Принцип роботи металошукача

Принцип роботи металошукача

Як відомо, металошукач здатний виявляти наявність металевих предметів, абсолютно не контактуючи з ними. Інформування оператора про наявність металу відбувається за допомогою спеціальних сигналів: звуку, переміщення стрілки, зміни показників індикатора і т.д.

Залежно від принципу роботи можна виділити такі види металошукачів:

1. Металошукач із електронним частотоміром

Принцип роботи такого металошукача ґрунтується на оцінці електронним частотоміром частоти вимірювального генератора, коли сам датчик ще знаходиться далеко від мішені. Отримане значення "запам'ятовується" регістром. Після чого, в процесі пошуку об'єктів, що цікавлять, електронний частотомір займається безперервним вимірюванням частоти приймаючого генератора. З даних віднімається показник еталонної частоти, а результат виводиться на екран індикації.

Схема метал детектора з електронним частотометром

2. Металошукач на биттях

Принцип роботи металошукача на биття грунтується на сукупності різниці частот, що виходять від двох генераторів. Один з цих генераторів має стабільну частоту, а в систему другого входить датчик, що є котушкою індуктивності. Якщо металеві предмети не знаходяться поблизу металошукача, значення частот генераторів у приладі практично збігаються. Наявність металу біля датчика призводить до різкої зміни частоти генератора.

Схема метал детектора на биття.

Реєстрація різниці частот може відбуватися різними шляхами. Найпростішим способом є прослуховування сигналу за допомогою головних телефонів або гучномовця. Також часто використовуються цифрові способи виміру коливання частот.

3. Металошукачі з принципом роботи «передача-прийом»

Принцип роботи такого металошукача полягає у реєстрації сигналу, що відбився від металевого предмета. Виникнення відбитого сигналу є наслідком впливу магнітного поля зі змінним потоком котушки приладу на мета (предмет з металу). При цьому в структуру приладу входить, як мінімум, дві котушки, одна з яких відповідає за передачу сигналу, а інша - за його прийом.

Робота металошукача «передача-прийом» грунтується на певному взаєморозташуванні котушок, що виключає вплив однієї на іншу. Таким чином, якщо сторонні металеві предмети відсутні, котушка, що випромінює, наводить нульовий сигнал на систему приймальні. Поява металевих предметів поблизу котушок призводить до виникнення спеціального сигналу.

4. Одне котушковий індукційний металошукач

Конструкція датчика даного приладу включає лише одну котушку, що стежить за частотними змінами. Якщо поблизу металошукача виникає мета, виникає відбитий сигнал. У котушці його наводить додатковий електричний сигнал. Оператору потрібно лише виділити цей сигнал. Зареєструвати відображений сигнал можна шляхом обчислення з наявного в котушці електричного показника сигналу аналогічної фази, частоти, амплітуди, що спостерігався в умовах відсутності металу поблизу.

В цілому, одне котушковий індукційний металошукач поєднує в собі характеристики приладів, що працюють на битті з апаратами принципу передачі-прийому. Таким чином, один котушковий металошукач відрізняється високою чутливістю і простотою конструкції.

5. Імпульсний металошукач

Імпульсний металошукач характеризується високою чутливістю і може використовуватись для пошуку різних предметів навіть на великій глибині. В основу роботи такого металошукача покладено тимчасовий метод поділу сигналів випромінювання та відображення. Такий метод дуже часто застосовується в ехо- та радіолокації імпульсного типу.

Генератором імпульсів формується імпульси струму короткочасного діапазону, які згодом надходять у випромінювальну котушку. Тут відбувається їх перетворення на імпульси магнітної індукції. Оскільки генератор імпульсів, тобто. випромінююча котушка має індуктивний характер, на імпульсних фронтах виникають «перевантаження» у формі перепадів у напрузі. Дані сплески можуть досягати амплітудних показників у десятки, або навіть сотень вольт. Проте, краще, не використовувати захисні обмежувачі, т.к. може статися затягування фронту імпульсного струму та магнітної індукції. В результаті, ускладнюється процес відділення сигналу типу, що відбиває.

Схема імпульсного металу детектора

Слід зазначити, що випромінююча і приймальна котушка можуть розташовуватися абсолютно довільному порядку. Це зумовлено тим, що проникнення випромінюваного сигналу та вплив на котушку відбитого рознесені за певними часовими проміжками. Крім цього, та сама котушка може виконувати будь-яку з ролей: як приймати сигнал, так і відображати його.

6. Магнітометри

Магнітометри – прилади, призначення яких є зміною показників магнітного поля. При цьому, магнітометри можуть використовуватися і як металошукачі. Це можливо завдяки тому, що магнітне поле Землі може спотворюватись різними матеріалами з феромагнітними властивостями, наприклад, залізом. Виявлення таких об'єктів відбувається шляхом реєстрації відхилень від вихідного певної місцевості модуля магнітного поля. В результаті можна спостерігати деяку магнітну неоднорідність (аномалії), які якраз і можуть бути викликані предметами з металу.

На відміну від розглянутих вище металошукачів магнітометри охоплюють більший діапазон виявлення залізних предметів. Напевно, багатьом доводилося чути про знаходження за допомогою магнітометра, наприклад автомобіля, розташованого на відстані 10 метрів від оператора. У той же час, головним недоліком магнітометрів є їхня нездатність виявляти предмети, виготовлені з кольорових металів. До того ж, магнітометр може реагувати як на залізо, а й у так звані природні магнітні аномалії. Це може бути, наприклад, поклади мінералів чи окремі мінерали тощо.

Схема магнітометра

7. Радіолокатори

Принцип роботи будь-якого радіолокатора ґрунтується на методі вивчення електромагнітної енергії, її відображення та прийом від різних об'єктів, що знаходяться у повітрі, на морі чи землі. Відбитий сигнал приймається для подальшої обробки та аналізу. В результаті, можна безпомилково визначити місцезнаходження об'єкта, що цікавить, його швидкість і траєкторію руху.

Радіолокатори мають цілу низку незаперечних переваг. Так, вони дозволяють працювати з чималими відстанями. Сигнал, який був відображений вважатимуться таким, що повністю підпорядковується законам геометричної оптики, яке послаблення пропорційно лише другого ступеня відстані. У той же час, серйозним недоліком радіолокатора є те, що випромінюючи електромагнітні хвилі, він дозволяє виявити своє місцезнаходження. Однак зараз інтенсивно ведеться пошук методів, що допомагають приховати сигнатури радіолокаторів і цілком можливо, що незабаром вдасться позбавитись зазначеного недоліку.

Пропонований металошукач призначений для "далекого" пошуку порівняно великих предметів. Він зібраний за найпростішою схемоюбез дискримінатора за типами металів. Прилад нескладний у виготовленні.

Глибина виявлення становить:

• пістолет – 0,5 м;
• каска -1 м;
• відро – 1,5 м.

Структурна схема

Структурна схема наведено на рис. 4. Вона складається з кількох функціональних блоків.

Рис. 4. Структурна схема металошукача за принципом "передача-прийом"

Для його усунення призначено схему компенсації. Сенс її роботи полягає в тому, що сигнал приймального підсилювача підмішується деяка частина сигналу з вихідного коливального контуру так, щоб мінімізувати (в ідеалі - довести до нуля) вихідний сигнал синхронного детектора за відсутності поблизу датчика металевих предметів. Налаштування схеми компенсації здійснюється за допомогою регулювального потенціометра.

Синхронний детектор перетворює корисний змінний сигнал, що надходить з виходу приймального підсилювача на постійний сигнал. Важливою особливістю синхронного детектора є можливість виділення корисного сигналу на тлі шумів та перешкод, що значно перевищують корисний сигнал амплітуди. Опорний сигнал синхронного детектора береться з другого виходу кільцевого лічильника, сигнал якого має зсув фази щодо першого виходу на 90°. Динамічний діапазон зміни корисного сигналу як у виході приймальної котушки, і на виході синхронного детектора дуже широкий. Щоб пристрій індикації - стрілочний прилад або звуковий індикатор однаково добре реєстрували дуже слабкі сигнали, так і дуже (наприклад, в 100 разів) сильніші сигнали, необхідно мати в складі приладу пристрій, що стискає динамічний діапазон. Таким пристроєм є нелінійний підсилювач, амплітудна характеристика якого наближається до логарифмічної. До виходу нелінійного підсилювача підключено стрілочний вимірювальний прилад.

Формування звукового сигналу індикації починається обмежувачем мінімуму, тобто. блок, що має зону нечутливості для малих сигналів. Це означає, що звукова індикація включається лише сигналів, перевершують по амплітуді певний поріг. Таким чином, слабкі сигнали, пов'язані переважно з рухом приладу та його механічними деформаціями, не дратують слух. Формувач опорного сигналу звукової індикації формує пачки прямокутних імпульсів частотою 2 кГц із частотою повторення пачок 8 Гц. За допомогою балансного модулятора цей опорний сигнал перемножується на вихідний сигнал обмежувача мінімуму, формуючи таким чином сигнал потрібної форми і потрібної амплітуди. Підсилювач п'єзовипромінювача збільшує амплітуду сигналу, що надходить на акустичний перетворювач - п'єзовипромінювач.

Принципова схема

Рис. 5. Принципова електрична схемавхідного блоку металошукача за принципом "передача-прийом" (натисніть для збільшення)

Генератор

Генератор зібраний на логічних елементах 2І-НЕ D1.1-D1.4. Частота генератора стабілізована кварцовим або п'єзокерамічним резонатором Q з резонансною частотою 215 Гц "32 кГц ("годинний кварц"). Ланцюг R1C1 перешкоджає збудженню генератора на вищих гармоніках. Через резистор R2 замикається ланцюг ООС малим споживаним струмом від джерела живлення, надійно працює при напрузі живлення 3...15 В, не містить підстроювальних елементів і надто високоомних резисторів.Вихідна частота генератора - близько 32 кГц.

Кільцевий лічильник

Кільцевий лічильник виконує дві функції. По перше, Він ділить частоту генератора на 4 до частоти 8 кГц. По-друге, він формує два сигнали, зрушені один щодо іншого на 90° по фазі. Один сигнал використовується для збудження коливального контуру з випромінюючої котушкою, інший - як опорний сигнал синхронного детектора. Кільцевий лічильник є два D-тригера D2.1 і D2.2, замкнутих в кільце з інверсією сигналу по кільцю. Тактовий сигнал – загальний для обох тригерів. Будь-який вихідний сигнал першого тригера D2.1 має зсув фази на плюс-мінус чверть періоду (тобто на 90°) щодо будь-якого вихідного сигналу другого тригера D2.2.

Підсилювач потужності

Підсилювач потужності зібраний на операційному підсилювачі D3.1. Коливальний контур з випромінювальною котушкою утворений елементами L1C2. Параметри котушки індуктивності наведено у табл. 2. Марка дроту обмоток – ПЕЛШО 0,44.

Таблиця 2. Параметри котушок індуктивності датчика

У ланцюг ОС підсилювача вихідний коливальний контур включений лише на 25%, завдяки відведенню від 50-го витка випромінюючої котушки L1. Це дозволяє збільшити амплітуду струму в котушці за прийнятного значення ємності прецизійного конденсатора С2.

