Металлоискатель импульсный схема: Импульсный металлоискатель ВИНТИК своими руками!
alexxlab | 12.01.1994 | 0 | Разное
Принципиальная схема / 3.9. Усовершенствованный импульсный металлоискатель / Глава 3 Металлоискатели на микросхемах / Книга: Металлоискатели / Арсенал-Инфо.рф
Принципиальная схемаПринципиальную схему предлагаемого усовершенствованного импульсного металлоискателя можно условно разделить на две части, а именно: на блок передатчика и блок приемника. К сожалению, ограниченный объем данной книги не позволяет подробно остановиться на всех особенностях схемотехнических решений, использованных при создании этого прибора. Поэтому далее будут рассмотрены основы функционирования лишь наиболее важных узлов и каскадов.
Как уже упоминалось, данный металлодетектор является усовершенствованным вариантом прибора, рассмотренного в предыдущем разделе этой главы. Определенные изменения коснулись модуля формирования импульсов и синхронизации, передатчика и преобразователя напряжения. Схема блока приемника претерпела более значительные изменения (рис. 3.18).
Рис.
3.18. Принципиальная схема блока передатчика усовершенствованного импульсного металлоискателя
В состав блока передатчика входят модуль формирования импульсов и синхронизации, сам передатчик, а также преобразователь напряжения.
Главной составной частью всей конструкции является модуль формирования импульсов и синхронизации, выполненный на микропроцессоре IC1 типа АТ89С2051 фирмы ATMEL и обеспечивающий формирование импульсов для передатчика, а также сигналов, управляющих работой всех остальных блоков. Рабочая частота микроконтроллера IC1 стабилизирована кварцевым резонатором (6 МГц). При указанном значении рабочей частоты микропроцессор формирует периодическую последовательность управляющих импульсов для различных каскадов металлодетектора.
Первоначально на выводе IC1/14 микропроцессора формируется управляющий импульс для транзистора Т6, после окончания которого на выводе IC1/15 формируется аналогичный импульс для транзистора Т7. Затем этот процесс повторяется еще раз. В результате происходит запуск преобразователя напряжения.
Далее, последовательно на выводах IC1/8, IC1/7, IC1/6, IC1/17, IC1/16 и IC1/18 формируются импульсы запуска передатчика. При этом указанные импульсы имеют одинаковую длительность, но каждый последующий импульс задержан относительно предыдущего на несколько тактов. Начало первого импульса, сформированного на выводе IC1/8, совпадает с серединой второго импульса на выводе IC1/15. С помощью переключателя Р1 можно выбрать время задержки импульса запуска передатчика по отношению к стартовому импульсу.
Через несколько тактов после окончания импульса на выводе IC1/18 короткий стробирующий импульс для усилителя-анализатора формируется на выводе IC1/2. В отличие от ранее рассмотренной схемы в данном приборе на этом же выводе микроконтроллера через несколько тактов формируется второй стробирующий импульс.
Помимо этого на выводах IC1/12 и IC1/13 микропроцессора формируются управляющие сигналы для транзисторов Т31 и Т32 блока приемника. Середина управляющего импульса для транзистора Т31 совпадает с серединой первого стробирующего импульса на выводе IC1/2, однако длительность импульса на выводе IC1/12 почти в два раза больше.
При этом указанный импульс имеет отрицательную полярность. Начало управляющего импульсного сигнала на выводе IC1/13 почти совпадает с серединой второго импульса на выводе IC1/14 микроконтроллера, заканчивается же он через несколько тактов после окончания второго стробирующего импульса, формируемого на выводе IC1/2. Затем на выводе IC1/11 формируется управляющий сигнал для транзистора Т35 схемы акустической сигнализации блока приемника.
После небольшой паузы последовательность управляющих импульсов на соответствующих выходах микроконтроллера формируется вновь.
Питающее напряжение +5 В, предварительно стабилизированное микросхемой IC2, подается на вывод IC1/20 микроконтроллера.
Преобразователь напряжения, выполненный на транзисторах Т6-Т8 и стабилизаторе IC3, обеспечивает формирование питающего напряжения +5 В, необходимого для питания каскадов приемной части. Управляющие сигналы для транзисторов Т7 и Т8 формируются на соответствующих выводах микроконтроллера IC1, при этом на транзистор Т8 этот сигнал подается через преобразователь уровня, собранный на транзисторе Т6.
Далее сформированное питающее напряжение стабилизируется микросхемой IC3, с выхода которой напряжение +5 В поступает на каскады приемника.
Выходные каскады передатчика выполнены на мощных транзисторах Т1, Т2 и Т3, работающих на общую нагрузку, в качестве которой выступает катушка L1, шунтированная цепочкой резисторов R1-R6. Работой транзисторов выходного каскада управляет транзистор Т4. Управляющий сигнал на базу транзистора Т4 подается с соответствующего выхода процессора IC1 через транзистор Т5.
Как и в рассмотренном в предыдущем разделе металлодетекторе, импульс, формируемый микропроцессором IC1 в соответствии с заложенной в его памяти программой, через переключатель подается на вход транзистора Т5 и далее, через транзистор Т4, на выходные каскады передатчика, выполненные на транзисторах Т1-Т3, а затем – на приемопередающую катушку L1. При появлении в зоне действия катушки L1 металлического предмета на его поверхности под воздействием внешнего электромагнитного поля, инициированного импульсом передатчика, возбуждаются вихревые поверхностные токи.
Время существования этих токов зависит от длительности импульса, излучаемого катушкой L1.
