Однокатушечный индукционный металлоискательОднокатушечный индукционный металлоискатель
Предлагаемый металлоискатель индукционного типа универсален. Его датчик
прост по конструкции и может быть изготовлен диаметром 0,1-1(м).
Приблизительно пропорционально диаметру будет изменяться размер
обнаруживаемых объектов и расстояние, на котором металлоискатель эти объекты
обнаруживает. Для стандартного датчика диаметром 180(мм) глубина обнаружения
составляет:
- монета Ж 25(мм) - 0,15(м)
- пистолет - 0,4(м)
- каска - 0,6(м)
- Структурная схема
- Принципиальная схема
- Типы деталей и конструкция
- Налаживание прибора
- Возможные модификации
Структурная схема
Структурная схема изображена на рис.25. Она состоит из нескольких функциональных блоков. Кварцевый генератор является источником прямоугольных импульсов, из которых в дальнейшем формируется сигнал, поступающий на катушку датчика. Сигнал генератора делится по частоте на 4 с помощью кольцевого счетчика на триггерах. По кольцевой схеме счетчик выполнен для того, чтобы на его выходах можно было сформировать два сигнала Ф1 и Ф2,
Рис. 25. Структурная схема индукционного металлоискателя.
сдвинутые друг относительно друга по фазе на 90°, что необходимо для построения схемы дискриминатора. Прямоугольный сигнал (меандр) подается на вход первого интегратора, на выходе которого получается кусочно-линейное пилообразное напряжение. Второй интегратор делает из ?пилы? сигнал, очень близко приближающийся по форме к синусоидальному и состоящий из полуволн параболической формы. Этот сигнал стабильной амплитуды поступает на усилитель мощности, который представляет собой преобразователь ?напряжение-ток?, нагруженный на катушку датчика. Напряжение датчика уже не является стабильным по амплитуде, так как зависит от сигнала, отраженного от металлических объектов. Абсолютная величина этой нестабильности весьма мала. Чтобы увеличить ее, то есть выделить полезный сигнал, в схеме компенсации происходит вычитание выходного напряжения второго интегратора из напряжения на катушке датчика.
Внимание!!!
Здесь сознательно опускаются многие детали построения усилителя мощности, схемы компенсации и способа включения катушки датчика, делающие это описание более простым для понимания принципа работы прибора, хотя и не вполне корректным. Подробнее - см. описание принципиальной схемы.
Со схемы компенсации полезный сигнал поступает на приемный усилитель, где происходит его усиление по напряжению. Синхронные детекторы преобразуют полезный сигнал в медленно меняющиеся напряжения, величина и полярность которых зависит от сдвига отраженного сигнала по фазе относительно сигнала напряжения катушки датчика.
Иными словами, выходные сигналы синхронных детекторов являются не чем иным, как компонентами ортогонального разложения вектора полезного отраженного сигнала по базису векторов основных гармоник опорных сигналов Ф1 и Ф2.
В приемный усилитель неизбежно проникает часть бесполезного сигнала, не скомпенсированного схемой компенсации ввиду ее неидеальности. На выходах синхронных детекторов эта часть сигнала преобразуется в постоянные составляющие. Фильтры высокой частоты (ФВЧ) отсекают бесполезные постоянные составляющие, пропуская и усиливая только изменяющиеся компоненты сигналов, связанные с движением датчика относительно металлических предметов. Дискриминатор выдает управляющий сигнал для запуска формирователя звукового сигнала только при определенном сочетании полярностей сигналов на выходе фильтров, что исключает срабатывание звуковой индикации от мелких железных предметов, ржавчины и некоторых минералов.
Принципиальная схема
Принципиальная схема разработанного автором индукционного металлоискателя изображена на рис.26 - входная часть, рис.27 - синхронные детекторы и фильтры, рис.28 - дискриминатор и формирователь звукового сигнала, рис.29 - схема внешних соединений.
Кварцевый генератор (рис.26)
Собран на инверторах D1.1-D1.3. Частота генератора стабилизирована кварцевым или пьезокерамическим резонатором Q с резонансной частотой 2^15(Гц) ? 32(кГц) ("часовой кварц"). Цепочка R1C2 препятствует возбуждению генератора на высших гармониках. Через резистор R2 замыкается цепь ООС, через резонатор Q - цепь ПОС. Генератор отличается простотой, малым потребляемым током, надежно работает при напряжении питания 3-15(В), не содержит подстроечных элементов и чересчур высокоомных резисторов. Выходная частота генератора - около 32(кГц).
Увеличить размер
Рис.26. Принципиальная электрическая схема индукционного металлоискателя. Входная часть.
Кольцевой счетчик (рис.26)
Кольцевой счетчик выполняет две функции. Во- первых, он делит частоту генератора на 4, до частоты 8(кГц) (рекомендации по выбору частоты - см. гл. 1.1). Во-вторых, он формирует два опорных сигнала для синхронных детекторов, сдвинутых друг относительно друга на 90° по фазе.
