Металлоискатель на биениях простой и хороший. Самодельные металлоискатели: простые и посложнее – на золото, черный металл, для стройки

Металлоискатель - это электронное устройство для поиска и различения металлов, предметов из металла, которые могут быть спрятаны на разной глубине под слоем песка, земли, в стенах помещений и различных конструкций.

Приведены принципиальные схемы металлоискателей, выполненных на транзисторах, микросхемах и микроконтроллерах. Металлоискатель заводского производства является достаточно дорогим устройством, поэтому самостоятельное изготовление самодельного металлоискателя может сэкономить не мало средств.

Схемы современных металлоискателей могут быть построены по разным принципам работы, перечислим наиболее популярные из них:

Метод биений (измерение изменения эталонной частоты);
Индукционный баланс на низких частотах;
Индукционный баланс на разнесённых катушках;
Импульсный метод.

Многие начинающие радиолюбители и кладоискатели задаются вопросом: как самому изготовить металлоискатель? Желательно начать свое знакомство со сборки простой схемы металлодетектора, это позволит разобраться в работе подобного устройства, получить первые навыки в поиске кладов и изделий из разноцветных металлов.

Металлоискатель предназначен для обнаружения металлического предмета (крышка колодца, отрезок трубы, скрытая проводка). Металлоискатель состоит из параллельного стабилизатора напряжения (транзисторы V1 V2)у генератора высокой (около 100 кГц) частоты на транзисторе V4, детектора ВЧ колебаний (V5) и...

13 5088 6

Металлоискатель позволяет на расстоянии до 20 см обнаруживать любой металлический предмет. Дальность обнаружения зависит только от площади металлического предмета. Для тех, кому этого расстояния недостаточно, например искателям кладов, можно порекомендовать увеличить размеры рамки. Это должно увеличить и глубину обнаружения. Принципиальная схема металлоискателя приведена на рисунке. Схема собрана на транзисторах, работающих в режиме...

9 4577 1

Схема самодельного металлоискателя на биениях, которая построена на пяти микросхемах. Находит монету 0,25мм на глубине 5см, пистолет - на глубине 10см, металлическую каску - 20см. Принципиальная схема металлоискателя на биениях изображена ниже. Схема состоит из следующих узлов: кварцевый генератор, измерительный генератор, синхронный детектор, триггер Шмидта, устройство индикации...

11 4724 4

Схема, представленная на рисунке - это классический металлоискатель. Работа схемы основана на принципе супергетеродинного преобразования частоты, которое обычно используется в супергетеродинном приемнике. Принципиальная схема металлоискателя с интегральным УНЧ, в нем используются два генератора радиочастоты, частоты которых составляют 5,5 МГц. Первый радиочастотный генератор собран на транзисторе Т1 типа BF494, частота...

5 4744 2

Этот металлоискатель, несмотря на малое число деталей и простоту в изготовлении, отличается достаточно большой чувствительностью. Крупные металлические предметы, такие как батарея отопления, он способен обнаружить на расстоянии до 60 см, мелкие же, например, монету диаметром 25 мм — на расстоянии 15 см. Принцип работы устройства основан на изменении частоты в измерительном генераторе под воздействием находящихся рядом металлов и...

18 4600 0

Простой компактный металлоискатель нужен для обнаружения в стенах под слоем штукатурки разнообразных металлических предметов (например, труб, проводки, гвоздей, арматуры). Это устройство полностью автономно, питается от 9 вольтовой батареи типа «Крона», потребляя от нее 4-5 мА. Металлоискатель имеет достаточную чувствительность для обнаружения: трубы на расстоянии 10-15 см; проводки и гвоздей на расстоянии 5-10...

8 4502 0

Схема малогабаритного высокоэкономичного металлоискателя с хорошей повторяемостью и высокими эксплуатационными характеристиками, используя широко распространенные и недорогие детали. Анализ большинства распространённых схем показал, что все они питаются от источника с напряжением не ниже 9 В (то есть «Крона»), а это и дорого и неэкономично. Так, собранный на микросхеме K561ЛE5...

