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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Battere il metal detector. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / metal detector Il metal detector proposto è progettato per la ricerca di oggetti “a distanza ravvicinata”. È assemblato secondo lo schema più semplice. Il dispositivo è compatto e facile da produrre. La profondità di rilevamento è:
Schema strutturale Lo schema a blocchi è mostrato in Fig. 8. È composto da diversi blocchi funzionali. Un oscillatore a cristallo è una sorgente di impulsi rettangolari di frequenza stabile.
Un circuito oscillatorio è collegato al generatore di misura, che comprende un sensore - un induttore. I segnali di uscita di entrambi i generatori vengono inviati agli ingressi di un rilevatore sincrono, che genera un segnale di frequenza differenziale alla sua uscita. Questo segnale ha una forma approssimativamente a dente di sega. Per comodità di ulteriore elaborazione, il segnale proveniente dal rilevatore sincrono viene convertito utilizzando un trigger Schmidt in un segnale rettangolare. Il dispositivo di indicazione è progettato per generare un segnale sonoro di frequenza differenziale utilizzando un emettitore piezoelettrico e per visualizzare visivamente il valore di questa frequenza utilizzando un indicatore LED. Schema schematico Il diagramma schematico del metal detector a battito sviluppato dall'autore è mostrato in Fig. 9.
L'oscillatore al quarzo ha un circuito simile a quello di un generatore di metal detector basato sul principio “trasmetti-ricevi”, ma implementato sugli inverter D1.1-D1.3. La frequenza del generatore è stabilizzata da un risonatore al quarzo o piezoceramico Q con una frequenza di risonanza pari a 215 Hz ~ 32 kHz ("orologio al quarzo"). Il circuito R1C2 impedisce al generatore di essere eccitato ad armoniche più elevate. Il circuito PIC è chiuso tramite il resistore R2 e il circuito PIC è chiuso tramite il risonatore Q. Il generatore è semplice, ha un basso consumo di corrente dalla fonte di alimentazione, funziona in modo affidabile con una tensione di alimentazione di 3...15 V e non contiene elementi regolati o resistori ad alta resistenza. La frequenza di uscita del generatore è di circa 32 kHz. È necessario un ulteriore trigger di conteggio D2.1 per generare un segnale con un ciclo di lavoro esattamente uguale a 2, necessario per il successivo circuito di rilevamento sincrono. generatore di misura Il generatore stesso è implementato su uno stadio differenziale utilizzando i transistor VT1, VT2. Il circuito PIC è implementato galvanicamente, il che semplifica il circuito. Il carico della cascata differenziale è il circuito oscillatorio L1C1. La frequenza di generazione dipende dalla frequenza di risonanza del circuito oscillatorio e, in una certa misura, dalla corrente operativa dello stadio differenziale. Questa corrente è impostata dai resistori R3 e R3'. La regolazione della frequenza del generatore di misura durante l'impostazione dell'apparecchio viene effettuata in modo approssimativo - selezionando la capacità C1 e in modo graduale - regolando il potenziometro R3'. Per convertire il segnale di uscita a bassa tensione dello stadio differenziale in livelli logici standard dei chip CMOS digitali, viene utilizzato uno stadio di emettitore comune sul transistor VT3. Un shaper con trigger Schmidt all'ingresso dell'elemento D3.1 fornisce fronti di impulso ripidi per il normale funzionamento del successivo trigger di conteggio. È necessario un ulteriore trigger di conteggio D2.2 per generare un segnale con un ciclo di lavoro esattamente uguale a 2, necessario per il successivo circuito di rilevamento sincrono. Rivelatore sincrono Il rilevatore è costituito da un moltiplicatore implementato sull'elemento D4.1 "OR esclusivo" e da un circuito integratore R6C4. Il suo segnale di uscita ha la forma di un dente di sega e la frequenza di questo segnale è uguale alla differenza tra le frequenze