Металлодетектор или металлоискатель предназначается для нахождения предметов, по собственным электрическим и/или магнитным особенностям выделяющихся от среды, в которой они находятся. Говоря просто, он дает возможность искать металл в земле. Но не только металл, и не только в грунте. Металлоискателями пользуются службы досмотра, криминалисты, военные, геологи, рабочие с целью поиска профилей под обшивкой, арматуры, сверки планов-схем коммуникаций размещенных под землей, и люди множества прочих специальностей.
Металлодетекторы собственными руками очень часто делают любители: кладоискатели, краеведы, члены военно-исторических объединений. Им, начинающим, и необходима обязательно эта статья; описанные в ней устройства дают возможность найти монету с коммунистический пятак на глубине до 20-30 см или железяку с полимерный люк приблизительно в 1-1,5 м под поверхностью. Но этот рукодельный приборчик может понадобиться и на хозяйстве при проведении ремонта или на стройке. Напоследок, обнаружив в земле центнер-другой брошенной трубы или конструкций из металла и сдав находку в металлический лом, можно спасти очень хорошую сумму. А аналогичных сокровищ в земле российской точно больше, чем пиратских сундуков с дублонами или боярско-разбойничьих кубышек с ефимками.
Примечание: если вы не сведущи в электротехнике с радиоэлектроникой, не нужно пугаться схем, формул и специализированной терминологии в тексте. Самая сущность излагается просто, и в конце будет описание прибора, который можно создать за 5 мин на столе, не умея не то что паять, а проводки скрутить. Однако он даст возможность «потрогать» специфики поиска металлов, а появится интерес – придут и знания с способностями.
Чуть выше внимания если сравнивать с остальными будет оказано металлодетектору «Пират», см. рис. Данный прибор весьма прост для повторения начинающими, но по собственным хорошим показателям ни в чем не уступает многим брендовым моделям стоимостью до $300-400. А основное – он показал хорошую повторяемость, т.е. полную трудоспособность во время изготовления по описаниям и спецификациям. Схемотехника и рабочий принцип «Пирата» вполне современны; по его настройке и методике применения есть достаточно руководств.
Рабочий принцип
Металлодетектор работает по принципу электромагнитной индукции. В общем схема металлодетектора состоит из передатчика электро-магнитных колебаний, передающей катушки, приемной катушки, приемника, схемы выделения полезного сигнала (дискриминатора) и устройства индикации. Некоторые рабочие узлы нередко соединяют воедино схемотехнически и конструктивно, напр., приемник и передатчик как правило будут работать на одну катушку, приемная часть сразу выделяет нужный сигнал и т.п.
Рабочий принцип металлодетектора
Катушка делает в обстановке электромагнитное поле (ЭМП) конкретной структуры. Если в зоне его действия оказывается электропроводящий предмет, поз. А на рис., в нем наводятся вихревые токи или токи Фуко, которые создают его свое ЭМП. В результате структура поля катушки искажается, поз. Б. Если же предмет не электропроводящий, но владеет ферромагнитными качествами, то он искажает исходное поле за счёт экранирования. В обоих случаях приемник улавливает отличие ЭМП от начального и его преобразует в звуковой и/или оптический сигнал.
Примечание: как правило для металлодетектора не обязательно, чтобы предмет был электропроводящим, грунт – нет. Основное, чтобы их электрические и/или магнитные свойства отличались.
Детектор или сканер?
В коммерческих источниках не дешёвые высокочувствительные металлоискатели, напр. Терра-Н, часто называют геосканерами. Это ошибочно. Геосканеры работают по принципу измерения проводимости электричества грунта по самым разнообразным направлениям на различной глубине, данная процедура зовется боковым каротажем. Согласно данным каротажа компьютер строит на экране картинку всего, что в земле, включая разные по характеристикам геологические слои.
