Схема металлоискателя на биениях

Предлагаемый металлоискатель предназначен для "ближнего" поиска предметов. Он собран по простейшей схеме. Прибор компактен и несложен в изготовлении. Глубина обнаружения составляет:

• монета 0,25мм............5 (см)
• пистолет....................10 (см)
• каска..........................20 (см)

Структурная схема

Структурная схема изображена на рис.21. Она состоит из нескольких функциональных блоков. Кварцевый генератор является источником прямоугольных импульсов стабильной частоты. К измерительному генератору подключен колебательный контур, в состав которого входит датчик - катушка индуктивности. Выходные сигналы обоих генераторов поступают на входы синхронного детектора, который на своем выходе формирует сигнал разностной частоты. Этот сигнал имеет приблизительно пилообразную форму. Для удобства дальнейшей обработки сигнал синхронного детектора преобразуется с помощью триггера Шмидта в сигнал прямоугольной формы. Устройство индикации предназначено для формирования звукового сигнала разностной частоты с помощью пьезоизлучателя и для визуального отображения величины этой частоты с помощью светодиодного индикатора.

Рис.21. Структурная схема металлоискателя на биениях

Принципиальная схема разработанного автором металлоискателя на биениях изображена на рис.22.

Кварцевый генератор

Имеет схему, аналогичную со схемой генератора металлоискателя по принципу "передача-прием", но реализованную на инверторах D1.1-D1.3. Частота генератора стабилизирована кварцевым или пьезокерамическим резонатором Q с резонансной частотой 2^l5(Гц) » 32(кГц) ("часовой кварц"). Цепочка R1C2 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.

Рис.22. Принципиальная электрическая схема металлоискателя на биениях.

Выходная частота генератора около 32(кГц). Дополнительный счетный триггер D2.1 необходим для формирования сигнала со скважностью, в точности равной 2, что требуется для последующей схемы синхронного детектора.

Измерительный генератор

Непосредственно генератор реализован на дифференциальном каскаде на транзисторах VT1, VT2. Цепь ПОС реализована гальванически, что упрощает схему. Нагрузкой дифференциального каскада является колебательный контур L1C1. Частота генерации зависит от резонансной частоты колебательного контура и, в некоторой степени, от режимного тока дифференциального каскада. Этот ток задается резисторами R3 и R3'. Подстройка частоты измерительного генератора при настройке прибора осуществляется грубо - подбором емкости С1 и плавно - регулировкой потенциометром R3'.

Для преобразования низковольтного выходного сигнала дифференциального каскада к стандартным логическим уровням цифровых КМОП - микросхем служит каскад по схеме с общим эмиттером на транзисторе VT3. Формирователь с триггером Шмидта на входе на элементе D3.1 обеспечивает крутые фронты импульсов для нормальной работы последующего счетного триггера.

Дополнительный счетный триггер D2.2 необходим для формирования сигнала со скважностью, в точности равной 2, что требуется для последующей схемы синхронного детектора.

Синхронный детектор

Состоит из перемножителя, реализованного на элементе D4.1 "Исключающее ИЛИ" и интегрирующей цепочки R6C4. Его выходной сигнал близок по форме к пилообразному, а частота этого сигнала равна разности частот кварцевого генератора и измерительного генератора.

Триггер Шмидта

Реализован на элементе D3.2 и формирует прямоугольные импульсы из пилообразного напряжения синхронного детектора.

Устройство индикации

Является просто мощным буферным инвертором, реализованным на трех оставшихся инверторах D1.4-D1.6, включенных в параллель для увеличения нагрузочной способности. Нагрузкой устройства индикации являются светодиод и пьезоизлучатель. Типы деталей и конструкция

Типы используемых микросхем приведены в таблице.

Вместо микросхем серии К561 возможно использование микросхем серии К1561. Можно попытаться применить некоторые микросхемы серии К 176. Входы неиспользуемых элементов цифровых микросхем нельзя оставлять неподключенными! Их следует соединить либо с общей шиной, либо с шиной питания.

Транзисторы VT1, VT2 являются элементами интегральной транзисторной сборки типа К159НТ1 с любой буквой. Их можно заменить на дискретные транзисторы с npn проводимостью типов КТ315, КТ312 и т.п. Транзистор VT3 - типа КТ361 с любой буквой или аналогичного типа с pnp проводимостью.

К применяемьш 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 R3' 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 последовательно включенных. Один - для грубой подстройки, номиналом 1(кОм). Другой - для точной подстройки, номиналом 100(Ом).

