Розроблений мною металодетектор поки не застосовувався ні в миротворчих операції з виявлення та знешкодження мінних полів, ні у великомасштабних геологічних або археологічних дослідженнях. Розрахований не на професіоналів, а на любителів, чиє бажання "заглянути під землю" здатна задовольнити конструкція з параметрами, наведеними в таблиці, він являє собою поліпшений варіант "металошукача на биениях".
Чутливість приладу підвищена за рахунок вигідного використання (чіткої фіксації) залежності тривалості зондувального імпульсу від інтенсивності самих посилок з введенням в пошуковий генератор автоматичного підстроювання частоти (АПЧ). Причому додаткових заходів для стабілізації напруги і температурної компенсації електронних блоків не знадобилося.
А що передбачаються скептиками "непримиренні протиріччя" (мовляв, зміна частоти у пошукового коливального контуру при попаданні металу в робочу зону несумісне з нормальним функціонуванням системи АПЧ) дозволила сама практика. Виявилося, що при переміщенні датчика над досліджуваною поверхнею зі швидкістю 0,5 - 1 м/с схема приладу зовсім не вступає в конфлікт з автоподстройкой частоти, що має значну інерційність (велику постійну часу).
Вже з аналізу блок-схеми видно, що виготовити такий прилад завідомо складніше, ніж будь-який з колишніх менш чутливих аналогів, включаючи металошукачі, опубліковані в № 8'85 і 4'96 журналу "Моделіст-конструктор". Адже у пропонованої мною розробки, крім стандартного набору з зразкового кварцового (1) і вимірювального (2) генераторів, виносної котушки індуктивності I. (пошукової рамки-датчика), змішувача (3) і звукового реєстратора ВА (телефонного капсуля), - це нові, істотно поліпшують експлуатаційні характеристики пристрою. Це і інтегратор (4), що виробляє пилкоподібний сигнал з амплітудою, пропорційною керуючої частоті биття, і формувач імпульсу запису (5), який спільно з ключем (6) і истоковым повторювачем VТ являють собою аналогове запам'ятовуючий пристрій, фіксує пікова напруга з інтегратора.
Не обходиться металодетектор без компаратора (7), що забезпечує автоматичний переклад електроніки із зони максимальної чутливості в області реєстрації биттів "один до одного" (і навпаки), без спеціального генератора ГУН (8), перетворює напругу, сформований на истоковом повторителе, електричні коливання частотою 200-8000 Гц, а також без згаданої вище оригінальної системи автопідстроювання частоти АПЧ (9) з особливим вузлом, що сповільнюють реакцію приладу на надмірно різка зміна керуючого напруги. Є тут і ряд інших технічних рішень, серед яких, звичайно ж, не можна не виділити "операционник" і спецсмеситель (10).
Основні параметри металодетектора
- Габарити друкованої плати, мм................... 90x70x2
- Напруга електроживлення, ................ 9
- Споживаний приладом струм, мА.............. 6
Глибина виявлення сталевих предметів в чорноземі при сталій сухій погоді, мм
- а) диск 10x2 мм..............100
- б) Диск 100x20 мм.............680
- в) диск 500x100 мм (каналізаційний люк)........1400
Як показує практика, саме такий склад пристроїв при обраному способі формування звукового сигналу дозволяє прослуховувати обидві частоти одночасно, істотно полегшуючи початкову настройку приладу на певну чутливість. І надійність забезпечується досить висока. Навіть в екстремальній ситуації, коли, скажімо, пошукова рамка-датчик наближається до масивного металевого предмету на відстань, при якому різницева частота стає майже критичної (70 Гц), збоїв у роботі не виникає - в головних телефонах чути тільки змінюється частота биттів.