Разновидности
Общие параметры
Рабочий принцип металлоискателя возможно осуществить технически любыми способами исходя из этого назначению прибора. Металлодетекторы для пляжного золотоискательства и строительно-ремонтного поиска снаружи могут быть сходны, но значительно разниться по схеме и техническим данным. Чтобы правильно сделать металлодетектор, необходимо ясно представлять себе, каким требованиям он должен удовлетворять для этого рода работы. Если из этого исходить, необходимо выделить следующие параметры поисковых детекторов металла:
- Проницание, или всеобъемлющая способность – самая большая глубина, на которую распространяется ЭМП катушки в грунте. Глубже прибор ничего не обнаружит при любом размере и свойствах объекта.
- Величина и размеры зоны поиска – вымышленная область в земле, в которой объект будет обнаружен.
- Чувствительность – способность обнаруживать больше или меньше мелкие предметы.
- Избирательность – способность крепче реагировать на желательные находки. Сладкая мечта пляжных старателей – детектор, который пищит исключительно на драгметаллы.
- Помехоустойчивость – способность не реагировать на ЭМП чужих источников: радиостанций, грозовых разрядов, ЛЭП, электротранспорта и др. источников помех.
- Мобильность и своевременность определяются потреблением энергии (на сколько батареек хватит), массогабаритами прибора и размерами зоны поиска (сколько можно «пощупать» за 1 проход).
- Дискриминация, или разрешающая способность – даёт оператору или управляющему микроконтроллеру возможность по реакции прибора судить о характере найденного объекта.
Дискриминация, со своей стороны, параметр составной, т.к. на выходе металлодетектора наличествует 1, максимум 2 сигнала, а величин, определяющих свойства и размещение находки, больше. Все таки, с учетом изменения реакции прибора во время приближения к объекту, в нем выделяются 3 составляющих:
- Пространственная – говорит о расположении объекта в зоне поиска и глубине его залегания.
- Геометрическая – предоставляет возможность судить о форме и размерах объекта.
- Качественно сделанная – дает возможность возводить предположения о характеристиках материала объекта.
Рабочая частота
Все параметры металлодетектора связаны трудным образом и многие взаимосвязи взаимоисключающие. Так, напр., уменьшение частоты генератора дает возможность добиться большего проницания и зоны поиска, но стоимостью повышения потребления энергии, и ухудшает чувствительность и мобильность вследствие возрастания размеров катушки. В общем каждый параметр и их комплексы так или по другому привязаны к частоте генератора. Благодаря этому первоначальная классификация металлодетекторов выстраивается по диапазону рабочих частот:
- Сверхнизкочастотные (СНЧ) – до первых сотен Гц. Совсем не непрофессиональные устройства: потребление энергии от десятков Вт, без компьютерной обработки по сигналу ни о чем судить нельзя, для движения необходим автомобильный транспорт.
- Низкочастотные (НЧ) – от сотен Гц до нескольких кГц. Просты схемотехнически и конструктивно, помехоустойчивы, однако мало восприимчивы, дискриминация плохая. Проницание – до 4-5 м при потреблении энергии от 10 Вт (т. наз. глубинные металлоискатели) или до 1-1,5 м при питании от батареек. Реагируют острее всего на ферромагнитные материалы (чермет) или большие массы диамагнитных (бетонные и каменные конструкции строительства), благодаря этому порой именуются магнитодетекторами. К особенностям грунта мало восприимчивы.
- Очень высокой частоты (ПЧ) – до нескольких десятков кГц. Труднее НЧ, но требования к катушке невысокие. Проницание – до 1-1,5 м, помехоустойчивость на троечку, хорошая чувствительность, неплохая дискриминация. Могут быть многофункциональными при эксплуатации в импульсном режиме, см. ниже. На обводненных или минерализованных грунтах (с обломками или частичками плотных горных пород, экранирующих ЭМП) работают плохо или совсем ничего не чуют.
- Высокой, или радиочастоты (ВЧ или РЧ) – типичные металлодетекторы «на золото»: прекрасная дискриминация на глубину до 50-80 см в сухих непроводящих и немагнитных грунтах (пляжный песок и т.п.) Потребление энергии – как в пред. п. Остальное – на грани «неуда». Результативность прибора сильно зависит от конструкции и качества выполнения катушки (катушек).
Примечание: мобильность металлодетекторов по пп. 2-4 хорошая: от одного комплекта солевых компонентов («батареек») АА и без переутомления оператора можно работать до 12 час.