Поверхностные токи являются источником вторичного импульсного сигнала, который принимается катушкой L1, усиливается и подается на схему анализа. Благодаря явлению самоиндукции длительность вторичного сигнала будет больше, чем длительность излученного передающей катушкой импульса. При этом форма вторичного импульсного сигнала зависит от свойств материала, из которого изготовлен обнаруженный металлический предмет. Обработка информации об отличиях параметров импульсов, излученных и принятых катушкой L1, обеспечивает формирование данных для блока индикации о наличии металлического предмета.
В состав блока приемника (рис. 3.19) входят двухкаскадный усилитель входного сигнала, усилители образцового сигнала, усилитель-анализатор, активный узкополосный фильтр, фильтр низкой частоты, схема формирования напряжения смещения, схемы коммутации и схема звуковой индикации.
Рис. 3.19. Принципиальная схема блока приемника усовершенствованного импульсного металлоискателя
Сигнал от металлического предмета принимается катушкой L1 и через схему защиты, выполненную на диодах D1 и D2, подается на входной двухкаскадный усилитель с емкостной обратной связью, выполненный на операционных усилителях IC31 и IC32.
С выхода микросхемы IC32 (вывод IC32/6) усиленный импульсный сигнал подается на усилитель-анализатор, выполненный на микросхеме IC33.
В процессе работы прибора усилитель IC33 постоянно выключен, а напряжение питания подается на него лишь при поступлении на соответствующий вход (вывод IC33/8) стробирующих импульсов. По окончании подачи напряжения питания на выходе усилителя (вывод IC33/5) в течение нескольких секунд сохраняется уровень принятого сигнала, зафиксированный во время воздействия стробирующих импульсов. Время сохранения уровня сигнала зависит от емкости конденсатора С65. Таким образом, на один вход усилителя (вывод IC33/3) подается принятый импульсный сигнал, а на второй вход (вывод IC33/8) через конденсаторы С64 поступает соответствующий стробирующий импульс от модуля формирования импульсов и синхронизации (вывод IC1/2).
Далее выделенный сигнал проходит через активный фильтр, выполненный на элементе IC34a и настроенный на частоту 6 МГц. Для достижения указанных на принципиальной схеме параметров отдельных элементов данного фильтра рекомендуется использовать параллельное включение резисторов и конденсаторов.
Так, например, значение указанной на схеме емкости конденсатора С67 (0,044 мкФ) достигается параллельным включением двух конденсаторов емкостью 0,022 мкФ каждый. Необходимо отметить, что при использовании кварцевого элемента Q1 с рабочей частотой, отличающейся от 6 МГц, величины отдельных элементов фильтра следует пересчитать.
С выхода фильтра сигнал подается на синхронный детектор, на входе которого установлен инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 1, выполненный на элементе IC34b. При этом с помощью замыкания соответствующих пар контактов микросхемы IC37 (выводы IC37/1,2 и IC37/3,4) осуществляется переключение отрицательного сигнала, подаваемого на интегрирующую цепочку с конденсатором С71. Управляющие сигналы для микросхемы IC37 формируются каскадами, выполненными на транзисторах Т31-Т33.
С выхода интегрирующей цепочки импульсный сигнал проходит на вход усилительного каскада, который выполнен на микросхеме IC35 и одновременно выполняет функции фильтра низких частот.
Падение напряжения на выходе операционного усилителя (вывод IC35/6) приводит к открытию транзистора Т34 и подключению к общему проводу головных телефонов BF1. При поступлении с соответствующего выхода микроконтроллера (вывод IC1/11) на транзистор Т35 управляющего сигнала в телефонах будет прослушиваться сигнал звуковой частоты. Резистор R77 ограничивает ток, протекающий через головные телефоны BF1. Его подбором можно регулировать громкость акустического сигнала.
Сигнал с вывода IC35/6 также подается на вход другого операционного усилителя (вывод IC36/2), задачей которого является обнуление выходного сигнала. Его использование объясняется тем, что на выходе микросхемы IC33 изменяющийся во времени выходной сигнал будет формироваться и в отсутствие в зоне действия поисковой катушки L1 металлических предметов, поэтому амплитуда результирующего сигнала будет отлична от нуля. С помощью резистора R86 на вход второго усилительного каскада (вывод IC32/2) подается напряжение смещения именно в момент поступления первого стробирующего импульса.
Необходимый уровень напряжения смещения зависит от уровня выходного сигнала на выводе IC35/6, его формирование обеспечивается с помощью интегрирующей цепочки С73, R78-R80 и усилительного каскада на микросхеме IC36.
Цепь формирования напряжения смещения функционирует лишь во время замыкания соответствующих контактов микросхемы IC37 (выводы IC37/9,8). Длительность этого временного отрезка составляет три такта. При этом управляющие сигналы для микросхемы IC37 поступают с каскадов, выполненных на транзисторах Т31-Т33. Таким образом обеспечивается выравнивание уровней сигналов, сформированных в моменты поступления первого и второго стробирующих импульсов. Нажатием кнопки S2 время процесса обнуления можно значительно сократить.
3.8. Простой импульсный металлоискатель . Металлоискатели
В последнее время сравнительно широкое распространение получили импульсные металлоискатели типа PI (Puis Induction), в которых для оценки наличия металлических предметов в зоне поиска используется явление возникновения вихревых поверхностных токов в металлическом предмете под воздействием внешнего электромагнитного поля.
