Статьи о самостоятельном изготовлении, настройке и принципах построения металлоискателей на биениях

Эти приборы как-то трудно отнести к измерениям, но ни одна организация, строящая или эксплуатирующая кабельные линии связи, не обходится без него. Металлоискатель или люкоискатель становится незаменим, когда люки колодцев занесены снегом или песком.

Металлоискатель. Люкоискатель

В настоящее время приборы этого класса можно купить без особых проблем. Причём в любительских условиях сделать этот прибор таким же удобным наверняка не получится. Но тема по-прежнему актуальна.

И в личной радиолюбительской практике, и для работы на линиях связи приходилось ремонтировать, настраивать и даже собирать "с нуля" приборы этого класса.

В доперестроечные времена профессиональные люкоискатели видимо не выпускались и повсеместно использовались самоделки, как лабораторной сборки, так и чисто любительские конструкции. Иногда для нужд кабельных участков пытались использовать военные миноискатели находившиеся в то время в армейских частях - как правило, безуспешно. Причина в конструкции. При изготовлении металлоискателя большое значение имеет размер поисковой катушки, то есть датчика прибора (имеются в виду схемы на биениях).

Так военный миноискатель имел четыре катушки небольшого диаметра залитых в цилиндрическом датчике прибора. Этот прибор с лёгкостью находил пробки от виноводочных изделий и на большой чугунный люк реагировал почти так же. Что заставляет прибор реагировать под грудой снега: фольга от пачки сигарет или канализационный люк определить было сложно, и именно поэтому добытый в военных частях прибор так и остался невостребованным.

В дальнейшем анализируя рекомендации конструкторов металлоискателей, сделал вывод, что для типичной схемы на биениях датчик люкоискателя должен иметь как можно больший диаметр. При этом достигается эффект при котором прибор ищет именно люки и большие массы металла, оставаясь "равнодушным" к разному рода мелкому мусору типа консервных банок.

Учитывая, что люки представляют собой большие массы металла и редко находятся на глубине большей, чем 1 метр, то для изготовления вполне подходит схема на биениях. Конечно, прибор на этом принципе не самый чувствительный и из-за высокой частоты работы генераторов не способен отличить цветной металл от чугуна, но для поиска люков этого и не требуется.

Принцип действия металлоискателя на биениях

Принцип действия основан на изменении индуктивности поисковой катушки при приближении её к металлу. Катушка, она же датчик прибора нагружена на частотозадающую цепь электронного генератора. Изменение частоты этого генератора очень малы, и чтобы заставить прибор реагировать на ничтожное изменение индуктивности применяются различные схематические решения. Одной из самых простейших является схема на биениях.

Обычно, объясняя работу схем на этом принципе, рисуют график:

Сигнал первого генератора

Сигнал второго генератора

Сигнал получившийся при сложении синусоид двух генераторов. Т - период биений.

Здесь, первая синусоида это выход образцового генератора, вторая - выход генератора с поисковой катушкой. График внизу - сигнал получившийся при сложении верхних синусоид. На нижнем графике видны периодические подъемы амплитуды сигнала, это и есть биения. Частота этих биений равна разности частот двух генераторов, что и используется в приборах работающих на этом принципе.

Металлоискатель на биениях имеет в своём составе два генератора с рабочей частотой около 100 кГц. Для примера возьмём частоту образцового генератора в 100000 Гц , а частоту генератора с поисковой катушкой 100100 Гц. При сложении сигналов получим разность частот 100100 - 100000 = 100 (Гц). То есть, выделится частота звукового диапазона, которая и слышна в наушниках прибора. При вносе в поле поисковой катушки металла частота второго генератора незначительно меняется, предположим, увеличивается на 0,1 %, то есть на 100,1 Гц. На выходе смесителя получим 200,1 Гц. Разница с первоначальными 100 Гц на слух будет заметна, а ведь этот пример не лучшей настройки прибора.

Практически в самодельных конструкциях это изменение частоты прослушивается в наушниках как плавное завывание при приближении к металлу. Промышленные люкоискатели имеют более сложную схему сигнализации и изменение частоты там вызывает срабатывание зуммера.

