Металлоискатели

При изготовлении катушки L2 нужно особенно следить за тем, чтобы не произошло замыкания концов экранирующей трубки, поскольку в этом случае образуется короткозамкнутый виток.

Вместо тонкостенной трубки для изготовления экрана можно использовать и обычную алюминиевую фольгу. В этом случае дополнительную жесткость конструкции катушки L2 можно придать, если расположить ее между двумя дисками из фанеры или гетинакса соответствующих размеров.

В качестве источника звуковых сигналов следует использовать высокоомные головные телефоны с возможно большим сопротивлением (около 2000 Ом). Подойдут, например, широко известные телефоны ТА-4 или ТОН-2. При использовании низкоомных телефонов металлоискатель следует дополнить каскадом на транзисторе КТ315Б, установив резистор R3 сопротивлением 10 кОм, а конденсатор С6 – емкостью 1000 пФ.

В качестве источника питания В1 можно использовать, например, батарейку «Крона» или две батарейки типа 3336Л, соединенные последовательно.

Печатная плата с расположенными на ней элементами и источник питания размещаются в любом подходящем металлическом корпусе. На крышке корпуса устанавливаются переменный резистор R4, разъем Х1 для подключения головных телефонов BF1, разъем Х2 для подключения поисковой катушки L2 и выключатель S1.

Налаживание

Как и при регулировке других металлоискателей, налаживание данного прибора следует проводить в условиях, когда металлические предметы удалены от поисковой катушки L2 на расстояние не менее одного метра.

Сначала необходимо настроить рабочую частоту опорного генератора. Для этого первоначально частота опорного генератора устанавливается равной рабочей частоте измерительного генератора с помощью регулировки положения подстроечного сердечника катушки L1 до полного пропадания звукового сигнала в головных телефонах, то есть до установки нулевых биений. Предварительно ротор конденсатора С2 следует установить примерно в среднее положение. В результате при незначительном повороте ручки конденсатора С2 в любую сторону в телефонах должен появляться звук низкого тона. При необходимости для настройки частоты опорного генератора можно воспользоваться частотомером или осциллографом.

Рекомендуемая разность частот опорного и измерительного генераторов должна составлять 400–500 Гц. При этом частота опорного генератора должна быть выше частоты измерительного генератора. Выбор столь высокого значения разностной частоты объясняется тем, что оба генератора, опорный и измерительный, выполнены на элементах одного общего кристалла микросхемы, и поэтому между ними неизбежно возникают паразитные связи, устранить которые практически невозможно. Этот факт и вынуждает использовать в данном металлоискателе биения частотой более 100–300 Гц, что неизбежно приводит к снижению его чувствительности.

Порядок работы

При безошибочном монтаже, исправных деталях и правильной регулировке рассматриваемый металлоискатель готов к работе сразу после окончания настройки.

Перед началом поисковых работ конденсатором С2 желательно установить возможно меньшую частоту биений. Это позволит повысить чувствительность прибора, поскольку обеспечит регистрацию даже небольших изменений частоты измерительного генератора. Однако очень низкую частоту биений выбрать не удастся, потому что на ней громкость звука в телефонах резко понизится.

Если в процессе работы частота сигнала в головных телефонах изменится, то это свидетельствует о наличии в зоне действия поисковой катушки L2 какого-либо металлического предмета. При приближении катушки к предметам из магнитных металлов (например из железа, феррита или никеля) частота сигнала биений будет увеличиваться, а при приближении к предметам из немагнитных металлов (например из алюминия, меди или латуни) – уменьшаться. По изменению тона сигнала биений, имея определенный опыт, можно легко определить, из какого металла, магнитного или немагнитного, изготовлен обнаруженный предмет.

Уровень громкости сигнала в головных телефонах регулируется резистором R4.

3.4. Металлоискатель с повышенной чувствительностью

Одной из особенностей всех металлодетекторов типа BFO (Beat Frequency Oscillator), рассмотренных в предыдущих разделах этой главы, а также некоторых устройств, о которых будет рассказано далее, является то, что опорный и образцовый генераторы этих приборов конструктивно выполнены на элементах одной микросхемы.

Следует признать, что помимо определенных достоинств (например простоты схемы, температурной стабилизации) такие конструкции имеют и ряд недостатков. Главным из них является возникновение паразитных связей между отдельными элементами внутри кристалла микросхемы, устранить которые практически невозможно. Именно поэтому в таких металлоискателях приходится выбирать частоту биений более 100–300 Гц, что неизбежно приводит к снижению его чувствительности.

Попытка избавить детекторы металлических предметов, работающих на основе анализа сигнала биений, хотя бы от указанных недостатков была предпринята при создании устройства, в основу которого была положена схема, опубликованная в отечественных и зарубежных изданиях в середине 90-х годов прошлого столетия.

Принципиальная схема

Предлагаемая конструкция представляет собой один из многочисленных вариантов металлодетекторов типа BFO (Beat Frequency Oscillator), то есть является устройством, в основу которого положен принцип анализа биений двух сигналов, близких по частоте. При этом в данной конструкции оценка изменения частоты биений осуществляется на слух.

