Импульсный металлодетектор

	ВНИМАНИЕ! При настройке и эксплуатации металлодетектора следует соблюдать меры электробезопасности, так как в приборе имеется высокое, потенциально опасное для жизни напряжение – на коллекторе ключевого транзистора и на поисковой катушке.
	ВНИМАНИЕ! Изучите законодательство Вашей страны, связанное с возможными последствиями поисковых действий с металлоискателем, и соблюдайте эти требования!

Вся информация на сайте представлена исключительно в образовательных целях.
Администратор сайта не несет ответственности за возможные последствия использования представленной информации.

Типы металлодетекторов

Существует три основных типа металлодетекторов:

• BFO - beat frequency oscillator - металлодетектор на биениях - используются два колебательных контура. В одном из них (search oscillator) индуктивным элементом служит поисковая катушка, а его сигнал смешивается с сигналом другого эталонного генератора (reference oscillator). Металл вблизи катушки влияет на частоту генерации этого контура, что проявляется в изменении частоты результирующих биений.
• IB - induction balance - индукционно-балансный металлодетектор.
  Разновидностями таких детекторов являются TR (transmit-receive) и VLF (very low frequency).
  В детекторе TR две катушки (передающая (transmitter coil) и приемная (receiver coil)) расположены так, что индуктивная связь между ними отсутствует:
  
  В передающую катушку подается модулированный (например, частотой 800 Гц) сигнал радиочастоты (например, частоты 130 кГц). При наличии металла возникает возмущение в электромагнитном поле и в приемной катушке возникает сигнал. Он усиливается на высокой частоте, детектируется и выделенный низкочастотный сигнал после усиления подается в динамик или наушники.
• PI - pulse induction - импульсный металлодетектор. В импульсном детекторе поисковая катушка не является частью резонансного контура, что позволяет делать ее практически любого размера и формы (например, популярный размер катушки для глубинного поиска - 1 м × 1 м). Разделение по времени фазы передачи и приема сигнала позволяет работать с более высокой мощностью излучаемого сигнала.

Импульсный (англ. Pulse Induction, PI) металлодетектор (металлоискатель) (англ. Pulse Induction Metal Detector) представляет собой одну из многочисленных разновидностей этих полезных и занимательных устройств. Импульсные металлодетекторы известны с начала 1960-х годов. Большой вклад в их разработку внес английский инженер Эрик Фостер (Eric Foster).

Теоретические основы работы импульсного металлодетектора

В процессе его работы с помощью мощного транзисторного ключа поисковая катушка-излучатель периодически на короткое время подключается к источнику питания, что вызывает протекание через катушку тока экспоненциально нарастающего тока силой до нескольких ампер и более (первая часть кривой a).
Напряженность магнитного поля $H$, создаваемого током $I$ в круглой катушке из $w$ витков радиусом $R$, на оси катушки расстоянии $z$ от центра катушки определяется выражением: $H = { {2 w I {R^2}} \over { {({R^2} + {z^2})}^{3 \over 2} } }$.
При резком прерывании этого тока (вторая часть кривой a) на катушке возникает импульс напряжения самоиндукции (кривая b) величиной до сотен вольт. Подобный процесс происходит и в катушке зажигания автомобиля.
При расположении вблизи катушки токопроводящего объекта - мишени (англ. target) резко изменяющееся при прерывании тока первичное магнитное поле катушки пронизывает этот объект и создает в нем вихревые токи (англ. eddy currents) (кривая c). Эти вихревые токи всегда оказывают противодействие вызвавшему их изменению магнитного поля, создавая вторичное магнитное поле. Это переменное магнитное поле достигает витков поисковой катушки и наводит в ней переменное напряжение, которое накладывается на напряжение самоиндукции и приводит к удлинению заднего фронта импульса напряжения на катушке (кривая d).
Для детектирования факта удлинения фронта импульса сигнал (напряжение на поисковой катушке) стробируется с помощью электронного ключа (кривая e). При этом отсекается сигнал от передаваемого импульса и всплеск напряжения самоиндукции сразу после его окончания. Короткая задержка стробирования выбирается таким образом, чтобы за это время успели завершиться переходные процессы, вызванные прерыванием тока в катушке (кривая b).
Таким образом происходит разделение передаваемого и принимаемого сигналов, а единственная катушка используется как для передачи, так и для приема сигнала (TR).