В настоящее время для сборки используется другая элементная база и то, что получается на выходе смесителя, уже не назовёшь биениями, но по традиции и по схожести принципа все металлоискатели, имеющие в схеме два схожих по частоте генератора, называются металлоискателями на биениях. Типичная схема собирается на логических элементах логики МОП или КМДП и синусоиды изображённой на рисунках выше там нигде нет. Осциллограммы работы смесителя будут другие, хотя результат по сути тот же.

На рисунке сигналы двух генераторов находятся вверху. На нижнем графике голубым цветом представлен результат работы логического элемента "И". Жирным выделено возникающее "биение", или вернее его полпериода, получившегося при подключении к выходу логического элемента конденсатора небольшой ёмкости.

Для наглядности следующий рисунок сделан анимированным. В нём незначительно изменяется частота второго генератора и довольно хорошо виден результат этого изменения на выходе.

Принципиальные схемы, используемые в металлоискателях различны по элементарной базе и по способу вывода звукового сигнала.

Стоит отметить три неприятных момента в конструировании металлоискателей на биениях.

1. Схватывание сигналов генераторов металлоискателя.

Казалось бы, самая чуткая настройка прибора происходит при минимальной разности частот двух генераторов. То есть, первый генератор 100010 Гц, второй - 100000 Гц. Разность - 10 Гц хорошо слышна в наушниках прибора как частое щелканье, и при приближении к поисковой катушке металла изменение даже в 5 Гц должно быть хорошо заметно. Практически так не получается из-за того, что оба генератора влияют друг на друга и сделав настойку одного в 100010 Гц второй генератор "подстроится" и тоже станет выдавать 100010 Гц. Происходит это из-за паразитных связей в схеме прибора. Как способ уменьшения этого эффекта используют разделение генераторов в пространстве прибора (один генератор возле катушки, второй в рукоятке) и по питанию (LC-фильтры или даже раздельные батарейки)

2. Плавание частоты металлоискателя.

Происходит из-за изменения температуры и напряжения батареи питания. Как правило, заметно зимой, когда тёплый прибор вы носят на мороз и его постоянно приходится подстраивать. Как способ уменьшения этого эффекта используют термостабильные конденсаторы в частотозадающих цепях генератора или схемы с кварцевым резонатором. Для стабилизации напряжения батареи питания применяют цепи со стабилитроном (сильно ускоряет разряд батареи).

3. Изменение частоты при движении люкоискателя.

Проявляется из-за недостаточно жёсткой конструкции датчика. Часто встречается в самодельных люкоискателях с поисковой катушкой из кабеля. Причина в том, что катушка правильный круг и та же катушка в искривлённом состоянии имеют разную индуктивность. Когда производится поиск, из-за собственной массы кольцо малозаметно деформируется, что и влияет на частоту. Используйте более жёсткую конструкцию.

Расчёт числа витков датчика металлоискателя

Для расчёта числа витков поисковой катушки можно применить формулу из статьи "Универсальный металлоискатель" журнала Радио 90г. №12 (стр. 75).

W- число витков

L- индуктивность катушки в мкГн (берётся 1250)

D- средний диаметр катушки, см

Например, для катушки диаметром 50 см нужно примерно 32 витка.

Схема металлоискателя.

Напоследок схема металлоискателя, которую собрал сам. Не всё в ней гладко "лепил" из того, что было. Например, катушка L2 так и осталась для меня загадочным импульсным трансформатором №106, просто после его впайки всё заработало как надо (залитое эиоксидкой ферритовое кольцо). Дросселя L3, L4 выпаяны из блока АВУ. Идеальной работы прибора не получилось (после включения несколько минут плыла настройка), но с кольцом в 60 см люки он находил на метровой глубине.

Описание и принцип работы аналогичны второй схеме из статьи Радио 90г-8 Три металлоискателя на микросхемах.

Дальше: Радио 90г-12 Универсальный металлоискатель

Содержание раздела металлоискатели на странице: