Мой импульсный металлодетектор на Arduino

Информация предоставлена исключительно в образовательных целях.
Администратор сайта не несет ответственности за возможные последствия использования предоставленной информации.

Плату Arduino можно использовать в импульсном металлодетекторе (Pulse Induction Metal Detector (PI)) и как генератор импульсов, так и для обработки и отображения результатов.

Подробнее о принципах работы аналогового импульсного металлодетектора можно прочитать здесь.

Мой импульсный металлодетектор на Arduino - проект FoxyPI

версия 1 (FoxyPI v1) (устаревшая)
Что нового: первая версия.
Лицензия исходного кода скетча: GNU General Public License v3.0, доступен на Github в репозитарии https://github.com/Dreamy16101976/foxyPIv1.
YouTube
Видео испытаний прототипа:
https://youtu.be/VWCA6jYK5tY

версия 2 (FoxyPI v2) (устаревшая)

Что нового:

  • добавлено усреднение анализируемой длительности импульса катушки по алгоритму "скользящего среднего" (moving average, MA);
  • добавлена возможность настройки длительности импульсов, интервалов между ними, времени задержки и ширины окна скользящего среднего с помощью меню, а также сохранение настроек в EEPROM;
  • добавлено изменение тональности сигнала при изменении длительности импульса катушки;
  • добавлен динамический режим работы металлодетектора;
  • модифицирован драйвер MOSFET;
  • объединены переключатели "+5 В" и "+12 В", а освободившийся переключтель использован для управления подсветкой LCD-экрана;
  • добавлены светодиоды для индикации уровня сигнала.

прошивка
Hex
-файл
прошивки FoxyPI (версия 2.11) для Arduino Nano 3.0 - FoxyPIv2_11.ino.eightanaloginputs.hex.
Как прошить hex-файл в плату Arduino, я описал здесь.

YouTube

Полевые испытания и поиск (26.03.2016) - https://youtu.be/Xk4X6O1646M
Испытания прототипа (4.01.2016) - https://youtu.be/ikJbqUCbyvw

Схема металлодетектора (версия 2) :
схема импульсного металлодетектора

версия 3 (FoxyPI v3)

Что нового:

  • для определения уровня сигнала используется не компаратор, как в предыдущей версии, а АЦП Arduino;
  • два режима поиска - динамический и статический (переключение между режимами по долгому нажатию на кнопку);
  • для повышения стабильности используется интегрирование сигнала;
  • выполняется эмуляция интегратора и фильтра высоких частот;
  • изменены пункты меню;
  • удержание кнопки при включении вызывает вход в меню настроек;
  • нажатие кнопки запускает/останавливает балансировку;
  • используются два уровня аудио- и визуальной индикации вместо четырех.

Дискриминация мишеней в этой версии отсутствует.

Схема металлодетектора (версия 3) :
металлодетектор на Arduino FoxyPi

  • исключаются элементы, связанные с использованием компаратора - R5, R6;
  • для повышения коэффициента усиления ОУ изменен номинал резистора R3 на 320 кОм (составлен из двух резисторов номиналами 220 кОм и 100 кОм);
  • изменена схема питания микроконтроллера.

В схеме металлодетектора две изолированные друг от друга "земли" - аналоговая (значок заземления) и цифровая (значок корпуса).

прошивка
Hex
-файл
прошивки FoxyPI (версия 3.3 от 16.04.2019, первая доступная прошивка версии 3.3) для Arduino Nano 3.0 - FoxyPIv3_3.ino.eightanaloginputs.hex

Elf-файл прошивки FoxyPI (версия 3.3 от 16.04.2019, первая доступная прошивка версии 3.3) для Arduino Nano 3.0 - FoxyPIv3_3.ino.elf

Как прошить hex-файл в плату Arduino, я описал здесь.

YouTube
Видео "воздушных" испытаний в динамическом режиме (7.04.2019, версия 3.2) - https://youtu.be/HzIiA9ws0Ak
Видео "воздушных" и "подземных" испытаний в динамическом режиме (11.04.2019, версия 3.3) - https://youtu.be/GwRvhjCmOE4
Видео "воздушных" испытаний в статическом режиме (13.04.2019, версия 3.3) - https://youtu.be/1ulevNWBZ9A

Внешний вид электронного блока:
электронный блок металлодетектора
вид сверху:
1 - LCD-экран
2 - светодиод
3 - пьезодинамик
4 - кнопка управления
5 - выключатель подсветки LCD-экрана
6 - выключатель питания
7 - светодиоды индикации уровня сигнала

Металлодетектор транспортируется разобранным на три части - блоки электроники и питания с ручкой, штанга, катушка с проводом:
металлодетектор из Arduino

Внешний вид собранного металлодетектора:
импульсный металлодетектор на Arduino

Эксплуатация металлодетектора

Включение и запуск металлодетектора

При включении питания металлодетектора (выключателя 6) сначала запускается отсчет:
импульсный металлодетектор на Arduino

