3.1 МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ ПО ПРИНЦИПУ "ПЕРЕДАЧА-ПРИЕМ"

Термины "передача-прием" и "отраженный сигнал" в различных поисковых приборах обычно ассоциируются с методами типа импульсной эхо- и радиолокации, что является источником заблуждений, когда речь заходит о металлоискателях. В отличие от различного рода локаторов, в металлоискателях рассматриваемого типа как передаваемый сигнал (излучаемый), так и принимаемый сигнал (отраженный) являются непрерывными, они существуют одновременно и совпадают по частоте.

3.1.1. Принцип действия

Принцип действия металлоискателей типа "передача-прием" заключается в регистрации сигнала, отраженного (или, как говорят, переизлученного) металлическим предметом (мишенью), см. , стр.225-228. Отраженный сигнал возникает вследствие воздействия на мишень переменного магнитного поля передающей (излучающей) катушки металлоискателя. Таким образом, прибор данного типа подразумевает наличие как минимум двух катушек, одна из которых является передающей, а другая приемной.

Основная принципиальная проблема, которая решается в металлоискателях данного типа, заключается в таком выборе взаимного расположения катушек, при котором магнитное поле излучающей катушки в отсутствие посторонних металлических предметов наводит нулевой сигнал в приемной катушке (или в системе приемных катушек). Таким образом, необходимо предотвратить непосредственное воздействие излучающей катушки на приемную. Появление же вблизи катушек металлической мишени приведет к появлению сигнала в виде переменной э.д.с. в приемной катушке.

3.1.2. Схемы датчиков

Поначалу может показаться, что в природе существует всего два варианта взаимного расположения катушек, при котором не происходит непосредственной передачи сигнала из одной катушки в другую (см. рис.1 а и 16) - катушки с перпендикулярными и со скрещивающимися осями.

Рис. 1. Варианты взаимного расположения катушек датика металлоискателя по принципу "передача-прием ".

Более тщательное изучение проблемы показывает, что подобных различных систем датчиков металлоискателей может быть сколь угодно много, однако они будут содержать более сложные системы с количеством катушек больше двух, соответствующим образом включенных электрически. Например, на рис.1 в изображена система из одной излучающей (в центре) и двух приемных катушек, включенных встречно по сигналу, наводимому излучающей катушкой. Таким образом, сигнал на выходе системы приемных катушек в идеале равен нулю, так как наводимые в катушках э.д.с. взаимно компенсируются.

Особый интерес представляют системы датчиков с компланарными катушками (т.е. расположенными в одной плоскости). Это объясняется тем, что с помощью металлоискателей обычно проводят поиск предметов, находящихся в земле, а приблизить датчик на минимальное расстояние к поверхности земли возможно только в том случае, если его катушки компланарны. Кроме того такие датчики обычно компактны и хорошо вписываются в защитные корпуса типа "блина" или "летающей тарелки".

Основные варианты взаимного расположения компланарных катушек приведены на рис.2а и 26. В схеме на рис.2а взаимное расположение катушек выбрано таким, чтобы суммарный поток вектора магнитной индукции через поверхность, ограниченную приемной катушкой, равнялся нулю. В схеме рис.26 одна из катушек (приемная) скручена в виде "восьмерки", так что суммарная э.д.с., наводимая на половинки витков приемной катушки, расположенные в одном крыле "восьмерки", компенсирует аналогичную суммарную э.д.с., наводимую в другом крыле "восьмерки".

Рис. 2. Компланарные варианты взаимного расположения катушек металлоискателя по принципу "передача-прием ".

Возможны и другие разнообразные конструкции датчиков с компланарньми катушками, например рис.2в. Приемная катушка расположена внутри излучающей. Наводимая в приемной катушке э.д.с. компенсируется специальным трансформаторным устройством, отбирающим часть сигнала излучающей катушки.

3.1.3.1. Система катушек с перпендикулярными осями

Рассмотрим более подробно взаимодействие датчика металлоискателя с металлической мишенью на примере системы катушек с перпендикулярными осями, рис.1 а. Для простоты рассмотрим систему с катушками, продольными размерами которых можно пренебречь. Будем в дальнейшем счи тать, что излучающая и приемная катушки представляют собой круглые бесконечно тонкие рамки (см. рис.3). Для такой рамки вектор магнитного момента при протекании тока I имеет вид:

Рис.3. Модель излучающей катушки.

Индукция магнитного поля, создаваемого тауой рамкой на большом расстоянии г от ее центра (см. рис.4), составляет:

Рис. 4. Компоненты вектора индукции магнитного поля излучающей катушки.

полагая,что r>>Ц S , а индексы "n" и "t " обозначают соответственно нормальную и тангенциальную составляющие вектора магнитной индукции.

Рассмотрим взаимодействие излучающей рамки, приемной рамки и объекта в случае катушек с перпендикулярными осями (см. рис.5).

Рис. 5. Взаимное расположение катушек датчика металлоискателя и объекта (мишени).

Угол между осью симметрии системы катушек и вектором индукции поля В излучающей катушки равен 2р, так как силовые линии вследствие соотношений (1.2) являются окружностями, и ввиду допущения о малых размерах катушек:

где L - так называемая база датчика металлоискателя (см. рис.5).

3.1.3.2. Отражение сигнала за счет проводимости объекта

Проводящий металлический объект, размеры которого пока будем также считать небольшими, по крайней мере, не превосходящими r и r" (см. рис.5), с точки зрения переизлучения магнитного поля, можно представить в виде эквивалентной рамки с токомI*, вектор магнитного момента которой Рm* практически параллелен вектору индукции излучающей катушки В.

Величина Рm* зависит от размеров проводящего объекта, его проводимости, от индукции поля в точке расположения объекта, от частоты излучаемого поля. Индукция поля переизлучения имеет в центре приемной катушки ненулевую составляющую Во в направлении вектора нормалиns ", что приводит к появлению в этой катушке э.д.с., пропорциональной указанной составляющей:

Рис. 6. К расчету магнитного момента эквивалентного шара.

Для того, чтобы вычислить магнитный момент эквивалентной рамкиРm*, необходимо взять интеграл по всему объему проводящего объекта так, чтобы просуммировать вклады всех элементарных кольцевых токов, наведенных полем излучающей катушки, в итоговую величину Рm*. Для простоты будем считать, что магнитное поле по всему объему проводящего объекта однородно, то есть он удален на значительное расстояние от излучающей катушки. Чтобы не возникало проблем с ориентацией объекта, будем пока считать, что он имеет форму однородного шара (см. рис.б). Считая, что проводящий объект удален на значительное расстояние и от приемной катушки, можно записать:

Пренебрегая явлением самоиндукции, влияние которого будет рассмотрено ниже, получаем:

Чтобы учесть явление самоиндукции, предположим для простоты, что переизлученное поле однородновнутри объекта-мишени и, исходя из величины магнитного момента (1.7), составляет:

Подставив в выражение (1.7) В -В"внутр вместо В, получим по-прежнему пропорциональную зависимость Рm* отВ, но с несколько иным коэффициентом K1:

Составляющая индукции в центре приемной катушки:

В системе декартовых координат с началом в середине базы системы катушек (см. рис.7) последнее выражение принимает вид:

Введем нормированные координаты:

Определим с точностью до знака э.д.с., наводимую в приемной катушке:

где So - площадь сечения приемной катушки, N - количество ее витков.

где S - площадь сечения излучающей катушки, I - суммарный ток всех ее витков.

В трехмерном пространстве, когда плоскость XOY не перпендикулярна плоскости приемной рамки,

Рис. 7. Система координат.

Рис.8. Ориентация объекта по крену.

3.1.3.3.Отражение сигнала за счет ферромагнитных свойств объекта

Ферромагнитный объект, размеры которого будем считать также небольшими, по крайней мере, не превосходящими r и rў (см. рис.5), с точки зрения искривления магнитного поля, можно представить в виде эквивалентной рамки с током I*, вектор магнитного момента которойРm*практически параллелен вектору индукции излучающей катушки В.

Величина Рm* зависи т о т размеров ферромагнитного объекта, его магнитной проницаемости, от индукции поля в точке расположения объекта. Для того, чтобы вычислить магнитный момент эквивалентной рамки Рm*, необходимо взять интеграл по всему объему ферромагнитного объекта так, чтобы просуммировать вклады всех амперовых токов, возникающих в ферромагнетике под действием внешнего поля излучающей катушки. Для шарового однородного объекта получим:

где В - индукция магнитного поля, m - магнитная проницаемость материала объекта, R - радиус объекта - шара.

Все выражения, полученные выше для проводящего объекта, останутся в силе, если в них для данного случая положить:

3.1.3.4.Суперпозиция проводящих и ферромагнитных свойств объекта

Учет одновременно электропроводных и ферромагнитных свойств объекта в виде шара приводит к следующему значению коэффициента K1:

Нормирующий коэффициент К4 , входящий в выражение для напряжения в приемной катушке, составляет:

Численная оценка (1.23) показывает, например, что модули слагаемых в выражении при типовой частоте излучаемого поля 10(кГц) становятся соизмеримы при радиусе шарового объекта порядка 1(см) и при условии наличия у объекта ферромагнитных свойств. Кроме того, зависимость первого слагаемого от оператора Лапласа говорит о том, что фаза отраженного сигнала будет изменяться в зависимости от соотношения у объекта - мишени электропроводных и ферромагнитных свойств, а также от проводимости материала и размеров объекта. На этом явлении основан принцип действия дискриминаторов современных металлоискателей, то есть электронных устройств, позволяющих по фазовому сдвигу отраженного от объекта сигнала оценить свойства объекта (с определенной вероятностью даже тип металла).

3.1.3.5.Учет формы объекта

Полученные ранее выражения, как указывалось, были справедливы только для формы объекта - мишени в виде однородного шара. Очевидно, что воздействие объектов более сложной формы можно свести к воздействию некоторого эквивалентного шара с радиусом Rэкв.

Наведенное в приемной катушке напряжение, обусловленное проявлением только ферромагнитных свойств, для шарового объекта пропорционально его объему (см. выражение (1.22)). Поэтому, для не слишком протяженных объектов более сложной формы, в первом приближении, можно считать эквивалентным такой шар, объем которого совпадает с объемом ферромагнетика у объекта сложной формы. Для этого случая:

где V - объем ферромагнетика.