Схема импульсного металлодетектора

В импульсном металлодетекторе можно выделить генератор импульсов, транзисторный ключ, узел поисковой катушки, схему детектирования и схему индикации.
Генератор импульсов
Две основные разновидности - генератор на интегральном таймере NE555 и генератор на двух транзисторах.

Транзисторный ключ
В качестве ключевого элемента используется мощный MOSFET с предварительным каскадом на биполярном транзисторе.
Во многих конструкциях в качестве ключевого транзистора применяется IRF740 (400 В, 0,55 Ом, 10 А).
 

Узел поисковой катушки

Катушка Mk I
Катушка намотана "внавал" медным проводом диаметром 1,4 мм. Сопротивление катушки составляет ~ 0,3 Ом.

изготовление поисковой катушки

Следует отметить, что нельзя пропитывать витки катушки лаком или эпоксидной смолой из-за того, что это может привести к увеличению паразитной межвитковой емкости из-за высокой диэлектрической проницаемости. По сведениям в [1] у отвержденной эпоксидной смолы относительная диэлектрическая проницаемость составляет 4,4 ... 4,8. Для лаков по сведениям в различных источниках она составляет 3,5 ... 4. Для сравнения - у воздуха эта величина равна 1. Таким образом, межвитковая емкость при применении лаков или эпоксидных смол увеличивается в несколько раз.

собранная катушка

Катушка Mk III

Также я сделал малогабаритную катушку для металлодетектора без штанги (аналогично ручному досмотровому металлодетектору):
диаметр - 18 см, 25 витков проводом диаметром 0,7 мм, омическое сопротивление - 1,2 Ом.

Провод я добыл из петли размагничивания старого кинескопного телевизора (бывают петли размагничивания и с более тонким проводом):

Катушка обмотана изолентой и закреплена нейлоновыми стяжками на картонном каркасе с прорезями для наблюдения грунта под катушкой. На каркасе стяжками закреплена пластиковая трубка-ручка, через которую пропущены витые провода от катушки. Вся конструкция окрашена акриловой краской (картон перед окраской покрыт слоем клея ПВА):

Максимальная чувствительность - в плоскости катушки; вблизи проводов катушки, за пределами катушки быстро снижается, в пределах катушки несколько понижается к центру катушки.

Катушка Mk IV

Но я создал и еще более миниатюрную катушку, сложив вдвое катушку, сделанную для моего цифрового металлодетектора:

Диаметр получившейся катушки составил около 13 см. При этом импульсный МД с такой катушкой показал отменную чувствительность к мелким предметам.

Корпус металлодетектора

Сам металлодетектор я разместил в картонном корпусе с ремнем для ношения на плече, выведя наружу органы управления и светодиоды для индикации.питания и обнаружения мишени (в корпусе сделан лючок для доступа к переменному резистору предварительной настройки):

 

Нижеприведенная схема применяется в металлодетекторах PIRAT, BM8042 - КОЩЕЙ-5И, White's Surfmaster PI.

Параллельно поисковой катушке L включен резистор R7 для гашения импульса напряжения самоиндукции, а два включенных встречно-параллельно диода VD1 и VD2 совместно с резистором R8 ограничивают величину импульса, поступающего на вход схемы детектирования.
Диоды VD1, VD2 - 1N4148.
Резистор R7 - 220...390 Ом.
Резистор R8 - 390...1000 Ом.
Схема детектирования
Схема детектирования состоит из двух операционных усилителей, один из которых работает в режиме усилителя, а второй в режиме компаратора.
Схема индикации
В простейшем случае схема звуковой индикации представляет собой усилитель звуковой частоты на биполярном транзисторе, нагруженный на динамик.

Моделирование металлодетектора

Изучить особенности работы и настройки рассматриваемого устройства можно с помощью схемотехнического моделирования металлодетектора. Предлагаю Вашему вниманию разработанную мной модель импульсного металлодетектора PIRAT (сокращение от PI - импульсный, RA-T - radioskot - сайт разработчиков) для популярного симулятора LTspice:
щелкните мышкой по рисунку для просмотра в крупном масштабе

Снимок окна программы LTspice с открытой моделью

Для изучения возможностей программы LTspice и основ работы с ней можете воспользоваться моим пособием:
Воронин А.В. Компьютерное моделирование переходных процессов в линейных электрических цепях: учеб.-метод. пособие. - Гомель: БелГУТ, 2014. - 94 с.
(скачать - PDF, 1,98 МБ)

Модель металлодетектора содержит генератор на таймере NE555, узел поисковой катушки и схему детектирования (без схемы индикации).
Файл модели: PIRAT.asc
Для запуска также потребуются файлы модели операционного усилителя TL072:
TL072.asy  и TL072.sub .
Файл TL072.asy скопировать в директорию \lib\sub директории LTspice.
Файл TL072.sub скопировать в директорию \lib\sym\Opamps директории LTspice

Вы можете изменять при моделировании:
напряжение питания - параметр U;
сопротивления резисторов настройки - параметры R12 и R13;
индуктивность и сопротивление поисковой катушки - параметры L и R;
индуктивность мишени и коэффициент связи с ней - параметры Lt и Km соответственно,
а также номиналы других элементов цепи.

