Импульсный металлоискатель своими руками

22 декабря 2009 kovboy 1 комментарий 80 869 просмотров

Принцип работы

На поисковую головку-излучатель (индуктивности 0.2-0.3 мкГн) импульсного детектора металлов подаются импульсы с частотой следования 40 – 200 Гц большой силы тока (до 20 А) и напряжением до 200 В. Если рядом с излучателем нет металлического предмета, то задний фронт импульса остается коротким. В случае близкого расположения трубы, кабеля или чего-нибудь токопроводящего, задний фронт затягивается.

Рис.1. Временная диаграмма импульсного металлодетектора

На основе анализа переходного процесса можно судить о наличии не только металлического предмета, но и о виде металла.

Структурная схема

В основу прибора положена схема, разработанная Ю.Колоколовым, с обработкой параметров импульса при помощи микроконтроллера. Это позволило упростить схемотехнику прибора без снижения технических характеристик.

Технические характеристики металлоискателя:

Напряжение питания: 7,5 – 14 В.
Потребляемый ток: 90 мА.
Глубина обнаружения:
- монета диаметром 25 мм: 0,23м;
- пистолет: 0,40 м;
- каска: 0,60 м.

Рис.2. Структурная схема металлоискателя

"Изюминкой" этой схемы является применение дифференциального усилителя во входном каскаде. Он служит для усиления сигнала, напряжение которого выше напряжения питания. Дальнейшее усиления обеспечивает приемный усилитель. Для измерения полезного сигнала предназначен первый интегратор. Во время прямого интегрирования производится накопление полезного сигнала, а во время обратного интегрирования - преобразование результата в цифровую форму. Второй интегратор имеет большую постоянную интегрирования (240 мс) и служит для балансировки усилительного тракта по постоянному току.

Принципиальная схема

Принципиальная схема импульсного металлоискателя приведена на рис. 3.

Рис.3. Принципиальная схема металлоискателя

Мощный ключ собран на полевом транзисторе VT1. Так как полевой транзистор IRF740 имеет емкость затвора более 1000пФ, для его быстрого закрытия используется предварительный каскад на транзисторе VT2. Скорость открытия мощного ключа уже не столь критична из-за того, что ток в индуктивной нагрузке нарастает постепенно. Резисторы R1,R3 предназначены для "гашения" энергии самоиндукции. Защитные диоды VD1,VD2 ограничивают перепады напряжения на входе дифференциального усилителя.

Дифференциальный усилитель собран на D1.1. Микросхема D1 представляет собой счетверенный операционный усилитель TL074. Его отличительными свойствами являются высокое быстродействие, малое потребление, низкий уровень шумов, высокое входное сопротивление, а также возможность работы при напряжениях на входах, близких к напряжению питания. Коэффициент усиления дифференциального усилителя составляет около 7 и определяется номиналами резисторов R3, R6, R9, R11.Приемный усилитель D1.2 представляет собой неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 57. Во время действия высоковольтной части импульса самоиндукции этот коэффициент снижается до 1 с помощью аналогового ключа D2.1 что предотвращает перегрузку входного усилительного тракта и обеспечивает быстрое вхождение в режим для усиления слабого сигнала. Транзисторы VT3 и VT4 предназначены для согласования уровней управляющих сигналов, подаваемых с микроконтроллера на аналоговые ключи.

С помощью второго интегратора D1.3 производится автоматическая балансировка входного усилительного тракта по постоянному току. Постоянная интегрирования 240 мс. выбрана достаточно большой, чтобы эта обратная связь не влияла на усиление быстро изменяющегося полезного сигнала. С помощью этого интегратора на выходе усилителя D1.2 при отсутствии сигнала поддерживается уровень +5 В.

Измерительный первый интегратор выполнен на D1.4. На время интегрирования полезного сигнала открывается ключ D2.2 и соответственно закрывается ключ D2.4. На ключе D2.3 реализован логический инвертор. После завершения интегрирования сигнала ключ D2.2 закрывается и открывается ключ D2.4. Накопительный конденсатор C6 начинает разряжаться через резистор R21. Время разряда будет пропорционально напряжению, которое установилось на конденсаторе C6 к концу интегрирования полезного сигнала. Это время измеряется с помощью микроконтроллера, который осуществляет аналого-цифровое преобразование. Для измерения времени разряда конденсатора C6 используются аналоговый компаратор и таймеры, которые встроены в микроконтроллер D3.
Микроконтроллер AT90S2313 также имеет в своем составе 8-ми битный RISC процессор с быстродействием 10 MIPS, 32 рабочих регистра, 2 килобайта Flash ПЗУ, 128 байт ОЗУ, сторожевой таймер.

С помощью светодиодов VD3...VD8 производится световая индикация. Кнопка S1 предназначена для начального сброса микроконтроллера. С помощью переключателей S2 и S3 задаются режимы работы устройства. С помощью переменного резистора R29 регулируется чувствительность металлоискателя.