С напряжением, наведенным в приемной катушке за счет переизлучения от проводящего объекта, ситуация более сложная. В случае больших объектов с хорошей электропроводностью выражение (1.9) и соответственно наведенное в приемной катушке напряжение также пропорционально объему объекта (то естьR^3) и радиус эквивалентного шара также вычисляется по формуле (1.25). В случае небольших объектов с плохой электропроводностью подход иной. В этом случае общее выражение (1.9) вырождается в частный случай (1.8). Рассмотрим вначале влияние шаровой полости с радиусом Rп внутри шарового объекта на Rэкв. Воспользовавшись принципом суперпозиции, представим результат воздействия шарового объекта с полостью как разность результатов воздействия сплошного шара и шара с радиусом Rп. В соответствии с (1.8), имеет место соотношение:

На рис.9 приведены графики зависимости R/Rэкв от R/D R для полого слабоэлектропроводного и для полого ферромагнитного шара. Из графика видно, что для не

Рис.9. Влияние толщины стенки полого шара на эквивалентный радиус.

слишком тонкостенных шаров из слабопроводящего материала Rэкв» R. Следовательно, в отличие от ферромагнитного шара и от шара высокой проводимости, для слабопроводящего шара, в первом приближении, безразлично сплошной он или полый. Его влияние на процесс переизлучения определяется, в основном, линейным размером, то есть R. Поэтому, в случае не слишком протяженных плохопроводящих объектов более сложной формы, в том числе и полой, в первом приближении, можно считать эквивалентным такой шар, радиусRэкв которого равен половине среднего характерного размера объекта.

Приведенный выше вывод хорошо подтверждается на практике в виде существенного отклика металлоискателя от ничтожных по массе обрывков металлической алюминиевой фольги, которая практически попадается везде, где оставила свой след современная цивилизация.

3.1.3.6.Система катушек со скрещенными осями

Рис. 10. Ориентация датчика по крену.

Вид вдоль оси датчика металлоискателя при таком расположении катушек приведен на рис.10. Для расчета такой схемы удобно воспользоваться принципом суперпозиции и разложить вектор магнитного момента излучающей катушки и площадь приемной катушки на вертикальную и горизонтальную составляющие (проекции, см. рис.11).

Для горизонтальной составляющей, проекция индукции поля в приемной катушке Вонбудет попрежнему определяться соотношением (1.4). Однако, иная ориентация магнитного момента дает (с точностью до знака) результат:

где К2 определяется по формуле (1.11).

Вертикальная составляющая индукции поля в приемной катушкеBov перпендикулярна векторамr и r" и не зависит в явном виде от углов g и b :

Рис.11. Разложение магнитного момента и площади приемной катушки на составляющие.

ЭДС в приемной катушке Uo , с точностью до знака, составляет:

Отсюда получаем:

В декартовой системе координат с началом в середине базы системы катушек (см. рис.5) получим:

Введя нормированные координаты (1.14), получим:

где К4 вычисляется по формуле (1.19) или (1.24).

3.1.4. Практические соображения

Чувствительность металлоискателя зависит, в первую очередь от его датчика. Для рассмотренных вариантов датчиков чувствительность определяется формулами (1.20) и (1.33). При оптимальной для каждого случая ориентации ориентации датчика на объект по углу крена y, она определяется одним и тем же коэффициентом K4 и функциями нормированных координат F(X,Y) иG(X,Y). Для сравнения, в квадрате ХО [-4,4], YО [-4,4], модули этих функций приведены в виде аксонометрического набора сечений в логарифмическом масштабе на рис.12 и рис.13.

Первое, что бросается в глаза - это ярко выраженные максимумы вблизи точек расположения катушек датчика (0,+1) и (0,-1). Максимумы функций F(X,Y) иG(X,Y) не представляют практического интереса и для удобства сравнения функций обрезаны по уровню 0(дБ). Из рисунков и из анализа функций F(X,Y) иG(X,Y) также видно, что в указанном квадрате модуль функции F практически везде немного превосходит модуль функции G, за исключением самых удаленных точек по углам квадрата и за исключением узкой области вблизи Х=0, где у функции F имеет место "овраг".

Асимптотическое поведение указанных функций вдали от начала координат можно проиллюстрировать при Y=0. Оказывается, что модуль функции F убывает с расстоянием пропорционально х^(-7), а модуль функции G - пропорционально х^(-6). К сожалению, преимущество функции G по чувствительности проявляется лишь на больших расстояниях, превышающих практический радиус действия

Рис. 12. График функции F(X,Y).

Рис.13. График функции G(X,Y).

металлоискателя. Одинаковые значения модулей F и G получаются при Х» 4,25.

Очень важное практическое значение имеет "овраг" функцииF. Во-первых, он свидетельствует о том, что датчик системы катушек с перпендикулярными осями имеет минимальную (теоретически нулевую) чувствительность к металлическим предметам, расположенным на его продольной оси. Естественно, к этим предметам относятся и многие элементы конструкции самого датчика. Следовательно, отраженный от них бесполезный сигнал будет намного меньше, чем у датчика системы катушек со скрещивающимися осями. Последнее очень важно, учитывая, что отраженный сигнал от металлических элементов самого датчика может на несколько порядков превосходить полезный сигнал (ввиду близости этих элементов к катушкам датчика). Дело не в том, что бесполезный сигнал от металлических элементов конструкции датчика трудно скомпенсировать. Основная сложность заключается в малейших изменениях этих сигналов, которые обычно вызываются тепловыми и особенно механическими деформациями указанных элементов. Эти малейшие изменения могут быть уже сопоставимы с полезным сигналом, что приведет к неверным показаниям или ложным срабатываниям прибора.Во-вторых, если с помощью металлоискателя системы катушек с перпендикулярными осями некоторый небольшой объект уже обнаружен, то направление его точного местонахождения может быть легко "запеленговано" по нулевому значению сигнала металлоискателя при точной ориентации его продольной оси на объект (при любых ориентациях по крену). Учитывая, что площадь "захвата" датчика при поиске может составлять несколько квадратньк метров, последнее качество сис темы катушек с перпендикулярными осями весьма полезно на практике (меньше бесполезных раскопок).

Следующая особенность графиков функцийF(X,Y) и G(X,Y) - наличие кольцеобразного "кратера" нулевой чувствительности, проходящего через центры катушек (окружность единичноо радиуса с центром в точке (0,0)). На практике эта особенность позволяет определять расстояние до небольших объектов. Если обнаружится, что на некотором конечном расстоянии отраженный сигнал зануляется (при оптимальной ориентации по крену) - значит, расстояние до объекта составляет половину базы прибора, то есть величину L/2.

Необходимо также отметить, чтодиаграммы направленности по углу крена y для датчиков металлоискателей с различным взаимным расположением катушек также различаются. На рис.14б приведена диаграмма направленности прибора с перпендикулярньми осями у катушек, а на рис.14а - со скрещивающимися. Очевидно, что вторая диаграмма более предпочтительна, так имеет меньшее количество зон нечувствительности по крену и меньшее количество лепестков.

Для того, чтобы оценить зависимость наведенного в приемной катушке напряжения от параметров металлоискателя и объекта, надо проанализировать выражение (1.19) для коэффициента К4 . Наведенное в приемной катушке напряжение пропорционально (L/2)^6. На величину L/2 нормируются и аргументы функций F и G, убывание которых происходит с 6-й - 7-й степенью расстояния. Поэтому, в первом приближении, при прочих равных условиях,чувствительность металлоискателя не зависит от его базы.

Рис.14. Диаграммы направленности по крену датчиков систем катушек:

Со скрещивающимися осями (а)

С перпендикулярными осями (б).

Для того, чтобы проанализировать селективность металлоискателя, то есть его способность различать объекты, изготовленные из различных металлов или сплавов, необходимо обратиться к выражению (1.23). Металлоискатель может различать объекты по фазе отраженного сигнала. Для того, чтобы разрешающая способность прибора по типу ме таллов была максимальной, необходимо соответствующим образом выбрать частоту сигнала излучающей катушки, так, чтобы фаза отраженного от объектов сигнала составляла около 45°. Это - середина диапазона возможных изменений фазы первого слагаемого выражения (1.23), и там крутизна фазочастотной характеристики максимальна. Второе слагаемое выражения (1.23) считаем нулевым, так как при поиске в первую очередь нас интересует селективность по цветным металлам - неферромагнетикам. Естественно, оптимальный выбор частоты сигнала подразумевает знание типового размера предполагаемых объектов. Практически во всех зарубежных промышленных металлоискателях в качестве такого размера заложен размер монеты. Оптимальная частота составляет:

При типовом диаметре монеты 25(мм) ее объем составляет около 10^(-6) (м^3), что по формуле (1.25) соответствует эквивалентному радиусу около 0,6(см). Отсюда получаем оптимальное значение частоты около 1(кГц) при проводимости материала монеты 20(н0мЧ м). В промышленных приборах частота обычно на порядок выше (по технологическим соображениям).

3.1.5. Выводы

1. По мнению автора, система катушек с перпендикулярными осями предпочтительнее для поиска кладов и реликвий, чем система катушек со скрещивающимися осями. При прочих равных условиях, первая система имеет чувствительность немного выше. Кроме того, с ее помощью гораздо проще определить ("запеленговать") точное направление, в котором следует искать обнаруженный объект.

2. Рассмотренные системы катушек имеют важное свойство, позволяющее оценивать расстояние до небольших объектов по занулению отраженного сигнала при расстоянии до объекта, равном половине базы.

3. При прочих равных условиях (размеры и число витков катушек, чувствительность приемного тракта, величина тока и его частота в излучающей катушке), чувствительность металлоискателя по принципу "передача-прием" практически не зависит от его базы, то есть от расстояния между катушками.

3.2 МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ НА БИЕНИЯХ

Термин "металлоискатель на биениях" является отголоском терминологии, принятой в радиотехнике еще со времен первых супергетеродинных приемников. Биениями называется явление, наиболее заметно проявляющееся при сложении двух периодических сигналов с близкими частотами и приблизительно одинаковыми амплитудами и заключающееся в пульсации амплитуды суммарного сигнала. Частота пульсации равна разности частот двух складываемых сигналов. Пропустив такой пульсирующий сигнал через выпрямитель (детектор), можно выделить сигнал разностной частоты. Такая схемотехника долгое время была традиционной, однако в настоящее время, ввиду развития синхронных детекторов, обычно не используется ни в радиотехнике, ни в металлоискателях, хотя термин "на биениях" остался до сих пор.