Кольцевой счетчик представляет собой два D-триггера D2.1 и D2.2, замкнутые 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.
Интеграторы (рис.26)
Собраны на ОУ D3.1 и D3.2. Их постоянные времени определяются цепочками R3C6 и R5C9. Режим по постоянному току поддерживается резисторами R4, R6. Разделительные конденсаторы С 5, С 8 препятствуют накоплению статической погрешности, которая может вывести интеграторы из режима ввиду их большого усиления по постоянному току. Номиналы элементов, входящих в схемы интеграторов выбраны так, чтобы суммарный сдвиг фазы обоих интеграторов на рабочей частоте 8(кГц) составлял ровно 180° с учетом как основных RC-цепочек, так и с учетом влияния разделительных цепей и конечного быстродействия ОУ при выбранной коррекции. Цепи коррекции ОУ интеграторов - стандартные и состоят из конденсаторов емкостью 33(пФ).
Усилитель мощности (рис.26)
Собран на ОУ D4.2 с параллельной ООС по напряжению. Термокомпенсированный токозадающий элемент, состоящий из резисторов R71, R72 и терморезистора R73 (см. рис.29), включен между выходом второго интегратора и инвертирующим входом ОУ D4.2. Нагрузка усилителя, являющаяся одновременно элементом ООС, представляет собой колебательный контур, состоящий из катушки датчика L1 и конденсатора С61.
В нумерации резисторов и конденсаторов по схема рис.26 - рис.29 пропущены некоторые позиции, что связано с многочисленными модификациями схем индукционного металлоискателя и не является ошибкой.
Колебательный контур настроен в резонанс на четверть частоты кварцевого резонатора задающего генератора, то есть на частоту подаваемого на него сигнала. Модуль полного сопротивления колебательного контура на резонансной частоте составляет около 4(к0м). Параметры катушки датчика L1 таковы: число витков - 100, марка провода - ПЭЛ, ПЭВ, ПЭЛШО 0,3-0,5, средний диаметр и диаметр оправки для намотки - 165(мм). Катушка имеет экран из алюминиевой фольги, подключенный к общей шине прибора. Для предотвращения образования короткозамкнутого витка, от экрана свободна небольшая часть, около 1(см), длины окружности обмотки катушки.
Элементы датчика R71 - R73 и L1, С61 подобраны так, чтобы: во-первых, были равны по величине напряжения на входе и на выходе усилителя мощности. Для этого необходимо, чтобы сопротивление цепочки R71 - R73 было равно модулю полного сопротивления колебательного контура L1, С61 на резонансной частоте 8(кГц), а точнее, 8192(Гц). Этот модуль сопротивления составляет, как уже говорилось, около 4(к0м) и его значение должно уточняться для конкретного датчика. Во-вторых, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) цепочки R71 - R73 должен совпадать по величине и по знаку с ТКС модуля полного сопротивления колебательного контура L1, С61 на резонансной частоте, что достигается: грубо - путем выбора номинала терморезистора R73, а точно - выбором соотношения R71 - R72 и достигается экспериментально при настройке.
Температурная нестабильность колебательного контура связана с нестабильностью, в первую очередь, омического сопротивления медного провода катушки. При росте температуры это сопротивление возрастает, что увеличивает потери в контуре и уменьшает его добротность. Поэтому модуль его полного сопротивления на резонансной частоте уменьшается.
Резистор R18 не играет в схеме принципиальной роли и служит для поддержания ОУ D4.2 в режиме при отключенной ответной части разъема XI. Цепь коррекции ОУ D4.2 - стандартная и состоит из конденсатора емкостью 33 (пФ).
Схема компенсации (рис.26)
Ее основные элементы, которые реализуют вычитание выходного напряжения второго интегратора из напряжения катушки датчика - это резисторы R15, R17 с одинаковой величиной сопротивления. С их общей точки соединения полезный сигнал поступает на приемный усилитель. Дополнительные элементы, благодаря которым достигается ручная настройка и подстройка прибора - это потенциометры R74, R75 (рис. 29). С этих потенциометров можно снять сигнал, лежащий в диапазоне [-1, +1] от сигнала напряжения датчика (или практически равного ему по амплитуде выходного сигнала второго интегратора). Регулировкой указанных потенциометров достигается минимальный сигнал на входе приемного усилителя и нулевые сигналы на выходах синхронных детекторов.
Через резистор R16 часть выходного сигнала одного потенциометра подмешивается в схему компенсации непосредственно, а с помощью элементов R1 1-R14, С14-С16 - со сдвигом в 90° с выхода другого потенциометра.
