Транзисторный металлоискатель типа FM РЛ #3-2005
Михаил АДАМЕНКО
(По материалам зарубежной печати)
В одном из предыдущих номеров журнала было опубликовано описание конструкции простого транзисторного металлоискателя типа BFO (Beat Frequency Oscillator). В таких металлодетекторах в процессе определения наличия металлических предметов в зоне действия прибора оценивается изменение частоты сигнала биений. Металлоискатели типа BFO просты, для их изготовления обычно не требуются дефицитные детали, а характеристики вполне удовлетворят непритязательных пользователей.
Однако металлоискатели, работа которых основана на оценке девиации частоты биений (BFO), обладают сравнительно малой чувствительностью при поиске металлов со слабыми ферромагнитными свойствами (медь, олово, серебро и т.п.). Поскольку разность частот (биения) малозаметна при использовании обычных методов индикации, повысить чувствительность металлодетекторов типа BFO довольно сложно. Поэтому в тех случаях, когда от металлоискателя требуется сравнительно высокая чувствительность, рекомендуется обратиться к конструкциям, работа которых основана на иных принципах.
Одним из первых возможных вариантов построения детектора металлических предметов, который может прийти в голову любому человеку, хотя бы немного знакомому с основами электротехники, можно считать устройство, в основе которого лежит изменение частоты генератора под влиянием металлического предмета.
Из школьных учебников физики известно, что частота сигнала, генерируемого в контуре, образуемом параллельно включенными катушкой L и конденсатором С, зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора. При изменении хотя бы одного из этих параметров изменится резонансная частота контура, что приведет и к соответствующему изменению частоты генерации. Легче всего можно изменить индуктивность катушки. Для этого достаточно, например, поместить вблизи нее предмет, изготовленный из соответствующего металла, например, сердечник. Данное физическое явление и положено в основу конструкции металлодетекторов, работающих по принципу изменения частоты генератора под воздействием близко расположенных металлических предметов. В специализированной литературе такие устройства часто называют металлоискателями типа FM (Frequency Meter). Упрощенная блок-схема металлоискателя, работающего по принципу частотомера, приведена на рис. 1.
При появлении металлического предмета в зоне возбуждаемого измерительной катушкой электромагнитного поля резонансная частота контура опорного генератора меняется. Это изменение оценивается анализатором, основу которого составляет простейший частотомер. Величина девиации частоты, а также ее знак зависят не только от глубины залегания и величины предмета, но и от вида металла, из которого он изготовлен. Обработанные данные поступают на блок индикации.
Следует отметить, что металлоискатели типа FM обладают большей чувствительностью по сравнению, например, с уже упоминавшимися металлодетекторами BFO.
Современные детекторы металлических предметов, работающие по принципу оценки девиации частоты (FM), представляют собой сложные и сравнительно дорогостоящие приборы. Обычно основу схемы анализатора в таких устройствах составляют микропроцессоры, а блок индикации содержит сложные схемы звуковой и визуальной сигнализации.
Тем не менее, существует большое количество простых конструкций металлоискателей типа FM, изготовить и настроить которые сможет не только школьник, но и любой взрослый, никогда не державший в руках паяльник и не имеющий специальной подготовки.
Так, например, много лет назад автором был изготовлен транзисторный металлодетектор, в основу которого легла схема оригинального устройства, опубликованная в журнале «Radio-Electronics» (1967, №11). Основным элементом, с помощью которого в этом приборе осуществлялся анализ изменения частоты под воздействием металлических предметов, являлся кварц. При этом результаты анализа оценивались визуально.
Указанная конструкция легла в основу металлоискателя, в котором после проведения определенных доработок и изменений результаты анализа девиации частоты можно оценивать как визуально, так и на слух. Краткое описание усовершенствованного устройства и предлагается вниманию уважаемых читателей.
Следует отметить, что в данной конструкции отсутствуют какие-либо дефицитные детали, на любом радиорынке почти бесплатно можно приобрести все необходимое.
Принципиальная схема
Предлагаемый детектор металлических предметов представляет собой один из вариантов металлодетекторов типа FM (Frequency Meter), то есть является устройством, в основу которого положен принцип анализа девиации частоты опорного генератора под влиянием металлических предметов, попавших в зону действия поисковой катушки.
Одной из главных отличительных особенностей этой конструкции является анализатор, выполненный на кварцевом элементе Q1. В блоке индикации помимо стрелочного прибора применена схема акустической сигнализации. Принципиальная схема простого транзисторного металлоискателя типа FM приведена на рис. 2.
Основу схемы данного металлодетектора составляют измерительный генератор, буферный каскад, детектор высокочастотных колебаний, анализатор и индикаторное устройство.
Колебательный контур генератора высокой частоты, выполненного на транзисторе Т1, состоит из катушки L1 и конденсаторов С3 – С6. Рабочая частота ВЧ генератора зависит от девиации индуктивности поисковой катушки L1, а также от изменения емкостей подстроечного конденсатора С4 и регулировочного конденсатора С3. При отсутствии вблизи катушки L1 металлических предметов частота колебаний, возбуждаемых в высокочастотном генераторе, должна быть равна частоте кварцевого элемента Q1, то есть в данном случае 1 МГц.