18 5140 1

Схема металлоискателя каких-либо особенностей не имеет, проста и доступна для повторения даже начинающим радиолюбителям. Как часто пишут в книгах и журналах, при правильном монтаже и исправных деталях работать начинает сразу. Печатная плата устройства показана на рисунке, она выполнена под SMD компоненты, все детали устанавливаются со стороны фольги, и сверления отверстий не требуется. Изготовление поисковой катушки требует высокой...

Особенности металлоискателя

Чувствительность у этого металлоискателя повышена за счет использования зависимости длительности зондирующего импульса от интенсивности самих посылок. В поисковый генератор введена автоматическая подстройка частоты. Каких-либо дополнительных мер для стабилизации напряжений и температурной компенсации электронных блоков не требуется.

Принципиальная схема

Принципиальная схема устройства представлена на рис. 2.30.

Рис. 2.30. Принципиальная схема улучшенного варианта металлоискателя на биениях (нажмите для увеличения)

Задающий генератор выполнен на элементе DD1.1. Его частота стабилизирована кварцевым резонатором ZQ1, включенным в цепь положительной обратной связи. Для обеспечения возбуждения генератора при включении питания служит резистор R1. Буферный элемент DD1.2 разгружает генератор, а также формирует сигнал с цифровыми уровнями. Резистор R2 определяет степень нагрузки и максимум мощности, рассеиваемой на кварцевом резонаторе.

Данный генератор может работать практически с любыми резонаторами при токе потребления 500-800 мкА. Идущий за ним делитель частоты на два (элемент DD2.1) формирует сигнал с симметричным меандром, необходимый для нормальной работы смесителя. Измерительный генератор собран по схеме несимметричного мультивибратора (транзисторы VT1 и VT2). Выход на режим самовозбуждения обеспечивает цепь положительной обратной связи на конденсаторе С7.

Частотозадающими элементами служат конденсаторы СЗ-С5, варикап VD1 и поисковая катушка-датчик L1. Генерация осуществляется в пределах от 500 кГц до 700 кГц, в зависимости от имеющегося кварцевого резонатора. Уход частоты у данного генератора за первые 10 с сразу после включения питания составляет не более 0,7 Гц (а через каждые 30 минут - до 20 Гц).

Для нормальной работы прибора считается приемлемым уход частоты 1 Гц за 1 мин (без АПЧ). Выдаваемый измерительным генератором синусоидальный сигнал, имея амплитуду 1-1,2 В, поступает через разделительный конденсатор С9 на элементы DD3.1, DD3.2. Эти элементы формируют прямоугольные импульсы с цифровыми уровнями и скважностью 2. Резисторы R5R6 образуют делитель, необходимый для нормальной работы этого участка схемы, а элемент DD3.3 выполняет роль буферного каскада. Сигнал с него подается на триггер DD2.2. Туда же поступает сигнал с делителя опорного генератора.

Особенность работы триггера DD2.2 такова, что если на входы С и D этого логического элемента приходят две импульсные последовательности, близкие по частоте, то на выходах формируется сигнал разностной частоты со строго симметричным меандром.

Прямой, а также задержанный, и заодно проинвертированньй (благодаря цепи R8C11 и элементу DD4.2) сигналы суммируются на ключе DD5.1, выполняющем роль логического элемента И/ИЛИ. При этом формируются короткие положительные импульсы записи для работы аналогового запоминающего устройства (DD5.2. С13, VT3). Снимаемый с выхода DD4.2 сигнал приходит на интегратор, выполненный по классической схеме с использованием элементов VD2, R10-R11, DA1, С12.

Резистор R11 ограничивает ток перезаряда конденсатора С12, разгружая выход элемента DD4.2. Проинтегрированный сигнал через ключ DD5.2, которым управляют импульсы с DD5.1, подается на запоминающую емкость С13. На этом конденсаторе формируется и удерживается с высокой точностью до нового цикла записи напряжение, равное пиковому значению того, что поступает от интегратора. Конденсатор С14 сглаживает эффект типа "ступенька", который может возникнуть при резкой смене частот биений.