ОУ D4.1 является основой компенсатора высших гармоник схемы компенсации. На нем реализован двойной интегратор с инверсией, постоянные времени которого задаются обычной для интегратора цепочкой параллельной ООС по напряжению R7C12, а также конденсатором С 16 со всеми окружающими его резисторами. На вход двойного интегратора поступает меандр с частотой 8(кГц) с выхода элемента D1.5. Через резисторы R8, R10 из меандра вычитается основная гармоника. Суммарное сопротивление этих резисторов составляет около 10(кОм) и подбирается экспериментально при настройке по минимуму сигнала на выходе ОУ D4.1. Оставшиеся на выходе двойного интегратора высшие гармоники поступают на схему компенсации в той же амплитуде, что и высшие гармоники, проникающие через основные интеграторы. Соотношение фаз таково, что на входе приемного усилителя высшие гармоники из указанных двух источников практически компенсируются.
Внимание !!!
Выход усилителя мощности не является дополнительным источником высших гармоник, так как высокая добротность колебательного контура (около 30) обеспечивает высокую степень подавления высших гармоник.
Высшие гармоники, в первом приближении, не влияют на нормальную работу прибора, даже если они многократно превосходят полезный отраженный сигнал. Тем не менее, их необходимо уменьшать, чтобы приемный усилитель не попал в режим ограничения, когда верхушки "коктейля" из высших гармоник на его выходе начинают обрезаться ввиду конечного значения напряжений питания ОУ. Такой переход усилителя в нелинейный режим резко снижает коэффициент усиления по полезному сигналу.
Элементы D1.4 и D1.5 предотвращают образование кольца паразитной ПОС через резистор R7 ввиду ненулевого значения выходного сопротивления выхода триггера D2.1. Попытка подключить резистор R7 напрямую к триггеру приводит к самовозбуждению схемы компенсации на низкой частоте.
Цепь коррекции ОУ D4.2 - стандартная и состоит из конденсатора емкостью 33 (пФ).
Приемный усилитель (рис.26)
Приемный усилитель - двухкаскадный. Его первый каскад выполнен на ОУ D5.1 с параллельной ООС по напряжению. Коэффициент усиления по полезному сигналу составляет: Кu = - R19/R17? -5. Второй каскад выполнен на ОУ D5.2 с последовательной ООС по напряжению. Коэффициент усиления Ku = R21/R22 +1=6. Постоянные времени разделительных цепочек выбраны такими, чтобы на рабочей частоте создаваемый ими набег по фазе компенсировал запаздывание сигнала, обусловленное конечным быстродействием ОУ. Цепи коррекции ОУ D5.1 и D5.2 - стандартные и состоят из конденсаторов емкостью 33 (пФ).
Синхронные детекторы (рис.27)
Синхронные детекторы однотипны и имеют идентичные схемы, поэтому будет рассмотрен только один из них, верхний по схеме. Синхронный детектор состоит из балансного модулятора, интегрирующей цепочки и усилителя постоянных сигналов (УПС). Балансный модулятор реализован на основе интегральной сборки аналоговых ключей D6.1 на полевых транзисторах. С частотой 8(кГц) аналоговые ключи поочередно замыкают на общую шину выходы "треугольника" интегрирующей цепочки, состоящей из резисторов R23 и R24 и конденсатора С23. Сигнал опорной частоты поступает на балансный модулятор с одного из выходов кольцевого счетчика. Этот сигнал является управляющим для аналоговых ключей.
Сигнал на вход "треугольника" интегрирующей цепочки поступает через разделительный конденсатор С21 с выхода приемного усилителя.
Увеличить размер
Рис.27. Принципиальная электрическая схема индукционного металлоискателя. Синхронные детекторы и фильтры.
Постоянная времени интегрирующей цепочки t» R23·C23 = R24·C23. Более подробно о схеме синхронного детектора можно прочитать в главе 4.1.
ОУ УПС D7 имеет стандартную цепь коррекции, состоящую из конденсатора емкостью 33 (пФ) для ОУ типа К140УД1408. В случае использования ОУ типа К140УД12 (с внутренней коррекцией) конденсатор коррекции не нужен, однако необходим добавочный токозадающий резистор R68 (показан пунктиром).
Фильтры (рис.27)
Фильтры однотипны и имеют идентичные схемы, поэтому будет рассмотрен только один из них, верхний по схеме.
Как уже указывалось выше, по типу фильтр относится к ФВЧ. Кроме того, на него в схеме возложена роль дальнейшего усиления выпрямленного синхронным детектором сигнала. При реализации подобного рода фильтров в металлоискателях возникает специфическая проблема. Суть ее заключается в следующем. Полезные сигналы, поступающие с выходов синхронных детекторов являются сравнительно медленными, поэтому нижняя граничная частота ФВЧ обычно лежит в диапазоне 2-10(Гц). Динамический диапазон сигналов по амплитуде очень велик, он может достигать 60(дБ) на входе фильтра. Это означает, что фильтр очень часто будет работать в нелинейном режиме перегрузки по амплитуде. Выход из нелинейного режима после воздействия таких больших перегрузок по амплитуде для линейного ФВЧ может затянуться на десятки секунд (как и время готовности прибора после включения питания), что делает обычные схемы фильтров непригодными для практики.
