Принцип работы металлоискателя, обзор технологий, характеристики. Классификация

Ниже мы рассмотрим принипы работы металлоискателей. Но не зависимо от того, с помощью чего прибор обнаруживает метал в земле, все металлоискатели можно разделить на процессорные и аналоговые.

Аналоговые и процессорные металлоискатели

Необходимо сразу понять разницу между этими понятиями, т.к. в литературе происходит путаница и замещение одних слов другими. 
Иногда импульсные металлоискатели называют аналоговыми. Это верно , но отчасти.
В чем же разница?
Если металлоискатель имеет процессор, который обрабатывает сигнал, то такой металлоискатель называется процессорным.
Если процессора нет, и сигнал никак не обрабатывается, т.е. идет сразу напрямую оператору (в динамик или наушники), то такой металлоискатель называется аналоговым.

Пример аналогового металлоискателя- Golden Mask 4WD PRO.

Аналоговые металлоискатели не имеют задержек и сообщают оператору в тот момент, когда цель находится под катушкой. А процессорные имеют задержку. Катушка уже в стороне от цели, а сигнал только пришел.

С этой точки зрения аналоговые металлоискатели предпочтительней, но процессор дает больше возможностей по поиску: дополнительные программы поиска, графическое представление, специальная обработка сигнала для отсева нежелательных  помех, как от грунта, так и от целей, которые дискриминируются, кроме того выборочная дискриминация (на аналоговых дискриминация последовательная).

Далее мы будем описывать принципы работы металлоискателей, так вот они могут быть , как процессорными, так и аналоговыми. Вопрос реализации технологии.

Общий принцип действия металлоискателя

В основе всех технологий работы металлоискателя лежит следующий принцип:
катушка металлоискателя генерирует электромагнитные волны
в металлическом объекте под воздействием этих волн возникают собственные вихревые токи
эти вихревые токи порождают собственные электромагнитные волны
эти волны от предмета и регистрирует металлоискатель

Далее вопрос встает , как металлоискатель их будет регистрировать и обрабатывать. По разнице фаз, по разнице частот и т.п.

PI-металлоискатель (импульсный)

PI-металлоискатель не все время подает сигнал от катушки в грунт. Он использует импульсы. Сначала он подает сигнал, потом молчит и принимает на ту же катушку сигнал от цели.
Понятно, что приходит отраженный сигнал и от грунта. Но от него он затухает быстрее , чем от цели.
Обычная частота работы таких металлоискателей 0т 50 до 400Гц.

TR-металлоискатели

TR-металлоискатели используют при работе 2-е сбалансированные катушки, находящиеся в одной плоскости: одна передает, вторая принимает. Сигнал от первой катушки поступает в грунт, а вторая регистрирует возвращаемя сигнал. По разнице фаз сигнала делается вывод о наличии (или отсутствии) под катушкой цели.
Рабочая частота  около 20кГц

VLF/TR – металлоискатели

VLF – Very Low Frequency (Очень низкая частота). 
VLF принцип работы металлоискателя является на сегодняшний день самым современным. Это разновидность TR- металлоискателя.
Так же имеется две катушки (но к ним предъявляются более жесткие требования, по согласованности), они так же расположены в одной плоскости, одна передает, другая принимает. по фазовому сдвигу делается вывод о наличии цели.
Рабочая частота от 1 кГц до 10кГц.

RF-металлоискатели

RF – Radio Frequency (радио частота).
Это металлоискатели , работающие на том же принципе, что и TR, только частота работы  у них выше: от 50 до 500 кГц. А катушки расположены не в одной плоскости , как это было в VLF и TR, а перпендикулярны и разнесенные на определенное расстояние.
Пример такого металлоискателя – Fisher Gemini-3.
(Данный принцип работы известен давно,  с 30-х годов)

BFO-металлоискатели

Такие металлоискатели работают на принципе биений. Старя технология, использовавшаяся в 60-70-х годах.
Есть генератор частоты, есть входящая частота от цели. Производится сравнение 2-х частот. На основании этого делается вывод о наличии цели.
Частота данных приборов от 40 до 500кГц

Достоинства и недостатки различных принципов работы металлоискателей

• BFO-металлоискатели – не высокая чувствительность, низкая стабильность, проблемная работа на минерализованных и влажных грунтах.
• TR-металлоискатели – высокая чувствительность, хорошее различение металлов, хорошая балансировка по грунту. Недостаток – при увеличении глубины теряется чувствительность к мелким целям.
• RF- металлоискатели –  крайне слаба чувствительность к мелким целям. Применяется в глубинных металлоискателях.
• PI-металлоискатели – нечувствительны к грунту, плохое распознавание целей, высокая энергозатратность.

Таким образом из всех перечисленных методов  наиболее прогрессивным и современным является VLF.
Соответственно металлоискатели VLF могут быть , как процессорными, так и аналоговыми.

Еще о современных металлоискателях

Дата: Четверг, 12 Января 2017

Металлоискатель по принципу частотомера

Андрей Щедрин, Москва Юрий Колоколов, Донецк

Радиохобби 2002`01

Теперь металлоискатель можно купить в виде набора МАСТЕР КИТ NM8041, в который входят все необходимые компоненты для сборки описанного металлоискателя, включая запрограммированный микроконтроллер, печатную плату и другие радиодетали или в виде готового электронного блока BM8041 .

Введение

С давних пор людей привлекают приборы для поиска скрытых металлических предметов. Причины этого интереса различны. Строителей интересует расположение металлической арматуры в стенах, искатели кладов мечтают найти в развалинах старого здания кувшин с золотыми монетами, саперы разыскивают неразорвавшиеся «подарки» прошлых войн. Всех этих людей объединяет желание иметь недорогой, компактный и экономичный прибор, который поможет им обнаружить через слой земли или бетона металлические предметы и, по возможности, определить из какого металла они состоят. Если исключить экзотические методы, вроде лозоискательства и экстрасенсов, то абсолютное большинство таких приборов строится на базе электронных приборов, реагирующих на изменение металлическими предметами электромагнитного поля возбуждаемого поисковым прибором. Наиболее часто в качестве катушки возбуждения и одновременно датчика прибора используется рамочная катушка, состоящая из нескольких сотен витков медного провода и включенная в контур автогенератора. В таких приборах используется тот эффект, что при приближении металлического предмета к катушке изменяется ее индуктивность и, как следствие, частота работы автогенератора. При этом, в общем случае, ферромагнитные предметы (железо, чугун) понижают частоту, а неферромагнитные (медь, золото, алюминий) повышают частоту генерации. Регистрируя величину и знак отклонения частоты, можно сделать заключение о типе металлического предмета, попавшего в зону поиска рамки. Основные различия между большинством типов таких металлоискателей заключаются в способах регистрации изменения частоты. Далее приводится краткое описание наиболее часто используемых способов.

Частотный детектор

Один из самых простых – это прибор, работающий по принципу “срыва резонанса” (OR – Off Resonance). Принцип действия этого прибора основан на использовании частотного детектора на основе колебательного контура. См. рис. 1.