Основу схемы этого прибора (рис. 3.6) составляют измерительный и опорный генераторы, смеситель, НЧ-фильтр, анализатор и схема акустической индикации.

Рис. 3.6. Принципиальная схема металлоискателя с повышенной чувствительностью

Измерительный и опорный генераторы представляют собой два простых LC-генератора, выполненных на элементах микросхем IC1 и IC2. При этом опорный генератор собран на элементе IC1.1, а измерительный или перестраиваемый генератор – на элементе IC2.1.

Частота колебаний опорного генератора определяется параметрами элементов его контура, то есть индуктивностью катушки L1 и емкостями конденсаторов С1, С2. Значения указанных параметров выбраны таким образом, чтобы рабочая частота опорного генератора была около 100 кГц. Колебательный контур измерительного генератора образован поисковой катушкой L2 и конденсаторами С3-С5. Рабочая частота этого генератора близка к частоте опорного генератора и может быть незначительно изменена регулировкой конденсатора переменной емкости С3. Элементы IC1.2 и IC2.2 выполняют функцию каскадов, обеспечивающих развязку между генераторами по переменному напряжению.

С выходов обоих генераторов сигналы ВЧ подаются на смеситель, выполненный на элементе IC3.1, на выходе которого формируются колебания с суммарными и разностными частотами генераторов и их гармоник, поступающие на схему НЧ-фильтра.

В отличие от многих других металлоискателей типа BFO в предлагаемом приборе для выделения сигналов разностной (звуковой) частоты применен фильтр низких частот, который собран на элементах R3 и C6. Далее сигнал НЧ подается на анализатор.

...

Как известно, чувствительность детекторов металлических предметов, оценивающих частоту сигнала биений, в значительной степени зависит от того, сигнал какой самой низшей частоты может быть зарегистрирован данным устройством. Наилучшей чувствительностью обладают металлоискатели, обеспечивающие анализ биения частотой в несколько герц. Однако прослушать такой сигнал непосредственно на головные телефоны невозможно в связи с ограниченным рабочим диапазоном частот телефонных капсюлей.

Довольно часто разработчики прибегают к самому простому решению данной проблемы, а именно: просто увеличивают частоту сигнала биений с помощью различных умножителей. Один из вариантов схемы удвоения частоты (точнее, преобразования синусоидального сигнала в последовательность импульсов удвоенной частоты) уже был рассмотрен в предыдущей главе при описании транзисторного металлоискателя с повышенной чувствительностью.

В анализаторе рассматриваемого металлодетектора для увеличения частоты сигнала биений применена схема, обеспечивающая преобразование синусоидального (почти треугольного) сигнала в короткие импульсы с удвоенной частотой следования. Для этого используется компаратор напряжения, выполненный на элементах IC3.2-IC3.4. За один период частоты биений компаратор дважды переключается из одного логического состояния в другое, после чего формируемые им прямоугольные импульсы дифференцируются цепью C7R8 и далее через конденсатор С7 подаются на регулятор громкости R8. В результате на головные телефоны BF1, подключенные к разъему Х2, поступают короткие импульсы напряжения удвоенной частоты.

Питание прибора осуществляется от источника В1 напряжением 9 В. При этом микросхемы IC1 и IC2 металлоискателя питаются от источника постоянного тока через развязывающие фильтры R6C8 и R7C9.

Детали и конструкция

Все детали рассматриваемого металлоискателя (за исключением поисковой катушки L2, резистора R8, конденсатора С3, разъемов Х1 и Х2, а также выключателя S1) расположены на печатной плате размерами 80х60 мм, изготовленной из двустороннего фольгированного гетинакса или текстолита (рис. 3.7). При этом монтаж элементов выполняется со стороны проводников, а фольга с другой стороны играет роль экрана.

Рис. 3.7. Печатная плата (а) и расположение элементов (б) металлоискателя с повышенной чувствительностью

К деталям, применяемым в данном устройстве, не предъявляются какие-либо особые требования. Рекомендуется использовать любые малогабаритные конденсаторы и резисторы, которые без проблем можно разместить на печатной плате.

Конденсатор С3 должен иметь максимальную емкость 180–240 пФ. Можно использовать любой конденсатор настройки от малогабаритного радиоприемника (например типа КП-180). Для повышения термостабильности желательно, чтобы конденсаторы С1, С2, С4 и С5 имели ТКЕ не хуже М1500. Постоянные резисторы могут быть, например, типа МЛТ-0,125.

Микросхемы типа К561ЛЕ5 можно заменить микросхемами К176ЛЕ5, К176ЛА7 или К561ЛА7.

Катушка L1 содержит 30 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,08 мм. Для ее намотки рекомендуется использовать каркас от катушки контура ПЧ транзисторного радиоприемника (например, «Альпинист-407» или аналогичного).

