Текст книги "Металлоискатели"

2.6. Металлоискатель МИ-2

В первой половине 70-х годов прошлого столетия в Советском Союзе был разработан и серийно выпускался металлоискатель МИ-2, который широко использовался в народном хозяйстве. Схема и конструкция этого прибора неоднократно дорабатывались и усовершенствовались. Один из известных вариантов металлодетектора МИ-2 можно рекомендовать начинающим радиолюбителям для повторения.

Принципиальная схема

Как и некоторые рассматривавшиеся ранее конструкции, металлодетектор МИ-2 представляет собой один из многочисленных вариантов прибора типа BFO (Beat Frequency Oscillator), то есть является устройством, в основу которого положен принцип анализа биений двух частот. При этом в данной конструкции оценка изменения частоты осуществляется на слух (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Принципиальная схема металлоискателя МИ-2

Основу схемы прибора составляют измерительный и опорный генераторы, емкостной каскад, эмиттерный повторитель, триггер Шмитта и головные телефоны.

Измерительный генератор выполнен на транзисторе Т1, включенном по схеме с общей базой. Рабочая частота этого генератора определяется параметрами колебательного контура, который состоит из поисковой катушки L1 и конденсаторов С3, С4. Напряжение обратной связи, необходимое для самовозбуждения, подается с коллектора транзистора Т1 в цепь эмиттера через емкостной делитель С3, С4. В результате на выходе измерительного генератора формируется синусоидальный сигнал с частотой 510 кГц.

Опорный генератор выполнен на транзисторе Т6 по схеме, аналогичной схеме измерительного генератора. Рабочая частота этого генератора определяется параметрами колебательного контура, который состоит из катушки L3 с латунным подстроечным сердечником и конденсаторов С12, С13 и С14.

Колебания с опорного и измерительного генераторов через конденсаторы С5 и С11 поступают на вход смесителя, который выполнен на транзисторе Т2. В коллекторную цепь транзистора Т2 включен контур, состоящий из катушки L2 и конденсатора C6, в котором выделяются колебания разностной частоты.

Поисковая катушка L1, входящая в состав колебательного контура измерительного генератора, является датчиком, реагирующим на появление в зоне действия прибора металлических предметов. При приближении катушки L1 к такому предмету происходят изменение ее индуктивности и, как следствие, изменение частоты сигнала измерительного генератора. В результате частота сигнала на выходе смесительного каскада также изменится. Поскольку контур смесителя, выполненный на элементах L2 и C6, настроен на разностную частоту колебаний измерительного и опорного генераторов при отсутствии металлических предметов, изменение частоты сигнала приведет и к уменьшению амплитуды сигнала на выходе смесителя. Рабочая частота контура смесителя составляет 1 кГц.

Далее выделенный сигнал подается на эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе Т3 и служащий для согласования триггера Шмитта со смесителем.

Триггер Шмитта выполнен на транзисторах Т4, Т5 и представляет собой электронное реле, реагирующее на изменение амплитуды входного сигнала. Режимы работы транзисторов Т4 и Т5 выбраны таким образом, чтобы триггер срабатывал при напряжении сигнала на входе более 0,5 В. Формируемый акустический сигнал подается на головные телефоны BF1.

Питание металлоискателя осуществляется от источника В1 напряжением 9 В, при этом потребляемый ток не превышает 4–5 мА.

Детали и конструкция

Конструктивно металлодетектор МИ-2 состоит из двух блоков. В состав блока поиска входят элементы, образующие измерительный генератор, в состав блока индикации – опорный генератор, емкостной каскад, эмиттерный повторитель и триггер Шмитта. Оба блока соединены между собой экранированным кабелем.

К используемым при сборке металлоискателя МИ-2 деталям не предъявляются какие-либо особые требования. Единственное ограничение связано лишь с габаритными размерами, поскольку большая часть деталей прибора смонтирована на двух сравнительно небольших печатных платах.