Для разрешения указанной проблемы идут на всевозможные ухищрения. Наиболее часто фильтр разбивают на три-четыре каскада со сравнительно небольшим усилением и более-менее равномерным распределением времязадающих цепочек по каскадам. Такое решение ускоряет выход устройства в нормальный режим после перегрузок. Однако, для его реализации требуется большое количество ОУ.
В предлагаемой схеме ФВЧ - однокаскадный. Для уменьшения последствий перегрузок он выполнен нелинейным. Его постоянная времени для больших сигналов приблизительно в 60 раз меньше, чем для сигналов малой амплитуды.
Схемотехнически, ФВЧ представляет собой усилитель напряжения на ОУ D9.1, охваченный цепью ООС через интегратор на ОУ D10. Для малого сигнала, частотные и временные свойства ФВЧ определяются делителем из резистоов R45, R47, постоянной времени интегратора R43ЧC35 и коэффициентом усиления усилителя напряжения на ОУ D9.1. При увеличении выходного напряжения ФВЧ, после определенного порога начинает сказываться влияние цепочки диодов VD1-VD4, которые и являются основным источником нелинейности. Указанная цепочка на больших сигналах шунтирует резистор R45, увеличивая тем самым глубину ООС в ФВЧ и уменьшая постоянную времени ФВЧ.
Коэффициент усиления по полезному сигналу составляет около 200. Для подавления высокочастотных помех в схеме фильтра имеется конденсатор С31. ОУ усилителя напряжения D9.1 имеет стандартную цепь коррекции, состоящую из конденсатора емкостью 33 (пФ). ОУ интегратора D10 имеет цепь коррекции, состоящую из конденсатора емкостью 33 (пФ) для ОУ типа К140УД1408. В случае использования ОУ типа К140УД12 (с внутренней коррекцией) конденсатор коррекции не нужен, однако необходим добавочный токозадающий резистор R70 (показан пунктиром).
Увеличить размер
Рис.28. Принципиальная электрическая схема индукционного металлоискателя. Дискриминатор и формирователь звукового сигнала
Дискриминатор (рис.28)
Дискриминатор состоит из компараторов на ОУ D12.1, D12.2 и одновибраторов на триггерах D13.1, D13.2. При прохождении датчика металлоискателя над металлическим предметом на выходах фильтров возникает полезный сигнал в виде двух полуволн напряжения противоположной полярности, следующих одна за другой одновременно на каждом выходе. Для небольших предметов из железа сигналы на выходах обоих фильтров будут синфазны: выходное напряжение "качнется" сначала в минус, а затем в плюс и вернется к нулю. Для неферромагнитных металлов и крупных железных предметов отклик будет другой: выходное напряжение только первого (верхнего по схеме фильтра) "качнется" сначала в минус, а затем в плюс. Реакция же на выходе второго фильтра будет противоположной: выходное напряжение "качнется" сначала в плюс, а затем в минус.
Таким образом, определив, полуволна какой полярности на выходе первого фильтра была первой по времени, можно определить, к какому типу относится обнаруженный предмет. Процесс принятия решения дискриминатором протекает следующим образом. Компараторы D12.1, D12.2 формируют на своих выходах прямоугольные импульсы положительной полярности при превышении (по модулю) амплитудой отрицательной полуволны выходного напряжения фильтра некоторого порога. Этот порог задается делителем R51, R52 и составляет около -1 (В).
Выходные импульсы компараторов запускают один из одновибраторов на триггерах D13.1, D13.2. Одновременно одновибраторы запуститься не могут - перекрестная ОС через диоды VD9, VD11 блокирует запуск одновибратора, если другой уже запущен. Длительность импульсов на выходах одновибраторов составляет около 0,5(с) и это в несколько раз больше, чем длительность обоих всплесков полезного сигнала при быстром движении датчика. Поэтому вторые полуволны выходных сигналов фильтров уже не влияют на решение дискриминатора - по первым всплескам полезного сигнала он запускает один из одновибраторов, другой при этом блокируется и такое состояние фиксируется на время 0,5(с).
Чтобы исключить срабатывание компараторов от помех, а также, чтобы задержать по времени выходной сигнал первого фильтра относительно второго, на входах компараторов установлены интегрирующие цепочки R49, С41 и R50, С42. Постоянная времени цепочки R49, С41 в несколько раз больше, поэтому при одновременном приходе двух отрицательных полуволн с выходов фильтров первым сработает компаратор D12.2 и запустится одновибратор на триггере D13.2, выдав управляющий сигнал ("ферро" - железо).