Значення змінного струму в котушці визначається резистором R3. Цей резистор повинен мати мінімальну величину, але таку, щоб ОУ підсилювача потужності не потрапляв у режим обмеження вихідного сигналу по струму (не більше 40 мА) або, що найімовірніше при рекомендованих параметрах котушки індуктивності L1, за напругою (не більше ±3 ,5 при напрузі батарей живлення ±4,5 В). Щоб переконатися у відсутності режиму обмеження, достатньо перевірити осцилографом форму сигналу на виході ОУ D3.1. При нормальній роботі підсилювача на виході повинен бути сигнал, що наближається формою до синусоїди. Вершини хвиль синусоїди повинні мати плавну форму і не повинні бути зрізані. Ланцюг корекції ОУ D3.1 складається з коригувального конденсатора С3 ємністю 33 пФ.

Приймальний підсилювач

Приймальний підсилювач – двокаскадний. Перший каскад виконаний на ОП D5.1. Він має високий вхідний опір завдяки послідовній ООС по напрузі. Це дозволяє виключити втрати корисного сигналу внаслідок шунтування коливального контуру L2C5 вхідним опором підсилювача. Коефіцієнт посилення першого каскаду за напругою становить: Кu = (R9/R8) + 1 = 34. Ланцюг корекції ОУ D5.1 складається з коригувального конденсатора С6 ємністю 33 пФ.

Другий каскад приймального підсилювача виконаний на ОУ D5.2 з паралельною ООС за напругою. Вхідний опір другого каскаду: Rвх = R10 = 10 кОм - негаразд критично, як першого, зважаючи на низькоомність його джерела сигналу. Роздільний конденсатор С7 не тільки запобігає накопиченню статичної похибки за каскадами підсилювача, а й коригує його ФЧХ. Ємність конденсатора вибирається такою, щоб створюване ланцюгом C7R10 випередження по фазі робочої частоті 8 кГц компенсувало запізнення по фазі, викликане кінцевою швидкодією ОУ D5.1 і D5.2.

Другий каскад приймального підсилювача завдяки своїй схемі дозволяє легко здійснити підсумовування (підмішування) сигналу від схеми компенсації через резистор R11. Коефіцієнт посилення другого каскаду по напрузі корисного сигналу становить: Кu = - R12/R10 = -33, а по напрузі компенсуючого сигналу: Кuk = - R12/R11 = - 4. Ланцюг корекції ОУ D5.2 складається з коригувального конденсатора С3 ємністю .

Схема стабілізації

Схема компенсації виконана на ОУ D3.2 і є інвертором з Кu = - R7/R5 = -1. Регулювальний потенціометр R6 включений між входом та виходом цього інвертора і дозволяє зняти сигнал, що лежить у діапазоні [-1, +1] від вихідної напруги D3.1. Вихідний сигнал схеми компенсації з двигуна регулювального потенціометра R6 надходить на вхід другого каскаду приймального підсилювача (на резистор R11).

Регулюванням потенціометра R6 досягають нульового значення на виході синхронного детектора, що відповідає компенсації прониклого в приймальну котушку небажаного сигналу. Ланцюг корекції ОУ D3.2 складається з коригувального конденсатора С4 ємністю 33 пФ.

Синхронний детектор

Синхронний детектор складається з балансного модулятора, інтегруючого ланцюга та підсилювача постійних сигналів (УПС). Балансний модулятор реалізований на основі багатофункціонального комутатора D4, виконаного за інтегральною технологією з комплементарними польовими транзисторами як керуючих дискретних вентилів, так і як аналогові ключі. Комутатор працює як аналоговий перемикач. З частотою 8 кГц він по черзі замикає на загальну шину виходи "трикутника" інтегруючого ланцюга, що складається з резисторів R13 та R14 та конденсатора C10. Сигнал опорної частоти надходить на балансний модулятор одного з виходів кільцевого лічильника.

Сигнал на вхід "трикутника" інтегруючого ланцюга надходить через розділовий конденсатор С9 з виходу приймального підсилювача. Постійна часу інтегруючого ланцюга t = R13 * C10 = R14 * C10. Вона повинна бути, з одного боку, якнайбільше, щоб якнайсильніше послабити вплив шумів і перешкод. З іншого боку, вона не повинна перевищувати межу, коли інерційність інтегруючого ланцюга перешкоджає відстеженню швидких змін амплітуди корисного сигналу.

Найбільшу швидкість зміни амплітуди корисного сигналу можна охарактеризувати деяким мінімальним часом, за який може відбутися ця зміна (від значення до максимального відхилення) при русі датчика металошукача щодо металевого предмета. Очевидно, що максимальна швидкість зміни амплітуди корисного сигналу буде спостерігатися за максимальної швидкості руху датчика. Вона може досягати 5 м/с для "маятникового" руху датчика на штанзі. Час зміни амплітуди корисного сигналу можна як ставлення бази датчика до швидкості руху. Поклавши мінімальне значення бази датчика, що дорівнює 0,2 м, отримаємо мінімальний час зміни амплітуди корисного сигналу 40 мс. Це в кілька разів більше, ніж постійний час інтегруючого ланцюга при вибраних номіналах резисторів R13, R14 і конденсатора C10. Отже, інерційність інтегруючого ланцюга не спотворить динаміку навіть найшвидших зі всіх можливих змін амплітуди корисного сигналу від датчика металошукача.

Вихідний сигнал інтегруючого ланцюга знімається з конденсатора СЮ. Оскільки в останнього обидві обкладки знаходяться під "плаваючими потенціалами", УПС є диференціальним підсилювачем, виконаним на ОУ D6. Крім посилення постійного сигналу, УПС виконує функцію фільтра нижніх частот (ФНЧ), що додатково послаблює небажані високочастотні компоненти на виході синхронного детектора, пов'язані переважно з неідеальністю балансного модулятора.

ФНЧ реалізується завдяки конденсаторам С11, С13. На відміну від інших вузлів металошукача, ОУ УПС за своїми параметрами має наближатися до прецизійних ОУ. Насамперед, це відноситься до величини вхідного струму, величини напруги зміщення та величини температурного дрейфу напруги зміщення. Вдалим варіантом, що поєднує хороші параметри та відносну доступність, є ОУ типу К140УД14 (або КР140УД1408). Ланцюг корекції ОУ D6 складається з коригувального конденсатора С12 ємністю 33 пФ.

Нелінійний підсилювач

Нелінійний підсилювач виконаний на ОУ D7.1 з нелінійною ООС за напругою. Нелінійна ООС реалізована двополюсником, що складається з діодів VD1-VD8 та резисторів R20-R24. Амплітудна характеристика нелінійного підсилювача наближається до логарифмічної. Вона являє собою шматково-лінійну, з чотирма точками зламу для кожної полярності, апроксимацію логарифмічної залежності. Завдяки плавній формі вольтамперних характеристик діодів амплітудна характеристика нелінійного підсилювача згладжується у точках зламу. Малосигнальний коефіцієнт посилення нелінійного підсилювача за напругою становить: Kuk = - (R23 + R24) / R19 = -100. Зі зростанням амплітуди вхідного сигналу коефіцієнт посилення зменшується. Диференціальний коефіцієнт посилення великого сигналу становить: dUвых/dUвх = - R24/R19 = = -1. До виходу нелінійного підсилювача підключений стрілочний вимірювальний прилад - мікроамперметр із послідовно включеним додатковим резистором R25. Так як напруга на виході синхронного детектора може мати будь-яку полярність (залежно від зсуву фази між його опорним і вхідним сигналами), використаний мікроамперметр з нулем в середині шкали. Таким чином, стрілочний прилад має діапазон індикації -100...0...+100 мкА. Ланцюг корекції ОУ D7.1 складається з коригувального конденсатора С18 ємністю 33 пФ.

Обмежувач по мінімуму

Обмежувач по мінімуму реалізований на ОУ D7.2 з нелінійною паралельною ООС за напругою Нелінійність укладена у вхідному двополюснику та складається з двох зустрічно-паралельно включених діодів VD9, VD10 та резистора R26.

Рис. 6. Принципова електрична схема блоку індикації металошукача за принципом "передавання-прийом" (натисніть для збільшення)

Формування звукового сигналу індикації з вихідного сигналу нелінійного підсилювача починається ще з одного коригування амплітудної характеристики підсилювального тракту. У разі формується зона нечутливості у сфері малих сигналів. Це означає, що звукова індикація включається лише сигналів, які перевершують деякий поріг. Цей поріг визначається

прямою напругою діодів VD9, VD10 і становить близько 0,5 В. Таким чином, слабкі сигнали, пов'язані в основному з рухом приладу та його механічними деформаціями, відсікаються і не дратують слух.

Малосигнальний коефіцієнт посилення обмежувача щонайменше дорівнює нулю. Диференціальний коефіцієнт посилення за напругою для великого сигналу становить: dUвих/dUвх = - R27/R26 = -1. Ланцюг корекції ОУ D7.2 складається з коригувального конденсатора С19 ємністю 33 пФ.

Балансний модулятор

Сигнал звукової індикації формується в такий спосіб. Постійний або сигнал, що повільно змінюється на виході обмежувача, по мінімуму, перемножується на опорний сигнал звукової індикації. Опорний сигнал визначає форму для звукового сигналу, а вихідний сигнал обмежувача по мінімуму - амплітуду. Перемноження двох сигналів здійснюється з допомогою балансного модулятора. Він реалізований на багатофункціональному комутаторі D11, що працює як аналоговий ключ, і ОУ D8.1. Коефіцієнт передачі пристрою дорівнює +1 при розімкнутому ключі і -1 - при замкнутому. Ланцюг корекції ОУ D8.1 складається з коригувального конденсатора С20 ємністю 33 пФ.

Формувач опорного сигналу

Формувач опорного сигналу реалізований на двійковому лічильнику D9 та лічильнику-дешифраторі D10. Лічильник D9 ділить частоту 8 кГц з виходу кільцевого лічильника до частоти 2 кГц та 32 Гц. Сигнал з частотою 2 кГц надходить на молодший розряд адреси багатофункціонального АТ комутатора D11, задаючи таким чином тональний сигнал з найбільш чутливою для людського вуха частотою. Цей сигнал буде впливати на аналоговий ключ балансного модулятора тільки в тому випадку, коли на старшому розряді адреси А1 багатофункціонального комутатора D11 буде присутня логічна 1. При логічному нулі на А1 аналоговий ключ балансного модулятора постійно розімкнуто.

Сигнал звукової індикації формується уривчастим, щоб менше втомлювався слух. Для цього використовується лічильник-дешифратор D10, який управляється тактовою частотою 32 Гц з виходу двійкового лічильника D9 і формує на своєму виході прямокутний сигнал із частотою 8 Гц та співвідношенням тривалості логічної одиниці та логічного нуля, рівним 1/3. Вихідний сигнал лічильника-дешифратора D10 надходить на старший розряд адреси багатофункціонального А1 комутатора D11, періодично перериваючи формування тональної посилки в балансному модуляторі.