Рисунок 1. Структурная схема OR металлоискателя

Колебательный контур частотного детектора имеет резонансную частоту, близкую к частоте поискового генератора. Изменение частоты генератора приводит к изменению амплитуды сигнала на контуре, что фиксируется помощью индикатора, например стрелочного прибора. Такие приборы не нашли широкого применения. Их недостатки – необходимость обеспечения стабильной амплитуды сигнала на выходе генератора, а также необходимость подстройки резонансной частоты контура из-за влияния дестабилизирующих факторов как на контур поискового генератора, так и на контур частотного детектора.

Метод биений

Другой прибор, – это металлоискатель на биениях (BFO – Beat Frequency Oscillation). Принцип действия такого металлоискателя основан на биениях частоты эталонного генератора и частоты поискового генератора. См рис. 2.

Рисунок 2. Структурная схема BFO металлоискателя

Измерительный и эталонный генераторы настраиваются на одинаковую частоту. При изменении частоты измерительного генератора на выходе смесителя появляется сигнал разностной частоты. Оператор воспринимает этот сигнал на слух или визуально – в зависимости от конструкции. Такие приборы производятся уже несколько десятилетий. Сейчас по такому принципу строятся, в основном, недорогие металлоискатели-игрушки и любительские металлоискатели. Такие приборы имеют ряд недостатков. Первый – это наличие паразитной взаимной синхронизации обоих генераторов. Это приводит к тому, что оказывается невозможным оценить очень малую разность частот и как следствие – существенно снижается чувствительность прибора. Второй недостаток – это отсутствие селекции по типам металлов. Ферромагнитные объекты вызывают понижение частоты, а металлические неферромагнитные – повышение частоты измерительного генератора. Однако после смесителя в BFO металлоискателе информация о знаке ухода частоты теряется.

Частотный детектор на основе ФАПЧ

Следующий прибор (PLL – Phase Locked Loop) – это прибор, в котором недостаток металлоискателя на биениях используется во благо. В таком приборе оба генератора, измерительный и эталонный, работают строго на одной частоте. Причем частота измерительного генератора подстраивается под частоту эталонного генератора с помощью системы ФАПЧ. См. рис. 3.

Рисунок 3. Структурная схема PLL металлоискателя.

Сигнал напряжения подстройки используется для определения величины и знака изменения частоты. Такие металлоискатели обладают селекцией по типам металлов. Существует несколько радиолюбительских конструкций такого типа [2]. К недостаткам таких приборов можно отнести следующее – наличие “полезной” ФАПЧ не исключает наличия паразитной взаимной синхронизации обоих генераторов, как и в приборе на биениях. Это приводит к тому, что уменьшается крутизна регулировочной характеристики, и как результат уменьшается дальность обнаружения.

Цифровой частотометр

Идея использования цифрового частотомера для регистрации ухода частоты измерительного генератора не нова [3]. Такой металлоискатель (FM – Frequency Meter см. Рис.4.) свободен от большинства недостатков, присущих предыдущим схемам. Его принцип действия заключается в следующем:

Сначала электронный частотомер оценивает частоту измерительного генератора, когда датчик находится вдали от объектов поиска. Это значение заносится в запоминающий регистр. Затем, в процессе поиска, частотомер непрерывно измеряет текущую частоту измерительного генератора. Из полученных значений вычитается значение эталонной частоты, и результат подается на устройство индикации. Очевидно, что в такой конструкции эффект паразитной взаимной синхронизации генераторов будет выражен значительно слабее – ведь теперь частота измерительного генератора (единицы-десятки килогерц) на несколько порядков ниже частоты опорного генератора (десятки мегагерц). С помощью частотомера можно измерить не только величину ухода частоты измерительного генератора, но и ее знак, следовательно, такой металлоискатель обладает селективностью по типам металлов.

Рисунок 4. Структурная схема FM металлоискателя

Однако реализация этой идеи “в лоб”, как это сделано в [3], не позволяет получить реальную чувствительность, большую чем в приборе на биениях. Это связано с тем, что невозможно напрямую в реальном масштабе времени (20…40 мс на один отсчет) регистрировать очень малые уходы частоты (единицы и доли герц). Нам удалось решить эту проблему [4] следующим образом – из теории радиоизмерений известен метод “быстрого” измерения низких частот – т.н. метод обратного счета. В этом методе измеряется период сигнала, а частота вычисляется как его обратная величина. Оставалась только задача практической реализации.

Практическая конструкция металлоискателя

Очевидно, что если реализовывать такое устройство на элементах средней степени интеграции, то получится сравнительно сложный и громоздкий прибор, что для мобильного исполнения нежелательно. Выходом из этой ситуации стало применение микроконтроллера. На микроконтроллер оказалось возможно возложить не только задачу по измерению периода, но и практически все функции по обработке результатов – вычисление разности частот, звуковую и световую индикацию результатов измерений. Наш металлоискатель реализован на микроконтроллере AT90S2313-10PI производства фирмы Atmel.

Это 8-битный экономичный RISC микроконтроллер. Имеет на частоте 10 MHz производительность 10 MIPS. Содержит: 2 кБ флэш памяти, 128 байт EEPROM, 15 линий ввода/вывода, 32 рабочих регистра, два таймера/счетчика, сторожевой таймер, аналоговый компаратор, универсальный последовательный порт. Более подробно с семейством AVR микроконтроллеров можно ознакомиться на WWW-сайте производителя. [5].

Основные технические характеристики металлоискателя

Напряжение питания	5,5-20 В
Потребляемый ток	15 мА
Индикация	световая – 7 светодиодов и звуковая
Режимы поиска	статический и динамический
Дискриминация	ферромагнетики/неферромагнетики
Глубина обнаружения (на воздухе):
Монета диаметром 25 мм	11 см
“Пистолет”	17 см
“Каска”	37 см

 

Hex-код прошивки контроллера металлоискателя.

Принципиальная схема

Принципиальная схема металлоискателя по принципу частотомера изображена рис.5.

Рисунок 5. Принципиальная электрическая схема металлоискателя

Измерительный генератор построен на таймере D1 NE555. Она используется в несколько необычном включении – в качестве LC генератора. Колебательный контур генератора состоит из конденсаторов C1,C2 и катушки индуктивности датчика. Резонансная частота контура определяется как

где C – это последовательное соединение конденсаторов C1 и C2. Так как микроконтроллер автоматически подстраивается под частоту измерительного генератора, в схеме не предусмотрена подстройка частоты генератора. При использовании датчика диаметром 190 мм (100 витков) и емкостях конденсаторов С1=0.047 F и C2=0.01 F частота составит около 20 кГц. При необходимости ее можно изменить, заменив конденсаторы C1, C2. При этом желательно чтобы их емкости находились в соотношении примерно (4…6): 1.

На микроконтроллер D2 возложены все остальные функции по обработке сигнала измерительного генератора вплоть до индикации. В данной схеме применен микроконтроллер AT90S2313, описанный выше. Исполнение Industrial (температурный диапазон -40C…+85C). Это сделано из соображений, чтобы прибор мог эксплуатироваться в полевых условиях при отрицательных температурах. Непосредственно к микросхеме микроконтроллера подключены как органы управления, так и органы индикации. В металлоискателе реализованы два режима работы, которые задаются при помощи переключателя S1 – статический и динамический. В статическом режиме сигнал, который представляет собой цифровой код разности частот, логарифмируется и сразу подается на индикацию. Каждый уровень световой индикации сопровождается своим тоном звуковой индикации.