Детали блока поиска размещены на печатной плате размерами 70х35 мм, выполненной из одностороннего фольгированного гетинакса или стеклотекстолита (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Печатная плата блока поиска металлоискателя МИ-2 (а) и расположение элементов на ней (б)

Детали блока индикации размещены на печатной плате размерами 150х75 мм, также выполненной из одностороннего фольгированного гетинакса или стеклотекстолита (рис. 2.14).

Рис. 2.14. Печатная плата блока индикации металлоискателя МИ-2 (а) и расположение элементов на ней (б)

В выпускавшемся серийно металлоискателе МИ-2 использовались резисторы типа МЛТ-0,125, конденсаторы С1, С2, С8, С9, С15 и С16 – типа КЛС-1; С5, С11, С13 – КСО-1; конденсаторы С3, С4, С12, С14 – типа КСО-2; С6 – МБМ или МБМ-2; электролитические конденсаторы С7 и С10 – типа К50-3. Естественно, при повторении данного устройства можно использовать любые аналогичные детали из современной элементной базы. В качестве источника акустического сигнала подойдут головные телефоны типа ТОН-1.

Поисковая катушка L1 выполнена в виде кольца диаметром около 300 мм. Витки катушки заключены в электростатический экран из дюралюминиевой трубки диаметром 8 мм и толщиной стенок 1 мм. Для изготовления катушки необходимо сделать жгут из десяти кусков провода ПЭВ-2 диаметром 0,96 мм и длиной 1250 мм. Сначала жгут нужно протащить в полихлорвиниловую трубку длиной 1000 мм, а затем – в дюралюминиевую трубку длиной 960 мм. Дюралюминиевую трубку с находящимися в ней проводами надо изогнуть по шаблону в кольцо. В качестве экрана можно использовать и обычную алюминиевую фольгу. Куски проводов соединяются последовательно с помощью распайки на колодке, установленной в корпусе блока поиска.

При изготовлении катушки L1 нужно особенно внимательно следить за тем, чтобы не произошло замыкание концов экранирующей трубки, поскольку в этом случае образуется короткозамкнутый виток. Поэтому концы экрана желательно изолировать резиновой трубкой.

Катушка L2 смесителя наматывается на кольцевом ферритовом сердечнике М2000 НМ-А-К38х24х7. Она имеет 200 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,47 мм и установлена на печатной плате блока индикации.

Катушка L3 опорного генератора содержит 135 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,1 мм, которые наматываются на каркасе диаметром 7–9 мм с подсторечным сердечником, изготовленным из латуни. При необходимости с подробным описанием специальной конструкции катушки L3 можно ознакомиться в журнале «Радио» № 4 за 1973 год.

Корпус блока поиска выполнен из дюралюминия. Поисковая катушка L1 и блок поиска закреплены на нижней части специальной ручки. Корпус блока индикации также изготовлен из дюралюминия. На крышке корпуса устанавливаются разъем для подключения блока поиска (на принципиальной схеме не указан), выключатель S1, а также разъем Х1 для подключения головных телефонов BF1. В крышке также должно быть отверстие для ручки регулировки катушки L3.

В качестве источника питания В1 можно использовать, например, две батарейки 3336Л, соединенные последовательно.

Налаживание

Основными этапами при налаживании металлоискателя МИ-2 являются установка порога срабатывания триггера и выбор частоты опорного генератора.

Порог срабатывания триггера устанавливается с помощью подбора сопротивления резистора R11. Для этого следует отпаять от коллектора транзистора Т2 вывод конденсатора С8 и подать на этот конденсатор сигнал от звукового генератора напряжением 0,5 В с частотой 1 кГц. Величину сопротивления резистора R11 необходимо подобрать такой, чтобы при незначительном уменьшении амплитуды сигнала звукового генератора звук в головных телефонах исчезал, а ток коллектора транзистора Т5 становился равным нулю.

Грубая настройка частоты сигнала, формируемого опорным генератором, выполняется подбором емкости конденсатора С12. Более точно значение частоты устанавливается подбором емкости конденсатора С18. Указанные регулировки следует проводить в условиях, когда металлические предметы удалены от поисковой катушки L1 на расстояние не менее 1,5 м. Частота опорного генератора определяется с помощью частотомера или осциллографа. При этом конденсатор С11 должен быть отпаян от эмиттера транзистора Т6.