Катушка индуктивности L1 имеет внутренний диаметр намотки 1б0(мм), содержит 100 витков провода. Тип провода - ПЭЛ, ПЭВ, ПЭЛШО и т.п. Диаметр провода 0,2- 0,5(мм). О конструкции катушки см. отдельный параграф ниже.

Конденсатор С3 - электролитический. Рекомендуемые типы - К50-29, К50-35, К53-1, К53-4 и др. малогабаритные. Остальные конденсаторы, за исключением конденсатора колебательного контура катушки измерительного генератора, - керамические типа К10-7 и т.п. Конденсатор контура С1 особый. К нему предъявляются высокие требования по точности и термостабильности. Конденсатор состоит из нескольких (5...10 шт.) отдельных конденсаторов, включенных в параллель. Грубая настройка контура на частоту кварцевого генератора осуществляется подбором количества конденсаторов и их номинала. Рекомендуемый тип конденсаторов К 10-43. Их группа по термостабильности - МП0 (т.е. приблизительно нулевой ТКЕ). Возможно применение прецизионных конденсаторов и других типов, например, К71-7. В конце концов, можно попытаться использовать термостабильные слюдяные конденсаторы с серебряными обкладками типа КСО или полистирольные конденсаторы.

Светодиод VD1 типа АЛ336 или аналогичный с высоким КПД. Подойдет и любой другой светодиод видимого диапазона излучения. Кварцевый резонатор Q - любой малогабаритный часовой кварц (аналогичные используются также в портативных электронных играх).

Пьезоизлучатель Y1 - может быть типа 3П1...3П18. 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 в параграфах, посвященных датчикам и конструкции корпусов.

Печатная плата электронной части металлоискателя может быть изготовлена любым из традиционных способов, удобно также использовать готовые макетные печатные платы под DIP корпуса микросхем (шаг 2,5 мм).

Налаживание прибора

Налаживание прибора рекомендуется производить в следующей последовательности.

1. Проверить правильность монтажа по принципиальной схеме. Убедиться в отсутствии коротких замыканий между соседними проводниками печатной платы, соседними ножками микросхем и т.п.

2. Подключить батарею или источник питания 9(В), строго соблюдая полярность. Включить прибор и измерить потребляемый ток. Он должен составлять около 10(мА). Резкое отклонение от указанной величины свидетельствует о неправильности монтажа или неисправности микросхем.

3. Убедиться в наличии на выходе кварцевого генератора и на выходе элемента D3.1 чистого меандра с частотой около 32(кГц).

4. Убедиться в наличии на выходах триггеров D2.1 и D2.2 сигналов с частотами около 16(кГц).

5. Убедиться в наличии на входе элемента D3.2 пилообразного напряжения разностной частоты, а на его выходе- прямоугольных импульсов.

6. Убедиться в работоспособности устройства индикации - визуально и на слух.

Возможные модификации

Схема прибора предельно проста и поэтому речь может идти только о дальнейших усовершенствованиях. К ним можно отнести:

1. Добавление дополнительного светодиодного логарифмического индикатора частоты.

2. Использование трансформаторного датчика в измерительном генераторе.

Рассмотрим эти модификации подробнее.

Логарифмический индикатор частоты

Представляет собой усовершенствованный светодиодный индикатор. Его шкала состоит из восьми отдельных светодиодов. При достижении измеряемой частотой некоторого порога, на шкале загорается соответствующий светодиод, остальные семь - не горят. Особенность индикатора заключается в том, что пороги срабатывания по частоте для соседних светодиодов отличаются друг от друга в два раза. Иными словами, шкала индикатора имеет логарифмическую градуировку, что очень удобно для такого прибора, как металлоискатель на биениях. Принципиальная схема логарифмического индикатора частоты приведена на рис.23. Несмотря на то, что схема этого индикатора была разработана автором самостоятельно, она не претендует на оригинальность, так как проведенный патентный поиск показал, что подобные схемы известны. Тем не менее, как сама схема индикатора, так и ее реализация на отечественной элементной базе представляет, по мнению автора, определенный интерес.

Рис.23. Принципиальная электрическая схема логарифмического индикатора.

Работает логарифмический индикатор следующим образом. На вход индикатора поступает сигнал с выхода триггера Шмидта схемы металлоискателя на биениях (см. рис.22). Этот сигнал является входным для двоичных счетчиков D5.1-D5.2 (нумерация продолжает нумерацию по схеме рис.22). Указанные счетчики периодически обнуляются по сигналу высокого уровня вспомогательного генератора на триггере Шмидта D3.3 с частотой около 10(Гц). По переднему фронту сигнала вспомогательного генератора происходит также запись состояния счетчиков в параллельные четырехразрядные регистры D6 и D7. Таким образом, на выходах регистров D6 и D7 присутствует цифровой код частоты сигнала биений. Преобразовать этот код в логарифмическую шкалу возможно достаточно просто (и в этом "изюминка" данной схемы), если зажигание соответствующего светодиода шкалы поставить в соответствие появлению единицы в определенном разряде кода частоты при всех нулях в более старших разрядах кода.