Динамический режим предназначен для поиска мишеней в сложных условиях, на фоне помех от грунта, минералов и т.д. В динамическом режиме сигнал подвергается цифровой фильтрации, которая выделяет полезный сигнал на фоне мешающих сигналов. В своем приборе мы применили оптимальную согласованную фильтрацию. Вкратце ее суть заключается в том, что для любого сигнала существует оптимальный фильтр, позволяющий получить максимальный отклик на выходе фильтра. Мы реализовали такой цифровой фильтр для сигнала расстройки частоты, который возникает при движении поисковой катушки над мелкими мишенями со скоростью 0.5-1 м/c. Фильтр реализован программно.

При помощи переменного резистора R6 регулируется чувствительность прибора. Светодиоды VD1…VD3 индицируют уровень отклонения частоты измерительного генератора в случае преобладания ферромагнитного эффекта. Светодиоды VD5…VD7 – в случае преобладания эффекта проводимости. Светодиод VD4 указывает на нулевой сдвиг частоты. Наушник Y предназначен для звуковой индикации отклонения частоты сигнала измерительного генератора.

Схема содержит рекордно низкое количество деталей. При этом к ним не выдвигается особых требований. Микросхему AT90S2313-10PI можно заменить на AT90S2313-10PC, однако, в этом случае не гарантируется работа при температуре меньше 0C. (что вполне может быть в полевых условиях).

Микросхему D1 можно попробовать заменить на КР1006ВИ1. Светодиоды желательно выбирать с повышенной яркостью свечения. Стабилизатор D3 можно заменить на К1184ЕН1 или, что несколько хуже – 78L05. В последнем случае минимально допустимое напряжение батареи составит 6,7 В. К резисторам особых требований не предъявляется. Они могут иметь рассеиваемую мощность 0,125-0,25 Вт.

Конденсаторы C1 и C2 – должны иметь минимальный ТКЕ, особенно C2. К остальным конденсаторам не предъявляется особых требований.

Наушник Y (или наушники) можно взять от плеера. Возможно потребуется подобрать номинал резистора R3 для получения приемлемой громкости. В крайнем случае, наушник можно заменить на пьезоизлучатель.

Конструкция корпуса прибора может быть достаточно произвольной.

Внешний вид металлоискателя, собранного из набора МАСТЕР КИТ NM8041, можно посмотреть на рис. 6. В комплект набора входят все необходимые компоненты для сборки описанного металлоискателя, включая запрограммированный микроконтроллер, печатную плату, наушники и разъемы для батарей. В ближайшее время в комплект набора будет входить корпус.

Рисунок 6. Внешний вид металлоискателя, собранного из набора МАСТЕР КИТ NM8041.

Особо следует остановиться на конструкции поисковой катушки – она может быть реализована различными способами [1]. Основные требования к ней – жесткость конструкции, герметичность и наличие электростатического экрана. Можно предложить следующую технологию изготовления катушки:

Берется доска подходящего размера и на ней рисуется окружность диаметром 190 мм. Затем равномерно по окружности в доску забиваются небольшие гвозди – 15…20 штук. На эти гвозди наматывается 100 витков эмалированного провода диаметром 0.3 – 0.56 мм. После намотки гвозди извлекаются или подгибаются и катушка снимается с оправки. Следующий этап – обмотка катушки изолентой. Обмотка ведется внахлест. См. рис.7

Рисунок 7. Обмотка катушки липкой лентой

Аналогичным образом поверх слоя из липкой ленты наносится слой из алюминиевой фольги, служащий экраном обмотки датчика. Для этого фольга нарезается на полосы шириной около 10 мм. Для предотвращения образования короткозамкнутого витка, снижающего добротность контура, обмотка из фольги должна занимать не всю поверхность кольца обмотки датчика – от фольги оставляется свободным небольшой участок длиной 10-20 мм. Отвод от экрана выполняется луженым одножильным проводом, который закрепляют узлом поверх экрана. В завершение, кольцо обмотки датчика обматывают еще одним слоем липкой ленты по все поверхности, выпустив наружу выводы обмотки и экрана. К этим выводам подпаивается экранированный кабель, который соединяет катушку с металлоискателем. Жесткость катушке можно придать различными способами. Один из них – подобрать подходящий корпус, например, взять крышку от набора пластиковой посуды, поместить в него катушку и залить эпоксидной смолой. Предварительно необходимо проделать в корпусе отверстие и продеть в него кабель. Также на корпусе катушки необходимо предусмотреть крепление для штанги.

Расположение элементов на печатной плате и рисунок печатной платы (М1:1) приведены на рис.8 и рис.9.

В настоящее время МАСТЕР КИТ выпускает радиолюбительский набор NM8041, в который входят все необходимые компоненты для сборки описанного металлоискателя, включая запрограммированный микроконтроллер, печатную плату и другие радиодетали, а также уже собранный электронный блок BM8041 . Набор и блок можно купить в магазинах радиодеталей, адреса которых опубликованы на сайте www.masterkit.ru

Рисунок 8. Расположение элементов на печатной плате.

Рисунок 9. Вид печатной платы

Настройка прибора

Можно предложить следующий порядок настройки прибора.

1. Проверить правильность монтажа схемы и подать питание.
2. Измерить потребляемый ток. Он должен быть не более 15 мА.
3. Убедиться, что на выводе 3 микросхемы D1 присутствует меандр расчетной частоты (около 20 кГц для указанных выше номиналов конденсаторов C1 и C2 и стандартного датчика)
4. Удалить рамку прибора подальше от металлических предметов и нажать кнопку S0 «Сброс».
5. Убедиться в работоспособности органов индикации, поднося к датчику различные металлические предметы.

Работа с прибором

Если переключатель S1 замкнут, то прибор переходит в статический режим. В этом режиме при приближении катушки к ферромагнитной мишени начинают последовательно загораться светодиоды VD3, VD2, VD1. Если катушку приближать к неферромагнитному металлическому объекту, то будут последовательно загораться светодиоды VD5, VD6, VD7. К сожалению таким же образом прибор реагирует на железные предметы с большой площадью поверхности (например, консервная банка). Это связано с тем, что при воздействии на поисковую катушку в металлических ферромагнитных объектах возникает сразу два эффекта [1] – эффект проводимости и ферромагнитный эффект. При некотором соотношении площади поверхности объекта к объему начинает преобладать эффект проводимости.

При размыкании переключателя S1 прибор переходит в динамический режим. В этом режиме катушка должна перемещаться над грунтом со скоростью примерно 0.5-1 м/с. Местонахождение объекта в динамическом режиме находится методом “артиллерийской вилки” при проведении катушки над объектом дважды – слева направо и справа налево. В этом режиме важно почувствовать наименьшую скорость, с которой можно перемещать катушку. Это легко осваивается при недолгой тренировке. Индикация в динамическом режиме выглядит немного иначе. При передвижении катушки над ферромагнитным объектом сначала загораются светодиоды из “шкалы” VD5, VD6, VD7, а затем из “шкалы” VD3, VD2, VD1. При передвижении катушки над неферромагнитным объектом индикация работает наоборот.

