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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Un metal detector lo troverà sottoterra. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / metal detector Il metal detector che ho sviluppato non è stato ancora utilizzato né nelle operazioni di mantenimento della pace per identificare e neutralizzare i campi minati, né nelle indagini geologiche o archeologiche su larga scala. Pensato non per i professionisti, ma per i dilettanti, la cui voglia di "guardare sotto terra" riesce a soddisfare il design con i parametri riportati in tabella, è una versione migliorata del "metal detector battente". La sensibilità del dispositivo è aumentata grazie all'uso vantaggioso (fissazione chiara) della dipendenza della durata dell'impulso di sondaggio dall'intensità dei pacchi stessi con l'introduzione del controllo automatico della frequenza (AFC) nel generatore di ricerca. Inoltre, non erano necessarie ulteriori misure per la stabilizzazione della tensione e la compensazione della temperatura delle unità elettroniche. E le "contraddizioni inconciliabili" previste dagli scettici (dicono che un cambiamento nella frequenza del circuito oscillatorio di ricerca quando il metallo entra nell'area di lavoro è incompatibile con il normale funzionamento del sistema AFC) sono state risolte dalla pratica stessa. Si è scoperto che quando il sensore si muove sulla superficie studiata ad una velocità di 0,5-1 m/s, il circuito del dispositivo non è affatto in conflitto con il controllo automatico della frequenza, che ha un'inerzia significativa (grande costante di tempo).
Già dall'analisi dello schema a blocchi è chiaro che realizzare un dispositivo del genere è ovviamente più difficile di qualsiasi precedente analogo meno sensibile. Infatti, lo sviluppo che propongo, oltre al set standard di oscillatori esemplari al quarzo (1) e di misura (2), un induttore esterno L (sensore di frame di ricerca), un mixer (3) e un registratore di suoni VA (capsula telefonica ), dispone di nuovi dispositivi che migliorano significativamente le caratteristiche prestazionali. Si tratta di un integratore (4), che produce un segnale a dente di sega di ampiezza proporzionale alla frequenza del battimento di controllo, e di un formatore di impulsi di scrittura (5), che, insieme ad un interruttore (6) e ad un source follower VT, costituiscono un circuito analogico dispositivo di memorizzazione che registra la tensione di picco proveniente dall'integratore. Un metal detector non può fare a meno di un comparatore (7), che garantisce il trasferimento automatico dell'elettronica dalla zona di massima sensibilità alla regione di registrazione dei battiti uno a uno (e viceversa), senza uno speciale generatore VCO (8), che converte la tensione generata al source follower in oscillazioni elettriche con frequenza 200-8000 Hz. e anche senza il già citato sistema originale di controllo automatico della frequenza dell'AFC (9) con un'unità speciale che rallenta la risposta del dispositivo a una variazione eccessivamente brusca della tensione di controllo. Esistono anche una serie di altre soluzioni tecniche , tra i quali, ovviamente, non si può non evidenziare l '"amplificatore operazionale" e un mixer speciale ( 10). caratteristiche tecniche
Come dimostra la pratica, è questa composizione di dispositivi con il metodo scelto per generare un segnale audio che consente di ascoltare entrambe le frequenze contemporaneamente, facilitando notevolmente la sintonizzazione iniziale del dispositivo a una certa sensibilità. E l'affidabilità è piuttosto alta. Anche in una situazione estrema, quando, ad esempio, un sensore di frame di ricerca si avvicina a un oggetto metallico massiccio a una distanza alla quale la differenza di frequenza diventa quasi critica (70 Hz), non ci sono malfunzionamenti: si sente solo una frequenza di battimento variabile nel cuffie. Ora sui dettagli che si riflettono nello schema elettrico. Il generatore esemplificativo è realizzato sull'elemento DD1.1. La sua frequenza è stabilizzata da un risonatore al quarzo ZQ1 incluso in un circuito di feedback positivo. Per garantire l'eccitazione del generatore all'accensione, viene utilizzato il resistore R1. L'elemento buffer DD1.2 qui disponibile scarica il generatore e genera anche un segnale con livelli digitali. Il resistore R2 determina il grado di carico e la massima potenza dissipata nel risonatore al quarzo.
