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無線電子工学および電気工学の百科事典 パルス式金属探知機です。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
あなたが注目したパルス金属探知機は、ドネツク（ウクライナ）出身の作者とエンジニア、ユーリ・コロコロフ（インターネットアドレス - home.skif.net/~yukol/index.htm）の共同開発であり、その努力により翻訳が可能になりました。このアイデアは、プログラマブルなシングルチップ マイクロコントローラーに基づいた最終製品に組み込まれます。彼はソフトウェアを開発し、本格的なテストと広範なデバッグ作業も実行しました。 現在、モスクワの会社「マスターキット」は、アマチュア無線家向けに、記載された金属探知機を自己組み立てするためのキットを製造することを計画している。キットには、プリント基板と、事前にプログラムされたコントローラーを含む電子部品が含まれます。おそらく、宝物や遺物を探すのが好きな多くの人にとって、このようなキットを購入してその後の簡単な組み立てを行うことは、高価な産業用機器を購入したり、金属探知機を完全に自作したりするよりも便利な代替手段となるでしょう。 自信があり、マイクロプロセッサーのパルス金属検出器の製造とプログラムに挑戦する準備ができている人のために、インターネット上のゆり・コロコロフの個人ページには、インテル HEX 形式のコントローラー ファームウェアの評価版のコードとその他の役立つ情報が含まれています。このバージョンのファームウェアは、金属探知機の一部の動作モードが存在しない点で完全バージョンとは異なります。 パルスまたは渦電流金属探知機の動作原理は、金属物体内でのパルス渦電流の励起と、これらの電流が誘発する二次電磁場の測定に基づいています。この場合、センサの送信コイルには励磁信号が常時ではなく、周期的にパルス状に供給される。導電性の物体では、減衰渦電流が誘導され、減衰電磁場が励起されます。この磁場は、センサーの受信コイルに減衰電流を誘導します。物体の導電特性とサイズに応じて、信号の形状と持続時間が変わります。図では、パルス金属検出器の受信コイル上の信号が概略的に示されている。
パルス金属探知機には長所と短所があります。利点としては、鉱化土壌や塩水に対する感受性が低いことが挙げられますが、欠点としては、金属の種類による選択性が低く、エネルギー消費が比較的高いことが挙げられます。 実用的なデザイン パルス金属探知機の最も実際的な設計は、2 コイル回路または追加の電源を備えたシングルコイル回路を使用して構築されます。前者の場合、デバイスには個別の受信コイルと送信コイルがあり、センサーの設計が複雑になります。 2 番目のケースでは、センサー内にコイルが 1 つだけあり、有用な信号を増幅するために、追加の電源によって電力を供給されるアンプが使用されます。この構造の意味は、自己誘導信号は送信コイルに電流を流す電源の電位よりも高い電位を持っているということです。したがって、このような信号を増幅するには、アンプ自体に電源が必要であり、その電位は増幅される信号の電圧よりも高くなければなりません。これにより、デバイスの設計も複雑になります。 提案されたシングルコイル設計は、上記の欠点のない独自のスキームに従って構築されています。 主な技術的特徴
検出の深さ：
提案されたパルス金属検出器の設計は比較的単純であるにもかかわらず、マイクロコントローラーに特別なプログラムを入力する必要があるため、家庭での製造は困難になる可能性があります。これは、マイクロコントローラーを操作するための適切な資格とソフトウェアとハードウェアを持っている場合にのみ実行できます。 構造スキーム ブロック図を図に示します。 25 デバイスの基礎はマイクロコントローラーです。その助けを借りて、デバイスのすべてのコンポーネント、およびデバイスの表示と一般的な制御を制御するための時間間隔が形成されます。強力なスイッチを使用して、エネルギーがセンサーコイルにパルス的に蓄積され、その後電流が遮断され、その後自己誘導パルスが発生し、ターゲット内に電磁場が励起されます。
提案された回路のハイライトは、入力段での差動アンプの使用です。電源電圧よりも高い電圧の信号を増幅し、一定の電位（+5V）に固定する役割を果たします。さらに増幅するには、高ゲインの受信アンプが使用されます。最初の積分器は、有用な信号を測定するために使用されます。順方向積分では、有用な信号が電圧の形で蓄積され、逆方向積分では、結果がパルス幅に変換されます。 240 番目の積分器は大きな積分定数 (XNUMX ms) を持ち、直流に対して増幅経路のバランスを取る役割を果たします。 概略図 パルス金属探知機の概略図を図に示します。 26 - 差動アンプ、受信アンプ、積分器、強力なスイッチ。
図では、図 27 に、マイクロコントローラー、コントロール、および表示を示します。提案された設計は、完全にインポートされた要素に基づいて開発されています。大手メーカーの最も一般的なコンポーネントが使用されています。いくつかの要素を国内のものと置き換えることを試みることができます。これについては以下で説明します。使用される要素のほとんどは不足しておらず、ロシアおよび CIS の大都市で電子部品を販売する会社を通じて購入できます。
