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无线电电子与电气工程百科全书 基于传输-接收原理的金属探测器。 无线电电子电气工程百科全书
所提出的金属探测器设计用于“远距离”搜索相对较大的物体。 它是按照最简单的方案组装的，没有金属类型的鉴别器。 该装置易于制造。 检测深度为：
结构方案 框图如图所示。 4.它由几个功能块组成。
发生器是矩形脉冲源，随后形成到达辐射线圈的信号。 相同的信号用于生成声音指示信号。 使用触发器上的环形计数器将振荡器信号除以频率 4。 根据环方案，计数器被设计成可以在其输出处生成两个信号，两个信号相对于彼此相位偏移90°。 矩形信号（曲折）从环形计数器的第一输出馈送到功率放大器的输入，功率放大器的负载是带有辐射线圈的振荡电路。 从其类型来看，功率放大器是一个电压-电流转换器，当功率放大器的输入矩形信号极性反转时，有助于防止输出级过载。 接收电压放大器放大来自接收线圈的信号。 除了有用信号外，由于金属探测器线圈系统设计不理想、接地导通等原因，杂散信号也会渗透到接收线圈中。 为了消除它，设计了补偿方案。 其操作的意义在于，来自输出振荡电路的信号的某些部分被混合到接收放大器的信号中，从而在不存在同步检测器的情况下最小化（理想情况下，使其为零）同步检测器的输出信号。传感器附近的金属物体。 补偿电路的调节是利用调节电位器来进行的。 同步检波器将来自接收放大器输出的有用交流信号转换成恒定信号。 同步检波器的一个重要特征是能够将有用信号与噪声和干扰背景分离，这些噪声和干扰明显超过有用信号的幅度。 同步检波器的参考信号取自环形计数器的第二输出，其信号相对于第一输出有90°的相移。 接收线圈的输出端和同步检波器的输出端的有用信号的变化的动态范围非常宽。 为了使指示设备（指针设备或声音指示器）能够同样良好地记录非常弱的信号和非常强（例如 100 倍）的信号，有必要有一个能够压缩动态范围作为动态范围一部分的设备。设备。 这种器件是一种非线性放大器，其幅度特性接近对数。 指针测量装置连接到非线性放大器的输出。 指示声音信号的形成以最小限制器开始，即具有小信号死区的块。 这意味着仅当信号幅度超过特定阈值时才会打开声音指示。 因此，主要与设备的运动及其机械变形相关的微弱信号不会刺激耳朵。 声音指示参考信号整形器生成频率为 2 kHz、突发重复率为 8 Hz 的矩形脉冲突发。 在平衡调制器的帮助下，该参考信号与限制器的输出信号相乘至最小值，从而形成所需形状和幅度的信号。 压电发射器放大器增加了馈送到声换能器（压电发射器）的信号幅度。 示意图 笔者根据“发射-接收”原理研制的金属探测器示意图如图5所示。 6 - 输入块，如图所示。 XNUMX - 指示块。 区块的划分是有条件的，并不反映设计特点。
发电机 生成器组装在逻辑元件2I-NOT D1.1-D1.4上。 发生器频率由谐振频率为 215 Hz“32 kHz（“时钟石英”）的石英或压电陶瓷谐振器 Q 稳定。R1C1 电路可防止发生器在高次谐波下被激励。OOS 电路通过电阻器闭合R2，POS电路通过Q谐振器闭合。发生器结构简单，电源电流消耗低，在3 ... 15 V电源电压下可靠工作，不含微调器和过高阻值的电阻器.发生器的输出频率约为32 kHz。 环形计数器 环形计数器有两个功能。 首先，它将振荡器频率除以 4，最高频率为 8 kHz。 其次，它生成两个相位相互偏移 90° 的信号。 一个信号用于激励带有辐射线圈的振荡电路，另一个信号用作同步检波器的参考信号。 环形计数器由两个 D 触发器 D2.1 和 D2.2 组成，闭合在一个环中，并在环周围进行信号反转。 时钟信号是两个触发器共用的。 第一触发器D2.1的任何输出信号相对于第二触发器D90的任何输出信号具有正负四分之一周期(即2.2°)的相移。 放大器 功率放大器组装在运算放大器（op-amp）D3.1上。 具有辐射线圈的振荡电路由元件L1C2形成。 电感器的参数如表所示。 2. 绕组线品牌-PELSHO 0,44。 表 2. 传感器电感参数
