В помощь радиолюбителю. Выпуск 10

Основу данной конструкции составляет микросхема НТ8030В от фирмы HOLTEK, изготовленная по технологии CMOS. Питание генератора осуществляется от источника напряжения величиной от 2,5 В до 5 В. Поскольку ток покоя, потребляемый устройством, не превышает 1 мкА, его можно не выключать. В памяти микросхемы записан реальный звук лая собаки в качестве PCM-образца. Этот сигнал преобразован 8-битовым D/A преобразователем в аналоговый сигнал, который усиливается транзистором Т1 и подается на репродуктор.

Величина сопротивления резистора R1 определяет частоту внутреннего генератора, что позволяет изменять скорость воспроизведения и звуковой оттенок фонограммы. Пусковая кнопка замыкает на корпус один из выводов микросхемы IO1, выбираемых с помощью перемычек J1 и J2. При установке перемычки J1 будет воспроизводиться один цикл лая, а при установке перемычки J2 лай будет повторяться два раза. Если кнопку TL нажать и не отпускать, звуковой сигнал будет повторяться непрерывно.

Для установки микросхемы используется панелька типа DIL16, конденсатор С1 на плате установлен в «лежачем» положении. В качестве репродуктора RE следует использовать громкоговоритель с диаметром диффузора не менее 5 см, поскольку с меньшими размерами динамика звук становится нереальным. Транзистор типа ВС548 можно заменить транзистором типа КС238. Сопротивление резистора R1 может изменяться в пределах от 100 КОм до 120 КОм. Активация генератора осуществляется как с помощью кнопки TL, так и от внешнего источника управляющего сигнала.

6.2. Игрушка-пищалка [15]

Предлагаемая игрушка-пищалка представляет собой маленькую коробочку, которая с периодичностью примерно в 90 секунд выдает короткий звуковой сигнал, похожий на писк грызунов, например мышей. Если такую игрушку разместить в укромном месте, например в одной из комнат квартиры или в офисе, то можно будет наблюдать реакцию членов семьи или коллег по работе на появление таких сигналов в самый неожиданный момент. Принципиальная схема игрушки-пищалки приведена на рис. 18.

Рис. 18. Принципиальная схема игрушки-пищалки

Основу данного устройства составляют два генератора, выполненных на каскадах одной микросхемы типа LM393 (IO1). Первый генератор (IO1В) обеспечивает необходимый период повторов и длительность звукового сигнала. Период повторения сигнала определяется временем, необходимым для зарядки конденсатора С1 через резистор R1. Длительность звукового сигнала зависит от времени, необходимого для разрядки конденсатора С1 через открытый транзистор Т1 и резистор R6 после переключения элемента IO1В.

В процессе разрядки конденсатора С1 через открытый транзистор Т1 происходит активация второго генератора, выполненного на каскаде IO1А, который генерирует сигнал звуковой частоты. Высота тона этого сигнала определяется параметрами конденсатора С2 и резистора R9. Звуковой сигнал излучается электродинамическим репродуктором SP1, имеющим сопротивление 8 Ом. Питание устройства осуществляется от двух пальчиковых батареек общим напряжением 3 В, потребляемый ток — около 3 мА Для достижения минимальных размеров устройства его можно питать от литиевого элемента напряжением 3 В. Однако при этом необходимо снизить потребляемый ток, заменив репродуктор SP1 на пьезоэлемент и одновременно увеличив величину сопротивления резистора R10 до 100 КОм. Транзисторы Т1 и T2 можно заменить любыми широко распространенными универсальными транзисторами соответственно прямой и обратной проводимости.

Приложение

КЛАССИФИКАЦИЯ И ВИДЫ МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЕЙ

Адаменко М. [16]

С первыми упоминаниями о радиоэлектронных приборах, специально разработанных для обнаружения металлических предметов, расположенных на небольшой глубине под поверхностью земли, автор столкнулся при изучении материалов о ходе боевых действий в начальный период для многих неизвестной войны между Советским Союзом и Финляндией в 1939 году. Именно тогда при проведении наступательных операций Красная Армия столкнулась с довольно обширными и практически непроходимыми минными полями не только на равнинных пространствах, но и в карельских лесах.

Спустя несколько дней после начала войны группа инженеров получила государственный заказ на разработку специального прибора, с помощью которого можно было бы обнаруживать мины под небольшим слоем земли или снега.