3.2.1. Принцип действия

Принцип действия металлоискателя на биениях очень прост и заключается в регистрации разности частот от двух генераторов - один из которых является стабильным по частоте, а другой содержит датчик - катушку индуктивности в своей частотозадающей цепи. Прибор настраивается таким образом, чтобы в отсутствие металла вблизи датчика частоты двух генераторов совпадали или были очень близки по значению. Наличие металла вблизи датчика приводит к изменению его параметров и как следствие, к изменению частоты соответствующего генератора. Это изменение, как правило очень мало, однако изменениеразности частот двух генераторов уже существенно и может быть легко зарегистрировано.

Разность частот может регистрироваться самыми различными путями, начиная от простейшего, когда сигнал разностной частоты прослушивается на головные телефоны или через громкоговоритель, и кончая цифровыми способами измерения частоты.

3.2.2. Теоретические соображения

Рассмотрим подробнее датчик металлоискателя на биениях, состоящий из одной катушки (см. рис.15).

Рис. 15. Взаимодействие однокатушечного датчика металлоискателя с объектом.

Индукция магнитного поля в центре катушки составляет:

где Pm - магнитный момент, создаваемый током катушки I, R0 - радиус катушки, S - площадь катушки.

За счет взаимодействия с проводящим и/или ферромагнитным объектом возникает добавочная компонента индукции. Так как механизм ее появления точно такой же, как и в рассмотренном ранее случае металлоискателя по принципу "передача - прием", можно воспользоваться результатами предыдущего раздела и записать для добавочной компоненты индукции:

где K1 - коэффициент, вычисляемый по формуле (1.8), (1.9) или (1.23).

Так как коэффициент K1 - функция комплексная, то и относительное изменение индукции можно обозначить как функцию оператора Лапласа:

Таким образом, полное сопротивление катушки датчика металлоискателя (без учета омического сопротивления провода и межвитковой емкости) можно представить как:

где L - индуктивность катушки без влияния объекта.

Под воздействием объекта меняется полное сопротивление катушки. В металлоискателях на биениях это изменение оценивается по изменению резонансной частоты колебательного LC- контура, образованного катушкой датчика и конденсатором.

3.2.3. Практические соображения

Чувствительность металлоискателя на биениях определяется выражениями (1.36)-(1.38) и зависит, кроме того от параметров преобразования изменения полного сопротивления датчика в частоту. Как уже отмечалось, обычно преобразование заключается в получении разностной частоты стабильного генератора и генератора с катушкой датчика в частотозадающей цепи. Поэтому, чем выше будут частоты этих генераторов, тем больше будет разность частот в отклик на появление металлической мишени вблизи датчика. Регистрация небольших отклонений частоты представляет определенную сложность. Так, на слух можно уверенно зарегистрировать уход частоты тонального сигнала не менее 10(Гц). Визуально, по миганию светодиода можно зарегистрировать уход частоты не менее 1(Гц). Другими способами можно добиться регистрации и меньшей разности частот, однако эта регистрация потребует значительного времени, что неприемлемо для металлоискателей, которые всегда работают в реальном масштабе времени.

Селективность по металлам на таких частотах, весьма далеких от оптимальной (1.34), проявляется очень слабо. Кроме того, по сдвигу частоты генератора определить фазу отраженного сигнала практически невозможно. Поэтому селективность у металлоискателя на биениях отсутствует.

Положительной для практики стороной является простота конструкции датчика и электронной части металлоискателя на биениях. Такой прибор может быть очень компактным. Им удобно пользоваться, когда что-либо уже обнаружено более чувствительным прибором. Если обнаруженный предмет небольшой и находится достаточно глубоко в земле, то он может "затеряться", переместиться в ходе раскопок. Чтобы по многу раз не "просматривать" громоздким чувствительным металлоискателем место раскопок, желательно на завершающей стадии контролировать их ход компактным прибором малого радиуса действия, которым можно более точно узнать местонахождение предмета.

3.2.4. Выводы

1 . Металлоискатели на биениях имеют меньшую чувствительность, чем металлоискатели по принципу "передача-прием".

2. Селективность по типам металлов отсутствует.

3.3. ОДНОКАТУШЕЧНЫЙ МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ ИНДУКЦИОННОГО ТИПА

3.3.1. Принцип действия

Слово "индукционный" в названии металлоискателей данного типа полностью раскрывает принцип их работы, если вспомнить смысл слова "inductio" (лат.) - наведение. Прибор данного типа имеет в составе датчика одну катушку любой удобной формы, возбуждаемую переменным сигналом. Появление вблизи датчика металлического предмета вызывает появление отраженного (переизлученного сигнала), который "наводит" в катушке дополнительный сигнал электрический. Остается этот дополнительный сигнал только выделить.

Металлоискатель индукционного типа получил право на жизнь, главным образом, из-за основного недостатка приборов по принципу "передача-прием" - сложности конструкции датчиков. Эта сложность приводит либо к высокой стоимости и трудоемкости изготовления датчика, либо к его недостаточной механической жесткости, что обуславливает появление ложных сигналов при движении и снижает чувствительность прибора. Если задаться целью устранить у приборов по принципу "передача-прием" этот недостаток, то можно придти к необычному выводу - излучающая и приемная катушки у металлоискателя должны быть объединены в одну! В самом деле, весьма нежелательные перемещения и изгибы одной катушки относительно другой в данном случае отсутствуют, так как катушка только одна и она одновременно и излучающая, и приемная. Налицо также предельная простота датчика. Платой за эти преимущества является необходимость выделения полезного отраженного сигнала на фоне значительно большего сигнала возбуждения излучающей/приемной катушки.

Принципиальная схема входной части

Выделить отраженный сигнал можно, если вычесть из электрического сигнала, присутствующего в катушке датчика, сигнал той же формы, частоты, фазы и амплитуды, что и сигнал в катушке при отсутствии металла вблизи. Как это можно реализовать одним из способов, показано в виде структурной схемы на рис. 16.

Рис.16. Структурная схема входного узла индукционного металлоискателя

Генератор вырабатывает переменное напряжение синусоидальной формы с постоянной амплитудой и частотой. Преобразователь "напряжение-ток" (ПНТ) преобразует напряжение генератора Uг в ток Iг, который задается в колебательный контур датчика. Колебательный контур состоит из конденсатора С и катушки L датчика. Его резонансная частота равна частоте генератора. Коэффициент преобразования ПНТ выбирается таким, чтобы напряжение колебательного контура Uд равнялось напряжению генератора Uг (в отсутствие металла вблизи-датчика). Таким образом, на сумматоре происходит вычитание двух сигналов одинаковой амплитуды, а выходной сигнал - результат вычитания - равен нулю. При появлении металла вблизи датчика возникает отраженный сигнал (иными словами, меняются параметры катушки датчика) и это приводит к изменению напряжения колебательного контура Uд. На выходе появляется сигнал, отличный от нуля.

На рис.16 приведен лишь простейший вариант одной из схем входной части металлоискателей рассматриваемого типа, как простейший. Вместо ПНТ в данной схеме в принципе возможно использование токозадающего резистора. Могут быть использованы различные мостовые схемы для включения катушки датчика, сумматоры с различными коэффициентами передачи по инвертирующему и неинвертирующему входам, частичное включение колебательного контура, и т.д. и т.п.

В схеме на рис. 16 в качестве датчика используется колебательный контур. Это сделано для простоты, чтобы получить нулевой сдвиг фаз между сигналами Uг и Uд (контур настроен на резонанс). Можно отказаться от колебательного контура с необходимостью точной настройки его на резонанс и использовать в качестве нагрузки ПНТ только катушку датчика. Однако, коэффициент передачи ПНТ для этого случая должен быть комплексным, чтобы скорректировать сдвиг фазы приблизительно на 90°, возникающий из- за индуктивного характера нагрузки ПНТ.

3.3.2. Теоретические соображения

Как уже отмечалось, металлоискатель индукционного типа можно представить как некоторый предельный случай металлоискателя по принципу "передача-прием", когда излучающая и приемная катушка совпадают. Поэтому многими результатами раздела 1.1 можно воспользоваться и для металлоискателя индукционного типа. Кроме того, от металлоискателя на биениях индукционный металлоискатель отличается только способом регистрации отраженного сигнала, поэтому и некоторые результаты раздела 1.2 также будут справедливы для прибора индукционного типа.

Взаимодействие катушки металлоискателя индукционного типа с металлическим объектом может проиллюстрировать рис.15. Отраженный сигнал можно оценить величиной индукции магнитного поля (1.36). В отличие от приборов по принципу "передача-прием", величина отраженного сигнала при допущении (1.3) зависиттолько от расстояния между объектом и датчиком, и не зависит от ориентации датчика на объект.

Дополнительное напряжение, наведенное в катушке датчика отраженным сигналом, вычисляется по формуле (1.17), где индукция отраженного сигнала равна (1.36). Без учета знака это напряжение составляет:

где p - оператор Лапласа, I - ток в катушке, r - расстояние между датчиком и объектом, S - площадь катушки, N - число ее витков, R - эквивалентный радиус объекта, KS - коэффициент, вычисляемый по формуле (1.23).

3.3.3. Практические соображения

Отклик прибора по напряжению на металлический объект, в соответствии с формулой (1.39), обратно пропорционален шестой степени расстояния. То есть, он практически такой же, как и у металлоискателей по принципу "передача-прием". Аналогичен и принцип регистрации отраженного сигнала. Поэтому теоретическая чувствительность индукционного металлоискателя такая же, как и у приборов по принципу "передача-прием".

Теоретические соображения по поводу селективности, приведенные в разделе 1.1 для металлоискателя по принципу "передача-прием", справедливы и для индукционного металлоискателя. Селективность определяется коэффициентом (1.23), входящим в формулу (1.39) для напряжения полезного отраженного сигнала.