Формирователь звукового сигнала (рис.28)
Формирователь звукового сигнала состоит из двух идентичных управляемых генераторов звуковой частоты на триггерах Шмидта с логикой "И" на входе D14.1, D14.2. Запускается каждый генератор непосредственно выходным сигналом соответствующего одновибратора дискриминатора. Верхний генератор срабатывает по команде "металл" с выхода верхнего одновибратора - неферромагнитная мишень или крупный железный предмет - и выдает тональную посылку с частотой около 2(кГц). Нижний генератор срабатывает по команде "ферро" с выхода нижнего одновибратора - небольшие железные предметы - и выдает тональную посылку с частотой около 500(Гц). Длительности посылок равны длительности импульсов на выходах одновибраторов. Элементом D14.3 осуществляется смешивание сигналов двух тональных генераторов. Элемент D14.4, включенный по схеме инвертора, предназначен для реализации мостовой схемы включения пьезоизлучателя. Резистор R63 ограничивает всплески потребляемого микросхемой D14 тока, вызванные емкостным характером импеданса пьезоизлучателя. Это является профилактической мерой по уменьшению влияния наводок по питанию и предотвращению возможного самовозбуждения усилительного тракта.
Схема внешних соединений (рис.29)
На схеме внешних соединений показаны элементы, не установленные на печатной плате прибора и подключаемые к ней с помощью электрических разъемов. К таким элементам относятся:
- потенциометры настройки и балансировки R74, R75,
- датчик с кабелем и разъемом подключения,
- защитные диоды по питанию VD13, VD14,
- переключатель режимов работы S 1.1 -S 1.6,
- измерительные приборы W1, W2,
- батареи питания,
- пьезоизлучатель Y1.
Назначение перечисленных элементов, в основном, очевидно и не требует дополнительных пояснений.
Увеличить размер
Рис. 29. Принципиальная электрическая схема индукционного металлоискателя. Схема внешних соединений.
Типы деталей и конструкция
Типы используемых микросхем приведены в таблице.
| Обозначение по рис.26-рис.28 | Тип | Функциональное назначение |
| D1 | К561ЛН2 | 6 инверторов |
| D2,D13 | К561ТМ2 | 2 D-триггера |
| D3-D5,D9,D12 | К157УД2 | сдвоенный ОУ |
| D6 | КР590КН4 | аналоговые ключи |
| D7-D8,D10-D11 | КР140УД1408 | точный ОУ |
| D14 | К561ТЛ1 | 4 эл-та 2И-НЕ с триггерами Шмидта на входе |
Вместо микросхем серии К561 возможно использование микросхем серии К 1561. Можно попытаться применить некоторые микросхемы серии К176.
Сдвоенные операционные усилители (ОУ) серии К 15 7 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). Желательно, чтобы применяемые типы ОУ не уступали рекомендуемым типам по быстродействию. Особенно это касается микросхем D3-D5.
ОУ синхронных детекторов и интеграторов ФВЧ по своим параметрам должны приближаться к прецизионным ОУ. Кроме типа, указанного в таблице, подойдут К140УД14, 140УД14. Возможно применение микромощных ОУ К140УД12, 140УД12, КР140УД1208 в соответствующей схеме включения.
К применяемым в схеме металлоискателя резисторам не предъявляется особых требований. Они лишь должны иметь прочную и миниатюрную конструкцию и быть удобны для монтажа. С целью получения максимальной термостабильности следует испльзовать в схемах датчика, интеграторов и в схеме компенсации только металлопленочные резисторы. Номинал рассеиваемой мощности 0,125- 0,25(Вт).
Терморезистор R73 должен иметь отрицательный ТКС и номинал около 4,7(кОм). Рекомендуемый тип - КМТ- 17вт.
Потенциометры компенсации R74, R75 желательны многооборотные 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 основного потенциометра, номиналом 0,5-1(кОм).
Конденсаторы С45, С49, С51 - электролитические. Рекомендуемые типы - К50-29, К50-35, К53-1, К53-4 и др. малогабаритные. Остальные конденсаторы, за исключением конденсаторов колебательного контура датчика, - керамические типа К 10-7 (до номинала 68(нФ)) и металлопленочные типа К73-17 (номиналы выше 68(нФ)).
Конденсатор контура С61 - особый. К нему предъявляются высокие требования по точности и термостабильности. Конденсатор С61 состоит из нескольких (5...10 шт.) конденсаторов, включенных в параллель. Настройка контура в резонанс осуществляется подбором количества конденсаторов и их номинала. Рекомендуемый тип конденсаторов К10-43. Их группа по термостабильности - МП0 (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 какие-либо полистирольные конденсаторы.
Диоды VD1-VD12 типа КД521, КД522 или аналогичные кремниевые маломощные. В качестве диодов VD1-VD4 и VD5-VD8 удобно также использовать интегральные мостовые диодные сборки типа КД906. Выводы (+) и (-) диодной сборки спаиваются вместе, а выводами (~) она включается в схему вместо четырех диодов. Защитные диоды VD13-VD14 типов КД226, КД243, КД247 и другие малогабаритные на ток от 1(А).
