Останнім часом порівняно широке поширення отримали імпульсні металошукачі типу PI (Puls Induction), в яких для оцінки наявності металевих предметів в зоні пошуку використовується явище виникнення вихрових поверхневих струмів в металевому предметі під впливом зовнішнього електромагнітного поля.
У металлодетекторах типу PI імпульсний сигнал подається на передавальну котушку, якої ініціюється змінне електромагнітне поле. При появі в зоні дії цього поля металевого предмета на його поверхні періодично, під впливом імпульсного сигналу, виникають вихрові струми. Ці струми і є джерелом вторинного сигналу, який приймається приймальною котушкою. Завдяки явища самоіндукції форма вторинного сигналу буде відрізнятися від форми випроміненого передавальної котушкою імпульсу. При цьому відмінності в параметрах вторинного імпульсного сигналу і використовуються для аналізу з подальшим формуванням даних для блоку індикації. У всіх відомих автору імпульсних металлодетекторах оцінюється зміна форми заднього фронту вторинного імпульсу.
У цьому пристрої використовується мікропроцесор з відповідним програмним забезпеченням. На жаль, до моменту видання цієї книги опублікувати на 100% працездатну версію прошивки не представилося можливим. Тому зацікавлені та підготовлені читачі мають можливість перевірити свої сили в створенні прошивки для мікроконтролера. Автор ні секунди не сумнівається в тому, що російські умільці з честю впораються з цим завданням.
Тим не менш, на думку автора, конструкція запропонованого металошукача досить складна для повторення початківцями радіоаматорами. Також слід згадати і про складнощі, що виникають при регулюванні цього пристрою. Необхідно особливо звернути увагу на те, що помилки при монтажі і некоректна налаштування приладу можуть призвести до виходу з ладу дорогих елементів.
Принципова схема
Принципову схему запропонованого простого імпульсного металошукача умовно можна розділити на дві частини, а саме: на блок передавача і блок приймача. До жаль, обмежений обсяг даної книги не дозволяє детально зупинитися на всі особливості схемотехнічних рішень, використаних при створенні даного приладу. Тому далі будуть розглянуті основи функціонування лише найбільш важливих вузлів і каскадів.
До складу блоку передавача (рис. 3.14) входять модуль формування імпульсів і синхронізації, сам передавач, а також перетворювач напруги.
Рис. 3.14. Принципова схема блоку передавача простого імпульсного металошукача (натисніть для збільшення)
Головною складовою частиною всієї конструкції є модуль формування імпульсів і синхронізації, виконаний на мікропроцесорі IC1 типу АТ89С2051 фірми ATMEL і забезпечує формування імпульсів для передавача, а також сигналів, керують роботою всіх інших блоків. Робоча частота мікроконтролера IC1 стабілізована кварцовим резонатором (3,5 МГц). При вказаному значенні робочої частоти мікропроцесор формує періодичну послідовність керуючих імпульсів для різних каскадів металодетектора. Ця послідовність складається з 250 тактів тривалістю по 9 мкс кожен.
Спочатку на виведенні IC1/14 мікропроцесора формується керуючий імпульс для транзистора Т6, після закінчення якого на виведенні IC1/15 формується аналогічний імпульс для транзистора Т7. Потім цей процес повторюється ще один раз. В результаті відбувається запуск перетворювача напруги.
Далі, послідовно на висновках IC1/8, IC1/7, IC1/6, IC1/16, IC1/17, IC1/19 IC1/18 формуються імпульси запуску передавача. При цьому зазначені імпульси мають однакову тривалість, але кожний наступний імпульс затриманий відносно попереднього на кілька тактів. Початок першого імпульсу, сформованого на виведенні IC1/8, збігається з закінченням другого імпульсу на виведення IC1/15. За допомогою перемикача Р1 можна вибрати час затримки імпульсу запуску передавача по відношенню до стартового імпульсу.
Через кілька тактів після закінчення імпульсу на виводі IC1/18 короткий стробирующий імпульс для одного з каналів аналізатора формується на виведення IC1/3. Потім аналогічний імпульс, призначений для другого каналу аналізатора, формується на виведенні IC1/9. Після цього на виведенні IC1/11 формується керуючий сигнал для транзистора Т10 схеми акустичної сигналізації блоку приймача. Потім, після невеликої паузи, послідовність керуючих імпульсів на відповідних виходах мікроконтролера формується знову.
Напруга живлення +5 В, попередньо стабілізовану мікросхемою IC2, подається на висновок IC1/20 мікроконтролера.
