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無線電子工学および電気工学の百科事典 金属探知機を倒します。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
提案された金属探知機は、物体の「近く」を探索するように設計されています。 最も単純なスキームに従って組み立てられます。 装置はコンパクトで製造が容易です。 検出深度は次のとおりです。
構造スキーム ブロック図を図に示します。 8. いくつかの機能ブロックで構成されます。 水晶発振器は、安定した周波数の矩形パルスの発生源です。
発振回路は、センサー（インダクター）を含む測定発生器に接続されています。 両方の発生器の出力信号は同期検波器の入力に供給され、同期検波器の出力で差周波信号が生成されます。 この信号は、ほぼ鋸歯状の形状をしています。 さらなる処理を容易にするために、同期検出信号はシュミット トリガを使用して方形信号に変換されます。 表示装置は、圧電エミッタを使用して差周波の音声信号を生成し、LED インジケータを使用してこの周波数の値を視覚的に表示するように設計されています。 概略図 筆者が開発したビート検出器の概略図を図に示します。 9.
水晶発振器は、「送受信」原理に基づく金属探知機発生器と同様の回路を備えていますが、D1.1 ～ D1.3 インバータで実装されています。 発振器の周波数は、共振周波数が 2 の水晶または圧電セラミック共振子 Q によって安定化されます。15 Hz ～ 32 kHz (「時計クォーツ」)。 R1C2 回路は、高調波での発電機の励磁を防ぎます。 抵抗器 R2 を介して PIC 回路が閉じられ、共振器 Q を介して PIC 回路が閉じられます。 この発電機は、シンプルさ、電源からの低消費電流、3..15 Vの電源電圧での信頼性の高い動作が特徴で、同調素子や高すぎる抵抗器が含まれていません。 発電機の出力周波数は約 32 kHz です。 デューティ サイクルが 2.1 に正確に等しい信号を生成するには、追加のカウント トリガ D2 が必要です。これは後続の同期検出回路に必要です。 測定発生器 発生器自体は、トランジスタ VT1、VT2 の差動段に実装されています。 POS 回路は電気的に実装されているため、回路が簡素化されます。 差動段の負荷は発振回路 L1C1 です。 生成周波数は発振回路の共振周波数に依存し、また差動段のモード電流にもある程度依存します。 この電流は抵抗器 R3 と R3' によって設定されます。 デバイスをセットアップするときの測定発生器の周波数の調整は、静電容量C1を選択することによって大まかに実行され、ポテンショメータR3'を調整することによって滑らかに実行されます。 差動段の低電圧出力信号をデジタル CMOS マイクロ回路の標準論理レベルに変換するために、トランジスタ VT3 に共通エミッタを備えた回路に従ってカスケードが使用されます。 D3.1 エレメントの入力にシュミット トリガーを備えたシェーパーは、後続のカウント トリガーの通常動作に対して急峻なパルス エッジを提供します。 デューティ サイクルが 2.2 に正確に等しい信号を生成するには、追加のカウント トリガ D2 が必要です。これは後続の同期検出回路に必要です。 同期検波器 検出器は、D4.1「XOR」要素に実装された乗算器と R6C4 積分回路で構成されます。 その出力信号は鋸歯状に近い形状であり、この信号の周波数は水晶発振器と測定用発振器の周波数の差に等しくなります。 シュミットトリガー シュミット トリガは D3.2 エレメントに実装されており、同期検波器のノコギリ波電圧から方形パルスを生成します。 表示装置 これは単に強力なバッファ インバータであり、残りの 1.4 つのインバータ D1.6 ～ DXNUMX に実装され、負荷容量を増やすために並列接続されています。 表示デバイスの負荷は LED とピエゾ エミッタです。 部品の種類とデザイン 使用されるマイクロ回路の種類を表に示します。 4. 表 4. 使用されるマイクロ回路の種類