Підсилювач п'єзовипромінювача

Підсилювач п'єзовипромінювача реалізований на ОУ D8.2. Він являє собою інвертор з коефіцієнтом посилення по напрузі Кі = - 1. Навантаження підсилювача - п'єзовипромінювач - включено за бруківкою між виходами ОУ D8.1 і D8.2. Це дозволяє вдвічі збільшити амплітуду вихідної напруги на навантаженні. Вимикач S призначений для вимкнення звукової індикації (наприклад, настроювання). Ланцюг корекції ОУ D8.2 складається з коригувального конденсатора С21 ємністю 33 пФ.

Типи деталей та конструкція

Типи використовуваних мікросхем наведено у табл. 3. Замість мікросхем серії К561 можливе використання мікросхем серії К1561. Можна спробувати застосувати деякі мікросхеми серії К176 та зарубіжні аналоги.

Таблиця 3. Типи використовуваних мікросхем

Здвоєні операційні підсилювачі (ОУ) серії К157 можна замінити будь-якими подібними за параметрами одиночними ОУ загального призначення (з відповідними змінами в цоколівці та ланцюгах корекції), хоча застосування здвоєних ОУ зручніше (зростає щільність монтажу).

Операційний підсилювач синхронного детектора D6, як зазначалося вище, за своїми параметрами повинен наближатися до прецизійним ОУ. Крім типу, вказаного в таблиці, підійдуть К140УД14, 140УД14. Можливе застосування ОУ К140УД12, 140УД12, КР140УД1208 у відповідній схемі включення.

До застосовуваних у схемі металошукача резисторам не пред'являється спеціальних вимог. Вони повинні мати міцну конструкцію і бути зручними для монтажу. Номінал розсіюваної потужності 0,125...0,25 Вт.

Потенціометр компенсації R6 бажаний багатооборотний типу СП5-44 або з ноніусним підстроюванням типу СП5-35. Можна обійтись і звичайними потенціометрами будь-яких типів. І тут бажано їх використовувати два. Один - для грубого підстроювання, номіналом 10 кОм, включений відповідно до схеми. Інший - для точного підстроювання, включений за схемою реостата у розрив одного з крайніх висновків першого потенціометра, номіналом 0,5...1 кОм.

Конденсатори С15, С17 – електролітичні. Рекомендовані типи – К50-29, К50-35, К53-1, К53-4 та інші малогабаритні. Інші конденсатори, за винятком конденсаторів коливальних контурів приймальної та випромінюючої котушок, - керамічні типу К10-7 (до номіна-па 68 нФ) та металоплівкові типу К73-17 (номінали вище 68 нФ). Конденсатори контурів – С2 та С5 – особливі. До них пред'являються високі вимоги щодо точності та термостабільності. Кожен конденсатор складається з кількох (5...10 прим.) конденсаторів, включених у паралель. Налаштування контурів у резонанс здійснюється підбором кількості конденсаторів та їхнього номіналу. Тип конденсаторів, що рекомендується, К10-43. Їхня група з термостабільності - МПО (тобто приблизно нульової ТКЕ). Можливе застосування прецизійних конденсаторів та інших типів, наприклад, К71-7. Зрештою, можна спробувати використати старовинні термостабільні слюдяні конденсатори зі срібними обкладками типу КСВ або полістирольні конденсатори.

Діоди VD1-VD10 типу КД521, КД522 або аналогічні малопотужні кремнієві.

Мікроамперметр – будь-якого типу, розрахований на струм 100 мкА з нулем посередині шкали. Зручні малогабаритні мікроамперметри, наприклад типу М4247.

Кварцовий резонатор Q – будь-який малогабаритний годинниковий кварц (аналогічні кварцові резонатори використовують у портативних електронних іграх).

Вимикач живлення – будь-якого типу малогабаритний. Батареї живлення - типу 3R12 (за міжнародним позначенням) та "квадратні" (за нашим).

П'єзовипромінювач Y1 - можливо типу ЗП1-ЗП18. Хороші результати виходять при використанні п'є- випромінювачів імпортних телефонів (йдуть у величезних кількостях "у відвал" при виготовленні телефонів з визначником номера).

Конструкція приладуможе бути досить довільною. При її розробці бажано врахувати рекомендації, викладені нижче, а також у параграфах, присвячених датчикам та конструкції корпусів.

Зовнішній вигляд приладу показано на рис. 7.

Рис. 7. Загальний вигляд металошукача, виконаного за принципом "передача-прийом"

За своїм типом датчик пропонованого металошукача відноситься до датчиків з перпендикулярними осями. Котушки датчика склеєні зі склотекстоліту епоксидним клеєм. Цим же клеєм залиті обмотки котушок разом із арматурою їхніх електричних екранів. Штанга металошукача виготовлена ​​із труби з алюмінієвого сплаву (АМГЗМ, АМГ6М або Д16Т) діаметром 48 мм та з товщиною стінки 2...3 мм. Котушки приклеєні до штанги епоксидним клеєм: співвісна (випромінююча) - за допомогою перехідної підсилювальної втулки; перпендикулярна до осі штанги (приймальня) – за допомогою підходящої форми перехідника.

Зазначені допоміжні деталі виконані також зі склотекстоліту. Корпус електронного блоку виготовлений із фольгованого склотекстоліту шляхом паяння. З'єднання котушок датчика з електронним блоком виконані екранованим проводом із зовнішньою ізоляцією та прокладені всередині штанги. Екрани цього дроту підключені тільки до шини загального дроту на платі електронної частини приладу, куди підключаються екран корпусу у вигляді фольги і штанга. Зовні прилад пофарбований нітроемаллю.

Друкована плата електронної частини металошукача може бути виготовлена ​​будь-яким традиційним способом, зручно також використовувати готові макетні друковані плати під DIP корпуси мікросхем (крок 2,5 мм).

Налагодження приладу

1. Перевірити правильність монтажу за принциповою схемою. Переконатись у відсутності коротких замикань між сусідніми провідниками друкованої плати, сусідніми ніжками мікросхем тощо.

2. Підключити батареї або двополярне джерело живлення, суворо дотримуючись полярності. Включити прилад і виміряти струм, що споживається. Він повинен становити близько 20 мА на кожній шині живлення. Різке відхилення виміряних значень від зазначеної величини свідчить про неправильність монтажу або несправність мікросхем.

3. Переконатись у наявності на виході генератора чистого меандру з частотою близько 32 кГц.

4. Переконатись у наявності на виходах тригерів D2 меандру з частотою близько 8 кГц.

5. Підбором конденсатора 02 налаштувати вихідний контур L1C2 резонанс. У найпростішому випадку - по максимуму амплітуди напруги на ньому (близько 10), а більш точно - по нульовому фазовому зсуву напруги контуру щодо меандру на виході 12 тригера D2.

Увага! Налаштування потенціометром R6 необхідно проводити за відсутності поблизу котушок датчика металошукача великих металевих предметів, включаючи вимірювальні прилади! Інакше при переміщенні цих предметів або при переміщенні датчика щодо них прилад розладнається, а за наявності великих металевих предметів поблизу датчика встановити вихідну напругу синхронного детектора в нуль не вдасться. Про компенсацію див. також у параграфі, присвяченому можливим модифікаціям.

8. Переконатися у роботі нелінійного підсилювача. Найпростіший спосіб- Візуально. Мікроамперметр повинен реагувати на процес налаштування, що виробляється потенціометром R6. При деякому положенні двигуна R6 стрілка мікроамперметра повинна встановити нуль. Чим далі стрілка мікроамперметра знаходиться від нуля, тим слабше повинен реагувати мікроамперметр на обертання двигуна R6.

Може виявитися, що несприятлива електромагнітна обстановка ускладнить налагодження приладу. У цьому випадку стрілка мікроамперметра буде здійснювати хаотичні або періодичні коливання при наближенні двигуна потенціометра R6 до того положення, в якому повинна мати місце компенсація сигналу. Описане небажане явище пояснюється наведенням найвищих гармонік мережі 50 Гц на приймальну котушку. На значній відстані від проводів з електрикою коливання стрілки при налаштуванні повинні бути відсутніми.

9. Переконатись у працездатності вузлів, що формують звуковий сигнал. Звернути увагу на наявність невеликої зони нечутливості звукового сигналу поблизу нуля за шкалою мікроамперметра.

За наявності неполадок та відхилень у поведінці окремих вузлів схеми металошукача слід діяти за загальноприйнятою методикою:

• перевірити відсутність самозбудження ОУ;
• перевірити режими ОУ за постійним струмом;
• сигнали та логічні рівні входів/виходів цифрових мікросхем тощо. і т.п.

Можливі модифікації

Схема приладу досить проста і тому може йтися лише про подальші вдосконалення. До них можна віднести:

2. Додавання додаткового каналу візуальної індикації, що містить синхронний детектор, нелінійний підсилювач та мікроамперметр. Опорний сигнал синхронного детектора додаткового каналу береться зі зсувом на чверть періоду щодо опорного сигналу основного каналу (з будь-якого виходу іншого тригера кільцевого лічильника). Маючи деякий досвід пошуку, можна за показаннями двох стрілочних приладів навчитися оцінювати характер виявленого об'єкта, тобто. працювати не гірше за електронний дискримінатор.

3. Додавання захисних діодів, включених до зворотної полярності паралельно джерелам живлення. При помилці в полярності включення батарей у цьому випадку гарантується, що схема металошукача не постраждає (хоча якщо вчасно не зреагувати, повністю розрядиться неправильно включена батарея). Включати діоди послідовно з шинами живлення не рекомендується, тому що в цьому випадку на них пропаде даремно 0,3...0,6 дорогоцінної напруги джерел живлення. Тип захисних діодів – КД243, КД247, КД226 тощо.

Металошукач застосовується для пошуку різних типів металу. Але мало хто знає, як він улаштований. Розберемося, які принципи лежать у роботі металошукача, у чому його відмінність від металодетектора та які типи металошукачів відомі.

Металошукач та металодетектор: чи є різниця?

Строго кажучи, обидва ці поняття позначають те саме. Найчастіше їх використовують як синоніми. Щоправда, у свідомості того, хто говорить і слухає при виголошенні слова «металошукач» частіше виникає картинка людини, яка шукає скарб у лісі з довгим інструментом з датчиком на кінці. А у випадку з «металодетектором» одразу видаються магнітні рамки в аеропорту та люди зі спеціальними ручними датчиками, що реагують на метал. Як бачимо, для обивателя відмінність полягає лише у поданні.

Якщо ж звернутися до витоків, то буде ясно, що металошукач - це просто російський еквівалент англійського терміна «metal detector», а «металодетектор», у такому разі» - лише транслітерований переклад.

Однак, у професійному середовищі російськомовних людей, які часто користуються цими приладами, існує уявлення про чітку різницю між ними. Металодетектором називають недорогий прилад, здатний лише виявити наявність або відсутність металу у певному середовищі. Відповідно, металошукач - це прилад схожого призначення, але його перевага полягає в тому, що за допомогою додатково можливо визначити тип металевого об'єкта. Ціна такого інструменту на кілька порядків вища. За цілями ці прилади збігаються, проте характер їхнього виконання різний. Тому на питання «чим відрізняється металошукач від металодетектора» можна відповісти з повною впевненістю, що ця відмінність лежить у сфері додаткового функціоналу, залишаючи при цьому незмінними цілі та завдання, що належать до такої техніки.