Из конструктивных особенностей следует отметить простоту конструкции датчика металлоискателя. Платой за простоту, как указывалось выше, является необходимость.выделения малого полезного сигнала на фоне большого электрического сигнала возбуждения катушки датчика металлоискателя. Если учесть, что соотношение амплитуд этих сигналов может достигать 105...106, то ясно, что для практики это не простая, хотя и вполне разрешимая задача. Сложность решения этой задачи заключается в том, что катушка датчика металлоискателя реагирует не только на полезный отраженный сигнал, но и на любое изменение ее параметров. К счастью, чувствительность к механическим деформациям у датчика индукционного металлоискателя намного ниже, чем у приборов по принципу "передачаприем". Однако, возникает специфическая для индукционного металлоискателя проблема температурной чувствительности датчика. Дело в том, что омическое сопротивление провода (обычно медного), которым намотана катушка датчика, практически линейно растет с ростом температуры. Вызванные неизбежными колебаниями температуры, эти сравнительно медленные изменения полного сопротивления и напряжения датчика очень невелики сами по себе, однако сопоставимы или даже больше, чем от воздействия полезного сигнала. Таким образом, актуальной становится задача компенсации температурного дрейфа полного сопротивления катушки датчика металлоискателя.

3.4. ДРУГИЕ ТИПЫ МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЕЙ

Первый вопрос, который возникает у человека после ознакомления с недостатками и ограничениями тех или иных металлоискателей, звучит приблизительно так: "Какие существуют другие принципы и приборы на их основе для дистанционного обнаружения металлических предметов?" Вопрос закономерен, однако приводимый ниже ответ на него, вероятно, не сильно обрадует любознательного читателя.

Импульсные металлоискатели

В рассмотренных ранее трех типах электронных металлоискателей отраженный сигнал отделяется от излучаемого. либо геометрически - за счет взаимного расположения приемной и излучающей катушки, либо с помощью специальных схем компенсации. Очевидно, что может существовать и временной способ разделения излучаемого и отраженного сигналов. Такой способ широко используется, например, в импульсной эхо- и радиолокации. При локации механизм задержки отраженного сигнала обусловлен значительным временем распространения сигнала до объекта и обратно. Однако, применительно к металлоискателям, таким механизмом может быть и явление самоиндукции в проводящем объекте. После воздействия импульса магнитной индукции в проводящем объекте возникает и некоторое время поддерживается вследствие явления самоиндукции затухающий импульс тока, обуславливающий задержанный по времени отраженный сигнал. Таким образом, может быть предложена другая схема металлоискателя, принципиально отличающаяся от рассмотренных ранее по способу разделе ния сигналов. Такой металлоискатель получил название импульсного. Он состоит из генератора импульсов тока, приемной и излучающей катушек, устройства коммутации и блока обработки сигнала.

Генератор импульсов тока формирует короткие импульсы тока миллисекундного диапазона, поступающие в излучающую катушку, где они преобразуются в импульсы магнитной индукции. Так как излучающая катушка - нагрузка генератора импульсов имеет ярко выраженный индуктивный характер, на фронтах импульсов у генератора возникают перегрузки в виде всплесков напряжения. Такие всплески могут достигать по амплитуде сотен (!) вольт, однако использование защитных ограничителей недопустимо, так как оно привело бы к затягиванию фронта импульса тока и магнитной индукции и, в конечном счете, к усложнению отделения отраженного сигнала.

Приемная и излучающая катушки могут располагаться друг относительно друга достаточно произвольно, так как прямое проникновение излучаемого сигнала в приемную катушку и действие на нее отраженного сигнала разнесены по времени. В принципе, одна катушка может выполнять роль как приемной, так и излучающей, однако в данном случае гораздо сложнее будет развязать высоковольтные выходные цепи генератора импульсов тока и чувствительные входные цепи.

Устройство коммутации призвано произвести упомянутое выше разделение излучаемого и отраженного сигналов. Оно блокирует входные цепи прибора на определенное время, которое определяется временем действия импульса тока в излучающей катушке, временем разрядки катушки и временем, в течение которого возможно появление корот ких откликов прибора от массивных слабопроводящих объектов типа грунта. По истечении же этого времени устройство коммутации должно обеспечить беспрепятственную передачу сигнала с приемной катушки на блок обработки сигнала.

Блок обработки сигнала предназначен для преобразования входного электрического сигнала в удобную для восприятия человеком форму. Он может быть сконструирован на основе решений, используемых в металлоискателях других типов.

К недостаткам импульсных металлоискателей следует отнести сложность реализации на практике дискриминации объектов по типу металла, сложность аппаратуры генерации и коммутации импульсов тока и напряжения большой амплитуды, высокий уровень радиопомех.

Магнитометры

Магнитометрами называется обширная группа приборов, предназначенных для измерения параметров магнитного поля (например, модуля или составляющих вектора магнитной индукции). Использование магнитометров в качестве металлоискателей основано на явлении локального искажения естественного магнитного поля Земли ферромагнитными материалами, например железом. Обнаружив с помощью магнитометра отклонение от обычного для данной местности модуля или направления вектора магнитной индукции поля Земли, можно с уверенностью утверждать о наличии некоторой магнитной неоднородности (аномалии), которая может быть вызвана железньм предметом.

По сравнению с рассмотренными ранее металлоискателями, магнитометры имеют гораздо большую дальность обнаружения железных предметов. Очень впечатляет информация о том, что с помощью магнитометра можно зарегистрировать мелкие обувные гвозди от ботинка на расстоянии 1(м), а легковой автомобиль - на расстоянии 10(м)! Такая большая дальность обнаружения объясняется тем, что аналогом излучаемого поля обычных металлоискателей для магнитометров является однородное магнитное поле Земли, поэтому отклик прибора на железный предмет обратно пропорционален не шестой, а третьей степени расстояния.

Принципиальным недостатком магнитометров является невозможность обнаружения с помощью них предметов из цветных металлов. Кроме того, даже если нас интересует только железо, применение магнитометров для поиска затруднительно. Во-первых, в природе существует большое разнообразие естественных магнитных аномалий самого различного масштаба (отдельные минералы, залежи минералов и т.п.) Во-вторых, магнитометры обычно громоздки и не предназначены для работы в движении.

Для иллюстрации бесполезности магнитометров при поиске кладов и реликвий можно привести такой пример. С помощью обычного компаса, который по сути является простейшим магнитометром, можно зарегистрировать обычное железное ведро на расстоянии около 0,5(м), что само по себе является неплохим результатом. Однако (!), попробуйте с помощью компаса найти то же ведро, спрятанное под землей, в реальных условиях!

Радиолокаторы

Общеизвестен факт, что с помощью современных радиолокаторов можно обнаружить такой объект, как самолет, на расстоянии нескольких сотен километров. Возникает вопрос: неужели современная электроника не позволяет создать компактное устройство, пусть намного уступающее по дальности обнаружения современным стационарным радиолокаторам, но позволяющее обнаруживать интересующие нас предметы (см. название книги)? Ответом является ряд публикаций, в которых такие устройства описаны.

Типичным для них является применение достижений современной микроэлектроники СВЧ, компьютерной обработки полученного сигнала. Использование современных высоких технологий практически делает невозможным самостоятельное изготовление этих устройств. Кроме того, большие габариты пока не позволяют их широко применять в полевых условиях.

К преимуществам радиолокаторов следует отнести принципиально более высокую дальность обнаружения отраженный сигнал в грубом приближении можно считать подчиняющимся законам геометрической оптики и его ослабление пропорционально не шестой и даже не третьей, а лишь второй степени расстояния.

3.3.4. Выводы

1. Индукционные металлоискатели сочетают в себе вы сокую чувствительность и селективность металлоискателей по принципу "передача-прием" и простоту конструкции датчика металлоискателей на биениях.

2. Актуальной становится задача компенсации темпера турного дрейфа параметров катушки датчика металлоискателя.

Принцип работы металлоискателя

Принцип работы металлоискателя

Как известно, металлоискатель способен обнаруживать присутствие металлических предметов, абсолютно не контактируя с ними. Информирование оператора о наличии металла происходит с помощью специальных сигналов: звука, перемещения стрелки, изменения в показателях индикатора и т.д.

В зависимости от принципа работы можно выделить такие виды металлоискателей:

1. Металлоискатель с электронным частотомером

Принцип работы такого металлоискателя основывается на оценке электронным частотомером частоты измерительного генератора, когда сам датчик еще находится вдали от мишени. Полученное значение «запоминается» регистром. После чего, в процессе поиска интересующих объектов, электронный частотомер занимается беспрерывным измерением частоты принимающего генератора. Из полученных данных вычитается показатель эталонной частоты, а результат выводится на экран индикации.

Схема метал детектора с электронным частотометром

2. Металлоискатель на биениях

Принцип работы металлоискателя на биениях основывается на совокупности разности частот, исходящих от двух генераторов. Один из этих генераторов имеет стабильную частоту, а в систему второго входит датчик, представляющий собой катушку индуктивности. Если металлические предметы не располагаются вблизи металлоискателя, значения частот генераторов в приборе практически совпадают. Наличие же металла возле датчика приводит к резкому изменению частоты генератора.

Схема метал детектора на биениях

Регистрация разности частот может происходить самыми различными путями. Простейшим способом является прослушивание сигнала с помощью головных телефонов или громкоговорителя. Также часто используются цифровые способы измерения колебания частот.

3. Металлоискатели с принципом работы «передача-прием»

Принцип работы такого металлоискателя заключается в регистрации сигнала, который отразился от металлического предмета. Возникновение отраженного сигнала является результатом воздействия магнитного поля с переменным потоком катушки прибора на мишень (предмет из металла). При этом, в структуру прибора входит, как минимум, две катушки, одна из которых «отвечает» за передачу сигнала, а другая – за его прием.

Работа металлоискателя «передача-прием» основывается на определенном взаимо расположении катушек, исключающем воздействие одной на другую. Таким образом, если посторонние металлические предметы отсутствуют, излучающая катушка наводит нулевой сигнал на систему приемной. Появление же металлических предметов вблизи катушек приводит к возникновению специального сигнала.

4. Одно катушечный индукционный металлоискатель

Конструкция датчика данного прибора включает в себя только одну катушку, следящую за частотными изменениями. Если вблизи с металлоискателем появляется мишень, возникает отраженный сигнал. В катушке его «наводит» дополнительный электрический сигнал. Оператору потребуется только выделить этот сигнал. Зарегистрировать отраженный сигнал можно методом вычисления из присутствующего в катушке электрического показателя сигнал аналогичной фазы, частоты, амплитуды, что наблюдался в условиях отсутствия металла поблизости.

В целом, одно катушечный индукционный металлоискатель сочетает в себе характеристики приборов, работающих на биении с аппаратами принципа «передачи-приема». Таким образом, одно катушечный металлоискатель отличается высокой чувствительность и простотой конструкции.