В металлодетекторах типа PI импульсный сигнал подается на передающую катушку, в которой инициируется переменное электромагнитное поле. При появлении в зоне действия этого поля металлического предмета на его поверхности периодически, под воздействием импульсного сигнала, возникают вихревые токи. Эти токи и являются источником вторичного сигнала, который принимается приемной катушкой. Благодаря явлению самоиндукции форма вторичного сигнала будет отличаться от формы излученного передающей катушкой импульса. При этом отличия в параметрах вторичного импульсного сигнала и используются для анализа с последующим формированием данных для блока индикации. Во всех известных автору импульсных металлодетекторах оценивается изменение формы заднего фронта вторичного импульса. О достоинствах и недостатках импульсных детекторов металлических предметов коротко было рассказано в первой главе предлагаемой книги.
Следует признать, что с каждым годом количество различных схемотехнических решений металлоискателей типа PI значительно увеличивается.
Однако ограниченный объем данного издания не позволяет подробно рассмотреть даже самые интересные конструкции. Поэтому автор решил ознакомить читателей лишь с несколькими приборами этого типа.
В рассматриваемом в этом разделе устройстве используется микропроцессор с соответствующим программным обеспечением. К сожалению, к моменту издания этой книги опубликовать на 100 % работоспособную версию его прошивки не представилось возможным. Поэтому заинтересованные и подготовленные читатели имеют возможность проверить свои силы в создании прошивки для микроконтроллера. Автор ни секунды не сомневается в том, что российские умельцы с честью справятся с этой задачей.
Тем не менее, по мнению автора, конструкция предлагаемого металлоискателя достаточно сложна для повторения начинающими радиолюбителями. Также следует упомянуть и о сложностях, возникающих при регулировке этого устройства. Необходимо особо обратить внимание на то, что ошибки при монтаже и некорректная настройка прибора могут привести к выходу из строя дорогостоящих элементов.
Принципиальная схема
Принципиальную схему предлагаемого простого импульсного металлоискателя условно можно разделить на две части, а именно: на блок передатчика и блок приемника. К сожалению, ограниченный объем данной книги не позволяет подробно остановиться на всех особенностях схемотехнических решений, использованных при создании данного прибора. Поэтому далее будут рассмотрены основы функционирования лишь наиболее важных узлов и каскадов.
В состав блока передатчика (рис. 3.14) входят модуль формирования импульсов и синхронизации, сам передатчик, а также преобразователь напряжения.
Рис. 3.14. Принципиальная схема блока передатчика простого импульсного металлоискателя
Главной составной частью всей конструкции является модуль формирования импульсов и синхронизации, выполненный на микропроцессоре IC1 типа АТ89С2051 фирмы ATMEL и обеспечивающий формирование импульсов для передатчика, а также сигналов, управляющих работой всех остальных блоков.
Рабочая частота микроконтроллера IC1 стабилизирована кварцевым резонатором (3,5 МГц). При указанном значении рабочей частоты микропроцессор формирует периодическую последовательность управляющих импульсов для различных каскадов металлодетектора. Эта последовательность состоит из 250 тактов длительностью по 9 мкс каждый.
Первоначально на выводе IC1/14 микропроцессора формируется управляющий импульс для транзистора Т6, после окончания которого на выводе IC1/15 формируется аналогичный импульс для транзистора Т7. Затем этот процесс повторяется еще один раз. В результате происходит запуск преобразователя напряжения.
Далее, последовательно на выводах IC1/8, IC1/7, IC1/6, IC1/16, IC1/17, IC1/19 и IC1/18 формируются импульсы запуска передатчика. При этом указанные импульсы имеют одинаковую длительность, но каждый последующий импульс задержан относительно предыдущего на несколько тактов. Начало первого импульса, сформированного на выводе IC1/8, совпадает с окончанием второго импульса на выводе IC1/15.
Через несколько тактов после окончания импульса на выводе IC1/18 короткий стробирующий импульс для одного из каналов анализатора формируется на выводе IC1/3. Затем аналогичный импульс, предназначенный для второго канала анализатора, формируется на выводе IC1/9. После этого на выводе IC1/11 формируется управляющий сигнал для транзистора Т10 схемы акустической сигнализации блока приемника.
Затем, после небольшой паузы, последовательность управляющих импульсов на соответствующих выходах микроконтроллера формируется вновь.
Питающее напряжение +5 В, предварительно стабилизированное микросхемой IC2, подается на вывод IC1/20 микроконтроллера.
Преобразователь напряжения, выполненный на транзисторах Т6-Т8 и стабилизаторе IC3, обеспечивает формирование двуполярного питающего напряжения 12 В, необходимого для питания каскадов приемной части. Управляющие сигналы для транзисторов Т7 и Т8 формируются на соответствующих выводах микроконтроллера IC1.
Выходные каскады передатчика выполнены на мощных транзисторах Т1, Т2 и Т3, работающих на общую нагрузку, в качестве которой выступает катушка L1, шунтированная цепочкой резисторов R1-R6. Работой транзисторов выходного каскада управляет транзистор Т4. Управляющий сигнал на базу транзистора Т4 подается с соответствующего выхода процессора IC1 через транзистор Т5.
Импульс, формируемый микропроцессором IC1 в соответствии с заложенной в его памяти программой, через переключатель подается на вход транзистора Т5 и далее, через транзистор Т4, на выходные каскады передатчика, выполненные на транзисторах Т1-Т3, а затем – на приемопередающую катушку L1. При появлении в зоне действия катушки L1 металлического предмета на его поверхности под воздействием внешнего электромагнитного поля, инициированного импульсом передатчика, возбуждаются вихревые поверхностные токи.