Алгоритм функционирования

Для разъяснения принципа работы описываемого импульсного металлоискателя ниже приведены осциллограммы сигналов в наиболее важных точках прибора (рис.4)

Рис.4. Осциллограмма прибора

На время интервала A открывается ключ VT1. Через катушку датчика начинает протекать пилообразный ток . При достижении величины тока около 2 А ключ закрывается. На стоке транзистора VT1 возникает выброс напряжения самоиндукции. Величина этого выброса более 300В и ограничивается резисторами R1, R3. Для предотвращения перегрузки усилительного тракта служат ограничительные диоды VD1, VD2. Также для этой цели на время интервала A (накопление энергии в катушке) и интервала B (выброс самоиндукции) открывается ключ D2.1. Это снижает сквозной коэффициент усиления тракта с 400 до 7. На осциллограмме 3 показан сигнал на выходе усилительного тракта (вывод 8 D1.2). Начиная с интервала C ключ D2.1 закрывается и коэффициент усиления тракта становится большим. После завершения защитного интервала C, за время которого усилительный тракт входит в режим, открывается ключ D2.2 и закрывается ключ D2.4 - начинается интегрирование полезного сигнала интервал D. По истечении этого интервала ключ D2.2 закрывается, а ключ D2.4 открывается - начинается "обратное" интегрирование. За это время (интервалы E и F ) конденсатор C6 полностью разряжается. С помощью встроенного аналогового компаратора микроконтроллер отмеряет величину интервала E, которая оказывается пропорциональной уровню входного сигнала. Для версий V1.0 и V1.1 микропрограммного обеспечения установлены следующие значения интервалов: A - 60...200 мкс, мкс, B - 12 мкс, C - 8 мкс, D - 50 мкс, А + В + С + D + E + F (период повторения).

Микроконтроллер обрабатывает полученные цифровые данные и индицирует с помощью светодиодов VD3...VD8 и излучателя звука Y1 степень воздействия мишени на датчик. Светодиодная индикация представляет собой аналог стрелочного индикатора - при отсутствии мишени горит светодиод VD8, далее в зависимости от уровня воздействия последовательно загораются VD7,VD6 и т.д.
Настройку прибора рекомендуется проводить в следующей последовательности:

- убедиться в правильности монтажа;

- подать питание и убедиться, что потребляемый ток не превышает 100 мА;
- вместо резистора R7 установить переменный резистор и вращая его ротор добиться такой балансировки усилительного тракта, чтобы осциллограмма на выводе 7 D1.4 соответствовала осциллограмме 4 (рис. 4). При этом необходимо следить за тем, чтобы сигнал в конце интервала D был неизменным, т.е. осциллограмма в этом месте должна быть горизонтальной. После этого переменный резистор необходимо измерить и заменить на постоянный ближайшего номинала.

Собрать металлодетектор можно из деталей набора NM8042, выпущенного компанией МАСТЕР КИТ и включающего в себя печатную плату, корпус, полный комплект деталей и инструкцию по сборке.

Рис.5. Собранный металлодетектор из набора NM8042 МАСТЕР КИТ

Поисковая головка

Поисковая головка для металлодетектора - одна из важнейших его частей. От качества ее изготовления зависит, как будет работать прибор.

Данные катушки - диаметр 19 см, количество витков 27, провод ПЭВ, ПЭЛ 0,5 мм, кабель для катушки - двухпроводной, многожильный не экранированный провод в резиновой изоляции. Данная головка обеспечивает чувствительность обнаружения монеты 5 коп (СССР) на расстоянии 19 -20 см на воздухе.

Рис.6. Одноконтурная головка

Одно контурная поисковая головка диаметром 19 мм не обладает достаточной чувствительностью к мелким металлическим объектам (например ювелирным украшениям), маленькая же имеет небольшую глубину поиска. Совместить глубину поиска с чувствительностью к мелким объектам можно изготовив двухконтурную поисковую головку.

Рис.7. Двухконтурная головка

На кусочках ДВП размечаем контуры будущей катушки (внешний диаметр 200 мм, внутренний диаметр 90 мм, толщина стенок 18 мм). Наматываем катушки. На отправке диаметром 19,2 мм – 25 витков, на оправке диаметром 84 мм – 5 витков. Пропитываем катушки лаком и укладываем их в канавки, соединяя последовательно. Заводим кабель, распаиваем концы, вставляем кабельный ввод. Кладем катушку вверх канавкой и заливаем канавку эпокисдной смолой. После полимеризации переворачиваем катушку, вклеиваем ушки и покрываем всю поверхность эпоксидкой в 2 слоя. Распаиваем штекер, кабель оборачиваем скотчем для защиты от краски и 2-3 раза окрашиваем катушку.

Конструкция катушки позволяет локализовать 1 коп (СССР) на расстоянии 100 мм. Центр объекта очень легко определяется, поскольку диаграмма чувствительности к небольшим предметам получается конусной (в центре на 1-2 см больше).

Верхняя штанга

Для изготовления верхней штанги металлодетектора потребуется отрезок дюралюминиевой, медной или латунной трубы диаметром 22 мм с толщиной стенок 2 мм. Его длина - 120-140 см. Из трубы с помощью трубогиба выгибается S-образная штанга (см рис. 8).

Рис.8. Чертеж штанги

Из листового металла 1,5 - 2,5 мм вырезается и изгибается подлокотник. Подлокотник крепится к штанге болтом М6. Под подлокотником находится контейнер для элементов питания. Провод питания пропущен внутри штанги и выведен через отверстие диаметром 5 мм в районе электронного блока. Пластиковая затяжная муфта взята от раздвигающейся щетки для мытья окон. Внутренний диаметр затяжного элемента муфты - 16 мм, внешний – 20 мм. Затяжной элемент вклеивается в штангу на эпоксидной смоле. Неопреновая ручка может быть заменена отрезком резинового шланга или поролоновым валиком.

Нижняя штанга

Нижняя штанга намотана на оправке диаметром 14 мм из 6 слоев стеклоткани до получения диаметра 16 мм. Длина штанги - 500-750 мм. В моем варианте штанга сделана разрезной из 2 частей по 370 мм каждая.

Общий вид прибора приведен на рис. 9.