Тепер про конкретні речі, які знайшли своє відображення на принциповій електричній схемою. Зразковий генератор виконаний на елементі DD1.1. Його частота стабілізована кварцовим резонатором ZQ1, включеним в ланцюг позитивного зворотного зв'язку. Для забезпечення збудження генератора при включенні живлення служить резистор R1. Наявний тут же буферний елемент DD1.2 розвантажує генератор, а також формує сигнал з цифровими рівнями. Резистор R2 визначає ступінь навантаження і максимум потужності, що розсіюється на кварцовому резонаторі.
Даний генератор може працювати практично з будь-якими резонаторами при струмі споживання 500-800 мкА. А що йде за ним дільник частоти на два елемент DD2.1) формує сигнал з симетричним меандром, необхідний для нормальної роботи змішувача.
Вимірювальний генератор зібраний за схемою несиметричного мультивібратора (транзистори VT1 і VT2). Вихід на режим самозбудження забезпечує ланцюг позитивного зворотного зв'язку на конденсаторі С7. Частотозадающими елементами служать СЗ - С5, VD1 і пошукова котушка-датчик L1. Причому генерація здійснюється у межах від 500 кГц до 700 кГц, залежно від наявного кварцового резонатора.
Рис. 1. Блок-схема металодетектора
Рис. 2. Епюри напруг і струмів в контрольних точках приладу
Рис. 3. Принципова електрична схема металодетектора (натисніть для збільшення)
Такий важливий параметр, як короткочасна нестабільність, у даного генератора невеликий. Відхід частоти за перші 10 с відразу після включення живлення становить не більше 0,7 Гц (а через кожні 30 хв -до 20 Гц), хоча для нормальної роботи приладу вважається прийнятним навіть 1 Гц за 1 хв (без АПЧ).
Видається вимірювальним генератором синусоїдальний сигнал, маючи амплітуду 1-1,2 В, надходить через розділовий конденсатор С9 на тригер DD3.2, який формує прямокутні імпульси з цифровими рівнями і шпаруватістю 2. R5R6 - дільник, необхідний для нормальної роботи цієї ділянки схеми. Ну a DD3.3 виконує роль буферного каскаду. Сигнал з нього подається на змішувач (Т-тригер DD2.2). Туди ж надходить частота від дільника зразкового генератора.
Особливості роботи DD2.2 такі, що якщо на входи С і D цього логічного елемента приходять дві імпульсні послідовності, близькі по частоті, то на виходах формується сигнал різницевої частоти зі строго симетричним меандром. Причому все, що знімається з виведення 12 змішувача, має форму, представлену на малюнку 2а.
Прямий, а також затриманий (рис. 2б) проинвертированный (завдяки ланцюга R8C11 і елементу DD4.2) сигнали підсумовуються ключі DD5.1, що виконує роль логічного Та/АБО з формуванням коротких позитивних імпульсів запису (рис. 2в) для роботи аналогового пристрою (DD5.2, 13, VT3). Але це ще не всі. Знімається з виходу DD4.2 сигнал надходить на інтегратор, виконаний за класичною схемою з використанням VD2, R10 - R11, DA1, С12. Резистор R11 обмежує струм перезаряду конденсатора С12, розвантажуючи вихід елемента DD4.2.
Проинтегрированный сигнал (рис. 2г) через ключ DD5.2, яким керують імпульси з DD5.1, подається на запоминающую ємність С13, де формується і до нового циклу записи утримується з високою точністю напругу, рівну пікового значення того, що надходить від інтегратора (рис. 2д). Конденсатор С14 згладжує ефект типу "сходинка", який може виникнути при різкій зміні частоти биттів (рис. 2е).
З истокового повторювача сигнал надходить на компаратор DD4.3, ГУН (генератор, керований напругою) і в ланцюг петлі АПЧ. Дільник R21R22 спільно з R23 і R24 зворотного зв'язку звужують діапазон керуючого напруги до амплітуди 1,2 Ст. Операційний підсилювач DA2 порівнює отримане з тим, що задано дільником R26R29, і формує напруга управління аарикапом VD1.