Questo generatore può funzionare con quasi tutti i risonatori con un consumo di corrente di 500-800 μA. E il divisore di frequenza che lo segue per due (elemento DD2.1) genera un segnale con un meandro simmetrico, necessario per il normale funzionamento del mixer. Il generatore di misura è assemblato utilizzando un circuito multivibratore asimmetrico (transistor VT1 e VT2). L'uscita dalla modalità di autoeccitazione è fornita da un circuito di feedback positivo sul condensatore C7. Gli elementi di impostazione della frequenza sono C3 - C5, VD1 e il sensore della bobina di ricerca L1. Inoltre, la generazione viene effettuata nell'intervallo da 500 kHz a 700 kHz, a seconda del risonatore al quarzo esistente. Un parametro così importante come l'instabilità a breve termine è piccolo per questo generatore. La deriva di frequenza nei primi 10 s immediatamente dopo l'accensione non è superiore a 0,7 Hz (e ogni 30 minuti - fino a 20 Hz), sebbene anche 1 Hz in 1 minuto (senza AFC) sia considerato accettabile per il normale funzionamento di il dispositivo. Il segnale sinusoidale prodotto dal generatore di misura, avente un'ampiezza di 1 - 1,2 V, viene fornito attraverso il condensatore di isolamento C9 al trigger DD3.2, che genera impulsi rettangolari con livelli digitali e un duty cycle di 2. R5R6 è un divisore necessari per il normale funzionamento di questa sezione del circuito. Bene, DD3.3 agisce come una cascata di buffer. Il segnale da esso viene inviato al mixer (T-trigger DD2.2). Lì arriva anche la frequenza proveniente dal divisore del generatore di modelli.
Le caratteristiche dell'operazione DD2.2 sono tali che se agli ingressi C e D di questo elemento logico arrivano due sequenze di impulsi di frequenza vicina, alle uscite si forma un segnale di frequenza differenziale con un meandro strettamente simmetrico. Inoltre, tutto ciò che viene prelevato dall'uscita 12 del miscelatore ha la forma mostrata in figura 2a. I segnali diretti, così come ritardati (Fig. 2b) invertiti (grazie al circuito R8C11 e all'elemento DD4.2) vengono sommati sull'interruttore DD5.1 , che agisce come un AND/OR logico con la formazione di brevi positivi scrivere impulsi (Fig. 2c) per il funzionamento di dispositivi di memorizzazione analogici (DD5.2, C13. VT3). Ma non è tutto. Il segnale prelevato dall'uscita DD4.2 arriva all'integratore, realizzato secondo lo schema classico utilizzando VD2, R10 - R11, DA1, C12. Il resistore R11 limita la corrente di ricarica del condensatore C12, scaricando l'uscita dell'elemento DD4.2. Segnale integrato (Fig. 2d) tramite chiave DD5.2. che è controllato da impulsi da DD5.1, viene fornito alla capacità di accumulo C13, dove si forma una tensione pari al valore di picco di quella proveniente dall'integratore e viene mantenuta con elevata precisione fino a un nuovo ciclo di registrazione (Fig. 2e). Il condensatore C14 attenua l'effetto “scalino” che può verificarsi quando si verifica un brusco cambiamento nelle frequenze di battito (Fig. 2e). Dal source follower, il segnale va al comparatore DD4.3, al VCO (generatore controllato in tensione) e al circuito loop AFC. Il divisore R21R22, insieme ai feedback R23 e R24, restringe il range della tensione di controllo ad un'ampiezza di 1,2 V. L'amplificatore operazionale DA2 confronta quanto ottenuto con quanto impostato dal divisore R26R29 e genera la tensione di controllo del varicap VD1. Il resistore R26 può impostare approssimativamente il punto di cattura iniziale dell'AFC (sensibilità) e R27 - esattamente. Inoltre, spostando lo slider R26 verso la posizione estrema (superiore o inferiore a seconda dello schema), è facile uscire dalla zona di cattura AFC (± 300 Hz), implementando la modalità di frequenza di battimento one-to-one, che rende il lavoro con il dispositivo più flessibile. Per comprendere le peculiarità del funzionamento dell'unità che rallenta la risposta del convertitore