В стороне стоят импульсные металлодетекторы. У них первичный ток в катушку поступает импульсами. Задав частоту движения импульсов в границах НЧ, а их продолжительность, которая определяет спектральный состав сигнала, соответствующей диапазонам ПЧ-ВЧ, можно получить металлоискатель, совмещающий в себе хорошие положительные характеристики НЧ, ПЧ и ВЧ или перестраиваемый.
Метод нахождения
Насчитывается не меньше 10 способов поиска предметов при помощи ЭМП. Однако подобные, как, скажем, способ непосредственной оцифровки ответного сигнала с обработкой на компьютере – удел профессионального использования.
Рукодельный металлодетектор схемотехнически возводят лучше всего следующими способами:
- Параметрическим.
- Приемо-передающим.
- С накоплением фазы.
- На биениях.
Без приемника
Параметрические металлодетекторы в определенном роде выпадают из определения принципа действия: в них нет ни приемника, ни приемной катушки. Для детекции применяется конкретно действие объекта на параметры катушки генератора – индуктивность и добротность, а структура ЭМП не имеет значения. Изменение показателей катушки ведет к изменению частоты и амплитуды вырабатываемых колебаний, что крепится любыми способами: измерением частоты и амплитуды, для изменения тока употребления генератора, измерением напряжения в петле ФАПЧ (системы фазовой автоподстройки частоты, «подтягивающей» ее к заданному значению) и др.
Параметрические металлодетекторы просты, дешевы и помехоустойчивы, но пользование ими требует конкретных способностей, т.к. частота «плывет» под воздействием внешних условий. Чувствительность у них слабая; лучше всего применяются как магнитодетекторы.
С приемником и передатчиком
Приспособление приемопередающего металлодетектора показано на рис. в начале, к пояснению принципа действия; там же описан и рабочий принцип. Эти приборы дают возможность достигнуть самой лучшей эффективности в собственном диапазоне частот, но сложны схемотехнически, просят особо высококачественной системы катушек. Приемопередающие металлодетекторы с одной катушкой именуются индукционными. Их повторяемость лучше, т.к. проблема правильного размещения катушек по отношению друг к другу отпадает, но схемотехника труднее – необходимо выделить слабый вторичный сигнал на фоне крепкого первичного.
Примечание: в импульсных приемопередающих металлоискателях от проблемы выделения также получается избавиться. Это можно объяснить тем, что в качестве вторичного сигнала «ловят» т. наз. «хвост» переизлученного объектом импульса. Первичный импульс вследствие дисперсии при переизлучении расплывается, и часть вторичного импульса оказывается в промежутке между первичными, откуда ее очень просто выделить.
До щелчка
Металлодетекторы с накоплением фазы, или фазочувствительные, бывают либо однокатушечными импульсными, либо с 2-мя генераторами, работающими каждый на собственную катушку. В первом варианте применяется тот момент, что импульсы при переизлучении не только расплываются, но и задерживаются. Во времени сдвиг фаз увеличивается; когда он может достигать конкретной величины, дискриминатор срабатывает и в наушниках раздается щелчок. По мере приближения к объекту щелчки становятся чаще и сливаются в звук все намного большего тона. Собственно на этом принципе возведен «Пират».
В другом варианте техника поиска та же, но работают 2 строго симметричных электрически и геометрически генератора, каждый на собственную катушку. При этом вследствие взаимные действия их ЭМП происходит обоюдная синхронизация: резервные электростанции работают в такт. При искажении общего ЭМП начинаются срывы синхронизации, слышимые как те же щелчки, а потом тон. Двухкатушечные металлодетекторы со срывом синхронизации легче импульсных, но менее восприимчивы: проницание их в 1,5-2 раза меньше. Дискриминация и в том и другом случае близка к хорошей.
Фазочувствительные металлоискатели – любимые инструменты курортных старателей. Асы поиска настраивают собственные устройства так, что точно над объектом звук опять исчезает: частота движения щелчков переходит в ультразвуковую область. Этим методом на ракушечном пляже получается искать золотые серьги размером с ноготь на глубине до 40 см. Однако на грунте с мелкими неоднородностями, обводненном и минерализованном, металлодетекторы с накоплением фазы уступают прочим, помимо параметрических.