Как уже было указано выше, каждому светодиоду соответствует свой тон звуковой индикации. После непродолжительной работы с металлоискателем запоминаются “напевы”, характерные для разных типов мишеней. Это позволяет при поисках пользоваться преимущественно звуковой индикацией, что довольно удобно.

Перед началом работы в обоих режимах необходимо выставить оптимальную чувствительность прибора с помощью переменного резистора R6. Он выставляется в такое положение, когда прибор начинает индицировать ложные отклики. Затем медленно вращая ротор этого резистора, необходимо добиться исчезновения этих ложных срабатываний.

При прочих равных условиях динамический режим за счет фильтрации позволяет достичь лучшей чувствительности по сравнению со статическим режимом. Однако статический режим также бывает иногда необходим. Например, необходимо проверить дно узкой ямы. В этом случае нет возможности осуществлять горизонтальные качания поисковой катушки, которые необходимы для динамического режима. Здесь выручит статический режим.

Во время полевых испытаний металлоискатель показал неплохие результаты [6].

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ

1. Щедрин А.И., Осипов И.Н., Металлоискатели для поиска кладов и реликвий. – “Горячая линия – Телеком”.- М.: “Радио и связь”, 2000.
2. Все, что вы хотите знать о металлодетекторах” http://metaldetector.bratsk-city.ru
3.  V. Velchev, Using PIC12CXXX as a Sensor Interface for Metal Detection, Microchip Technology Inc. DS40160A/3_007, 1997.
4. A.Chtchedrine, Y.Kolokolov , Frequency Meter Metal Detector, Circuit Cellar Magazine N130, May 2001.
5.  Atmel corp. – http://www.atmel.com
6. “Домашняя страница Юрия Колоколова” http://home.skif.net/~yukol

Источник – http://www.masterkit.ru/info/magshow.php?num=19

Локационный металлоискатель

Зарубежные фирмы производят большое количество маталлоискателей с различными характеристиками и стоимостью, причем в рекламе, как правило, заявляются параметры, значительно превышающие реальные. Речь идет о предпродажной рекламе при покупке приборов.

По рассказам владельцев МИ, купленных за рубежом, обычно продавец демонстрирует дальность обнаружения в воздухе, поднося к датчику золотое кольцо, при этом приборы регистрируют его на расстоянии 15-20 см, на глаз, в зависимости от модели, а по остальным параметрам делается ссылка на красочный рекламный проспект или щит, установленный в салоне магазина.

Кольцо из золота или меди является очень удобным объектом для демонстрации, так как представляет собой короткозамкнутый виток из материалла с высокой электропроводностью, и сигнал от него может быть больше, чем от монеты такого же диаметра.

В то же время в документации, прилагаемой к прибору, вообще, отсутствуют основные характеристики по глубине обнаружения различных объектов, зато содержится большое количество второстепенной информации, например: наличие автоматического контроля напряжения питания, автоматическая и ручная настройки, VLF – 10 кГц (рабочая частота), наличие четверть-дюймового разъема типа “джек” для подключения головных телефонов, режим “все металлы”, режим “дискриминации”, датчик диаметром 6 дюймов, масса 3,75 фунта, питание от 8 батарей размера АА, срок службы батарей при использовании телефонов – 15 ч, без телефонов – 25 ч и т.д.

При поиске информации в сети Интернет по изделиям известных фирм “Garrett”, “Discovery”, “Fisher”, “White’s” выявилась та же тенденция – в основном приведена второстепенная информация, и лишь после получения более чем 20 описаний были обнаружены параметры дальности на некоторые небольшие объекты МИ White’s ULA-3.

Например, дальность обнаружения: свинцовая пуля 22 калибра – мин. 0,5″…макс. 6″ свинцовая пуля 32 калибра – мин. 1,5″…макс. 7,5″ Конечно, 6″ и 7,5″ – весьма неплохие параметры для объектов столь малого размера, но почему такой разброс минимум – максимум?

Владельцы зарубежных приборов довольно неохотно предоставляют их на испытания ввиду их высокой стоимости, но все же основные параметры двух МИ удалось измерить. Прибор Discovery (номер модели на корпусе отсутствует) стоимостью 9 медную монету Ж25 мм обнаруживал на расстоянии 15-16 см, стальную пластину 400х400х4 – на 55-60 см.

МИ White’s-XLT стоимостью 9 обнаруживал монету на 26-27 см, а стальную пластину на 65-70 см (измерения параметров обоих приборов проводились в воздухе). При этом в рекламе на последний МИ сообщалось, что прибор обнаруживает металлическое ведро (площадь проекции и масса которого явно меньше, чем у пластины 400х400х4 мм) на расстоянии 1 м 80 см, а большие объекты – до 3 м.

В результате обсуждения реальных характеристик МИ с немногочисленными их обладателями установлено, что приборы стоимостью от 300 до 500$ обнаруживают монеты на глубине до 15 см, а крупные объекты размером 1х1 м и более – до 1 м; приборы стоимостью от 600 до 900$ обнаруживают монеты на глубине до 25 см, а большие объекты – до 1,2-1,5 м, причем увеличение размеров объекта свыше 1х1 м на глубине обнаружения практически не сказывается (что 1х1 м, что 3х5 м – все равно). Информацию о реальных характеристиках более дорогих приборов получить не удалось.

Как правило, владельцы фирменных МИ не удовлетворены соотношением цена/параметры, по аналогии с изречением в известном кинофильме можно сказать: “… каждый любитель поиска, у которого нет металлоискателя, мечтает его купить, а каждый, кто имеет, мечтает его продать”.

Описываемый локационный МИ не имеет столь большого разнообразия режимов работы по сравнению с зарубежными (например, существуют режимы селекции и дискриминации различных металлов), но доступен для повторения и позволяет получить основные характеристики несколько выше параметров локационных приборов начального уровня.

Описания конструкций локационных приборов в отечественной технической литературе встречаются крайне редко. Практически их полный перечень за последние 30 лет приведен в [1-5]. Кроме того, повторяемость этих приборов весьма различна.

Так, конструкция украинских авторов В.Ф. Бахмутско-го и Г.И. Зуенко [1, 2] имеет большую глубину обнаружения объектов среднего и большого размера, однако в обоих описаниях отсутствует полная информация для повторения.

Металлоискатель (МИ), описанный в [3, 4] (так называемая “схема Флинда”), обладает более “скромными” параметрами, но даже при тщательном изготовлении в соответствии с рекомендациями автора различные образцы приборов имеют большой разброс по дальности обнаружения.

В недавно вышедшей книге московского автора А. Щедрина [5] на два из трех описанных МИ заявлены довольно высокие характеристики, однако их могут повторить только высококвалифицированные радиолюбители, имеющие опыт проектирования малошумящих усилительных устройств, узлов синхронного детектирования и прецизионной измерительной техники.

К достоинствам книги можно отнести анализ реальных возможностей МИ по глубине обнаружения и селективности для различных металлов по сравнению с данными изготовителей.

