Электронный металлоискатель с низкой рабочей частотой
Принцип действия
Металлоискатель представляет собой относительно простое устройство, электронная схема которого обеспечивает хорошую чувствительность и стабильность работы.
Отличительной особенностью такого устройства является его низкая рабочая частота. Катушки индуктивности металлоискателя работают на частоте 3 кГц. Это обеспечивает:
- с одной стороны, слабую реакцию на нежелательные сигналы (например, сигналы, возникающие при наличии мокрого песка, мелких кусочков металла и т. д.);
- с другой стороны, хорошую чувствительность при поиске скрытых водопроводных труб и трасс центрального отопления, монет и других металлических предметов.
Генератор металлоискателя возбуждает колебания в передающей катушке на частоте около 3 кГц, создавая в ней переменное магнитное поле. Приемная катушка расположена перпендикулярно передающей катушке таким образом, что проходящие через нее магнитные силовые линии создадут малую ЭДС. На выходе приемной катушки сигнал либо отсутствует, либо очень мал.
Металлический предмет, попадая в поле катушки, изменяет значение индуктивности. При этом на выходе появляется электрический сигнал, который затем усиливается, выпрямляется и фильтруется. Таким образом, на выходе системы имеется сигнал постоянного напряжения, значение которого слегка возрастает при приближении катушки к металлическому предмету.
Этот сигнал поступает на один из входов схемы сравнения, где сравнивается с опорным напряжением, которое прикладывается к его второму входу. Уровень опорного напряжения отрегулирован таким образом, что даже небольшое увеличение напряжения сигнала приводит к изменению состояния на выходе схемы сравнения. Это, в свою очередь, приводит в действие электронный переключатель. В результате этого процесса на выходные усилительные каскады поступает звуковой сигнал, оповещающий оператора о присутствии металлического предмета.
Принципиальная схема
Принципиальная электрическая схема металлоискателя представлена на рис. 2.38.
Рис. 2.38. Принципиальная схема электронного металлоискателя с низкой рабочей частотой (нажмите для увеличения)
Передатчик, состоящий из транзистора VT1 и связанных с ним элементов, возбуждает колебания в катушке L1. Сигналы, поступающие на катушку L2, затем усиливаются микросхемой D1 и выпрямляются микросхемой D2, включенной по схеме амплитудного детектора. Сигнал с детектора поступает на конденсатор С9 и сглаживается фильтром низких частот, который состоит из резисторов R14, R15 и конденсаторов СЮ и С11.
Затем сигнал поступает на вход схемы сравнения D3, где сравнивается с опорным напряжением, устанавливаемым переменными резисторами RP3 и RP4. Генератор, собранный на транзисторе с одним переходом VT2, работает в непрерывном режиме. Однако сигнал, вырабатываемый им, поступает на базу транзистора VT4 только тогда, когда закроется транзистор VT3. Ведь находясь в открытом состоянии, этот транзистор шунтирует выход генератора.
При поступлении сигнала на вход микросхемы D3 напряжение на ее выходе уменьшается, закрывается транзистор VT3, и сигнал от транзистора VT2 через транзистор VT4 и регулятор громкости RP5 поступает на выходной каскад и громкоговоритель.
Электропитание схемы
В схеме используется два источника питания, что устраняет возможность возникновения любой обратной связи выхода схемы к ее чувствительному входу. Основная схема питается от батареи напряжением 18 В, которое с помощью микросхемы D4 понижается до стабильного напряжения 12 В. При этом снижение напряжения батареи во время работы схемы не вызывает изменения настройки прибора.
Выходные каскады питаются от отдельного источника питания напряжением 9 В.
Требования по потреблению мощности довольно низкие, поэтому для питания устройства можно использовать три аккумуляторные батареи. Батарея питания выходного каскада не требует специального выключателя, так как в отсутствие сигнала выходной каскад практически не потребляет тока.
Монтаж схемы
Схему металлоискателя рекомендуется смонтировать на макетной плате. Такая плата изображена на рис. 2.39. На плате имеются 24 медные полоски по 50 отверстий в каждой с шагом 2,5 мм. Прежде всего в полосках нужно сделать 64 разреза и высверлить три установочных отверстия.