強力なスイッチが電界効果トランジスタ VT1 に組み込まれています。使用される電界効果トランジスタ (IRF740 型) のゲート容量は 1000 pF を超えるため、トランジスタ VT2 の予備段を使用してトランジスタを素早く閉じます。誘導負荷の電流が徐々に増加するため、強力なスイッチの開く速度はそれほど重要ではなくなりました。抵抗 R1、R3 は、自己誘導のエネルギーを「減衰」するように設計されています。それらの定格は、トランジスタ VT1 の安全な動作と、センサーのインダクタンスと寄生巻線間容量によって形成される回路内の過渡プロセスの非周期性を保証するという理由から選択されました。保護ダイオード VD1、VD2 は、差動アンプの入力での電圧降下を制限します。 差動アンプはオペアンプ D1.1 を使用して組み立てられています。チップ D1 は、クワッド オペアンプ タイプ TL074 です。その特徴的な特性は、高速、低消費電力、低ノイズ レベル、高入力インピーダンス、および電源電圧に近い入力電圧で動作する能力です。これらの特性により、特に差動アンプ、および一般的な回路での用途が決まりました。差動アンプのゲインは約7で、抵抗R3、R6〜R9、R11の値によって決まります。 受信アンプ D1.2 は、ゲイン 56 の非反転アンプです。自己誘導パルスの高電圧部分の動作中、この係数はアナログ スイッチ D1 を使用して 2.1 に減らされます。これにより、入力増幅パスの過負荷が防止され、弱い信号を増幅するモードへの迅速な移行が保証されます。トランジスタ VT3 とトランジスタ VT4 は、マイクロコントローラからアナログ スイッチに供給される制御信号のレベルに一致するように設計されています。 1.3 番目の積分器 D240 を使用して、入力増幅回路の直流バランスが自動的に調整されます。積分定数 1.2 ms は、このフィードバックが急速に変化する目的の信号のゲインに影響を与えないように、十分に大きくなるように選択されています。この積分器を使用すると、信号がない場合、アンプ D5 の出力は +XNUMX V のレベルを維持します。 測定用の最初の積分器は D1.4 で作成されます。有用な信号の統合中、キー D2.2 が開き、それに応じてキー D2.4 が閉じます。論理インバータはスイッチ D2.3 に実装されています。信号の統合が完了すると、キー D2.2 が閉じ、キー D2.4 が開きます。蓄積コンデンサ C6 は抵抗 R21 を通じて放電を開始します。放電時間は、有効な信号の積分が終了するまでにコンデンサ C6 に確立された電圧に比例します。 この時間は、アナログからデジタルへの変換を実行するマイクロコントローラーを使用して測定されます。コンデンサ C6 の放電時間を測定するには、マイクロコントローラ D3 に組み込まれているアナログ コンパレータとタイマーが使用されます。 LED VD3...VD8 は光の表示を提供します。ボタン S1 は、マイクロコントローラーの初期リセットを目的としています。スイッチ S2 および S3 を使用して、デバイスの動作モードを設定します。可変抵抗器 R29 を使用して、金属検出器の感度を調整します。 機能するアルゴリズム 図で説明したパルス金属探知機の動作原理を説明します。図 28 は、デバイスの最も重要なポイントにおける信号のオシログラムを示しています。
インターバル A では、キー VT1 が開きます。のこぎり波電流がセンサー コイルに流れ始めます (オシログラム 2)。電流が約 2 A に達すると、キーが閉じます。トランジスタ VT1 のドレインで、自己誘導電圧のサージが発生します - オシログラム 1。このサージの大きさは 300 V (!) を超え、抵抗 R1、R3 によって制限されます。増幅経路の過負荷を防ぐために、制限ダイオード VD1、VD2 が使用されます。また、この目的のために、区間Ａ（コイル内のエネルギーの蓄積）および区間Ｂ（自己誘導の解放）中に、キーＤ２．１が開かれる。これにより、パスのエンドツーエンドのゲインが 2.1 から 400 に減少します。オシログラム 7 は、増幅パスの出力 (D3 のピン 8) での信号を示しています。区間 C から開始して、スイッチ D1.2 が閉じ、パス ゲインが大きくなります。増幅パスがモードに入るガードインターバル C の完了後、キー D2.1 が開き、キー D2.2 が閉じます - 有用な信号の積分が始まります - インターバル D。このインターバルの後、キー D2.4 が閉じ、キー D2.2 が開きます - 「逆」統合が始まります。この時間 (間隔 E および F) の間、コンデンサ C2.4 は完全に放電されます。内蔵アナログコンパレータを使用して、マイクロコントローラは間隔 E の値を測定します。この値は、入力有用信号のレベルに比例していることがわかります。ファームウェア バージョン 6 の間隔値は次のとおりです。