dell'oscillatore al quarzo e dell'oscillatore di misurazione. Scatto di Schmidt Il trigger Schmidt è implementato sull'elemento D3.2 e genera impulsi rettangolari dalla tensione a dente di sega del rilevatore sincrono. Dispositivo di visualizzazione Si tratta semplicemente di un potente inverter buffer, implementato sui restanti tre inverter D1.4-D1.6, collegati in parallelo per aumentare la capacità di carico. Il carico del dispositivo di visualizzazione è un LED e un emettitore piezoelettrico. Tipi di parti e design I tipi di microcircuiti utilizzati sono riportati nella tabella. quattro. Tabella 4. Tipi di microcircuiti utilizzati
Invece dei microcircuiti della serie K561, è possibile utilizzare i microcircuiti della serie K1561. Puoi provare a utilizzare alcuni microcircuiti della serie K176. Gli ingressi degli elementi inutilizzati dei microcircuiti digitali non possono essere lasciati scollegati! Dovrebbero essere collegati a un bus comune o a un bus di potenza. I transistor VT1, VT2 sono elementi di un gruppo transistor integrato di tipo K159NT1 con qualsiasi lettera. Possono essere sostituiti con transistor discreti con conduttività npn dei tipi KT315, KT312, ecc. Transistor VT3 - tipo KT361 con qualsiasi lettera o tipo simile con conduttività pnp. Non esistono requisiti speciali per i resistori utilizzati nel circuito del rilevatore di metalli. Devono solo avere un design solido ed essere facili da installare. La dissipazione di potenza nominale deve essere 0,125...0,25 W. Il potenziometro di compensazione R3' è preferibilmente multigiro del tipo SP5-44 o con regolazione del nonio del tipo SP5-35. Puoi cavartela con potenziometri convenzionali di qualsiasi tipo. In questo caso è consigliabile utilizzarne due in serie. Uno è per la regolazione approssimativa, con un valore nominale di 1 kOhm. L'altro è per la regolazione fine, valutato a 100 Ohm. L'induttore L1 ha un diametro interno di avvolgimento di 160 mm e contiene 100 spire di filo. Tipo di filo: PEL, PEV, PELSHO, ecc. Diametro del filo 0,2...0,5 mm. Vedi sotto per il design della bobina. Il condensatore C3 è elettrolitico. Tipi consigliati: K50-29, K50-35, K53-1, K53-4 e altri piccoli. I restanti condensatori, ad eccezione del condensatore del circuito oscillatorio della bobina del generatore di misura, sono di tipo ceramico K10-7, ecc. Il condensatore del circuito C1 è speciale. Gli vengono poste elevate esigenze in termini di precisione e stabilità termica. Il condensatore è costituito da diversi condensatori singoli (5...10 pezzi) collegati in parallelo. La sintonizzazione approssimativa del circuito sulla frequenza dell'oscillatore al quarzo viene eseguita selezionando il numero di condensatori e la loro classificazione. Tipo consigliato di condensatori K10-43. Il loro gruppo di stabilità termica è MPO (cioè approssimativamente zero TKE). È possibile utilizzare condensatori di precisione di altri tipi, ad esempio K71-7. Alla fine, puoi provare a utilizzare condensatori in mica termicamente stabili con piastre d'argento come condensatori KSO o in polistirene. LED VD1 tipo AL336 o simili ad alta efficienza. Funzionerà anche qualsiasi altro LED visibile. Risonatore al quarzo Q - qualsiasi quarzo da orologio di piccole dimensioni (quelli simili sono usati anche nei giochi elettronici portatili). Emettitore piezoelettrico Y1 - può essere di tipo ЗП1-ЗП18. Buoni risultati si ottengono utilizzando emettitori piezoelettrici di telefoni importati (vanno in grandi quantità "sprecati" nella produzione di telefoni con ID chiamante). Il design del dispositivo può essere abbastanza arbitrario. Durante lo sviluppo, è consigliabile tenere conto delle raccomandazioni riportate nelle sezioni sui sensori e sulla progettazione dell'alloggiamento. Il circuito stampato della parte elettronica del metal detector può essere realizzato con uno qualsiasi dei metodi tradizionali, è anche conveniente utilizzare circuiti stampati breadboard già pronti per il pacchetto DIP di microcircuiti (passo 2,5 mm). Configurazione del dispositivo Si consiglia di configurare il dispositivo nella seguente sequenza. 