Если при включении удерживать нажатой кнопку (4) до начала отсчета, то затем происходит вход в меню, позволяющее изменить настройки металлодетектора.
Для перехода между пунктами меню требуется короткое нажатие кнопки (4) (при этом загорается зеленый светодиод), а для выбора пункта меню - длинное нажатие кнопки (4) (при этом загорается красный светодиод):
металлодетектор на Arduino
Для перехода между значениями параметра для выбранного пункта меню требуется короткое нажатие кнопки (4) (при этом загорается зеленый светодиод), а для выбора значения параметра - длинное нажатие кнопки (4) (при этом загорается красный светодиод):
самодельный импульсный металлодетектор
Для выхода из меню следует выбрать пункт "EXIT":
импульсный металлодетектор

После завершения отсчета на дисплее (1) отображается сообщение с обозначением устройства и номером версии программного обеспечения ("FoxyPI v3.x"), логотипом, а из пьезодинамика (3) звучит звуковой сигнал с изменяющейся тональностью, соответствующий различным уровням сигнала и сопровождающийся миганием светодиодов:
металлодетектор на Arduino

Обнаружение мишеней с помощью металлодетектора

Затем, если не выбран вход в меню, отображаются текущие настройки прибора:
как сделать металлодетектор
L - длительность импульса (мкс, us)
R -  частота следования импульсов (имп./с, pps)
I  - коэффициент интегратора
F - коэффициент фильтра
S - звук (вкл/выкл, ON/OFF)

Затем выполняется балансировка (zeroing) в статическом режиме:
самодельный металлодетектор

Металлодетектор работает в двух режимах:

  • статический режим (static/non-motion mode) (по умолчанию) - учитывается уровень сигнала, не требует постоянного перемещения катушки (может использоваться как для уточнения расположения мишени (pinpointing), так и как основной режим поиска);
  • динамический режим (dynamic/motion mode) - учитывается динамика изменения сигнала, в процессе поиска катушку необходимо перемещать над поверхностью грунта

При балансировке желательно перемещать катушку (аналогично действиям при поиске - это особенно важно при балансировке в динамическом режиме). Необходимо выполнять автобалансировку над чистым участком грунта (не над мишенью), не содержащем минералы. О мешающем влиянии грунта на импульсный металлодетектор Вы можете прочитать здесь.

Важно стараться перемещать (sweep) катушку параллельно поверхности земли, иначе из-за влияния магнитного поля Земли на катушке будет наводиться некоторое напряжение (EFE - earth field effect), которое может вызвать появление ложных сигналов: даже просто при перемещении катушки над землей:
EFE металлодетектор

При неправильном перемещении поисковой катушки изменяется магнитный поток $\Phi$ через нее:

EFE в металлодетекторе

Это объясняется тем, что магнитный поток определяется выражением:
$\Phi = {B \, S \, sin \, \alpha}$, где $B$ - индукция магнитного поля Земли, $S$ - площадь сечения катушки, $\alpha$ - угол между плоскостью катушки и направлением силовых линий магнитного поля Земли.
На приведенном рисунке в первом положении катушки магнитный поток равен нулю, а при перемещении приобретает ненулевое значение. Из-за изменения магнитного потока через катушку в ней согласно закону электромагнитной индукции наводится ЭДС, которая искажает принимаемый сигнал.

Неаккуратное перемещение катушки увеличивает уровень сигнала на 4000...5000, а энергичное перемещение катушки из горизонтального положения в вертикальное - на 15000...20000.

В процессе автобалансировки устанавливается оптимальная начальная задержка и длительность анализируемого сигнала, а также оценивается динамика сигнала (в динамическом режиме) или уровень сигнала (в статическом режиме), при этом обновление "нулевого" уровня сопровождается коротким звуковым сигналом. При прекращении обновления балансировку можно остановить нажатием кнопки (4). Также балансировку можно запустить/остановить и в процессе работы нажатием кнопки (4). После окончания автобалансировки подается короткий звуковой сигнал и отображается "нулевое" значение (максимальное, в условных единицах).

После этого запускается основной цикл работы металлодетектора, при этом на экране отображается текущий режим (MODE) работы детектора, ZERO - значение "нулевого"  уровня, заданное при балансировке (для статического режима типичные значения 120 000 - 125 000, при изменении длительности импульса от 150 до 250 мкс меняется незначительно), и RX - начальная и конечная точки (диапазон) анализируемого сигнала (типичные значения - 16...43, , при изменении длительности импульса от 150 до 250 мкс меняются незначительно) для длительности импульса 150 мкс) (переключение между режимами выполняется долгим нажатием кнопки (4)):
самодельный импульсный металлоискатель

Признаки неисправностей (нулевой уровень / диапазон)

  • обрыв в катушке - 12250 / 3...4 или 23000 / 2...4
  • неиндуктивная катушка (замена резистором 10 Ом) - 23000 / 0...2 или 1...3

Пример стабилизации уровня в статическом режиме:

Время после включения, мин "Нулевой" уровень
0 127406
0,5 125532
1 125493
1,5 125559
2 124919
5 124350

При обнаружении металлического объекта-"мишени" звучит звуковой сигнал изменяющейся тональности и загорается зеленый светодиод (2), а также зеленый либо красный светодиоды (7). Характер аудиовизуальной индикации меняется в соответствии с динамикой (в динамическом режиме) или уровнем (в статическом режиме) регистрируемого RX-импульса:

Светодиоды Статический режим Динамический режим
индикация сигнала металлодетектора нет мишени нет мишени
индикация сигнала металлодетектора слабый уровень сигнала уровень сигнала уменьшается
индикация сигнала металлодетектора средний уровень сигнала уровень сигнала увеличивается
сильный уровень сигнала -

Сильные помехи на работу металлодетектора оказывают работающие вблизи электронные устройства:

помехи от LCD-телевизора  (ощущаются на расстоянии до метра):
помехи металлодетектору

помехи от КЛЛ (ощущаются вблизи лампы):
помехи на металлодетектор

помехи от магнитного поля включенного в сеть трансформатора проявляются в виде трели - очень частых срабатываний:
помехи для металлодетектора

При эксплуатации прибор должен находиться на удалении от работающих телевизоров, компьютеров, силовых трансформаторов, КЛЛ!

