微电路上的简单脉冲金属探测器。方案、说明

微电路上的简单脉冲金属探测器。无线电电子电气工程百科全书

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最近，PI（脉冲感应）类型的脉冲金属探测器已经变得相对普遍，其中，为了评估搜索区域中金属物体的存在，利用金属物体在外部电磁场的影响下出现涡流表面电流的现象。

在 PI 型金属探测器中，脉冲信号被施加到发射线圈，在发射线圈中引发交变电磁场。当金属物体出现在该场的作用区域时，在脉冲信号的影响下，其表面会周期性地产生涡流。这些电流是次级信号的来源，由接收线圈接收。由于自感应现象，次级信号的形状将与发射线圈发射的脉冲的形状不同。在这种情况下，次级脉冲信号的参数的差异用于分析以及随后生成用于显示单元的数据。在作者已知的所有脉冲金属探测器中，都会评估次级脉冲后沿形状的变化。

该设备使用带有适当软件的微处理器。不幸的是，当本书出版时，还不可能发布 100% 可用的固件版本。因此，感兴趣且有准备的读者有机会测试他们为微控制器创建固件的技能。作者毫不怀疑俄罗斯工匠将出色地完成这项任务。

然而，据作者称，所提出的金属探测器的设计对于新手无线电业余爱好者来说相当复杂。还应该提到调整该设备时出现的困难。需要特别注意的是，安装过程中的错误和设备的不正确设置可能会导致昂贵元件的故障。

示意图

所提出的简单脉冲金属探测器的示意图可以有条件地分为两部分，即：发射器单元和接收器单元。不幸的是，由于本书篇幅有限，我们无法详细介绍用于创建该器件的电路解决方案的所有功能。因此，下面将仅考虑最重要的节点和级联的功能基础。

发射器单元（图3.14）包括脉冲整形和同步模块、发射器本身和电压转换器。

米。 3.14. 简易脉冲金属探测器发射单元示意图（点击放大）

整个设计的主要组成部分是脉冲整形和同步模块，该模块在 ATMEL 的 AT1C89 型 IC2051 微处理器上制作，为发射器提供脉冲形成，以及控制所有其他单元操作的信号。微控制器 IC1 的工作频率由石英谐振器 (3,5 MHz) 稳定。在指定的工作频率值下，微处理器为金属探测器的各个阶段生成周期性的控制脉冲序列。该序列由 250 个周期组成，每个周期持续时间为 9 μs。

最初，在微处理器的IC1/14的输出处生成晶体管T6的控制脉冲，之后在晶体管T1的IC15/7的输出处生成类似的脉冲。然后再重复该过程一次。结果，电压转换器启动。

此外，根据IC1/8、IC1/7、IC1/6、IC1/16、IC1/17、IC1/19和IC1/18的结论依次形成发射机触发脉冲。在这种情况下，这些脉冲具有相同的持续时间，但每个后续脉冲相对于前一个脉冲延迟了几个周期。 IC1/8 引脚产生的第一个脉冲的开始与 IC1/15 引脚产生的第二个脉冲的结束一致。使用开关 P1，您可以选择发射器启动脉冲相对于启动脉冲的延迟时间。

IC1/18 引脚上的脉冲结束后的几个周期，IC1/3 引脚上会生成分析仪通道之一的短选通脉冲。然后，在 IC1/9 的输出处形成一个类似的脉冲，用于分析仪的第二通道。此后，在IC1/11的输出处，为接收器单元的声音信号电路的晶体管T10生成控制信号。然后，在短暂的暂停之后，再次形成微控制器相应输出处的控制脉冲序列。

先前由 IC5 稳定的 +2 V 电源电压施加到微控制器的 IC1/20 引脚。

由晶体管 T6-T8 和稳定器 IC3 组成的电压转换器提供 12 V 双极电源电压的形成，这是为接收部分的级联供电所必需的。晶体管T7和T8的控制信号在微控制器IC1的相应引脚处产生。同时，该信号通过装配在晶体管T8上的电平转换器馈送到晶体管T6。此外，产生的电源电压由IC3微电路稳定，+12V电压从ICXNUMX微电路的输出提供给接收部分的级联。

发射器的输出级由强大的晶体管 T1、T2 和 T3 组成，在公共负载（即线圈 L1）上运行，并由电阻器 R1-R6 链并联。输出级晶体管的操作由晶体管T4控制。到晶体管T4基极的控制信号是从处理器IC1的相应输出通过晶体管T5提供的。

微处理器IC1根据存储在其存储器中的程序产生的脉冲通过开关馈送到晶体管T5的输入端，并进一步通过晶体管T4馈送到由晶体管T1-T3构成的发射器的输出级，然后馈送到收发器线圈L1。当L1线圈的覆盖区域出现金属物体时，在发射器脉冲引发的外部电磁场的影响下，其表面会激发涡流表面电流。这些电流的寿命取决于线圈 L1 发出的脉冲的持续时间。