5. Импульсный металлоискатель

Импульсный металлоискатель характеризуется высокой чувствительностью и может использоваться для поиска различных предметов даже на большой глубине. В основу работы такого металлоискателя положен временной метод разделения сигналов излучения и отражения. Такой метод очень часто применяется в эхо- и радиолокации импульсного типа.

Генератором импульсов формируется импульсы тока кратковременного диапазона, которые впоследствии поступают в излучающую катушку. Здесь уже происходит их преобразование в импульсы магнитной индукции. Поскольку генератор импульсов, т.е. излучающая катушка, имеет индуктивный характер, на импульсных фронтах возникают «перегрузки» в форме перепадов в напряжении. Данные всплески могут достигать амплитудных показателей в десятки, а то и сотен вольт. Однако, все же, лучше не использовать защитные ограничители, т.к. может произойти затягивание фронта импульсного тока и магнитной индукции. В результате, усложнится процесс отделения сигнала отражающего типа.

Схема импульсного метал детектора

Следует отметить, что излучающая и приемная катушка могут располагаться в абсолютно произвольном порядке. Это обусловлено тем, что проникновение излучаемого сигнала и влияние на катушку отраженного разнесены по определенным временным промежуткам. Кроме этого, одна и та же катушка может выполнять любую из ролей: как принимать сигнал, так и отражать его.

6. Магнитометры

Магнитометры – приборы, предназначением которых является изменением показателей магнитного поля. При этом, магнитометры могут использоваться и в качестве металлоискателей. Это возможно благодаря тому, что магнитное поле Земли может искажаться различными материалами с ферромагнитными свойствами, например, железом. Обнаружение таких объектов происходит путем регистрации отклонений от исходного для определенной местности модуля магнитного поля. В результате, можно наблюдать некоторую магнитную неоднородность (аномалии), которые как раз и могут быть вызваны предметами из металла.

В отличие от рассмотренных выше металлоискателей, магнитометры охватывают больший диапазон обнаружения железных предметов. Наверное, многим приходилось слышать о нахождении с помощью магнитометра, например, автомобиля, расположенного на расстоянии 10 метров от оператора. В тоже время, главным недостатком магнитометров является их неспособность обнаруживать предметы, изготовленные из цветных металлов. К тому же, магнитометр может реагировать не только на железо, но и на так званые естественные магнитные аномалии. Это могут быть, к примеру, залежи минералов или отдельные минералы и т.д.

Схема магнитометра

7. Радиолокаторы

Принцип работы любого радиолокатора основывается на методе изучения электромагнитной энергии, ее отражения и прием от различных объектов, находящихся в воздухе, на море или земле. Отраженный сигнал принимается для дальнейшей обработки и анализа. В результате, можно безошибочно определить местонахождение интересующего объекта, его скорость и траекторию движения.

Радиолокаторы обладают целым рядом неоспоримых преимуществ. Так, они позволяют работать с достаточно большими расстояниями. Сигнал, который был отражен можно считать таковым, что полностью подчиняется законам геометрической оптики, а его ослабления пропорционально лишь второй степени расстояния. В тоже время, серьезным недостатком радиолокатора является то, что излучая электромагнитные волны, он позволяет обнаружить свое местонахождение. Однако сейчас интенсивно ведется поиск методов, помогающих скрыть сигнатуры радиолокаторов и вполне возможно, что в скором времени удастся избавить от указанного недостатка.

Металлоискатели часто бывают нужны например, при поиске потерявшихся металлических предметов или труб, кабелей, баков, закопанных под землёй. Ещё металлоискатели ассоциируются с искателями кладов и минёрами 🙂

Типы металлоискателей

Самый сложные и чувствительные, но и самые дорогие, построены по принципу передачи/приёма радиосигнала . Сложность и дороговизна заключается не только в обилии электронных компонентов схемы, но и в необходимости квалифицированной настройки контуров.

Есть еще несколько видов по разным принципам: индукционные, измерители частоты, импульсные, ослабление генерации, метод биений, импульсная индукция, срыв резонанса…

Смысл всех металлоискателей в одном: изменение частоты генератора при попадании в поле катушки металлического предмета . Это изменение частоты, как правило очень незначительное, и вторая суть той или иной схемы - уловить это малейшее изменение и во что-то преобразовать.

Схема простого металлоискателя представлена ниже.

Сделав подобный металлоискатель компактным и взяв его с собой в поездку на море, он вам поможет, при поиске потерянной вами или родственниками на пляже золотое украшение. Но что вам ближе, так это поиск скрытой проводки в стене ли какого-нибудь гвоздика. Вот такую простую и зарекомендовавшую себя схему металлоискателя для подобных целей мы и рассмотрим здесь, чтобы собрать её своими руками.

Схема простого металлоискателя на транзисторах

Схема этого простого металлоискателя, которую сможет повторить любитель без большого опыта.

Характеристики металлоискателя:

• Обнаружение монеты - 10-15 см (при хорошей наладке некоторые хватаются, что до 50 см!);
• Стальные ножницы - 20-25 см;
• Крупные предметы - 1-1,5 метра.

Схема состоит из двух высокочастотных генераторов, каждый - на одном транзисторе (VT1 и VT2). Частота левого генератора (VT1) изменяется при попадании в поле L1 металла, а частота правого (VT2) остается неизменной. Номиналы элементов обоих генераторов подобраны так, чтобы частоты генераторов лишь незначительно отличались. Генераторы работают на радиочастоте (более 100кГц), и такой звук не слышим ни нашим ухом, ни воспроизводится динамиком. Но небольшая их разница, к примеру 160 кГц и 161 кГц равна 1 кГц - это уже слышимые ухом колебания. А обе катушки генераторов (L1, L2) индуктивно связаны (находятся вблизи), поэтому оба сигнала от генераторов с разницей в 1 кГц объединяются и мы слышим так называемые амплитудные биения частотой 1 кГц.

Настройка металлоискателя

Металлоискатель применяется для поисков различных типов металла. Но мало кто знает, как же он устроен. Разберемся, какие принципы лежат в работе металлоискателя, в чем его отличие от металлодетектора и какие типы металлоискателей известны.

Металлоискатель и металлодетектор: есть ли разница?

Строго говоря, оба эти понятия обозначают одно и то же. Зачастую, их используют как синонимы. Правда, в сознании говорящего и слушающего при произнесении слова «металлоискатель» чаще возникает картинка человека, ищущего клад в лесу с длинным инструментом с датчиком на конце. А в случае с «металлодетектором» сразу представляются магнитные рамки в аэропорту и люди со специальными ручными датчиками, реагирующими на металл. Как видим, для обывателя различие заключается только в представлении.

Если же обратиться к истокам, то будет ясно, что металлоискатель - это просто русский эквивалент английского термина «metal detector», а «металлодетектор», в таком случае» - всего лишь транслитерированный перевод.

Однако, в профессиональной среде русскоязычных людей, которые часто пользуются этими приборами существует представление о четком различии между ними. Металлодетектором называют недорогой прибор, способный лишь обнаружить наличие или же отсутствие металла в определенной среде. Соответственно, металлоискатель - это прибор похожего назначения, но его преимущество заключается в том, что с помощью него дополнительно возможно определить тип металлического объекта. Цена такого инструмента на несколько порядков выше. По целям эти приборы совпадают, однако характер их выполнения различен. Поэтому на вопрос «чем отличается металлоискатель от металлодетектора» можно ответить с полной уверенностью, что это различие лежит в сфере дополнительного функционала, оставляя при этом неизменными цели и задачи, относящиеся к такой технике.

Но для удобства будем придерживаться всем понятной точки зрения. Обозначим аппарат, использующийся для поиска в грунте или под водой термином «металлоискатель», а «металлодетекторами» будем называть ручные досмотровые и специальные арочные устройства, применяющиеся в работе различными охранными службами.

Как работает металлоискатель

Однозначно ответить на этот вопрос довольно сложно. Существует масса различных вариантов устройства этого прибора. И найти «свой» среди всего многообразия потенциальному покупателю бывает непросто.

Самый распространенный - электронный прибор, функционирующий на определенных частотах, способен обнаруживать металлические объекты соответственно заданным параметрам в так называемой нейтральной или же слабопроводящей среде. Понятно, что он реагирует на проводимость материалов, из которых изготовлены предметы. Прибор такой конструкции называется импульсным. Это когда излучаемый прибором и отраженный предметом сигналы передаются через некоторые доли секунд. Именно они и фиксируется техникой. Кратко описать принцип работы импульсного металлоискателя можно так: импульсы генератора тока, как правило, за миллисекунды поступают в излучающую катушку, где трансформируются в импульсы магнитной индукции. На импульсных составляющих генератора образуются резкие скачки напряжения. Они отражаются в приемной катушке (в более сложных типах устройств у одной катушки есть способность выполнять обе функции) за определенные промежутки времени. Потом сигналы поступают по каналу связи на блок обработки и понятными символами выводятся для последующего восприятия их человеком.

Но нужно быть внимательным, ведь у такого популярного типа техники существует ряд недостатков:

1. Трудность дифференциации обнаруженных объектов по типу металла;
2. Большая амплитуда напряжения;
3. Техническая сложность коммутации и генерации;
4. Наличие радиопомех.

Другие типы металлоискателей по принципу работы

Такие приборы состоят из большинства известных моделей. Некоторые из них уже сняты с производства, однако до сих пор применяются на практике.