Затем необходимо установить среднюю частоту опорного генератора. Для этого следует восстановить соединение конденсатора С11 с эмиттером транзистора Т6, блок поиска отсоединить от блока индикации и частотомером измерить частоты опорного генератора при установке ручки настройки катушки L3 в крайние положения. Средняя частота опорного генератора определяется как среднее арифметическое значений измеренных частот. При необходимости величины емкостей конденсаторов С12 и С13 подбираются так, чтобы средняя частота опорного генератора отличалась от частоты измерительного генератора на 1 кГц.

После настройки частот измерительного и опорного генераторов вращением подстроечного сердечника катушки L3 на выходе смесительного каскада надо установить уровень напряжения сигнала немного более 0,5 В. В этом случае с частотой поступающего сигнала триггер будет переключаться, а в головных телефонах будет слышен звуковой сигнал.

Порядок работы

Проведение поисковых работ с помощью металлоискателя МИ-2 не имеет каких-либо особенностей. Если в зоне действия данного прибора окажется металлический предмет, то при приближении к нему поисковой катушки L1 в головных телефонах будет прослушиваться тон изменяющейся частоты, спадающий по громкости. Если катушку еще приблизить к металлическому предмету, то напряжение сигнала на выходе смесителя станет меньше порога срабатывания триггера. Триггер перестанет переключаться, а звуковой сигнал в головных телефонах исчезнет.

При необходимости в процессе поиска можно осуществлять подстройку металлодетектора на частоту биений, регулируя положение сердечника катушки L3.

В соответствии с данными, полученными при практическом использовании металлоискателя МИ-2, крупные металлические предметы (например, крышку колодца) можно обнаружить на расстоянии 600–800 мм, мелкие (например, отвертку) – на расстоянии 70-100 мм, а на монеты средней величины прибор начинает реагировать с расстояния 30–50 мм.

2.7. Металлоискатель с кварцем

Как уже указывалось ранее, металлоискатели, работа которых основана на оценке девиации частоты биений (BFO), обладают сравнительно малой чувствительностью при поиске металлов со слабыми ферромагнитными свойствами (медь, олово, серебро и т. п.). Поскольку разность частот (биения) малозаметна при использовании обычных методов индикации, повысить чувствительность металлодетекторов BFO довольно сложно.

Естественно, такая ситуация стала хорошим стимулом для поиска иных схемотехнических решений. Много лет назад автором был изготовлен прибор, в основу которого легла схема оригинального устройства, опубликованная в журнале «Radio-Electronics» (1967, № 11). Основным элементом, с помощью которого осуществлялся анализ наличия металлических предметов, был кварц. При этом результаты анализа оценивались визуально.

Принципиальная схема

Предлагаемая вниманию читателей конструкция представляет собой один из вариантов металлодетекторов типа FM (Frequency Meter), то есть является устройством, в основу которого положен принцип анализа девиации частоты опорного генератора под влиянием металлических предметов, попавших в зону действия поисковой катушки. Главными отличительными особенностями данного прибора можно считать интересное схемотехническое решение анализатора, выполненного на кварцевом элементе Q1, а также использование в качестве индикатора стрелочного прибора. Основу схемы рассматриваемого металлодетектора (рис. 2.15) составляют измерительный генератор, буферный каскад, анализатор, детектор высокочастотных колебаний и индикаторное устройство.

Рис. 2.15. Принципиальная схема металлоискателя с кварцем

Колебательный контур генератора высокой частоты, выполненного на транзисторе Т1, состоит из катушки L1 и конденсаторов С1-С4. Рабочая частота ВЧ-генератора зависит от девиации индуктивности катушки L1, которая одновременно является поисковой катушкой, а также от изменения емкостей подстроечного (С2) и регулировочного (С1) конденсаторов. При отсутствии металлических предметов в зоне действия катушки L1 частота колебаний, возбуждаемых в ВЧ-генераторе, должна быть равна частоте кварцевого элемента Q1, то есть в данном случае – 1 МГц.

