Металлоискатель с детектором на основе ФАПЧ
Принцип действия описываемого металлоискателя основан на сравнении частот опорного и перестраиваемого генераторов с помощью системы фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ). При этом частота перестраиваемого генератора изменяется под воздействием на его колебательный контур искомого металлического предмета.
По сравнению с металлоискателями на биениях, в данном устройстве удается получить более высокую чувствительность. Так, расстояние обнаружения для медного диска 025 х 1 мм составляет 20 см, для стального диска 0400 х 4 мм - 85 см, крышку колодца диаметром 600 мм прибор обнаруживает на расстоянии 1 м.
Указанные расстояния измеряли в воздухе, при этом показания индикатора соответствовали не менее 10 % шкалы. В реальных условиях, из-за влияния грунта, медный диск 025 мм удавалось обнаружить на глубине до 15 см. Влияние грунта заключается в уменьшении частоты генератора при приближении датчика, в то время как приближение к металлическому объекту вызывает ее увеличение.
Прибор имеет два режима работы. В статическом режиме удобно вести поиск больших предметов, расположенных глубоко, а также определять точное местонахождение больших и малых предметов. Динамический режим (режим компенсации нуля) предназначен для поиска малых предметов, расположенных неглубоко, при этом уменьшается влияние грунта. В динамическом режиме необходимо перемещать датчик со скоростью около 0,5 м/с относительно искомого предмета. Устройство может питаться от источника 9-12 В, ток потребления не более 20 мА.
Структурная схема
Структурная схема прибора показана на рис.1. Фазовый детектор (ФД) сравнивает фазы колебаний опорного (ГО) и перестраиваемого (Г) генераторов. В зависимости от разности фаз вырабатывается напряжение ошибки, которое усиливается усилителем (У), фильтруется в фильтре нижних частот (ФНЧ) и управляет частотой перестраиваемого генератора.
Если разность частот невелика, то частоты генераторов синхронизируются. Для увеличения чувствительности напряжение ошибки усиливается в усилителе постоянного тока (У) и подается на индикатор. При точном соответствии частот генераторов показания индикатора равны нулю.
Принципиальная схема
Принципиальная схема металлоискателя изображена на рис.2. Перестраиваемый генератор выполнен на транзисторе VT1 по схеме емкостной трехточки. Колебательный контур состоит из поисковой катушки L1, конденсаторов С2, С3, С7, С8, а также емкости варикапов VD1, VD2. Переменным резистором R1 и варикапом VD1 производится коррекция нуля.
Варикап VD2 используется в цепи обратной связи ФАПЧ. На транзисторе VT2 собран истоковый повторитель, который исключает влияние остальной части схемы на работу генератора. Микросхема DA1 выполняет функции фазового детектора, генератора опорной частоты, а также усилителя.
Опорный генератор стабилизирован кварцевым резонатором Z1, он работает на частоте 100 кГц. В результате сравнения сигнала перестраиваемого генератора, который поступает на вывод 7 DA1, и сигнала генератора опорной частоты на выводах 2 и 3 DA1 образуется напряжение ошибки.
Через ФНЧ, выполненный на С17-С19, R10, R11, напряжение ошибки поступает на вход усилителя постоянного тока DA2, а также на управление частотой перестраиваемого генератора (варикап VD2). Усилитель имеет коэффициент усиления около 50, который можно изменять резистором R14.
Переключатель SA1 служит для включения режима динамической индикации, при этом, благодаря С20, через измерительный прибор не проходит постоянная составляющая напряжения. Для повышения стабильности работы металлоискателя напряжение питания стабилизировано DA3.
Детали и конструкция
Схема прибора смонтирована на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, верхний слой фольги используется в качестве общего провода. Плату помещают в металлический экран из латуни или луженой жести.
Резистор R1 многооборотный типа СП5-39Б, остальные - МЛТ. Резисторы R10, R11; R12, R13; R16, R17 необходимо отобрать по парам. Конденсатор С2 с воздушным диэлектриком типа 1КПВМ; С3 с группой ТКЕ - М47; С4, С6, С7, С8 - слюдяные типа К31-11 или КСО с группой Г; С9, С13-С15, С18, С19 - К73-9; остальные типа КМ; электролиты - К50-35. С20 - неполярный - К53-7 или составленный из двух полярных . Микроамперметр с нулем в средине, рассчитан на ток полного отклонения 100 мкА.
