Однокатушечный индукционный металлоискатель

Предлагаемый металлоискатель индукционного типа универсален. Его датчик прост по конструкции и может быть изготовлен диаметром 0,1-1(м). Приблизительно пропорционально диаметру будет изменяться размер обнаруживаемых объектов и расстояние, на котором металлоискатель эти объекты обнаруживает. Для стандартного датчика диаметром 180(мм) глубина обнаружения составляет:

- монета Ж 25(мм) - 0,15(м)

- пистолет - 0,4(м)

- каска - 0,6(м)

Прибор снабжен простейшим дискриминатором, который позволяет отфильтровать сигналы от небольших железных предметов, если последние не представляют интереса для поиска.

Структурная схема

Структурная схема изображена на рис.25.

Рис.25. Cтруктурная схема индукционного металлоискателя.

Она состоит из нескольких функциональных блоков. Кварцевый генератор является источником прямоугольных импульсов, из которых в дальнейшем формируется сигнал, поступающий на катушку датчика. Сигнал генератора делится по частоте на 4 с помощью кольцевого счетчика на триггерах. По кольцевой схеме счетчик выполнен для того, чтобы на его выходах можно было сформировать два сигнала Ф1 и Ф2, сдвинутые друг относительно друга по фазе на 90^о, что необходимо для построения схемы дискриминатора. Прямоугольный сигнал(меандр) подается на вход первого интегратора, на выходе которого получается кусочно-линейное пилообразное напряжение. Второй интегратор делает из “пилы” сигнал, очень близко приближающийся по форме к синусоидальному и состоящий из полуволн параболической формы. Этот сигнал стабильной амплитуды поступает на усилитель мощности, который представляет собой преобразователь “напряжение-ток”, нагруженный на катушку датчика. Напряжение датчика уже не является стабильным по амплитуде, так как зависит от сигнала, отраженного от металлических объектов. Абсолютная величина этой нестабильности весьма мала. Чтобы увеличить ее, то есть выделить полезный сигнал, в схеме компенсации происходит вычитание выходного напряжения второго интегратора из напряжения на катушке датчика.

 

Здесь сознательно опускаются многие детали построения усилителя мощности, схемы компенсации и способа включения катушки датчика, делающие это описание более простым для понимания принципа работы прибора, хотя и не вполне корректным. Подробнее - см. описание принципиальной схемы.

 

Со схемы компенсации полезный сигнал поступает на приемный усилитель, где происходит его усиление по напряжению. Синхронные детекторы преобразуют полезный сигнал в медленно меняющиеся напряжения, величина и полярность которых зависит от сдвига отраженного сигнала по фазе относительно сигнала напряжения катушки датчика.

 

Иными словами, выходные сигналы синхронных детекторов являются не чем иным, как компонентами ортогонального разложения вектора полезного отраженного сигнала по базису векторов основных гармоник опорных сигналов Ф1 и Ф2.

В приемный усилитель неизбежно проникает часть бесполезного сигнала, не скомпенсированного схемой компенсации ввиду ее неидеальности. На выходах синхронных детекторов эта часть сигнала преобразуется в постоянные составляющие. Фильтры высокой частоты (ФВЧ) отсекают бесполезные постоянные составляющие, пропуская и усиливая только изменяющиеся компоненты сигналов, связанные с движением датчика относительно металлических предметов. Дискриминатор выдает управляющий сигнал для запуска формирователя звукового сигнала только при определенном сочетании полярностей сигналов на выходе фильтров, что исключает срабатывание звуковой индикации от мелких железных предметов, ржавчины и некоторых минералов.

 

Принципиальная схема

Принципиальная схема разработанного автором индукционного металлоискателя изображена на рис.26 - входная часть, рис.27 - синхронные детекторы и фильтры, рис.28 - дискриминатор и формирователь звукового сигнала, рис.29 - схема внешних соединений.

 

Кварцевый генератор (рис.26)

Собран на инверторах D1.1-D1.3. Частота генератора стабилизирована кварцевым или пьезокерамическим резонатором Q с резонансной частотой 2¹⁵(Гц) » 32(кГц) (“часовой кварц”). Цепочка R1C2 препятствует возбуждению генератора на высших гармониках. Через резистор R2 замыкается цепь ООС, через резонатор Q - цепь ПОС. Генератор отличается простотой, малым потребляемым током, надежно работает при напряжении питания 3-15(В), не содержит подстроечных элементов и чересчур высокоомных резисторов. Выходная частота генератора - около 32(кГц).