Але для зручності дотримуватимемося всім зрозумілої точки зору. Позначимо апарат, який використовується для пошуку в грунті або під водою терміном «металошукач», а «металодетекторами» називатимемо ручні оглядові та спеціальні арочні пристрої, що застосовуються в роботі різними охоронними службами.

Як працює металошукач

Однозначно відповісти на це досить складно. Існує маса різних варіантів влаштування цього приладу. І знайти «свій» серед усього різноманіття потенційному покупцеві буває непросто.

Найпоширеніший - електронний прилад, що функціонує на певних частотах, здатний виявляти металеві об'єкти відповідно до заданих параметрів в так званому нейтральному або слабопровідному середовищі. Зрозуміло, що він реагує на провідність матеріалів, у тому числі виготовлені предмети. Прилад такої конструкції називається імпульсним. Це коли сигнал, що випромінюється приладом і відображений предметом, передаються через деякі частки секунд. Саме вони фіксуються технікою. Коротко описати принцип роботи імпульсного металошукача можна так: імпульси генератора струму, як правило, за мілісекунди надходять у випромінювальну котушку, де трансформуються імпульси магнітної індукції. На імпульсних складових генератора утворюються різкі стрибки напруги. Вони відображаються в приймальній котушці (у складніших типах пристроїв у однієї котушки є здатність виконувати обидві функції) за певні проміжки часу. Потім сигнали надходять каналом зв'язку на блок обробки і зрозумілими символами виводяться для подальшого сприйняття їх людиною.

Але треба бути уважним, адже такий популярний тип техніки має ряд недоліків:

1. Важкість диференціації виявлених об'єктів на кшталт металу;
2. Велика амплітуда напруги;
3. Технічна складність комутації та генерації;
4. Наявність радіоперешкод.

Інші типи металошукачів за принципом роботи

Такі пристрої складаються з більшості відомих моделей. Деякі з них вже зняті з виробництва, проте досі використовуються на практиці.

1. BFO (Beat Frequency Oscillation).В основі - підрахунок та фіксація різниці частоти коливань. Залежно від типу металу (чорного або кольорового) частота підвищується, то знижується. Такі прилади не випускаються, вони застаріли. Але вироблені раніше моделі досі працюють. Характеристики такого металошукача залишають бажати кращого. У нього невелика глибина виявлення, сильна залежність результатів пошуку від типу ґрунту (малоефективний на кислих, мінералізованих ґрунтах), низька чутливість.
2. TR (Transmitter Reciver).Обладнання типу "прийом-передача". Також належить до застарілих. Проблеми такі самі, як і в попереднього типу (не працює на мінералізованих ґрунтах) за винятком глибини виявлення. Вона досить велика.
3. VLF (Very Low Frequency).Найчастіше такий апарат поєднує дві схеми дії: «прийом-передачу» та низькочастотне дослідження. У процесі роботи прилад аналізує сигнал по фазам. Його переваги у високій чутливості, здатності шукати чорні та кольорові метали на глибині. Але об'єкти, що залягають біля поверхні, йому виявити значно важче.
4. PI (Pulse Induction).В основі – процес індукції. Принцип роботи металошукача укладено у котушці. Вона – це серце датчика. Поява всередині електромагнітного поля сторонніх струмів від металевих предметів активізує відбитий імпульс. Він досягає котушки як електричного сигналу. При цьому апарат чітко сприймає мінералізований та солоний ґрунт з металами. Струми, від солей досягають датчика набагато швидше і не відображаються графічно чи звуково. Такий металошукач вважається найбільш чутливим із усіх. Для ведення пошуків на морському дні це найефективніший варіант пристрою.
5. RF (Radio Frequency / RF two-box). Є приладом «прийом-передача», що тільки працює на високих частотах. Має дві котушки (котушка прийому і, відповідно, котушка передачі). В основі роботи цього металошукача лежить порушення індукційного балансу: котушка, що працює на прийом, фіксує сигнал, що відбивається від об'єкта. Спочатку цей сигнал був надісланий котушкою-передачі. Характеристики такого металошукача уможливлюють його застосування з метою пошуку неглибоко перебувають родовищ руд, корисних копалин на великих глибинах або виявлення великих предметів. По глибині пробивання немає собі рівних (від 1 до 9 метрів залежно від типу грунту). Часто використовується у промисловості. Копачі і шукачі скарбів не залишають його без уваги. Істотний мінус такого приладу - це його нездатність виявлення дрібних предметів типу монет.

Принцип роботи металошукача для пошуку кольорового металуособливо не відрізняється від решти. Він також залежить від типу та конструкції апарату. При правильному налаштуванні можна знайти кольоровий метал. Відмінності між ним і чорним складаються лише в тому, що вихрові струми, що відбиваються від предмета кольорового металу, загасають довше.

Чим ще відрізняються металошукачі?

Крім внутрішньої «начинки» різницю між металошукачами є й інших моментах. По-перше, вони представлені у різних цінових категоріях. Є дешевші і масові прилади, є й ті, які можна віднести до преміум-класу.

Також вже в описі металошукачів помітна різниця у виведенні інформації для доступу до неї користувача. Апарати можуть бути запрограмовані на відображення графічного інформування (виводиться на спеціальному дисплеї), звуковими пристроями, що повідомляють про виявлення або відсутність об'єкта (відрізняються тим, що видають різні частоти). У дорожчих моделях можуть бути дисплеї з цілими шкалами дискримінаційних значень.

Відрізняється і сама інформація. Наприклад, найдешевші моделі просто повідомляють користувачеві про те, є метал чи ні. Апарати трохи дорожчі визначають який це метал – чорний чи кольоровий. Найдорожчі моделі можуть надати повну інформацію: відомості про глибину предмета, ймовірне ставлення у відсотках щодо металу, тип об'єкта.

Всі види металошукачів

Прилади розрізняються за:принципом роботи, виконуваним завданням, застосованим елементам. Про принципи вже написано вище, тому подивимося, якими вони бувають за завданням:

1. Глибинний;

2. Ґрунтовий;

3. Магнітометр;

4. Міношукач.

За елементами можуть бути мікропроцесорними та аналоговими.

Про характеристики

Різні апарати характеризуються варіативністю властивостей.

Принцип дії металошукачата його робоча частота – класифікуючі параметри. Визначають тип приладу, наприклад, професійний чи ґрунтовий. Чутливістю визначається глибина. Цільовказівка ​​дозволяє настроювати прилад на заданий розмір мети. Тип металу обчислює дискримінатор. Вага тут все просто: важким приладом незручно користуватися тривалий час. Тип ґрунту вказується при балансуванні показників ґрунту.

Робота з металошукачем. Особливості

Потрібно попередньо вивчити свій прилад, його слабкі місця. Не слід гнатися за останніми моделями. Якщо у користувача немає елементарних навичок і розуміння того, як апарат влаштований, то йому не допоможе жодний навіть «наворочений» металошукач.

Кожна цінова категорія має своїх лідерів. Їх і потрібно вибирати, тому що це моделі, перевірені поколіннями шукачів скарбів. Уміння працювати з приладом досягається лише практикою. Пробуючи щоразу, людина починає правильно розшифровувати ті сигнали, які подає йому техніка. А від правильного розшифрування залежить основне питання: копати чи не копати?

Наприклад, знаючи які елементи встановлені всередині вашого металошукача, можна точно зрозуміти, як працювати з металошукачем. Якщо це котушка-моно, її електромагнітне випромінювання виглядає конусоподібним. Отже, при пошуках є сліпі зони. Щоб їх усунути, слід стежити, щоб кожен прохід з приладом перекривав на 50% попередній. Знаючи такі дрібниці, можна найефективніше застосовувати металошукач.

Робота з металошукачемпередбачає отримання певного результату. Для цього необхідно, щоб металошукач відповідав деяким простим, але необхідним вимогам:

1. Принцип роботи металошукачаповинен дозволяти йому відчувати металеві предмети на максимальній глибині;
2. Обов'язково має бути поділ на чорний та кольоровий метал;
3. На приладі має бути встановлений оперативний процесор, що забезпечує швидку роботу. Це важливо для розпізнавання двох довколишніх об'єктів.

Як правильно працювати з металошукачем?Почати потрібно з налаштування приладу. Як правило, якщо ми хочемо знайти певний об'єкт, то і налаштування потрібно встановлювати відповідні. Але є 2 загальні правила, дотримання яких точно буде корисно новачкам.

1. Зменшити граничне значення за параметром чутливості. Оскільки підвищення цього показника часто призводить до посилення перешкод, то новачкам краще пожертвувати здатністю приладу виявляти предмети, що лежать поруч, щоб точніше локалізувати якусь одну мету.
2. Використовувати параметр дискримінації "всі метали".

Це були вказані лише деякі загальні відомості щодо того, як правильно користуватись металошукачем. Зупинимося на цьому детальніше. Найголовніше - ніколи не поспішати! Площа пошуків розбивається на зони, ділянки. Кожен із них слід повільно, уважно проходити. Уловлювач необхідно тримати якомога ближче до землі; робота металошукачем має бути плавною, без ривків. Обережно ведіть приладом з боку в бік. Якщо у землі виявлено метал, то, як правило, ви почуєте звуковий сигнал: чіткий – свідчення виявлення невеликого предмета правильної форми, нечіткий, уривчастий – форма виявленого об'єкта неправильна. Навчитися визначати розміри знахідки та глибину її залягання за звуком можна лише досвідченим шляхом. Тип знайденого металу класифікується за шкалою (апарат відбиває електричний імпульс, а процесор з цих даних обчислює щільність матеріалу, з якого виготовлений предмет).

Є два режими: динамічний (основний) та статичний, вони впливають на те, як правильно працювати металошукачем Статичний – це незалежне переміщення котушки над об'єктом; застосовується точного визначення центру мети. Дослідження території відбувається за певною схемою:

1. Котушка має бути паралельна землі;
2. Важливо зберігати постійну відстань між землею та котушкою;
3. Робити невеликі кроки. Чи не пропускати ділянки!
4. Швидкість руху має становити близько півметра за секунду;
5. Висота приладу над землею – 3 або 4 см.

Пошуки ведуться у динамічному режимі. При виявленні стабільного сигналу перемикайте апарат у статичний режим: хрестоподібними рухами ведіть над передбачуваним місцем; там, де сигнал набуває максимальної гучності і копайте. Назад переключіть металошукач на динамічний режим. Копайте на половину багнета, підрізаючи рівну квадратну або круглу грудку. Якщо об'єкт ще перебуває в ямі, копайте далі. З дерну витягувати знахідку краще методомполовинного поділу. Після завершення пошуків обов'язково укладайте дерн назад у яму! Тепер ви точно знаєте, як користуватися металошукачем.