由于从第 25 匝开始对辐射线圈 L50 进行抽头，因此输出振荡电路仅包含在放大器 OS 电路中的 1%。 这样您就可以通过精密电容器 C2 的电容值达到可接受的值来增加线圈中的电流幅度。 线圈中的交流电流值由电阻器R3设定。 该电阻应具有最小值，但要使功率放大器运算放大器不会陷入通过电流限制输出信号的模式（不超过40 mA），或者，这最有可能与电感器的推荐参数有关L1，按电压（电池电压 ±3,5 V 时不超过 ± 4,5 .3.1 V）。 为了确保没有限制模式，用示波器检查运放D3.1输出端的波形就足够了。 在放大器正常工作期间，输出应具有接近正弦曲线的信号。 正弦波的波峰必须具有平滑的形状，并且不应被切断。 运算放大器D3的校正电路由容量为33pF的校正电容器CXNUMX组成。 接收放大器 接收放大器是两级的。 第一级由 D5.1 运算放大器构成。 由于串联电压反馈，它具有高输入阻抗。 这消除了由于将 L2C5 振荡电路与放大器的输入阻抗并联而导致的有用信号的损失。 第一级的电压增益为：Ku×(R9/R8)+1×34。运放D5.1的校正电路由容量为6pF的校正电容器C33组成。 接收放大器的第二级由具有并联电压反馈的 D5.2 运算放大器制成。 第二级的输入阻抗：Rin = R10 = 10 kOhm - 由于其信号源的电阻较低，因此不像第一级那么重要。 隔离电容器C7不仅可以防止放大器各级中静态误差的累积，还可以校正其相位响应。 选择电容器的电容，以便 C7R10 电路在 8 kHz 工作频率下产生的相位超前补偿由运算放大器 D5.1 和 D5.2 的有限速度引起的相位滞后。 接收放大器的第二级，由于其电路，可以很容易地通过电阻器 R11 对来自补偿电路的信号进行求和（混合）。 第二级增益以有用信号电压计算为：Ku = - R12 / R10 = -33，以补偿信号电压计算为： Kuk = - R12 / R11 = - 4. 校正OA D5.2电路由容量为8 pF的校正电容器C33组成。 稳定方案 补偿电路在 OA D3.2 上制作，是一个反相器，Ku = - R7 / R5 = -1。 调节电位器 R6 连接在该反相器的输入和输出之间，允许您从运算放大器 D1 的输出电压中去除 [-1, +3.1] 范围内的信号。 来自调节电位器R6的引擎的补偿电路的输出信号被馈送到接收放大器的第二级的补偿输入端(到电阻器R11)。 通过调节电位器R6，同步检波器的输出达到零值，这大约对应于对进入接收线圈的不需要的信号的补偿。 OU D3.2的校正电路由容量为4 pF的校正电容器C33组成。 同步检测器 同步检波器由平衡调制器、积分电路和恒定信号放大器（CCA）组成。 平衡调制器是在多功能开关D4的基础上实现的，多功能开关D8是根据互补场效应晶体管的集成技术制成的，既可以作为离散控制阀，也可以作为模拟开关。 该开关用作模拟开关。 它以 13 kHz 的频率交替关闭积分电路“三角形”（由电阻器 R14 和 R10 以及电容器 CXNUMX 组成）到公共总线的输出。 参考频率信号从环形计数器输出之一馈送到平衡调制器。 到达积分电路“三角形”输入端的信号通过去耦电容器C9从接收放大器的输出端馈送。 积分电路的时间常数t=R13*C10=R14*C10。 一方面，它应该尽可能大，以便尽可能减弱噪声和干扰的影响。 另一方面，当积分电路的惯性阻止跟踪有用信号幅度的快速变化时，它不应超过一定的限制。 有用信号的幅度的最高变化率可以由当金属探测器传感器相对于金属物体移动时可以发生这种变化（从稳定值到最大偏差）的某个最小时间来表征。 