Импульсный металлоискатель своими руками. При проведении строительных или ремонтных работ необходимо определить трассы трубопроводов, электрических кабелей и проводов. В таких случаях без металлоискателя не обойтись. Подобные устройства используют и охотники за сокровищами-любители.
Принцип работы
На излучатель поисковой головки (индуктивность 0,2-0,3 мкГн) импульсного металлоискателя подаются импульсы с частотой следования 40-200 Гц, большим током (до 20 А) и напряжением до 200 В. Если рядом с излучателем находится металлический предмет, задний фронт импульса останется коротким. Если рядом есть трубы, кабели или что-либо проводящее, задняя кромка будет отставать.
Рисунок 1. Временная диаграмма импульсного металлоискателя
На основе анализа переходных процессов можно определить не только наличие металлического предмета, но и тип металла.
принципиальная схема
Устройство основано на схеме, разработанной Ю. Колоколовым, и использует микроконтроллер для обработки параметров импульса. Это позволило упростить схемотехнику устройства без ущерба для его технических свойств.
Технические характеристики металлоискателя:
- Напряжение питания: 7,5 – 14В.
- потребление тока: 90мА.
Глубина обнаружения:
- монета диаметром 25 мм: 0,23 м;
- пистолет: 0,40 м;
- шлем: 0,60 м.
Рисунок 2. Структурная схема металлоискателя
изюминкой этой схемы является использование дифференциального усилителя во входном каскаде. Имеет функцию усиления сигналов с напряжением выше напряжения источника питания. Далее он усиливается приемным усилителем. Первый интегратор предназначен для измерения полезного сигнала. Полезные сигналы накапливаются при прямом интегрировании, а результаты преобразуются в цифровую форму при обратном интегрировании. Второй интегратор имеет большую константу интегрирования (240 мс) и служит для балансировки пути усиления по постоянному току.
принципиальная электрическая схема
Принципиальная схема импульсного металлоискателя представлена на рисунке. 3.
Рисунок 3. Принципиальная схема металлоискателя
В полевой транзистор VT1 встроен мощный ключ. Поскольку емкость затвора полевого транзистора IRF740 превышает 1000 пФ, для быстрого отключения транзистора используется запасной каскад транзистора VT2. Поскольку ток в индуктивной нагрузке постепенно увеличивается, скорость размыкания мощного ключа становится менее важной. Резисторы R1, R3 предназначены для «гашения» энергии самоиндукции. Защитные диоды VD1, VD2 ограничивают падение напряжения на входе дифференциального усилителя.
В D1.1 встроен дифференциальный усилитель. Микросхема D1 представляет собой счетверенный операционный усилитель TL074. Его отличительными свойствами являются высокое быстродействие, низкое энергопотребление, низкий уровень шума, высокое входное сопротивление, а также возможность работы при входных напряжениях, близких к напряжению питания. Коэффициент усиления дифференциального усилителя равен примерно 7, определяется номиналами резисторов R3, R6, R9 и R11. Усилитель приемника D1.2 представляет собой неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 57. В высоковольтной части самоиндуцированного импульса этот коэффициент снижается до 1 с помощью аналогового переключателя Д2.1, что предотвращает перегрузку входного тракта усиления и обеспечивает быстрый вход в режим усиления слабых сигналов. Транзисторы VT3 и VT4 предназначены для согласования уровня управляющего сигнала, подаваемого микроконтроллером на аналоговый ключ.
Баланс постоянного тока схемы входного усилителя автоматически регулируется с помощью второго интегратора D1.3. Интегральная константа 240 мс выбирается достаточно большим, чтобы эта обратная связь не влияла на усиление быстро меняющихся полезных сигналов. Используя этот интегратор, выход усилителя D1.2 будет поддерживать уровень +5 В при отсутствии сигнала.
Первый интегратор для измерения создан в D1.4. При интегрировании полезных сигналов соответственно открывается ключ D2.2 и закрывается ключ D2.4. Логический инвертор реализован в переключателе D2.3. После завершения интеграции сигнала ключ D2.2 закрывается, а ключ D2.4 открывается. Накопительный конденсатор С6 начинает разряжаться через резистор R21. Время разряда пропорционально напряжению, которое установится на конденсаторе С6 к моменту интегрирования полезного сигнала. Это время измеряется с помощью микроконтроллера, выполняющего аналого-цифровое преобразование. Для измерения времени разряда конденсатора С6 используются аналоговый компаратор и таймер, встроенные в микроконтроллер D3.
Микроконтроллер AT90S2313 также включает в себя 8-битный RISC-процессор со скоростью 10 MIPS, 32 рабочих регистра, 2 килобайта Flash-ПЗУ, 128 байт ОЗУ и сторожевой таймер.
Светодиоды VD3…VD8 обеспечивают световую индикацию. Кнопка S1 предназначена для первоначального сброса микроконтроллера. Переключателями S2 и S3 установите режим работы устройства. Чувствительность металлоискателя регулируйте переменным резистором R29.