K561 シリーズマイクロ回路の代わりに、K1561 シリーズマイクロ回路を使用することも可能です。 K176 シリーズのいくつかのチップを試してみることができます。 デジタル回路の未使用要素の入力は未接続のままにしてはいけません。 これらは共通バスまたは電源バスに接続する必要があります。 トランジスタ VT1、VT2 は、任意の文字が付いた K159NT1 タイプの統合トランジスタ アセンブリの要素です。 これらは、KT315、KT312 タイプなどの npn 導電性を備えたディスクリート トランジスタで置き換えることができます。 トランジスタ VT3 - 任意の文字または pnp 導電性を備えた同様のタイプの KT361 タイプ。 金属検出器回路で使用される抵抗器には特別な要件はありません。 必要なのは、頑丈で取り付けが簡単であることだけです。 定格消費電力は 0,125 ... 0,25 W である必要があります。 補償ポテンショメータ R3' は多回転タイプ SP5-44 またはバーニア調整付きタイプ SP5-35 が望ましいです。 あらゆるタイプの従来のポテンショメータを使用できます。 この場合、２個直列に接続して使用することが望ましい。 1 つは大まかな調整用で、公称値は 100 kΩ です。 もう XNUMX つは微調整用で、公称値は XNUMX オームです。 インダクタ L1 の内部巻線直径は 160 mm で、ワイヤの巻き数は 100 回です。 ワイヤーの種類 - PEL、PEV、PELSHO など線径0,2～0,5mm。 コイルの設計については以下を参照してください。 コンデンサ C3 は電解コンデンサです。 推奨タイプ - K50-29、K50-35、K53-1、K53-4、その他の小型タイプ。 測定用発電機のコイルの発振回路のコンデンサーを除いた残りのコンデンサーはセラミックタイプのK10-7などです。 回路コンデンサC1は特殊です。 精度と熱安定性の点で高い要求が課せられます。 コンデンサは、並列接続された複数 (5 ～ 10 個) の個別のコンデンサで構成されます。 水晶発振器の周波数に対する回路の大まかな調整は、コンデンサの数とその定格を選択することによって実行されます。 推奨されるコンデンサのタイプは K10-43 です。 それらの熱安定性グループは MPO (つまり、ほぼゼロの TKE) です。 精密コンデンサやK71-7などの他のタイプも使用可能です。 最終的には、KSO コンデンサやポリスチレン コンデンサなど、銀プレートを備えた熱安定性マイカ コンデンサを使用してみることができます。 高効率のLED VD1タイプAL336等。 可視放射線範囲内の他の LED でも使用できます。 クォーツレゾネーター Q - 小型の時計用クォーツ (同様のものは携帯型電子ゲームでも使用されます)。 ピエゾ エミッタ Y1 - タイプ ЗП1 ～ ЗП18 を選択できます。 輸入電話機のピエゾエミッタを使用すると、良好な結果が得られます（発信者番号通知機能付き電話機の製造時に大量に「廃棄」されます）。 デバイスの設計は非常に任意にすることができます。 開発する際には、センサーとハウジングの設計に関するセクションで概説されている推奨事項を考慮することが望ましいです。 金属検出器の電子部品のプリント基板は、従来の方法で作成できますが、超小型回路 (2,5 mm ピッチ) の DIP パッケージ用に既製のブレッドボード プリント基板を使用することも便利です。 デバイスのセットアップ 次の順序でデバイスをセットアップすることをお勧めします。 1. 回路図に従って正しい取り付けを確認してください。 隣接する PCB 導体、隣接するマイクロ回路の脚などの間に短絡がないことを確認してください。 2. 極性を厳守してバッテリーまたは 9V 電源を接続します。 デバイスの電源をオンにし、消費電流を測定します。 10mA程度になるはずです。 指定値からの急激な逸脱は、マイクロ回路の誤った取り付けまたは誤動作を示します。 3. 水晶発振器の出力と要素 D3.1 の出力に、周波数約 32 kHz の純粋な蛇行があることを確認します。 4. トリガー D2.1 および D2.2 の出力に約 16 kHz の周波数の信号があることを確認します。 5. 要素 D3.2 の入力に差周波の鋸歯状電圧があり、その出力に方形パルスがあることを確認します。 6. ディスプレイ デバイスが機能していることを視覚的および聴覚的に確認します。 可能な変更 デバイスのスキームは非常にシンプルなので、さらなる改善についてのみ話すことができます。 これらには次のものが含まれます。 1. オプションの LED 対数周波数インジケータを追加します。 2. 測定発生器での変圧器センサーの使用。 これらの変更点を詳しく見てみましょう。 対数周波数インジケーター 対数周波数インジケーターは、高度な LED インジケーターです。 そのスケールは 10 つの個別の LED で構成されています。 測定された周波数が特定のしきい値に達すると、スケール上の対応する LED が点灯し、残りの XNUMX つは点灯しません。 このインジケーターの特徴は、隣接する LED の周波数応答しきい値が互いに XNUMX 倍異なることです。 つまり、対数目盛になっているので、叩く金属探知機などに非常に便利です。 対数周波数インジケーターの概略図を図に示します。 XNUMX. このインジケーターのスキームは著者によって独自に開発されたという事実にもかかわらず、特許調査によりそのようなスキームが知られていることが判明したため、オリジナルであるとは主張しません。 それにもかかわらず、著者の意見では、指標スキーム自体と国内要素ベースでのその実装の両方は、ある程度興味深いものです。