Поисковая катушка металлоискателя намотана на каркас из нефольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис.3,а). Средний диаметр катушки 200 мм.
В диске из стеклотекстолита выпиливают одиннадцать пазов шириной не более 1 мм. При большей ширине паза ухудшается качество намотки (происходит наползание витков).
Перед намоткой острые края каждого паза обрабатывают надфилем. На расстоянии 50 мм от центра необходимо просверлить четыре отверстия диаметром 0,8 мм для закрепления провода.
На каркас с небольшим натяжением наматывают 60 витков провода ПЭВ-2 0,3. В средине каждого сектора витки можно зафиксировать с помощью полосок из липкой ленты. К закрепленным в отверстиях концам катушки припаивают выводы из много- жильного провода, например МГТФ.
Для электростатического экранирования используют два экрана (рис.3,б), изготовленные из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. На рисунке изображен верхний экран, нижний отличается отсутствием отверстия диаметром 8 мм, предназначенного для выводов катушки.
Всю конструкцию склеивают эпоксидным клеем, при этом катушку помещают между экранами, расположенными фольгой наружу. Для центровки и предварительной фиксации используют винт МЗ, который проходит через центровые отверстия всех деталей.
Чтобы клей заполнил все пустоты, поисковую катушку после нанесения клея и ее сборки, по торцу следует обмотать изоляционной лентой. До полного отвердевания клея катушку необходимо поместить под небольшой груз (1-2 кг).
Основное давление груза должно прикладываться равномерно по всему периметру намотки. Излишки клея могут выходить через отверстия для выводов катушки, периодически их необходимо снимать.
После отвердевания клея центровочный винт убирают, на зазор, расположенный в нижнем экране, с помощью эпоксидного клея наклеивают полосу из нефольгированного стеклотекстолита шириной 10 мм. Верхний и нижний экраны соединяют медной полосой фольги шириной 3 мм по торцу катушки в одной точке, противоположной зазору.
Для удобства хранения и транспортирования металлоискателя поисковая катушка выполнена съемной и снабжена коаксиальным разъемом СР-75-166 ФВ, который является одновременно и элементом крепления к штанге. Сам разъем установлен на переходной шайбе, изготовленной из ге-тинакса или текстолита, под углом примерно 30° к плоскости катушки, с помощью винтов МЗ.
Такая конструкция поисковой катушки обеспечивает необходимую жесткость и стабильность параметров при механических деформациях. Штангой прибора служит текстолитовая труба внешним диаметром 25-30 мм (можно использовать секцию от телескопической удочки).
В верхней части штанги укрепляют смонтированный вместе с органами управления измерительный блок. К ее противоположному концу крепят ответную часть коаксиального разъема. Разъем с измерительным блоком необходимо соединить коаксиальным кабелем.
Если для питания металлоискателя используют элементы типа 316, то их можно расположить внутри штанги.
Налаживание
Налаживание устройства сводится к подбору резистора R5 в цепи обратной связи перестраиваемого генератора и установке его частоты, равной 100 кГц. Для этого резистор R1 и конденсатор С2 устанавливают в средние положения, а вместо R5 необходимо припаять подстроенный резистор сопротивлением 4,7 кОм.
Сопротивление резистора R5 должно быть на 30% меньше того, при котором наступает срыв генерации. Сигнал контролируют осциллографом на истоке VT2, форма сигнала при подобранном R5 близка к синусоидальной.
Грубая установка частоты заключается в подборе конденсатора СЗ, точная -после закрывания крышек экрана, регулировкой конденсатора С2 по нулевым показаниям индикатора. В процессе регулировки необходимо следить, чтобы рядом с поисковой катушкой не находились металлические предметы.
В.Н. Волицкий, г. Мелитополь, Запорожская обл., Украина.