1. BFO (Beat Frequency Oscillation). В основе - подсчет и фиксация разницы частоты колебаний. В зависимости от типа металла (черного или цветного) частота то повышается, то понижается. Такие приборы теперь не выпускаются, они устарели. Но произведенные ранее модели все еще работают. Характеристики такого металлоискателя оставляют желать лучшего. У него небольшая глубина обнаружения, сильная зависимость результатов поиска от типа грунта (малоэффективен на кислых, минерализованных почвах), низкая чувствительность.
2. TR (Transmitter Reciver). Оборудование типа «прием-передача». Также относится к устаревшим. Проблемы такие же, как и у предыдущего типа (не работает на минерализованных грунтах) за исключением глубины обнаружения. Она является довольно большой.
3. VLF (Very Low Frequency). Зачастую такой аппарат сочетает две схемы действия: «прием-передачу» и низкочастотное исследование. В ходе работы прибор анализирует сигнал по фазам. Его преимущества в высокой чувствительности, способности искать черные и цветные металлы на глубине. Но вот объекты, залегающие у поверхности ему обнаружить значительно труднее.
4. PI (Pulse Induction). В основе - процесс индукции. Принцип работы металлоискателя заключен в катушке. Она - это сердце датчика. Появление внутри электромагнитного поля посторонних токов от металлических предметов активизирует отраженный импульс. Он достигает катушки в виде электрического сигнала. При этом аппарат четко воспринимает минерализованную и соленую почву с металлами. Токи, от солей достигают датчика гораздо быстрее и не отображаются графически или звуковом. Такой металлоискатель считается наиболее чувствительным из всех. Для ведения поисков на морском дне - это самый эффективный вариант устройства.
5. RF (Radio Frequency / RF two-box) . Представляет собой прибор «прием-передача», только работающий на высоких частотах. Имеет две катушки (катушка приема и соответственно, катушка передачи). В основе работы этого металлоискателя лежит нарушение индукционного баланса: катушка, работающая на прием, фиксирует сигнал, который отражается от объекта. Изначально этот сигнал был послан катушкой-передачи. Характеристики такого металлоискателя делают возможным его применение с целью поиска неглубоко находящихся месторождений руд, полезных ископаемых на больших глубинах или же обнаружения крупных предметов. По глубине пробивания не имеет себе равных (от 1 до 9 метров в зависимости от типа почвы). Часто используется в промышленности. Копатели и кладоискатели не оставляют его без внимания. Существенный минус такого прибора - это его неспособность к обнаружению мелких предметов типа монет.

Принцип работы металлоискателя для поиска цветного металла особо не отличается от остальных. Он также зависит от типа и конструкции аппарата. При правильной настройке можно обнаружить цветной металл. Различия между ним и черным состоят лишь в том, что вихревые токи, отражающиеся от предмета из цветного металла, затухают дольше.

Чем еще отличаются металлоискатели?

Помимо внутренней «начинки» различия между металлоискателями имеются и в других моментах. Во-первых, они представлены в разных ценовых категориях. Есть приборы более дешевые и массовые, есть и те, которые можно отнести к премиум-классу.

Также уже в описании металлоискателей видна разница в выводе информации для доступа к ней пользователя. Аппараты могут быть запрограммированные на отображение графического информирования (выводится на специальном дисплее), звуковыми устройствами, сообщающими об обнаружении или отсутствии объекта (отличаются тем, что издают разные частоты). В более дорогих моделях могут быть представлены дисплеи с целыми шкалами дискриминационных значений.

Отличается и сама информация. Например, самые недорогие модели просто сообщают пользователю о том, есть металл или нет. Аппараты чуть подороже определяют какой это металл - черный или цветной. Самые дорогие модели могут предоставить полную информацию: сведения о глубине предмета, вероятностное отношение в процентах относительно металла, тип объекта.

Все виды металлоискателей

Приборы различаются по : принципу работы, выполняемым задачам, примененным элементам. О принципах уже написано выше, поэтому посмотрим, какими они бывают по задачам:

1. Глубинный;

2. Грунтовой;

3. Магнитометр;

4. Миноискатель.

По элементам могут быть микропроцессорными и аналоговыми.

Про характеристики

Различные аппараты характеризуются вариативностью параметров.

Принцип действия металлоискателя и его рабочая частота - классифицирующие параметры. Определяют тип прибора, например, профессиональный или грунтовой. Чувствительностью определяется глубина. Целеуказание позволяет настраивать прибор на заданный размер цели. Тип металла вычисляет дискриминатор. Вес, тут все просто: тяжелым прибором неудобно пользоваться длительное время. Тип почвы указывается при балансировке показателей грунта.

Работа с металлоискателем. Особенности

Нужно предварительно изучить свой прибор, его слабые места. Не следует гнаться за самыми последними моделями. Если у пользователя нет элементарных навыков и понимания того, как аппарат устроен, то ему не поможет никакой даже самый «навороченный» металлоискатель.

В каждой ценовой категории есть свои лидеры. Их и нужно выбирать, так как это модели, проверенные поколениями кладоискателей. Умение работать с прибором достигается только практикой. Пробуя раз за разом, человек начинает правильно расшифровывать те сигналы, которые подает ему техника. А от правильной расшифровки зависит основной вопрос: копать или не копать?

Например, зная какие элементы установлены внутри вашего металлоискателя, можно точно понять как работать с металлоискателем. Если это катушка-моно, то ее электромагнитное излучение выглядит конусообразным. Следовательно, при поисках есть «слепые зоны». Чтобы их устранить, нужно следить за тем, чтобы каждый проход с прибором перекрывал на 50 % предыдущий. Зная такие мелочи, можно наиболее эффективно применять металлоискатель.

Работа с металлоискателем предполагает получение определенного результата. Для этого необходимо, чтобы металлоискатель отвечал некоторым простым, но совершенно необходимым требованиям:

1. Принцип работы металлоискателя должен позволять ему чувствовать металлические предметы на максимальной глубине;
2. Обязательно должно быть разделение на черный и цветной металл;
3. На приборе должен быть установлен оперативный процессор, обеспечивающий быструю работу. Это важно для распознания двух близлежащих объектов.

Как же правильно работать с металлоискателем? Начать необходимо с настройки прибора. Как правило, если мы хотим найти какой-то определенный объект, то и настройки нужно устанавливать соответствующие. Но есть 2 общих правила, соблюдение которых точно будет полезно новичкам.

1. Снизить пороговое значение по параметру чувствительности. Так как повышение этого показателя зачастую приводит к усилению помех, то новичкам лучше пожертвовать способностью прибора обнаруживать предметы, лежащие рядом, чтобы точнее локализовать какую-то одну цель.
2. Использовать параметр дискриминации «все металлы».

Это были указаны только некоторые общие сведения относительно того, как правильно пользоваться металлоискателем. Остановимся на этом подробнее. Самое главное –никогда не спешить! Площадь поисков разбивается на зоны, участки. Каждый из них следует медленно, внимательно проходить. Улавливатель необходимо держать как можно ближе к земле; работа металлоискателем должна быть плавной, без рывков. Аккуратно водите прибором из стороны в сторону. Если в земле обнаружен металл, то, как правило, вы услышите звуковой сигнал: четкий - свидетельство обнаружения небольшого предмета правильной формы, нечеткий, прерывистый - форма обнаруженного объекта неправильная. Научиться определять размеры находки и глубину ее залегания по звуку можно только опытным путем. Тип найденного металла классифицируется по шкале (аппарат отражает электрический импульс, а процессор исходя из этих данных вычисляет плотность материала, из которого изготовлен предмет).

Есть два режима: динамический (основной) и статический, они влияют на то, как правильно работать металлоискателем Статический - это независимое перемещение катушки над объектом; применяется для точного определения центра цели. Исследование территории происходит по определенной схеме:

1. Катушка должна быть параллельна земле;
2. Важно сохранять постоянное расстояние между землей и катушкой;
3. Делать маленькие шаги. Не пропускать участки!
4. Скорость движения должна составлять около полуметра в секунду;
5. Высота прибора над землей - 3 или 4 см.

Поиски ведутся в динамическом режиме. При обнаружении стабильного сигнала переключайте аппарат в статический режим: крестообразными движениями водите над предполагаемым местом; там, где сигнал приобретает максимальную громкость и копайте. Обратно переключите металлоискатель в динамический режим. Копайте на половину штыка, подрезая ровный квадратный или круглый ком. Если объект все еще находится в яме, копайте дальше. Из дерна извлекать находку лучше методом половинного деления. После завершения поисков обязательно укладывайте дерн обратно в яму! Теперь вы точно знаете, как пользоваться металлоискателем.

Немного о металлодетекторах

Принципы работы металлодетекторов абсолютно такие же, как и у металлоискателей, различия имеются только в средах использования и мощности катушки. Из-за этого эффективность металлодетекторов меньше, в грунте они бы ничего не смогли обнаружить. Основными видами металлодетекторов являются: ручной досмотровый (дальность обнаружения до 25 метров) и арочный (рамочный).

Коротко описать, как работает ручной металлодетектор, можно так: устройство абсолютно готово к работе при включении, настройка не требуется, при обнаружении металла импульс постоянного тока фиксируется, включается звук и индикация.

Предлагаемый металлоискатель предназначен для "дальнего" поиска сравнительно крупных предметов. Он собран по простейшей схеме без дискриминатора по типам металлов. Прибор несложен в изготовлении.

Глубина обнаружения составляет:

• пистолет - 0,5 м;
• каска -1 м;
• ведро - 1,5 м.

Структурная схема

Структурная схема приведена на рис. 4. Она состоит из нескольких функциональных блоков.

Рис. 4. Структурная схема металлоискателя по принципу "передача-прием"

Для его устранения предназначена схема компенсации. Смысл ее работы заключается в том, что в сигнал приемного усилителя подмешивается некоторая часть сигнала с выходного колебательного контура так, чтобы минимизировать (в идеале - довести до нуля) выходной сигнал синхронного детектора при отсутствии вблизи датчика металлических предметов. Настройка схемы компенсации осуществляется с помощью регулировочного потенциометра.

Синхронный детектор преобразует полезный переменный сигнал, поступающий с выхода приемного усилителя, в постоянный сигнал. Важной особенностью синхронного детектора является возможность выделения полезного сигнала на фоне шумов и помех, значительно превышающих полезный сигнал по амплитуде. Опорный сигнал синхронного детектора берется со второго выхода кольцевого счетчика, сигнал которого имеет сдвиг по фазе относительно первого выхода на 90°. Динамический диапазон изменения полезного сигнала как на выходе приемной катушки, так и на выходе синхронного детектора очень широк. Чтобы устройство индикации - стрелочный прибор или звуковой индикатор одинаково хорошо регистрировали как очень слабые сигналы, так и очень (например, в 100 раз) более сильные сигналы, необходимо иметь в составе прибора устройство, сжимающее динамический диапазон. Таким устройством является нелинейный усилитель, амплитудная характеристика которого приближается к логарифмической. К выходу нелинейного усилителя подключен стрелочный измерительный прибор.

Формирование звукового сигнала индикации начинается ограничителем по минимуму, т.е. блоком, имеющим зону нечувствительности для малых сигналов. Это означает, что звуковая индикация включается только для сигналов, превосходящих по амплитуде некоторый порог. Таким образом, слабые сигналы, связанные в основном с движением прибора и его механическими деформациями, не раздражают слух. Формирователь опорного сигнала звуковой индикации формирует пачки прямоугольных импульсов частотой 2 кГц с частотой повторения пачек 8 Гц. С помощью балансного модулятора этот опорный сигнал перемножается на выходной сигнал ограничителя по минимуму, формируя таким образом сигнал нужной формы и нужной амплитуды. Усилитель пьезоизлучателя увеличивает амплитуду сигнала, который поступает на акустический преобразователь - пьезоизлучатель.