По писку
Биения 2-х электросигналов – сигнал с частотой, равной сумме или разности главных частот начальных сигналов или кратных им – гармоник. Так, напр., если на входы особого устройства – водопроводного крана – подать сигналы с частотами 1 МГц и 1 000 500 Гц или 1,0005 МГц, а к выходу водопроводного крана присоединить наушники или динамик, то услышим чистый тон 500 Гц. А если 2-й сигнал будет 200 100 Гц или 200,1 кГц, случится то же самое, т.к. 200 100 х 5 = 1 000 500; мы «поймали» 5-ю гармонику.
В металлодетекторе на биениях работают 2 генератора: опорный и рабочий. Катушка колебательного контура опорного небольшая, защищенная от чужих воздействий, или его частота стабилизирована кварцевым резонатором (просто – оксидом кремния). Контурная катушка рабочего (поискового) генератора – поисковая, и его частота зависит от наличия предметов в зоне поиска. Перед тем как начать поиски рабочий генератор настраивают на нулевые биения, т.е. до совпадения частот. Полного нуля звука обычно не добиваются, а настраивают до очень невысокого тона или хрипа, так удобнее искать. Для изменения тона биений судят о наличии, величине, свойствах и расположении объекта.
Примечание: очень часто частоту поискового генератора берут в пару раз ниже опорной и работают на гармониках. Это дает возможность, самое первое, избежать плохого в этом случае обоюдного воздействия генераторов; второе, точнее настроить прибор, третье, вести поиск на хорошей в этом случае частоте.
Металлодетекторы на гармониках в общем труднее импульсных, однако работают на любом грунте. Правильно сделанные и настроенные, они совсем не уступают импульсным. Об этом можно судить хотя бы по тому, что золотоискатели-пляжники совсем не сойдутся во мнениях, что же лучше: импульсник или на биениях?
Катушка и другое
Самое популярное недоразумение начинающих радиолюбителей – абсолютизация схемотехники. Мол, если схема «крутая», то все будет тип-топ. Относительно металлодетекторов это вдвойне ошибочно, т.к. их рабочие хорошие качества сильнейшим образом зависят от конструкции и качества изготовления поисковой катушки. Как выразился некий курортный старатель: «Находимость детектора должна тащить карман, а не ноги».
При разрабатывании прибора его схему и параметры катушки подгоняют друг к другу до получения оптимума. Конкретная схема с «чужой» катушкой если и заработает, то до заявленных показателей не дотянет. Благодаря этому, подбирая образец для повторения, смотрите в первую очередь описание катушки. Если оно неполное или неточное – лучше возводить другой прибор.
Про размеры катушки
Большая (широкая) катушка эффектнее излучает ЭМП и глубже «просветит» грунт. Ее территория поиска шире, что дает возможность сделать меньше «находимость ногами». Но, если в зоне поиска окажется большой лишний предмет, его сигнал «забьет» слабый от искомой мелочи. Благодаря этому неплохо бы брать или делать металлоискатель, высчитанный на работу с катушками различного размера.
Примечание: типичные диаметры катушек 20-90 мм с целью поиска арматуры и профилей, 130-150 мм «на пляжное золото» и 200-600 мм «на большущее железо».
Монопетля
Классический вид катушки детектора металла т. наз. тонкая катушка или Mono Loop (одинарная петля): кольцо из многих витков эмалированного медного провода шириной и толщиной раз в 15-20 меньше среднего диаметра кольца. Хорошие качества катушки-монопетли – слабая зависимость показателей от типа грунта, сужающаяся книзу территория поиска, что дает возможность, двигая детектор, точнее определять глубину и размещение находки, и плодотворная простота. Недостатки – небольшая добротность, отчего в процессе поиска «плывет» настройка, склонность помехам и расплывчатая реакция на объект: работа с монопетлей требует существенного опыта пользования данным определенным экземпляром прибора. Самодельные металлодетекторы начинающим рекомендуется делать с монопетлей, чтобы очень легко получить работоспособную конструкцию и приобрести с ней поисковый опыт.