После того как вблизи катушки L1 окажется металлический предмет, ее индуктивность изменится. Это приведет к отклонению частоты колебаний ВЧ-генератора. Далее сигнал ВЧ подается на буферный каскад, обеспечивающий согласование генератора с последующими цепями. В качестве буферного каскада используется эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе Т2.

С выхода эмиттерного повторителя сигнал ВЧ через регулировочный резистор R8 и кварц Q1 поступает на детектор, выполненный на диоде D2. Вследствие высокой добротности кварца малейшие изменения частоты измерительного генератора будут приводить к уменьшению полного сопротивления кварцевого элемента. В результате на вход усилителя постоянного тока (УПТ), выполненного на транзисторе Т3, поступает низкочастотный (НЧ) сигнал, изменение амплитуды которого обеспечивает соответствующее отклонение стрелки индикаторного прибора. Нагрузкой УПТ, выполненного на транзисторе Т3, является стрелочный прибор с током полного отклонения 1 мА.

Питание металлоискателя осуществляется от источника В1 напряжением 9 В.

Детали и конструкция

Как и в некоторых рассмотренных ранее конструкциях, для изготовления металлоискателя с кварцевым элементом можно использовать любую макетную плату. Поэтому к используемым деталям не предъявляются какие-либо ограничения, связанные с габаритными размерами. Монтаж может быть как навесной, так и печатный.

Поисковая катушка L1 представляет собой кольцевую рамку, изготовленную из отрезка кабеля с внешним диаметром 8-10 мм (например кабеля марки РК-50). Центральную жилу кабеля следует удалить, а вместо нее протянуть шесть жил провода типа ПЭЛ диаметром 0,1–0,2 мм и длиной 115 мм. Получившийся многожильный кабель необходимо согнуть на подходящей оправке в кольцо таким образом, чтобы между началом и концом образовавшейся петли остался зазор шириной примерно 25–30 мм.

Конец провода, являющийся началом первого витка, следует припаять к экранирующей оплетке кабеля, начало второго витка – к концу первого и так далее. В результате получится катушка, содержащая шесть витков провода.

При изготовлении катушки L1 нужно особенно следить за тем, чтобы не произошло замыкания концов экранирующей оплетки, поскольку в этом случае образуется короткозамкнутый виток.

Дополнительную жесткость конструкции катушки L1 можно придать, если расположить ее между двумя дисками из фанеры или гетинакса диаметром 400 мм и толщиной 5–7 мм.

Вместо транзисторов типа 2N2924, указанных на схеме, в данной конструкции можно использовать практически любые отечественные кремниевые маломощные транзисторы, например типа КТ315Б. Вместо диода типа 1N4001 (D2) рекомендуется применять любой германиевый диод серий Д2 или Д9 с любым буквенным индексом, а стабилитрон типа 1N753 без проблем можно заменить, например, стабилитроном 2С156А.

В качестве элемента Q1 можно использовать любой кварцевый элемент с частотой от 900 кГц до 1,1 МГц.

В качестве источника питания В1 можно применить, например, батарейку «Крона» или две батарейки 3336Л, соединенные последовательно.

Плата с расположенными на ней элементами и источник питания размещаются в любом подходящем пластмассовом или деревянном корпусе. На крышке корпуса устанавливаются переменный резистор R8, разъем Х1 для подключения поисковой катушки L1, выключатель S1 и индикатор PA1.

Поисковую катушку L1 следует установить на конце подходящей ручки длиной 100–120 см. Соединение катушки с платой прибора выполняется многожильным экранированным кабелем.

Налаживание

Главным условием, обеспечивающим качественную настройку данного прибора, является отсутствие крупногабаритных металлических предметов на расстоянии не менее 1,5 м от поисковой катушки L1.

Непосредственное налаживание металлодетектора следует начать с установки нужной частоты колебаний, формируемых ВЧ-генератором. Частота колебаний ВЧ должна быть равна частоте кварцевого элемента Q1. Для выполнения данной регулировки рекомендуется воспользоваться цифровым частотомером. При этом значение частоты сначала грубо устанавливается изменением емкости конденсатора С2, а затем точно – регулировкой конденсатора С1.

При отсутствии частотомера настройку ВЧ-генератора можно провести по показаниям индикатора PA1. Поскольку кварц Q1 является элементом связи между поисковой и индикаторной частями прибора, то его сопротивление в момент резонанса весьма велико. Таким образом, о точной настройке колебаний ВЧ-генератора на частоту кварца будет свидетельствовать минимальное показание стрелочного прибора PA1.

Уровень чувствительности данного устройства регулируется резистором R8.

Порядок работы

При практическом использовании этого металлодетектора следует переменным резистором R8 установить стрелку индикатора PA1 на нулевое значение шкалы. При этом в определенной степени компенсируются изменения режимов работы, обусловленные разрядом батареи, изменением температуры окружающей среды или девиацией магнитных свойств грунта.

Если в процессе работы в зоне действия поисковой катушки L1 окажется какой-либо металлический предмет, стрелка индикатора PA1 отклонится.

2.8. Усовершенствованный металлоискатель с кварцем

В последние годы многие уважаемые европейские издательства уделяют значительное внимание различным техническим устройствам, используемым при проведении поисковых работ. Ежегодно на прилавки книжных магазинов поступают новые книги с описаниями различных устройств. Следует признать, что в основном эти устройства сложны при сборке и регулировке и вряд ли могут быть рекомендованы для повторения начинающим радиолюбителям.

Тем не менее в одной из книг, опубликованных в рамках серии «Elektronicke hledace» популярным европейским издательством «BEN», автор сравнительно недавно не без удивления обнаружил схему металлодетектора, которая показалась очень знакомой. Основным элементом, с помощью которого в этом приборе анализируется наличие металлических предметов, является кварц. При этом результаты анализа оцениваются как визуально, так и на слух.

Принципиальная схема

Предлагаемая вниманию читателей конструкция представляет собой один из вариантов металлодетекторов типа FM (Frequency Meter), то есть является устройством, в основу которого положен принцип анализа девиации частоты опорного генератора под влиянием металлических предметов, попавших в зону действия поисковой катушки.

При внимательном изучении принципиальной схемы можно заметить, что данное устройство является усовершенствованным вариантом металлоискателя, рассмотренного в предыдущем разделе. Одной из главных отличительных особенностей этой конструкции по-прежнему является анализатор, выполненный на кварцевом элементе Q1. Помимо этого в усовершенствованном варианте металлодетектора в качестве индикатора помимо стрелочного прибора применена схема акустической сигнализации.

Поскольку в предлагаемой схеме (рис. 2.16) изменена нумерация элементов, используется новая элементная база, а также добавлен дополнительный каскад, автор счел необходимым подробнее рассмотреть ее особенности.

Рис. 2.16. Принципиальная схема усовершенствованного металлоискателя с кварцем

Как и в предыдущей конструкции, основу схемы данного металлодетектора составляют измерительный генератор, буферный каскад, детектор колебаний ВЧ, анализатор и индикаторное устройство.

Колебательный контур генератора высокой частоты, выполненного на транзисторе Т1, состоит из катушки L1 и конденсаторов С3-С6. Рабочая частота ВЧ-генератора зависит от девиации индуктивности поисковой катушки L1, а также от изменения емкостей подстроечного конденсатора С4 и регулировочного конденсатора С3. При отсутствии вблизи катушки L1 металлических предметов частота колебаний, возбуждаемых в ВЧ-генераторе, должна быть равна частоте кварцевого элемента Q1, то есть в данном случае – 1 МГц.

После того как в зоне действия поисковой катушки L1 окажется металлический предмет, ее индуктивность изменится. Это приведет к изменению частоты колебаний ВЧ-генератора. Далее сигнал ВЧ подается на буферный каскад, обеспечивающий согласование генератора с последующими цепями. В качестве буферного каскада используется эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе Т2.

