице 2. Вместо микросхем серии К561 возможно использование микросхем серии К1561. Можно попытаться применить некоторые микросхемы серии К176 и зарубежные аналоги.
Таблица 2 – 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 пьезоизлучателей 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 рисунке 20.

Рисунок 20 – 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).

Заключение
Данная работа затрагивала важную тему – обнаружение металлов, недоступных для взора. Металлоискатели используют представители самых разных областей и профессий, начиная с археологов, ведущих раскопки для изучения истории и культуры народов древности, и заканчивая военными и охранными структурами, оберегающими покой и мир сегодня.
Были выяснены принципы работы основных типов металлоискателей:
типа «приём – передача»;
основанные на методе биений;
импульсных;
с уравновешенной индукцией,
а также их положительные и отрицательные стороны. Важнейшие параметры и условия их использования.

Список использованных источников:Дьяконов В.Н., Малышенко Ю.В. Теория и практика применения технических средств таможенного контроля. Учебное пособие / под ред. Ю.В. Малышенко. Владивосток: ВФ РТА, 2004, - 352 с.
Портативный металлоискатель «ВМ-611». Руководство по эксплуатации. 4276-002-05743622-01 РЭ
Дьяконов В.Н. Практикум по применению технических средств таможенного контроля / под ред. Ю.В. Малышенко. Владивосток: ВФ РТА, 2005, - 244 с.

Приложенные файлы

  • docx 11120560
    Размер файла: 884 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий