МЕТАЛЛОДЕТЕКТОР
Описание прибора для поиска металлических предметов, предлагаемое читателям, было опубликовано в немецком журнале "Elektor". Детектор сравнительно прост в изго-товлении, не содержит дефицитных элементов и при этом облада-ет достаточно высокой чувствительностью. С его помощью удава-лось обнаружить монету, закопанную в грунт на глубину 15 см.

Поиск металлических предметов в грунте базируется в основном на двух физических явлениях. Одно из них — влияние магнитных свойств предмета на индуктивность катушки или на коэффициент связи между двумя катушками. Указанные величины могут возрастать или уменьшаться в зависимости от относительной магнитной проницаемости материала (цг).

Все известные вещества по магнитным свойствам делят на диа-, пара- и ферромагнетики. Например, к диамагнетикам (цг < 1) относятся висмут, стекло, медь, вода, серебро; к парамагнетикам' (цг >1) — алюми-ний, кремний, воздух, платина, палла-дий; к ферромагнетикам (цг»1) — ко-бальт, никель, железо, закись железа, сталь.

Различия в проницаемости диа- и парамагнетиков весьма незначительны. Но ферромагнитные материалы выделяются по этому признаку очень сильно.
Второе явление — вихревые токи, возникающие в электропроводных предметах, находящихся в переменном магнитном поле. Интенсивность токов зависит как от размеров и формы предмета, так и от удельного электрического сопротивления его материала. Например, в плоской металлической пластине вихревые токи намного сильнее, чем в предмете сложной формы с неровной поверхностью. Имеет значение и положение предмета в магнитном поле (количество пронизывающих его силовых линий). Если учесть еще зависимость эффекта от расстояния и влияние грунта, станет очевидным, насколько сложна задача.

Принципов, по которым строят металлодетекторы, известно несколько, Вот основные:

BFO (Beat Frequency Oscillator — гeнератор биений) — сложение колебании двух высокочастотных генераторов и выделение разности их частот, лежащей в звуковом диапазоне. Если поблизости от поисковой катушки появляется металлический предмет, изменяется частота сигнала одного из генераторов, а с ней и высота слышимого звука.

TR/IB (Transmit-Receive/lnduction Balance — передача, прием и баланс индукции) — в датчике устанавливают две катушки, передающую и приемную. Присутствие металла изменяет индуктивную связь между ними, что влияет на принимаемый сигнал.

PI (Pulse Induction — импульсная индукция) — передачу ведут импульсами, форма и амплитуда принимаемых сигналов зависят от наличия металлических объектов вблизи катушек детектора.
Каждому принципу свойственны специфические достоинства и недостатки. Поэтому в дорогих и сложных детекторах, способных определить не только наличие, но и вид металла, комбинируют все три. Наш простой металлодетектор работает по принципу TR/IB ("Elektor"). Его датчик состоит из двух катушек. Прибор содержит всего два транзистора и одну микросхему.

рис.1

Приведенная на рис. 1 схема довольно проста. Генератор на транзисторе VT1 работает в режиме прерывистых колебаний. Он генерирует одновременно две частоты — высокую и низкую, причем высокочастотные колебания промодулированы низкочастотными, как показано на рис. 2.

рис.2

С началом генерации конденсатор С2 заряжается через диод VD1. По достижении определенного напряжения на С2 высокочастотные колебания срываются и конденсатор разряжается через резистор R1. Через некоторое время колебания возникают вновь и цикл повторяется. Между коллектором и базой VT1 включены передающие катушки L1 — L3, конструктивно выполненные таким образом, что емкостные воздей-ствия на них окружающих предметов взаимно С5, расположенный в непосредственной близости от катушек, определяет генерируемую частоту. Катушки L4 и L5 — приемные, они размещены рядом с передающими. Ох- ватываемые витками приемных и передающих катушек зоны частично перекрываются. В отсутствие металлических предметов индуктированный в приемных катушках сигнал скомпенсирован поступающим непосредственно от генератора через переменный конденсатор С6. Появившийся рядом металл нарушает баланс. Сигнал поступает на инвертирующий вход компаратора DA1, который сравнивает его с постоянным напряжением. Последнее устанавливают переменными резисторами R5 (грубо) и R6 (точно). На рис. 2 порог компаратора условно обозначен штриховой линией. Диод VD2 необходим, чтобы на вход компаратора поступало только по- ложительное напряжение.

Если сигнал выше порога, на выходе компаратора появляется напряжение, открываем*» транзистор VT2. Так как через компаратор прохородят вершины вспышек сигнала, в акустической головке ВА1 (мощность — 0,1 Вт, сопротивление — не менее 8 Ом) слышен звук. Изменение связи между передающими и приёмными катушками влияет на амплитуду принятого сигнала, что, в свою очередь, приводит к изменению ширины импульсов на выходе компаратора. На слух это воспринимается как изменение громкости и тембровой окраски звука.
Выпрямленное диодом VD3 напряжение отрицательной полярности, пропорциональное уровню сигнала на коллекторе транзистора VT2, возвращается на вход компаратора. Этим достигается автоматическая регулировка порога, компенсирующая медленные изменения наведенного в приемных катушках сигнала.
На выходе прибора имеется микроамперметр РА1 с током полного отклонения 100..250 мкА. Судить о наличии вблизи катушек металлических предметов можно и по колебаниям его стрелки. При нажатой кнопке SB 1 с помощью микроамперметра контролируют напряжение питания.
Хорошей работы металлодетектора можно достигнуть лишь при правильном изготовлении датчика, чертеж которого показан на рис. 3.