Следует отметить, что срок исполнения заказа был весьма ограничен. Однако по утвердившейся в те годы традиции заказ был выполнен досрочно и с высоким качеством. По некоторым данным, от момента начала работ до первых удачных испытаний образца, предназначенного для серийного производства, прошло всего три недели. Этот прибор и был первым известным автору металлоискателем. Правда, тогда он имел более конкретное название — миноискатель.

К сожалению, имена специалистов, создавших первый отечественный металлоискатель, автору уточнить не представилось возможным. Тем не менее значение их научного и трудового подвига от этого не становится менее важным.

С тех пор прошло много лет. В настоящее время на вооружении всех армий мира можно встретить самые разнообразные миноискатели. Глобальные изменения претерпела элементная база, значительно пополнилась копилка теоретических изысканий, свой вклад в развитие металлоискателей внесла и практика их повседневного использования.

Без преувеличения можно утверждать, что устройства, с помощью которых можно относительно легко и быстро обнаружить металлические предметы в различных средах (почва, вода, бетон, дерево, снег и т. п.) в сравнительно широком диапазоне глубины залегания (от нескольких миллиметров до нескольких метров), всегда были и будут востребованы не только профессионалами. В данном контексте под профессионалами автор имеет в виду не только представителей силовых структур, но и строителей, работников коммунальных служб, а также представителей других профессий, которым металлоискатели (металлодетекторы) просто необходимы в повседневной деятельности. Такие приборы стали неотъемлемой частью экипировки и любого уважающего себя кладоискателя. Особо следует отметить, что использование металлоискателей участниками поисковых отрядов значительно облегчает выполнение их благородной миссии на полях былых сражений.

Как всегда, спрос рождает предложение. Поэтому на прилавках специализированных магазинов выбор всевозможных металлоискателей также практически неограничен. Помимо этого, все желающие могут собрать такое устройство самостоятельно, воспользовавшись рекомендациями, которые можно найти в специализированных изданиях.

П. 1. Классификация металлоискателей

Классификация современных металлоискателей, иногда называемых детекторами металлических предметов или металлодетекторами, обычно проводится с использованием нескольких основополагающих критериев.

В зависимости от сложности и функциональных возможностей металлоискатели можно условно разделить на простые, полупрофессиональные и профессиональные. В современной литературе чаще всего можно встретить описания простых или любительских конструкций, изредка — полупрофессиональных. С описанием некоторых профессиональных приборов, принципами их построения, а также с различными методиками проведения поисковых работ можно ознакомиться пока лишь в зарубежных изданиях.

Помимо этого в зарубежной литературе, к примеру, часто можно встретиться с классификацией электронных детекторов металлических предметов, основанной на оценке используемого сигнала. В зависимости от того, какой сигнал формируется и обрабатывается в конкретном устройстве, металлоискатели условно подразделяются на несколько категорий.

В первую категорию входят приборы, работающие с непрерывным (аналоговым) сигналом в резонансном или частотном режиме. В большинстве встречавшихся автору конструкций этот сигнал имел синусоидальную форму. Иногда такие устройства называют металлодетекторами группы FD (Frequency Domain).

Ко второй категории отнесены приборы, использующие импульсный сигнал с последующей оценкой изменения его параметров во времени. Такие детекторы металлических предметов иногда называют устройствами группы TD (Time Domain).

В отдельную категорию можно выделить различные магнитометры. В основу этих металлодетекторов положен принцип измерения изменений магнитного поля под влиянием металлических предметов. К сожалению, подробное рассмотрение принципов построения и особенностей конструкции магнитометров выходит за рамки настоящего издания.

Помимо этого существует весьма обширная категория так называемых устройств специального назначения. Приборы, входящие в эту группу, было бы правильно называть не детекторами металлических предметов, а просто детекторами предметов, поскольку в таких устройствах анализируются аномалии электромагнитного поля Земли, вызванные любым находящимся в почве предметом, в том числе и неметаллическим. Появление и дальнейшее бурное развитие таких приборов было обусловлено использованием на различных театрах военных действий пластиковых (бескорпусных) мин. Следует признать, что упомянутые устройства специального назначения достаточно сложны и дороги. Поэтому подробное рассмотрение принципов построения и особенностей конструкции таких приборов также выходит за рамки настоящего издания.