Настройка металлодетектора

Если при включении удерживать нажатой кнопку (4) до начала отсчета, то затем происходит вход в меню, позволяющее изменить настройки металлодетектора.

Структура меню (выделены значения настроек по умолчанию):

  • PULSE LEN - длина импульса (100/150/200/250 us)
  • PULSE FREQ - частота следования импульсов (10/20/30/40/50/60/70/80/90/100 pps)
  • INTEGRATOR K - коэффициент интегратора (5/10/20/30/40/50)
  • FILTER K - коэффициент фильтра (10/20/30/40/50/60/70/80/90/100/110/120/130/140/150/160/170/180/190/200)
  • SOUND - звук (ON/OFF)
  • EXIT - выход из меню

При коротком нажатии на кнопку (4) происходит переход к следующему пункту меню, а при долгом - переход к значениям выбранной настройки.
Короткое нажатие при этом вызовет переход к следующему возможному значению, а долгое - сохранение текущего значения и переход на верхний уровень меню (к списку настроек).

После выбора EXIT происходит выход из меню и сохранение настроек в EEPROM.

Тестирование металлодетектора

Для тестирования металлодетектора при сборке можно загрузить в Arduino тестовую прошивку (для версии 3):

Hex-файл тестовой прошивки FoxyPI (версия 3.T от 24.04.2019) для Arduino Nano 3.0 - FoxyPIv3_TST.ino.eightanaloginputs.hex

Elf-файл тестовой прошивки FoxyPI (версия 3.T от 24.04.2019) для Arduino Nano 3.0 - FoxyPIv3_TST.ino.elf

В тестовом режиме металлодетектор после включения генерирует в поисковой катушке импульс тока длительностью 150 мкс, а затем регистрирует и отображает на экране принятый сигнал. При нажатии кнопки генерируется новый импульс и т.д.

Примеры сигналов:
1 - без мишени, 2 - с мишенью:
тест металлодетектора

Испытания металлодетектора

Испытания металлодетектора я провожу на расчищенной земляной площадке:
испытания металлодетектора

Мишени

Для испытаний используются различные мишени:
мишени для металлодетектора
1 - алюминиевая пластина из "винчестера" (жесткого диска) (толщина 1,3 мм, внешний диаметр 3,75 дюйма, диаметр отверсия 1 дюйм)
2 - российская монета достоинством 5 рублей из  меди, плакированной мельхиором (диаметр 25 мм, масса 6,45 грамма)
3 - золотое колечко

Дальности обнаружения мишеней "в воздухе":

Мишень Дальность обнаружения
в статическом режиме, см
Дальность обнаружения
в динамическом режиме, см
1 >33 >27
2 >15 >12
3 >9 >9

Любопытно, что при наложении друг на друга двух пластин (мишеней 1) дальность обнаружения снижается!

При снижении напряжения батареи дальность обнаружения заметно снижается:
Число батареек Уменьшение дальности обнаружения мишени 1 в статическом режиме, см
10 0
8 2
5 6
В зарубежных металлодетекторах в качестве тестовой мишени часто используется монета Великобритании 10 пенсов - 10p диаметром 24,5 мм, которая ранее (до января 2012 года) изготавливалась из медно-никелевого сплава (медь 75 %, никель 25 %):
10 пенсов
Аналог такой монеты - монета США 25 центов - 25 US cent (U.S. quarter) диаметром 24,26 мм толщиной 1,75 мм массой 5,67 грамма:
25 центов
Заявленная глубина обнаружения таких монет для различных металлодетекторов (max. depth for a US quarter):
Altai Treasure Seeker 2 hobby metal detector - 15 см;
Prestige Metal Detector - 16 см;
Supereye S3000 Metal Detector - 18 см;
EE Treasure Hunter - 20 см.

Дальности обнаружения массивных мишеней в статическом режиме:

Мишень Дальность, см
гантеля 6 кг >50
металлические ворота гаража >100

Изделия из порошкового железа и многие ферритовые детали (1) металлодетектор не обнаруживает, но некоторые изделия из феррита (2) детектируются внутри катушки на расстоянии нескольких см от обмотки:
тест металлодетектора на феррит

При быстром перемещении ферритового магнита внутри катушки возникают ложные срабатывания:
тест металлодетектора

Результат первого поиска в саду с FoxyPI v3.3 (21.04.2019):
находки с металлодетектором

Результат второго поиска в саду с FoxyPI v3.3 (27.04.2019):
поиск с металлодетектором

Про некоторые интересные находки можно прочитать здесь.