Микроамперметры - любого типа на ток 100(мкА) с нулем посередине шкалы. Удобны малогабаритные микроамперметры, например, типа М4247.
Кварцевый резонатор Q - любой малогабаритный часовой кварц (аналогичные используются также в портативных электронных играх).
Переключатель режимов работы - любого типа малогабаритный поворотный галетный или кулачковый на 5 положений и 6 направлений. Батареи питания - типа 3R12 - по международному обозначению, "квадратные" - по нашему советско-российскому.
Пьезоизлучатель Y1 - может быть типа 3П1...3П18. Хорошие результаты получаются при использовании пьезоизлучателей импортных телефонов (идут в огромных количествах "в отвал" при изготовлении телефонов с определителем номера).
Разъемы XI-ХЗ - стандартные, под пайку на печатную плату, с шагом выводов 2,5 (мм). Подобные разъемы широко применяются в настоящее время в телевизорах и другой бытовой технике. Разъем Х4 должен быть наружного исполнения, с металлическими наружними деталями, желательно - с посеребряными или позолоченными контактами и герметичным выходом на кабель. Рекомендуемый тип - PC 7 или PC 10 с резьбовым или байонетным соединением.
Печатная плата
Конструкция прибора может быть достаточно произвольной. При ее разработке следует учесть рекомендации, изложенные ниже в параграфах, посвященных датчикам и конструкции корпусов. Основная часть элементов принципиальной схемы прибора размещается на печатной плате.
Печатная плата электронной части металлоискателя может быть изготовлена на основе готовой универсальной макетной печатной платы под DIP корпуса микросхем с шагом 2,5 мм. В этом случае монтаж ведут одножильным медным луженьм проводом в изоляции. Такая конструкция удобна для экспериментальной работы.
Более аккуратная и надежная конструкция печатной платы получается при разводке дорожек традиционным способом под заданную схему. Ввиду ее сложности, в этом случае печатная плата должна быть с двухсторонней металлизацией. Использованная автором топология печатных дорожек приведена на рис.30 - сторона печатной платы со стороны установки деталей и на рис.31 - сторона печатной платы со стороны пайки. Рисунок топологии приведен не в натуральную величину.
Для удобства изготовления фотошаблона автор приводит размер печатной платы по внешней рамке рисунка - 130 х 144 (мм).
Особенности печатной платы:
- перемычки, без которых разводка печатной платы оказалась невозможной,
- общую шину, которая выполнена в виде сетчатого рисунка максимально возможной площади на плате,
- расположение отверстий по узлам сетки с шагом 2,5 (мм),- минимальное расстояние между центром отверстия и средней линией проводника или между средними линиями двух соседних проводников - 1,77 (мм),
- направление прокладки отдельных проводников печатной платы по углу кратно 45°.
Плотность проводников на печатной плате не слишком высока, что позволяет изготовить рисунок под травление в домашних условиях. Для этого рекомендуется использовать тонкий стеклянный рейсфедер или иглу шприца со спиленным острием в комплекте с пластиковой трубкой.
Рисунок обычно выполняют нитрокраской, кузбасс-лаком, цапон-лаком и т.п. красителями, разбавленньми подходящими растворителями до удобной концентрации. Обычный реагент для травления стандартной печатной платы из стеклотекстолита с медной фольгой 35-50 (мкм) - водный раствор хлорного железа FeCl3.
Расположение деталей на печатной плате приведено на рис.32 (микросхемы, разъемы, диоды и кварцевый резонатор), на рис.33 (резисторы и перемычки) и на рис.34 (конденсаторы).
Налаживание прибора
Налаживание прибора рекомендуется производить в следующей последовательности.
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 40(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. Убедиться в наличии на выходе первого интегратора пилообразного напряжения, а на выходе второго - практически синусоидального с нулевыми постоянными составляющими.
Внимание! Дальнейшую настройку прибора необходимо проводить при отсутствии вблизи катушки 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 настройка будет невозможной.
6. Убедиться в работоспособности усилителя мощности по наличию на его выходе синусоидального напряжения частотой 8 (кГц) с нулевой постоянной составляющей (при подключенном датчике).
7. Настроить колебательный контур датчика в резонанс путем подбора количества конденсаторов колебательного контура и их номинала. Контроль настройки производится грубо - по максимальной амплитуде напряжения контура, точно - по сдвигу фазы в 180° между входным и выходным напряжениями усилителя мощности.
8. Заменить резисторный элемент датчика (резисторы R71- R73) постоянным резистором. Подобрать его величину так, чтобы входное и выходное напряжения усилителя мощности были равны по амплитуде.
9. Убедиться в работоспособности приемного усилителя, для чего проверить режим его ОУ и прохождение сигнала.