С истокового повторителя на транзисторе VT3 сигнал поступает:

на компаратор DD4.3;
на генератор, управляемый напряжением;
в цепь петли АПЧ.

Делитель R21R22 со вместно с резисторами обратной связи R23 и R24 сужают диапазон управляющего напряжения до амплитуды 1,2 В.

Операционный усилитель DA2 сравнивает полученное напряжение с тем, что задано делителем R26R29, и формирует напряжение управления варикапом VD1.

Регулировка металлоискателя

Резистором R26 можно устанавливать начальную точку захвата АПЧ (ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ) грубо, а резистором R27 - более точно.

При перемещении движка R26 в сторону крайнего (верхнего, либо нижнего по схеме) положения можно легко выходить из зоны захвата АПЧ (±300 Гц), осуществляя режим работы с частотой биений "один к одному", что делает работу с прибором более гибкой.

Фактически АПЧ имеет две постоянные времени (в зависимости от того, в какую сторону происходит изменение частоты биений). Особое исполнение катушки-датчика практически нивелирует влияние ферромагнитных свойств обнаруживаемых предметов. Поэтому не оказывается влияние на увеличение частоты поискового генератора. Поэтому АПЧ и прибор в целом работают во всех режимах весьма корректно.

Работа ГУН

ГУН на элементах DD4.4, R18, С15 преобразует напряжение, изменяющееся с частотой биений, в звуковую частоту. Настроенный с помощью делителя R16R17 компаратор DD4.3 разрешает ему это делать в зоне максимальной чувствительности, когда частота биений лежит в диапазоне 0-70 Гц.

Сигнал с ГУН поступает на вход "А" смесителя (ключ DD5.4). На вход "СО" от логического элемента DD4.1 приходит разностная частота биений. В результате на выходе смесителя присутствует:

или промодулированный частотой биений сигнал ГУН;
или только частота биений.

Причем переход с одного режима на другой схема выполняет автоматически.

Переменный резистор R30 служит нагрузкой и регулятором громкости, а совмещенный с ним SA1 - выключателем электропитания. Использование микросхем серии КМОП и операционных усилителей, работающих в микротоковом режиме, позволило сократить ток потребления схемы до уровня 6 мА, сделав приемлемым использование батареи "Крона" в качестве источника электропитания.

Расположение элементов на плате показано на рис. 2.31.

Рис. 2.31. Расположение элементов на плате

Монтаж рамки-датчика металлоискателя

Технология и тщательность изготовления рамки- датчика очень сильно влияют на качество работы всего устройства. В качестве основы здесь рекомендуется использовать жгут, составленный из одиннадцати отрезков провода ПЭВ-2 1,2 мм длиной 1100 мм. Его нужно плотно обернуть слоем изоленты и втиснуть в алюминиевую трубку, имеющую внутренний диаметр 10 мм и длину 960 мм. Полученной заготовке нужно придать форму прямоугольной рамки 300 х 200 мм с закругленными углами.

Конец первого из проводов, помещенных в алюминиевом корпусе - электростатическом экране, последовательно припаять к началу второго провода и так далее, до образования своеобразной 11-ти витковой катушки индуктивности. Пайки друг от друга нужно заизолировать бумажной лентой и залить эпоксидной смолой, исключая при этом появление короткозамкнутого витка за счет самой согнутой в рамку трубки.

Желательно здесь же предусмотреть любой закрытый высокочастотный разъем и подходящее (не металлическое) крепление для рукоятки, в качестве которой можно использовать одну-две секции от разборного удилища. Кабель, соединяющий рамку с блоком, лучше использовать коаксиальный, телевизионный, например, РК75.

Почти весь металлодетектор может быть смонтирован на печатной плате (рис. 2.32) из одностороннего фольгированного стеклотекстолита.

Рис. 2.32. Печатная плата

Элементная база

Дроссель L2 поискового генератора имеет 150 витков провода ПЭЛ-1 0,01. Намотка нужно производить внавал на каркасе диаметром 4 мм и длиной 15 мм с ферромагнитным подстроенным сердечником 600НН. Индуктивность такого дросселя 1-1,2 мГн.