Трохи про металодетектори

Принципи роботи металодетекторівТакі ж, як і у металошукачів, відмінності є тільки в середовищах використання і потужності котушки. Через це ефективність металодетекторів менша, у грунті вони нічого не змогли б виявити. Основними видами металодетекторів є: ручний оглядовий (дальність виявлення до 25 метрів) та арочний (рамковий).

Коротко описати, як працює ручний металодетектор, можна так: пристрій абсолютно готовий до роботи при включенні, налаштування не потрібне, при виявленні металу імпульс постійного струму фіксується, включається звук та індикація.

Металошукач - дуже привабливий пристрій, його можна використовувати для самих різних цілей, наприклад для пошуку старої проводки, водопровідних труб, та й зрештою скарбу. Поняття металошукач дуже широке, самі металошукачі бувають різними, принцип пошуку металу закладений у класичних металошукачах застосовується в різних пристроях починаючи від простих детекторів закінчуючи радіолокаційними станціями.

Останнім часом велику популярність набирають так звані імпульсні металошукачі, які у своєму складі містять тільки одну котушку і мають відносно просту конструкцію, при цьому забезпечують досить непогану чутливість і високу надійність. Імпульсний металошукач працює за принципом прийом передача, пошукова котушка в такому металошукачі може працювати у двох режимах - прийому та передачі. Випромінюваний котушкою сигнал генерує або збуджує в металі вихрові струми фуко, які вловлюються самою котушкою.

У різних металіврізна електропровідність і багато металошукачі вміють розпізнати це з досить високою точністю, визначаючи, що за метал знаходиться в землі.

Наведена схема металошукача в мережі зустрічається дуже часто, але фото реальних конструкцій та відгуків вкрай мало, тому було вирішено повторити схему та випробувати його у справі.

Друкована плата вийшла досить компактною, зроблена вона методом лут.

Переваг у схеми багато:

• наявність лише однієї котушки;
• вкрай проста і не примхлива схема, яка практично не вимагає додаткового налаштування;
• вся схема побудована лише однієї мікросхемі;
• мала чутливість до ґрунту;
• за бажання металошукач можна налаштувати те щоб він бачив лише кольорові метали і ігнорував чорні, тобто. Якась функція дискримінації металів.

З недоліків:

• мала глибина пошуку - великі металеві предмети детектор помічає з відривом до 30 див, середні монети до 5-и 8-и див.

Цього мало, але дивлячись для яких цілей... Наприклад, для пошуку старих водопровідних труб у стіні схема справляється на 100%.

Схема побудована на одній КМОП мікросхемі CD4011, яка містить 4 логічні елементи 2І-НЕ. Вона складається з 4-х частин, опорного та пошукових генераторів, змішувача та підсилювача сигналу, який виконаний на одному транзисторі. Як динамічна головка переважно використовувати навушники з опором від 16-и до 64-х ом, т.к. Вихідний каскад не розрахований під низькоомне навантаження.

Працює металошукач наступним чином. Спочатку пошуковий та опорний генератори налаштовані на однакову частоту, тому з динаміка ми нічого не чуємо. Частота опорного генератора фіксована з можливістю ручного підстроювання шляхом обертання змінного резистора. Частота пошукового генератора залежить від параметрів LC контуру. Якщо поле зору пошукової котушки з'явиться металевий предмет, порушується частота LC контуру, унаслідок чого змінюється частота пошукового генератора щодо опорного. Змішувач виділяє різницю частот цих генераторів, що у вигляді звукового сигналу, фільтрується і надходить на підсилювальний каскад, навантаженням якого є навушник.

Котушка

Чим більший діаметр котушки, тим чутливіший металошукач, але великі котушки мають свої недоліки, тому потрібно вибрати оптимальні параметри. Для цієї схеми найбільш оптимальний діаметр лежить в межах від 15 до 20 см, діаметр дроту 0,4-0,6 мм, кількість витків 40-50, у випадку, якщо діаметр котушки в межах 20 см. У моєму випадку котушка урізана, витки та діаметр менше, ніж потрібно, тому чутливість схеми не ахти. Якщо планується використовувати металошукач за умов підвищеної вологості, котушку необхідно загерметизувати.

Налаштування

Усі налагоджувальні роботи робляться за відсутності металу у полі зору котушки!

Якщо при першому підключенні схема не реагує на метал, але всі компоненти справні, швидше за все різниця частот із генераторами знаходиться за межами звукового діапазону і звук просто не сприймається людиною. В цьому випадку варто покрутити резистор змінного до появи звукового сигналу. Далі повільно обертаємо той самий резистор до того часу, поки з динаміка не почуємо низькочастотний сигнал, потім трохи обертаємо їх у тому напрямі до повного зникнення сигналу. Цим налаштування завершено.

Для більш точного налаштування раджу використовувати багатооборотний резистор, або два звичайні змінні, один з яких призначений для грубої настройки, а другий для більш плавної. Після налаштування перевіряємо металошукач підносячи до його котушки металевий предмет та переконуємось, що тональність звукового сигналу змінюється, тобто схема реагує на метал.

Ефект дискримінації металів спостерігається у тому випадку, якщо обидва генератори працюють на частоті близько 130-135кГц, при цьому чутливість до чорних металів майже відсутня.

Схему можна живити від постійного джерела з напругою від 3-х до 15 вольт, оптимальний варіант - використовувати 9-вольтову батарейку 6F22, струм споживання схеми в цьому випадку буде в межах від 15 до 30 мА в залежності від опору навантаження.

3.1 МЕТАЛОШУКАЧ ЗА ПРИНЦИПОМ "ПЕРЕДАЧА-ПРИЙОМ"

Терміни "передача-прийом" і "відбитий сигнал" у різних пошукових приладах зазвичай асоціюються з методами типу імпульсної ехо- та радіолокації, що є джерелом помилок, коли йдеться про металошукачі. На відміну від різного роду локаторів, в металошукачах аналізованого типу як сигнал (випромінюваний), що приймається, так і приймається сигнал (відбитий) є безперервними, вони існують одночасно і збігаються по частоті.

3.1.1. Принцип дії

Принцип дії металошукачів типу "передача-прийом" полягає в реєстрації сигналу, відбитого (або, як кажуть, перевипромінюваного) металевим предметом (мішенню), див., стор.225-228. Відбитий сигнал виникає внаслідок на мета змінного магнітного поля передавальної (випромінюючої) котушки металошукача. Таким чином, прилад даного типу має на увазі наявність як мінімум двох котушок, одна з яких є передавальної, а інша приймальною.

Основна принципова проблема, яка вирішується в металошукачах даного типу, полягає в такому виборі взаємного розташування котушок, при якому магнітне поле випромінюючої котушки без сторонніх металевих предметів наводить нульовий сигнал приймальні котушки (або в системі приймальних котушок). Таким чином, необхідно запобігти безпосередньому впливу випромінюючої котушки на приймальню. Поява поблизу котушок металевої мішені призведе до появи сигналу у вигляді змінної е.д.с. у приймальній котушці.

3.1.2. Схеми датчиків

Спочатку може здатися, що в природі існує всього два варіанти взаємного розташування котушок, при якому не відбувається безпосередньої передачі сигналу з однієї котушки в іншу (див. рис.1 а і 16) - котушки з перпендикулярними і осями, що схрещуються.

Рис. 1. Варіанти взаємного розташування котушок датика металошукача за принципом "передача-прийом".

Більш ретельне вивчення проблеми показує, що подібних різних систем датчиків металошукачів може бути скільки завгодно багато, проте вони будуть містити складніші системи з кількістю котушок більше двох, відповідним чином включених електрично. Наприклад, на рис.1 зображена система з однієї випромінюючої (в центрі) і двох приймальних котушок, включених зустрічно по сигналу, що наводиться випромінюючої котушкою. Таким чином, сигнал на виході системи приймальних котушок в ідеалі дорівнює нулю, так як наведені в котушках е.р.с. взаємно компенсуються.

Особливий інтерес представляють системи датчиків із компланарними котушками (тобто розташованими в одній площині). Це пояснюється тим, що за допомогою металошукачів зазвичай проводять пошук предметів, що знаходяться в землі, а наблизити датчик на мінімальну відстань до поверхні землі можливо лише в тому випадку, якщо котушки компланарні. Крім того такі датчики зазвичай компактні і добре вписуються в захисні корпуси типу "млинець" або "літаючої тарілки".

Основні варіанти взаємного розташування компланарних котушок наведено на рис.2а і 26. У схемі на рис.2а взаємне розташування котушок обрано таким, щоб сумарний потік вектора магнітної індукції через поверхню, обмежену приймальною котушкою, дорівнював нулю. У схемі рис.26 одна з котушок (приймальня) скручена у вигляді "вісімки", так що сумарна е.д.с., що наводиться на половинки витків приймальної котушки, розташовані в одному крилі "вісімки", компенсує аналогічну сумарну е.д. с., що наводиться в іншому крилі "вісімки".

Рис. 2. Компланарні варіанти взаємного розташування котушок металошукача за принципом "передача-прийом".

Можливі й інші різноманітні конструкції датчиків з компланарними котушками, наприклад рис.2в. Приймальна котушка розташована всередині випромінюючої. Наведена у приймальній котушці е.р.с. компенсується спеціальним трансформаторним пристроєм, що відбирає частину сигналу випромінюючої котушки.

3.1.3.1. Система котушок з перпендикулярними осями

Розглянемо докладніше взаємодію датчика металошукача з металевою мішенню на прикладі системи котушок з перпендикулярними осями, рис.1 а. Для простоти розглянемо систему з котушками, поздовжніми розмірами яких можна знехтувати. Будемо надаліте, що випромінююча і приймальна котушки є круглі нескінченно тонкі рамки (див. рис.3). Для такої рамки вектор магнітного моменту при протіканні струму має вигляд:

Рис.3. Модель випромінюючої котушки.

Індукція магнітного поля, створюваного тауой рамкою на великій відстані від її центру (див. рис.4), становить:

Рис. 4. Компоненти вектора індукції магнітного поля випромінюючої котушки.

вважаючи, що r>>Ц S , а індекси "n" і "t" позначають відповідно нормальну та тангенціальну складові вектора магнітної індукції.

Розглянемо взаємодію випромінюючої рамки, приймальної рамки та об'єкта у разі котушок з перпендикулярними осями (див. рис.5).

Рис. 5. Взаємне розташування котушок датчика металошукача та об'єкта (мішені).

Кут між віссю симетрії системи котушок і вектором індукції поля В випромінюючої котушки дорівнює 2р, так як силові лінії внаслідок співвідношень (1.2) є колами, і через припущення про малі розміри котушок:

де L – так звана база датчика металошукача (див. рис.5).

3.1.3.2. Відображення сигналу з допомогою провідності об'єкта

Провідний металевий об'єкт, розміри якого поки будемо також вважати невеликими, принаймні, не перевершують r і r" (див. рис.5), з точки зору перевипромінювання магнітного поля, можна представити у вигляді еквівалентної рамки з струмом I * , вектор магнітного моменту якої Рm* практично паралельний вектору індукції випромінюючої котушки.