Поисковая катушка L2 содержит 100 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,6 мм и выполнена в виде тора с внутренним диаметром 240–250 мм. Эту катушку проще изготовить на жестком каркасе, однако можно обойтись и без него. В таком случае в качестве временного каркаса можно использовать любой подходящий по размерам круглый предмет, например банку. Витки катушки наматываются внавал, после чего снимаются с каркаса и экранируются электростатическим экраном, для изготовления которого поверх жгута витков наматывается лента из алюминиевой фольги. Щель между началом и концом намотки ленты (зазор между концами экрана) должна составлять около 10 мм.

...

При изготовлении катушки L2 нужно особенно следить за тем, чтобы не произошло замыкание концов экранирующей ленты, поскольку в этом случае образуется короткозамкнутый виток. Для повышения механической прочности катушку перед экранированием можно пропитать эпоксидным клеем.

К выводам катушки следует подпаять проводники двужильного экранированного кабеля длиной около метра, на другом конце которого устанавливается разъем типа СШ-3 или любой другой подходящий малогабаритный разъем. Оплетку кабеля необходимо соединить с экраном катушки. В рабочем положении разъем катушки подключается к ответной части разъема, расположенной на корпусе прибора.

Питание металлоискателя с повышенной чувствительностью осуществляется от источника В1 напряжением 9 В. В качестве такого источника можно использовать, например, батарейку «Крона» или две батарейки типа 3336Л, соединенные последовательно.

Печатная плата с расположенными на ней элементами и источник питания размещаются в любом подходящем металлическом корпусе. На крышке корпуса устанавливаются конденсатор С3, переменный резистор R8, разъем Х1 для подключения поисковой катушки L2, выключатель S1 и разъем Х2 для подключения головных телефонов BF1.

Налаживание

Рассматриваемый металлоискатель следует настраивать в условиях, когда металлические предметы удалены от поисковой катушки L2 на расстояние не менее 1,5 м. Непосредственную настройку прибора нужно начать с выбора нужной частоты биений. Для этого рекомендуется воспользоваться осциллографом или цифровым частотомером.

При работе с осциллографом его пробник необходимо подключить к входу НЧ-фильтра (вывод IC3/3). Осциллограмма в этой точке напоминает осциллограмму модулированного ВЧ-сигнала. Далее, подстраивая катушку L1 и при необходимости подбирая емкости конденсаторов С1 и С2, нужно добиться того, чтобы частота модуляции (частота биений) была бы равна примерно 5-10 Гц.

При использовании цифрового частотомера для настройки металлоискателя частотомер следует подключить сначала к выводу 1 микросхемы IC3, а затем – к выводу 2 этой же микросхемы. Изменяя параметры указанных ранее элементов (индуктивность катушки L1, емкости конденсаторов С1 и С2), необходимо добиться того, чтобы разность частот сигналов в указанных точках составляла также примерно 5-10 Гц.

Подобрать нужную частоту биений можно и без осциллографа и частотомера. В таком случае обычно бывает достаточно настроить рабочую частоту опорного генератора. Для этого к выходу элемента IC3.1 (вывод IC3/3) нужно подключить высокоомные телефоны (например ТОН-2), а затем, регулируя подстроечный сердечник катушки L1, добиться появления в головных телефонах звукового сигнала. При этом ротор конденсатора С3 должен быть установлен в среднее положение. Затем, вращая подстроечный сердечник катушки L1, необходимо установить режим, при котором в телефонах будут прослушиваться щелчки, следующие с частотой в несколько герц. После настройки генератора подстроечный сердечник катушки L1 желательно зафиксировать с помощью капли клея.

Далее необходимо настроить компаратор напряжения. Для этого нужно подобрать величину резистора R9, показанного на рис. 3.6 штриховыми линиями. Его сопротивление может быть в пределах от 300 кОм до 1 МОм. Необходимо отметить, что резистор R9 следует включить между выводами 5, 6 элемента IC3.2 и общим проводом при наличии на выходе компаратора (выводы IC3/10,11) напряжения высокого уровня.

Порядок работы

При практическом использовании данного прибора следует переменным конденсатором С3 поддерживать необходимую частоту сигнала биений, которая может изменяться под влиянием различных факторов (например при изменении магнитных свойств грунта, температуры окружающей среды или разряде батареи).

Если в процессе работы в зоне действия поисковой катушки L2 окажется какой-либо металлический предмет, то частота щелчков в головных телефонах изменится. При приближении к одним металлам она будет увеличиваться, а при приближении к другим – уменьшаться. По изменению частоты щелчков, имея определенный опыт, можно легко определить, из какого металла, магнитного или немагнитного, изготовлен обнаруженный предмет.

Громкость щелчков регулируется переменным резистором R8.

3.5. Металлоискатель на микросхеме К176ЛП2

Простой и в то же время надежный и эффективный металлоискатель BFO, работающий по принципу оценки изменений частоты сигнала биений, можно собрать всего на одной микросхеме К176ЛП2. В основу данного прибора была положена конструкция, которую еще в начале 90-х годов прошлого столетия предложил Р. Скетерис из литовского города Паневежис.

Принципиальная схема

Отличительной особенностью рассматриваемого детектора металлических предметов является не только применение микросхемы типа К176ЛП2, но также и схемотехнические решения, использованные при разработке генераторов и анализатора (рис. 3.8). При этом в данной конструкции оценка изменения частоты сигнала биений осуществляется на слух.