В свою очередь поверхностные токи являются источником вторичного импульсного сигнала, который с соответствующей задержкой принимается катушкой L1, усиливается и подается на схему анализа. Необходимо отметить, что благодаря явлению самоиндукции длительность вторичного сигнала будет больше, чем длительность излученного передающей катушкой импульса. При этом форма вторичного импульса зависит от свойств металла, из которого изготовлен обнаруженный предмет. Обработка информации об отличиях параметров импульсов, излученных и принятых катушкой L1, обеспечивает формирование данных для блока индикации о наличии металлического предмета. В рассматриваемом металлоискателе для анализа используются параметры заднего фронта вторичного импульсного сигнала.
В состав блока приемника (рис. 3.15) входят двухкаскадный усилитель входного сигнала, анализатор и схема звуковой индикации.
Рис.
3.15. Принципиальная схема блока приемника простого импульсного металлоискателя
Сигнал от металлического предмета принимается катушкой L1 и через схему защиты, выполненную на диодах D1 и D2, подается на входной двухкаскадный усилитель с емкостной обратной связью, выполненный на операционных усилителях IC4 и IC5. С выхода микросхемы IC5 (вывод IC5/6) усиленный импульсный сигнал подается на схему анализатора, выполненную на микросхемах IC6-IC8.
Усилители IC6 и IC7 в процессе работы прибора постоянно выключены, и напряжение питания подается на них лишь при поступлении на соответствующие входы (выводы IC6/8 и IC7/8) стробирующих импульсов, длительность каждого из которых составляет 9 мкс (один такт). При этом на усилитель IC6 подается стробирующий импульс, задержанный по отношению к окончанию выбранного импульса запуска передатчика на 30-100 мкс, а на усилитель IC7 – задержанный по отношению к окончанию первого стробирующего импульса на 200 мкс. Необходимость такой задержки объясняется тем, что форма принятого сигнала зависит от влияния многих посторонних факторов, поэтому полезный сигнал можно наблюдать лишь в промежутке примерно 400 мкс после окончания импульса.
По окончании подачи напряжения питания на выходах каждого усилителя (микросхемы IC6 и IC7) в течение нескольких секунд сохраняется уровень принятого сигнала, зафиксированный во время воздействия стробирующих импульсов.
Таким образом на один из входов соответствующего усилителя (выводы IC6/3 и IC7/3) подается принятый импульсный сигнал, а на второй вход этого же усилителя (выводы IC6/8 и IC7/8) через конденсаторы С34 и С35 поступает соответствующий стробирующий импульс от модуля формирования импульсов и синхронизации (выводы IC1/3 и IC1/9).
Сигналы, сформированные на выходах микросхем IC6 и IC7 (выводы IC6/5 и IC7/5), далее подаются на соответствующие входы дифференциального усилителя, выполненного на микросхеме IC8. При этом сигнал с выхода усилителя IC6 проходит через переменный резистор R45, с помощью которого регулируется чувствительность прибора.
Падение напряжения на выходе усилителя IC8 приводит к открытию транзистора Т9 и подключению к общему проводу головных телефонов BF1. При поступлении с соответствующего выхода микроконтроллера (вывод IC1/11) на транзистор Т10 управляющего сигнала в телефонах будет прослушиваться сигнал звуковой частоты. Резистор R44 ограничивает ток, протекающий через головные телефоны BF1. Его подбором можно регулировать громкость акустического сигнала.
Питание данного металлодетектора осуществляется от источника В1 напряжением 12 В.
Детали и конструкция
Все детали рассматриваемого прибора (за исключением поисковой катушки L1, резистора R45, переключателя Р1, а также выключателя S1) расположены на печатной плате размерами 105х65 мм (рис.
3.16), изготовленной из двустороннего фольгированного гетинакса или текстолита.
Рис. 3.16. Печатная плата простого импульсного металлоискателя
К деталям, применяемым в данном устройстве, не предъявляются какие-либо особые требования. Рекомендуется использовать любые малогабаритные конденсаторы и резисторы, которые без проблем можно разместить на печатной плате (рис. 3.17).
Рис. 3.17. Расположение элементов простого импульсного металлоискателя
Микросхему типа LF357 (IC4) можно заменить на LM318 или NE5534, однако в результате такой замены могут возникнуть проблемы с налаживанием. В качестве усилителя IC5 помимо указанной на схеме микросхемы типа LF356 можно использовать микросхему CA3140. Микросхемы типа LF398 (IC6, IC7) без проблем заменяются на MAC198. Вместо усилителя CA3140 (IC8) можно применить микросхему TL071.
В качестве транзисторов Т1-Т3, помимо указанных на принципиальной схеме, можно использовать транзисторы типа BU2508, BU2515 или ST2408.
Рабочая частота кварцевого резонатора должна составлять 3,5 МГц.
Однако можно использовать любой другой кварцевый элемент с частотой резонанса от 2 до 6 МГц.
Для монтажа микропроцессора IC1 следует использовать специальную панельку. При этом микроконтроллер устанавливается на плату только после окончания всех монтажных работ. Данное условие необходимо соблюдать и при проведении регулировочных работ, связанных с выполнением пайки при подборе величин отдельных элементов.
Особое внимание следует уделить изготовлению катушки L1, индуктивность которой должна составлять 500 мкГ. Катушка L1 выполнена в виде кольца диаметром 250 мм и содержит 30 витков провода диаметром не более 0,5 мм. При использовании провода большего диаметра ток в катушке возрастет, однако еще быстрее будут расти значения паразитных вихревых токов, что приведет к ухудшению чувствительности прибора.