В приборе использованы конденсаторы КСО или КТК (СЗ, С4, С5), КЛС или KM (C1, С2, С6-С13, С15), К50-6 или К53-1 (С14, С16. С17). Резисторы - МЛТ 0,125, подстроенные R26, R27 подойдут СП5-2 или СП-3.

В качестве транзисторов VT1 и VT2, например, подойдут КП303Б (Ж). На месте VT3 приемлем КП303 или КП305 с любой буквой, КТ3102Г (VT4) заменим на КТ3102Е. Кварц - на 1,0-1,4 МГц. Варикап Д901 можно заменить на Д902.

Для изготовления металлоискателя на срывах синхронизации используется металлопластиковая водопроводная труба. Штанга может быть разъемной, трубы диаметром 16 и 20 туго входят одна в другую. Детали собираем на любом непроводящем клею на упаковочную ленту. Конденсаторы с хорошей температурной стабильностью, слюдяные - это важно. Катушки и схему покрыть масляным лаком.
Батарейки от мобильника хватает на 20-30 часов непрерывной работы.

В схемах на биениях синхронизация генераторов нежелательна. Частоты генераторов заранее сдвигают, что ведет к снижению чувствительности. Мы предлагаем использовать неустойчивость на грани срыва синхронизации.Чем ближе к грани срыва тем выше чувствительность.
Простая схема монету чувствует с 15 см.

Берем самую простую схему. Схема не критична к питанию, количеству витков и номиналам деталей. Условие одно: левая и правая часть должны быть одинаковыми.

Симметрично собранная схема работает сразу.
Но посмотреть интересно. Запитываем трубу.

Сигналы с генераторов подаем на пластины X и Y.

Частота и фаза совпадают.

Захват на гармониках.

Сдвиг 90 градусов.

Вот они срывы. В наушниках щелчки.

Сдвиг 180 градусов.

Генераторы не синхронизованы.

До срыва меряем фазу.
Если расположить катушки рядом грунт не влияет.Генераторы уходят одновременно и в одну сторону.При боковом движении предмет попадает под катушки поочередно увеличивая разность по звуку.

Перед срывом суперные шумы.

Устройство позволяющее отыскивать металлические предметы, расположенные в нейтральной среде, например, грунте, за счет их проводимости называют металлодетектором (металлоискателем). Это прибор позволяет находить металлические предметы в различных средах, в том числе и в организме человека.

Во многом благодаря развитию микроэлектроники металлодетекторы, которые выпускают множество предприятий по всему свету, обладают высокой надежностью и небольшими габаритно-весовыми характеристиками.

Еще не так давно, такие приборы можно было чаще всего увидеть у саперов, то теперь, ими пользуются спасатели, кладоискатели, работники коммунальных служб при поиске труб, кабелей и пр. Более того, многие «кладоискатели» применяют металлодетекторы, которые они собирают своими руками.

Конструкция и принцип работы прибора

Металлодетекторы, предлагаемые на рынке, работают на разных принципах. Многие считают, что они используют принцип импульсной эхо- или радиолокации. Их отличие от локаторов заключается в том, передаваемый и принимаемый сигналы, действуют постоянно и одновременно, ко всему прочему они работают на совпадающих частотах.

Приборы, работающие по принципу «прием-передача», регистрируют отраженный (переизлученный) от металлического предмета сигнал. Этот сигнал появляется из-за воздействия на металлический предмет переменным магнитным полем, которое генерируют катушки металлоискателя. То есть в конструкции устройств этого типа предусмотрено наличие двух катушек, первая – передающая, вторая – приемная.

Приборы этого класса обладают следующими достоинства:

простота конструкции;
большие возможности для обнаружения металлических материалов.

В тоже время, металлоискатели этого класса обладают определенными недостатками:

металлоискатели могут быть чувствительными к составу грунта, в котором производят поиск металлических предметов.
технологические сложности при производстве изделия.

Другими словами, устройства этого типа перед работой необходимо настраивать своими руками.

