微小回路上の単純なパルス金属探知機。スキーム、説明

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マイクロ回路上のシンプルなパルス金属検出器。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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最近、PI (パルス誘導) タイプのパルス金属探知機が比較的普及しています。この探知機では、探査ゾーン内の金属物体の存在を評価するために、金属物体の影響下で金属物体内に渦表面電流が発生する現象を評価します。外部電磁場が使用されます。

PI タイプの金属検出器では、パルス信号が送信コイルに印加され、そこで交流電磁場が発生します。金属物体がこの場の作用領域に現れると、パルス信号の影響でその表面に渦電流が周期的に発生します。これらの電流は二次信号の源となり、受信コイルが受信します。自己誘導現象により、二次信号の形状は送信コイルが発するパルスの形状とは異なります。この場合、二次パルス信号のパラメータの差は、表示ユニット用のその後のデータ生成の分析に使用されます。著者が知っているすべてのパルス金属検出器では、二次パルスの後縁の形状の変化が評価されます。

問題のデバイスは、適切なソフトウェアを備えたマイクロプロセッサを使用しています。残念ながら、この本が出版された時点では、彼のファームウェアの 100% 動作可能なバージョンを公開することはできませんでした。したがって、興味があり、準備ができている読者は、マイクロコントローラーのファームウェアを作成するスキルをテストする機会があります。著者は、ロシアの職人がこの仕事に敬意を持って取り組むだろうと一瞬も疑っていません。

それにもかかわらず、著者によれば、提案された金属探知機の設計は、アマチュア無線の初心者が繰り返すには非常に複雑です。この装置を調整する際に生じる困難についても言及する必要があります。インストール中のエラーやデバイスの誤った設定が高価な要素の故障につながる可能性があるという事実に特別な注意を払う必要があります。

概略図

提案された単純なパルス金属検出器の概略図は、条件付きで XNUMX つの部分、つまり送信機ユニットと受信機ユニットに分割できます。残念ながら、本書の分量が限られているため、このデバイスの作成に使用された回路ソリューションのすべての機能を詳しく説明することはできません。したがって、最も重要なノードとカスケードのみの機能の基本を以下で検討します。

送信機ユニット (図 3.14) には、パルス整形および同期モジュール、送信機自体、および電圧コンバータが含まれています。

米。 3.14。簡易パルス金属探知機の送信部の概略図（クリックで拡大）

設計全体の主なコンポーネントは、ATMEL の AT1C89 タイプ IC2051 マイクロプロセッサ上に作られたパルス整形および同期モジュールで、送信機のパルスの形成と、他のすべてのユニットの動作を制御する信号を提供します。マイコンIC1の動作周波数は水晶振動子(3,5MHz)により安定化されています。動作周波数の指定された値で、マイクロプロセッサは金属検出器のさまざまなステージに対して制御パルスの周期的なシーケンスを生成します。このシーケンスは、それぞれ 250 μs の持続時間を持つ 9 サイクルで構成されます。

最初に、トランジスタ T1 の制御パルスがマイクロプロセッサの IC14/6 の出力で生成され、その後、同様のパルスがトランジスタ T1 の IC15/7 の出力で生成されます。このプロセスがもう一度繰り返されます。これにより、電圧変換器が起動する。

さらに、ＩＣ１／８、ＩＣ１／７、ＩＣ１／６、ＩＣ１／１６、ＩＣ１／１７、ＩＣ１／１９、ＩＣ１／１８の結論に基づいて、送信トリガパルスが形成される。この場合、これらのパルスの持続時間は同じですが、後続の各パルスは前のパルスに比べて数サイクル遅れます。 IC1/8 ピンで生成される最初のパルスの始まりは、IC1/7 ピンでの 1 番目のパルスの終わりと一致します。スイッチ P6 を使用して、スタートパルスに対する送信機のスタートパルスの遅延時間を選択できます。

IC1/18 ピンでのパルスの終了から数サイクル後、アナライザチャネルの 1 つの短いストローブパルスが IC3/1 ピンで生成されます。次に、アナライザの 9 番目のチャネルを対象とした同様のパルスが IC1/11 の出力で形成されます。その後、IC10/XNUMXの出力で、受信機ユニットの音響信号回路のトランジスタTXNUMXに対する制御信号が生成されます。次に、短い一時停止の後、マイクロコントローラーの対応する出力で一連の制御パルスが再び形成されます。