Необходимо отметить, что в некоторых источниках можно встретить классификацию металлодетекторов, проводимую на основе оценки диапазона частот, в котором работает данное устройство. Так, например, приборы, обозначаемые сокращением VLF (Very Low Frequency), работают в диапазоне частот от 3 кГц до 30 кГц. Устройства, использующие частоты от 30 кГц до 300 кГц, обозначаются сокращением LF (Low Frequency). Для детекторов, работающих на частотах от 300 кГц до 3 МГц, применяют сокращение MF (Medium Frequency), а для приборов с рабочей частотой в диапазоне от 3 МГц до 30 МГЦ — сокращение HF (High Frequency).

Существуют и другие системы классификации детекторов металлических предметов. Однако при рассмотрении отдельных конструкций в предлагаемой книге автор старался придерживаться приведенных выше критериев.

Металлоискатели категории FD

Большинство известных автору конструкций металлоискателей принадлежат к приборам категории FD (Frequency Domain) и используют принцип оценки изменения электрического поля под влиянием металлического предмета. Общим признаком таких устройств является активная катушка, формирующая электрическое поле. Тем не менее из этого правила существует и исключение — детекторы металлических предметов, работающие по принципу «передача-прием».

В них используются две катушки: передающая и приемная. Отдельные конструкции металлодетекторов группы FD отличаются способом анализа изменения параметров поля под влиянием близко расположенных металлических предметов, а также критериями оценки этих изменений.

Среди приборов категории FD наиболее распространенными благодаря простоте схемотехнических решений являются детекторы металлических предметов, в основу которых положен принцип измерения частоты биений, возникающих при сложении двух близких по частоте сигналов. В специализированной литературе такие устройства часто называют металлоискателями BFO (Beat Frequency Oscillator). Необходимо признать, что при поиске металлов со слабыми ферромагнитными свойствами, таких, как, например, медь, олово или серебро, металлоискатели BFO обладают меньшей чувствительностью по сравнению с приборами, работа которых основана на других принципах.

Металлодетекторы, в которых используется принцип измерения девиации частоты опорного генератора под влиянием металлических предметов, попавших в зону действия поисковой катушки, можно выделить в группу устройств, называемых металлоискателями на основе частотомера. В специализированной литературе такие приборы иногда обозначают сокращением FM (Frequency Meter). Можно утверждать, что в настоящее время, в связи с развитием элементной базы, устройства такого типа переживают второе рождение.

В специальной литературе можно встретить схемы детекторов металлических предметов, в основу которых положен так называемый внерезонансный, или околорезонансный, принцип. В этих устройствах изменение частоты и амплитуды измерительного генератора анализируется с помощью фильтра, настроенного на околорезонансную частоту, то есть на спаде его характеристики. Такие приборы иногда обозначают сокращением OR (Off Resonance).

Отдельную группу составляют мостовые детекторы металлических предметов. Особенность схемы таких приборов состоит в том, что измерительная (поисковая) катушка включается в одно из плеч измерительного моста (на резонансной или околорезонансной частоте). При этом оценивается изменение напряжения на диагонали реактивного сопротивления.

В последнее время значительно повысился интерес к детекторам металлических предметов, функционирование которых основано на так называемом принципе «передача-прием». Следует учесть, что в широком смысле этого словосочетания к металлоискателям, использующим принцип «передача-прием», относятся не только устройства, работающие с непрерывным сигналом (категории FD), но и приборы, использующие импульсный сигнал (категории TD). Главное различие этих двух групп металлодетекторов заключается не только в форме используемого сигнала. Устройства, работающие с синусоидальным сигналом, оснащены двумя катушками — передающей и приемной. При этом система катушек сбалансирована до нулевой взаимной индукции. Поэтому часто такие приборы называют балансными металлодетекторами. В зарубежной литературе такие металлоискатели обычно обозначают сокращением TR-IB (Transmitter Receiver — Induction Balance) или просто TR. В устройствах типа TR-IB в процессе поиска на принимающую катушку поступает сигнал, инициированный вихревыми токами, возникающими в металлическом предмете под воздействием передающего сигнала. Анализ параметров принятого сигнала (к примеру, амплитуда и сдвиг фазы) и является источником информации о наличии и особенностях металлических предметов, обнаруженных в зоне работы прибора.

Существуют и другие группы металлоискателей категории FD. Однако ограниченный объем данного издания не позволяет подробно рассмотреть принципы их функционирования. С особенностями построения и работы таких устройств можно ознакомиться в специализированной литературе.

Металлоискатели категории TD

Среди детекторов металлических предметов, использующих импульсный сигнал с последующей оценкой его изменения во времени и принадлежащих к сравнительно новой категории TD (Time Domain), также можно выделить несколько базовых групп.