10. Убедиться в работоспособности схемы компенсации высших гармоник. Потенциометрами настройки R74, R75 добиться минимума сигнала основной гармоники на выходе приемного усилителя. Подбором дополнительного резистора R8 добиться минимума высших гармоник на выходе приемного усилителя. При этом произойдет некоторый разбаланс по основной гармонике. Устранить его настройкой потенциометрами R74, R75 и вновь добиться минимума высших гармоник с помощью подбора резистора R8 и так несколько раз.
11. Убедиться в работоспособности синхронных детекторов. При правильно настроенном датчике и при правильно настроенной схеме компенсации выходные напряжения синхронных детекторов устанавливаются в ноль приблизительно при среднем положении движков потенциометров R74, R75. Если этого не происходит (при отсутствии ошибок в монтаже), необходимо точнее настроить контур датчика и точнее подобрать его резисторный элемент. Критерием правильной окончательной настройки датчика является балансировка прибора (то есть установка нуля на выходах синхронных детекторов) в среднем положении движков потенциометров R74, R75. При настройке следует убедиться, что вблизи состояния балансировки на движение рукоятки потенциометра R74 реагирует только прибор W1, а на движение рукоятки потенциометра R75 - только прибор W2. Если движение рукоятки одного из потенциометров вблизи состояния балансировки отражается на двух приборах одновременно, то с такой ситуацией следует либо смириться (при этом несколько труднее будет балансировать прибор при каждом включении), либо точнее подобрать номинал конденсатора С 14.
12. Убедиться в работоспособности фильтров. Постоянная составляющая на их выходах не должна превышать 100 (мВ). Если это не так, следует сменить конденсаторы С35, С37 (даже среди пленочных типа К73-17 попадаются бракованные с сопротивлением утечки единицы - десятки мегом). Может потребоваться и замена ОУ D10 и D11. Убедиться в реагировании фильтров на полезный сигнал, который можно сымитировать небольшими поворотами рукояток R74, R75. Наблюдать выходной сигнал фильтров удобно непосредственно с помощью стрелочных приборов W1 и W2. Убедиться в возврате выходного напряжения фильтров в ноль после воздействия сигналов большой амплитуды (не позже, чем через 2 (сек)).
Может так оказаться, что неблагоприятная электромагнитная обстановка затруднит наладку прибора. В этом случае стрелки микроамперметров будут совершать хаотические или периодические колебания при настроенном состоянии прибора в положениях переключателя S1 "Режим 1" и "Режим 2". Описанное нежелательное явление объясняется наводками высших гармоник сети 50(Гц) на катушку датчика. На значительном удалении от проводов с электричеством колебания стрелок при настроенном приборе должны отсутствовать.
13. Убедиться в работоспособности дискриминатора и схемы формирования звукового сигнала.
14. Произвести термическую компенсацию датчика. Для этого сначала необходимо настроить и отбалансировать металлоискатель с резистором вместо резистивного элемента датчика. Затем - немного нагреть датчик на батарее отопления или охладить в холодильнике. Отметить, в каком положении движка потенциометра "металл" R74 будет достигаться балансировка прибора при изменившейся температуре датчика. Замерить сопротивление резистора, временно установленного в датчике, и заменить его на цепочку R71-R73 с термистором и с резисторами таких номиналов, чтобы суммарное сопротивление цепочки R71-R73 было бы равно сопротивлению заменяемого постоянного резистора. Выдержать датчик при комнатной температуре не менее получаса и повторить эксперимент с изменением температуры. Сравнить полученные результаты. Если точка балансировки по шкале движка R74 смещается в одну сторону, значит, датчик недокомпенсирован и необходимо усилить влияние термистора, ослабив шунтирующее действие резистора R72, для чего увеличить его сопротивление, а сопротивление добавочного резистора R71 - уменьшить (для сохранения величины сопротивления всей цепочки постоянной). Если же точка балансировки для этих двух экспериментов смещается в разные стороны, то датчик перекомпенсирован и необходимо ослабить влияние термистора, усилив шунтирующее действие резистора R72, для чего уменьшить его сопротивление, а сопротивление добавочного резистора R71 - увеличить (для сохранения величины сопротивления всей цепочки постоянной). Проведя несколько экспериментов с подбором резисторов R71 и R72, необходимо добиться, чтобы настроенный и отбалансированный прибор не терял способности для балансировки при изменении температуры на 40°С (охлаждение от комнатной температуры до температуры морозильной камеры холодильника).
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 предложенного индукционного металлоискателя не так проста, как схемы металлоискателей, рассмотренных ранее. Поэтому, с одной стороны, актуально ее упрощение для начинающих радиолюбителей. Даже при использовании печатной платы, приведенной в книге, целесообразно начать сборку металлоискателя с упрощенного варианта, и только после его наладки добавить остальные элементы.
С другой стороны, предложенная схема индукционного металлоискателя может послужить удобной "отправной точкой" для более опытных экспериментаторов. Поэтому возможно ее дальнейшее усовершенствование и усложнение. Обе возможности подробнее рассмотрены ниже.