Очистка находок от ржавчины

Найденные находки часто покрыты слоем ржавчины (оксида железа Fe2O3).
Для очистки находок от ржавчины можно использовать несколько методов:

химический метод - использование химиката, преобразующего ржавчину в легкоудаляемое (рыхлое) состояние:

  • щавелевая кислота;
  • ортофосфорная кислота.

электролитический метод - наиболее эффективен, применяется в том числе и в археологии:

возможны два режима очистки - анодная  (очищаемый предмет является анодом, очистка производится пузырьками кислорода) и катодная (очищаемый предмет - катод, а очищающий эффект дают пузырьки водорода, которых выделяется в два раза больше, чем кислорода при анодном процессе - подобный процесс используется для получения водорода)

Ниже я опишу применяемый мной катодный способ очистки.

пластиковая или стеклянная (не подверженная коррозии) емкость наполняется:
2 % (по другим сведениями, 5 - 10 %) водным раствором щелочи - едкого натра NaOH;
водным раствором кальцинированной соды  Na2CO3 (1 столовая ложка на три литра воды, но я использую более насыщенный раствор):
катодная очистка
Один электрод (анод) - пластинка из стали, в том числе нержавеющей, листового железа, алюминия или латуни, иногда применяются и угольные электроды. Я использую нержавеющую сталь:
очистка от ржавчины электролизом
Примечание.
Анод из нержавеющей стали выделяет токсичные вещества, латунь способствует выделению меди на катоде, а алюминиевый анод быстро изнашивается.

Анод и катод опускаются в раствор, к аноду подключается "+" источника питания, а к очищаемой детали подключается "-" (я обматываю очищаемый предмет медной проволокой). Начинается процесс электролиза воды, сопровождаемый выделением пузырьков газа и образованием хлопьев ржавчины (на катоде - очищаемом предмете - выделяются пузырьки водорода, разрушающие ржавчину: 4H20 + 4e- = 4OH +2H2):
электролилическая очистка от ржавчины

Ржавчина  в процессе электролиза покрывает анод:
очистка от ржавчины электролизом

После окончания процесса очистки очищаемая деталь оказывается покрыта рыхлым слоем загрязнения, который удаляется металлической щеткой:
убираем ржавчину электролизом

После электролитической очистки находка выглядит так:
электролитическая очистка находок

Осциллограммы

Используя лабораторный стенд, как цифровой осциллограф, я снял ряд осциллограмм:

лабораторный стенд -

стенд для металлодетектора

напряжение на поисковой катушке -

напряжение на катушке металлодетектора

Устройство металлодетектора

Конструктивное исполнение

Штанга

Для штанги металлодетектора я использовал ПВХ-трубу диаметром 25 мм с толщиной стенок 1,6 мм (PN16):
ПВХ труба для металлодетектора

Рукоятка

Рукоятка металлодетектора крепится к  трубе, на которой закреплены электронный блок и блок питания, с помощью компрессионного фитинга:
рукоятка металлодетектора

Электронный блок

В качестве корпуса электронного блока металлодетектора я использовал распределительную коробку Tyco со степенью защиты IP55 (от воды и пыли) из ПВХ c десятью вводами диаметром 30 мм.

Вид внутри электронного блока:

внутренности металлодетектора
На ПВХ-трубе электронный блок закрепляется посредством U-образных держателей, которые фиксируются нейлоновыми стяжками:
закрепление блока на штанге металлодетектора

Блок питания

Для размещения элементов питания я использую распределительную коробку. На ПВХ-трубе блок питания закрепляется посредством U-образных держателей, которые фиксируются нейлоновыми стяжками.

Электроника

Микроконтроллер
Я использую плату Arduino Nano 3.0.

Arduino Nano 3-й версии основана на 8-битном AVR микроконтроллере ATmega328P (32 кБайт Flash, 2 кБайт SRAM, 1 кБайт EEPROM, 3 таймера) (2-й версии - на ATmega168), причем буква "P" обозначает "picoPower".
Arduino Nano

контакты Arduino:

вывод Arduino назначение
D08 выход сигнала генератора импульсов в катушке
D13 выход для подключения светодиода
D11 выход для подключения пьезодинамика
A00 вход АЦП - для ограниченного и усиленного сигнала с поисковой катушки
A01 выход для подключения зеленого светодиода
A02 выход для подключения красного светодиода
D02 вход подключения кнопки
REF вход опорного напряжения для АЦП

ресурсы Arduino:

ресурс Arduino назначение
таймер Timer1 управление MOSFET
таймер Timer2 вывод звука
канал АЦП 0 измерение напряжения сигнала на выходе ОУ

Для сопряжения с USB-портом в моей плате Arduino используется микросхема преобразователя CH340G.

Источники питания

Питание микроконтроллера

Для питания Arduino я использую два соединенных последовательно литий-ионных аккумулятора UltraFire ZX 18650 емкостью 4200 мА·ч каждый:
аккумуляторы UltraFire
Напряжение холостого хода такого полностью заряженного аккумулятора составляет 4,21 В, а на нагрузке 10 Ом через 1 минуту работы - 3,61 В.

Номинальное напряжение такой батареи составляет 7,4 В.