Рис. 3.8. Принципиальная схема металлоискателя на микросхеме К176ЛП2

Основу данного устройства составляют опорный и измерительный генераторы, смеситель и схема акустической индикации.

В рассматриваемой конструкции использованы два простых LC-генератора, выполненные на элементах микросхемы IC1. Схемотехнические решения этих генераторов практически идентичны. При этом первый генератор, который является опорным, собран на элементе IC1.1, а второй, измерительный или перестраиваемый генератор, выполнен на элементе IC1.2.

Рабочая частота опорного генератора определяется параметрами элементов, образующих его колебательный контур, то есть емкостями конденсаторов С1 и С2, а также индуктивностью катушки L1. В контуре измерительного генератора используются конденсатор С4 и поисковая катушка L2. При этом оба генератора настроены на рабочую частоту примерно 100 кГц.

При приближении поисковой катушки L2 колебательного контура перестраиваемого генератора к металлическому предмету ее индуктивность изменяется, что вызывает изменение рабочей частоты генератора. При этом, если вблизи катушки L2 находится предмет из черного металла, ее индуктивность увеличивается, что приводит к уменьшению частоты генератора. Цветной металл уменьшает индуктивность катушки L2, а рабочая частота генератора возрастает.

С выходов генераторов колебания ВЧ подаются на соответствующие входы смесителя, выполненного на элементе IC1.3 (выводы IC1/5,6). Нагрузкой смесителя является резистор R5, который одновременно выступает в роли регулятора громкости.

Затем сигнал низкой частоты через резистор R6 и конденсатор С8 поступает на усилитель НЧ, собранный на элементе IC1.4, и далее – на головные телефоны BF1.

Питание на микросхему IC1 подается от источника В1 напряжением 9 В через фильтр, образованный конденсаторами С10 и С11.

Детали и конструкция

Все детали рассматриваемого металлоискателя (за исключением поисковой катушки L2, резистора R5, разъемов Х1 и Х2, а также выключателя S1) размещены на печатной плате размерами 50х50 мм (рис. 3.9), изготовленной из одностороннего фольгированного гетинакса или текстолита.

Рис. 3.9. Печатная плата (а) и расположение элементов (б) металлоискателя на микросхеме К176ЛП2

К деталям, применяемым в данном устройстве, не предъявляются какие-либо особые требования. Рекомендуется использовать любые малогабаритные конденсаторы и резисторы, которые без проблем можно разместить на печатной плате. При этом плата рассчитана на установку постоянных резисторов типа МЛТ-0,125 или других малогабаритных (например МЛТ-0,25 или ВС-0,125). Конденсаторы С2-С7 могут быть типа КТ-1, конденсаторы С8-С10 – типа КМ-4 или К10-7В, а конденсатор С11 – типа К50-6.

В качестве конденсатора С1 рекомендуется использовать любой конденсатор переменной емкости от малогабаритного радиоприемника (например от транзисторного приемника «Мир»). Можно использовать и подстроечные конденсаторы типа КПК-3 емкостью 25-150 пФ. Максимальная емкость конденсатора С1 должна быть не менее 150 пФ.

Переменный резистор R5 может быть любым малогабаритным, однако в качестве такого регулятора не рекомендуется использовать резисторы, механически соединенные с выключателем питания S1.

Катушка L1 контура опорного генератора выполнена на каркасе из кольцевого магнитопровода типа 600НН К8х6х2 и содержит 180 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,14 мм, которые равномерно наматываются по всему периметру магнитопровода.

Поисковая катушка L2 содержит 100 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,27 мм и выполнена в виде кольца диаметром 230–250 мм. Эту катушку проще изготовить на жестком каркасе, однако можно обойтись и без него. В таком случае в качестве временного каркаса можно использовать любой подходящий по размерам круглый предмет. Витки катушки наматываются внавал, после чего снимаются с каркаса и с целью повышения механической прочности пропитываются эпоксидным клеем. Затем катушка L2 экранируется электростатическим экраном, представляющим незамкнутую ленту из алюминиевой фольги, намотанную поверх жгута витков. Щель между началом и концом намотки ленты (зазор между концами экрана) должна составлять не менее 15–20 мм. При изготовлении катушки L2 нужно особенно следить за тем, чтобы не произошло замыкание концов экранирующей ленты, поскольку в этом случае образуется короткозамкнутый виток. Для защиты от повреждений фольгу можно обмотать одним-двумя слоями изоляционной ленты.

Источником звуковых сигналов могут служить высокоомные головные телефоны типа ТОН-2, ТА-4 или аналогичные.

В качестве источника питания В1 можно использовать, например, батарейку «Крона» или две батарейки типа 3336Л, соединенные последовательно.

Печатная плата с расположенными на ней элементами и источник питания размещаются в любом подходящем металлическом корпусе. На крышке корпуса устанавливаются переменный резистор R5, разъем Х1 для подключения головных телефонов BF1, разъем Х2 для подключения поисковой катушки L2 и выключатель S1.