Резистором R26 можна встановлювати початкову точку захоплення АПЧ (чутливість) грубо, a R27 - точно. Більш того, при переміщенні движка R26 у бік крайнього (верхнього або нижнього за схемою) положення легко виходити з зони захоплення АПЧ (±300 Гц), здійснюючи режим з частотою биття "один до одного", що робить роботу з пристроєм більш гнучкою.
Для з'ясування особливостей функціонування вузла, уповільнює реакцію на АПЧ різка зміна частоти биттів, припустимо, що на базі транзистора VT4 є, наприклад, деяке стале Uб. Припустимо також, що в якийсь момент відбувається різка зміна частоти биттів і, відповідно, напруги на С14. Справна схема нашого мо-таллодетектора обов'язково відгукнеться на таку "ввідну" адекватним відхиленням Uб транзистора VT4 від колишнього значення (завдяки великим номіналах R19, R20 і С16). А ось відповіддю на плавну зміну частоти биттів неодмінно буде реакція у вигляді повільної зміни названих напруг.
Коли в зону чутливості пошукової рамки-датчика потрапляє металевий предмет і знаходиться там відносно довго, на базі VT4 встановлюється напруга, якого зазвичай вистачає для повернення на заданий частотний режим. Але при різкому відвід датчика в бік ситуація змінюється, U6 транзистора VT4 не зможе швидко повернутися на попередній рівень. Тобто створюються умови для переходу через "0" (виникнення позитивного зворотного зв'язку). Щоб останнє виключити, введено шунтування R19 діодом VD3, через який відбувається швидкий розряд ємності С16 (повернення U6 на встановлений рівень).
Фактично АПЧ має (залежно від того, в який бік відбувається зміна частоти биттів) дві постійні часу. А так як особливу виконання датчика практично нівелює вплив феромагнітних властивостей виявляються предметів на збільшення fпоискового генератора , то і АПЧ, і прилад в цілому працюють у всіх режимах вельми коректно. ГУН (DD4.4, R18, С15) перетворює напруга, що змінюється з частотою биття, в частоту. А налаштований за допомогою дільника R16R17 компаратор DD4.3 дозволяє йому це робити в зоні максимальної чутливості, коли fбиений= 0-70 Гц.
Частота ГУН надходить на вхід А змішувача (ключ DD5.4). На вхід ЗІ приходять від логічного елемента DD4.1 і різницева fбиений, і сформований диференціюючою ланцюгом C10R9 (для кращого звучання головних телефонів, зменшення споживаної потужності) короткий негативний імпульс. В результаті на виході змішувача присутня або промодулированная fбиений частота ГУН, або тільки частота биттів. Причому перехід з одного режиму на інший схема виконує автоматично. Змінний резистор R30 служить навантаженням і регулятором гучності, а суміщений з ним SA1 - вимикач електроживлення.
Використання мікросхем серії КМОП, операційних підсилювачів, що працюють в микротоковом режимі, дозволило скоротити струм споживання до рівня 6 мА, зробивши прийнятним використання батареї "Крона" в якості джерела електроживлення.
Як і інші аналоги, майже весь металодетектор змонтований на друкованій платі з односторонньо фольгованого склотекстоліти. Пошуковий генератор поміщений в екранує коробку з жерсті. За габарити плати винесені лише регулювальні опору R26, R27, R30, гнізда підключення джерела живлення і головних телефонів, а також рамка-датчик.
Технологія і ретельність виготовлення рамки-датчика настільки важливі для працездатності всього металодетектора, що вимагають, мабуть, більш детального викладу. В якості основи тут використаний джгут, складений з одинадцяти 1100-мм відрізків проводу ПЭВ2-1.2. Щільно обернувши шаром ізоляційної стрічки, його втискують в алюмінієву трубку, що має внутрішній діаметр 10 мм і довжину 960 мм Отриманої заготовці надають форму прямокутної рамки 300x200 мм з закругленими кутами.