Очевидно, что данную задачу должна выполнять комбинационная схема. Самая простая реализация такой схемы представляет собой периодически повторяющиеся звенья из элементов "ИЛИ". В практической схеме использованы элементы "ИЛИ-НЕ" D8, D9 совместно с мощными буферными инверторами D10, D11. На выходе схемы получается логический сигнал управления светодиодами шкалы в виде "волны единиц". С точки зрения экономии батареи питания, конечно, более целесообразно организовать шкалу не в виде светящегося столбика светодиодов (до 8 шт. одновременно), а в виде перемещающейся точки из одного светящегося светодиода. Для этого светодиоды индикаторной линейки включены между выходами комбинационной схемы.

Для очень низких значений частоты, по-прежнему, более пригодна индикация в виде мигающего светодиода. В предлагаемой схеме он совмещен с началом светодиодной шкалы и гаснет, как только загорится следующий ее сегмент. Выбором элементов R8, С5 можно менять значение частоты вспомогательного генератора, изменяя таким образом предел шкалы по частоте.

Типы деталей и конструкция

Типы используемых микросхем приведены в таблице.

Вместо микросхем серии К561 возможно использование микросхем серии К 1561. Можно попытаться применить некоторые микросхемы серии К 176. Разводка цепей питания и нумерация выводов для микросхем D8-D11 для простоты условно не показана.

Светодиоды VD2- VD9 типа АЛЗЗб или аналогичные с высоким КПД. Их токозадающие резисторы R9-R17 имеют одинаковый номинал 1,0...5,1(к0м). Чем меньше сопротивление указанных резисторов, тем ярче будут светиться светодиоды. Однако, при этом может не хватить нагрузочной способности микросхем К561ЛН2. В данном случае рекомендуется использовать параллельно включенные выходные инверторы в схеме индикатора. Удобнее всего организовать это параллельное включение путем простого припаивания дополнительных однотипных корпусов микросхем (до 4-х штук) поверх каждой из установленных в схему микросхем К561ЛН2.

Дальнейшие усовершенствования с индикатором частоты

Предложенный выше логарифмический индикатор частоты является по сути некоторой разновидностью цифрового частотомера. Перспективное направление усовершенствования металлоискателей на биениях, подсказанное одним из читателей книги, связано с использованием частотомера для регистрации небольших отклонений частоты. Если идти в данном направлении, то общая схема предложенного металлоискателя на биениях претерпит существенные изменения. Отпадает надобность в формировании разностного сигнала двух частот. Достаточно от схемы (рис. 22) оставить только измерительный генератор, выходной сигнал которого подавать на вход логарифмического индикатора. В данном случае индикатор оценивает значение младших разрядов двоичного кода частоты измерительного генератора.

Важная особенность данного способа построения металлоискателя на биениях заключается в отсутствии опорного генератора, частота которого близка к частоте измерительного генератора. Иными словами, в гораздо меньшей степени проявляется явление паразитной автосинхронизации. Следовательно, можно повысить чувствительность прибора.

Определенным неудобством металлоискателей на биениях является постоянная необходимость подстройки измерительного генератора вследствие изменения параметров датчика и влияния других дестабилизирующих факторов. Следующим прогрессивным усовершенствованием рассматриваемых приборов может являться применение системы медленной автоматической подстройки частоты (АПЧ). АПЧ должна быть настолько медленной, чтобы быстрые изменения частоты измерительного генератора, вызванные движением датчика относительно мишени, приводили к появлению полезного сигнала на индикаторе. Медленный же температурный дрейф частоты данной системой АПЧ должен полностью компенсироваться. Описание принципов построения систем АПЧ выходит за рамки настоящей книги, поэтому данный вопрос предлагается заинтересованному читателю для самостоятельного изучения.

Трансформаторный датчик

Идея трансформаторного датчика для металлоискателей проста и изящна. Она известна давно и возникла из-за стремления упростить конструкцию катушки датчика металлоискателя. Обычным недостатком типового датчика металлоискателя любой конструкции является большое (более 100) количество витков катушки. Вследствие этого получается недостаточная жесткость конструкции датчика, что требует принятия специальных мер типа дополнительных каркасов, заливки эпоксидной смолой и т.д. Кроме того, паразитная емкость такой катушки велика и для устранения ложных сигналов из-за емкостной связи катушки (катушек) с землей и телом оператора обязательно экранирование обмоток.