Принципиальная схема

Рис. 5. Принципиальная электрическая схема входного блока металлоискателя по принципу "передача-прием" (нажмите для увеличения)

Генератор

Генератор собран на логических элементах 2И-НЕ D1.1-D1.4. Частота генератора стабилизирована кварцевым или пьезокерамическим резонатором Q с резонансной частотой 215 Гц " 32 кГц ("часовой кварц"). Цепь R1C1 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.

Кольцевой счетчик

Кольцевой счетчик выполняет две функции. Во- первых, он делит частоту генератора на 4, до частоты 8 кГц. Во-вторых, он формирует два сигнала, сдвинутых один относительно другого на 90° по фазе. Один сигнал используется для возбуждения колебательного контура с излучающей катушкой, другой - в качестве опорного сигнала синхронного детектора. Кольцевой счетчик представляет собой два D-триггера D2.1 и D2.2, замкнутых в кольцо с инверсией сигнала по кольцу. Тактовый сигнал - общий для обоих триггеров. Любой выходной сигнал первого триггера D2.1 имеет сдвиг по фазе на плюс-минус четверть периода (т.е. на 90°) относительно любого выходного сигнала второго триггера D2.2.

Усилитель мощности

Усилитель мощности собран на операционном усилителе (ОУ) D3.1. Колебательный контур с излучающей катушкой образован элементами L1C2. Параметры катушки индуктивности приведены в табл. 2. Марка провода обмоток - ПЭЛШО 0,44.

Таблица 2. Параметры катушек индуктивности датчика

В цепь ОС усилителя выходной колебательный контур включен только на 25%, благодаря отводу от 50-го витка излучающей катушки L1. Это позволяет увеличить амплитуду тока в катушке при приемлемом значении емкости прецизионного конденсатора С2.

Значение переменного тока в катушке задается резистором R3. Этот резистор должен иметь минимальную величину, но такую, чтобы ОУ усилителя мощности не попадал в режим ограничения выходного сигнала по току (не более 40 мА) или, - что вероятнее всего при рекомендуемых параметрах катушки индуктивности L1, - по напряжению (не более ±3,5 В при напряжении батарей питания ±4,5 В). Для того чтобы убедиться в отсутствии режима ограничения, достаточно проверить осциллографом форму сигнала на выходе ОУ D3.1. При нормальной работе усилителя на выходе должен присутствовать сигнал, приближающийся по форме к синусоиде. Вершины волн синусоиды должны иметь плавную форму и не должны быть срезаны. Цепь коррекции ОУ D3.1 состоит из корректирующего конденсатора С3 емкостью 33 пФ.

Приемный усилитель

Приемный усилитель - двухкаскадный. Первый каскад выполнен на ОУ D5.1. Он обладает высоким входным сопротивлением благодаря последовательной ООС по напряжению. Это позволяет исключить потери полезного сигнала вследствие шунтирования колебательного контура L2C5 входным сопротивлением усилителя. Коэффициент усиления первого каскада по напряжению составляет: Кu = (R9/R8) + 1 = 34. Цепь коррекции ОУ D5.1 состоит из корректирующего конденсатора С6 емкостью 33 пФ.

Второй каскад приемного усилителя выполнен на ОУ D5.2 с параллельной ООС по напряжению. Входное сопротивление второго каскада: Rвх = R10 = 10 кОм - не так критично, как первого, ввиду низкоомности его источника сигнала. Разделительный конденсатор С7 не только предотвращает накапливание статической погрешности по каскадам усилителя, но и корректирует его ФЧХ. Емкость конденсатора выбирается такой, чтобы создаваемое цепью C7R10 опережение по фазе на рабочей частоте 8 кГц компенсировало запаздывание по фазе, вызванное конечным быстродействием ОУ D5.1 и D5.2.

Второй каскад приемного усилителя, благодаря своей схеме, позволяет легко осуществить суммирование (подмешивание) сигнала от схемы компенсации через резистор R11. Коэффициент усиления второго каскада по напряжению полезного сигнала составляет: Кu = - R12/R10 = -33, а по напряжению компенсирующего сигнала: Кuk = - R12/R11 = - 4. Цепь коррекции ОУ D5.2 состоит из корректирующего конденсатора С8 емкостью 33 пФ.

Схема стабилизации

Схема компенсации выполнена на ОУ D3.2 и представляет собой инвертор с Кu = - R7/R5 = -1. Регулировочный потенциометр R6 включен между входом и выходом этого инвертора и позволяет снять сигнал, лежащий в диапазоне [-1,+1] от выходного напряжения ОУ D3.1. Выходной сигнал схемы компенсации с движка регулировочного потенциометра R6 поступает на компенсирующий вход второго каскада приемного усилителя (на резистор R11).

Регулировкой потенциометра R6 добиваются нулевого значения на выходе синхронного детектора, что приблизительно соответствует компенсации проникшего в приемную катушку нежелательного сигнала. Цепь коррекции ОУ D3.2 состоит из корректирующего конденсатора С4 емкостью 33 пФ.

Синхронный детектор

Синхронный детектор состоит из балансного модулятора, интегрирующей цепи и усилителя постоянных сигналов (УПС). Балансный модулятор реализован на основе многофункционального коммутатора D4, выполненного по интегральной технологии с комплементарными полевыми транзисторами как в качестве управляющих дискретных вентилей, так и в качестве аналоговых ключей. Коммутатор работает в качестве аналогового переключателя. С частотой 8 кГц он поочередно замыкает на общую шину выходы "треугольника" интегрирующей цепи, состоящей из резисторов R13 и R14 и конденсатора C10. Сигнал опорной частоты поступает на балансный модулятор с одного из выходов кольцевого счетчика.

Сигнал на вход "треугольника" интегрирующей цепи поступает через разделительный конденсатор С9 с выхода приемного усилителя. Постоянная времени интегрирующей цепи t = R13*C10 = R14*C10. Она должна быть, с одной стороны, как можно больше, чтобы как можно сильнее ослабить влияние шумов и помех. С другой стороны, она не должна превышать некоторый предел, когда инерционность интегрирующей цепи препятствует отслеживанию быстрых изменений амплитуды полезного сигнала.

Наибольшую скорость изменения амплитуды полезного сигнала можно охарактеризовать некоторым минимальным временем, за которое может произойти это изменение (от установившегося значения до максимального отклонения) при движении датчика металлоискателя относительно металлического предмета. Очевидно, что максимальная скорость изменения амплитуды полезного сигнала будет наблюдаться при максимальной скорости движения датчика. Она может достигать 5 м/с для "маятникового" движения датчика на штанге. Время изменения амплитуды полезного сигнала можно оценить как отношение базы датчика к скорости движения. Положив минимальное значение базы датчика, равное 0,2 м, получим минимальное время изменения амплитуды полезного сигнала 40 мс. Это в несколько раз больше, чем постоянная времени интегрирующей цепи при выбранных номиналах резисторов R13, R14 и конденсатора C10. Следовательно, инерционность интегрирующей цепи не исказит динамику даже самых быстрых из всех возможных изменений амплитуды полезного сигнала от датчика металлоискателя.

Выходной сигнал интегрирующей цепи снимается с конденсатора СЮ. Так как у последнего обе обкладки находятся под "плавающими потенциалами", УПС представляет собой дифференциальный усилитель, выполненный на ОУ D6. Помимо усиления постоянного сигнала, УПС выполняет функцию фильтра нижних частот (ФНЧ), дополнительно ослабляющего нежелательные высокочастотные компоненты на выходе синхронного детектора, связанные, в основном, с неидеальностью балансного модулятора.

ФНЧ реализуется благодаря конденсаторам С11, С13. В отличие от остальных узлов металлоискателя, ОУ УПС по своим параметрам должен приближаться к прецизионным ОУ. В первую очередь, это относится к величине входного тока, величине напряжения смещения и величине температурного дрейфа напряжения смещения. Удачным вариантом, сочетающим хорошие параметры и относительную доступность, является ОУ типа К140УД14 (или КР140УД1408). Цепь коррекции ОУ D6 состоит из корректирующего конденсатора С12 емкостью 33 пФ.

Нелинейный усилитель

Нелинейный усилитель выполнен на ОУ D7.1 с нелинейной ООС по напряжению. Нелинейная ООС реализована двухполюсником, состоящим из диодов VD1-VD8 и резисторов R20-R24. Амплитудная характеристика нелинейного усилителя приближается к логарифмической. Она представляет собой кусочно-линейную, с четырьмя точками излома для каждой полярности, аппроксимацию логарифмической зависимости. Благодаря плавной форме вольтамперных характеристик диодов амплитудная характеристика нелинейного усилителя сглажена в точках излома. Малосигнальный коэффициент усиления нелинейного усилителя по напряжению составляет: Кuk = - (R23+R24)/R19 = -100. С ростом амплитуды входного сигнала коэффициент усиления уменьшается. Дифференциальный коэффициент усиления для большого сигнала составляет: dUвых/dUвх = - R24/R19 = = -1. К выходу нелинейного усилителя подключен стрелочный измерительный прибор - микроамперметр с последовательно включенным добавочным резистором R25. Так как напряжение на выходе синхронного детектора может иметь любую полярность (в зависимости от сдвига фазы между, его опорным и входным сигналами), использован микроамперметр с нулем в середине шкалы. Таким образом, стрелочный прибор имеет диапазон индикации -100... 0 ... +100 мкА. Цепь коррекции ОУ D7.1 состоит из корректирующего конденсатора С18 емкостью 33 пФ.

Ограничитель по минимуму

Ограничитель по минимуму реализован на ОУ D7.2 с нелинейной параллельной ООС по напряжению Нелинейность заключена во входном двухполюснике и состоит из двух встречно-параллельно включенных диодов VD9, VD10 и резистора R26.