Для изготовления катушки не рекомендуется использовать лакированный провод, поскольку разность потенциалов между соседними витками при излучении импульса достигает 20 В.
Если в процессе намотки витков катушки рядом окажутся проводники, например первого и пятого витков, пробой изоляции практически обеспечен. Это может привести к выходу из строя транзисторов передатчика и других элементов. Поэтому провод, используемый при изготовлении катушки L1, должен быть хотя бы в полихлорвиниловой изоляции. Готовую катушку также рекомендуется хорошо изолировать. Для этого можно воспользоваться эпоксидной смолой или различными пенными наполнителями.
Катушку L1 следует подключать к плате с помощью двужильного хорошо изолированного провода, диаметр каждой жилы которого должен быть не меньше диаметра провода, из которого изготовлена сама катушка. Не рекомендуется использовать коаксиальный кабель из-за его значительной собственной емкости.
Источником звуковых сигналов могут служить либо головные телефоны с сопротивлением от 8 до 32 Ом, либо малогабаритный громкоговоритель с аналогичным сопротивлением катушки.
В качестве источника питания В1 рекомендуется использовать аккумуляторную батарею емкостью около 2 А/ч, поскольку величина тока, потребляемого данным металлоискателем, – не менее 200 мА.
Печатная плата с расположенными на ней элементами и источник питания размещаются в любом подходящем корпусе. На крышке корпуса устанавливаются переменный резистор R45, переключатель P1, разъемы для подключения головных телефонов BF1 и катушки L1, а также выключатель S1.
Налаживание
Данный прибор следует настраивать в условиях, когда любые металлические предметы удалены от поисковой катушки L1 на расстояние не менее 1,5 м.
Особенность настройки и регулировки рассматриваемого металлоискателя заключается в том, что его отдельные блоки и каскады подключаются постепенно. При этом каждая операция подключения (пайка) выполняется при отключенном источнике питания.
В первую очередь требуется проверить наличие и величину питающего напряжения на соответствующих контактах панельки микросхемы IC1 в отсутствие микроконтроллера. Если напряжение питания в норме, то далее следует установить на плату микропроцессор и с помощью частотомера или осциллографа проверить сигнал на выводах IC1/4 и IC1/5.
Частота пилот-сигнала на указанных выводах должна соответствовать рабочей частоте используемого кварцевого резонатора.
После подключения транзисторов преобразователя напряжения (без нагрузки) потребляемый ток должен возрасти на 50 мА. Напряжение на конденсаторе С10 в отсутствие нагрузки должно составлять около 20 В.
Затем следует подключить каскады передатчика. Режимы работы транзисторов Т1-Т4 должны быть одинаковыми и устанавливаются подбором величин резисторов R13-R16.
Сопротивление катушки L1, зашунтированной резисторами R1-R3, должно составлять примерно 500 Ом. При этом выводы катушки и резисторов должны быть хорошо пропаяны, поскольку нарушение контакта в этой цепи влечет за собой выход из строя выходных транзисторов передатчика.
Для проверки работоспособности каскадов передатчика можно придержать катушку L1 возле уха и включить питание металлоискателя. Примерно через полсекунды (после обнуления микроконтроллера) можно будет услышать сигнал низкого тона, возникновение которого обусловлено микровибрацией отдельных витков катушки.
При этом на коллекторах транзисторов Т1-Т3 будет сформирован немодулированный остроконечный импульс длительностью около 10–20 мкс, форму которого можно проконтролировать с помощью осциллографа. Увеличение сопротивления резисторов R1-R3 приводит к возрастанию амплитуды выходного импульса с уменьшением его длительности. Для подбора величины сопротивления шунта катушки L1 не рекомендуется использовать переменный резистор, поскольку даже кратковременное нарушение контакта движка с токопроводящей дорожкой может привести к выходу из строя выходных транзисторов передатчика. Поэтому желательно постепенно изменять величину шунта с шагом 50 Ом. Перед заменой деталей напряжение питания прибора нужно обязательно выключать.
Далее можно приступать к налаживанию приемной части. Если все детали исправны, а монтаж выполнен безошибочно, то после включения металлодетектора (примерно через 20 мкс после окончания стартового импульса) на выходе микросхемы IC4 (вывод IC4/6) с помощью осциллографа можно будет наблюдать экспоненциально возрастающий сигнал, переходящий в сигнал постоянного уровня.
Искажения фронта этого сигнала устраняются подбором резисторов R1-R3, шунтирущих катушку L1. После этого следует проконтролировать форму и амплитуду сигнала на выходе микросхемы IC5 (вывод IC5/6). Максимальная амплитуда этого сигнала устанавливается подбором величины резистора R36.
На выходе микросхемы IC6 (вывод IC6/5) должен формироваться постоянный сигнал, зависящий от импульса, выбранного с помощью переключателя P1, а также от наличия в зоне действия катушки L1 металлических предметов. В идеальном варианте этот сигнал должен быть близким к нулю при всех положениях переключателя P1.
В заключение остается правильно установить положение образцового измерительного импульса по отношению к стартовому импульсу. Для этого достаточно подбором кварцевого резонатора Q1 выбрать подходящую рабочую частоту.
Порядок работы
Перед практическим использованием данного металлоискателя следует переключателем P1 установить минимальную задержку импульса, а резистором R45 – максимальную чувствительность.
Если в процессе работы в зоне действия поисковой катушки L1 окажется металлический предмет, то в головных телефонах появится акустический сигнал.