Путь устранения перечисленных недостатков прост и очевиден - необходимо использовать катушку, состоящую из минимального количества витков - из одного витка! Естественно, "в лоб" такое решение не проходит, так как ничтожная индуктивность одного витка потребовала бы гигантских по величине емкости конденсаторов колебательных контуров, генераторов сигналов с огромным выходным током и специальных ухищрений по обеспечению высокой добротности. И здесь самое время вспомнить о существовании устройства, предназначенного для согласования импедансов, для преобразования переменных сигналов большого напряжения с малым током в сигналы малого напряжения с большим током и наоборот - о трансформаторе.

В самом деле, возьмем трансформатор с коэффициентом трансформации около сотни и подключим его понижающую обмотку к одному витку, являющемуся датчиком металлоискателя, а повышающую обмотку - в схему металлоискателя вместо катушки индуктивности. Конструктивно один виток такого трансформаторного датчика может быть выполнен самыми различными способами. Например, он может представлять собой кольцо из медного или алюминиевого одножильного провода сечением 6-10 мм^2 для меди и 10-35 мм^2 для алюминия. Удобны для использования внутренние жилы силовых кабелей. Можно для уменьшения массы и увеличения жесткости изготовить виток из металлической трубки. Возможно изготовление витка из фольги путем наклейки на листовой материал и даже из обычного фольгированного стеклотекстолита. В любом удобном месте виток заземляется путем подключения к общей шине прибора, чем обеспечивается компенсация паразитных емкостных связей. Влияние этих связей при данной конструкции датчика на несколько порядков меньше ввиду меньшего значения модуля полного сопротивления одного витка.

Трансформаторный датчик позволяет реализовать складную конструкцию компактного металлоискателя на биениях. Ее эскиз изображен на рис.24.

Рис.24. Конструкция металлоискателя на биениях со складывающейся рамкой датчика.

Трансформатор датчика выполнен на тороидальном сердечнике, установленном непосредственно на плате металлоискателя, размещенной в пластмассовом корпусе. Понижающая обмотка трансформатора и виток датчика конструктивно представляют собой единое целое в виде прямоугольной рамки из медного изолированного одножильного провода сечением 6 мм^2, замкнутого с помощью пайки. Указанная рамка имеет возможность вращаться. В сложенном положении она расположена по периметру корпуса прибора и не занимает лишнего места. В рабочем положении она разворачивается на 180°. Для того, чтобы рамка фиксировалась в установленном положении, используются уплотняющие втулки из резины.

Сечение проводника, из которого изготовлен виток трансформаторного датчика, должно быть не меньше, чем суммарное сечение всех витков, составляющих обычную катушку датчика металлоискателя. Это необходимо не только для придания конструкции необходимой прочности и жесткости, но и для того, чтобы получить не слишком низкую добротность у колебательного контура с таким трансформаторным аналогом катушки индуктивности (кстати, при использовании такого витка в качестве излучающей катушки, ток в нем может достигать десятков ампер!). По той же причине, необходим должный выбор сечения провода понижающей обмотки трансформатора. Он может иметь меньшее сечение, чем сечение проводника витка, но его омическое сопротивление должно быть не больше омического сопротивления витка.

Для уменьшения потерь за счет омического сопротивления необходимо очень тщательно выполнить соединение витка с понижающей обмоткой трансформатора. Рекомендуемый способ соединения - пайка (для медного витка) и сварка в среде инертного газа (для алюминиевого).

К трансформатору предъявляются следующие требования. Во-первых, он должен работать с малыми потерями на требуемой частоте. На практике это означает, что его сердечник должен быть сделан из низкочастотного феррита. Во-вторых, его обмотки не должны вносить заметного вклада в импеданс датчика. На практике это означает, что индуктивность понижающей обмотки должна быть заметно больше индуктивности витка. Для тороидальных ферритовых сердечников с магнитной проницаемостью m=2000 и диаметром более 30(мм) это справедливо даже для одного витка понижающей обмотки. В-третьих, коэффициент трансформации должен быть таким, чтобы индуктивность повышающей обмотки при подключенном к понижающей обмотке витке датчика была бы приблизительно такой же, как и у обычной катушки типового датчика.

К сожалению, преимущества трансформаторного датчика заметно превосходят его недостатки только для металлоискателей на биениях. Для более чувствительных приборов такой датчик неприменим из-за достаточно высокой чувствительности к механическим деформациям, что приводит к ложным сигналам, появляющимся при движении. Вот почему трансформаторный датчик рассматривается только в главе, посвященной металлоискателю на биениях.