Глубокая модернизация металлоискателя "Пират"

Уменьшаем ток потребления, увеличиваем чувствительность, по- вышаем стабильность работы популярного металлодетектора

Сижу себе спокойно, никого не трогаю, и тут бац – приходит мне на почту письмо чудаковатого содержания:
– Уважаемый автор! Не могли бы Вы подсказать, как можно улучшить работу металлоискателя Пират? При питании от 9 В батареи – чувствительности не хватает, но ток потребления приемлемый, при переходе на 12 В аккумулятор – работа схемы становится лучше, но задолбаешься его постоянно подзаряжать. Схема во вложении....
Чур меня! – сказал я, оглянувшись по сторонам, зашёл на всякий случай на свой сайт, полазил там, перекрестился... Нет там ничего похожего на металло­иска­тели!
– А с какого бодунца я должен что-то смыслить в этой области? – пишу автору вопроса. – Я, конечно, наблюдал лет 100 назад в журналах простенькие схемы металлоискателей на биениях, но не более того.
– Нет, этот не на биениях – импульсный, ребята из "радиоскота" разработали. Там всего-то делов: передатчик, да приёмник. Вам как два пальца об асфальт, а мне знаний не хватает и ответить толком никто не может!
Ну, как-то, – подумал я, – два пальца об асфальт, это не тот процесс, о котором я так долго мечтал с детсадовского возраста, да и хорошее дело "радиоскотом" не назовут, – и хотел было в мягкой, но решительной форме отшить навязчивого вопрошающего, но... побродив по сети и поизучав вопрос, обнаружил – а ведь, оказывается, тема эта будоражит умы изрядного количества радиолюбителей. Популярная, оказывается, тема!
Да, немало ещё золотых самородков закопано на просторах нашей страны, – обозначил я возможные истоки подобного интереса и решил-таки озадачиться данным вопросом.
Перелопатив изрядное количество различных источников, картина определённо стала просматривается. Но для начала пару слов о "Пирате"

Случилось так, что "ребятам из радиоскота" пришлось не так уж и сильно под­нап­рячься.
Первая реализация подобного металлодетектора нашлась в буржуйском журнале "Everyday Electronics August 1989", и уж совсем похожую схему "PI Metal Detector" опубликовал 30.09.2008 С.В.Smith.
Так что братве всего-то и осталось – лишь выкинуть лишние, на их взгляд, радиодетали. На сколько лишние – оставим на их совести, работает, ну и слава богу!

Рассмотрим принцип работы данного или любого другого похожего метал­лоиска­теля. После излучения передатчиком короткого импульса магнитной индукции, в искомом металлическом объекте возникает и некоторое время поддерживается (вслед­ствие явления самоиндукции) затухающий импульс тока, который является источником отражённого сигнала, задержанного по времени. Этот отражённый сигнал и несёт полезную информацию об объекте, которую надо зарегистрировать в приёмной части металлодетектора.



Рис.1

На Рис.1 (слева) приведена передающая часть "Пирата".
Генератор импульсов формирует короткие импульсы тока, поступающие с частотой 150Гц в излучающую катушку, где они преобразуются в импульсы магнитной индукции. Так как излучающая катушка имеет ярко выраженный индуктивный характер, всплески напряжения на ней могут достигать сотен вольт. А поскольку данная катушка является по совместительству и приёмной, необходимо позаботиться об ограничении данного напряжения на входе приёмной части регистратора. Для этой цели использован диодный ограничитель D1, D2.
На правой части рисунка показаны эпюры напряжения на ограничителе в условиях отсутствия в зоне действия катушки металлического предмета (синий цвет) и наличия железяки (красный цвет). Как можно увидеть – налицо эффект расширения импульса, обусловленный переизлучением мишени. Чем больше металлический объект, либо чем он ближе расположен к поисковой катушке – тем более выраженным будет эффект расширения, т. е. вычислив разницу между длительностями красного и синего импульсов можно судить о размерах и глубине залегания объекта.