Упрощения. Настройка прибора
Упростить настройку (балансировку) прибора можно до предела, уменьшив коэффициент усиления приемного усилителя. При этом уже не потребуются дорогие и дефицитные потенциометры с нониусной подстройкой, а вполне хватит обычных. Может не потребоваться и температурная компенсация датчика. Все зависит от конкретного значения коэффициента усиления. Для начала можно попробовать выбрать его равным единице, положив R19 = 20(к0м), а каскад на ОУ D5.2 - удалить (или удалить только С20, R22, a R20, R21 - заменить перемычками). Конечно, при этом уменьшится дальность обнаружения прибора - приблизительно в полтора раза. Если не эксплуатировать прибор в широком диапазоне температур, то от настроечных потенциометров R74, R75 можно вообще отказаться. В этом случае они удаляются из схемы вместе с резисторами R13, R16, а балансировка выполняется один раз при изготовлении и наладке прибора. Балансировка достигается настройкой колебательного контура и выбором соотношения сопротивлений резисторов R15 и R17 в небольших пределах около единицы.
Компенсация высших гармоник
Точнее, речь пойдет об ее отсутствии. Упрощение в этом случае достигается за счет удаления каскада на ОУ D4.1. Удаляются также резисторы R7-R10 и конденсаторы С 11-С 13. Вывод резистора R11, подключавшийся ранее к выходу ОУ, следует подключить к общей шине. При использовании описанной выше печатной платы со сдвоенными ОУ возможен другой вариант: удаляются резисторы R7-R10 и конденсаторы C11-C12, ОУ D4.1 остается в схеме. С такими изменениями максимально возможный коэффициент усиления приемного усилителя будет приблизительно в два раза меньше из-за увеличения уровня уровня высших гармоник. Ухудшение потенциальной дальности обнаружения будет незначительно, около 10%.
Если предполагается принять упрощения, описанные параграфом выше, то можно удалить все элементы, относящиеся к схеме компенсации высших гармоник. Кроме уже указанных, можно удалить также следующие элементы: R11,R12,R14,C14 и C16.
Переключатель режимов работы
При отсутствии настроечных потенциометров (см. выше) можно упростить цепи, связанные с переключателем режимов работы. Сам переключатель заменяется тумблером питания на два направления (два контакта на замыкание), а остальные цепи подключаются так, как они подключаются в режимах 1 или 2, по выбору.
Расширение возможностей. Регулятор порога дискриминатора
Как уже отмечалось, порог срабатывания компараторов дискриминатора D12.1 и D12.2 определяется делителем из резисторов R51, R52 и является величиной постоянной. Можно ввести в конструкцию прибора регулятор "Чувствительность", который представляет собой переменный резистор, шунтирующий резистор делителя напряжения R52. Его рекомендуемая величина - 51(кОм). Для его подключения в конструкции печатной платы прибора предусмотрен вывод с резистора R52 на контакт 5 разъема ХЗ. При максимальной величине сопротивления внешнего переменного резистора чувствительность прибора минимальна. Уменьшая сопротивление этого резистора, будем увеличивать чувствительность прибора.
Необходимо отметить, что увеличение чувствительности связано с увеличением риска ложных срабатываний прибора и поэтому не может быть рекомендовано для всех случаев. Кроме того, желательно включить последовательно с указанным переменным резистором резистор постоянной величины номиналом 5,1(кОм). Эта мера не даст возможности порогам срабатывания компараторов дискриминатора проближаться к нулю.
Фильтры
Для улучшения селективности по отдельным типам обнаруживаемых мишеней возможна следующая модификация: на входы фильтров подаются не сигналы с выходов синхронных детекторов, а линейные комбинации выходных сигналов синхронных детекторов. Схемотехнически это реализуется следующим образом: между выходами синхронных детекторов включаются два подстроенных потенциометра, а сигнал на входы фильтров поступает с движков этих потенциометров. Регулировкой потенциометров добиваются, чтобы в режиме 1 прибор выдавал звуковой сигнал только на объекты из определенного металла. Обычно, к металлам "повышенного интереса" относят медь, серебро, золото и их сплавы. Отсечь же с помощью дискриминатора стремятся, в первую очередь, железо, ржавчину, алюминий и природные минералы.
Настройка дискриминатора металлоискателя в данном случае является делом кропотливым, требующим проведения массы экспериментов. Конкретные рекомендации привести сложно, так как настройка зависит как от характера материала предполагаемых объектов для поиска, так и от точности настройки колебательного контура датчика. Дополнительно можно лишь рекомендовать поэкспериментировать с подключением одного из выводов подстроечных потенциометров к выходу синхронного детектора через инвертор (усилитель с коэффициентом усиления минус 1).
|
EverettHaf пишет... Официальный сайт Государственного Военного госпиталя Китая.
26/04/2022 14:46:46 |
| Ваш комментарий к статье | ||||