Напряжение батареи 7,4 В преобразуется в напряжение 5 В для питания платы Arduino с помощью интегрального стабилизатора 78L05 (на схеме обозначен VR1):
питание металлодетектора

Питание силовой части

Я использую в качестве источника питания силовой части 10 щелочных батарей размера AA (LR6).

Я оценил некоторые из использованных мной батарей:

Тип батареи Напряжение х.х., В Напряжение
под нагрузкой
(через 1 минуту работы), В
Camelion Plus Alkaline1
батареи Camelion
... ... (10 Ом)
Panasonic Alkaline Power
Panasonic Alkaline Power
... ... (10 Ом)
Duracell Duralock (Alkaline)2
батарейки Duracell
1,54 1,47 (10 Ом)
Ермак (алкалиновые)
батарейки Ермак
1,62 1,43 (10 Ом)
Energizer Max (Alkaline)3
батарейки  Energizer
1,62 1,51 (10 Ом)
Energy (алкалиновые)
батарейки Energy
1,62 1,48 (10 Ом)

1 - номинальная емкость составляет 2700 мА·ч (при непрерывном разряде до 0,8 В током 25 мА)
2 - технология Duralock позволяет сохранять заряд при хранении до 10 лет,
на батарейках при этом на полоске нанесена надпись "DURALOCK":
Duralock
1 - батарейки Duracell, произведенные с использованием технологии Duralock
2 - обычные батарейки Duracell
3 - по данным производителя:
номинальное внутреннее сопротивление (Nominal IR) - 150...300 мОм;
диаграмма зависимости емкости от тока разряда:
емкость батарейки Energizer

Для размещения батарей размера AA я использую батарейный отсек на 10 элементов:
батарейный отсек

Номинальное напряжение такой батареи составляет 15 В.

питание металлодетектора

Катушка L2 предназначена для снижения помех, вызванных импульсами тока поисковой катушки. Диод VD3 шунтирует батарею питания для отрицательных выбросов напряжения, возникающих на индуктивности поисковой катушки, и защищает от неправильной полярности батареи питания. Конденсатор C1 большой емкости является накопителем энергии - играет важную роль при генерации импульсов тока в катушке.

Для подключения источников питания используется четырехконтактный разъем на боковой стороне корпуса электронного блока:
разъем для питания металлодетектора
1 - "+" батареи 15 В
2 - "-" батареи 15 В
3 - "-" батареи 7,4 В
4 - "+" батареи 7,4 В

Катушка

Параметры катушки

Поисковая катушка со средним диаметром $D$ = 25 см (средний радиус $R$ = 12,5 см) и радиусом сечения катушки $a$ = 0,29 см содержит $w$ = 27 витков эмалированного медного (удельное сопротивление $\rho$ = 0,0175 Ом·мм2/м) провода диаметром $d$ = 0,7 мм (радиус провода $r$ = 0,35 мм,площадь сечения провода $S$ = 0,385 мм2):
катушка металлоискателя

Предполагаемое сопротивление катушки $R = {\rho {{\pi D w} \over {S}}}$ = 0,964 Ом, а измеренное составило $R$ = 1,3 Ом:
измерение сопротивления катушки металлодетектора

Для вычисления индуктивности такой катушки существует несколько формул.

 индуктивность катушки металлодетектора

приближенная формула:

$L = {{w^2}{{\mu}_0}R[{ln({{8R} \over a})}-2]}$ ,

 где $a$ - радиус сечения катушки.

Эта формула приведена в книге [F. W. Grover, Inductance Calculations: Working Formulas and Tables, New York: Dover, 1946].

Для моей катушки:
$L$ = 440 мкГн.

более точная формула:

$L = {{{\mu}_0} \over {4 \pi}} {w^2} D \Phi $, где $\Phi$ - вспомогательный коэффициент:
$\Phi = {2 \pi  [{(1 +  {{{\gamma}^2} \over 2} )} {ln ({4 \over \gamma})} - 1,75 + {{{\gamma} ^2} \over 6} ] } $, где $\gamma = {a \over D}$, $a$ - радиус сечения катушки

Эта формула используется в плагине multiloop для программы Coil32 (http://coil32.net/multi-winding-round-loop.html) для расчета индуктивности многовитковой круглой катушки с круговым сечением (англ. multi-winding round loop with round cross-section).

Для моей катушки:
$\gamma$ = 0,0116;
$\Phi$ = 25,7;
$L$ = 468 мкГн.

интегральная формула:

$L = {{\mu}_0} {w^2} {\pi} R {{\int_0^{1-{a \over R}}} B_{rel}({\rho}) {\rho} \, {d{\rho}} } $,

где $B_{rel}({\rho}) = { {1 \over \pi} {\int_0^{\pi}} {{1 - {{\rho} cos {\phi} }} \over {{(1+{{\rho}^2}-2{\rho}cos{\phi})}^{3 \over 2}}} \, d{\phi}   }$ - относительная магнитная индукция в плоскости катушки на расстоянии ${\rho} \over R$ по сравнению с индукцией в центре катушки, $a$ - радиус сечения катушки

Магнитное поле катушки

При протекании по такой катушке тока $I$ в точке на оси катушки, находящейся на расстоянии $z$ от плоскости катушки, создается магнитное поле, напряженность которого определяется известным выражением:

$H = {w {I \over 2} {{R^2} \over {{(R^2 + z^2)}^{3 \over 2}}}}$

Если принять внутреннее сопротивление одной батарейки как 0,3 Ом, ЭДС - 1,45 В, то для десяти батареек общая ЭДС $E$ составит 14,5 В, а общее сопротивление $R$ цепи с учетом сопротивления поисковой катушки 1 Ом составит 4 Ом. Принимая индуктивность катушки, равной 450 мкГн, получаем, что за длительность $T$ импульса, равную 150 мкс, ток в катушке достигнет значения ${E \over R} (1 - e^{-{T R}\over L}) = 2,7 А$.