対数インジケーターは次のように機能します。 インジケーターの入力は、衝撃金属検出器回路のシュミットトリガーの出力から信号を受け取ります (図 9 を参照)。 この信号は、バイナリカウンタ D5.1 ～ D5.2 の入力です (番号付けは図 9 のスキームに従って続きます)。 これらのカウンタは、シュミット トリガ D3.3 の補助発振器からの約 10 Hz の周波数の高レベル信号によって定期的にリセットされます。 補助発生器信号の立ち上がりエッジで、カウンタの状態も並列 6 ビット レジスタ D7 および D6 に書き込まれます。 したがって、レジスタ D7 および DXNUMX の出力には、ビート信号の周波数のデジタル コードが存在します。 スケール上の対応する LED が周波数コードの特定のビットの XNUMX つの出現に対応するように設定されている場合、このコードを対数スケールに変換するのは非常に簡単です (これがこのスキームの「ハイライト」です)。コードの上位ビットはすべてゼロです。 明らかに、このタスクは組み合わせ回路によって実行される必要があります。 このようなスキームの最も単純な実装は、OR 要素のリンクを定期的に繰り返すことです。 実際の回路では、要素 OR-NOT D8、D9 が強力なバッファ インバータ D10、D11 とともに使用されます。 回路の出力では、スケール LED を制御するための論理信号が「単位の波形」の形式で取得されます。 もちろん、バッテリー電力を節約するという観点からは、スケールを LED の発光列 (一度に最大 8 個) の形ではなく、移動するドットの形で作成することをお勧めします。 XNUMX つの発光 LED。 これを行うには、インジケータラインの LED が組み合わせ回路の出力間に接続されます。 非常に低い周波数の場合は、LED の点滅の形での表示の方がさらに適しています。 提案されたスキームでは、LED スケールの先頭と結合され、次のセグメントが点灯するとすぐに消灯します。 要素 R8、C5 を選択すると、補助発電機の周波数値を変更できるため、周波数スケール制限が変更されます。 部品の種類とデザイン 使用されるマイクロ回路の種類を表に示します。 4. 表 4. 使用されるマイクロ回路の種類
K561 シリーズマイクロ回路の代わりに、K1561 シリーズマイクロ回路を使用することも可能です。 K176 シリーズのいくつかのチップを試してみることができます。 D8 ～ D11 マイクロ回路の電源配線とピン番号は、簡略化のため、従来は示されていません。 高効率の LED VD2 ～ VD9 タイプ AJ1336 など。 電流設定抵抗 R9 ～ R17 の値は同じ 1,0 ～ 5,1 kOhm です。 これらの抵抗器の抵抗値が低いほど、LED はより明るく輝きます。 ただし、この場合、K561LN2 マイクロ回路の負荷容量が十分でない可能性があります。 この場合、表示回路に出力インバータを並列接続して使用することをお勧めします。 回路に取り付けられた各 K4LN561 マイクロ回路の上に、同じタイプの追加のマイクロ回路ケース (最大 2 個) をはんだ付けするだけで、この並列接続を構成するのが最も便利です。 変圧器センサー 金属探知機用の変圧器探知機のアイデアはシンプルでエレガントです。 これは長い間知られており、金属検出器センサー コイルの設計を簡素化したいという要望から生まれました。 どのような設計の一般的な金属探知センサーにも共通する欠点は、コイルの巻き数が多い (100 以上) ことです。 その結果、センサー設計の剛性が不十分となり、追加のフレームやエポキシ鋳造などの特別な手段を採用する必要があります。 さらに、このようなコイルの寄生容量は大きく、コイルと地面や作業者の身体との容量結合による誤信号を除去するために、巻線をシールドする必要があります。 リストされた欠点を解消する方法は簡単かつ明白です - 最小巻数からなるコイルを使用する必要があります - XNUMX巻から！ 当然のことながら、そのような解決策は「額」では機能しません。