显然，在传感器的最大速度下将观察到有用信号幅度的最大变化率。 杆上传感器的“钟摆”运动速度可达 5 m/s。 有用信号幅度变化时间可以估计为传感器基数与移动速度的比率。 通过将传感器底座的最小值设置为0,2 m，我们得到改变有用信号幅度的最小时间为40 ms。 对于电阻器R13、R14和电容器C10的选定值，这比积分电路的时间常数大几倍。 因此，即使是来自金属探测器传感器的有用信号的幅度的所有可能变化中最快的变化，积分电路的惯性也不会扭曲动态。 积分电路的输出信号取自电容器SU。 由于后者的两个极板都处于“浮动电位”，因此 UPS 是在 D6 运算放大器上制成的差分放大器。 除了放大恒定信号之外，OPA 还执行低通滤波器 (LPF) 的功能，它还能衰减同步检波器输出端不需要的高频分量，这些分量主要与平衡调制器的缺陷有关。 低通滤波器是通过电容器 C11、C13 实现的。 与金属探测器的其他部件相比，UPS的运放在参数方面应接近精密运放。 首先，这指的是输入电流值、偏置电压值以及偏置电压的温度漂移值。 K140UD14（或 KR140UD1408）类型的 OU 是一个不错的选择，它结合了良好的参数和相对可访问性。 运算放大器D6的校正电路由容量为12pF的校正电容器C33组成。 非线性放大器 非线性放大器基于具有非线性电压反馈的 D7.1 运算放大器。 非线性OOS由二极管VD1-VD8和电阻器R20-R24组成的两端器件实现。 非线性放大器的幅度特性接近对数。 它是分段线性的，每个极性有四个断点，近似对数依赖性。 由于二极管的电流-电压特性的平滑形状，非线性放大器的幅度特性在断点处被平滑。 非线性放大器的低信号电压增益为：Kuk = - (R23+R24)/R19 = -100。 随着输入信号幅度的增加，增益减小。 大信号的差分增益为：dUout/dUin = - R24/R19 == -1。 指针式测量装置连接到非线性放大器的输出端——微安计，并串联了一个附加电阻 R25。 由于同步检波器输出端的电压可以具有任意极性（取决于其参考信号和输入信号之间的相移），因此使用刻度中间为零的微安计。 因此，指针装置具有-100...0...+100μA的指示范围。 运算放大器D7.1的校正电路由容量为18pF的校正电容器C33组成。 最小限制器 最小限幅器在具有非线性并联电压反馈的D7.2运放上实现，非线性封闭在输入二端网络中，由两个反并联的二极管VD9、VD10和电阻器R26组成。
从非线性放大器的输出信号形成指示声音信号始于对放大路径的幅度特性的再一次调整。 在这种情况下，在小信号区域中形成死区。 这意味着只有超过特定阈值的信号才会打开声音指示。 这个阈值是确定的 直流电压二极管VD9、VD10的电压约为0,5V。因此，主要与设备的运动及其机械变形相关的微弱信号被切断并且不会刺激耳朵。 小信号限制器增益至少为零。 大信号的差分电压增益为：dUout / dUin = - R27 / R26 = -1。 运算放大器D7.2的校正电路由容量为19pF的校正电容器C33组成。 平衡调制器 声音指示信号的形成如下。 限制器输出处的恒定或缓慢变化的信号乘以声音指示的参考信号至最小值。 参考信号设置音频信号的形状，最小限制器的输出信号设置幅度。 使用平衡调制器执行两个信号的乘法。 它是在用作模拟按键的 D11 多功能开关和 D8.1 运算放大器上实现的。 当钥匙打开时，装置的传递系数为+1；当钥匙关闭时，装置的传递系数为-1。 运算放大器D8.1的校正电路由容量为20pF的校正电容器C33组成。 参考信号调节器 参考信号整形器在二进制计数器D9和计数器解码器D10上实现。 计数器 D9 将环形计数器输出的 8 kHz 频率划分为 2 kHz 和 32 Hz。 