IC5 によって事前に安定化された +2 V 電源電圧が、マイクロコントローラーの IC1/20 ピンに適用されます。

トランジスタ T6 ～ T8 とスタビライザ IC3 で構成される電圧コンバータは、受信部のカスケードに電力を供給するために必要な 12 V のバイポーラ電源電圧を生成します。トランジスタ T7 および T8 の制御信号は、マイクロコントローラー IC1 の対応するピンで生成されます。同時に、この信号はトランジスタ T8 に組み込まれたレベルコンバータを介してトランジスタ T6 に供給されます。さらに、生成された電源電圧は IC3 マイクロ回路によって安定化され、その出力から +12 V 電圧が受信部のカスケードに供給されます。

送信機の出力段は強力なトランジスタ T1、T2、T3 で構成され、抵抗器 R1 ～ R1 のチェーンによって分路された共通負荷であるコイル L6 で動作します。出力段のトランジスタの動作はトランジスタ T4 によって制御されます。トランジスタＴ４のベースへの制御信号は、プロセッサＩＣ１の対応する出力からトランジスタＴ５を介して供給される。

メモリに格納されたプログラムに従ってマイクロプロセッサIC1によって生成されたパルスは、スイッチを介してトランジスタT5の入力に供給され、さらにトランジスタT4を介して、トランジスタT1〜T3で生成される送信機の出力段に供給されます。、次にトランシーバコイルL1に送られます。金属物体が L1 コイルのカバーエリアに現れると、送信パルスによって開始される外部電磁場の影響下で、その表面に渦表面電流が励起されます。これらの電流の寿命は、コイル L1 が発するパルスの持続時間によって異なります。

次に、表面電流は二次パルス信号の源となり、適切な遅延を伴って L1 コイルによって受信され、増幅されて、分析回路に供給されます。自己誘導現象により、二次信号の持続時間は送信コイルが発するパルスの持続時間よりも長くなることに注意してください。この場合、二次パルスの形状は、検出対象の金属の特性に依存します。コイルＬ１によって送受信されるパルスのパラメータの差異に関する情報の処理により、金属物体の存在に関する表示ユニットのためのデータの形成が提供される。検討中の金属検出器では、二次パルス信号の後縁のパラメータが分析に使用されます。

受信ユニット（図 3.15）には、XNUMX 段の入力信号増幅器、アナライザ、音声表示回路が含まれています。

米。 3.15。簡易パルス金属探知機の受信部の概略図（クリックで拡大）

金属物体からの信号はコイル L1 で受信され、ダイオード D1 と D2 で作られた保護回路を介して、オペアンプ IC4 と IC5 で作られた入力 5 段容量帰還アンプに供給されます。 IC5 の出力 (出力 IC6 / 6) から、増幅されたパルス信号が IC8 ～ ICXNUMX マイクロ回路で作られたアナライザー回路に供給されます。

アンプ IC6 および IC7 は、デバイスの動作中は常にオフになっており、ストローブパルスが対応する入力 (出力 IC6/8 および IC7/8) に到着した場合にのみ電源電圧が印加されます。それぞれの持続時間は9μs（6サイクル）。同時に、ストローブパルスがアンプ IC30 に印加され、選択した送信機トリガパルスの終了から 100 ～ 7 μs 遅れてアンプ IC200 に印加され、最初のストローブパルスの終了から 400 μs 遅れて印加されます。 μs。このような遅延の必要性は、受信信号の形状が多くの外部要因の影響に依存するため、有用な信号はパルスの終了後約 1 μs の間隔でしか観測できないという事実によって説明されます。この場合、有用な信号は、放出されたパルスと比較して二次パルスの後縁の持続時間が増加した結果、コイル LXNUMX が金属物体に接近したときの正の電圧の増加です。

各アンプ (マイクロ回路 IC6 および IC7) の出力での電源電圧が数秒間印加された後、ストロボパルスへの曝露中に固定された受信信号のレベルが維持されます。したがって、受信パルス信号は対応するアンプの入力の 6 つ (端子 IC3/7 および IC3/6) に加えられ、対応するストローブパルスはパルス整形および同期モジュール (ピン IC8/7 および IC8/34) から加えられます。