XNUMXターンのわずかなインダクタンスには、発振回路コンデンサの巨大な静電容量、巨大な出力電流を備えた信号発生器、および高い品質係数を確保するための特別なトリックが必要になるためです。 そしてここで、インピーダンスを整合させ、低電流の高電圧の交流信号を高電流の低電圧信号に、またはその逆に変換する、変圧器について設計されたデバイスの存在を思い出してください。 実際に、変圧比が約 6 の変圧器を考え、その降圧巻線を金属探知機センサーである 10 ターンに接続し、昇圧巻線をインダクタの代わりに金属探知機回路に接続してみましょう。 構造的には、このような変圧器センサーの XNUMX ターンはさまざまな方法で行うことができます。 たとえば、断面が XNUMX ～ XNUMX mm の銅またはアルミニウムの単芯線のリングにすることができます。2 銅および10...35 mmの場合2 アルミニウム用。 電源ケーブルの内部導体は使いやすいです。 金属管からコイルを作り、軽量化と剛性を高めることが可能です。 シート材料に貼り付けることによって、また通常のフォイルグラスファイバーからでもフォイルのコイルを製造することが可能です。 都合の良い場所であれば、コイルはデバイスの共通バスに接続することで接地され、寄生容量結合が確実に補償されます。 センサーの特定の設計でのこれらの接続の影響は、XNUMX 回の巻きの合計抵抗係数の値が低いため、数桁小さくなります。 変圧器センサーにより、コンパクトなビートアウト金属探知機の折りたたみ設計を実装することができます。 彼女のスケッチを図に示します。 11. センサートランスは、プラスチックケースに入った金属検出器ボードに直接取り付けられたトロイダル磁気コア上に作られています。 トランスの降圧巻線とセンサーのコイルは、構造的には断面積 6 mm2 の銅絶縁単芯線で作られた長方形のフレームの形をした単一の全体であり、はんだ付けで閉じられています。 指定されたフレームには回転機能があります。 折りたたんだ状態では、フレームはデバイス本体の周囲に沿って配置され、余分なスペースを占有しません。 作業位置では 180 度回転します。 フレームを設置位置に固定するには、ゴムまたは他の同様の材料で作られたシールブッシュが使用されます。 フレームに他の適切な機械的保持具を使用することも可能です。
変圧器センサーのコイルを構成する導体の断面積は、金属探知センサーの通常のコイルを構成するすべての巻線の総断面積以上でなければなりません。 これは、構造に必要な強度と剛性を与えるだけでなく、インダクタのような変圧器の類似物を備えた発振回路の低すぎる品質係数を得るためにも必要です（ちなみに、次のようなコイルを使用する場合）。放射コイルの場合、その中の電流は数十アンペアに達する可能性があります!)。 同じ理由で、トランスの降圧巻線のワイヤサイズを適切に選択する必要があります。 コイル導体の断面積よりも小さな断面積を持つことができますが、そのオーム抵抗はコイルのオーム抵抗より大きくてはなりません。 オーム抵抗による損失を減らすには、ターンをトランスの降圧巻線に非常に注意深く接続する必要があります。 推奨される接続方法は、はんだ付け (銅コイルの場合) または不活性ガス環境での溶接 (アルミニウムの場合) です。 変圧器の要件は次のとおりです。 まず、必要な周波数で低損失で動作する必要があります。 実際には、これは磁気回路が低周波フェライトで作られていなければならないことを意味します。 第二に、その巻線はセンサーのインピーダンスに顕著な影響を与えてはなりません。 実際には、これは、降圧巻線のインダクタンスがコイルのインダクタンスよりも著しく大きくなければならないことを意味します。 透磁率のあるトロイダルフェライトコア用 μ\u2000d 30で直径がXNUMX mmを超える場合、これはステップダウン巻線のXNUMX回転でも当てはまります。 第三に、変換比は、降圧巻線に接続されたセンサー巻線を備えた昇圧巻線のインダクタンスが、一般的なセンサーの従来のコイルのインダクタンスとほぼ同じになるようなものでなければなりません。 残念ながら、ビート検出器に限っては、変圧器センサーの利点が欠点をはるかに上回ります。 より高感度のデバイスの場合、このようなセンサーは機械的変形に対する感度が非常に高いため適用できず、動作中に誤った信号が発生する可能性があります。 これが、トランス検出器がビート検出器セクションでのみ取り上げられる理由です。 著者：Shchedrin A.I.
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