Налаживание

Данный прибор следует настраивать в условиях, когда металлические предметы удалены от поисковой катушки L2 на расстояние не менее 1,5 м.

С помощью частотомера или осциллографа необходимо настроить рабочие частоты опорного и измерительного генераторов. Частота опорного генератора устанавливается равной примерно 100 кГц подбором емкости конденсатора С2 и при необходимости регулировкой сердечника катушки L1. Предварительно ротор конденсатора С1 следует установить примерно в среднее положение. Далее подбором емкости конденсатора С4 частота измерительного генератора выбирается так, чтобы ее значение отличалось от частоты опорного генератора примерно на 500-1000 Гц.

На этом процесс настройки прибора заканчивается.

Порядок работы

При практическом использовании данного прибора следует переменным конденсатором С1 поддерживать необходимую частоту сигнала биений, которая может изменяться под влиянием различных факторов (например при изменении магнитных свойств грунта, температуры окружающей среды или разряде батареи).

Если в процессе работы в зоне действия поисковой катушки L2 окажется какой-либо металлический предмет, то частота сигнала в телефонах изменится. При приближении к одним металлам частота сигнала биений будет увеличиваться, при приближении к другим – уменьшаться. По изменению тона сигнала биений, имея определенный опыт, можно легко определить, из какого металла, магнитного или немагнитного, изготовлен обнаруженный предмет.

С помощью данного прибора мелкие предметы (например монету средних размеров) можно обнаружить на глубине до 50 мм, а крышку канализационного люка – на глубине до 0,4 м.

3.6. Металлоискатель на трех микросхемах

В предыдущих разделах данной главы, при рассмотрении конструкций металлодетекторов типа BFO (Beat Frequency Oscillator), в которых опорный и измерительный генераторы были собраны на элементах одной микросхемы, уже отмечались недостатки, свойственные подобным схемотехническим решениям. В первую очередь к ним относится возникновение паразитных связей между отдельными элементами внутри кристалла микросхемы, устранить которые практически невозможно. Именно поэтому в таких металлоискателях приходится выбирать частоту биений более 100–300 Гц, что неизбежно приводит к снижению чувствительности прибора. Поэтому все более популярными становятся устройства, работающие на основе анализа сигнала биений, в которых опорный и измерительный генераторы собраны на отдельных микросхемах.

Принципиальная схема

Предлагаемый прибор представляет собой один из вариантов металлодетекторов типа BFO (Beat Frequency Oscillator), то есть является устройством, в основу которого положен принцип анализа биений двух сигналов, близких по частоте. При этом в данной конструкции оценка изменения частоты биений осуществляется на слух.

Основу данного устройства (рис. 3.10) составляют опорный и измерительный генераторы, согласующие каскады, смеситель и схема акустической индикации.

Рис. 3.10. Принципиальная схема металлоискателя на трех микросхемах

В рассматриваемой конструкции в качестве опорного и измерительного генераторов использованы два простых LC-генератора. Схемотехнические решения этих генераторов практически идентичны. При этом опорный генератор собран на элементах IC1.1 и IC1.2 микросхемы IC1, а второй, измерительный или перестраиваемый, генератор выполнен на элементах IC2.1 и IC2.2 микросхемы IC2. Рабочая частота опорного генератора определяется параметрами элементов, образующих его колебательный контур, то есть емкостями конденсаторов С1, С3, С5 и С6, а также индуктивностью катушки L1. В контуре измерительного генератора используются конденсаторы С2, С4, С7, С8 и поисковая катушка L2. При этом оба генератора настроены на рабочую частоту примерно 300 кГц.

Каскады, выполненные на элементах IC1.3 и IC2.3, обеспечивают развязку между генераторами по переменному напряжению, а также ослабляют влияние смесителя на генераторы.

С выходов буферных каскадов сигналы ВЧ через конденсаторы С11 и С12 подаются на смеситель и далее на усилитель колебаний разностной частоты, которые выполнены на микросхеме IC3.

Затем сигнал биений поступает на головные телефоны BF1. При этом конденсатор С15 обеспечивает фильтрацию высокочастотной составляющей сигнала.

Питание на микросхемы подается от источника В1 напряжением 9 В через фильтр, образованный конденсаторами С16 и С17.

При приближении поисковой катушки L2 колебательного контура перестраиваемого генератора к металлическому предмету ее индуктивность изменяется, что вызывает изменение рабочей частоты генератора. Если вблизи катушки L2 находится предмет из магнитного металла, ее индуктивность увеличивается, что приводит к уменьшению частоты генератора. Цветной металл уменьшает индуктивность катушки L2, а рабочая частота генератора возрастает. По изменению частоты сигнала биений в головных телефонах можно сделать вывод о появлении в зоне действия поисковой катушки металлического предмета, а по увеличению или понижению тона – из какого металла изготовлен обнаруженный предмет.

Детали и конструкция

Все детали рассматриваемого металлоискателя (за исключением поисковой катушки L2, разъемов Х1 и Х2, а также выключателя S1) расположены на печатной плате размерами 60х50 мм (рис. 3.11), изготовленной из одностороннего фольгированного гетинакса или текстолита.