Другие устройства иногда называют металлоискатель на биениях. Это название пришло из далекого прошлого, точнее со времен, когда широко эксплуатировались супергетеродинных приемников. Биения – это явление, которое становится заметно при суммировании двух сигналов с близкими частотами и равными амплитудами. Биение заключается в пульсировании амплитуды просуммированного сигнала.

Частота пульсирования сигнала равняется разностью частот суммируемых сигналов. Пропуская такой сигнал через выпрямитель, его еще называют детектором, выделяют, так называемую разностную частоту.

Такая схема долго применялось, но в наши дни, ее не применяют. Их сменили синхронные детекторы, но термин остался в применении.

Металлодетектор на биении работает, используя следующий принцип – он регистрирует разность частот от двух генераторных катушек. Одна частота стабильна, вторая содержит в себе катушку индуктивности.

Устройство настраивают своими руками так, чтобы генерируемые частоты совпадали или по крайней мере были близки. Как только, в зону действия попадает металл, происходит изменение заданных параметров и частота изменяется. Разность частот может быть зарегистрирована разными способами, начиная от наушников и заканчивая цифровыми методами.

Устройства этого класса отличаются простой конструкцией датчика, слабой чувствительностью к к минеральному составу почвы.

Но кроме этого, при их эксплуатации необходимо учитывать и то, что у них высокое энергопотребление.

Типовая конструкция

В состав металлоискателя входят следующие составные части:

Катушка – это конструкция коробчатого типа, в ней располагают приемник и передатчик сигнала. Чаще всего катушка имеет эллиптическую форму и для ее изготовления применяют полимеры. К ней подведен провод, соединяющий ее с блоком управления. Это провод передает сигнал от приемника к блоку управления. Передатчик формирует сигнал при обнаружении металла, который транслируется на приемник. Катушку устанавливают на нижнюю штангу.
Металлическую часть, на которой фиксируется катушка и настраивается угол ее наклона, называют нижней штангой. Благодаря такому решению происходит более тщательное исследование поверхности. Существуют модели, в которых нижняя часть может регулировать высоту металлоискателя и обеспечивает телескопическое соединение со штангой, которую называют средней.
Средняя штанга – это узел, расположенный между нижней и верхней штангами. На ней закрепляют приспособления, позволяющие регулировать размеры устройства. на рынке можно встретить модели, которые состоят из двух штанг.
Верхняя штанга, как правило, имеет изогнутый вид. Она напоминает, букву S. Такая форма считается оптимальной для закрепления ее на руке. На ней устанавливают подлокотник, блок управления и рукояткой. Подлокотник и рукоятку изготавливают из полимерных материалов.
Блок управления металлодетектором необходим для обработки получаемых от катушки данных. После того, как сигнал преобразован он направляется на наушники или другие средства индикации. Кроме того, блок управления предназначен для регулировки режима работы устройства. Провод от катушки присоединяется с помощью быстросъемного устройства.

Все устройства входящие в состав металлоискателя выполняют во влагозащищенном исполнении.

Вот такая относительная простота конструкция и позволяет изготовлять металлоискатели своими руками.

Разновидности металлодетекторов

На рынке представлена широкая номенклатура металлодетекторов, применяемых во многих сферах. Ниже приведен список, в котором указаны некоторые разновидности этих устройств:

Большая часть современных металлоискателей может найти металлические объекты на глубине до 2,5 м, специальные глубинные изделия могут обнаружить изделие на глубине до 6 метров.

Частота работы

Второй параметр – это частота работы. Все дело в том, что низкие частоты позволяют металлоискателю видеть на довольно большую глубину, но мелкие детали они увидеть не в состоянии. Высокие частоты позволяют заметить мелкие объекты, но не допускает просмотра грунта на большую глубину.

Самые простые (бюджетные) модели работают на одной частоте, модели которые относят к среднему ценовому уровню используют в работе 2 и более частоты. Существуют модели, которые при поиске применяют 28 частот.