Розмір Рm* залежить від розмірів провідного об'єкта, його провідності, від індукції поля в точці розташування об'єкта, від частоти випромінюваного поля. Індукція поля перевипромінювання має в центрі приймальної котушки ненульову складову У напрямку вектора нормаліns " , що призводить до появи в цій котушці е.д.с., пропорційної зазначеної складової:

Рис. 6. До розрахунку магнітного моменту еквівалентної кулі.

Для того, щоб вирахувати магнітний моментеквівалентної рамкиРm* , необхідно взяти інтеграл по всьому об'єму об'єкта, що проводить так, щоб підсумувати вклади всіх елементарних кільцевих струмів, наведених полем випромінюючої котушки, в підсумкову величину Рm *. Для простоти будемо вважати, що магнітне поле по всьому об'єму об'єкта, що проводить, однорідно, тобто він видалений на значну відстань від випромінюючої котушки. Щоб не виникало проблем з орієнтацією об'єкта, поки вважатимемо, що він має форму однорідної кулі (див. рис.б). Вважаючи, що об'єкт, що проводить, віддалений на значну відстань і від приймальної котушки, можна записати:

Нехтуючи явищем самоіндукції, вплив якого буде розглянуто нижче, отримуємо:

Щоб врахувати явище самоіндукції, припустимо для простоти, що перевипромінюване поле однорідного всередині об'єкта-мішені і, виходячи з величини магнітного моменту (1.7), становить:

Підставивши у вираз (1.7) В-В"внутр замість В, отримаємо, як і раніше, пропорційну залежність Рm*отВ , але з дещо іншим коефіцієнтом K1:

Складова індукції в центрі приймальної котушки:

У системі декартових координат з початком у середині бази системи котушок (див. рис.7) останній вираз набуває вигляду:

Введемо нормовані координати:

Визначимо з точністю до знака е.д.с., що наводиться у приймальній котушці:

де So - площа перерізу приймальної котушки, N - кількість її витків.

де S - площа перерізу випромінюючої котушки, I - сумарний струм всіх їївитків.

У тривимірному просторі, коли площина XOY не перпендикулярна площині приймальної рамки,

Рис. 7. Система координат.

Рис.8. Орієнтація об'єкта за креном.

3.1.3.3.Відображення сигналу за рахунок феромагнітних властивостей об'єкта

Феромагнітний об'єкт, розміри якого вважатимемо також невеликими, принаймні, не вищими за r і rв (див. рис.5), з точки зору викривлення магнітного поля, можна представити у вигляді еквівалентної рамки зі струмом I*, вектор магнітного моменту якоїРm* практично паралельний вектору індукції випромінюючої котушки.

Величина Рm* залежитьт о т розмірів феромагнітного об'єкта, його магнітної проникності від індукції поля в точці розташування об'єкта. Для того, щоб обчислити магнітний момент еквівалентної рамки Рm*, необхідно взяти інтеграл по всьому об'єму феромагнітного об'єкта так, щоб підсумувати вклади всіх амперових струмів, що виникають у феромагнетиці під дією зовнішнього поля випромінюючої котушки.Для кульового однорідного об'єкта отримаємо:

де В - індукція магнітного поля, m - магнітна проникність матеріалу об'єкта, R – радіус об'єкта – кулі.

Всі вирази, отримані вище для провідного об'єкта, залишаться чинними, якщо в них для даного випадку покласти:

3.1.3.4.Суперпозиція провідних та феромагнітних властивостей об'єкта

Облік одночасно електропровідних та феромагнітних властивостей об'єкта у вигляді кулі призводить до наступного значеннякоефіцієнта K1:

Нормуючий коефіцієнт К4 , що входить у вираз для напруги у приймальній котушці, становить:

Чисельна оцінка (1.23) показує, наприклад, що модулі доданків у виразі при типовій частоті випромінюваного поля 10(кГц) стають співмірними при радіусі кульового об'єкта порядку 1(см) і за умови наявності об'єкта феромагнітних властивостей. Крім того, залежність першого доданку від оператора Лапласа говорить про те, що фаза відбитого сигналу буде змінюватися залежно від співвідношення об'єкта - мішені електропровідних і феромагнітних властивостей, а також від провідності матеріалу та розмірів об'єкта. На цьому явищі ґрунтується принцип дії дискримінаторів сучасних металошукачів, тобто електронних пристроїв, що дозволяють за фазовим зрушенням відбитого від об'єкта сигналу оцінити властивості об'єкта (з певною ймовірністю навіть тип металу).

3.1.3.5. Облік форми об'єкта

Отримані раніше висловлювання, як зазначалося, були справедливі лише форми об'єкта - мішені як однорідного кулі. Очевидно, що вплив об'єктів складнішої форми можна звести до впливу деякої еквівалентної кулі з радіусом Rекв.

Наведена в приймальній котушці напруга, обумовлена ​​проявом тільки феромагнітних властивостей, для кульового об'єкта пропорційно до його обсягу (див. вираз (1.22)). Тому, для не надто протяжних об'єктів складнішої форми, у першому наближенні, можна вважати еквівалентним такий шар, обсяг якого збігається з обсягом феромагнетика у об'єкта складної форми. Для цього випадку:

де V – обсяг феромагнетика.

З напругою, наведеною в приймальній котушці за рахунок перевипромінювання від об'єкта, що проводить, ситуація більш складна. В разі великих об'єктів із хорошою електропровідністювираз (1.9) і відповідно наведене у приймальній котушці напруга також пропорційно обсягу об'єкта (тобто R^3 ) та радіус еквівалентної кулі також обчислюється за формулою (1.25). В разі невеликих об'єктів з поганою електропровідністюінший підхід. І тут загальний вираз (1.9) вироджується окремий випадок (1.8). Розглянемо спочатку вплив кульової порожнини з радіусом Rп всередині кульового об'єкта на Rекв. Скориставшись принципом суперпозиції, представимо результат впливу кульового об'єкта з порожниною як різницю результатів впливу суцільної кулі та кулі з радіусом Rп. Відповідно до (1.8), має місце співвідношення:

На рис.9 наведено графіки залежності R/Rекв від R/D R для порожнистої слабоелектропровідної та для порожньої феромагнітної кулі. З графіка видно, що для не

Рис.9. Вплив товщини стінки порожньої кулі на еквівалентний радіус.

надто тонкостінних куль із слабопровідного матеріалу Rекв» R. Отже, на відміну від феромагнітної кулі і від кулі високої провідності, для слабопровідної кулі, в першому наближенні, байдуже суцільний він або порожнистий. Його вплив на процес перевипромінювання визначається, в основному, лінійним розміром, тобто R. Тому, у разі не надто протяжних поганопровідних об'єктів складнішої форми, у тому числі і порожнистої, у першому наближенні, можна вважати еквівалентною таку кулю, радіус Rекв якої дорівнює половині середнього характерного обсягу об'єкта.

Наведений вище висновок добре підтверджується на практиці у вигляді суттєвого відгуку металошукача від нікчемних за масою уривків металевої алюмінієвої фольги, яка практично трапляється скрізь, де залишила свій слід сучасна цивілізація.

3.1.3.6.Система котушок зі схрещеними осями

Рис. 10. Орієнтація датчика по крену.

Вид уздовж осі датчика металошукача при такому розташуванні котушок наведено на рис.10. Для розрахунку такої схеми зручно скористатися принципом суперпозиції та розкласти вектор магнітного моменту випромінюючої котушки та площу приймальної котушки на вертикальну та горизонтальну складові (проекції, див. рис.11).

Для горизонтальної складової, проекція індукції поля в приймальні котушці Вонбуде як і раніше визначатися співвідношенням (1.4). Проте інша орієнтація магнітного моменту дає (з точністю до знака) результат:

де До 2 визначається за формулою (1.11).

Вертикальна складова індукції поля в приймальній котушці Bov перпендикулярна векторам r і r" і не залежить в явному вигляді від кутів g і b:

Рис.11. Розкладання магнітного моменту та площі приймальної котушки на складові.

ЕРС у приймальній котушці Uo , з точністю до знака, становить:

Звідси отримуємо:

У декартовій системі координат з початком у середині бази системи котушок (див. рис.5) отримаємо:

Ввівши нормовані координати (1.14), отримаємо:

де До 4 обчислюється за формулою (1.19) або (1.24).

3.1.4. Практичні міркування

Чутливістьметалошукача залежить, насамперед від його датчика. Для розглянутих варіантів датчиків чутливість визначається формулами (1.20) та (1.33). При оптимальній для кожного випадку орієнтації орієнтації датчика на об'єкт по куту крену y, вона визначається одним і тим самим коефіцієнтом K4 і функціями нормованих координат F(X,Y) іG(X,Y). Для порівняння, у квадраті ХО [-4,4], YО [-4,4], модулі цих функцій наведені у вигляді аксонометричного набору перерізів у логарифмічному масштабі на рис.12 та рис.13.

Перше, що впадає у вічі - це яскраво виражені максимуми поблизу точок розташування котушок датчика (0,+1) і (0,-1). Максимуми функцій F(X,Y) іG(X,Y) не становлять практичного інтересу і зручності порівняння функцій обрізані за рівнем 0(дБ). З малюнків і з аналізу функцій F(X,Y) іG(X,Y) також видно, що у зазначеному квадраті модуль функції F практично скрізь трохи перевершує модуль функції G, за винятком найвіддаленіших точок по кутах квадрата та за винятком вузької області поблизу Х=0, де у функції F має місце "яр".

Асимптотичне поведінка зазначених функцій далеко від початку координат можна проілюструвати Y=0. Виявляється, що модуль функції F зменшується з відстанню пропорційно х^(-7), а модуль функції G - пропорційно х^(-6). На жаль, перевага функції G за чутливістю проявляється лише на великих відстанях, що перевищують практичний радіус дії

Рис. 12. Графік функції F(X,Y).

Рис.13. Графік функції G(X,Y).

металошукача. Однакові значення модулів F і G виходять за Х» 4,25.

Дуже важливе практичне значення має "яр" функції F. По-перше, він свідчить про те, що датчик системи котушок з перпендикулярними осями має мінімальну (теоретично нульову) чутливість до металевих предметів, що розташовані на його поздовжній осі. Звичайно, до цих предметів відносяться і багато елементів конструкції самого датчика. Отже, відбитий від них марний сигнал буде набагато менше, ніж у датчика системи котушок з осями, що схрещуються. Останнє дуже важливо, враховуючи, що відбитий сигнал від металевих елементів самого датчика може на кілька порядків перевершувати корисний сигнал (через близькість цих елементів до котушок датчика). Справа не в тому, що марний сигнал від металевих елементів конструкції датчика важко компенсувати. Основна складність полягає у найменших змінах цих сигналів, які зазвичай викликаються тепловими та особливо механічними деформаціями зазначених елементів. Ці найменші зміни можуть бути вже зіставні з корисним сигналом, що призведе до невірних показань або помилкових спрацьовувань приладу. " за нульовим значенням сигналу металошукача при точній орієнтації його поздовжньої осі на об'єкт (при будь-яких орієнтаціях по крену). Враховуючи, що площа "захоплення" датчика при пошуку може становити кілька квадратних метрів, остання якість сисТеми котушок з перпендикулярними осями дуже корисно практично (менше марних розкопок).