Необходимо отметить, что переход в режим работы с большей задержкой импульса обеспечит исключение влияния не только магнитных свойств грунта, но и избавит от реакции прибора на всевозможные посторонние предметы (ржавые гвозди, фольга от сигаретных пачек и т. п.) и последующих напрасных поисков.
Датчики/детекторы: Электронные схемы металлодетекторов
Металлодетектор 300 кГц PNP — Только схема __ Дизайн va3iul
Металлоискатель 3xBJT Самодельный — Только схема __ Дизайн va3iul
Металлоискатель 4001-ZL2PD — Только схема __ Разработан va3iul
Металлоискатель 455 кГц — Только схема __ Дизайн va3iul
Металлоискатель 5,5 МГц — Только схема __ Дизайн va3iul
Металлоискатель 625 кГц — Только схема __ Дизайн va3iul
Металлоискатель 650 кГц — Только схема __ Дизайн va3iul
Metal Detector a Импульсный индукционный детектор Pulse-1 — Сотни таких детекторов были построены с очень положительной обратной связью.
Это самый популярный проект на моем сайте. __ Дизайн Г. Л. Чемелека
на базе CS209 снят с производства — особенно подходит для поиска шпилек в стенах. Примечание: эта микросхема больше не выпускается, и ее трудно получить. __ Дизайн Г. Л. Чемелека
9Металлоискатель 0002 на базе микросхемы TDA0161. Простая конструкция на основе микросхемы TDA0161, которая дает лучшие результаты, чем снятый с производства CS209, и потребляет очень мало тока от 9-вольтовой батареи. __ Дизайн Г. Л. ЧемелекаМеталлоискатель Beat Balance — Только схема __ Дизайн va3iul
Катушки металлодетекторадля моих детекторов PI – из-за растущего количества запросов, которые я получил. Сейчас я спроектировал и построил 2 новых приспособления для намотки катушек для своих радиальных плоских катушек. __ Дизайн Г. Л. Чемелека
Комплект металлодетектора Heathkit GD-1190 — Только схема __ Дизайн va3iul
Комплект металлодетектора Heathkit GR-1290 — Только схема __ Дизайн va3iul
Metal Detector Mk1 — забавный металлоискатель для поиска монет на пляже __ Свяжитесь с Collin Mitchell
Metal Detector Mk2 — Более сложный 5-транзисторный металлодетектор (BC547, BC557, BC338) __ Свяжитесь с Collin Mitchell
Metal Detector Мой детектор индукционного типа Pulse-2 — это пересмотренная версия вышеописанного детектора Pulse-1 с дополнительными элементами управления для возможно большей гибкости.
Этот детектор определенно не для новичка. __ Дизайн Г. Л. Чемелека
Metal Detector Pin Detector — Только схема __ Дизайн va3iul
Металлоискатель PLL 4046 Beachcomber — Только схема __ Дизайн va3iul
Простая схема металлодетектора 3xBJT BFO — Только схема __ Разработано va3iul
Простая схема металлодетектора BFO — только схема __ Разработано va3iul
Металлоискатель Surfmaster Pi — только схема __ Дизайн va3iul
Metal Detector Toro — Только схема __ Дизайн va3iul
В металлодетекторе используется одиночная микросхема – 18.12.97 EDN Идеи дизайна: Схема на рис. 1 защищает шину питания от короткого замыкания нагрузки в течение гарантированных 2 с; в противном случае короткое замыкание может привести к падению шины, что повлияет на другие нагрузки. Схема также контролирует пусковой ток для шунтирования конденсаторов во время «горячей» замены (горячей вставки) — еще одной ситуации, в которой в противном случае напряжение на шине могло бы падать.
Вы можете индивидуально установить два предела тока. Сброс при включении питания и логические элементы управления обеспечивают полный P-интерфейс. Дизайн Рэйчел и Стива Хагеманов, Hewlett-Packard, Санта-Роза, Калифорния
с использованием дифференциального резонатора. Эта схема может обнаруживать металлические проводники поблизости на расстоянии до 25–30 миллиметров. __ Электронные проекты для вас
Metal Detector-A Импульсный индукционный детектор. Pulse-1 — сотни таких детекторов были построены с очень положительной обратной связью __ Разработано GL Chemelec
Metal Detector-JF1OZL — Только схема __ Дизайн va3iul
Металлоискатель-детектор индукционного типа Pulse-2 – это пересмотренная версия описанного выше детектора Pulse-1 с дополнительными параметрами. Элементы управления для большей гибкости. Этот проект определенно не рекомендуется для начинающих __ Дизайн Г. Л. Чемелека
Мое приспособление для катушки металлодетектора – не проект, но именно так я делаю плоские катушки __ Дизайн Г.
Л. Чемелека
Мой СВЕРХЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ металлоискатель с пинпоинтированием — это очень чувствительный пинпоинтер и довольно стабильный. Я никогда не видел другого пин-пойнта, столь же чувствительного, как этот. __ Разработан GL Chemelec
Патент США на двухполярную схему блокировки высокого напряжения для импульсного индукционного металлоискателя Патент (Патент № 10,181,720 от 15 января 2019 г.)
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
В этой заявке испрашивается преимущество предварительной патентной заявки № 62/361,615, поданной 13 июля 2016 г. настоящим изобретателем.
ПРЕДПОСЫЛКИ ПРЕДПОСЫЛОК УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Ниже приводится известный уровень техники, который в настоящее время представляется актуальным:
№ Дата публикацииПатентообладатель 3315155 A1967 18 апреля ColaniПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Металлоискатели импульсного индукционного типа хорошо известны в технике. Поэтому полное обсуждение принципов работы металлодетектора с импульсной индукцией не требуется и не приводится.