Рис. 2.39. Печатная плата и расположение элементов
Затем на обратной стороне платы необходимо установить:
- 20 перемычек;
- штыри для внешних соединений;
- два штыря для конденсатора С5.
Затем можно установить конденсаторы С16, С17 и микросхему D4. Эти элементы образуют источник питания с напряжением 12 В. Проверка этого каскада осуществляется путем временного подключения батареи напряжением 18 В. При этом напряжение на конденсаторе С16 должно составлять 12±0,5 В.
После этого можно перейти к монтажу элементов выходного каскада:
- резисторов R23-R26;
- конденсаторов С14 и С15;
- транзисторов VT4-VT6.
Корпус транзистора VT6 соединен с его коллектором, поэтому контакт корпуса с соседними элементами и перемычками недопустим. Так как выходной каскад при отсутствии сигнала не потребляет тока, его достаточно проверить временным подсоединением громкоговорителя, переменного резистора RP5 и батареи напряжением 9 В.
Затем нужно установить резисторы R20-R22 и транзистор VT2, образующие генератор звуковых сигналов. При подключении двух источников питания в динамике прослушивается звуковой фон, меняющийся с изменением положения ручки регулятора громкости. После этого на плате необходимо смонтировать резисторы R16-R19, конденсатор С12, транзистор VT3 и микросхему D3.
Проверка работы схемы сравнения
Работа схемы сравнения проверяется следующим образом. К измерительному входу D3 нужно подключить переменные резисторы RP3 и RP4. Этот вход образуется с помощью двух резисторов сопротивлением 10 кОм, один из которых подключается к положительной шине питания +12 В, а другой - к нулевой шине. Вторые выводы резисторов подсоединить к выводу 2 микросхемы D3. Перемычка от этого вывода служит временной точкой соединения.
При грубой настройке (включены обе батареи), которая осуществляется переменным резистором RP4, в определенном его положении происходит срыв звукового сигнала, в то время как при точной настройке переменным резистором RP3 должно осуществляться плавное изменение сигнала вблизи этого положения.
Предварительная проверка работоспособности каскадов
При выполнении этих условий можно приступить к установке резисторов R6-R15, конденсаторов С6-С11, диода VD3 и микросхем D1 и D2. Включив источник питания, сначала нужно проверить наличие сигнала на выходе микросхемы D1 (вывод 6). Он не должен превышать половины значения источника питания (приблизительно 6 В).
Напряжение на конденсаторе С9 не должно отличаться от напряжения выходного сигнала этой микросхемы, хотя наводки от сети переменного тока могут вызвать небольшое увеличение этого напряжения. Касание пальцем входа микросхемы (основания конденсатора С6) вызывает увеличение напряжения из-за повышения уровня шумов.
Если регуляторы настройки находятся в положении, при котором звуковой сигнал отсутствует, касание пальцем конденсатора С6 приводит к появлению и исчезновению звукового сигнала. На этом предварительная проверка работоспособности каскадов заканчивается.
Окончательная проверка и настройка
Окончательная проверка и настройка металлоискателя проводятся после изготовления катушек индуктивности. После предварительной проверки каскадов схемы на плате можно установить остальные элементы, за исключением конденсатора С5. Переменный резистор RP2 временно установить в среднее положение. Плату прикрепить к L-образному алюминиевому шасси через пластмассовые шайбы (для устранения возможности короткого замыкания) с помощью трех винтов.
Шасси закрепляется в корпусе пульта управления двумя болтами, удерживающими два зажима, которые предназначены для крепления корпуса пульта к штанге искателя. Боковая сторона шасси обеспечивает фиксацию источников питания в корпусе. При сборке пульта следует убедиться, что выводы переключателя на обратной стороне переменного резистора RP5 не касаются элементов платы.
После высверливания прямоугольного отверстия приклеить динамик. Штанга и соединительные части, образующие держатель головки искателя можно изготовить из пластмассовых трубок диаметром 19 мм. Сама головка искателя представляет собой тарелку диаметром 25 см, изготовленную из прочной пластмассы. Внутренняя ее часть должна быть тщательно зачищена наждачной бумагой, что обеспечивает хорошее склеивание с эпоксидной смолой.