Перетворювач напруги, виконаний на транзисторах Т6-Т8 і стабілізаторі IC3, забезпечує формування двополярної напруги 12 В, необхідного для живлення каскадів приймальної частини. Керуючі сигнали для транзисторів Т7 і Т8 формуються на відповідних виводах мікроконтролера IC1. При цьому на транзистор Т8 цей сигнал подається через перетворювач рівня, зібраний на транзисторі Т6. Далі сформований живляча напруга стабілізується мікросхемою IC3, з виходу якого напруга +12 В надходить на каскади приймальної частини.
Вихідні каскади передавача виконані на потужних транзисторах Т1, Т2 і Т3, працюють на загальне навантаження, в якості якої виступає котушка L1, шунтированная ланцюжком резисторів R1-R6. Роботою транзисторів вихідного каскаду керує транзистор Т4. Керуючий сигнал на базу транзистора Т4 подається з відповідного виходу процесора IC1 через транзистор Т5.
Імпульс, що формується мікропроцесором IC1 відповідно до закладеної в його пам'яті програмою, через перемикач подається на вхід транзистора Т5 і далі, через транзистор Т4, на вихідні каскади передавача, виконані на транзисторах Т1-Т3, а потім - на приемопередающую котушку L1. При появі в зоні дії котушки L1 металевого предмета на його поверхні під впливом зовнішнього електромагнітного поля, ініційованого імпульсом передавача, порушуються вихрові поверхневі струми. Час існування цих струмів залежить від тривалості імпульсу, що випромінюється котушкою L1.
У свою чергу поверхневі струми є джерелом вторинного імпульсного сигналу, який з відповідною затримкою приймається котушкою L1, посилюється і подається на схему аналізу. Необхідно відзначити, що завдяки явища самоіндукції тривалість вторинного сигналу буде більше, ніж тривалість випроміненого передавальної котушкою імпульсу. При цьому форма вторинного імпульсу залежить від властивостей металу, з якого виготовлений виявлений предмет. Обробка інформації про відмінності параметрів імпульсів, які випромінюють і прийнятих котушкою L1, забезпечує формування даних для блоку індикації про наявність металевого предмета. У розглянутому металошукачі для аналізу використовуються параметри заднього фронту вторинного імпульсного сигналу.
До складу блоку приймача (рис. 3.15) входять двухкаскадный підсилювач вхідного сигналу, аналізатор і схема звукової індикації.
Рис. 3.15. Принципова схема блоку приймача простого імпульсного металошукача (натисніть для збільшення)
Сигнал від металевого предмета приймається котушкою L1 і через схему захисту, виконану на діодах D1 і D2, подається на вхідний підсилювач з двухкаскадный ємнісний зворотним зв'язком, виконаний на операційних підсилювачах IC4 і IC5. З виходу мікросхеми IC5 (висновок IC5/6) посилений імпульсний сигнал подається на схему аналізатора, виконану на мікросхемах IC6-IC8.
Підсилювачі IC6 і IC7 в процесі роботи приладу постійно вимкнені, і напруга живлення подається на них лише при вступі на відповідні входи (висновки IC6/8 і IC7/8) стробуючих імпульсів, тривалість кожного з яких становить 9 мкс (один такт). При цьому на підсилювач IC6 подається стробирующий імпульс, затриманий по відношенню до закінчення вибраного імпульсу запуску передавача на 30-100 мкс, а на підсилювач IC7 - затриманий по відношенню до закінчення першого стробуючого імпульсу на 200 мкс. Необхідність такої затримки пояснюється тим, що форма прийнятого сигналу залежить від впливу багатьох сторонніх факторів, тому корисний сигнал можна спостерігати лише у проміжку приблизно 400 мкс після закінчення імпульсу. У даному випадку корисним сигналом є зростання позитивного напруги при наближенні котушки L1 до металевого предмету в результаті збільшення тривалості заднього фронту вторинного імпульсу в порівнянні з излученным імпульсом.
По закінченні подачі напруги живлення на виходах кожного підсилювача (мікросхеми IC6 і IC7) протягом декількох секунд зберігається рівень прийнятого сигналу, зафіксований під час впливу стробуючих імпульсів. Таким чином, на один з входів відповідного підсилювача (висновки IC6/3 IC7/3) подається прийнятий імпульсний сигнал, а на другий вхід цього ж підсилювача (висновки IC6/8 і IC7/8) через конденсатори С34 та С35 надходить відповідний стробирующий імпульс від модуля формування імпульсів і синхронізації (висновки IC1/3 і IC1/9).