Импульсные индукционные металлодетекторы переключают сильный ток в передающую катушку на период времени, обычно от 50 мкс до 250 мкс. Ток резко отключается, что приводит к коллапсу поля в передающей катушке. Коллапсирующее поле генерирует импульс обратного хода высокого напряжения. Импульс высокого напряжения может варьироваться или ограничиваться диапазоном обычно от 200 до 1000 В.
Сигналы принимаются схемой детектора либо той же катушкой, которая используется для передачи, либо от отдельной приемной катушки. Принимаемые сигналы измеряются в микровольтах. Импульс обратного хода высокого напряжения по необходимости должен быть изолирован от схемы приема, чтобы избежать катастрофических повреждений.
Ранние импульсные индукционные металлодетекторы использовали быстродействующие герконовые реле в качестве переключателей передачи/приема или T/R. Реле работали, чтобы изолировать сигнал обратного хода высокого напряжения, но из-за их ограниченной скорости переключения металлодетекторы, оборудованные таким образом, могли производить выборку принятого сигнала только после чрезмерно большой задержки.
В большинстве металлодетекторов с импульсной индукцией, выпущенных с середины 1960-х годов до сегодняшнего дня, используется резистор и встречно-параллельные диоды для защиты чувствительной приемной схемы от высокого обратного напряжения ЭДС, известного как обратное напряжение. Диоды ограничивают напряжение до +/- одного падения на диоде. Колани в патенте США. В US 3315155 описан простой способ защиты от высокого напряжения, в котором используются резистор и диод.
Серьезным ограничением этого подхода является то, что резистор является источником шума Джонсона.
Шум Джонсона ухудшает отношение сигнал/шум принимаемых сигналов уровня микровольт. Резистор также рассеивает много энергии в виде тепла, а также создает нагрузку на передающую катушку.
За последние двадцать лет по крайней мере один производитель металлодетекторов с импульсной индукцией использовал два полевых транзистора для защиты приемной схемы. Метод хоть и является усовершенствованием, но далек от идеала.
Защита от высокого напряжения дополнительно усложняется в металлодетекторах, передающих импульсы переменной полярности, поскольку такая схема защиты должна быть способна работать в биполярном режиме.
ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью изобретения является создание недорогой схемы блокировки высокого напряжения для защиты чувствительной приемной схемы металлодетектора импульсного индукционного типа.
Еще одной целью изобретения является создание схемы блокировки высокого напряжения, которая сохраняет низкое отношение сигнал/шум.
Еще одной целью изобретения является создание схемы блокировки высокого напряжения, которая обеспечивает максимально раннее время дискретизации принятого сигнала в присутствии обратноходовых сигналов очень высокого напряжения.
Еще одной целью изобретения является создание схемы блокировки высокого напряжения, которая является полностью автоматической и не требует управляющего сигнала или сигналов для управления ее функциями.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ РИС. 1 приведен пример типичной формы сигнала от поисковой катушки металлоискателя с импульсной индукцией. Положительная клемма аккумуляторной батареи соединена с сигнальной землей. Длинный отрицательный переход – это когда катушка переключается с сигнальной земли на отрицательную клемму аккумуляторной батареи. Импульс обратного хода высокого напряжения отображается после окончания периода передачи. Именно этот импульс схема по настоящему изобретению автоматически блокирует от чувствительной приемной схемы.
Можно инвертировать полярность импульса или последовательно инвертировать серию импульсов.
РИС. 2 является первым примером схемы защиты предшествующего уровня техники, в которой используются резистор и диоды для ограничения импульсов обратного хода высокого напряжения до +/- одного падения напряжения на диоде.
РИС. 3 представляет собой второй пример известной схемы защиты, в которой используются полевые транзисторы.
РИС. 4 представляет собой пример схемы настоящего изобретения, в которой используется одна катушка как для передачи, так и для приема.
РИС. 5 показан пример схемы согласно настоящему изобретению, в которой используются отдельные передающая и приемная катушки.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 2
Наиболее распространенный известный способ защиты приемной схемы от импульса высокого напряжения показан на фиг.
2. FET 1 переключает передающую катушку 2 между 0 В и отрицательной шиной питания. Катушка 2 критически демпфирована демпфирующим резистором 3 . Форма сигнала в контрольной точке 4 показана на фиг. 1.
В течение периода передачи ток протекает через диод 7 через гасящий резистор 5 на отрицательную шину питания. В течение периода обратного импульса диод 6 проводит через понижающий резистор 5 до 0 В. Это ограничивает импульсное напряжение обратного хода до плюс и минус одного падения на диоде.
Это по-прежнему наиболее распространенный метод, используемый для защиты приемной схемы от импульса обратного хода высокого напряжения в металлодетекторе с импульсной индукцией. Он используется уже более полувека. Хотя метод работает, он имеет ряд серьезных недостатков. Шум Джонсона, связанный с резистором, ухудшает отношение сигнал/шум, что очень затрудняет обнаружение мелких металлических предметов, таких как мелкие монеты и золотые самородки.
Многие разработчики металлодетекторов с импульсной индукцией решили использовать очень долгую интеграцию принимаемого сигнала, чтобы обеспечить лучшую чувствительность к этим мелким предметам. Компромисс заключается в том, что требуется очень низкая скорость развертки поисковой катушки, чтобы не пропускать сигналы от таких мелких предметов.