Современные металлодетекторы оснащаются такой функцией, как дискриминация металла. Она позволяет различать тип материала находящегося на глубине. При этом при обнаружении черного металла в наушниках поисковика будет звучать один звук, а при обнаружении цветного другой.

Такие устройства относят к ипульсно – балансным. Они используют в своей работе частоты от 8 до 15 кГц. В качестве источника применяют батареи в 9 – 12 В.

Приборы этого класса способны обнаружить золотой предмет на глубине в несколько десятков сантиметров, а изделия из черных металлов на глубине порядка 1 и более метра.

Но, разумеется, эти параметры зависят от модели устройства.

Как собрать самодельный металлоискатель своими руками

На рынке существует множество моделей приборов для поиска металла в грунте, стенах и пр. Несмотря на его внешнюю сложность, изготовить металлоискатель своими руками не так и сложно и это может сделать практически любой человек. Как уже отмечалось выше, любой металлоискатель состоит из следующих ключевых компонентов – катушки, дешифратора и сигнализирующего устройства блока питания.

Для сборки своими руками такого металлоискателя необходим следующий набор элементов:

контроллер;
резонатор;
конденсаторы разных типов, в том числе и пленочные;
резисторы;
излучатель звука;
стабилизатор напряжения.

Металлоискатель простейший своими руками

Схема металлоискателя не отличается сложностью, а найти ее можно или на просторах мировой сети, или в специализированной литературе. Выше приведен перечень радиоэлементов, которые пригодятся для сборки металлоискателя своими руками в домашних условиях. Простой металлоискатель можно собирать своими руками, используя паяльник или другой доступный способом. Главное при этом, детали не должны касаться корпуса прибора. Для обеспечения работы собранного металлоискателя применяют источники питания в 9 – 12 вольт.

Для намотки катушки применяют провод с диаметром сечения в пределах 0,3 мм, разумеется, это будет зависеть от выбранной схемы. Кстати, намотанную катушку необходимо защитить от воздействия постороннего излучения. Для этого ее экранируют своими руками при помощи обыкновенной пищевой фольги.

Для прошивки контроллера применяют специальные программы, которые также можно найти на просторах интернет.

Металлоискатель без микросхем

Если у начинающего «кладоискателя» нет желания связываться с микросхемами, существуют схемы и без них.

Существуют более простые схемы, основанные на использовании традиционных транзисторов. Такой прибор может найти металл на глубине в несколько десятков сантиметров.

Глубинные металлодетекторы используют для поиска металлов на больших глубинах. Но стоит отметить, что стоят они недешево и поэтому вполне возможно его собрать его своими руками. Но перед тем, как приступить к его изготовлению надо понять как работает типовая схема.

Схема глубинного металлоискателя не самая простая и существует несколько вариантов его исполнения. Перед его сборкой необходимо подготовить следующий набор деталей и элементов:

конденсаторы разного типа – пленочные, керамические и пр.;
резисторы разного номинала;
полупроводники – транзисторы и диоды.

Номинальные параметры, количество зависят от выбранной принципиальной схемы прибора. Для сборки приведенных элементов потребуется паяльник, набор инструмента (отвертка, плоскогубцы, кусачки пр.), материал для изготовления платы.

Процесс сборки глубинного металлодетектора выглядит примерно следующим образом. Сначала собирают блок управления, основу которого составляет печатная плата. Ее изготавливают из текстолита. Затем схему сборки переносят непосредственно на поверхность готовой платы. После того, как рисунок перенесен, плату необходимо протравить. Для этого применяют раствор, в который входят перекись водорода, соль, электролит.

После того, как выполнено травление платы, в ней необходимо выполнить отверстия для установки компонентов схемы. После того, как выполнено лужение платы. Наступает самый важный этап. Установка и пайка своими руками деталей на подготовленную плату.

Для намотки катушки своими руками применяют провод марки ПЭВ с диаметром 0,5 мм. Количество витков и диаметр катушки зависят от выбранной схемы глубинного металлоискателя.

Немного о смартфонах

Существует мнение о том, что вполне возможно изготовить металлоискатель из смартфона. Это не так! Да, есть приложения, которые устанавливают под ОС Android.