Сигнали, сформовані на виходах мікросхем IC6 і IC7 (висновки IC6/5 і IC7/5), далі подаються на відповідні входи диференціального підсилювача, виконаного на мікросхемі IC8. При цьому сигнал з виходу підсилювача IC6 проходить через змінний резистор R45, з допомогою якого регулюється чутливість приладу. При наявності в зоні дії металодетектора металевого предмета рівні сигналів на входи диференціального підсилювача (висновки IC8/2 і IC8/3) будуть однаковими. У результаті вихідний сигнал цього підсилювача (висновок IC8/6) буде низьким.
Падіння напруги на виході підсилювача IC8 призводить до відкриття транзистора Т9 і підключення до загального проводу головних телефонів BF1. При надходженні з відповідного виходу мікроконтролера (висновок IC1/11) на транзистор Т10 керуючого сигналу в телефонах буде прослуховуватися сигнал звукової частоти. Резистор R44 обмежує струм, що протікає через головні телефони BF1. Його підбором можна регулювати гучність акустичного сигналу.
Живлення даного металодетектора здійснюється від джерела В1 напругою 12 Ст.
Деталі та конструкція
Всі деталі даного приладу (за винятком пошукової котушки L1, резистора R45, перемикача Р1, а також вимикача S1) розташовані на друкованій платі розмірами 105х65 мм (рис. 3.16), виготовленої з двостороннього фольгованого гетинаксу або текстоліту.
Рис. 3.16. Друкована плата простого імпульсного металошукача
До деталей, застосовуваних у даному пристрої, не пред'являються які-небудь особливі вимоги. Рекомендується використовувати будь-які малогабаритні і конденсатори резистори, які без проблем можна розмістити на друкованій платі (рис. 3.17).
Рис. 3.17. Розташування елементів простого імпульсного металошукача
Мікросхему типу LF357 (IC4) можна замінити на LM318 або NE5534, однак у внаслідок такої заміни можуть виникнути проблеми з налагодженням. В якості підсилювача IC5 крім зазначеної на схемі мікросхеми типу LF356 можна використовувати мікросхему CA3140. Мікросхеми типу LF398 (IC6, IC7) без проблем замінюються на MAC198. Замість підсилювача CA3140 (IC8) можна застосувати мікросхему TL071.
В якості транзисторів Т1-Т3, крім зазначених на принциповій схемі, можна використовувати транзистори типу BU2508, BU2515 або ST2408.
Робоча частота кварцового резонатора повинна становити 3,5 МГц. Однак можна використовувати будь-який інший кварцовий елемент з частотою резонансу від 2 до 6 МГц.
Для монтажу мікропроцесора IC1 слід використовувати спеціальну панельку. При це мікроконтролер встановлюється на плату тільки після закінчення всіх монтажних робіт. Ця умова необхідно дотримуватися і при проведенні регулювальних робіт, пов'язаних з виконанням пайки при підборі величин окремих елементів.
Особливу увагу слід приділити виготовленню котушки L1, індуктивність якої повинна становити 500 мкГ. Котушка L1 виконана у вигляді кільця діаметром 250 мм і містить 30 витків дроту діаметром не більше 0,5 мм При використанні дроту більшого діаметра струм в котушці зросте, однак ще швидше будуть зростати значення паразитних вихрових струмів, що призведе до погіршення чутливості приладу.
Для виготовлення котушки не рекомендується використовувати лакований провід, оскільки різниця потенціалів між сусідніми витками імпульсу при випромінюванні досягає 20 Ст. Коли в процесі намотування витків котушки поруч виявляться провідники, наприклад першого і п'ятого витків, пробій ізоляції практично забезпечений. Це може призвести до виходу з ладу транзисторів передавача і інших елементів. Тому провід, який використовується при виготовленні котушки L1, повинен бути хоча б в поліхлорвінілової ізоляції. Готову котушку також рекомендується добре ізолювати. Для цього можна скористатися епоксидної смолою або різними пінними наповнювачами.
Котушку L1 слід підключати до плати за допомогою двожильного добре ізольованого дроту, діаметр кожної жили якого повинен бути не менше діаметр дроту, з якого виготовлена сама котушка. Не рекомендується використовувати коаксіальний кабель з-за його значною власної ємності.
Джерелом звукових сигналів можуть служити або головні телефони з опором від 8 до 32 Ом, або малогабаритний гучномовець з аналогічним опором котушки.
В якості джерела живлення В1 рекомендується використовувати акумуляторну батарею ємністю близько 2 А/год, оскільки величина струму, споживаного даними металошукачем, - не менше 200 мА.