Предлагаемый для повторения локационный МИ является переработанным и модернизированным вариантом “схемы Флинда”. Прибор выполнен по структурной схеме [6, рис.6] и реализует принцип “передатчик-приемник”.

Для выделения слабого сигнала вторичного поля от объекта поиска на фоне сильного сигнала первичного поля передатчика используется метод “индуктивного баланса” в датчике путем компланарного расположения D-образных передающей и приемной магнитных антенн (МА) [6, рис.1 ,в] с частичным перекрытием, а также метод статической и адаптивной компенсации постоянной составляющей сигнала на выходе детектора приемника.

Анализ схемы прототипа [3, c.70; 4, c.179] позволил установить причину большого разброса по чувствительности различных образцов МИ по “схеме Флинда”. При использовании однополярного источника питания (+12 В) для формирования искусственной “средней точки” в первом узле приемника – усилителе D1 и во втором – амплитудном детекторе D2 были использованы делители напряжения на двух резисторах равного сопротивления.

При определенном “набеге отклонений” величин даже пятипроцентных резисторов от номинального значения возникало ограничение выпрямленного сигнала по минимуму, что приводило к появлению нерегулируемого высокого порога срабатывания МИ. В результате некоторые приборы имели чувствительность даже меньшую, чем простые МИ параметрического типа, а лучшие образцы регистрировали медный диск Ж25 мм на расстоянии до 15 см и крупные предметы размерами 100х100 см2 – до 1 м в воздухе.

В модернизированном варианте МИ было решено применить двухполярное питание приемной и регистрирующей частей схемы, однополупериодный детектор – выпрямитель заменен на двухполупериодный, генератор передатчика выполнен по схеме, обладающей лучшей температурной стабильностью, к узлу статической регистрации объектов добавлен узел адаптивной регистрации с выходом на стрелочный измеритель с нулевой отметкой в центре шкалы, помимо звуковой применена световая индикация срабатывания обоих регистрирующих узлов.

В результате получены следующие характеристики по максимальной дальности (глубине) обнаружения различных объектов:

• Медный диск 025х1 мм 20 (15-18) см ;
• Стальная пластина 100х100х2 мм 40 (30-35) см ;
• Стальная пластина 400х400х4 мм 80 (70-75) см ;
• Крышка люка 0600х30 мм 100 (90-95) см.

Глубина обнаружения в грунте (значения указаны в скобках) на 2-10 см меньше, чем в воздухе и зависит от расстояния между плоскостью датчика и поверхностью грунта, которое необходимо выдерживать при поиске для исключения ложных срабатываний прибора. При работе на грунтах с низкой влажностью и низким содержанием солей, ржавчины и других токопроводящих примесей это расстояние может быть минимальным (2-3 см), в противном случае это расстояние необходимо увеличить до 8-10 см.

Передатчик-приемник

Генератор передатчика выполнен по классической схеме “емкостной трехточки” на одном из транзисторов сборки VT1, второй в диодном включении используется для температурной компенсации режима работы первого. Частота генерации 3 кГц ± 20%. Несмотря на применение маломощной транзисторной сборки, напряженность магнитного поля в центре передающей магнитной антенны (МА) с количеством витков, равным 90, и эффективным диаметром 140 мм достигает 40-50 А/м.

Рис. 1. Схема передатчика и приемника локационного металлоискателя.

Передающая МА L1 и приемная L2 катушки, расположенные в датчике, подключены к электрической части с помощью двухпроводных экранированных кабелей (на схеме не показаны), причем выводы экранов обоих кабелей должны быть соединены между собой как в датчике, так и в схеме и подключены к общему проводу. При необходимости можно применить разъемное соединение в электронном блоке. Катушка L1 имеет 90 витков провода ПЭЛ 0,45, а L2 – 180 витков ПЭЛ 0,29.

Входной сигнал приемника, выделяющийся на резонансном контуре L2C10, поступает на усилитель DA1 с КУ>> 100 и затем – на двухполупериодный амплитудный детектор VD1, DA2, VD2. Выпрямленное напряжение проходит через активный фильтр НЧ 2-го порядка на R11, C19, R12, C20, на VT2, с выхода которого снимается постоянная составляющая, величина которой пропорциональна векторной сумме остаточного сигнала первичного поля и сигнала от объекта поиска.

Линейность выпрямления сигнала обеспечивается постоянным микротоком, протекающим через R10, VD1, VD2, возникающее при этом постоянное смещение на обоих диодах и его температурный дрейф компенсируются соответствующим включением VT2 структуры p-n-p.

Регистратор

Напряжение с выхода активного фильтра приемника поступает на вход блока регистрации. Узел статической регистрации выполнен на ОУ йА3, включенном в режиме компаратора. На его неинвертирующий вход сигнал поступает через ФНЧ R18C23, а на инвертирующий – напряжение статической компенсации, определяемое положением регуляторов R14 (“Порог-точно”) и R16 (“Порог-грубо”).

Рис. 2. Схема регистратора для самодельного локационного металлоискателя.

Компенсирующее напряжение устанавливают с некоторым запасом, большим, чем постоянное смещение на выходе активного фильтра. Таким образом, осуществляется компенсация остаточного сигнала первичного поля, а также помех и дрейфов на выходе приемника. В этом случае напряжение на выходе DA3 отрицательное и индикатор VD3 не работает.

При попадании в зону действия прибора металлического объекта напряжение на входе регистратора возрастает, и когда оно превысит компенсирующее напряжение, произойдет срабатывание DA3 и индикатора VD3. Статическая регистрация происходит по принципу “Есть/Нет” или “1/0” независимо от времени нахождения объекта поиска в зоне действия МИ.

На ОУ DA4 и DA5 выполнен узел адаптивной регистрации. На DA4 реализован усилитель с автоматической коррекцией “нуля” на выходе. При появлении сигнала от объекта стрелка прибора Р1 сначала отклоняется вправо, затем через некоторое время возвращается к “нулю”, при удалении объекта стрелка отклоняется влево и затем – опять к “нулю”.

По сути, адаптивный усилитель представляет собой ФВЧ с очень низкой (доли герца) частотой среза, осуществляющий дифференцирование сигнала. К выходу DA4 подключен усилитель-компаратор на DA5 с регулируемым порогом срабатывания.

В отличие от компаратора DA3 регулятором R29 (“Порог адап.”) компенсируется только небольшая часть помех и дрейфов, а их основное подавление осуществляет адаптивный усилитель, кроме этого, коэффициент усиления DA5 намного меньше, чем DA3, поэтому сигнал регистрации на выходе DA5 нарастает более плавно, что позволяет при работе со звуковой индикацией различать на слух срабатывание разных регистрирующих узлов.

Узел звуковой индикации выполнен на DA6, VT3, VT4, где DA6 – генератор звуковой частоты: VT3 и VT4 – управляемый усилитель, имеющий выход на головные телефоны. Усилитель имеет два управляющих входа, которые через SA1 и SA2 можно подключать к выходам обоих регистрирующих узлов. Громкость можно регулировать потенциометром R42 (“Громкость”).

Стабилизатор (рис.3)

Питается МИ от любого источника постоянного тока напряжением 18 В через стабилизатор DA7 и формирователь “искусственного общего провода” DA8. Общий ток потребления не превышает 30-35 мА.

Рис. 3. Схема двуполярного стабилизатора напряжения для металлоискателя.

К стабилизатору DA7 предъявляют довольно высокие требования как по коэффициенту стабилизации, так и по выходному сопротивлению рвых<0,15 Ом). Из-за наличия в продаже большого количества интегральных схем с отклонениями от ТУ может потребоваться их отбор.

Конструкция и детали электронного блока

Локационный МИ обладает довольно высокой чувствительностью, так, коэффициент усиления сигнала от входа приемника DA1 до выхода регистратора DA5 может достигать 500000: Кух = КУDA1КУDA4КУDA5 = 100х50х100 = 500000.

При изменении напряжения на выходе DA5 на 5 В, что соответствует увеличению громкости звуковой индикации от минимума до 70 % максимальной, будет соответствовать увеличение сигнала на входе приемника всего на 10 мкВ.

Поэтому практически все элементы схемы должны иметь высокую стабильность параметров. В сигнальных цепях приемопередатчика можно применять только пленочные конденсаторы (например, К73-17 или аналогичные) – С4, С5, С6, С9, С10, С19, С20. Применение керамических емкостей необходимо в цепях блокировки питания, а также в узлах регистратора. Электролитические конденсаторы желательно применять типов К52-1, К53-1, К53-4, К53-14, К50-24, К50-29, регулировочные резисторы типов СП4-1, СП4-2 или СП3-9 а, в.

Электрическая схема выполнена на печатной или макетной плате из фольгированного стеклотекстолита с шириной проводников питания не менее 2 мм, а ширина общего провода не менее 5 мм. В случае разделения электрической части на несколько плат шины питания и общего провода соединяют между собой гибкими многожильными проводниками сечением не менее 0,5 мм2.

Блокирующие керамические и электролитические конденсаторы в цепях питания распределяются равномерно по всем каскадам и узлам схемы. В генераторе передатчика можно применять сборку К159НТ1Б, В, Д, Е как в пластмассовом, так и в металлическом корпусе, однако их цоколевка различается.

В качестве DA1, DA2, DA3, DA5, DA6, DA8 можно применять ОУ 140УД7,140УД18, 140УД22 в любом исполнении, в этом случае возрастет ток потребления схемы.

В качестве DA4 также можно применять 140УД17 или в крайнем случае 544УД1, 140УД18, 140УД22, при этом потребуется подключение цепей коррекции напряжения смещения нуля. В качестве Р1 можно применить любой измерительный прибор с диапазоном 0 ± 50…0 ± 100 мкА.

Узел звуковой индикации DA6, VT3, VT4 и регулятор громкости R42 следует располагать на расстоянии не менее 5 см от входной цепи приемника, а элементы генератора передатчика, наоборот, следует расположить поближе ко входной цепи, отделив их экраном в виде пластины 50х30 мм2 из тонкой меди или фольгированного стеклотекстолита, соединенной с общим проводом или минусом питания.

Экранировать всю электрическую схему необязательно, главное – обеспечить жесткость всей конструкции, исключающую колебания элементов схемы и соединительных проводников.

Элементы стрелочной и световой индикации, а также органы управления можно разместить в отдельном блоке, соединив его с основной частью кабелем из экранированных проводов.

Поисковая катушка (датчик)

Датчик МИ состоит из двух D-образных машинных антенн (МА) в виде экранированных катушек, размещенных на противоположных плоскостях диска 0 250-260 мм, толщиной 2 мм из текстолита или стеклотекстолита (рис.4,а,б).

Катушки наматывают на D-образном каркасе из медных штырей 0 2-3 мм, закрепленных на деревянной доске. Диаметр полукруглой части 180 мм, а прямолинейная часть каркаса отстоит от центра окружности на 12-13 мм.

Передающая катушка содержит 90 витков провода ПЭЛ-0,45, приемная – 180 витков ПЭЛ-0,29. При отсутствии проводов указанных марок можно использовать другие в лаковой изоляции: для передающей МА провод 0 0,4-0,5, для приемной провод 0 0,27-0,3 мм.

Рис. 4. Конструкция поисковой катушки самодельного локационного металлоискателя.

После намотки катушки в нескольких местах скрепляют клейкой лентой и снимают с каркаса. Выводы проводников пропускают через ПВХ трубки длиной 40-60 мм и катушки по периметру обклеивают такой же клейкой лентой.

Статическое экранирование обмоткой катушки осуществляется алюминиевой фольгой на бумажной или полимерной основе шириной 8-10 мм с зазором 5-8 мм между началом и концом обмотки 5 (рис.4) на участке расположения выводов проводов. Вывод от экрана – неизолированным медным или медным с токопроводящим покрытием проводом Ж 0,4-0,5 мм, обмотанным вокруг всего экрана с шагом 5-15 мм.

Балансировку катушек выполняют в несколько этапов, начиная с процесса изготовления датчика. Передающую катушку 2 (рис.4,а,б) временно закрепляют с одной стороны диска 1 клейкой лентой и подключают к выходу звукового генератора с напряжением ~10 B и частотой 3 кГц через резистор сопротивлением 510-680 Ом.

Приемную катушку 3 подключают ко входу осциллографа и располагают с противоположной стороны диска. Передвигая катушку 3 по поверхности диска, определяют зону ее примерного расположения по минимуму сигнала на ее выводах (рис.5,а), при необходимости меняют расположение передающей катушки и проводят грубую балансировку повторно.

Рис. 5. Диаграммы сигналов.

Отмечают расположение обеих катушек, затем приклеивают передающую катушку по ее контуру к поверхности диска минимальным количеством клея (например, 88Н или “Момент”) и ставят под пресс с усилием 2-3 кг. После высыхания клея окончательно приклеивают передающую катушку эпоксидным клеем с армированием сверху кусочками ткани размером 25х50 мм2, пропитанной этим же клеем (рис.4,в).

Со стороны передающей катушки приклеивают элементы крепления к штанге МИ, конструкция которого может быть произвольной, обеспечивающей максимальную жесткость датчика и выполненной из диэлектрических материалов. Опять уточняют местоположение приемной катушки, но приклеивают под прессом только ее полукруглую часть клеем 88Н или “Момент”.

В указанном на рис.4,а месте просверливают 6 отверстий для контактных штырей 4 из медной проволоки 0 8-1 мм, выходящих на обе стороны диска 1, и распаивают на них выводы обеих МА и соединительные кабели со стороны катушки 2. Экраны катушек должны быть соединены между собой и с экранами кабелей.

Участок расположения штырей 4 заливают эпоксидным клеем и рядом с ним приклеивают текстолитовую стойку 5х5х30 мм для закрепления кабелей в датчике. Далее кабели закрепляют на стойке и между собой через каждые 10…15 см клейкой ПВХ лентой.

Для удобства окончательной балансировки по обе стороны от середины прямолинейной части приемной катушки приклеивают держатели винтовых толкателей из гетинак-са размером 10х10х15 мм с резьбовыми отверстиями М4-М5 под текстолитовые винты. Держатели размещают так, чтобы винты могли обеспечить максимальное перемещение в центре на +3…5 мм в направлениях, указанных стрелками.