Конструкция катушки

Для защиты катушки можно использовать гофрированный шланг для электропроводки (обычно серого цвета) который разрезается вдоль:
защита катушки металлодетектора
В него вставляется катушка, а затем он скрепляется изоляционной лентой. Катушка закрепляется в монтажной коробке с помощью термоклея и нейлоновых стяжек.
Катушка закрепляется на штанге с помощью компрессионного фитинга, резьбовая часть которого вкручена в полипропиленовую трубку диаметром 26 мм, закрепленную на крышке монтажной коробки с помощью нейлоновой стяжки и термоклея:
узел поисковой катушки

Для подключения катушки используется двухконтактный разъем на боковой стороне корпуса:
разъем для поисковой катушки

Генератор
Для выдачи импульсов я использую цифровой вывод D08, установив его как "выход" (цифровой вывод D08 соответствует выводу PB0 микроконтроллера ATmega) .
Для ускорения я использую не команду digitalWrite, а прямую запись в порт, что быстрее примерно в 10 раз!

Соответствие цифровых выводов Arduino и выводов портов ATmega

цифровой вывод Arduino вывод порта ATmega
D00 PD0
D01 PD1
D02 PD2
D03 PD3
D04 PD4
D05 PD5
D06 PD6
D07 PD7
D08 PB0
D09 PB1
D10 PB2
D11 PB3
D12 PB4
D13 PB5

Временные параметры генератора задаются через меню настроек при включении прибора.

Силовая часть

Так как напряжение на MOSFET-е при его выключении резко возрастает (из-за индуктивности катушки), то транзистор может перейти в режим лавинного пробоя ("avalanche breakdown"). Это происходит, если напряжение "сток-исток" $V_{DS}$ на MOSFET-е превышает его напряжение пробоя $V_{DS (BR)}$.
Для современных транзисторов работа в этом режиме является штатной (они маркируются как "Repetitive Avalanche Rated" или "100% AVALANCHE TESTED"). При этом важно учитывать такие лавинные характеристики транзистора как максимальный повторяющийся лавинный ток $I_{AR}$ и максимальная энергия повторяющегося лавинного пробоя $E_{AR}$.
Необходимо, чтобы максимальный ток в катушке перед выключением не превышал значения $I_{AR}$, а максимальная энергия, запасенная в катушке, не превышала значения $E_{AR}$. Энергия магнитного поля катушки определяется как ${E_M} = {{{L {I^2}} \over {2}}}$ (например, для катушки индуктивностью $L$ = 700 мкГн с током $I$ = 3 А энергия составит 3,2 мДж).

Параметры некоторых MOSFET:

Наименование $V_{DS (BR)}$, В $I_{AR}$, А $E_{AR}$, мДж
IRF540 100 28 15
IRF740 400 10 13
IRF840 500 8 13
FQP12N60C 600 12 22,5

Я использую MOSFET IRF840, обладающий подходящими характеристиками:
характеристики IRF840

Цоколевка IRF840:
цоколевка IRF840
G - затвор, D - сток, S - исток

При лавинном пробое транзистора затухающий ток катушки проходит по участку "сток-исток MOSFET-а - батарея питания", обладающему малым сопротивлением, что приводит к замедлению затухания тока.

драйвер MOSFET

Управление MOSFET осуществляется с помощью оптопары PC817C (обладает быстродействием 3...4 мкс, выдерживает выходной ток 50 мА и напряжение в закрытом состоянии до 35 В) и дискретной транзисторной схемы:

цоколевка PC817:
цоколевка PC817

цоколевка BC547/BC557:
цоколевка BC547 BC557
C - коллектор, B - база, E - эмиттер

драйвер MOSFET для металлодетектора

Подобный драйвер описан в статье http://radiohlam.ru/raznoe/driver_polevikov.htm.

Я исследовал характеристики такого драйвера (при подаче на светодиод оптодрайвера напряжения 5 В через резистор 470 Ом):
ток потребления во "включенном" состоянии (MOSFET открыт) очень мал, в "выключенном" (MOSFET закрыт) - меняется от 5,8 до 12 мА при росте напряжения питания от 7 до 15 В; напряжение на выходе драйвера составляет 12,15 / 1,83 В ("вкл"/"выкл") при напряжении питания 13 В.

Детектор

В основе работы импульсного металлодетектора лежит принцип электромагнитной индукции - Electromagnetic Pulse Induction (EMI).