Рис. 3.11. Печатная плата (а) и расположение элементов (б) металлоискателя на трех микросхемах

К деталям, применяемым в данном устройстве, не предъявляются какие-либо особые требования. Рекомендуется использовать любые малогабаритные конденсаторы и резисторы, которые без проблем можно разместить на печатной плате. При этом плата рассчитана на установку постоянных резисторов типа МЛТ-0,125 или других малогабаритных (например МЛТ-0,25 или ВС-0,125). Конденсаторы С2, С5-С7 и С8 могут быть типа КТ-1, конденсаторы С3, С4, С9-С12, С15 и С16 – типа КМ-4 или К10-7В, а конденсаторы С13 и С17 – типа К50-6.

В качестве конденсатора С1 рекомендуется использовать любой конденсатор переменной емкости от малогабаритного радиоприемника (например, от транзисторного приемника «Планета»). Можно использовать и подстроечные конденсаторы типа КПК-3 емкостью 25-150 пФ. Максимальная емкость конденсатора С1 должна быть не менее 200 пФ.

Катушка L1 контура опорного генератора выполнена на каркасе из кольцевого магнитопровода типа 600НН К8х6х2 и содержит 50 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,2 мм, которые равномерно наматываются по всему периметру магнитопровода.

Поисковая катушка L2 содержит 50 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,27 мм и выполнена в виде кольца диаметром 180–220 мм. Эту катушку проще изготовить на жестком каркасе, однако можно обойтись и без него. В таком случае в качестве временного каркаса можно использовать любой подходящий по размерам круглый предмет.

Витки катушки наматываются внавал, после чего снимаются с каркаса и с целью повышения механической прочности пропитываются эпоксидным клеем. Затем катушка L2 экранируется электростатическим экраном, представляющим незамкнутую ленту из алюминиевой фольги, намотанную поверх жгута витков. Щель между началом и концом намотки ленты (зазор между концами экрана) должна составлять не менее 15–20 мм.

...

При изготовлении катушки L2 нужно особенно следить за тем, чтобы не произошло замыкание концов экранирующей ленты, поскольку в этом случае образуется короткозамкнутый виток. Для защиты от повреждений фольгу можно обмотать одним-двумя слоями изоляционной ленты.

Источником звуковых сигналов могут служить высокоомные головные телефоны типа ТОН-2, ТА-4 или аналогичные.

В качестве источника питания В1 можно использовать, например, батарейку «Крона» или две батарейки типа 3336Л, соединенные последовательно.

Печатная плата с расположенными на ней элементами и источник питания размещаются в любом подходящем металлическом корпусе. На крышке корпуса устанавливаются: разъем Х1 для подключения головных телефонов BF1, разъем Х2 для подключения поисковой катушки L2 и выключатель S1.

Налаживание

Данный металлоискатель следует настраивать в условиях, когда металлические предметы удалены от поисковой катушки L2 на расстояние не менее 1,5 м.

Непосредственная настройка прибора заключается в выборе нужной частоты биений. Для этого рекомендуется воспользоваться осциллографом или цифровым частотомером. В первую очередь следует установить частоту опорного генератора, контролируя ее значение на выводе 10 микросхемы IC1. Частота опорного генератора устанавливается равной примерно 300 кГц подбором емкостей конденсаторов С5 и С6, а также, при необходимости, регулировкой сердечника катушки L1. Предварительно ротор конденсатора С1 следует установить примерно в среднее положение. Далее, подбирая емкость конденсатора С2, следует установить частоту измерительного генератора, контролируя ее значение на выводе 10 микросхемы IC2. При этом частота измерительного генератора выбирается так, чтобы ее значение отличалось от частоты опорного генератора примерно на 500-1000 Гц.

На этом процесс настройки прибора заканчивается.

Порядок работы

Практическое использование рассматриваемого металлодетектора не имеет существенных отличий от порядка работы с другими устройствами BFO, в которых оценка наличия металлического предмета в зоне действия поисковой катушки осуществляется на слух.

Если в процессе работы в зоне действия поисковой катушки L2 окажется какой-либо металлический предмет, то частота сигнала биений в головных телефонах изменится. При приближении к одним металлам частота сигнала будет увеличиваться, при приближении к другим – уменьшаться. По изменению тона сигнала биений, имея определенный опыт, можно легко определить, из какого металла, магнитного или немагнитного, изготовлен обнаруженный предмет.

Переменным конденсатором С1 поддерживается необходимая частота сигнала биений, которая может изменяться под влиянием различных факторов (например при изменении магнитных свойств грунта, температуры окружающей среды или разряде батареи).

С помощью данного прибора мелкие предметы (например монету средних размеров) можно обнаружить на глубине до 60–70 мм, а крышку канализационного люка – на глубине до 0,5 м.

3.7. Металлоискатель с кварцевой стабилизацией

В последнее время на прилавках радиорынков можно найти всевозможные конструкторы или наборы комплектующих деталей, приобретя которые любой желающий без особых усилий быстро соберет простейший металлодетектор. В процессе работы над данной книгой автор имел удовольствие ознакомиться с несколькими детско-юношескими конструкторами, которые можно рекомендовать и взрослым.