К первой группе относятся так называемые радиолокационные металлоискатели. В таких устройствах оцениваются параметры микроволнового сигнала, отраженного от металлического предмета. При этом амплитуда отраженного сигнала зависит не только от размеров предмета, но и от проводимости материала. Помимо амплитуды анализируется и задержка отраженного сигнала, несущая информацию о глубине залегания металлического предмета.

Вторую группу металлодетекторов категории TD составляют устройства, в которых в качестве излучаемого сигнала также используется импульсный сигнал. Однако длительность этих импульсов значительно больше, чем в радиолокационных металлоискателях. При этом обеспечивается возбуждение в металлическом предмете вихревых токов, информация о которых анализируется в соответствующих каскадах. Такие приборы иногда обозначают сокращением TR-PI (Transmitter Receiver — Puls Induction) или просто PI.

Следует отметить, что в основу функционирования всех рассмотренных выше устройств из этой категории положен принцип «передача-прием». Однако основное конструктивное отличие, к примеру, металлодетекторов типа TR-PI от устройств типа TR-IB заключается в том, что в импульсных приборах в качестве приемной и передающей может использоваться одна и та же катушка.

П. 2. Принципы построения металлоискателей

При первой же попытке провести классификацию детекторов металлических предметов можно сделать безошибочный вывод о том, что в настоящее время существует довольно значительное число базовых принципов, основанных на разных физических явлениях, положенных в основу самых разнообразных конструкций металлоискателей. Следует отметить, что в последнее время в связи с развитием элементной базы появилась возможность практической реализации идей, воплощение которых ранее считалось маловероятным.

В связи с ограниченным объемом данной статьи далее будут рассмотрены лишь некоторые из наиболее популярных видов металлоискателей.

Металлоискатели FM

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. Наиболее просто можно изменить индуктивность катушки, для этого достаточно, к примеру, поместить вблизи нее предмет из соответствующего металла. Именно это физическое явление и положено в основу конструкции детекторов металлических предметов, работающих по принципу изменения частоты. В специализированной литературе такие устройства часто называют металлоискателями FM (Frequency Meter).

Необходимо отметить, что, несмотря на то что влияние металлических предметов на резонансную частоту контура, помещаемых в зону возбуждаемого катушкой поля, давно известно, практическая реализация таких приборов до недавнего времени была довольно затруднительна. 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.

Упрощенная блок-схема металлоискателя, работающего по принципу' частотомера, приведена на рис. 19.

Рис. 19. Упрощенная блок-схема металлоискателя, работающего по принципу частотомера

При появлении в зоне возбуждаемого измерительной катушкой электромагнитного поля металлического предмета происходит изменение резонансной частоты контура опорного генератора. 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.

Металлоискатели BFO

Благодаря простоте схемотехнических решений металлоискатели типа BFO (Beat Frequency Oscillator) или, иными словами, использующие принцип биений, получили широкое распространение. В основу этих устройств положено явление формирования биений, возникающих при смешивании двух близких по частоте сигналов.

В металлодетекторах BFO применяются 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.

Упрощенная блок-схема металлоискателя, работающего по принципу биений, приведена на рис. 20.

Рис. 20. Упрощенная блок-схема металлоискателя, работающего по принципу биений

При появлении в зоне возбуждаемого поисковой катушкой электромагнитного поля металлического предмета 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. Данный факт 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.

Металлоискатели OR

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 частоте подаваемого на него сигнала опорного генератора. Главным достоинством таких устройств, иногда обозначаемых сокращением OR (Off Resonance), являются простота и надежность.

Упрощенная блок-схема металлоискателя, работающего на околорезонансной частоте, приведена на рис. 21.

Рис. 21. 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 в зоне возбуждаемого измерительной катушкой электромагнитного поля металлического предмета 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.

Металлоискатели TR-IB

Как уже отмечалось, в последнее время особой популярностью пользуются металлоискатели TR-IB (Transmitter Receiver — Induction Balance), или просто TR, в основу которых положен принцип «прием-передача». В таких устройствах, называемых балансными металлодетекторами, система катушек сбалансирована до нулевой взаимной индукции.

Главной особенностью устройств TR-IB является тот факт, что на приемную катушку поступает не отраженный сигнал передатчика, а сигнал, источником которого являются вихревые токи, возбуждаемые на поверхности металлического предмета.

Упрощенная блок-схема металлоискателя, работающего по принципу «передача-прием», приведена на рис. 22.