IC6 と IC7 の出力 (ピン IC6/5 と IC7/5) で生成された信号は、IC8 チップ上に作られた差動アンプの対応する入力に供給されます。この場合、アンプIC6の出力からの信号は可変抵抗器R45を通過し、それによってデバイスの感度が調整されます。金属探知機の検出範囲内に金属物体がある場合、差動アンプの対応する入力 (ピン IC8/2 および IC8/3) の信号レベルは同じになります。その結果、このアンプの出力 (ピン IC8/6) は Low になります。

増幅器ＩＣ８の出力における電圧降下により、トランジスタＴ９が開き、ヘッドフォンＢＦ１の共通線に接続される。マイクロコントローラーの対応する出力 (ピン IC8/9) からトランジスタ T1 への制御信号が受信されると、音声周波数信号が電話で聞こえます。抵抗 R1 は、BF11 ヘッドフォンに流れる電流を制限します。これを選択すると、音響信号の音量を調整できます。

この金属探知機の電源は電源B1から12Vの電圧で供給されます。

詳細と構造

検討中のデバイスのすべての部品（サーチコイル L1、抵抗器 R45、スイッチ P1、およびスイッチ S1 を除く）は、両面フォイル getinax で作られた 105x65 mm のプリント基板上に配置されています（図 3.16）。またはテキストライト。

微小回路上の単純なパルス金属探知機
米。 3.16。シンプルなパルス金属探知機のプリント基板

このデバイスで使用される部品には特別な要件はありません。プリント基板上に問題なく実装できる小型のコンデンサや抵抗器を使用することをお勧めします (図 3.17)。

微小回路上の単純なパルス金属探知機
米。 3.17。単純なパルス金属探知機の要素の位置

LF357 (IC4) タイプの IC は LM318 または NE5534 に置き換えることができますが、セットアップ上の問題が発生する可能性があります。アンプIC5としては、図に示したLF356チップの他に、CA3140チップも使用できます。 LF398 (IC6、IC7) のようなチップは、MAC198 に簡単に置き換えられます。 CA3140 アンプ (IC8) の代わりに、TL071 チップを使用できます。

トランジスタ T1 ～ T3 としては、回路図に示したもの以外にも、BU2508、BU2515、ST2408 などを使用できます。

水晶振動子の動作周波数は 3,5 MHz である必要があります。ただし、共振周波数が 2 ～ 6 MHz の他の水晶素子を使用することもできます。

マイクロプロセッサIC1の取り付けには専用ソケットを使用します。この場合、すべての取り付け作業が完了した後でのみ、マイコンがボードに取り付けられます。この条件は、個々の要素の値を選択する際のはんだ付けに関連する調整作業を実行するときにも遵守する必要があります。

コイル L1 の製造には特に注意を払う必要があり、そのインダクタンスは 500 μH である必要があります。コイル L1 は直径 250 mm のリングの形で作られ、直径 30 mm 以下のワイヤが 0,5 回巻かれています。太い線径を使用するとコイルに流れる電流は増加しますが、寄生渦電流の増加がさらに早くなり、感度の低下につながります。

コイルの製造では、パルスの放射中に隣接するターン間の電位差が 20 V に達するため、ワニス付きワイヤの使用はお勧めできません。コイルターンの巻線中に、たとえば近くに導体がある場合、、1 ターン目と XNUMX ターン目では、絶縁破壊が実質的に保証されます。これにより、トランスミッタのトランジスタやその他の素子が故障する可能性があります。したがって、LXNUMX コイルの製造に使用されるワイヤは少なくとも PVC 絶縁されている必要があります。完成したコイルも十分に絶縁することをお勧めします。これを行うには、エポキシ樹脂またはさまざまな発泡充填材を使用できます。

コイル L1 は、XNUMX 芯の十分に絶縁されたワイヤを使用して基板に接続する必要があります。各コアの直径は、コイル自体を構成するワイヤの直径以上であってはなりません。同軸ケーブルには固有の静電容量が大きいため、同軸ケーブルの使用は推奨されません。

音声信号のソースは、インピーダンスが 8 ～ 32 オームのヘッドフォン、または同様のコイルインピーダンスを持つ小型スピーカーのいずれかです。

本金属探知機の消費電流は1mA以上ありますので、B2の電源には容量200Ah程度の二次電池のご使用を推奨します。

要素が配置されたプリント回路基板と電源は、適切なハウジングに配置されます。筐体カバーには、可変抵抗器Ｒ４５、スイッチＰ１、ヘッドフォンＢＦ１とコイルＬ１を接続するためのコネクタ、スイッチＳ１が設けられている。