automatico di frequenza a un brusco cambiamento nella frequenza di battimento, supponiamo che, sulla base del transistor VT4, vi sia, ad esempio, una certa Ub costante . Supponiamo anche che ad un certo punto si verifichi un brusco cambiamento nella frequenza del battito e, di conseguenza, nella tensione su C14. Il circuito funzionante del nostro metal detector risponderà sicuramente a tale "ingresso" con un'adeguata deviazione Ub del transistor VT4 dal valore precedente (grazie agli ampi valori di R19, R20 e C16). Ma la risposta ad un cambiamento graduale di la frequenza del battito sarà sicuramente una reazione sotto forma di un lento cambiamento di queste tensioni. Quando un oggetto metallico entra nella zona di sensibilità del sensore del frame di ricerca e rimane lì per un tempo relativamente lungo, sulla base VT4 viene stabilita una tensione, che di solito è sufficiente per tornare alla modalità di frequenza specificata. Ma se il sensore viene spostato bruscamente di lato, la situazione cambia; Ub del transistor VT4 non sarà in grado di tornare rapidamente al livello precedente. Cioè, vengono create le condizioni per il passaggio allo “0” (l'emergere di feedback positivi). Per escludere quest'ultimo, R19 è stato derivato con il diodo VD3, attraverso il quale la capacità C16 si scarica rapidamente (Ub ritorna al livello impostato). Infatti, l'AFC ha (a seconda della direzione in cui cambia la frequenza del battito) due costanti di tempo. E poiché il design speciale del sensore elimina praticamente l'influenza delle proprietà ferromagnetiche degli oggetti rilevati sull'aumento di f del generatore di ricerca, sia l'AFC che il dispositivo nel suo insieme funzionano abbastanza correttamente in tutte le modalità. Il VCO (DD4.4 e R18, C15) converte la tensione, che cambia con la frequenza di battimento, in frequenza. E il comparatore DD16, configurato utilizzando il divisore R17R4.3, gli consente di farlo nella zona di massima sensibilità. La frequenza del VCO viene fornita all'ingresso A del mixer (interruttore DD5.4). L'ingresso CO proviene dall'elemento logico DD4.1 e dalla differenza fbeat, e da un breve impulso negativo formato dal circuito differenziatore C10R9 (per un migliore suono delle cuffie, riducendo il consumo energetico). Di conseguenza all'uscita del mixer è presente la frequenza VCO modulata oppure solo la frequenza di battimento. Inoltre il circuito effettua il passaggio da una modalità all'altra in modo automatico. Il resistore variabile R30 funge da controllo del carico e del volume e SA1 combinato con esso funge da interruttore di alimentazione. L'utilizzo di microcircuiti della serie CMOS, amplificatori operazionali funzionanti in modalità microcorrente, ha permesso di ridurre il consumo di corrente al livello di 6 mA, rendendo accettabile l'utilizzo della batteria Krona come fonte di alimentazione. Come altri analoghi, quasi l'intero metal detector è montato su un circuito stampato in fibra di vetro su un lato. Il generatore di ricerca è collocato in una scatola schermante di stagno.
Le dimensioni della scheda includono solo le resistenze di regolazione R26, R27, R30, le prese per il collegamento dell'alimentatore e delle cuffie, nonché il telaio del sensore. DD1 K561LA8; DA1-DA2 KR140UD1208; DD2 K561TM2; VT1-VT3 KP303A; DD3 K176LP4; VT4 KT3102G; VD1 D902; VD2-VD3 KD522 La tecnologia e la cura nella fabbricazione del telaio del sensore sono così importanti per le prestazioni dell'intero metal detector che apparentemente richiedono una presentazione più dettagliata. Come base viene utilizzato un fascio composto da undici pezzi di filo PEV1100-2 da 1,2 mm. Avvolto strettamente con uno strato di nastro isolante, viene schiacciato in un tubo di alluminio con un diametro interno di 10 mm e una lunghezza di 960 mm. Il grezzo risultante viene modellato in una cornice rettangolare 300x200 mm con angoli arrotondati.