Результаты моделирования позволяют анализировать электромагнитные процессы в металлодетекторе:

импульсы на выходе таймера NE555

Генератор на базе таймера NE555 вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов с большой скважностью.
В моем металлоискателе длина импульса составляет 0,17 мс, период повторения - 15,6 мс (частота повторения 64 Гц), причем расчетные значения совпадают с полученными при моделировании.

Резистор R7 предназначен для создания пути для тока при размыкании цепи посредством выключения MOSFETа (в модели обозначен M1).  Энергия магнитного поля, накопленная в катушке, рассеивается в этом резисторе. Я выполнил моделирование при различных значения сопротивления шунтирующего катушку резистора (напряжение питания 9 вольт) и представил зависимость максимального напряжения на MOSFETе от сопротивления резистора в виде графика:

Как видно из графика, при увеличении сопротивления резистора пиковое значение напряжения возрастает (теоретически стремится к бесконечности). Если это напряжение превысит предельно допустимое напряжение для транзистора, то это может вызвать его пробой.

Также на максимальное значение импульса напряжения на катушке оказывает сильное влияние величина напряжения питания. Результаты моделирования приведены для сопротивления шунтирующего резистора R7, равного 300 Ом:

На вышеприведенном графике видна линейная зависимость пика импульса напряжения на катушке от напряжения питания.

токи в катушке и мишени

щелкните мышкой по рисунку для просмотра в крупном масштабе

ток в катушке и напряжения в детектирующей части схемы

Увеличение сопротивления переменных резисторов R12+R13 смещает вниз напряжение на прямом входе ОУ2, и оно перестает превышать напряжение на инверсном входе ОУ2, при этом импульсы на выходе ОУ2 отсутствуют. При повышении напряжения питания требуется увеличивать сопротивление переменных резисторов до исчезновения импульсов на выходе ОУ2.

импульс напряжения на катушке

Эксплуатация металлодетектора

После включения в течение нескольких секунд звучит "трель" и горит светодиод обнаружения мишени. Затем требуется подождать 10-15 секунд для прогрева схемы (при этом может звучать "трель" или появляться частые сигналы), расположить катушку вдали от металлических предметов и установить переменные резисторы в положение минимального сопротивления.

Затем постепенно увеличиваем сопротивление переменного резистора предварительной настройки, добиваясь исчезновения сигналов срабатывания. После этого немного уменьшаем сопротивление до появления сигналов и увеличиваем сопротивление переменного резистора грубой настройки, добиваясь исчезновения сигналов. После этого немного уменьшаем сопротивление этого резистора до появления сигналов и увеличиваем сопротивление переменного резистора точной настройки, добиваясь исчезновения сигналов.

!  При дальнейшем увеличении сопротивления резистора грубой настройки сигналы появятся вновь.

! При сильных помехах (ведь катушка металлодетектора является ничем иным как рамочной антенной) бывает невозможно добиться полного исчезновения сигналов и тогда надо ориентироваться на прекращение "трели" и появление приблизительно равномерного следования сигналов (с частотой около трех сигналов в секунду). Обнаружение мишени при этом проявится резким ускорением следования сигналов или даже "трелью".

После этой процедуры МД готов к работе.

Результаты испытаний:
в помещении -
алюминиевый радиатор от чипсета обнаруживается на расстоянии 20-25 см:

алюминиевая пластина от жесткого диска обнаруживается на расстоянии около 30-35 см:

Катушка достаточно чувствительна к мелким мишеням (но совсем не детектируется золотое колечко!), но дальность обнаружения массивных мишеней ограничена.

Источники
1 Энциклопедия полимеров. В.А. Каргин и др. Т.1 - М.: "Советская Энциклопедия", 1972. С. 742.

Основываясь на опыте, полученном при создании этого металлодетектора, я построил более чувствительный, стабильный и удобный импульсный металлодетектор на Arduino - acdc.foxylab.com/node/47.