Кінець першого з проводів, поміщених в алюмінієвому корпусі - електростатичному екрані, послідовно припаюють до початку другого і так далі до освіти своєрідною 11-витковою котушки індуктивності. Спайки ізолюють один від одного паперовою стрічкою і заливають епоксидною смолою, виключаючи при цьому поява короткозамкненого витка за рахунок самої зігнутою у рамку трубки.
Бажано тут же передбачити будь закритий високочастотний роз'єм і відповідне (не металевий) кріплення для штанги-рукоятки, в якості якої можна використовувати одну-дві секції від розбірного вудилища. Кабель, що з'єднує рамку з блоком, краще використовувати коаксіальний, телевізійний, наприклад, РК75.
Дросель 1_2 пошукового генератора (позначення тут і далі - відповідно до рис. 1 і відповідно до принципової електричної схемою металодетектора, опублікованій в попередньому номері журналу) має 450 витків дроту ПЕЛ 1-0,01. Намотування - внавал на каркасі діаметром 4 і довжиною 15 мм з феромагнітною серцевиною М600НН (можна застосувати відповідну контурну котушку від старого радіоприймача). Індуктивність такого дроселя 1 - 1,2 мГн.
У приладі використано конденсатори КСВ або КТК (СЗ, С4, С5), КОР чи КМ (С1, С2, С6 - С13, С15), К50-6 або К53-1 (С14, С16, С17). Є вибір і резисторів. В зокрема, для "подстроечников" R26, R27 підійдуть СП5-2 або СП-3. Те ж саме можна сказати про змінному R30, тільки він повинен бути поєднаний з вимикачем.
Всі інші резистори - МЛТ-0,125 (ВС-0,125).
Топологія друкованої плати (натисніть для збільшення)
Розміри
Прилад, який бачить крізь землю
Цифрові МС можна замінити аналогами з добре зарекомендувала себе серії К176. DD1, DDЗ-будь-які з того ж ряду, лише б містили необхідну кількість інверторів.
Допускають заміну і транзистори. Як VТ1 і VТ2, наприклад, підійдуть КПЗ0ЗБ (-Ж). На місці \/ТЗ прийнятний КПЗ0З або КП305 (буквений індекс в кінці найменування в даному випадку ролі не грає), а КТ3102Г (VТ4)замінить КТ3102Е.
Кварц - з тих, що розраховані на 1,0 - 1,4 мГц. Вибір головних телефонів теж не обмежений. Як свідчить практика, цілком підійдуть ТОН-1 илиТОН-2. Варикап Д901 можна замінити на Д902. Діоди VD2 і VD3 - КД522 (КД523) з будь-яким буквеним індексом.
Для налаштування зібраного приладу потрібні осцилограф і акуратність в... роботі. Ретельно оглянувши весь монтаж, на схему подають електроживлення. Потім перевіряють струм споживання, який у правильно виконаної працездатною конструкції повинен становити 5,5 - 6,5 мА. При виході за вказані значення шукають і усувають помилки в пайку і г. д.
У функціонуванні зразкового генератора переконуються за наявності на виведення 1 мікросхеми DD2 частоти, рівної 0,5 fкварцевого резонатора зі шпаруватістю 2. Потім переходять до "пошуковику" В контрольну точку на друкованій платі, де сходяться R3 і С8, подають половину напруги живлення, від'єднавши при цьому вихід мікросхеми DА2. І осцилографом, підключеним до стоку транзистора VT2, перевіряють амплітуду вихідної напруги. Вона повинна бути від 1 до 1,2 В. Якщо відхилення перевищує 0,1 В. коригують число витків в дроселі L2.
А з допомогою конденсаторів С3 і С4 виставляють оптимальну частоту сигналу, що дорівнює 0,5 fкварца . Причому сам датчик повинен розташовуватися не ближче двох метрів від металевих предметів. При необхідності, підбираючи R5, прагнуть отримати симетричний вихідний сигнал на виводі 9 мікросхеми DD3 (при цьому змішувач повинен видавати сигнал різницевої частоти з меандром, рівним 2). Потім, встановивши зміною напруги на варикапе частоту биття, рівну 8 - 9 Гц, заміряють сигнал на виведення 6 інтегратора DA1 - він повинен бути "на межі обмеження знизу". Відповідну ж коригування здійснюють підбором номіналу у резистора R10.