将频率为2kHz的信号提供给D11多功能开关的AO地址的最低有效位，从而设置人耳最敏感频率的音调信号。 只有当多功能开关D1的地址A11的高位为逻辑1时，该信号才会影响平衡调制器的模拟按键，当A1为逻辑XNUMX时，平衡调制器的模拟按键始终为打开。 声音指示信号是间歇性产生的，因此听力不那么疲劳。 为此，使用计数器解码器D10，其由来自二进制计数器D32的输出的9Hz时钟频率控制，并在其输出处生成频率为8Hz且持续时间比为1Hz的矩形信号。一个逻辑单位和一个等于 3/10 的逻辑零。 计数器解码器D1的输出信号被提供给多功能开关D11的地址AXNUMX的高位，周期性地中断平衡调制器中音调消息的形成。 压电蜂鸣器放大器 压电放大器在 D8.2 运算放大器上实现。 它是一个电压增益 Ki = - 1 的逆变器。放大器负载（压电散热器）连接在运算放大器 D8.1 和 D8.2 输出之间的桥式电路中。 这允许您将负载处的输出电压幅度加倍。 开关S设计用于关闭声音指示（例如设置时）。 OU D8.2 的校正电路由容量为 21 pF 的校正电容器 C33 组成。 零件类型和设计 表中给出了所使用的微电路的类型。 3. 可以使用K561系列微电路代替K1561系列微电路。 您可以尝试使用K176系列的一些芯片以及国外的同类芯片。 表 3. 使用的微电路类型
K157系列的双运放（运放）可以用任何类似参数的单个通用运放替代（引脚排列和校正电路有相应变化），尽管双运放的使用更方便（安装密度增加）。 同步检波器D6的运算放大器如前所述，其参数应接近精密运算放大器。 除表中所示类型外，K140UD14、140UD14 也适用。 可以在相应的开关电路中使用OU K140UD12、140UD12、KR140UD1208。 金属探测器电路中使用的电阻没有特殊要求。 它们只需要坚固且易于安装即可。 额定功耗为 0,125 ... 0,25 W。 补偿电位器R6宜为多圈式SP5-44或带游标调节式SP5-35。 您可以使用任何类型的传统电位器。 在这种情况下，建议使用其中两个。 一 - 用于粗调，标称值为 10 kOhm，按照图表包含在内。 另一个用于微调，根据变阻器电路连接到第一个电位器的极端结论之一的间隙中，标称值为0,5 ... 1 kOhm。 电容器C15、C17——电解电容器。 推荐型号——K50-29、K50-35、K53-1、K53-4等小型。 其余电容器，除接收和发射线圈的振荡电路的电容器外，为陶瓷型K10-7（高达68 nF）和金属膜型K73-17（值高于68 nF）。 电路电容器 - C2 和 C5 - 很特殊。 它们对精度和热稳定性有很高的要求。 每个电容器由多个（5 ... 10 个）电容器并联组成。 通过选择电容器的数量及其额定值来将电路调谐到谐振状态。 推荐的电容器类型为K10-43。 它们的热稳定性组是 MPO（即 TKE 大约为零）。 可以使用精密电容器和其他类型，例如K71-7。 最后，您可以尝试使用老式的带银板的耐高温云母电容器，例如KSO或聚苯乙烯电容器。 二极管 VD1-VD10 类型 KD521、KD522 或类似的低功率硅。 微安表 - 任何类型，设计电流为 100 μA，刻度中间为零。 小型微安表（例如 M4247 型）很方便。 石英谐振器 Q - 任何小型石英手表（手持式电子游戏中使用类似的石英谐振器）。 电源开关 - 任何类型的小尺寸。 电池 - 3R12 型（根据国际名称）和“方形”（根据我们的电池）。 压电发射器 Y1 - 可为ЗП1-ЗП18 型。 使用进口电话的压电发射器可以获得良好的结果（它们在带有来电显示的电话的制造中被大量“浪费”）。 装置设计 可以是相当任意的。 开发时，最好考虑下面概述的建议以及有关传感器和外壳设计的段落中的建议。 该装置的外观如图所示。 7.
