Импульсный металлодетектор

высокое напряжение 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.
законодательство о металлодетекторах 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:
    TR металлодетектор
    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

диаграммы для катушки 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.
генератор для металлодетектора
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 намотана "внавал" медным проводом диаметром 1,4 мм. Сопротивление катушки составляет ~ 0,3 Ом.
катушка металлодетектора
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.

поисковая катушка металлодетектора
собранная катушка
Нижеприведенная схема применяется в металлодетекторах PIRAT, BM8042 - КОЩЕЙ-5И, White's Surfmaster PI.
узел поисковой катушки
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
модель PIRAT для LTspice
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 таймера в металлоискателе
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:
напряжение на MOSFET в PIRAT
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:
моделирование металлодетектора
На вышеприведенном графике видна линейная зависимость пика импульса напряжения на катушке от напряжения питания.

вихревые токи в мишени
токи в катушке и мишени

щелкните мышкой по рисунку для просмотра в крупном масштабе
результаты моделирования металлодетектора

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 поисковой катушке
импульс напряжения на катушке

О применении Arduino в таком металлодетекторе Вы можете прочитать здесь.

Находки

Результаты применения импульсного металлодетектора при поиске:
находки

находки

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.

 

Яндекс.Метрика