Изготовление передающей катушки
Основные характеристики металлоискателя во многом зависят от применяемых катушек, поэтому их изготовление требует особого отношения. Катушки, имеющие одинаковую форму и размеры, следует наматывать на D-образный контур, который создается из штырей, закрепленных на подходящем куске платы.
Каждая катушка должна состоять из 180 витков эмалированного медного провода 0,27 мм с отводом от 90-го витка.
Рис. 2.40. Катушки металлоискателя: а - способ намотки катушек; б - схема монтажа готовых катушек
Прежде чем снять катушки со штырей, их в нескольких местах нужно перевязать, как показано на рис. 2.40, а. Затем каждую катушку нужно обмотать прочной нитью, чтобы витки плотно прилегали друг к другу. На этом изготовление передающей катушки заканчивается.
Изготовление приемной катушки
Приемная катушка должна быть снабжена экраном. Экранирование катушки обеспечивается следующим образом. Сначала ее нужно обмотать проволокой, а затем обернуть слоем алюминиевой фольги, которую снова нужно обмотать проволокой.
Такая двойная обмотка гарантирует хороший контакт с алюминиевой фольгой. В обмотках проволоки и в фольге должен быть предусмотрен небольшой разрыв или зазор, как показано на рис. 2.40, 6, препятствующий образованию замкнутого витка по окружности катушки.
Сборка металлоискателя
Изготовленные таким образом катушки нужно закрепить с помощью зажимов по краям пластмассовой тарелки и подсоединить к блоку управления при помощи четырехжильного экранированного кабеля.
Два центральных отвода и экран приемной катушки подсоединить к нулевой шине через экранирующие провода.
Проверка работоспособности
Если включить металлоискатель и радиоприемник, расположенный недалеко от катушки, можно услышать высокотональный свист (на частоте металлоискателя), обусловленный наводкой звукового сигнала в радиоприемнике. Это указывает на исправность генератора металлоискателя.
В данном случае не важно, на какой диапазон настроен радиоприемник, поэтому для проверки вместо него можно использовать любой кассетный магнитофон.
Место рабочего положения катушек определяется:
- либо по выходному сигналу металлоискателя, который должен быть минимальным;
- либо по показаниям поискового прибора (вольтметра), подключенного непосредственно к конденсатору С9.
Второй вариант для подгонки катушек значительно проще.
Напряжение на конденсаторе должно составлять приблизительно 6 В. После этого внешние части катушек можно приклеивать эпоксидной смолой, а внутренние, проходящие через центр, нужно оставить незакрепленными, что позволяет провести окончательную настройку.
Окончательная настройка
Окончательная настройка состоит в установке незакрепленных частей катушек в такое положение, при котором предметы из цветного металла, например, монеты, вызывают быстрое увеличение выходного сигнала, а остальные предметы - его незначительное уменьшение. Если требуемый результат не достигается, необходимо поменять местами концы одной из катушек.
Следует помнить, что окончательная настройка или подгонка катушек должна проводиться при отсутствии металлических предметов. После установки и прочного закрепления катушки нужно покрыть слоем эпоксидной смолы, затем на них наложить стеклоткань и все это загерметизировать эпоксидной смолой.
После изготовления головки искателя следует провести такие действия:
- в схему встроить конденсатор С5;
- переменный резистор RP1 установить в среднее положение;
- переменный резистор RP2 настроить на минимум выходного сигнала.
При этом по одну сторону среднего положения переменный резистор RP1 обеспечивает распознавание стальных предметов, а по другую сторону - предметов из цветного металла. При каждом изменении номинального значения сопротивления переменного резистора RP1 необходимо проводить повторную настройку устройства.
На практике металлоискатель представляет собой легкое, хорошо сбалансированное, чувствительное устройство. В течении первых нескольких минут после включения устройства может быть разбаланс нулевого уровня, однако через некоторое время он исчезает или становится незначительным.
Публикация: www.loktek.ru