就其类型而言，所提出的金属探测器的传感器是指具有垂直轴的传感器。 传感器线圈由玻璃纤维和环氧树脂胶粘合而成。 线圈的绕组及其电屏的配件都填充有相同的胶水。 金属探测棒由铝合金管（AMGZM、AMG6M 或 D16T）制成，直径为 48 毫米，壁厚为 2...3 毫米。 线圈用环氧树脂胶粘在杆上：同轴（辐射）-借助过渡加强套管； 垂直于杆的轴线（接收）-使用合适形式的适配器。 这些辅助部件也是由玻璃纤维制成的。 电子单元的外壳由箔玻璃纤维通过焊接制成。 传感器线圈与电子单元的连接是通过具有外部绝缘的屏蔽线进行的，并敷设在杆内。 该电线的屏蔽层仅连接到设备电子板上的公共电线总线，其中箔和杆形式的外壳屏蔽层也连接到该公共电线总线上。 装置外部涂有硝基搪瓷。 金属探测器电子部分的印刷电路板可以采用任何传统方法制作；也可以方便地使用现成的面包板印刷电路板进行微电路的DIP封装（2,5毫米间距）。 设置设备 建议按以下顺序设置设备。 1、根据电路图检查安装是否正确。 确保相邻 PCB 导体、相邻微电路腿等之间没有短路。 2. 连接电池或双极电源，严格遵守极性。 打开设备并测量消耗的电流。 每个电源轨上的电流应约为 20 mA。 测量值与指示值的急剧偏差表明微电路安装不正确或发生故障。 3. 确保发生器的输出处有频率约为 32 kHz 的纯曲流。 4. 确保触发器 D2 的输出端存在频率约为 8 kHz 的曲折。 5. 通过选择电容器02，将输出电路L1C2 设置为谐振。 在最简单的情况下-通过其两端电压的最大幅度(大约10V)，并且更精确地-通过电路电压相对于触发器D12的输出2处的曲折的零相移。 6. 确保接收放大器工作正常。 将其输入振荡电路L2C5设置为谐振。 作为输入信号，从辐射线圈穿透的寄生信号就足够了。 对于输出电路而言，调谐到谐振是通过焊接或移除所需数量的合适额定值的电容器来实现的。 7. 确保可以用电位器R6 补偿寄生信号。 为此，首先由示波器控制运算放大器 D5.2 的输出。 当电位器 R6 的轴旋转时，运算放大器 D8 输出端频率为 5.2 kHz 的信号幅度应发生变化，并且在 R6 滑块的中间位置之一，该幅度将最小。 接下来，您应该检查同步检测器的输出 - 运算放大器 D6 的输出。 当电位器R6的轴旋转时，运算放大器D6输出处的恒定信号的电平必须从最大值+3,5V改变到最小值-3,5V，反之亦然。 这种转变是相当尖锐的，为了“捕捉”它，使用上面提到的微调就很方便了。 该设置包括使用电位计R6将运算放大器D6的输出处的电压设置为零。 注意力！ 使用电位器 R6 的调节必须在金属探测器传感器线圈附近没有大型金属物体（包括测量仪器）的情况下进行！ 否则，当这些物体移动或传感器相对于它们移动时，设备将会翻转，并且如果传感器附近有较大的金属物体，则无法将同步检测器的输出电压设置为零。 另请参阅有关补偿可能修改的段落。 8. 验证非线性放大器的运行情况。 最简单的方法是视觉。 微安计必须响应电位器 R6 的调谐过程。 在R6滑块的某个位置，微安表指针应设置为零。 微安表的箭头离零越远，微安表对 R6 发动机旋转的反应就越弱。 事实证明，不利的电磁环境可能会导致设备调整变得困难。 在这种情况下，当电位器R6滑块接近应进行信号补偿的位置时，微安表针将产生混乱或周期性振荡。 所描述的不良现象可以通过 50 Hz 网络的高次谐波对接收线圈的干扰来解释。 在距离带电电线相当远的地方，调谐期间箭头不应波动。 9. 确保产生声音信号的节点正在工作。 注意微安计刻度上接近零的声音信号上是否存在小盲区。 如果金属检测机电路的各个组件的行为出现故障和偏差，您应该按照普遍接受的方法采取行动：
可能的修改 该装置的方案非常简单，因此我们只能谈论进一步的改进。 这些包括： 1.额外增加一个补偿电位器R6*，与R6并联在极端处。 该电位器的引擎通过一个容量为510 pF（需要通过实验澄清）的电容器连接到D5运放的反相输入端5.2。 在此配置中，补偿寄生信号（通过正弦和余弦）时将有两个自由度，这可以帮助在传感器中存在显着温差、土壤矿化度较高等情况下运行时调整设备。 2. 增加一个额外的视觉指示通道，包含同步检测器、非线性放大器和微安计。 附加通道的同步检测器的参考信号是相对于主通道的参考信号（来自另一个环形计数器触发器的任何输出）偏移四分之一周期而获取的。 有了一定的搜索经验，就可以学会评估被检测物体的性质，即根据两个指针仪器的读数。 工作效果并不比电子鉴别器差。 3. 添加与电源反极性并联的保护二极管。 如果电池极性错误，在这种情况下，可以保证金属探测器电路不会受到影响（尽管如果不及时反应，错误连接的电池将完全放电）。 不建议开启与电源总线串联的二极管，因为在这种情况下，0,3 ... 0,6 V 的宝贵电源电压将浪费在二极管上。 保护二极管的类型——KD243、KD247、KD226等 作者：Shchedrin A.I.
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