Наступна особливість графіків функцій F(X,Y) і G(X,Y) - наявність кільцеподібного "кратера" нульової чутливості, що проходить через центри котушок (коло одинично радіусу з центром в точці (0,0)). Насправді ця особливість дозволяє визначати відстань до невеликих об'єктів. Якщо виявиться, що на певній кінцевій відстані відбитий сигнал занулюється (при оптимальній орієнтації по крену) - значить відстань до об'єкта становить половину бази приладу, тобто величину L/2.

Необхідно також відзначити, що діаграми спрямованості по куту крену y для датчиків металошукачів з різним взаємним розташуванням котушок також різняться. На рис.14б наведена діаграма спрямованості приладу з перпендикулярними осями у котушок, а на рис.14а - зі схрещеними. Очевидно, що друга діаграма краща, так має меншу кількість зон нечутливості по крену і меншу кількість пелюсток.

Для того, щоб оцінити залежність наведеної в приймальні котушці напруги від параметрів металошукача та об'єкта, треба проаналізувати вираз (1.19) для коефіцієнта К4. Наведене в приймальні котушці напруга пропорційно (L/2)^6. На величину L/2 нормуються і аргументи функцій F і G, спад яких відбувається з 6-й - 7-м ступенем відстані. Тому, у першому наближенні, за інших рівних умов, чутливість металошукача залежить від його бази.

Рис.14. Діаграми спрямованості по крену датчиків систем котушок:

З осями, що схрещуються (а)

З перпендикулярними осями (б).

Для того щоб проаналізувати селективністьметалошукача, тобто його здатність розрізняти об'єкти, виготовлені з різних металів чи сплавів, необхідно звернутися до виразу (1.23). Металошукач може розрізняти об'єкти по фазі відбитого сигналу. Для того, щоб роздільна здатність приладу за типом металів була максимальною, необхідно відповідним чином вибрати частоту сигналу випромінюючої котушки, так, щоб фаза відбитого від об'єктів сигналу становила близько 45°. Це - середина діапазону можливих змін фази першого доданку (1.23), і там крутизна фазочастотної характеристики максимальна. Другий доданок вирази (1.23) вважаємо нульовим, тому що при пошуку в першу чергу нас цікавить селективність по кольорових металах - неферомагнетика. Звичайно, оптимальний вибір частоти сигналу передбачає знання типового розміру передбачуваних об'єктів. Практично у всіх зарубіжних промислових металошукачах як такий розмір закладено розмір монети. Оптимальна частота становить:

При типовому діаметрі монети 25(мм) її обсяг становить близько 10^(-6) (м^3), що за формулою (1.25) відповідає еквівалентному радіусу близько 0,6(см). Звідси отримуємо оптимальне значення частоти близько 1(кГц) за провідності матеріалу монети 20(н0мЧ м). У промислових приладах частота зазвичай значно вище (з технологічних міркувань).

3.1.5. Висновки

1. На думку автора, система котушок з перпендикулярними осями краще для пошуку скарбів і реліквій, ніж система котушок з осями, що схрещуються. За інших рівних умов перша система має чутливість трохи вище. Крім того, з її допомогою набагато простіше визначити ("запеленгувати") точний напрямок, у якому слід шукати виявлений об'єкт.

2. Розглянуті системи котушок мають важливу властивість, що дозволяє оцінювати відстань до невеликих об'єктів за зануленням відбитого сигналу при відстані до об'єкта, що дорівнює половині бази.

3. За інших рівних умов (розміри та кількість витків котушок, чутливість приймального тракту, величина струму та його частота у випромінюючій котушці), чутливість металошукача за принципом "передача-прийом" практично не залежить від його бази, тобто від відстані між котушками.

3.2 МЕТАЛОШУКАЧ НА БІЄННЯХ

Термін "металошукач на биттях" є відлунням термінології, прийнятої в радіотехніці ще з часів перших супергетеродинних приймачів. Биттями називається явище, що найбільш помітно виявляється при складанні двох періодичних сигналів з близькими частотами і приблизно однаковими амплітудами і полягає в пульсації амплітуди сумарного сигналу. Частота пульсації дорівнює різниці частот двох сигналів, що складаються. Пропустивши такий пульсуючий сигнал через випрямляч (детектор), можна виділити сигнал різницевої частоти. Така схемотехніка тривалий час була традиційною, проте в даний час, зважаючи на розвиток синхронних детекторів, зазвичай не використовується ні в радіотехніці, ні в металошукачах, хоча термін "на биттях" залишився досі.

3.2.1. Принцип дії

Принцип дії металошукача на биттях дуже простий і полягає в реєстрації різниці частот від двох генераторів - один з яких є стабільним по частоті, а інший містить датчик - котушку індуктивності у своєму частотоздатному ланцюзі. Прилад налаштовується таким чином, щоб відсутність металу поблизу датчика частоти двох генераторів збігалися або були дуже близькі за значенням. Наявність металу поблизу датчика призводить до зміни його параметрів і, як наслідок, зміни частоти відповідного генератора. Ця зміна, як правило, дуже мала, проте зміна різниці частот двох генераторів вже суттєво і може бути легко зареєстрована.

Різниця частот може реєструватися різними шляхами, починаючи від найпростішого, коли сигнал різницевої частоти прослуховується на головні телефони або через гучномовець, і закінчуючи цифровими способами вимірювання частоти.

3.2.2. Теоретичні міркування

Розглянемо докладніше датчик металошукача на биття, що складається з однієї котушки (див. рис.15).

Рис. 15. Взаємодія однокатушкового датчика металошукача з об'єктом.

Індукція магнітного поля у центрі котушки становить:

де Pm - магнітний момент, створюваний струмом котушки I, R0 - радіус котушки, S – площа котушки.

За рахунок взаємодії з провідним та/або феромагнітним об'єктом виникає додаткова компонента індукції. Оскільки механізм її появи такий самий, як і в розглянутому раніше випадку металошукача за принципом "передача - прийом", можна скористатися результатами попереднього розділу та записати для додаткової компоненти індукції:

де K 1 - коефіцієнт, що обчислюється за формулою (1.8), (1.9) або (1.23).

Оскільки коефіцієнт K1 - функція комплексна, то й відносну зміну індукції можна позначити як функцію оператора Лапласа:

Таким чином, повний опір котушки датчика металошукача (без урахування омічного опору дроту та міжвиткової ємності) можна уявити як:

де L – індуктивність котушки без впливу об'єкта.

Під впливом об'єкта змінюється повний опір котушки. У металошукачах на биттях ця зміна оцінюється за зміною резонансної частоти коливального LC-контуру, утвореного котушкою датчика та конденсатором.

3.2.3. Практичні міркування

Чутливість металошукача на биття визначається виразами (1.36)-(1.38) і залежить, крім того від параметрів перетворення зміни повного опору датчика в частоту. Як зазначалося, зазвичай перетворення полягає у отриманні різницевої частоти стабільного генератора і генератора з котушкою датчика в частотозадающей ланцюга. Тому, що вище будуть частоти цих генераторів, то більше вписуватиметься різниця частот у відповідь поява металевої мішені поблизу датчика. Реєстрація невеликих відхилень частоти становить певну складність. Так, на слух можна впевнено зареєструвати догляд частоти тонального сигналу щонайменше 10(Гц). Візуально, за миготінням світлодіода можна зареєструвати догляд частоти не менше 1(Гц). Іншими способамиможна домогтися реєстрації та меншої різниці частот, проте ця реєстрація потребує значного часу, що є неприйнятним для металошукачів, які завжди працюють у реальному масштабі часу.

Селективність по металах таких частотах, дуже далеких від оптимальної (1.34), проявляється дуже слабко. Крім того, по зсуву частоти генератора визначити фазу відбитого сигналу практично неможливо. Тому селективністьу металошукача на биттях відсутня.

Позитивною для практики стороною є простота конструкції датчика та електронної частини металошукача на биття. Такий пристрій може бути дуже компактним. Їм зручно користуватися, коли щось вже виявлено більш чутливим приладом. Якщо виявлений предмет невеликий і досить глибоко у землі, він може " загубитися " , переміститися під час розкопок. Щоб багато разів не "переглядати" громіздким чутливим металошукачем місце розкопок, бажано на завершальній стадії контролювати їх хід компактним приладом малого радіусу дії, яким можна більш точно дізнатися місцезнаходження предмета.

3.2.4. Висновки

1 . Металошукачі на биття мають меншу чутливість, ніж металошукачі за принципом "передача-прийом".

2. Селективність за типами металів відсутня.

3.3. ОДНОКАТУШКОВИЙ МЕТАЛОШУКАЧ ІНДУКЦІЙНОГО ТИПУ

3.3.1. Принцип дії

Слово "індукційний" у назві металошукачів даного типу повністю розкриває принцип їхньої роботи, якщо згадати сенс слова "inductio" (лат.) - наведення. Прилад даного типу має у складі датчика одну котушку будь-якої зручної форми, що збуджується змінним сигналом. Поява поблизу датчика металевого предмета викликає появу відбитого (перевипромінюваного сигналу), який "наводить" у котушці додатковий електричний сигнал. Залишається цей додатковий сигнал лише виділити.

Металошукач індукційного типу отримав право на життя головним чином через основний недолік приладів за принципом "передача-прийом" - складності конструкції датчиків. Ця складність призводить або до високої вартості і трудомісткості виготовлення датчика, або його недостатньої механічної жорсткості, що обумовлює появу помилкових сигналів при русі і знижує чутливість приладу. Якщо поставити собі за мету усунути у приладів за принципом "передача-прийом" цей недолік, то можна прийти до незвичайного висновку - випромінююча і приймальна котушки у металошукача повинні бути об'єднані в одну! Справді, вельми небажані переміщення та вигини однієї котушки щодо іншої в даному випадку відсутні, тому що котушка тільки одна і вона одночасно і випромінююча, і приймальна. В наявності також гранична простота датчика. Платою за ці переваги є необхідність виділення корисного відбитого сигналу на тлі значно більшого сигналу збудження випромінюючої/прийомної котушки.

Принципова схема вхідної частини

Виділити відбитий сигнал можна, якщо відняти з електричного сигналу, що є у котушці датчика, сигнал тієї ж форми, частоти, фази і амплітуди, як і сигнал у котушці за відсутності металу поблизу. Як це можна реалізувати одним із способів, показано у вигляді структурної схеми на рис. 16.

Рис.16. Структурна схема вхідного вузла індукційного металошукача

Генератор виробляє змінну напругу синусоїдальної форми з постійною амплітудою та частотою. Перетворювач "напруга-струм" (ПНТ) перетворює напругу генератора Uг на струм Iг , який задається в коливальний контур датчика. Коливальний контур складається з конденсатора і котушки L датчика. Його резонансна частота дорівнює частоті генератора. Коефіцієнт перетворення ПНТ вибирається таким, щоб напруга коливального контуру Uд дорівнювало напрузі генератора Uг (без металу поблизу-датчика). Таким чином, на суматорі відбувається віднімання двох сигналів однакової амплітуди, а вихідний сигнал - результат віднімання - дорівнює нулю. З появою металу поблизу датчика виникає відбитий сигнал (іншими словами, змінюються параметри котушки датчика) і це призводить до зміни напруги коливального контуру Uд. На виході з'являється сигнал, відмінний від нуля.