Рис. 3

Каркасами катушек служат две пластины из органического стекла или другого прочного диэлектрического материала. Древесина в данном случае не годится изза своей гигроскопичности. По периметру каждой пластины в ее кромке фрезой или напильником делают канавку для укладки обмоток.
Все катушки наматывают медным проводом диаметром 0,3 мм с эмалевой изоляцией. Начало провода закрепляют каплей клея в точке А каркаса и наматывают
22 витка катушки L2 по часовой стрелке. Конец обмотки также приклеивают к пластине в точке А. Не обрезая провод очищают до изоляции его небольшой участок и припаивают к нему начало другого отрезка провода, которым наматывают четыре витка против часовой стрелки — катушку L1. После этого проводом, которым была намотана катушка L2, делают еще 22 витка по часовой стрелке — катушку L3 Выводы всех обмоток прочно приклеивают к пластинекаркасу в точке А.
Катушки L4 и L5 размещают на второй пластине. Каждая из них начинается и заканчивается в точке В и содержит по 36 витков, намотанных в одном и том же направлении. Конденсаторы С5 и С7 припаивают непосредственно к выводам катушек в соответствии со схемой
и приклеивают к пластинам.
Пластины с обмотками накладывают друг на друга и скрепляют вместе болтами из изоляционного материала (например, нейлона), как показано на чертеже. Дугообразный пропил в одной из пластин позволяет при настройке прибора зафиксировать пластины в оптимальном положении.
Всю сборку крепят на конце деревянного или пластмассового стержня длиной 1... 1,5 м, ни в коем случае не пользуясь металлическими шурупами, винтами или гайками. На противоположном (верхнем) конце стержня устанавливают корпус (можно металлический} с печатной платой прибора. Рукоятки органов управления (SA1,SB1,C6\ R5 и R6) выводят на переднюю панель корпуса. Катушки L1— L5 соединяйте платой металлодетектора экранированными проводами.
Перед настройкой металлодетектора обе пластины с катушками разворачивают под максимальным углом не фиксируя. Проволочные перемычки А и В пока не устанавливают. После включения питания при определенном положении переменных резисторов R5 и R6 в головке ВА1 должен быть слышен звук. Медленно сдвигают катушки (вблизи них не должно быть никакого металла) до тех пор, пока громкость звука не начнет уменьшаться. Вращая оси переменных резисторов и передвигая катушки, необходимо добиться минимальной громкости; Иногда для этого требуется несколько попыток. Найдя минимум, катушки еще немного (менее чем на 1 мм) сдвигают и фиксируют.
Прибор выключают и устанавливают проволочную перемычку А. После включения питания пытаются найти положение ротора конденсатора С6, в котором звука не слышно. Если этого сделать не удается, перемычку А удаляют, устанавливают перемычку В и повторяют попытку. Если и это не помогло, положение катушек, вероятно, было найдено неправильно. Последняя возможность настроить прибор — подключить конденсатор емкостью 470 пФ параллельно С6 и еще раз попытаться найти точку баланса. В случае неудачи остается изготовить другие катушки, строго соблюдая все рекомендации.
Приступая к регулировке узла контроля напряжения питания, последнее устанавливают равным 9 В. С помощью R5 и R6 добиваются, чтобы звук из головки ВА1 слышен не был, а стрелка микроамперметра РА1 не отклонялась. Нажав на кнопку SB1, с помощью R14 устанавливают стрелку на последнее деление шкалы. Уменьшив напряжение питания до 7 В, отмечают положение стрелки, соответствующее минимально допустимому напряжению.
Остается отрегулировать чувствительность прибора переменным резистором R12. Вы можете установить ее по собственному усмотрению.
Иногда слышимый в головке ВА1 звук сопровождается гулом с частотой 100... 150 Гц. Чтобы избавиться от гула, следует включить последовательно с R1поястроечный резистор сопротивлением 50 кОм и подобрать положение его движка.
Прежде чем начать работу с металлодетектором, нужно убедиться, что
при малейшем отклонении ротора конденсатора С6 от точки баланса в головке ВА1 раздается звук. Приобретя некоторый опыт, удается, устанавливая С6 в различные положения, даже отличать диамагнитные материалы от парамагнитных. Как было сказано, немалую роль играют форма и размеры разыскиваемых предметов. Например, не удается различить одинаковые медное и железное кольца, хотя медь обладает диамагнитными, а железо — ферромагнитными свойствами.

В качестве замены VT1 подойдут транзисторы КТЗ107К или КТ3107Л, VТ2 - КТ361 или КТ3107 с любыми 6уквенными индексами. Диоды VD2, VD3—германиевые серии Д9, VD1 -любой малошумящий кремниевый. Отечественные аналоги микросхемы LM311 - К521САЗ. К554САЗ. Последняя отличается числом и назначением выводов. Конденса-торыС5 и С7 должны быть плёночными, на-пример, К73-17, остальные постоянные— керамические КМ-6. оксидные- K50-35. Конденсатор переменной емкости - от карманного радиоприёмника старого об-разца, причем статорные секции сдвоенно-го конденсатора рекомендуется соединить параллельно. Oт этого же приемника можно взять головку ВА1 Постоянные резисторы — МЛТ-0,125. переменные и подстроечные — любые, подходящие по размерам.

Печатная плата.





рис. 4 

Прибор собирают на плате, изготовленной по чертежу, показанному на рис. 4. Постоянные резисторы — млт, подстроечные (R12, R14) — СПЗ38В (или СПЗ38Д), регулировочные (R5, R6) — СП41А. Конденсаторы С1 и С9—К7317, остальные — КМ. Конденсатор С6 — сдвоенный блок КПТМ (от малогабаритного транзисторного радиоприемника), его секции С6.1 и С6.2 соединены параллельно.