1. Controllare la corretta installazione in base allo schema elettrico. Assicurarsi che non vi siano cortocircuiti tra conduttori PCB adiacenti, gambe adiacenti del microcircuito, ecc. 2. Collegare la batteria o la fonte di alimentazione da 9 V, rispettando rigorosamente la polarità. Accendi il dispositivo e misura il consumo di corrente. Dovrebbe essere circa 10 mA. Una brusca deviazione dal valore specificato indica un'installazione errata o un malfunzionamento dei microcircuiti. 3. Assicurarsi che all'uscita dell'oscillatore al quarzo e all'uscita dell'elemento D3.1 sia presente un'onda quadra pura con una frequenza di circa 32 kHz. 4. Assicurarsi che sulle uscite dei trigger D2.1 e D2.2 siano presenti segnali con frequenze di circa 16 kHz. 5. Assicurarsi che vi sia una tensione di frequenza con differenza a dente di sega all'ingresso dell'elemento D3.2 e impulsi rettangolari alla sua uscita. 6. Assicurarsi che il dispositivo di visualizzazione funzioni, visivamente e acusticamente. Possibili modifiche Il design del dispositivo è estremamente semplice e quindi non si può che parlare di ulteriori migliorie. Questi includono: 1. Aggiunta di un indicatore di frequenza logaritmica LED opzionale. 2. Utilizzo di un sensore trasformatore in un generatore di misura. Diamo un'occhiata più da vicino a queste modifiche. Indicatore di frequenza logaritmico L'indicatore di frequenza logaritmica è un indicatore LED avanzato. La sua scala è composta da otto LED separati. Quando la frequenza misurata raggiunge una certa soglia, il LED corrispondente sulla scala si accende, gli altri sette non si accendono. La particolarità dell'indicatore è che le soglie di risposta in frequenza dei LED vicini differiscono l'una dall'altra di un fattore due. In altre parole, la scala dell'indicatore ha una graduazione logaritmica, il che è molto conveniente per un dispositivo come un metal detector a battito. Il diagramma schematico di un indicatore di frequenza logaritmico è mostrato in Fig. 10. Nonostante il fatto che il circuito di questo indicatore sia stato sviluppato dall'autore in modo indipendente, non pretende di essere originale, poiché una ricerca di brevetto ha dimostrato che sono noti circuiti simili. Tuttavia, sia il circuito dell’indicatore stesso che la sua implementazione su base nazionale sono, a parere dell’autore, di un certo interesse.
L'indicatore logaritmico funziona come segue. L'ingresso dell'indicatore riceve un segnale dall'uscita del trigger Schmidt del circuito del rilevatore di beat metal (vedi Fig. 9). Questo segnale è l'ingresso per i contatori binari D5.1-D5.2 (la numerazione continua secondo lo schema di Fig. 9). Questi contatori vengono periodicamente azzerati da un segnale di alto livello proveniente dall'oscillatore ausiliario sul trigger Schmidt D3.3 con una frequenza di circa 10 Hz. Sul fronte di salita del segnale del generatore ausiliario, lo stato dei contatori viene registrato anche nei registri paralleli a quattro bit D6 e D7. Pertanto, alle uscite dei registri D6 e D7 è presente un codice digitale per la frequenza del segnale di battimento. È possibile convertire questo codice in una scala logaritmica in modo molto semplice (e questo è il “punto forte” di questo schema) se l'illuminazione del LED della scala corrispondente è impostata in corrispondenza della comparsa di un uno in un certo bit della frequenza codice con tutti zeri nei bit più alti del codice. Ovviamente questo compito deve essere svolto da un circuito combinatorio. L'implementazione più semplice di un tale circuito consiste nel ripetere periodicamente i collegamenti di elementi OR. Il circuito pratico utilizza gli elementi NOR D8, D9 insieme ai potenti inverter buffer D10, D11. All'uscita del circuito si ottiene un segnale logico per il controllo dei LED della scala sotto forma di “onda di unità”. Dal punto di vista del risparmio della