Но по факту, после установки такого приложения он действительно сможет находить металлические предметы, но только предварительно намагниченные. Искать и тем более дискриминировать металлы он не сможет.

Предлагаемый металлоискатель предназначен для "ближнего" поиска предметов. Он собран по простейшей схеме. Прибор компактен и несложен в изготовлении. Глубина обнаружения составляет:
монета 025мм.................... 5 см;
пистолет.............................10 см;
каска.................................20 см.

Структурная схема

Структурная схема изображена на рис. 8. 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. 8. Структурная схема металлоискателя на биениях

Принципиальная схема

КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР

Кварцевый генератор имеет схему, аналогичную схеме генератора металлоискателя по принципу "передача-прием", но реализованную на инверторах D1.1-D1.3. Частота генератора стабилизирована кварцевым или пьезоке-рамическим резонатором Q с резонансной частотой 215 Гц ~ " 32 кГц ("часовой кварц"). Цепь 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. 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.

Рис. 9. Принципиальная электрическая схема металлоискателя на биениях

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 осуществля - ется 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

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

ТРИГГЕР ШМИДТА

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 свето-диод и пьезоизлучатель. Типы деталей и конструкция

Вместо микросхем серии К561 возможно использование микросхем серии К1561. Можно попытаться применить некоторые микросхемы серии К176. 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 прп проводимостью типов КТ315, КТ312 и т.п. Транзистор VT3 - типа КТ361 с любой буквой или аналогичного типа с р-п-р проводимостью.

К применяемым в схеме металлоискателя резисторам не предъявляется особых требований. Они лишь должны иметь прочную конструкцию и быть удобны для монтажа. Номинальная рассеиваемая мощность должна составлять 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 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 160 мм, содержит 100 витков провода. Тип провода - ПЭЛ, ПЭВ, ПЭЛШО и т.п. Диаметр провода 0,2...0,5 мм. О конструкции катушки см. ниже.

Конденсатор СЗ - электролитический. Рекомендуемые типы - К50-29, К50-35, К53-1, К53-4 и другие 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 параллельно. Грубая настройка контура на частоту кварцевого генератора осуществляется подбором количества конденсаторов и их номинала. Рекомендуемый тип конденсаторов К10-43. Их группа по термостабильности - МПО (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 ЗП1-ЗП18. Хорошие результаты получаются при использовании пье-зоизлучателей 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 в разделах, 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

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 указанного значения 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

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 состоит 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. 10.

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.10. 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. 9). Этот сигнал является входным для двоичных счетчиков D5.1-D5.2 (нумерация продолжает нумерацию по схеме рис. 9). 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 сделать 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 табл. 4.

Таблица 4. Типы используемых микросхем

Вместо микросхем серии К561 возможно использование микросхем серии К1561. Можно попытаться применить некоторые микросхемы серии К176. Разводка цепей питания и нумерация выводов для микросхем D8-D11 для простоты условно не показана.

Светодиоды VD2-VD9 типа АЛ336 или аналогичные с высоким КПД. Их токозадающие резисторы R9-R17 имеют одинаковый номинал 1,0...5,1 кОм. 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 шт.) 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 связано с использованием принципа электронного частотомера для регистрации небольших отклонений частоты. Данной теме посвящен разд. 2.3.

ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ДАТЧИК

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 емкостей 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.

Трансформаторный датчик позволяет реализовать складную конструкцию компактного металлоискателя на биениях. Ее эскиз изображен на рис. 11. Трансформатор датчика выполнен на тороидальном магнитопроворде, 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 мм², замкнутого с помощью пайки. Указанная рамка имеет возможность вращаться.

В сложенном положении рамка 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 или из другого аналогичного материала. Возможно также применение любых других подходящих механических фиксаторов для рамки.

Рис. 11. Конструкция металлоискателя на биениях со складывающейся рамкой датчика

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 магнитопровод 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 магнитопроводов с магнитной проницаемостью ц=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 метал-лоискателей 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 разделе, посвященном металлоискателю на биениях.