Для точной настройки индуктивного равновесия в датчике рекомендуется просверлить в винтах несколько отверстий 0 0,8 мм перпендикулярно оси винта для их поворота на малые углы с помощью металлической иглы или шпильки.

Только после нескольких этапов предварительной балансировки можно окончательно приклеивать приемную МА эпоксидным клеем с тканью, как и передающую, оставив свободным участок 8-10 см в зоне размещения винтовых толкателей. Окончательная балансировка датчика проводится совместно с электрической схемой.

Помещать датчик в подходящий корпус целесообразно только после проведения предварительных испытаний в помещении и проверки в полевых условиях.

Налаживание металлоискателя

Настройку прибора начинают с проверки параметров стабилизатора. Для этого его вход подключают к регулируемому источнику питания с диапазоном выходного напряжения не хуже 14,5-18,5 В и током нагрузки более 50 мА. Проверяют наличие выходных напряжений ±6 В относительно общего провода без нагрузки.

Затем подключают цифровой вольтметр между выводами +6 и -6 В. При подключении между ними нагрузочного резистора сопротивлением 390 Ом и мощностью 2 Вт выходное напряжение не должно изменяться более чем на 4-6 мВ. При изменении входного напряжения в пределах 14,5-18,5 В выходное не должно изменяться более чем на 15-20 мВ, в противном случае необходимо заменить DA7.

При отсутствии цифрового прибора с достаточной разрешающей способностью измерения можно проводить осциллографом, подключенным к выходам стабилизатора, в режиме с закрытым входом и чувствительностью 5 мВ/дел.

Изменения выходного напряжения определяют по амплитуде коммутационных импульсов при подключении и отключении нагрузочного резистора, а также при скачкообразном изменении входного напряжения с 14,5 до 18,5 В, при этом конденсатор С49 нужно временно отключить. Ток потребления по шине общего провода не превышает 2 мА и при исправной ИС DA8 обеспечивается с запасом.

Перед включением всей схемы вход регистратора следует отключить от выхода приемопередатчика и соединить с общим проводом, SA1 и SA2 установить в разомкнутое положение, регулятор R42 – в нижнее по схеме (см. рис.2) положение, соответствующее максимальной громкости, к выходу звуковой индикации подключить телефоны.

При включении питания измеряют ток потребления, который не должен превышать 30-35 мА. Вращая потенциометры R16 и R29, проверяют срабатывание DA3 и DA5 по зажиганию VD3 и VD6. DA3 должен срабатывать примерно в нижнем по схеме положении R16, DA5 – в среднем положении R29. Затем замыкают SA1 и SA2 и проверяют срабатывание звуковой индикации. Во время проверки регистратора стрелка прибора Р1 должна находиться вблизи нулевой отметки.

Для проверки параметров генератора передатчика к коллектору VT1,2 (см. рис.1) подключают осциллограф с закрытым входом. Потенциометром R1 устанавливают максимальную амплитуду генерации при минимальных искажениях формы синусоидального сигнала.

Длительность периода колебаний должна быть в пределах 270-400 мкс, при большем отклонении следует подобрать емкости конденсаторов С4-С6, чтобы соотношение С4/(С5+С6) сохранялось равным примерно 1:10. После настройки генератора рекомендуется заменить резистор R1 постоянным соответствующего сопротивления во избежание возникновения контактных шумов.

Для балансировки датчика и настройки приемника датчик необходимо расположить как можно дальше от металлических предметов. В идеальном случае ближайшим “металлом”, находящимся на расстоянии длины соединительных кабелей датчика (1,2-1,5 м), должен быть сам электронный блок и комплект измерительных приборов.

В реальных условиях датчик рекомендуется расположить в центре помещения, используя в качестве подставки набор деревянных или картонных ящиков, не содержащих скрепляющих металлических деталей.

Входную цепь приемника настраивают поочередно балансировкой датчика по минимуму сигнала на контуре L2C10 и в резонанс по максимуму. Для настройки контура используют магазин конденсаторов. В конце настройки напряжение остаточного сигнала (иост) следует контролировать на выходе DА1. Емкость конденсатора С10 желательно подобрать с точностью до 2000 пФ (1%) для получения максимально возможного отношения сигнал/электромагнитная помеха. Конкретное значение С10 можно получить, включая параллельно несколько конденсаторов.

Амплитуда напряжения иост на выходах DA1 и DA2 не должна превышать 1 В (регулируется подбором R7). В точке соединения катодов VD1 и VD2 наблюдают форму выпрямленного напряжения. Амплитуда соседних полуволн не должна отличаться более чем на 10%. Отфильтрованная постоянная составляющая выпрямленного напряжения на выходе активного ФНЧ VT2 должна примерно равняться 0,6 амплитуды сигнала на выходе DA1.

Затем подключают регистратор к выходу приемника. Регуляторами R14, R16, R29 устанавливают пороги срабатывания обоих регистрирующих узлов, соответствующие началу регистрации сигналов электромагнитных полей. Большой уровень помех-s частотой-иитающей сети и ее гармоник может привести к возникновению биений между сигналами передатчика и помехи, в этом случае предварительную проверку МИ следует проводить либо в другое время суток, либо в помещении с меньшим уровнем помех.

При правильной настройке датчика поднесение к нему различных предметов как из цветного, так из черного металлов должно вызывать увеличение напряжения на выходе приемника и срабатывание регистратора.

Если несколько нарушить индуктивное равновесие в датчике с помощью винтов, можно повысить чувствительность прибора к одним металлам по отношению к другим. Например, если сместить подвижной участок приемной МА в сторону уменьшения площади пересечения катушек, произойдет увеличение чувствительности к цветным металлам, причем при плавном приближении к датчику предметов из черного металла сигнал на выходе приемника сначала уменьшится, а затем будет возрастать, и чувствительность к черным металлам понизится.

При разбалансе в другую сторону эффект будет обратным (рис.5,б). Разделение на черные и цветные металлы не являются строго определенным, так, плоские стальные предметы, расположенные параллельно плоскости датчика, регистрируются как цветные, при перпендикулярном расположении -как черные, некоторые предметы из закаленной стали регистрируются также, как цветные.

Во входной цепи приемника на контуре L2C10 осуществляется векторное суммирование сигнала вторичного поля от объекта с остаточным сигналом первичного поля, таким образом, величина суммарного сигнала зависит не только от амплитуды, но и от фазовых соотношений.

Сигналы от цветных металлов имеют положительный сдвиг фаз относительно сигнала первичного поля, сигналы от черных металлов -отрицательный. При балансировке датчика изменяется не только амплитуда остаточного сигнала первичного поля, но и его фаза, поэтому, вводя искусственный разбаланс в ту или иную сторону, можно изменять амплитудно-фазовые соотношения суммарных сигналов и изменять чувствительность к различным группам металлов. К большому сожалению, реализовать такую селективность в реальных грунтах трудно.