На рис.16 наведено лише найпростіший варіант однієї із схем вхідної частини металошукачів даного типу, як найпростіший. Замість ПНТ в даній схемі в принципі можливе використання резистора токозадаючого. Можуть бути використані різні мостові схеми для включення котушки датчика, суматори з різними коефіцієнтами передачі по входам, що інвертують і не інвертують, часткове включення коливального контуру, і т.д. і т.п.

У схемі рис. 16 як датчик використовується коливальний контур. Це зроблено для простоти, щоб отримати нульовий зсув фаз між сигналами Uг та Uд (контур налаштований на резонанс). Можна відмовитися від коливального контуру з необхідністю точного налаштування його на резонанс і використовувати як навантаження ПНТ тільки котушку датчика. Однак коефіцієнт передачі ПНТ для цього випадку повинен бути комплексним, щоб скоригувати зсув фази приблизно на 90°, що виникає через індуктивний характер навантаження ПНТ.

3.3.2. Теоретичні міркування

Як зазначалося, металошукач індукційного типу можна як деякий граничний випадок металошукача за принципом " передача-прием " , коли випромінююча і приймальна котушка збігаються. Тому багатьма результатами розділу 1.1 можна скористатися і металошукача індукційного типу. Крім того, від металошукача на биттях індукційний металошукач відрізняється лише способом реєстрації відображеного сигналу, тому деякі результати розділу 1.2 також будуть справедливі для приладу індукційного типу.

Взаємодія котушки металошукача індукційного типу із металевим об'єктом може проілюструвати рис.15. Відбитий сигнал можна оцінити величиною індукції магнітного поля (1.36). На відміну від приладів за принципом "передача-прийом", величина відбитого сигналу при допущенні (1.3) залежить лише від відстані між об'єктом і датчиком, і залежить від орієнтації датчика на об'єкт.

Додаткова напруга, наведена у котушці датчика відбитим сигналом, обчислюється за формулою (1.17), де індукція відбитого сигналу дорівнює (1.36). Без урахування знака ця напруга становить:

де p - оператор Лапласа, I - струм у котушці, r - відстань між датчиком та об'єктом, S - площа котушки, N - число її витків, R - еквівалентний радіус об'єкта, KS - коефіцієнт, що обчислюється за формулою (1.23).

3.3.3. Практичні міркування

Відгук приладу по напрузі на металевий об'єкт, відповідно до формули (1.39), пропорційний назад шостого ступеня відстані. Тобто, він практично такий самий, як і у металошукачів за принципом "передача-прийом". Аналогічний принцип реєстрації відбитого сигналу. Тому теоретична чутливістьіндукційного металошукача така сама, як і у приладів за принципом "передача-прийом".

Теоретичні міркування щодо селективності,наведені у розділі 1.1 для металошукача за принципом "передача-прийом" справедливі і для індукційного металошукача. Селективність визначається коефіцієнтом (1.23), що входить до формули (1.39) для напруги корисного відбитого сигналу.

З конструктивних особливостейслід зазначити простоту конструкціїдатчика металошукача. Платою за простоту, як зазначалося вище, є необходимость.выделения малого корисного сигналу і натомість великого електричного сигналу порушення котушки датчика металошукача. Якщо врахувати, що співвідношення амплітуд цих сигналів може досягати 105...106, то ясно, що для практики це не просте, хоч і цілком вирішуване завдання. СкладністьВирішення цього завдання полягає в тому, що котушка датчика металошукача реагує не тільки на корисний відбитий сигнал, але і на будь-яку зміну її параметрів. На щастя, чутливість до механічних деформацій у датчика індукційного металошукача набагато нижча, ніж у приладів за принципом "передача прийому". Однак виникає специфічна для індукційного металошукача проблема температурної чутливості датчика. Справа в тому, що омічний опір дроту (зазвичай мідного), яким намотана котушка датчика, практично лінійно зростає зі зростанням температури. Викликані неминучими коливаннями температури, ці порівняно повільні зміни повного опору та напруги датчика дуже невеликі власними силами, проте порівняні чи навіть більше, ніж від впливу корисного сигналу. Таким чином, актуальною стає задача компенсації температурного дрейфу повного опору котушки датчика металошукача.

3.4. ІНШІ ТИПИ МЕТАЛОШУКАЧІВ

Перше питання, яке виникає у людини після ознайомлення з вадами та обмеженнями тих чи інших металошукачів, звучить приблизно так: "Які існують інші принципи та прилади на їх основі для дистанційного виявлення металевих предметів?" Питання закономірне, однак відповідь на нього, що наводиться нижче, ймовірно, не сильно порадує допитливого читача.

Імпульсні металошукачі

У розглянутих раніше трьох типах електронних металошукачів відбитий сигнал відокремлюється від випромінюваного. або геометрично - за рахунок взаємного розташування приймальної та випромінюючої котушки, або за допомогою спеціальних схем компенсації. Вочевидь, може існувати й тимчасової спосіб поділу випромінюваного і відбитого сигналів. Такий спосіб широко використовується, наприклад, в імпульсній ехо-і радіолокації. При локації механізм затримки відбитого сигналу обумовлений значним часом розповсюдження сигналу об'єкта і назад. Однак, стосовно металошукачів, таким механізмом може бути і явище самоіндукції в об'єкті, що проводить. Після впливу імпульсу магнітної індукції в об'єкті, що проводить, і деякий час підтримується внаслідок явища самоіндукції загасаючий імпульс струму, що обумовлює затриманий за часом відбитий сигнал. Таким чином, може бути запропонована інша схема металошукача, що принципово відрізняється від розглянутих раніше за способом розділуня сигналів. Такий металошукач отримав назву імпульсного. Він складається з генератора імпульсів струму, приймальної та випромінюючої котушок, пристрої комутації та блоку обробки сигналу.

Генератор імпульсів струму формує короткі імпульси струму мілісекундного діапазону, що надходять у випромінюючу котушку, де вони перетворюються на імпульси магнітної індукції. Так як випромінююча котушка - навантаження генератора імпульсів має яскраво виражений індуктивний характер, на фронтах імпульсів у генератора виникають навантаження у вигляді сплесків напруги. Такі сплески можуть досягати по амплітуді сотень (!) вольт, проте використання захисних обмежувачів неприпустимо, оскільки воно призвело б до затягування фронту імпульсу струму та магнітної індукції та, зрештою, до ускладнення відділення відбитого сигналу.

Приймальна і випромінююча котушки можуть розташовуватися один відносно одного досить довільно, так як пряме проникнення сигналу, що випромінюється, в приймальну котушку і дію на неї відбитого сигналу рознесені за часом. В принципі, одна котушка може виконувати роль як приймальної, так і випромінюючої, проте в даному випадку набагато складніше розв'язати високовольтні вихідні ланцюги генератора імпульсів струму і чутливі вхідні ланцюги.

Пристрій комутації покликаний зробити згадане вище поділ випромінюваного та відбитого сигналів. Воно блокує вхідні ланцюги приладу на певний час, який визначається часом дії імпульсу струму у випромінюючій котушці, часом розрядки котушки та часом, протягом якого можлива поява корот.них відгуків приладу від масивних слабопровідних об'єктів типу ґрунту. Після закінчення цього часу пристрій комутації повинен забезпечити безперешкодну передачу сигналу з приймальної котушки на блок обробкисигналу.

Блок обробки сигналу призначений для перетворення вхідного електричного сигналу зручну для сприйняття людиною форму. Він може бути сконструйований на основі рішень, що використовуються у металошукачах інших типів.

До недоліків імпульсних металошукачів слід віднести складність реалізації на практиці дискримінації об'єктів на кшталт металу, складність апаратури генерації та комутації імпульсів струму та напруги великої амплітуди, високий рівеньрадіоперешкод.

Магнітометри

Магнітометрами називається велика група приладів, призначених для вимірювання параметрів магнітного поля (наприклад, модуля або елементи магнітної індукції). Використання магнітометрів як металошукачі засноване на явищі локального спотворення природного магнітного поля Землі феромагнітними матеріалами, наприклад залізом. Виявивши за допомогою магнітометра відхилення від звичайного для даної місцевості модуля або напрямки вектора магнітної індукції поля Землі, можна впевнено стверджувати про наявність деякої магнітної неоднорідності (аномалії), яка може бути викликана залізним предметом.

Порівняно з розглянутими раніше металошукачами, магнітометри мають набагато більшу дальність. Виявлення залізних предметів. Дуже вражає інформація про те, що за допомогою магнітометра можна зареєструвати дрібні взуттєві цвяхи від черевика на відстані 1(м), а легковий автомобіль – на відстані 10(м)! Така велика дальність виявлення пояснюється тим, що аналогом випромінюваного поля звичайних металошукачів для магнітометрів є однорідне магнітне поле Землі, тому відгук приладу на залізний предмет обернено пропорційний не шостий, а третього ступеня відстані.

Принциповим недоліком магнітометрів є неможливість виявлення за допомогою них предметів із кольорових металів. Крім того, навіть якщо нас цікавить лише залізо, застосування магнітометрів для пошуку важко. По-перше, у природі існує велика різноманітність природних магнітних аномалій найрізноманітнішого масштабу (окремі мінерали, поклади мінералів тощо.) По-друге, магнітометри зазвичай громіздкі і призначені до роботи у русі.

Для ілюстрації марності магнітометрів під час пошуку скарбів і реліквій можна навести такий приклад. За допомогою звичайного компаса, який є простим магнітометром, можна зареєструвати звичайне залізне відро на відстані близько 0,5(м), що саме по собі є непоганим результатом. Проте (!), спробуйте за допомогою компаса знайти те відро, заховане під землею, в реальних умовах!

Радіолокатори

Загальновідомий факт, що за допомогою сучасних радіолокаторів можна знайти такий об'єкт, як літак, на відстані кількох сотень кілометрів. Виникає питання: невже сучасна електроніка не дозволяє створити компактний пристрій, нехай набагато поступається за дальністю виявлення сучасним стаціонарним радіолокаторам, але дозволяє виявляти предмети, що цікавлять нас (див. назву книги)? Відповіддю є ряд публікацій, у яких такі пристрої описані.

Типовим їм є застосування досягнень сучасної мікроелектроніки НВЧ, комп'ютерної обробки отриманого сигналу. Використання сучасних високих технологій практично унеможливлює самостійне виготовленняцих пристроїв. Крім того, великі габарити поки що не дозволяють їх широко застосовувати у польових умовах.

До переваг радіолокаторів слід віднести принципово вищу дальність виявлення відбитий сигнал у грубому наближенні вважатимуться підпорядкованим законам геометричної оптики та її ослаблення пропорційно не шостої і навіть третьої, а лише другого ступеня відстані.

3.3.4. Висновки

1. Індукційні металошукачі поєднують у собі високу чутливість і селективність металошукачів за принципом "передача-прийом" та простоту конструкції датчика металошукачів на биттях.

2. Актуальною стає задача компенсації температурного дрейфу параметрів котушки датчика металошукача.