Схема детектора моего металлоискателя:
детектор металлоискателя

Сигнал с поисковой катушки $L1$ через токоограничивающий резистор $R2$ поступает на включенные встречно-параллельно диоды $VD1$ и $VD2$, ограничивающие величину сигнала до ~ 1 В. Это ограничение не вносит заметной погрешности, так как для детектирования "мишени" имееет значение "хвостик" сигнала, напряжение на котором составляет малые доли вольта (вплоть до милливольт) - подтверждено моделированием:
ограничительные диоды металлодетектора

Такой слабый сигнал для надежного детектирования необходимо усилить, для чего я использовал операционный усилитель $OP1$ LM358N, включенный по традиционной схеме неинвертирующего усилителя. Коэффициент усиления определяется выражением $1+ {R3 \over R4}$, при указанных номиналах элементов он составляет 570.

Особенностью ОУ LMx58 является возможность однополярного питания (single supply) - в отличие от, например, LM318, LF356, LF357 не требуется источник отрицательного напряжения.
Цоколевка LM358N (N - в DIP-корпусе):
 цоколевка LM358

Вид сигнала на выходе ОУ:
сигнал металлодетектора

Для обработки сигнала с поисковой катушки я использую встроенный в микроконтроллер ATmega аналого-цифровой преобразователь.

На опорный вход АЦП VREF подается опорное напряжение uref, равное 1,235 В, которое берется с эталонного источника LM385Z-1.2 (используется режим работы АЦП EXTERNAL).
Цоколевка LM385Z:
цоколевка LM385Z

На сигнальный вход АЦП ADC In подается усиленное операционным усилителем напряжение сигнала с поисковой катушки, ограниченное диодами VD1 и VD2. АЦП дискретизирует сигнал с катушки в виде последовательности чисел (fast-time signal) со значениями 0 (минимальный уровень, 0 В)...1023 (максимальный уровень uref).

Наличие мишени вблизи катушки проявляется следующим образом:
(1023 - уровень сигнала, соответствующий перегрузке АЦП)
реакция металлодетектора на мишень

  • смещение точки A вправо;
  • увеличение интервала A-B;
  • смещение кривой вверх.

Сравните этот график сигнала с приведенным выше:
работа импульсного металлоискателя

Для определения наличия мишени выполняется вычисление суммы (slow-time signal) заданного числа дискретизированных уровней сигнала, расположенных на одинаковых интервалах друг от друга, во временном "окне" (evaluation window). При этом значения, расположенные ранее заданной при балансировке начальной точки, не учитываются (для повышения чувствительности).
самодельный металлодетектор на Arduino
Затем выполняется интегрирование последовательности получаемых суммарных значений (интегратор эмулируется программно). Параметром фильтра является коэффициент $K$, который равен числу импульсов, приходящихся на постоянную времени интегратора.
Уровень сигнала на выходе интегратора анализируется в статическом режиме работы металлодетектора.

При работе металлодетектора в динамическом режиме результаты интегрирования дополнительно проходят через фильтр высоких частот (high-pass filter, HPF), который эмулируется программно. Параметром фильтра является коэффициент $K$, который показывает, во сколько раз частота следования импульсов больше частоты среза фильтра.
На выходе фильтра получается сигнал, характеризующий динамику изменения RX-сигнала.

При превышении выходным сигналом порога - "нулевого" уровня, заданного при балансировке, срабатывает триггер - мишень считается обнаруженной и реализуется аудиовизуальная индикация.

Звуковая индикация

Я использую для звуковой индикации пьезоэлемент от автономного пожарного извещателя. Громкость звучания пьезоэлемента весьма причудливым образом зависит от частоты сигнала. Я смог найти набор частот 900 (самый слабый сигнал) )- 1000 - 1100 (самый сильный сигнал), для которых громкость звучания увеличивается. Для управления звучанием пьезоэлемента, подключенного к контакту 11 платы, я используют таймер 2 Arduino.

Беззвучный режим (только светодиодная индикация) может быть активирован через меню настроек при влючении прибора.

Визуальная индикация

Для индикации я использую LCD-дисплей от мобильного телефона Nokia 5110:
Nokia 5110
Дисплей для этого телефона - монохромный c разрешением 84×48:
дисплей Nokia 5110
Контроллер дисплея - Philips PCD8544.
Подключение дисплея:

Вывод дисплея Вывод Arduino Назначение вывода дисплея
RST D10 сброс контроллера дисплея
CE (или CS) D09 разрешение ввода данных в контроллер дисплея
DC D05 режим ввода - данные/команды
Din D04 данные шины SPI
CLK (или SCLK) D03 команды шины SPI
VCC * напряжение питания (2,7 ... 3,3 В)
BL ** подсветка
GND GND "земля"

Существует два варианта дисплея LCD 5110 - с синим (именно такой я использую) или красным текстолитом:
дисплей Nokia 5110  дисплей Nokia 5110

* напряжения питания контроллера -
синий - строго 3,3 В (можно подключить к выводу 3V3 Arduino)
красный - по некоторым непроверенным сведениям выдерживает напряжение питания 5 В (можно питать от выводов 5V или 3V3 Arduino)
** напряжение питания подсветки -
синий - на вывод подсветки можно подать напряжение 3,3 или 5 В
красный - на вывод подсветки подключается "земля" (?)
Проблемой такого дисплея является ненадежный контакт ЖК-панели с печатной платой посредством соединителя ZEBRA, который устраняется, например, припаиванием проводника, прижимающего панель к плате - как рекомендовано здесь:
экран LCD 5110
Если эту проблему не устранить, то она приводит к "почернению" экрана, требующей повторной инициализации.