マイクロコントローラーは受信したデジタル データを処理し、LED VD3 ～ VD8 とサウンド エミッター Y1 を使用して、センサーに対するターゲットの影響の程度を示します。 LED 表示はダイヤル インジケーターに似たもので、ターゲットがない場合は VD8 LED が点灯し、衝撃のレベルに応じて VD7、VD6 などが順番に点灯します。 部品の種類とデザイン オペアンプ D1 TL074N の代わりに、TL084N または TL072N、TL082N タイプの XNUMX つのデュアル オペアンプを使用してみることができます。 D2チップはCD4066タイプのクアッドアナログスイッチで、国産のK561KTZチップと交換可能です。 D4 AT90S2313-10PI マイクロコントローラーには直接類似するものはありません。この回路には回路内プログラミング用の回路が用意されていないため、再プログラミングできるようにコントローラーをソケットに取り付けることをお勧めします。 78L05 スタビライザーは、極端な場合、KR142EN5A に置き換えることができます。 トランジスタVT1タイプIRF740はIRF840に置き換えることができます。 トランジスタ VT2 ～ VT4 タイプ 2N5551 は、任意の文字インデックスを備えた KT503 に置き換えることができます。ただし、ピン配列が異なることに注意する必要があります。 LED はどのタイプでも構いませんが、別の色の VD8 を使用することをお勧めします。ダイオード VD1、VD2 タイプ 1N4148。 抵抗は任意のタイプでよく、R1 と R3 の消費電力は 0,5 W にする必要があり、残りは 0,125 または 0,25 W にすることができます。 R9 と R11 の抵抗の差が 5% 以内になるように選択することをお勧めします。 同調抵抗 R7 マルチターンを使用することをお勧めします。 コンデンサ C1 は 16 V の電圧に対して電解コンデンサであり、残りのコンデンサはセラミックです。良好な TKE を備えたコンデンサ C6 を使用することをお勧めします。 ボタン S1、スイッチ S2 ～ S4、可変抵抗器 R29 は、寸法に適合する任意のタイプを使用できます。ピエゾエミッターまたはプレーヤーのヘッドフォンを音源として使用できます。 装置本体のデザインは任意でよい。センサー近くのロッド (最大 1 m) およびセンサー自体には、金属部品や固定要素があってはなりません。ロッドを作るための出発材料としてプラスチック製の伸縮式釣竿を使用すると便利です。 センサーには、27 mm のマンドレルに巻かれた直径 0,6 ～ 0,8 mm のワイヤが 190 回巻かれています。センサーにはスクリーンがなく、巨大なネジやボルトなどを使用せずにロッドに取り付ける必要があります。 (!) それ以外の場合、その製造技術は誘導型金属探知機と同じです。シールドケーブルは静電容量が大きいため、センサーと電子ユニットの接続に使用できません。これらの目的には、MGShV タイプなどの XNUMX 本の絶縁ワイヤを撚り合わせて使用する必要があります。 デバイスのセットアップ 注意！デバイスには、VT1 コレクタとセンサーに、生命を脅かす可能性のある高い電圧が含まれています。したがって、セットアップおよび操作の際には、電気的安全上の注意事項に従う必要があります。 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. インストールが正しいことを確認します。 2. 電源を入れ、流れる電流が 100 (mA) を超えないことを確認します。 3. 同調抵抗 R7 を使用して、D7 のピン 1.4 のオシログラムが図のオシログラム 4 に対応するように増幅経路の平衡を実現します。この場合、間隔Ｄの終わりの信号が変化していないこと、すなわち、信号が変化していないことを保証する必要がある。この時点でのオシログラムは水平になるはずです。 正しく組み立てられたデバイスは、それ以上の調整を必要としません。センサーを金属物体に近づけて、インジケーターが機能していることを確認する必要があります。コントロールの操作の説明はソフトウェアの説明に記載されています。 ソフトウェア この資料の執筆時点では、ソフトウェア バージョン 1.0 および 1.1 が開発され、テストされています。 Intel HEX 形式のファームウェア コード バージョン 1.0 は、インターネットの Yuri Kolokolov の個人ページ、home.skif.net/~yukol/index.htm にあります。 ソフトウェアの商用バージョン 1.1 は、Master Kit が製造するキットの一部として、すでにプログラムされたマイクロコントローラーの形で提供される予定です。バージョン 1.0 には次の機能が実装されています。
ソフトウェア バージョン 1.1 は、可変抵抗器 R29 を使用してデバイスの感度を調整できる点が異なります。 ソフトウェアの新しいバージョンの開発は続けられており、追加のモードが導入される予定です。スイッチ S1、S2 は、新しいモードを制御するために予約されています。広範なテストを経て、新しいバージョンがマスター キットとして提供される予定です。新しいバージョンに関する情報は、インターネット上のユーリ・コロコロフの個人ページ、home.skif.net/~yukol/index.htm で公開されます。 著者：Shchedrin A.I.
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