Алгоритм, который работает
Для иллюстрации принципа работы описываемого импульсного металлоискателя ниже представлена осциллограмма сигнала в наиболее важных точках прибора (рис. 4)
Рисунок 4. Осциллограмма устройства
В интервале А открывается ключ VT1. Через катушку датчика начинает течь пилообразный ток. Ключ закроется, когда ток достигнет около 2А. На стоке транзистора VT1 возникает самоиндуцированный всплеск напряжения. Величина этого всплеска превышает 300 В и ограничивается резисторами R1 и R3. Ограничительные диоды VD1, VD2 служат для предотвращения перегрузки тракта усиления. Также для этого ключ D2.1 размыкается между интервалом А (накопление энергии в катушке) и интервалом В (высвобождение самоиндукции). Это уменьшает сквозной коэффициент усиления пути с 400 до 7. На осциллограмме 3 показан сигнал на выходе тракта усиления (вывод 8 D1.2). Начиная с интервала C, переключатель D2.1 замыкается и коэффициент усиления канала увеличивается. После завершения защитного интервала С, в течение которого тракт усиления входит в режим, ключ D2.2 открывается, а ключ D2.4 закрывается. Начинается интеграция действительного сигнала (интервал D). По истечении этого интервала ключ D2.2 закрывается и открывается ключ D2.4 – начинается «обратное» интегрирование. За это время (интервалы Е и F) конденсатор С6 полностью разряжается. С помощью встроенного аналогового компаратора микроконтроллер измеряет значение интервала Е. Видно, что эта величина пропорциональна уровню входного сигнала. Для версий прошивки V1.0 и V1.1 установлены следующие значения интервала: A – 60…200 мкс, мкс, B – 12 мкс, C – 8 мкс, D – 50 мкс, A+B+ C + D + E + F (период повторения).
Микроконтроллер обрабатывает полученные цифровые данные и с помощью светодиодов VD3…VD8 и звукового излучателя Y1 сигнализирует о степени воздействия цели на датчик. Светодиодная индикация аналогична стрелочному индикатору, при отсутствии цели загорается светодиод ВД8, затем последовательно загораются ВД7, ВД6 и т.д.в зависимости от уровня воздействия
Мы рекомендуем настраивать устройства в следующем порядке:
- Пожалуйста, убедитесь, что установка правильна;
- включите питание и убедитесь, что потребляемый ток не превышает 100 мА;
- Установите переменный резистор вместо резистора R7 и вращайте его ротор, чтобы сбалансировать тракт усиления так, чтобы осциллограмма на выводе 7 D1.4 соответствовала осциллограмме 4 (рисунок 4). В этом случае нам нужно добиться того, чтобы сигнал в конце интервала D не менялся, то есть сигнал не менялся. Осциллограмма в этой точке должна быть горизонтальной. После этого нужно измерить переменный резистор и заменить его на константу ближайшего номинала.
Собрать металлоискатель можно из деталей набора NM8042, выпущенного компанией MASTER KIT. В комплект входит печатная плата, корпус, полный набор деталей и инструкция по сборке.
Рисунок 5. NM8042 MASTER KIT Металлоискатель, собранный из комплекта
Поисковая головка
Поисковая головка металлоискателя – одна из важнейших его частей. Качество работы устройства определяется качеством его изготовления.
катушки имеют диаметр 19 см, количество витков 27, провод ПЭВ, ПЭЛ 0,5 мм, кабель для катушек 2-жильный, неэкранированный многожильный провод с резиновой изоляцией. Эта головка имеет чувствительность для обнаружения монеты номиналом 5 копеек (СССР) на расстоянии 19-20 см в воздухе.
Рисунок 6. Одноконтурная головка
одна контурно-поисковая головка диаметром 19 мм недостаточно чувствительна для мелких металлических предметов (например, ювелирных изделий), а меньшая контурно-поисковая головка имеет меньшую глубину поиска. Благодаря изготовлению двухконтурной поисковой головки можно совместить глубину поиска и чувствительность к мелким объектам.
Рисунок 7 двухконтурная головка
наметьте на куске ДВП контур будущего змеевика (наружный диаметр 200 мм, внутренний диаметр 90 мм, толщина стенки 18 мм). Наматываем катушку. Для штифта диаметром 19,2 мм требуется 25 оборотов, а для оправки диаметром 84 мм — 5 оборотов. Пропитайте катушки лаком, поместите их в пазы и соедините последовательно. Запустите кабель, припаяйте концы и вставьте кабельный ввод. Поместите катушку канавкой вверх и залейте канавку эпоксидной смолой. После полимеризации переверните катушку, приклейте ушки и покройте всю поверхность двумя слоями эпоксидной смолы. Отпаяйте штекер, оберните кабель изолентой для защиты от краски и покрасьте катушку в 2-3 слоя.
конструкция катушки позволяет обнаружить 1 копейку (СССР) на расстоянии 100 мм. Диаграмма чувствительности к мелким предметам оказывается конической (в центре на 1-2 см больше), поэтому определить центр предмета очень легко).
верхний стержень
для изготовления верхней планки металлоискателя понадобится дюралевая, медная или латунная труба диаметром 22 мм и толщиной стенки 2 мм. Согните из трубы S-образный стержень с помощью трубогиба, длиной 120-140 см (см рисунок 8)
Рисунок 8. Чертеж стержня
для подлокотника вырежьте лист металла толщиной 1,5-2,5 мм и согните его. Подлокотник крепится к тяге болтами М6. Под подлокотником имеется контейнер для батареек. Линия питания проходит внутри стержня и выводится через отверстие диаметром 5 мм в районе электронного блока. Пластиковая стяжная муфта взята от выдвижной щетки для мытья окон. Внутренний диаметр стяжного элемента муфты составляет 16 мм, внешний диаметр — 20 мм. Элементы крепления приклеены к стержню с помощью эпоксидной смолы. Неопреновую ручку можно заменить резиновым шлангом или пенопластовым валиком.
нижний стержень
нижний стержень наматывается из 6 слоев стеклоткани на оправку диаметром 14 мм, в результате получается диаметр 16 мм. Длина стержня – 500-750 мм. В моем варианте стержень составлен из разрезных кусков по 370 мм.
Общий вид устройства показан на рисунке. 9.
Рисунок 9. Общая схема устройства
опубликовано: www.masterkit.ru
- Хотите связаться со мной?