Для работы с таким дисплеем в Arduino я использую библиотеку Adafruit-PCD8544 от Adafruit Industries.

Выключатель (5) управляет подсветкой экрана. При хорошем внешнем освещении подсветку дисплея можно не использовать, так как она потребляет заметную мощность.

Дискриминация мишеней

Вихревые токи затухают из-за наличия электрического сопротивления у "мишени". Это затухание описывается экспоненциальным законом $i = k H_0 {e^{ {-t} \over \tau}}$. Коэффициент $k$ определяется формой и размерами "мишени".  Постоянная времени $\tau = {L G} = {L \over R}$, определяющая длительность протекания вихревых токов, определяется электрической проводимостью материала мишени $G$ (или сопротивлением $R$) и ее индуктивностью $L$.
В таблице я привел относительную электрическую проводимость различных материалов по отношению к  золоту:

Материал  серебро Ag медь Cu золото Au алюминий Al железо Fe платина Pt
Отн. проводимость 1,5 1,4 1 0,86 0,24 0,23

Вихревые токи применяются для исследования свойств материалов посредством измерения электрической проводимости, так как материалы имеют уникальное значение проводимости в зависимости от их состава и способа изготовления. В качестве стандарта используется при этом значение проводимости химически чистой меди при температуре 20 ºC - стандарт International Annealed Copper Standard (IACS) - удельное сопротивление 1,7241x10-8 Ом·м или 5,8001x107 См/м (100% IACS). Железо, например, имеет значение проводимости, равное 18% от проводимости меди.

Как утверждается (например, в статье исследователя Reg Sniff), мишени из золота или из тонкой фольги имеют очень малую постоянную времени и вихревые токи в них быстро затухают, в отличие от мишеней из железа, меди или серебра.

Начальная напряженность магнитного поля $H_0$ определяется начальным током в катушке и уменьшается по кубическому закону $1 \over {h^3}$ при удалении от катушки. Величина напряженности магнитного поля $H_0$ вдоль оси катушки на расстоянии $z$ от ее центра, создаваемого током $I_0$,  определяется выражением: ${H_0} = { {w {R^2} {I_0}} \over {2   { {({R^2}+{z^2})}^{3 \over 2} } } }$.

Вихревые токи создают собственное затухающее магнитное поле, которое наводит экспоненциально затухающее (с той же постоянной времени $\tau$) напряжение в поисковой катушке. Величина этого напряжения уменьшается как шестая степень расстояния $1 \over {h^6}$ при удалении "мишени" от катушки. Это приводит к удлинению импульса напряжения на поисковой катушке, что и регистрируется металлодетектором.

Дополнительный анализ кривой сигнала (напряжения на поисковой катушке) может быть выполнен с целью дискриминации (выделения разных типов) мишеней. Наклон кривой в ее начале можно оценить отношением $K = {{x_t} \over {x_{t+{\Delta}t}}}$ величин выборок, отделенных, например, пятью интервалами (${\Delta}t=5$). При этом постоянная времени определяется выражением: ${\tau} = {{{\Delta}t} \over {ln K}}$

Для иссследования вихревых токов могут использоваться программные пакеты для моделирования электромагнитных процессов. В качестве примера можно привести моделирование электромагнитного тормоза на вихревых токах в пакете COMSOL Multiphysics (описание - https://www.comsol.com/blogs/simulating-eddy-current-brakes/):
моделирование вихревых токов

Существуют отрицательные мнения по поводу возможности эффективной дискриминации для импульсных металлодекторов.

"The most reliable discriminator is you, by digging the target!" (http://www.gold-prospecting-wa.com) - "Самый надежный дискриминатор - это вы, при выкапывании мишени".

В книге "Subsurface Sensing" авторов Ahmet S. Turk, Koksal A. Hocaoglu, Alexey A. Vertiy
Subsurface Sensing
приведены следующие утверждения:

дискриминация в импульсном металлодетекторе

"Важнейшим недостатком импульсных металлодетекторов является невозможность лёгкой дискриминации между различными типами металлов. ... Если размеры и глубина детектируемых металлических объектов  различны и неизвестны, то в общем случае невозможно определить тип металла".

В качестве примера импульсного металлодетектора, для которого заявлена возможность дискриминации (ферромагнитные (FERROUS)/неферромагнитные (N-FERROUS) материалы), можно привести модель PULSE STAR II.
Особенности дискриминации в таком детекторе:

  • возможна только для мишеней не менее 10 см в диаметре (в отличие от VLF/TR-детекторов, которые обладают способностью дискриминации даже для маленьких объектов);
  • объекты меньшего размера отображаются как ферромагнитные;
  • несколько маленьких неферромагнитных объектов отображаются как один большой ферромагнитный.

Моя статья на Хабре о применении нейросети для дискриминации в импульсном металлодетекторе - https://habr.com/ru/post/435884/

Обсуждение проекта FoxyPI

Arduino Project Hub

Амперка

Работа над проектом продолжается

Яндекс.Метрика