carica della batteria, ovviamente, è più consigliabile realizzare la bilancia non sotto forma di una colonna luminosa di LED (fino a 8 pezzi alla volta), ma sotto forma di un punto in movimento da un LED luminoso. Per fare ciò, i LED della linea di indicatori sono collegati tra le uscite del circuito combinatorio. Per frequenze molto basse è ancora più adatta un'indicazione LED lampeggiante. Nello schema proposto è abbinato all'inizio della scala LED e si spegne non appena si accende il segmento successivo. Selezionando gli elementi R8, C5 è possibile modificare il valore della frequenza del generatore ausiliario, modificando così il limite della scala di frequenza. Tipi di parti e design I tipi di microcircuiti utilizzati sono riportati nella tabella. quattro. Tabella 4. Tipi di microcircuiti utilizzati
Invece dei microcircuiti della serie K561, è possibile utilizzare i microcircuiti della serie K1561. Puoi provare a utilizzare alcuni microcircuiti della serie K176. Il cablaggio dei circuiti di potenza e la numerazione dei pin per i microcircuiti D8-D11 non sono mostrati per semplicità. LED VD2-VD9 tipo AJ1336 o simili ad alta efficienza. I loro resistori di impostazione della corrente R9-R17 hanno lo stesso valore nominale di 1,0...5,1 kOhm. Minore è la resistenza di questi resistori, maggiore sarà la luminosità dei LED. Tuttavia, la capacità di carico dei microcircuiti K561LN2 potrebbe non essere sufficiente. In questo caso, si consiglia di utilizzare inverter di uscita collegati in parallelo nel circuito dell'indicatore. Il modo più conveniente per organizzare questa connessione parallela è semplicemente saldare pacchetti di chip aggiuntivi dello stesso tipo (fino a 4 pezzi) sopra ciascuno dei chip K561LN2 installati nel circuito. sensore trasformatore L'idea di un sensore trasformatore per metal detector è semplice ed elegante. È noto da molto tempo ed è nato dal desiderio di semplificare la progettazione della bobina del sensore del metal detector. Uno svantaggio comune di un tipico sensore metal detector di qualsiasi tipo è l'elevato numero di spire della bobina (più di 100). Di conseguenza, la struttura del sensore diventa insufficientemente rigida, il che richiede misure speciali come telai aggiuntivi, riempimento con resina epossidica, ecc. Inoltre, la capacità parassita di tale bobina è elevata e per eliminare i falsi segnali dovuti all'accoppiamento capacitivo della bobina (bobine) con la terra e il corpo dell'operatore, è necessaria la schermatura degli avvolgimenti. Il modo per eliminare le carenze elencate è semplice e ovvio: è necessario utilizzare una bobina composta da un numero minimo di giri: un giro! Naturalmente, una soluzione del genere non funziona "frontalmente", poiché l'induttanza insignificante di una spira richiederebbe capacità gigantesche dei condensatori dei circuiti oscillanti, generatori di segnale con un'enorme corrente di uscita e accorgimenti speciali per garantire un fattore di alta qualità. E qui è il momento di ricordare l'esistenza di un dispositivo progettato per adattare le impedenze, per convertire segnali alternati ad alta tensione con bassa corrente in segnali a bassa tensione con alta corrente e viceversa su un trasformatore. Infatti, prendiamo un trasformatore con un rapporto di trasformazione di circa cento e colleghiamo il suo avvolgimento step-down a un giro, che è il sensore del metal detector, e l'avvolgimento step-up al circuito del metal detector invece che a un induttore. Strutturalmente, un giro di tale sensore del trasformatore può essere realizzato in vari modi. Ad esempio, può essere un anello di filo unipolare di rame o alluminio con una sezione di 6...10 mm2 per rame e 10...35 mm2 per alluminio. I conduttori interni dei cavi di alimentazione sono comodi da usare. Per ridurre il peso e aumentare la rigidità, puoi realizzare una bobina da un tubo di metallo. È possibile realizzare una bobina da un foglio incollandolo su materiale in fogli e persino da un normale