Индуктивность
При подборе схемы, чтобы быть уверенным в достоверности обещаний автора, и тем более при самостоятельном конструировании или доработке, необходимо знать индуктивность катушки и уметь ее рассчитывать. если вы даже выполняете металлодетектор из купленного набора, индуктивность все равно необходимо проверить измерениями или расчетом, чтобы не взламывать после голову: почему, все вот вроде исправно, а не пищит.
Калькуляторы для расчета индуктивности катушек есть во всемирной сети, но компьютерная программа все ситуации практики рассчитать не может. Благодаря этому на рис. дана старая, десятками лет проверенная номограмма для расчета многослойных катушек; тонкая катушка – частный случай многослойной.
Номограмма для расчета многослойных катушек
Для расчета поисковой монопетли номограммой пользуются так:
- Берем величину индуктивности L из описания прибора и размеры петли D, l и t оттуда же или по собственному подбору; типичные значения: L = 10 мГн, D = 20 см, l = t = 1 см.
- По номограмме находим кол-во витков w.
- Задаемся показателем укладки k = 0,5, по размеру l (высота катушки) и t (ширина ее) находим площадь сечения петли и находим площадь чистой меди в ней как S = klt.
- Поделив S на w, получаем сечение обмоточного провода, а по нему – диаметр провода d.
- Если вышло d = (0,5…0,8) мм, все ОК. В другом случае увеличиваем l и t при d>0,8 мм или уменьшаем при d<0,5 мм.
Помехоустойчивость
Монопетля прекрасно «ловит» помехи, т.к. устроена точно также, как рамочная антенна. Расширить ее помехоустойчивость можно, самое первое, поместив обмотку в т. наз. экран Фарадея (Faraday shield): железную трубку, оплетку или обмотку из фольги с разрывом, чтобы не образовался короткозамкнутый виток, который «съест» все ЭМП катушки, см. рис. с правой стороны. Если на исходной схеме возле определения поисковой катушки есть пунктирная линия (см. схемы дальше), то это означает, что катушка этого прибора должна быть обязательно помещена в экран Фарадея.
Также в первую очередь экран совмещается с общим проводом схемы. Здесь таится подвох для новичков: проводник с заземлением необходимо включать к экрану строго симметрично разрезу (см. тот же рис.) и подводить его к схеме также симметрично относительно сигнальных проводов, иначе помехи все же «пролезут» в катушку.
Экран поглощает и определенную долю поискового ЭМП, что уменьшает чувствительность прибора. Особенно данный эффект виден в импульсных металлоискателях; их катушки полностью невозможно экранировать. В данном случае повышения помехозащищенности можно достигнуть, симметрируя обмотку. Смысл в том, что для удалённого источника ЭМП катушка – точечный объект, и э.д.с. помех в ее половинах подавят друг друга. Симметричная катушка может потребоваться и схемно, если генератор двухтактный или индуктивная трехточка.
Способы симметрирования катушек индуктивности
Однако симметрировать катушку привычным радиолюбителям бифиллярным способом (см. рис.) в этом случае нельзя: при нахождении в поле бифиллярной катушки проводящих и/или ферромагнитных предметов ее симметрия нарушается. Т.е., помехоустойчивость металлодетектора пропадет как раз тогда, когда она более всего необходима. Благодаря этому симметрировать катушку-монопетлю необходимо перекрестной намоткой, см. тот же рис. Ее симметрия не нарушается ни при каких обстоятельствах, но мотать тонкую катушку с достаточным количеством витков перекрестным способом – дьявольский труд, и вот тогда лучше выполнить корзиночную катушку.
Корзинка
Корзиночные катушки имеют все хорошие качества монопетель в еще большей степени. Плюс ко всему, катушки-корзинки стабильнее, их добротность выше, а то, что катушка плоская – двойной плюс: чувствительность и дискриминация увеличатся. К помехам корзиночные катушки менее чувствительны: вредные э.д.с. в перекрещивающихся проводах гасят друг друга. Один недостаток – для катушек-корзинок необходима точно выполненная жёсткая и крепкая оправка: общая сила натяжения многих витков может достигать больших величин.