После того как в зоне действия поисковой катушки L1 окажется металлический предмет, ее индуктивность изменится. Это приведет к отклонению частоты колебаний высокочастотного генератора. Далее ВЧ сигнал подается на буферный каскад, обеспечивающий согласование генератора с последующими цепями. В качестве буферного каскада используется эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе Т2.
С выхода эмиттерного повторителя высокочастотный сигнал через регулировочный резистор R7 и кварц Q1 поступает на детектор, выполненный на диоде D2. Благодаря высокой добротности кварца малейшие изменения частоты измерительного генератора будут приводить к уменьшению полного сопротивления кварцевого элемента. В результате на вход усилителя постоянного тока (база транзистора Т3) поступает низкочастотный сигнал, изменение амплитуды которого обеспечивает соответствующее отклонение стрелки индикаторного прибора.
Нагрузкой УПТ, выполненного на транзисторе Т3, является стрелочный прибор с током полного отклонения 1 мА. При замыкании выключателя S2 в цепь нагрузки включается генератор звукового сигнала, выполненный на транзисторе Т4.
Питание металлоискателя осуществляется от источника В1 напряжением 9 В.
Детали и конструкция
Для изготовления металлоискателя с кварцевым элементом можно использовать любую макетную плату. Поэтому к используемым деталям не предъявляются какие-либо ограничения, связанные с габаритными размерами. Монтаж может быть как навесной, так и печатный.
Вместо транзисторов типа BC108 (Т1 – Т3), указанных на схеме, в данной конструкции можно использовать практически любые отечественные кремниевые маломощные транзисторы, например типа КТ315Б. Вместо диода типа 1N4001 (D2) рекомендуется применять любой германиевый диод серий Д2 или Д9 с любым буквенным индексом. В качестве элемента Q1 можно использовать любой кварцевый элемент с частотой от 900 кГц до 1,1 МГц. Источником питания В1 может служить батарейка «Крона» или две батарейки 3336Л, соединенные последовательно.
Поисковая катушка L1 представляет собой кольцевую рамку, изготовленную из отрезка кабеля с внешним диаметром 8–10 мм (например, кабель марки РК-50). Центральную жилу кабеля следует удалить, а вместо нее протянуть шесть жил провода типа ПЭЛ диаметром 0,1–0,2 мм и длиной около 115 см. Получившийся многожильный кабель необходимо согнуть на подходящей оправке в кольцо таким образом, чтобы между началом и концом образовавшейся петли остался зазор шириной примерно 25–30 мм.
Конец провода, являющийся началом первого витка, следует припаять к экранирующей оплетке кабеля, начало второго витка – к концу первого и так далее. В результате получится катушка, содержащая шесть витков провода. При изготовлении катушки L1 нужно особенно следить за тем, чтобы не произошло замыкание концов экранирующей оплетки, поскольку в этом случае образуется короткозамкнутый виток.
Дополнительную жесткость конструкции катушки L1 можно придать, если расположить ее между двумя дисками из фанеры или гетинакса диаметром 400 мм и толщиной 5–7 мм. Конструкция поисковой катушки L1 приведена на рис. 3.
Плата с расположенными на ней элементами и источник питания размещаются в любом подходящем пластмассовом или деревянном корпусе. На крышке корпуса устанавливаются переменный резистор R7, выключатели S1 и S2, разъемы Х1 и Х2, а также индикатор PA1.
Поисковую катушку L1 следует установить на конце подходящей ручки длиной 100–120 см. Соединение катушки с платой прибора выполняется многожильным экранированным кабелем.
Налаживание
Главным условием, обеспечивающим качественную настройку данного прибора, является отсутствие крупногабаритных металлических предметов на расстоянии не менее 1,5 м от поисковой катушки L1.
Непосредственное налаживание металлодетектора следует начать с установки нужной частоты колебаний, формируемых высокочастотным генератором. Частота ВЧ колебаний должна быть равна частоте кварцевого элемента Q1. Для выполнения данной регулировки рекомендуется воспользоваться цифровым частотомером. При этом значение частоты сначала грубо устанавливается изменением емкости конденсатора С4, а затем точно – регулировкой конденсатора С3.
При отсутствии частотомера настройку ВЧ генератора можно провести по показаниям индикатора PA1. Кварц Q1 является элементом связи между измерительной и индикаторной частями прибора, его сопротивление в момент резонанса велико. Таким образом, о точной настройке колебаний высокочастотного генератора на частоту кварца будет свидетельствовать минимальное показание стрелочного прибора PA1. Уровень чувствительности данного устройства регулируется резистором R7.
Порядок работы
При практическом использовании этого металлодетектора следует переменным резистором R7 установить стрелку индикатора PA1 на нулевое значение шкалы. При этом в определенной степени компенсируются изменения режимов работы, обусловленные разрядом батареи, изменением температуры окружающей среды или девиацией магнитных свойств грунта.
Если в процессе работы в зоне действия поисковой катушки L1 окажется какой-либо металлический предмет, стрелка индикатора PA1 отклонится. В этом случае при замыкании контактов выключателя S2 в головных телефонах появится звуковой сигнал.
© РАДИОЛЮБИТЕЛЬ