Рис. 6. Принципиальная электрическая схема блока индикации металлоискателя по принципу "передача-прием" (нажмите для увеличения)

Формирование звукового сигнала индикации из выходного сигнала нелинейного усилителя начинается с еще одной корректировки амплитудной характеристики усилительного тракта. В данном случае формируется зона нечувствительности в области малых сигналов. Это означает, что звуковая индикация включается только для сигналов, превосходящих некоторый порог. Этот порог определяется

прямым напряжением диодов VD9, VD10 и составляет около 0,5 В. Таким образом, слабые сигналы, связанные в основном с движением прибора и его механическими деформациями, отсекаются и не раздражают слух.

Малосигнальный коэффициент усиления ограничителя по минимуму равен нулю. Дифференциальный коэффициент усиления по напряжению для большого сигнала составляет: dUвых/dUвх = - R27/R26 = -1. Цепь коррекции ОУ D7.2 состоит из корректирующего конденсатора С19 емкостью 33 пФ.

Балансный модулятор

Сигнал звуковой индикации формируется следующим образом. Постоянный или медленно меняющийся сигнал на выходе ограничителя по минимуму перемножается на опорный сигнал звуковой индикации. Опорный сигнал задает форму для звукового сигнала, а выходной сигнал ограничителя по минимуму - амплитуду. Перемножение двух сигналов осуществляется с помощью балансного модулятора. Он реализован на многофункциональном коммутаторе D11, работающем в качестве аналогового ключа, и ОУ D8.1. Коэффициент передачи устройства равен +1 при разомкнутом ключе и -1 - при замкнутом. Цепь коррекции ОУ D8.1 состоит из корректирующего конденсатора С20 емкостью 33 пФ.

Формирователь опорного сигнала

Формирователь опорного сигнала реализован на двоичном счетчике D9 и счетчике-дешифраторе D10. Счетчик D9 делит частоту 8 кГц с выхода кольцевого счетчика до частоты 2 кГц и 32 Гц. Сигнал с частотой 2 кГц поступает на младший разряд адреса АО многофункционального коммутатора D11, задавая таким образом тональный сигнал с наиболее чувствительной для человеческого уха частотой. Этот сигнал будет воздействовать на аналоговый ключ балансного модулятора только в том случае, когда на старшем разряде адреса А1 многофункционального коммутатора D11 будет присутствовать логическая 1. При логическом нуле на А1 аналоговый ключ балансного модулятора все время разомкнут.

Сигнал звуковой индикации формируется прерывистым, чтобы меньше утомлялся слух. Для этого используется счетчик-дешифратор D10, который управляется тактовой частотой 32 Гц с выхода двоичного счетчика D9 и формирует на своем выходе прямоугольный сигнал с частотой 8 Гц и соотношением длительности логической единицы и логического нуля, равным 1/3. Выходной сигнал счетчика-дешифратора D10 поступает на старший разряд адреса А1 многофункционального коммутатора D11, периодически прерывая формирование тональной посылки в балансном модуляторе.

Усилитель пьезоизлучателя

Усилитель пьезоизлучателя реализован на ОУ D8.2. Он представляет собой инвертор с коэффициентом усиления по напряжению Ки = - 1. Нагрузка усилителя - пьезоизлучатель - включена по мостовой схеме между выходами ОУ D8.1 и D8.2. Это позволяет в два раза увеличить амплитуду выходного напряжения на нагрузке. Выключатель S предназначен для отключения звуковой индикации (например, при настройке). Цепь коррекции ОУ D8.2 состоит из корректирующего конденсатора С21 емкостью 33 пФ.

Типы деталей и конструкция

Типы используемых микросхем приведены в табл. 3. Вместо микросхем серии К561 возможно использование микросхем серии К1561. Можно попытаться применить некоторые микросхемы серии К176 и зарубежные аналоги.

Таблица 3. Типы используемых микросхем

Сдвоенные операционные усилители (ОУ) серии К157 можно заменить любыми сходными по параметрам одиночными ОУ общего назначения (с соответствующими изменениями в цоколевке и цепях коррекции), хотя применение сдвоенных ОУ удобнее (возрастает плотность монтажа).

Операционный усилитель синхронного детектора D6, как уже указывалось выше, по своим параметрам должен приближаться к прецизионным ОУ. Кроме типа, указанного в таблице, подойдут К140УД14, 140УД14. Возможно применение ОУ К140УД12, 140УД12, КР140УД1208 в соответствующей схеме включения.

К применяемым 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 R6 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. Один - для грубой подстройки, номиналом 10 кОм, включенный в соответствии со схемой. Другой - для точной подстройки, включенный по схеме реостата в разрыв одного из крайних выводов первого потенциометра, номиналом 0,5...1 кОм.

Конденсаторы С15, С17 - электролитические. Рекомендуемые типы - К50-29, К50-35, К53-1, К53-4 и другие малогабаритные. Остальные конденсаторы, за исключением конденсаторов колебательных контуров приемной и излучающей катушек, - керамические типа К10-7 (до номина- па 68 нФ) и металлопленочные типа К73-17 (номиналы выше 68 нФ). Конденсаторы контуров - С2 и С5 - особые. К ним предъявляются высокие требования по точности и термостабильности. Каждый конденсатор состоит из нескольких (5...10 шт.) конденсаторов, включенных в параллель. Настройка контуров в резонанс 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 старинные термостабильные слюдяные конденсаторы с серебряными обкладками типа КСО или полистирольные конденсаторы.

Диоды VD1-VD10 типа КД521, КД522 или аналогичные кремниевые маломощные.

Микроамперметр - любого типа, рассчитанный на ток 100 мкА с нулем посередине шкалы. Удобны малогабаритные микроамперметры, например, типа М4247.

Кварцевый резонатор Q - любой малогабаритный часовой кварц (аналогичные кварцевые резонаторы используются в портативных электронных играх).

Выключатель питания - любого типа малогабаритный. Батареи питания - типа 3R12 (по международному обозначению) и "квадратные" (по нашему).

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 ниже, а также в параграфах, посвященных датчикам и конструкции корпусов.

Внешний вид прибора показан на рис. 7.

Рис. 7. Общий вид металлоискателя, выполненного по принципу "передача-прием"

По своему типу датчик предлагаемого металлоискателя относится к датчикам с перпендикулярными осями. Катушки датчика склеены из стеклотекстолита эпоксидным клеем. Этим же клеем залиты обмотки катушек вместе с арматурой их электрических экранов. Штанга металлоискателя изготовлена из трубы из алюминиевого сплава (АМГЗМ, АМГ6М или Д16Т) диаметром 48 мм и с толщиной стенки 2...3 мм. Катушки приклеены к штанге эпоксидным клеем: соосная (излучающая) - с помощью переходной усиливающей втулки; перпендикулярная к оси штанги (приемная) - с помощью подходящей формы переходника.

Указанные вспомогательные детали выполнены также из стеклотекстолита. Корпус электронного блока изготовлен из фольгированного стеклотекстолита путем пайки. Соединения катушек датчика с электронным блоком выполнены экранированным проводом с внешней изоляцией и проложены внутри штанги. Экраны этого провода подключены только к шине общего провода на плате электронной части прибора, куда также подключаются экран корпуса в виде фольги и штанга. Снаружи прибор покрашен нитроэмалью.

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 батареи или двуполярный источник питания, строго соблюдая полярность. Включить прибор и измерить потребляемый ток. Он должен составлять около 20 мА по каждой шине питания. Резкое отклонение измеренных значений от указанной величины свидетельствует о неправильности монтажа или неисправности микросхем.

3. Убедиться в наличии на выходе генератора чистого меандра с частотой около 32 кГц.

4. Убедиться в наличии на выходах триггеров D2 меандра с частотой около 8 кГц.

5. Подбором конденсатора 02 настроить выходной контур L1C2 в резонанс. В простейшем случае - по максимуму амплитуды напряжения на нем (около 10 В), а более точно - по нулевому фазовому сдвигу напряжения контура относительно меандра на выходе 12 триггера D2.

Внимание! Настройку потенциометром R6 необходимо проводить при отсутствии вблизи катушек датчика металлоискателя крупных металлических предметов, включая измерительные приборы! В противном случае, при перемещении этих предметов или при перемещении датчика относительно них прибор расстроится, а при наличии крупных металлических предметов вблизи датчика установить выходное напряжение синхронного детектора в ноль не удастся. О компенсации см. также в параграфе, посвященном возможным модификациям.

8. Убедиться в работе нелинейного усилителя. Простейший способ - визуально. Микроамперметр должен реагировать на процесс настройки, производимой потенциометром R6. При некотором положении движка R6 стрелка микроамперметра должна установиться в ноль. Чем дальше стрелка микроамперметра находится от нуля, тем слабее должен реагировать микроамперметр на вращение движка R6.

Может так оказаться, что неблагоприятная электромагнитная обстановка затруднит наладку прибора. В этом случае стрелка микроамперметра будет совершать хаотические или периодические колебания при приближении движка потенциометра R6 к тому положению, в котором должна иметь место компенсация сигнала. Описанное нежелательное явление объясняется наводками высших гармоник сети 50 Гц на приемную катушку. На значительном удалении от проводов с электричеством колебания стрелки при настройке должны отсутствовать.

9. Убедиться в работоспособности узлов, формирующих звуковой сигнал. Обратить внимание на наличие небольшой зоны нечувствительности по звуковому сигналу вблизи нуля по шкале микроамперметра.

При наличии неполадок и отклонений в поведении отдельных узлов схемы металлоискателя следует действовать по общепринятой методике:

• проверить отсутствие самовозбуждения ОУ;
• проверить режимы ОУ по постоянному току;
• сигналы и логические уровни входов/выходов цифровых микросхем, и т.д. и т.п.

Возможные модификации

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

2. Добавление дополнительного канала визуальной индикации, содержащего синхронный детектор, нелинейный усилитель и микроамперметр. Опорный сигнал синхронного детектора дополнительного канала берется со сдвигом на четверть периода относительно опорного сигнала основного канала (с любого выхода другого триггера кольцевого счетчика). Обладая некоторым опытом поиска, можно по показаниям двух стрелочных приборов научиться оценивать характер обнаруженного объекта, т.е. работать не хуже электронного дискриминатора.

3. Добавление защитных диодов, включенных в обратной полярности параллельно источникам питания. При ошибке в полярности включения батарей в этом случае гарантируется, что схема металлоискателя не пострадает (хотя, если вовремя не среагировать, полностью разрядится неправильно включенная батарея). Включать диоды последовательно с шинами питания не рекомендуется, так как в этом случае на них пропадет впустую 0,3...0,6 В драгоценного напряжения источников питания. Тип защитных диодов - КД243, КД247, КД226 и т.п.