Основой для одного из таких наборов послужила схема металлодетектора, впервые опубликованная в конце 80-х годов прошлого столетия и после этого с различными изменениями и дополнениями не раз публиковавшаяся в различных отечественных и зарубежных изданиях.

Принципиальная схема

Рассматриваемый металлодетектор представляет собой один из многочисленных вариантов прибора типа BFO (Beat Frequency Oscillator), то есть является устройством, в основу которого положен принцип анализа биений двух частот. При этом в данной конструкции оценка изменения частоты осуществляется на слух.

...

Как известно, в определенной степени повысить чувствительность металлоискателя типа BF0 можно, если выбрать значение частоты опорного генератора в 5-10 раз больше, чем значение частоты измерительного генератора. В этом случае оценивается изменение частоты биений, которые возникают между колебаниями основной частоты опорного генератора и ближайшей по частоте гармоникой частоты измерительного генератора. В результате изменение частоты измерительного генератора под влиянием внешних воздействий всего на 10 Гц приводит к увеличению частоты разностных колебаний на 50-100 Гц.

Таким образом, при выборе частоты измерительного генератора в пределах 100–200 кГц частота опорного генератора должна составлять 500-2 000 кГц. Необходимо отметить, что частота опорного генератора должна быть стабилизирована.

Основу схемы этого прибора (рис. 3.12) составляют измерительный и опорный генераторы, буферные каскады, смеситель и схема акустической индикации.

Рис. 3.12. Принципиальная схема металлоискателя с кварцевой стабилизацией

Опорный генератор выполнен на элементах IC1.1 и IC1.2 микросхемы IC1, его рабочая частота стабилизирована кварцевым резонатором Q1 (1 МГц). Измерительный или перестраиваемый генератор выполнен на элементах IC2.1 и IC2.2 микросхемы IC2. Рабочая частота этого генератора определяется параметрами элементов, образующих его колебательный контур, то есть емкостями конденсаторов С2, С3 и варикапа D1, а также индуктивностью катушки L1. При этом изменение емкости варикапа D1 осуществляется с помощью переменного резистора R2. Рабочая частота измерительного генератора находится в пределах 200–500 кГц.

Катушка L1 колебательного контура перестраиваемого генератора является поисковой катушкой. При приближении к металлическому предмету индуктивность катушки изменяется, что приводит к изменению рабочей частоты генератора и соответственно к изменению частоты биений.

Каскады, выполненные на элементах IC1.3 и IC2.3, обеспечивают развязку между генераторами по переменному напряжению, а также ослабляют влияние смесителя на генераторы. С выходов буферных каскадов сигналы ВЧ подаются на смеситель, выполненный на элементе IC1.4. Далее сигнал биений поступает на головные телефоны BF1. При этом конденсатор С10 обеспечивает фильтрацию высокочастотной составляющей сигнала.

Питание на схему подается от источника В1 напряжением 9 В через фильтр, образованный конденсаторами С8 и С9.

Детали и конструкция

Все детали рассматриваемого прибора (за исключением поисковой катушки L1, резистора R2, разъемов Х1 и Х2, а также выключателя S1) расположены на печатной плате размерами 50х50 мм (рис. 3.13), изготовленной из одностороннего фольгированного гетинакса или текстолита.

Рис. 3.13. Печатная плата (а) и расположение элементов (б) металлоискателя с кварцевой стабилизацией

К деталям, применяемым в данном устройстве, не предъявляются какие-либо особые требования. Рекомендуется использовать любые малогабаритные конденсаторы и резисторы, которые без проблем можно разместить на печатной плате. При этом плата рассчитана на установку постоянных резисторов типа МЛТ-0,125 или других малогабаритных (например МЛТ-0,25 или ВС-0,125). Конденсаторы С2, С3, С5 и С7 могут быть типа КТ-1, конденсаторы С4, С7, С8 и С10 – типа КМ-4 или К10-7В, а конденсатор С9 – типа К50-6.

Переменный резистор R2 может быть любым малогабаритным, однако в качестве такого регулятора не рекомендуется использовать резисторы, механически соединенные с выключателем питания S1.

Кварцевый резонатор Q1 смонтирован на отдельной плате из стеклотекстолита, закрепленной параллельно основной со стороны деталей. Его частота может быть любой в пределах 0,5–1,8 МГц. Однако в том случае, если будет использоваться кварц с частотой резонанса больше 1 МГц, в некоторых источниках рекомендуется между выходом буферного элемента IC2.3 (вывод IC2/10) и соответствующим входом смесителя на элементе IC1.4 (вывод IC1/13) включить делитель частоты, понижающий образцовую частоту до 0,5–1 МГц. Такой делитель можно выполнить на микросхеме серии К176 или К561.