反过来，表面电流是次级脉冲信号的来源，该信号由 L1 线圈以适当的延迟接收、放大并馈送到分析电路。需要注意的是，由于自感应现象，次级信号的持续时间将大于发射线圈发射的脉冲的持续时间。在这种情况下，次级脉冲的形状取决于制成被检测物体的金属的特性。对关于由线圈L1发射和接收的脉冲的参数差异的信息的处理为指示单元提供关于金属物体的存在的数据的形成。在所考虑的金属探测器中，二次脉冲信号后沿的参数用于分析。

接收单元（图3.15）包括两级输入信号放大器、分析器和声音指示电路。

米。 3.15。简易脉冲金属探测器接收单元示意图（点击放大）

来自金属物体的信号由线圈L1接收，并通过二极管D1和D2构成的保护电路馈送到运算放大器IC4和IC5构成的输入两级电容反馈放大器。从 IC5 的输出（输出 IC5/6），放大的脉冲信号被馈送到由 IC6-IC8 微电路构成的分析器电路。

放大器IC6和IC7在器件工作期间不断关闭，只有当选通脉冲到达相应的输入端（输出IC6/8和IC7/8）时才向它们施加电源电压，每个脉冲的持续时间为9μs（一个周期）。同时，选通脉冲被施加到放大器 IC6，相对于所选发射器触发脉冲的结束延迟 30-100 μs，并且施加到放大器 IC7 - 相对于第一个选通脉冲的结束延迟 200 μs。之所以需要这样的延迟，是因为接收信号的形状取决于许多无关因素的影响，因此只有在脉冲结束后约 400 μs 的间隔内才能观察到有用信号。在这种情况下，有用的信号是当线圈L1接近金属物体时由于次级脉冲的后沿的持续时间与发射的脉冲相比增加而导致的正电压的增加。

在每个放大器（微电路 IC6 和 IC7）输出端的电源电压结束几秒钟后，接收信号的电平（在选通脉冲暴露期间固定）保持不变。因此，接收到的脉冲信号被提供给相应放大器的输入之一（端子IC6/3和IC7/3），并且来自脉冲整形和同步模块（端子IC6/8和IC7/8）的相应选通脉冲通过电容器C34和C35被提供给同一放大器的第二输入（端子IC1/3和IC1/9）。

IC6 和 IC7 输出（引脚 IC6/5 和 IC7/5）产生的信号随后被馈送到 IC8 芯片上制成的差分放大器的相应输入。在这种情况下，来自放大器IC6的输出的信号通过可变电阻器R45，利用该可变电阻器R8来调节装置的灵敏度。如果金属探测器的覆盖区域内有金属物体，则差分放大器相应输入端（引脚IC2/8和IC3/8）的信号电平将相同。因此，该放大器（引脚 IC6/XNUMX）的输出将为低电平。

放大器IC8输出端的电压降导致晶体管T9打开并连接到耳机BF1的公共线。当从微控制器（引脚IC1/11）到晶体管T10的相应输出接收到控制信号时，电话中将听到音频信号。电阻R44限制流经BF1耳机的电流。通过选择它，您可以调整声音信号的音量。

该金属探测器的电源由电压为 1 V 的电源 B12 提供。

细节和设计

所考虑的设备的所有部件（搜索线圈 L1、电阻器 R45、开关 P1 和开关 S1 除外）均位于尺寸为 105x65 mm 的印刷电路板上（图 3.16），由双面箔 Getinax 或 Textolite 制成。

微电路上的简单脉冲金属探测器
米。 3.16。简易脉冲金属探测器的印刷电路板

本装置所使用的部件没有特殊要求。建议使用任何可以毫无问题地放置在印刷电路板上的小尺寸电容器和电阻器（图 3.17）。

微电路上的简单脉冲金属探测器
米。 3.17。简单脉冲金属探测器的元件位置

LF357 (IC4) 型 IC 可以用 LM318 或 NE5534 替换，但这可能会导致设置问题。作为放大器IC5，除了图中所示的LF356芯片外，还可以使用CA3140芯片。像LF398（IC6、IC7）这样的芯片很容易被MAC198取代。您可以使用TL3140芯片代替CA8放大器（IC071）。

作为晶体管T1-T3，除了电路图中所示的晶体管外，还可以使用BU2508、BU2515或ST2408等晶体管。

石英谐振器的工作频率应为3,5 MHz。但是，您可以使用谐振频率为 2 至 6 MHz 的任何其他石英元件。

要安装微处理器 IC1，请使用特殊的插座。在这种情况下，只有在所有安装工作完成后才将微控制器安装到板上。在选择各个元件的值时进行与焊接相关的调整工作时也必须遵守这一条件。