確率

この装置は、サーチコイル L1 から少なくとも 1,5 m の距離で金属物体が取り除かれた状態で調整する必要があります。問題の金属探知機の設定と調整の特徴は、個々のブロックとカスケードが徐々に接続されていることです。この場合、各接続作業（はんだ付け）は電源を切った状態で行ってください。

まず第一に、マイクロコントローラーがない場合に、IC1マイクロ回路のソケットの対応するピンでの電源電圧の存在と大きさを確認する必要があります。供給電圧が正常な場合は、ボードにマイクロプロセッサを取り付け、周波数計またはオシロスコープを使用してピン IC1/4 および IC1/5 の信号をチェックする必要があります。これらのピンのパイロット信号の周波数は、使用する水晶発振子の動作周波数と一致する必要があります。

電圧コンバータのトランジスタを接続した後（負荷なし）、消費電流は 50 mA 増加します。無負荷時のコンデンサ C10 の両端の電圧は約 20 V になるはずです。その後、送信段を接続する必要があります。トランジスタ T1 ～ T4 の動作モードは同じである必要があり、抵抗 R13 ～ R16 の値を選択することによって設定されます。

抵抗器 R1 ～ R1 によって分路されたコイル L3 の抵抗は、約 500 オームでなければなりません。この場合、この回路の接触不良は送信機の出力トランジスタの不良を伴うため、コイルと抵抗器の接続部分は適切にはんだ付けする必要があります。

送信段の動作を確認するには、L1 コイルを耳に近づけて金属探知機の電源をオンにします。約 1 秒後 (マイクロコントローラーのリセット後)、低音信号が聞こえます。この信号の発生は、コイルの個々の巻きの微振動によるものです。この場合、持続時間約 3 ～ 10 μs の変調されていない尖ったパルスがトランジスタ T20 ～ T1 のコレクタに形成され、その形状はオシロスコープを使用して制御できます。抵抗器 R3 ～ R1 の抵抗値が増加すると、出力パルスの振幅が増加し、その持続時間が減少します。コイル L50 のシャントの抵抗値を選択する場合、可変抵抗器を使用することはお勧めできません。エンジンと通電トラックの接触が短期間でも違反すると、コイル LXNUMX の出力トランジスタの故障につながる可能性があるからです。送信機。したがって、シャントの値を XNUMX オームずつ徐々に変更することが望ましいです。部品を交換する前に、デバイスの電源をオフにする必要があります。

次に、受信部分の確立に進むことができます。すべての部品が良好な状態にあり、取り付けが正しく行われている場合、金属検出器をオンにした後 (開始パルスの終了後約 20 μs)、IC4 チップの出力で指数関数的に増加する信号が観察されます。（ピンIC4 / 6）オシロスコープを使用して、一定レベルの信号に変換します。この信号の前部の歪みは、コイル L1 を分路する抵抗器 R3 ～ R1 の選択によって除去されます。その後、IC5 チップの出力 (ピン IC5 / 6) での信号の形状と振幅をチェックする必要があります。この信号の最大振幅は、抵抗 R36 の値を選択することによって設定されます。

IC6の出力（ピンIC6 / 5）では、スイッチP1を使用して選択されたパルス、およびコイルL1の領域内の金属物の存在に応じて、一定の信号が生成される必要があります。理想的には、この信号はスイッチ P1 のすべての位置でゼロに近づく必要があります。

結論として、開始パルスに対する例示的な測定パルスの位置を正確に確立することが残っている。これを行うには、水晶振動子 Q1 を選択して適切な動作周波数を選択するだけで十分です。

仕事の手続き

この金属検出器を実際に使用する前に、スイッチ P1 で最小パルス遅延を設定し、抵抗 R45 で最大感度を設定する必要があります。動作中に金属物体がサーチコイルL1のカバーエリアに現れると、音響信号がヘッドフォンに現れます。

より長いパルス遅延を持つ動作モードに切り替えると、土壌の磁気特性の影響が確実に排除されるだけでなく、あらゆる種類の異物（錆びた釘、タバコの箱のホイルなど）とその後の無駄な捜索。

著者：アダメンコM.V.

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