Резистор 5 также рассеивает много энергии в виде тепла. Это особенно верно, когда импульсы обратного хода высокого напряжения превышают 300 В.
На фиг. 3
РИС. 3 иллюстрирует другой известный способ защиты от высокого напряжения, в котором используются полевые транзисторы.
FET 26 переключает передающую катушку 24 между 0 В и отрицательной шиной питания. Катушка 24 критически демпфирована демпфирующим резистором 23 . Форма волны, наблюдаемая в контрольной точке 27 , показана на фиг.
1. Время нарастания обратноходового импульса высокого напряжения замедлено катушкой индуктивности 28 . NFET 29 относится к высоковольтному типу и отключается отрицательным управляющим сигналом в течение периода импульса обратного хода. ПТФЭ 30 также выключается во время импульса обратного хода положительным управляющим сигналом. PFET используется для блокировки отрицательного сигнала, который проходит через внутренний защитный диод NFET 29 . Диоды 32 и 33 фиксируют принимаемый сигнал на сигнальную землю. Емкость полевых транзисторов приводит к задержке того, как быстро может быть произведена выборка принятого сигнала после окончания импульса передачи. Полевым транзисторам также требуются управляющие переключающие сигналы для работы между режимами передачи и приема. Различные размеры и типы поисковых катушек обеспечивают обратноходовой сигнал высокого напряжения с различной шириной.
Это требует, чтобы управляющие переключающие сигналы были либо переменными, либо должен быть сделан компромисс в их синхронизации, чтобы приспособиться к целому ряду различных поисковых катушек.
На фиг. 4
РИС. 4 показан первый вариант осуществления настоящего изобретения, предназначенный для использования в металлодетекторах с импульсной индукцией, в которых используется одна и та же катушка как для передачи, так и для приема. Полевой транзистор 17 соединен последовательно с передающей катушкой 13 через диод 16 . Диод 16 уменьшает емкость полевого транзистора перед передающей катушкой. Передающая катушка 13 сильно демпфирована демпфирующим резистором 14 . Диод 12 , резистор 10 и высоковольтный конденсатор 11 образуют демпферную цепь УЗО, которая предотвращает лавинное срабатывание полевого транзистора.
Форма волны, наблюдаемая в контрольной точке 15 , показана на фиг. 1.
Высоковольтный диод 18 смещается в проводимость резистором 19 . Диод 20 также смещен через резистор 19 и резистор 21 . В конце периода передачи высоковольтный импульс обратного хода смещает высоковольтный диод 9 в обратном направлении.0065 18 . Приемная схема немедленно отключается от передающей катушки из-за обратного смещения, вызванного импульсом обратного хода высокого напряжения. Диод 20 устраняет любые отрицательные переходы. Диод 20 также ограничивает протекание тока между 0 В и отрицательной шиной питания, когда полевой транзистор 17 включен. Выход схемы подается на предусилитель катушки, выход которого подключается к схеме демодуляции.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления усилитель с катушками не используется.
Выход схемы на фиг. 4 применяется непосредственно к схеме демодуляции. Это обеспечивает схему приема с очень широким динамическим диапазоном.
На фиг. 5
РИС. 5 показан второй вариант осуществления настоящего изобретения, в котором используется отдельная приемная катушка. Полевой транзистор 43 соединен последовательно с передающей катушкой 39 через диод 42 . Диод 42 уменьшает емкость полевого транзистора перед передающей катушкой. Передающая катушка 39 критически демпфирована демпфирующим резистором 38 . Приемная катушка 40 критически демпфирована демпфирующим резистором 41 . Диод 37 , резистор 35 и высоковольтный конденсатор 36 образуют демпферную цепь с УЗО, которая предохраняет полевой транзистор 43 от лавины.
Высоковольтный диод 45 смещается в проводимость резистором 46 .
Диод 47 также смещен через резистор 46 и резистор 48 . В конце периода передачи импульс обратного хода высокого напряжения смещает диод 45 в обратном направлении. Приемная схема немедленно отключается от передающей катушки из-за обратного смещения, вызванного импульсом обратного хода высокого напряжения. Диод 47 устраняет отрицательный переход, который в противном случае мог бы вызвать проблему. Диод 47 также ограничивает протекание тока между 0 В и отрицательной шиной питания, когда полевой транзистор 43 включен. Выход схемы подается на предусилитель катушки, выход которого подключается к схеме демодуляции. Форма волны, видимая в контрольной точке 44 , показана на фиг. 1.
Преимущество этого варианта осуществления состоит в том, что он способен автоматически защищать схему приема от передаваемых импульсов любой полярности.
Двухполярные импульсные индукционные металлоискатели используются в военных операциях по разминированию. Импульсы двойной полярности они передают в среднем в нулевое магнитное поле, чтобы предотвратить активацию магнитных спусковых механизмов в некоторых типах фугасов магнитным полем от передающей катушки металлоискателя.
Передающая и приемная катушки в одном из предпочтительных вариантов осуществления намотаны близко друг к другу без какого-либо разделения. Выход схемы одного предпочтительного варианта осуществления соединен непосредственно со схемой демодулятора. Катушка усилителя не используется.
Способ схемы по настоящему изобретению обеспечивает значительное улучшение способности схемы демодуляции производить выборку принятого сигнала раньше, чем это было возможно ранее, из-за загрузки передающей катушки. Схема проста и недорога, а также является полностью автоматической и не требует каких-либо управляющих сигналов.
Следует отметить, что сигнал, присутствующий в контрольных точках на фиг.