Приєднавши осцилограф до витоку транзистора VT3, перевіряють зміна рівня напруги в залежності від частоти биттів. Резисторами R16 і R17 домагаються, щоб логічний нуль на виході компаратора (висновок 10 мікросхеми DD4) з'являвся тільки тоді, коли fбиений стане вище 70 Гц.
ГУН підлаштовують з допомогою резистора R15 так, щоб генератор починав працювати, коли сигнал інтегратора "виходив з обмеження знизу". Надалі це суттєво спростить коригування приладу перед роботою, так як мінімальна частота ГУН і буде відповідати налаштуванні металодетектора на максимальну чутливість.
Відновивши на друкованій платі спеціально отпаянное раніше з'єднання R3 і С8 з DA2, переходять до заключного етапу налагодження приладу. Движок "подстроечника" R26 повертають в крайнє("плюсове") положення, що буде відповідати максимальної частоти биттів(причому fпоискового генератора> f зразкового). Потім, повільно обертаючи движок у зворотний бік, починають контролювати сигнал на виведення 6 DA1. Помічають, як (при певному положенні движка R26) на екрані осцилографа вимальовується момент попадання сигналу в зону захоплення АПЧ.
Продовжуючи поворот ручки підлаштування резистора 1327, домагаються частоти биттів, рівною 10 Гц, одночасно перевіряючи роботу АПЧ (по прагненню сигналу повернутися в початковий стан).
Движки резисторів 1326, 1327 необхідно переміщати повільно, враховуючи велику інерційність АПЧ. При цьому в головних телефонах будуть прослуховуватися мінімальна частота ГУН і слабкі щиглики з f,биттів. У деяких 1
випадках може виникнути ефект "плавання" звуку відносно деякого фіксованого стану. У цьому випадку необхідно більш точно підібрати співвідношення резисторів R23, R24 або зменшити номінали 1319, R20.
Як вже зазначалося, електронну частину металодетектора (а це майже і є весь прилад) можна змонтувати в будь-якому зручному корпусі, закріпленому на ручці. Необхідно подбати, щоб пошукова рамка-датчик, а також з'єднувальні дроти були жорстко закріплені відносно один одного. Адже навіть незначні вібрації цих деталей, що виникають при пересуванні оператора, здатні породити помилковий сигнал (особливо при максимальній чутливості схеми і недостатньому досвід роботи з приладом). З тієї ж причини лопатку слід носити за спиною багнетом вгору (подалі від рамки-датчика). А металеві наконечники на шнурках черевик оператора взагалі неприпустимі. Вноситься ними перешкоди загрожують звести на усі зусилля надчутливого приладу відшукати в землі те, з чим вона настільки неохоче розлучається.
Робота з металлодетекгором мало чим відрізняється від дій з сучасним ручним миноискателем. Звичайно ж, настільки точних приладів потрібна юстирування. В нашому конкретному випадку - це поворот движка підлаштування резистора R26 в крайнє ("плюсове") становище, а R27 - в середнє. Подавши на апаратуру електроживлення, обертають ручку регулювання R26 в протилежну сторону до появи в головних телефонах сигналу ГУН. Після цього підлаштування резистором R27 встановлюють необхідну чутливість. А з допомогою R26 довільно виставляють (при роботі з приладом в режимі биттів "один до одного") fбиений в межах 200 -300 Гц.
АПЧ і ГУН, по суті, відключені, тому пошук ведуть як зазвичай. Для більш чіткого визначення місця розташування дрібних предметів рамку-датчик підносять до зони пошуку або горизонтально (заокругленим кутом вперед), або під нахилом 45 - 90° до досліджуваної поверхні (з явним позиційною перевагою однієї з боковин рамки).
Автор: Ю. Стафійчук