Поисковая катушка L1 содержит 50 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,27 мм и выполнена в виде кольца диаметром 180–220 мм. Эту катушку проще изготовить на жестком каркасе, однако можно обойтись и без него. В таком случае в качестве временного каркаса можно использовать любой подходящий по размерам круглый предмет. Витки катушки наматываются внавал, после чего снимаются с каркаса и с целью повышения механической прочности пропитываются эпоксидным клеем. Затем катушка L1 экранируется электростатическим экраном, представляющим незамкнутую ленту из алюминиевой фольги, намотанную поверх жгута витков. Щель между началом и концом намотки ленты (зазор между концами экрана) должна составлять не менее 15–20 мм. При изготовлении катушки L1 нужно особенно следить за тем, чтобы не произошло замыкание концов экранирующей ленты, поскольку в этом случае образуется короткозамкнутый виток. Для защиты от повреждений фольгу можно обмотать одним-двумя слоями изоляционной ленты.

Источником звуковых сигналов могут служить высокоомные головные телефоны типа ТОН-2, ТА-4 или аналогичные.

В качестве источника питания В1 можно использовать, например, батарейку «Крона» или две батарейки типа 3336Л, соединенные последовательно.

Печатная плата с расположенными на ней элементами и источник питания размещаются в любом подходящем металлическом корпусе. На крышке корпуса устанавливаются переменный резистор R2, разъем Х1 для подключения головных телефонов BF1, разъем Х2 для подключения поисковой катушки L1 и выключатель S1.

Налаживание

Данный прибор следует настраивать в условиях, когда металлические предметы удалены от поисковой катушки L1 на расстояние не менее 1,5 м.

Процесс настройки металлоискателя заключается в настройке измерительного генератора на частоту 100–200 кГц, что осуществляется подбором величины емкости конденсатора С2. При этом движок переменного резистора R2 должен находиться в среднем положении. Частота измерительного генератора контролируется частотомером на выходе элемента IC1.3 (вывод IC1/10). Контроль правильности выбранного значения частоты измерительного генератора осуществляется прослушиванием сигнала разностной частоты в головных телефонах. Этот сигнал должен быть достаточно громким при возможно большем соотношении частот опорного и измерительного генераторов. При необходимости для оценки амплитуды сигнала биений можно использовать осциллограф.

Порядок работы

При практическом использовании данного прибора следует переменным резистором С1 поддерживать необходимую частоту сигнала биений, которая может изменяться под влиянием различных факторов (например при изменении магнитных свойств грунта, температуры окружающей среды или разряде батареи).

Если в процессе работы в зоне действия поисковой катушки L1 окажется какой-либо металлический предмет, то частота сигнала в телефонах изменится. При приближении к одним металлам частота сигнала биений будет увеличиваться, при приближении к другим – уменьшаться. По изменению тона сигнала биений, имея определенный опыт, можно легко определить, из какого металла, магнитного или немагнитного, изготовлен обнаруженный предмет.

С помощью данного прибора мелкие предметы (например монету средних размеров) можно обнаружить на глубине до 80-100 мм, а крышку канализационного люка – на глубине до 55–65 см.

3.8. Простой импульсный металлоискатель

В последнее время сравнительно широкое распространение получили импульсные металлоискатели типа PI (Puis Induction), в которых для оценки наличия металлических предметов в зоне поиска используется явление возникновения вихревых поверхностных токов в металлическом предмете под воздействием внешнего электромагнитного поля.

В металлодетекторах типа PI импульсный сигнал подается на передающую катушку, в которой инициируется переменное электромагнитное поле. При появлении в зоне действия этого поля металлического предмета на его поверхности периодически, под воздействием импульсного сигнала, возникают вихревые токи. Эти токи и являются источником вторичного сигнала, который принимается приемной катушкой. Благодаря явлению самоиндукции форма вторичного сигнала будет отличаться от формы излученного передающей катушкой импульса. При этом отличия в параметрах вторичного импульсного сигнала и используются для анализа с последующим формированием данных для блока индикации. Во всех известных автору импульсных металлодетекторах оценивается изменение формы заднего фронта вторичного импульса. О достоинствах и недостатках импульсных детекторов металлических предметов коротко было рассказано в первой главе предлагаемой книги.

Следует признать, что с каждым годом количество различных схемотехнических решений металлоискателей типа PI значительно увеличивается. Однако ограниченный объем данного издания не позволяет подробно рассмотреть даже самые интересные конструкции. Поэтому автор решил ознакомить читателей лишь с несколькими приборами этого типа.

...

В рассматриваемом в этом разделе устройстве используется микропроцессор с соответствующим программным обеспечением. К сожалению, к моменту издания этой книги опубликовать на 100 % работоспособную версию его прошивки не представилось возможным. Поэтому заинтересованные и подготовленные читатели имеют возможность проверить свои силы в создании прошивки для микроконтроллера. Автор ни секунды не сомневается в том, что российские умельцы с честью справятся с этой задачей.

Тем не менее, по мнению автора, конструкция предлагаемого металлоискателя достаточно сложна для повторения начинающими радиолюбителями. Также следует упомянуть и о сложностях, возникающих при регулировке этого устройства. Необходимо особо обратить внимание на то, что ошибки при монтаже и некорректная настройка прибора могут привести к выходу из строя дорогостоящих элементов.