L'estremità del primo dei fili, posta in una custodia di alluminio - uno schermo elettrostatico, viene successivamente saldata all'inizio del secondo, e così via fino a formare una specie di induttore a 11 spire. Le punte sono isolate l'una dall'altra con nastro di carta e riempite con resina epossidica, escludendo l'aspetto di una bobina in cortocircuito dovuta al tubo stesso piegato in un telaio. Si consiglia di fornire qui qualsiasi connettore ad alta frequenza chiuso e un supporto adatto (non metallico) per il manubrio, che può essere utilizzato come una o due sezioni da un'asta pieghevole. Il cavo che collega il telaio al blocco è preferibile utilizzare coassiale, televisione, ad esempio PK75. L'induttanza L2 del generatore di ricerca (la designazione qui e sotto è secondo la Fig. 1 e secondo lo schema elettrico del metal detector, pubblicato nel numero precedente della rivista) ha 450 spire di filo PEL1-0,01. Avvolgimento - sfuso su un telaio con un diametro di 4 e una lunghezza di 15 mm con un nucleo ferromagnetico M600NN (è possibile utilizzare una bobina di contorno adatta di una vecchia radio). L'induttanza di tale induttanza è 1-1,2 mH. Il dispositivo utilizza condensatori KSO o KTK (C3, C4, C5), KLS o KM (C1, C2, C6 - C13, C15), K50-6 o K53-1 (C14, C16, C17). C'è anche una scelta di resistori. In particolare, SP26-27 o SP-5 sono adatti per i “sintonizzatori” R2, R3. Lo stesso si può dire della variabile R30, solo che deve essere combinata con un interruttore. Tutti gli altri resistori sono MLT-0,125 (VS-0,125). L'MS digitale può essere sostituito con analoghi della collaudata serie K176. DD1, DD3 - qualsiasi della stessa serie, purché contenga il numero richiesto di inverter. È anche possibile sostituire i transistor. Ad esempio, KP1B (-Zh) è adatto come VT2 e VT303. Al posto di VT3, è accettabile KP303 o KP305 (l'indice delle lettere alla fine del nome non ha alcun ruolo in questo caso) e KT3102G (VT4) sostituirà KT3102E. Il quarzo è uno di quelli progettati per 1,0-1,4 MHz. Anche la scelta delle cuffie è illimitata. Come dimostra la pratica, TON-1 o TON-2 sono abbastanza adatti. Varicap D901 può essere sostituito con D902. Diodi VD2 e VD3 KD522 (KD523) con qualsiasi indice di lettere. Per configurare il dispositivo assemblato, avrai bisogno di un oscilloscopio e ... precisione nel lavoro. Dopo aver ispezionato attentamente l'intera installazione, viene fornita alimentazione al circuito. Controllare quindi il consumo di corrente, che per un progetto operativo eseguito correttamente dovrebbe essere 5.5 - 6,5 mA. Se i valori specificati vengono superati, vengono ricercati ed eliminati errori nella saldatura, ecc. Il funzionamento del generatore modello è verificato dalla presenza al pin 1 del microcircuito DD2 di una frequenza pari a 0,5 f di un risonatore al quarzo con duty cycle pari a 2. Si passa quindi al “motore di ricerca”. Metà della tensione di alimentazione viene fornita al punto di prova sul circuito stampato, dove R3 e C8 si incontrano, scollegando l'uscita del chip DA2. E con un oscilloscopio collegato allo scarico del transistor VT2, viene controllata l'ampiezza della tensione di uscita. Dovrebbe essere compreso tra 1 V e 1,2 V. Se la deviazione supera 0,1 V, regolare il numero di giri nell'induttore L2. Utilizzando i condensatori C3 e C4, la frequenza ottimale del segnale è impostata pari a 0.5 f quarzo, inoltre il sensore stesso non deve essere posizionato a meno di due metri da oggetti metallici. Se necessario, selezionando R5, si sforzano di ottenere un segnale di uscita simmetrico sul pin 9 del microcircuito DD3 (in questo caso il mixer deve produrre un segnale di frequenza differenziale con un meandro pari a 2). Quindi, modificando la tensione sul varicap, la frequenza di battimento è pari a 8-9 Hz, misurare il segnale sul pin 6 dell'integratore DA1 - dovrebbe essere "sul punto di limitare dal basso". La regolazione corrispondente viene effettuata selezionando il valore del resistore R10. Collegando un oscilloscopio alla sorgente del transistor VT3, controllano