Рис.26. Принципиальная электрическая схема индукционного металлоискателя. Входная часть.

Кольцевой счетчик (рис.26)

Кольцевой счетчик выполняет две функции. Во-первых, он делит частоту генератора на 4, до частоты 8(кГц) (рекомендации по выбору частоты - см. гл.1.1). Во-вторых, он формирует два опорных сигнала для синхронных детекторов, сдвинутых друг относительно друга на 90^опо фазе.

Кольцевой счетчик представляет собой два D-триггера D2.1 и D2.2, замкнутые в кольцо с инверсией сигнала по кольцу. Тактовый сигнал - общий для обоих триггеров. Любой выходной сигнал первого триггера D2.1 имеет сдвиг по фазе на плюс-минус четверть периода (т.е. на 90^о) относительно любого выходного сигнала второго триггера D2.2.

 

Интеграторы (рис.26)

Собраны на ОУ D3.1 и D3.2. Их постоянные времени определяются цепочками R3C6 и R5C9. Режим по постоянному току поддерживается резисторами R4, R6. Разделительные конденсаторы С5, С8 препятствуют накоплению статической погрешности, которая может вывести интеграторы из режима ввиду их большого усиления по постоянному току. Номиналы элементов, входящих в схемы интеграторов выбраны так, чтобы суммарный сдвиг фазы обоих интеграторов на рабочей частоте 8(кГц) составлял ровно 180^о с учетом как основных RC-цепочек, так и с учетом влияния разделительных цепей и конечного быстродействия ОУ при выбранной коррекции. Цепи коррекции ОУ интеграторов - стандартные и состоят из конденсаторов емкостью 33(пФ).

 

Усилитель мощности (рис.26)

Собран на ОУ D4.2 с параллельной ООС по напряжению. Термокомпенсированный токозадающий элемент, состоящий из резисторов R71, R72 и терморезистора R73 (см. рис.29), включен между выходом второго интегратора и инвертирующим входом ОУ D4.2. Нагрузка усилителя, являющаяся одновременно элементом ООС, представляет собой колебательный контур, состоящий из катушки датчика L1 и конденсатора С61.

 

В нумерации резисторов и конденсаторов по схемам рис.26 - рис.29 пропущены некоторые позиции, что связано с многочисленными модификациями схемы индукционного металлоискателя и не является ошибкой.

 

Колебательный контур настроен в резонанс на четверть частоты кварцевого резонатора задающего генератора, то есть на частоту подаваемого на него сигнала. Модуль полного сопротивления колебательного контура на резонансной частоте составляет около 4(кОм). Параметры катушки датчика L1 таковы: число витков - 100, марка провода - ПЭЛ, ПЭВ, ПЭЛШО 0,3-0,5, средний диаметр и диаметр оправки для намотки - 165(мм). Катушка имеет экран из алюминиевой фольги, подключенный к общей шине прибора. Для предотвращения образования короткозамкнутого витка, от экрана свободна небольшая часть, около 1(см), длины окружности обмотки катушки.

Элементы датчика R71 - R73 и L1, C61 подобраны так, чтобы: во-первых, были равны по величине напряжения на входе и на выходе усилителя мощности. Для этого необходимо, чтобы сопротивление цепочки R71 - R73 было равно модулю полного сопротивления колебательного контура L1, C61 на резонансной частоте 8(кГц), а точнее, 8192(Гц). Этот модуль сопротивления составляет, как уже говорилось, около 4(кОм) и его значение должно уточняться для конкретного датчика. Во-вторых, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) цепочки R71 - R73 должен совпадать по величине и по знаку с ТКС модуля полного сопротивления колебательного контура L1, C61 на резонансной частоте, что достигается: грубо - путем выбора номинала терморезистора R73, а точно - выбором соотношения R71 - R72 и достигается экспериментально при настройке.

Резистор R18 не играет в схеме принципиальной роли и служит для поддержания ОУ D4.2 в режиме при отключенной ответной части разъема Х1. Цепь коррекции ОУ D4.2 - стандартная и состоит из конденсатора емкостью 33(пФ).

 

Схема компенсации (рис.26)

Ее основные элементы, которые реализуют вычитание выходного напряжения второго интегратора из напряжения катушки датчика - это резисторы R15, R17 с одинаковой величиной сопротивления. С их общей точки соединения полезный сигнал поступает на приемный усилитель. Дополнительные элементы, благодаря которым достигается ручная настройка и подстройка прибора - это потенциометры R74, R75 (рис. 29). С этих потенциометров можно снять сигнал, лежащий в диапазоне [ -1, + 1] от сигнала напряжения датчика (или практически равного ему по амплитуде выходного сигнала второго интегратора). Регулировкой указанных потенциометров достигается минимальный сигнал на входе приемного усилителя и нулевые сигналы на выходах синхронных детекторов.

Через резистор R16 часть выходного сигнала одного потенциометра подмешивается в схему компенсации непосредственно, а с помощью элементов R11-R14, С14-С16 - со сдвигом в 90^о с выхода другого потенциометра.

ОУ D4.1 является основой компенсатора высших гармоник схемы компенсации. На нем реализован двойной интегратор с инверсией, постоянные времени которого задаются обычной для интегратора цепочкой параллельной ООС по напряжению R7C12, а также конденсатором С16 со всеми окружающими его резисторами. На вход двойного интегратора поступает меандр с частотой 8(кГц) с выхода элемента D1.5. Через резисторы R8, R10 из меандра вычитается основная гармоника. Суммарное сопротивление этих резисторов составляет около 10(кОм) и подбирается экспериментально при настройке по минимуму сигнала на выходе ОУ D4.1. Оставшиеся на выходе двойного интегратора высшие гармоники поступают на схему компенсации в той же амплитуде, что и высшие гармоники, проникающие через основные интеграторы. Соотношение фаз таково, что на входе приемного усилителя высшие гармоники из указанных двух источников практически компенсируются.

 

Выход усилителя мощности не является дополнительным источником высших гармоник, так как высокая добротность колебательного контура (около 30) обеспечивает высокую степень подавления высших гармоник. Высшие гармоники, в первом приближении, не влияют на нормальную работу прибора, даже если они многократно превосходят полезный отраженный сигнал. Тем не менее, их необходимо уменьшать, чтобы приемный усилитель не попал в режим ограничения, когда верхушки “коктейля” из высших гармоник на его выходе начинают обрезаться ввиду конечного значения напряжений питания ОУ. Такой переход усилителя в нелинейный режим резко снижает коэффициент усиления по полезному сигналу. Элементы D1.4 и D1.5 предотвращают образование кольца паразитной ПОС через резистор R7 ввиду ненулевого значения выходного сопротивления выхода триггера D2.1. Попытка подключить резистор R7напрямую к триггеру приводит к самовозбуждению схемы компенсации на низкой частоте.

 

Цепь коррекции ОУ D4.2 - стандартная и состоит из конденсатора емкостью 33(пФ).

 

Приемный усилитель (рис.26)

Приемный усилитель - двухкаскадный. Его первый каскад выполнен на ОУ D5.1 с параллельной ООС по напряжению. Коэффициент усиления по полезному сигналу составляет: K_U = - R19/R17 » - 5. Второй каскад выполнен на ОУ D5.2 с последовательной ООС по напряжению. Коэффициент усиления K_U = R21/R22 + 1 = 6. Постоянные времени разделительных цепочек выбраны такими, чтобы на рабочей частоте создаваемый ими набег по фазе компенсировал запаздывание сигнала, обусловленное конечным быстродействием ОУ. Цепи коррекции ОУ D5.1 и D5.2 - стандартные и состоят из конденсаторов емкостью 33(пФ).

 

Синхронные детекторы (рис.27)

Синхронные детекторы однотипны и имеют идентичные схемы, поэтому будет рассмотрен только один из них, верхний по схеме. Синхронный детектор состоит из балансного модулятора, интегрирующей цепочки и усилителя постоянных сигналов (УПС). Балансный модулятор реализован на основе интегральной сборки аналоговых ключей D6.1 на полевых транзисторах. С частотой 8(кГц) аналоговые ключи поочередно замыкают на общую шину выходы “треугольника” интегрирующей цепочки, состоящей из резисторов R23 и R24 и конденсатора С23. Сигнал опорной частоты поступает на балансный модулятор с одного из выходов кольцевого счетчика. Этот сигнал является управляющим для аналоговых ключей.

Продолжение ......