特别要注意线圈L1的制作，其电感量应为500μH。线圈L1制成直径为250毫米的环形，包含30匝直径不大于0,5毫米的导线。当使用直径较大的导线时，线圈中的电流会增加，但寄生涡流会增加得更快，这会导致器件的灵敏度恶化。

对于线圈的制造，不建议使用漆包线，因为在发射脉冲期间相邻匝之间的电位差达到20V。如果在线圈匝数的缠绕过程中，附近有导体，例如第一匝和第五匝，则实际上可以保证绝缘击穿。这可能导致发射器晶体管和其他元件发生故障。因此，用于制造 L1 线圈的电线必须至少采用 PVC 绝缘。成品线圈也建议做好绝缘处理。为此，您可以使用环氧树脂或各种泡沫填料。

线圈L1应使用两芯绝缘良好的电线连接到电路板，每芯的直径不应小于制作线圈本身的电线的直径。由于同轴电缆具有很大的固有电容，因此不建议使用同轴电缆。

声音信号的来源可以是阻抗为8至32欧姆的耳机，也可以是具有类似线圈阻抗的小型扬声器。

建议使用容量为 1 Ah 左右的充电电池作为 B2 的电源，因为该金属探测器消耗的电流至少为 200 mA。

其上带有元件的印刷电路板和电源被放置在任何合适的外壳中。壳体盖上安装有可变电阻器R45、开关P1、用于连接耳机BF1和线圈L1的连接器以及开关S1。

设立

该装置应在距离探测线圈 L1 至少 1,5 m 处移除任何金属物体的情况下进行调整。设置和调整所讨论的金属探测器的特点是其各个块和级联逐渐连接。在这种情况下，每次连接操作（焊接）都是在电源关闭的情况下进行的。

首先，需要在没有微控制器的情况下检查IC1微电路插座相应引脚上的电源电压是否存在以及大小。如果电源电压正常，则应在板上安装微处理器，并使用频率计或示波器检查引脚IC1/4和IC1/5处的信号。这些引脚上的引导信号的频率必须与所用石英谐振器的工作频率相匹配。

连接电压转换器的晶体管后（空载），电流消耗应增加 50 mA。无负载时电容器 C10 两端的电压应约为 20 V。然后应连接发送器级。晶体管T1-T4的工作模式必须相同，并通过选择电阻器R13-R16的值来设置。

由电阻器 R1-R1 并联的线圈 L3 的电阻应约为 500 欧姆。在这种情况下，线圈和电阻器的端子必须焊接良好，因为该电路中的接触故障会导致发射器的输出晶体管故障。

要检查发射器级的运行情况，您可以将 L1 线圈靠近耳朵并打开金属探测器的电源。大约半秒后（复位微控制器后），可以听到低音信号，其发生是由于线圈各匝的微振动所致。此时，晶体管T1-T3的集电极上将形成持续时间约为10-20μs的未调制尖脉冲，其形状可以使用示波器控制。电阻器 R1-R3 电阻的增加导致输出脉冲的幅度增加，同时其持续时间减少。为了选择线圈L1分流器的电阻值，不建议使用可变电阻，因为即使发动机与载流轨道的接触短暂违反也会导致发射器的输出晶体管故障。因此，希望以 50 欧姆为步长逐渐改变分流器的值。更换部件前，必须关闭设备电源。

接下来就可以进行接收部分的建立了。如果所有部件都完好无损，并且安装正确，则在打开金属探测器后（启动脉冲结束后约20μs），使用示波器可以在IC4芯片（引脚IC4/6）的输出处观察到呈指数增加的信号，变成恒定电平信号。通过选择与线圈 L1 并联的电阻器 R3-R1，可以消除该信号前端的失真。之后，您应该检查 IC5 芯片（引脚 IC5/6）输出端信号的形状和幅度。该信号的最大幅度通过选择电阻器 R36 的值来设置。

在 IC6（引脚 IC6/5）的输出端应生成一个恒定信号，具体取决于使用开关 P1 选择的脉冲以及线圈 L1 区域中是否存在金属物体。理想情况下，对于开关 P1 的所有位置，该信号都应接近于零。

总之，仍然需要正确地建立示例性测量脉冲相对于起始脉冲的位置。为此，只需选择石英谐振器 Q1 来选择合适的工作频率即可。

工作程序

在实际使用本金属探测器之前，应通过开关 P1 设置最小脉冲延迟，并通过电阻 R45 设置最大灵敏度。如果在操作过程中搜索线圈L1的覆盖区域出现金属物体，那么耳机中就会出现声音信号。

应该指出的是，切换到具有较长脉冲延迟的操作模式不仅可以确保排除土壤磁特性的影响，还可以消除设备对各种异物（生锈的钉子、香烟盒上的箔片等）的反应以及随后的徒劳搜索。

作者：Adamenko M.V.

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