laminato in fibra di vetro. In qualsiasi luogo conveniente, la bobina viene messa a terra collegandosi al bus comune del dispositivo, che garantisce la compensazione degli accoppiamenti capacitivi parassiti. L'influenza di queste connessioni per un dato progetto di sensore è di diversi ordini di grandezza inferiore a causa del valore inferiore del modulo di impedenza di una spira. Il sensore del trasformatore consente di implementare un design pieghevole di un metal detector a battito compatto. Il suo schizzo è mostrato in Fig. 11. Il trasformatore del sensore è realizzato su un nucleo magnetico toroidale installato direttamente sulla scheda del metal detector, alloggiato in una custodia plastica. L'avvolgimento step-down del trasformatore e la bobina del sensore sono strutturalmente una singola unità sotto forma di un telaio rettangolare realizzato in filo di rame unipolare isolato con una sezione trasversale di 6 mm2, chiuso mediante saldatura. Questo telaio ha la capacità di ruotare. Una volta piegato, il telaio si trova attorno al perimetro del corpo del dispositivo e non occupa spazio aggiuntivo. In posizione di lavoro ruota di 180°. Per garantire il fissaggio del telaio in posizione vengono utilizzati manicotti di tenuta in gomma o altro materiale simile. È anche possibile utilizzare qualsiasi altro idoneo sistema di fissaggio meccanico del telaio.
La sezione del conduttore di cui è composta la bobina del sensore del trasformatore non deve essere inferiore alla sezione totale di tutte le spire che compongono una bobina del sensore del metal detector convenzionale. Ciò è necessario non solo per conferire alla struttura la resistenza e la rigidità necessarie, ma anche per garantire che il fattore di qualità del circuito oscillatorio con un trasformatore analogo all'induttore non sia troppo basso (a proposito, quando si utilizza una svolta come una bobina radiante, la corrente al suo interno può raggiungere le decine di ampere!). Per lo stesso motivo è necessaria la corretta selezione della sezione del filo dell'avvolgimento step-down del trasformatore. Può avere una sezione trasversale inferiore alla sezione trasversale del conduttore della bobina, ma la sua resistenza ohmica non deve essere maggiore della resistenza ohmica della bobina. Per ridurre le perdite dovute alla resistenza ohmica, è necessario collegare con molta attenzione la spira all'avvolgimento step-down del trasformatore. Il metodo di collegamento consigliato è la saldatura (per una bobina in rame) e la saldatura a gas inerte (per una bobina in alluminio). Al trasformatore si applicano i seguenti requisiti. Innanzitutto deve funzionare con basse perdite alla frequenza richiesta. In pratica ciò significa che il suo nucleo magnetico deve essere costituito da ferrite a bassa frequenza. In secondo luogo, i suoi avvolgimenti non dovrebbero fornire un contributo notevole all'impedenza del sensore. In pratica ciò significa che l'induttanza dell'avvolgimento step-down dovrebbe essere notevolmente maggiore dell'induttanza della spira. Per nuclei magnetici in ferrite toroidale con permeabilità magnetica μ=2000 e con diametro superiore a 30 mm, ciò vale anche per un giro dell'avvolgimento step-down. In terzo luogo, il rapporto di trasformazione deve essere tale che l'induttanza dell'avvolgimento step-up quando la bobina del sensore è collegata all'avvolgimento step-down sia approssimativamente uguale a quella di una bobina convenzionale di un tipico sensore. Sfortunatamente, i vantaggi del sensore del trasformatore superano significativamente i suoi svantaggi solo per i metal detector a battito. Per i dispositivi più sensibili, tale sensore non è applicabile a causa della sua sensibilità piuttosto elevata alle deformazioni meccaniche, che porta a falsi segnali che compaiono durante il movimento. Ecco perché del sensore trasformatore si parla solo nella sezione dedicata al metal detector a battito. Autore: Shchedrin AI
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