Если датчик настроен на повышенную чувствительность к цветным металлам, то приближение его к поверхности грунта вызывает уменьшение суммарного сигнала, если чувствительность повышена к черным металлам – увеличение сигнала.

Таким образом, при неизбежных вертикальных перемещениях датчика при поиске, а также из-за неравномерности рельефа грунта на выходе приемника присутствует значительный сигнал помехи, который невозможно уменьшить даже адаптивной измерительно-регистрирующей системой. В этом случае необходимо либо повышать порог срабатывания, либо увеличивать расстояние между датчиком и грунтом. И то, и другое приводит к значительной потере чувствительности.

Максимальную чувствительность в грунте можно получить в режиме примерно равной чувствительности ко всем металлам, которому соответствует небольшой участок на балансировочной характеристике (рис.5,б, в окрестности точки минимума), где сигнал помехи от грунта минимален и можно проводить поиск при наименьшем расстоянии между датчиком и грунтом. Кроме того, сигнал помехи от динамического разбаланса от неизбежных микродеформаций при движении также минимален.

Предварительно настроить датчик МИ в режим “Все металлы” при одновременном игнорировании (дискриминации) влияния грунта можно с помощью относительно небольшого количества грунта, помещенного в пластмассовую емкость 0>200 мм и высотой 100 мм. Поскольку наибольшее влияние оказывает приповерхностный слой, достаточно, чтобы толщина слоя в емкости была 6-8 см.

Совершая над датчиком вертикальные перемещения емкости с грунтом в интервале высот 5-15 см, винтами балансировки добиваются минимальных колебаний стрелки измерителя Р1.

После окончательной балансировки можно зафиксировать эпоксидным клеем почти всю прямолинейную часть приемной МА, оставив совсем небольшой участок (3-4 см) в зоне винтов толкателей. Это обеспечит подстройку индуктивного равновесия датчика во время полевых испытаний и всего срока эксплуатации прибора.

Полевые испытания и работа с МИ

Перед проведением полевых испытаний блоки МИ закрепляют на штанге. Примерное расположение элементов прибора показано на рис.6.

Рис. 6. Примерное расположение элементов прибора. (1 – штанга; 2 – датчик; 3 – электронный блок; 4 – блок индикации; 5 – ручка; 6 – отсек питания; 7 – подлокотник).

Кабель датчика должен быть плотно намотан на штангу 1, его начальный участок, выходящий из датчика 2, не должен быть излишне натянут или сильно провисать, первый виток на штанге нужно закрепить изолентой.

Блок индикации 4 со стрелочным прибором и светоди-одами устанавливают под удобным углом обзора. Регулятор чувствительности R25 устанавливают в среднее положение. Для испытаний выбирают участок грунта размером 2х2 м с ровной поверхностью и отсутствием любых металлических предметов.

После включения питания прибору дают прогреться 2-3 мин, затем проводят оценку сигнала помех от разбаланса датчика. Для этого совершают плавные вертикальные колебания датчика в интервале высот от поверхности грунта 30-80 см и горизонтальные колебания на высоте 50-60 см со средней скоростью около 1 м/с и периодичностью 1,5-2 с. В обоих случаях амплитуда колебаний стрелки Р1 не должна превышать ±10 мкА. В противном случае нужно повышать жесткость датчика. Причиной больших колебаний стрелки прибора может быть и неправильно закрепленный начальный участок кабеля датчика.

Уровни помех от влияния грунта измеряют при плавных вертикальных колебаниях датчика в интервале высот 5-15 см, для их минимизации подстраивают балансировку. Если колебания стрелки Р1 не превышают ±10 мкА, балансировку считают законченной.

Далее совершают колебательные движения датчика в горизонтальной плоскости на высоте 5-6 см и устанавливают минимальные пороги срабатывания обоих регистрирующих узлов, исключающие ложные срабатывания от суммарного напряжения всех видов помех.

Для проверки глубины обнаружения медный диск 0 25х1 мм поочередно размещают на глубинах 15, 18, 20 см, а стальную пластину 100х100х2 мм – соответственно на 30, 35, 40 см. Плоскости контрольных объектов должны быть параллельны поверхности и не менять своего положения в процессе засыпания грунтом, иначе глубина обнаружения снижается.

Глубину обнаружения проверяют в интервале скоростей перемещения датчика: для статического регистратора 0-0,3 м/с, для адаптивного 0,1-0,8 м/с.

Глубину обнаружения более крупных объектов определяют в воздухе, обеспечивая движение датчика параллельно плоскости объекта в интервале скоростей 0,5-1 м/с для адаптивного регистратора и 0-0,4 м/с для статического.

Из полученных значений вычитают минимальную высоту датчика над грунтом, полученную при измерениях для малых объектов. Так как затуханием сигнала в грунте при частоте 3 кГц можно пренебречь, погрешность по этому методу невелика.

В большинстве случаев чувствительность адаптивной измерительно-регистрирующей системы получается выше, чем статической, однако для регистрации крупных объектов на большой глубине требуется повышенная скорость перемещения датчика, при которой значительно возрастают помехи от динамического разбаланса.

Чувствительность статической системы практически не зависит от скорости датчика, но требует относительно частой корректировки порога срабатывания.

Хорошие результаты дает применение обоих узлов регистрации, так, с помощью статического регистратора можно точно определить границы расположения крупных объектов большой протяженности, а с помощью адаптивного измерителя Р1 – глубину залегания локальных объектов малого и среднего размеров.

Для этого находят точку, где сигнал от объекта максимален (рис.7, точка А), а затем, совершая колебательные движения датчика по траекториям, указанным стрелками, находят две точки (В, С), лежащие на одной прямой с точкой А, где показания прибора вдвое меньше.

Рис. 7. Как находят точку, где сигнал от объекта максимален.

Глубина залегания объекта h примерно равна расстоянию между точками В и С, причем ее нужно отсчитывать не от поверхности грунта, а от плоскости датчика.

При большой интенсивности сигнала следует увеличить расстояние между датчиком и грунтом и затем вычесть его из полученного значения глубины.

При проведении поиска в местах с большим количеством мелкого металла и других предметов, которые не являются желательными объектами обнаружения, можно работать в режиме максимальной чувствительности при минимальном пороге срабатывания и высоте датчика над поверхностью земли 15-20 см. В этом случае чувствительность к мелким предметам снизится в несколько раз, а потеря чувствительности к крупным составит всего 15-20%.

Автор:  П.А. Борщ, г.Киев.

Литература:

1. Бухмутский В.Ф., Зуенко Г.И. Индукционные кабелеискате-ли.-М.: Связь,1970. -113с.
2. Бахмутский В., Зуенко Г. Металлотрубокабелеискатель. В помощь радиолюбителю. Вып.39, 1972.-С.3-12.
3. Флинд Э. Электронные устройства для дома/ Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1984.-80с.
4. Андрианов В.И., Соколов А.В. Шпионские штучки-2, или как сберечь свои секреты. -СПб.: Полигон, 1997.-272с.
5. Шедрин А. Металлоискатели для поиска кладов и реликвий -М.: Арбат-Информ, 1998.-160с.
6. Борщ П.А., Семенов В.Ю. Электронные металлоискатели// Радюаматор.-1998. -№2,3.-С.20,21