la variazione del livello di tensione in base alla frequenza di battimento. I resistori R16 e R17 assicurano che uno zero logico all'uscita del comparatore (pin 10 del chip DD4) appaia solo quando i battiti f diventano superiori a 70 Hz. Il VCO viene regolato utilizzando il resistore R15 in modo che il generatore inizi a funzionare quando il segnale dell'integratore "esce dal limite dal basso". In futuro, ciò semplificherà notevolmente la regolazione del dispositivo prima del funzionamento, poiché la frequenza minima del VCO corrisponderà all'impostazione del metal detector sulla massima sensibilità. Dopo aver ripristinato il collegamento precedentemente sigillato tra R3 e C8 con DA2 sul circuito stampato, si procede alla fase finale del debug del dispositivo. Il motore "sintonizzatore" R26 è ruotato nella posizione estrema ("positiva"), che corrisponderà alla frequenza di battimento massima (e fsearch generator > fmodel. Quindi, ruotando lentamente lo slider nella direzione opposta, iniziano a monitorare il segnale sul pin 6 di DA1. Notate come (in una certa posizione dello slider R26) il momento in cui il segnale entra nella zona di cattura AFC appare sullo schermo dell'oscilloscopio. Continuando a girare la manopola del resistore di sintonia R27, otteniamo una frequenza di battimento di 10 Hz, controllando contemporaneamente il funzionamento del convertitore automatico di frequenza (con la tendenza del segnale a tornare al suo stato originale). I motori dei resistori R26, R27 devono essere spostati lentamente, tenendo conto della grande inerzia dell'AFC. In questo caso, nelle cuffie si sentiranno la frequenza minima del VCO e i clic deboli con fbeat. In alcuni casi, può verificarsi l’effetto del suono “fluttuante” rispetto ad alcuni stati fissi. In questo caso, è necessario selezionare con maggiore precisione il rapporto tra i resistori R23, R24 o ridurre i valori di R19, R20. Come già notato, la parte elettronica del metal detector (e questo è quasi l'intero dispositivo) può essere montata in qualsiasi custodia adatta montata sull'impugnatura. Bisogna fare attenzione che il sensore del frame di ricerca, così come i fili di collegamento, siano fissati rigidamente l'uno rispetto all'altro. Dopotutto, anche lievi vibrazioni di queste parti che si verificano quando l'operatore si muove possono generare un falso segnale (soprattutto con la massima sensibilità del circuito e un'esperienza insufficiente con il dispositivo). Per lo stesso motivo, la spatola va indossata dietro la schiena con la baionetta rivolta verso l'alto (lontana dal telaio del sensore). E le punte di metallo sui lacci degli stivali dell'operatore sono generalmente inaccettabili. L'interferenza che portano minaccia di vanificare tutti gli sforzi del dispositivo ultrasensibile per trovare nella terra ciò da cui è così riluttante a separarsi. Lavorare con un metal detector non è molto diverso dal lavorare con un moderno rilevatore di mine portatile. Naturalmente, strumenti così precisi necessitano di aggiustamenti. Nel nostro caso specifico, ciò significa ruotare il cursore del resistore di sintonizzazione R26 nella posizione estrema (“positiva”) e R27 al centro. Dopo aver alimentato l'apparecchiatura, ruotare la manopola di regolazione R26 in senso opposto fino alla comparsa in cuffia del segnale VCO. Successivamente, la regolazione del resistore R27 imposta la sensibilità richiesta. E con l'aiuto di R26, gli fbeat vengono impostati arbitrariamente (quando si lavora con il dispositivo in modalità battito uno a uno) nell'intervallo 200-300 Hz. L'AFC e il VCO sono sostanzialmente disabilitati, quindi la ricerca viene eseguita normalmente. Per determinare più chiaramente la posizione di piccoli oggetti, il telaio del sensore viene portato nell'area di ricerca orizzontalmente (con un angolo arrotondato in avanti) o con un angolo di 45-90° rispetto alla superficie da studiare (con un chiaro vantaggio posizionale di uno dei lati del telaio). Autore: Yu.Stafiychuk
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