С выхода эмиттерного повторителя сигнал ВЧ через регулировочный резистор R7 и кварц Q1 поступает на детектор, выполненный на диоде D2. Благодаря высокой добротности кварца малейшие изменения частоты измерительного генератора будут приводить к уменьшению полного сопротивления кварцевого элемента. В результате на вход усилителя постоянного тока (база транзистора Т3) поступает низкочастотный сигнал, изменение амплитуды которого обеспечивает соответствующее отклонение стрелки индикаторного прибора.

Нагрузкой УПТ, выполненного на транзисторе Т3, является стрелочный прибор с током полного отклонения 1 мА. При замыкании выключателя S2 в цепь нагрузки включается генератор звукового сигнала, выполненный на транзисторе Т4.

Питание металлоискателя осуществляется от источника В1 напряжением 9 В.

Детали и конструкция

Как и в некоторых рассмотренных ранее конструкциях, для изготовления металлоискателя с кварцевым элементом можно использовать любую макетную плату. Поэтому к используемым деталям не предъявляются какие-либо ограничения, связанные с габаритными размерами. Монтаж может быть как навесной, так и печатный.

Поисковая катушка L1 (рис. 2.17) аналогична катушке, используемой в металлодетекторе, который был рассмотрен в предыдущем разделе.

Рис. 2.17. Конструкция катушки L1

Вместо транзисторов типа BC108, указанных на схеме, в данной конструкции можно использовать практически любые отечественные кремниевые маломощные транзисторы, например, типа КТ315Б. Вместо диода типа 1N4001 (D2) рекомендуется применять любой германиевый диод серий Д2 или Д9 с любым буквенным индексом.

В качестве элемента Q1 можно использовать любой кварцевый элементе частотой от900 кГц до 1,1 МГц.

Источником питания В1 может служить батарейка «Крона» или две батарейки 3336Л, соединенные последовательно.

Плата с расположенными на ней элементами и источник питания размещаются в любом подходящем пластмассовом или деревянном корпусе. На крышке корпуса устанавливаются переменный резистор R7, выключатели S1 и S2, разъемы Х1 и Х2, а также индикатор PA1.

Поисковую катушку L1 следует установить на конце подходящей ручки длиной 100–120 см. Соединение катушки с платой прибора выполняется многожильным экранированным кабелем.

Налаживание

Главным условием, обеспечивающим качественную настройку данного прибора, является отсутствие крупногабаритных металлических предметов на расстоянии не менее 1,5 м от поисковой катушки L1.

Непосредственное налаживание металлодетектора следует начать с установки нужной частоты колебаний, формируемых ВЧ-генератором. Частота колебаний ВЧ должна быть равна частоте кварцевого элемента Q1. Для выполнения данной регулировки рекомендуется воспользоваться цифровым частотомером. При этом значение частоты сначала грубо устанавливается изменением емкости конденсатора С4, а затем точно – регулировкой конденсатора С3.

При отсутствии частотомера настройку ВЧ-генератора можно провести по показаниям индикатора PA1. Кварц Q1 является элементом связи между измерительной и индикаторной частями прибора, поэтому его сопротивление в момент резонанса велико. Таким образом, о точной настройке колебаний ВЧ-генератора на частоту кварца будет свидетельствовать минимальное показание стрелочного прибора PA1.

Уровень чувствительности данного устройства регулируется резистором R7.

Порядок работы

При практическом использовании этого металлодетектора следует переменным резистором R7 установить стрелку индикатора PA1 на нулевое значение шкалы. При этом в определенной степени компенсируются изменения режимов работы, обусловленные разрядом батареи, изменением температуры окружающей среды или девиацией магнитных свойств грунта.

Если в процессе работы в зоне действия поисковой катушки L1 окажется какой-либо металлический предмет, стрелка индикатора PA1 отклонится. В этом случае при замыкании контактов выключателя S2 в головных телефонах появится звуковой сигнал.