Друкована плата з розташованими на ній елементами і джерело живлення розміщуються в будь-якому зручному корпусі. На кришці корпусу встановлюються змінний резистор R45, перемикач P1, роз'єми для підключення головних телефонів BF1 і котушки L1, а також вимикач S1.
Налагодження
Даний прилад слід налаштовувати в умовах, коли будь-які металеві предмети віддалені від пошукової котушки L1 на відстань не менше 1,5 м. Особливість налаштування і регулювання розглянутого металошукача полягає у тому, що його окремі блоки та каскади підключаються поступово. При цьому кожна операція з'єднання (пайка) виконується при відключеному джерелі живлення.
У першу чергу потрібно перевірити наявність і величину напруги на відповідних контактах панельки мікросхеми IC1 в відсутність мікроконтролера. Якщо напруга живлення в нормі, то далі слід встановити на плату мікропроцесор і з допомогою частотомера або осцилографа перевірити сигнал на висновки IC1/4 і IC1/5. Частота пілот-сигналу на зазначених висновках повинна відповідати робочій частоті використовуваного кварцового резонатора.
Після підключення транзисторів перетворювача напруги (без навантаження) споживаний струм повинен зрости на 50 мА. Напруга на конденсаторі С10 в відсутність навантаження має становити близько 20 Ст. Потім слід підключити каскади передавача. Режими роботи транзисторів Т1-Т4 повинні бути однаковими і встановлюються підбором величин резисторів R13-R16.
Опір котушки L1, зашунтированной резисторами R1-R3, має становити приблизно 500 Ом. При цьому висновки котушки і резисторів повинні бути добре пропаяні, оскільки порушення контакту в цьому ланцюзі спричиняє за собою вихід з ладу вихідних транзисторів передавача.
Для перевірки працездатності каскадів передавача можна притримати котушку L1 біля вуха і включити живлення металошукача. Приблизно через півсекунди (після обнулення мікроконтролера) можна буде почути сигнал низького тону, виникнення якого обумовлено колагеном окремих витків котушки. При це на колекторах транзисторів Т1-Т3 буде сформований немодулированный гострий імпульс тривалістю близько 10-20 мкс, форму якого можна проконтролювати за допомогою осцилографа. Збільшення опору резисторів R1-R3 призводить до зростання амплітуди вихідного імпульсу з зменшенням його тривалості. Для підбору величини опору шунта котушки L1 не рекомендується використовувати змінний резистор, оскільки навіть короткочасне порушення контакту движка з струмопровідної доріжкою може призвести до виходу з ладу вихідних транзисторів передавача. Тому бажано поступово змінювати величину шунта з кроком 50 Ом. Перед заміною деталей напруга живлення приладу потрібно обов'язково вимикати.
Далі можна приступати до налагодження приймальної частини. Якщо всі деталі справні, а монтаж виконаний безпомилково, то після включення металодетектора (приблизно через 20 мкс після закінчення стартового імпульсу) на виході мікросхеми IC4 (висновок IC4/6) з допомогою осцилографа можна буде спостерігати експоненціально зростає сигнал, що переходить в сигнал постійного рівня. Спотворення фронту цього сигналу усуваються підбором резисторів R1-R3, шунтирущих котушку L1. Після цього слід проконтролювати форму і амплітуду сигналу на виході мікросхеми IC5 (висновок IC5/6). Максимальна амплітуда цього сигналу встановлюється підбором величини резистора R36.
На виході мікросхеми IC6 (висновок IC6/5) повинен формуватися постійний сигнал, залежить від імпульсу, обраного за допомогою перемикача P1, а також від наявності в зоні дії котушки L1 металевих предметів. В ідеальному варіанті цей сигнал повинен бути близьким до нуля при всіх положеннях перемикача P1.
На закінчення залишається правильно встановити положення зразкового вимірювального імпульсу по відношенню до стартового імпульсу. Для цього достатньо підбором кварцового резонатора Q1 вибрати відповідну робочу частоту.
Порядок роботи
Перед практичним використанням даного металошукача слід перемикачем P1 встановити мінімальну затримку імпульсу, а резистором R45 - максимальну чутливість. Якщо в процесі роботи в зоні дії пошукової котушки L1 виявиться металевий предмет, то в головних телефонах з'явиться акустичний сигнал.
Необхідно зазначити, що перехід у режим роботи з більшою затримкою імпульсу забезпечить виключення впливу не тільки магнітних властивостей ґрунту, але і позбавить від реакції приладу на всілякі сторонні предмети (іржаві цвяхи, фольга від сигаретних пачок тощо) і наступних марних пошуків.
Автор: Адаменко М. В.