Причём основная часть тока потребления устройства как раз и приходится на процесс накачки катушки энергий, необходимой для достаточной мощности излучения. Как можно снизить это потребление? Тупо – уменьшить частоту повторения импульсов.
Давайте подумаем, почему частота этих импульсов выбрана в "Пирате" равной 150 Гц? Да очень просто – это частоту необходимо зафиксировать динамиком. Динамик маленький, он и эту-то частоту воспроизведёт с трудом, а если её сильно понизить, то и вовсе будет молчать как рыба, ну а если и не молчать, то слегка пощёлкивать.
Ладно, забыли про динамик! А до каких пределов можно понижать данную частоту? До значений, позволяющих комфортно перемещать в пространстве катушку металлоискателя без потери скорости обнаружения цели. Ясен хулахуп, что понижение частоты до 40...70 Гц (или 40...70-ти плевков поисковым импульсом в секунду) не окажут никакого негативного влияния на скорость перемещения. Зато уменьшение частоты позволит в кратное число раз уменьшить ток потребления. Дальнейшего снижения можно добиться, применив цифровую схему обработки сигнала посредством малопотребляющих КМОП микросхем.

Ладно, хватит этой унылой теории, пора переходить к схеме электрической-принципиальной! Отмечу лишь, что это уже вторая версия, основанная на переписке с Вадимом Кузьминым, который основательно протестил первую модификацию и изложил мысли по её улучшению, а также на статье корифея металлодетектирования Карла Морленда – Pulse Induction Metal Detector.

Рис.2 Схема импульсного металлоискателя

На ИМС IC1.1 и IC1.2 (Рис.2) выполнена схема формирования импульса для управления транзисторным ключом Т3.
Применение КМОП логики с триггерами Шмитта позволяет избежать затянутых переходных процессов и обеспечивает собственное потребление тока, близкое к нулю.

Частоту импульсов генератора можно выбрать любой в диапазоне 40...70 Гц посредством подбора номинала резистора R1.
Что касается длительности выходного импульса, то её придётся подбирать в процессе настройки схемы (резистором R2), исходя из амплитуды импульса на катушке – 400 В. Просчитать этот параметр заранее невозможно, т. к. амплитуда зависит от многих факторов – добротности катушки, её собственной ёмкости, напряжения питания, скорости переключения транзисторного ключа. При этом, чем меньше амплитуда этого импульса – тем ниже уровень отражённого сигнала и, соответственно, тем хуже чувствительность металлоискателя.
Скорость переключения транзистора в большей степени зависит от выходного сопротивления формирователя импульсов. Для его радикального уменьшения в схему введены транзисторы Т1, Т2.

Катушка в самом простом варианте наматывается на оправке 200 мм и содержит около 30-ти витков провода диаметром 0,4...0.6 мм. Её форма и конструкция могут иметь различные очертания, важно, чтобы результирующая индуктивность составляла величину 300...330 мкГн.

На IC1.3 и IC1.4 построена схема формирователя импульса запрета.
Начало импульса запрета совпадает с концом импульса накачки и слегка опережает начало высоковольтного передающего импульса. Длительность регу­ли­руется переменным резистором R2 и должна составлять величину, равную времени разряда излучающей катушки при отсутствии в поле её действия мишени.

Операционный усилитель DA1A, включённый по схеме компаратора, фиксирует длительность импульса, поступающего с выхода диодного ограничителя и приближает его форму на своём выходе к прямоугольной.
От разделительного конденсатора на входе ОУ пришлось отказаться из-за вносимых существенных искажений длительности измеряемых импульсов. При высоком значении ёмкости длительность значительно увеличивалась по отношению к измеряемой, при низком – наоборот, обрезалась. Второй вариант вообще неприемлем, первый – опять же, негативно влияет на чувствительность.
Оборотной стороной подобной борьбы за характеристики является необходимость наличия дополнительного питания для ОУ. Как дополнительное питание можно получить из основного рассмотрим позже.

Для лучшего понимания работы схемы приведём диаграммы напряжений в различных точках.



Рис.3 Диаграммы напряжений импульсного металлоискателя

Думаю, дальнейшего пояснения работы формирователя не требуется.

Собственно говоря, теперь нам только и осталось, что измерить длительность выходного импульса и зафиксировать её любым удобным для юзера методом.

Самым простым и универсальным методом фиксации является измерение напряжения, величина которого линейно меняется вместе с длительностью импульса – примерно как у простого сглаживающего RC-фильтра, только без какой-либо инерционности.
Такой преобразователь длительность – напряжения также изображён на Рис.2. К выходу этого преобразователя можно подключить стрелочный измерительный прибор либо ГУН (генератор, управляемый напряжением), либо светодиодный индикатор на LM3914...LM3916. Все эти схемы есть у нас на сайте и их легко найти, используя функцию поиска.
Единственное, что надо иметь в виду – на выходе преобразователя всегда присутствует начальное смещение Uи, которое у транзистора 2SK117 (2SK170) составляет примерно 0.5 В. В этом нет ничего плохого, просто это следует учитывать при подключении схемы индикации. Например, в случае подключения вольтметра, на его второй вывод надо подать напряжение, равное Uи.

Теперь переходим к следующему вопросу заседания – индикация длительности импульса сугубо цифровыми средствами.


Рис.4 Цифровой измеритель длительности импульса

На Рис.4 приведен вариант индикации длительности импульса светодиодной шкалой, а также посредством изменяющейся звуковой частоты.
В основе устройства лежат микросхемы CD4015 (К561ИР2), представляющие собой в совокупности четыре 4-разрядных регистра сдвига.
Как это всё функционирует?

С приходом на вход устройства положительного перепада измеряемого сигнала (входн. импульс), запускается генератор на IC1.2, выходные импульсы которого с частотой, задаваемой цепочкой R1 C1, поступают на тактовые входы регистров сдвига. Регистры начинают заниматься своим непосредственным делом – с каждым приходом тактового сигнала заполнять "1" (высоким уровнем) выходы в направлении от младшего разряда к старшим.
По окончании измеряемого сигнала, его уровень становится равным нулю, генератор стопорится и регистр, соответственно, тоже, индицируя количеством "единиц" на выходах количество посчитанных импульсов.
Чем больше к этому моменту будет количество "1", а соответственно, и число горящих светодиодов – тем выше длительность поступившего на вход импульса.
Подключение 10-ти светодиодов к 16-ти разрядам регистра выполнено таким образом, что формируется некое подобие логарифмической характеристики (Рис.5).

Рис.5 Зависимость количества горящих светодиодов от длительности импульса

Переменный резистор R1, регулирующий частоту генератора, отвечает по сов­мес­тительству и за чувствительность металлоискателя: чем больше частота – тем выше чувствительность.

Так, с эти разобрались, давайте будем переходить к генератору изменяющейся звуковой частоты.
Генератор выполнен на IC1.3 и представляет собой устройство, частота которого формируется посредством управляющего тока. Управляющий ток, в свою очередь, зависит от значений резисторов R13...R23, подключённых к соответствующим выходам регистров сдвига.
При указанных на схеме номиналах минимальная частота, соответствующая самой малой длительности импульса, будет около 150 Гц, максимальная, соответствующая самой большой длительности ≈ 1.2 кГц.
Эти частоты приведены с учётом делителя на 2, построенном на D-триггере IC4.1. Главной функцией этого триггера является не столько деление частоты, сколько приведение формы выходного сигнала к меандру.

Для поддержания высокой стабильности работы металлоискателя – все логи­ческие элементы необходимо запитывать стабилизированным напряжением, снимаемым с интегрального стабилизатора DA1 (Рис.6).

Рис.6 Схема источника питания металлоискателя

На элементе DD1 выполнен удвоитель напряжения, напряжение которого стабилизировано на уровне 5 В относительно плюса 12-ти вольтового (или 12...16 V) источника питания. Такое построение использовано для поддержания постоянного смещения на инвертирующем входе ОУ DA1 (Рис.2) при разряде аккумулятора.
С точки зрения достижения оптимальных характеристик металлоискателя, хорошим выбором будет использование 4-х 3.7V аккумуляторов, что обеспечит работу устройства как раз в указанном диапазоне (12...16 V) напряжений.