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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Battre le détecteur de métaux. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / détecteurs de métaux Le détecteur de métaux proposé est conçu pour la recherche d'objets « à courte portée ». Il est assemblé selon le schéma le plus simple. L'appareil est compact et facile à fabriquer. La profondeur de détection est :
Schéma structurel Le schéma fonctionnel est présenté sur la Fig. 8. Il se compose de plusieurs blocs fonctionnels. Un oscillateur à cristal est une source d'impulsions rectangulaires de fréquence stable.
Un circuit oscillant est connecté au générateur de mesure, qui comprend un capteur - un inducteur. Les signaux de sortie des deux générateurs sont envoyés aux entrées d'un détecteur synchrone, qui génère un signal de fréquence différentielle à sa sortie. Ce signal a une forme approximativement en dents de scie. Pour faciliter le traitement ultérieur, le signal du détecteur synchrone est converti à l'aide d'un déclencheur Schmidt en un signal rectangulaire. Le dispositif d'indication est conçu pour générer un signal sonore de fréquence différentielle à l'aide d'un émetteur piézoélectrique et pour afficher visuellement la valeur de cette fréquence à l'aide d'un indicateur LED. Diagramme schématique Le diagramme schématique du détecteur de métaux battant développé par l'auteur est présenté sur la Fig. 9.
L'oscillateur à quartz possède un circuit similaire à celui d'un générateur de détecteur de métaux basé sur le principe « émission-réception », mais implémenté sur les inverseurs D1.1-D1.3. La fréquence du générateur est stabilisée par un résonateur à quartz ou piézocéramique Q avec une fréquence de résonance de 215 Hz ~ 32 kHz (« quartz d'horloge »). Le circuit R1C2 empêche le générateur d'être excité à des harmoniques supérieures. Le circuit PIC est fermé via la résistance R2 et le circuit PIC est fermé via le résonateur Q. Le générateur est simple, a une faible consommation de courant provenant de la source d'alimentation, fonctionne de manière fiable à une tension d'alimentation de 3 à 15 V et ne contient pas d'éléments ajustés ni de résistances à résistance trop élevée. La fréquence de sortie du générateur est d'environ 32 kHz. Un déclencheur de comptage supplémentaire D2.1 est nécessaire pour générer un signal avec un rapport cyclique exactement égal à 2, qui est requis pour le circuit de détection synchrone suivant. générateur de mesure Le générateur lui-même est réalisé sur un étage différentiel utilisant les transistors VT1, VT2. Le circuit PIC est réalisé galvaniquement, ce qui simplifie le circuit. La charge de la cascade différentielle est le circuit oscillant L1C1. La fréquence de génération dépend de la fréquence de résonance du circuit oscillant et, dans une certaine mesure, du courant de fonctionnement de l'étage différentiel. Ce courant est fixé par les résistances R3 et R3'. Le réglage de la fréquence du générateur de mesure lors de la mise en place de l'appareil s'effectue grossièrement - en sélectionnant la capacité C1 et en douceur - en réglant le potentiomètre R3'. Pour convertir le signal de sortie basse tension de l'étage différentiel en niveaux logiques standard des puces CMOS numériques, un étage à émetteur commun sur le transistor VT3 est utilisé. Un shaper avec un déclencheur de Schmidt à l'entrée de l'élément D3.1 fournit des fronts d'impulsion raides pour le fonctionnement normal du déclencheur de comptage suivant. Un déclencheur de comptage supplémentaire D2.2 est nécessaire pour générer un signal avec un rapport cyclique exactement égal à 2, qui est requis pour le circuit de détection synchrone suivant. Détecteur synchrone Le détecteur est constitué d'un multiplicateur implémenté sur l'élément D4.1 "OU Exclusif" et d'un circuit intégrateur R6C4. Son signal de sortie a une forme proche d'une dent de scie et la fréquence de ce signal est égale à la différence entre les fréquences de l'oscillateur à quartz et de l'oscillateur de mesure. Gâchette de Schmidt Le déclencheur Schmidt est implémenté sur l'élément D3.2 et génère des impulsions rectangulaires à partir de la tension en dents de scie du détecteur synchrone. Dispositif d'affichage Il s'agit simplement d'un puissant onduleur tampon, implémenté sur les trois onduleurs restants D1.4-D1.6, connectés en parallèle pour augmenter la capacité de charge. La charge du dispositif d'affichage est une LED et un émetteur piézo. Types de pièces et conception Les types de microcircuits utilisés sont donnés dans le tableau. 4. Tableau 4. Types de microcircuits utilisés
Au lieu des microcircuits de la série K561, il est possible d'utiliser des microcircuits de la série K1561. Vous pouvez essayer d'utiliser certains microcircuits de la série K176. Les entrées des éléments inutilisés des microcircuits numériques ne peuvent pas être laissées sans connexion ! Ils doivent être connectés soit à un bus commun, soit à un bus d'alimentation. Les transistors VT1, VT2 sont des éléments d'un ensemble de transistors intégrés de type K159NT1 avec n'importe quelle lettre. Ils peuvent être remplacés par des transistors discrets à conductivité npn de types KT315, KT312, etc. Transistor VT3 - type KT361 avec n'importe quelle lettre ou type similaire avec conductivité PNP. Il n'y a aucune exigence particulière concernant les résistances utilisées dans le circuit du détecteur de métaux. Ils doivent simplement avoir une conception solide et être faciles à installer. La puissance dissipée nominale doit être comprise entre 0,125 et 0,25 W. Le potentiomètre de compensation R3' est de préférence du type multitours SP5-44 ou à réglage par vernier du type SP5-35. Vous pouvez vous en sortir avec des potentiomètres conventionnels de tout type. Dans ce cas, il est conseillé d’en utiliser deux en série. L'un est destiné à un réglage approximatif, avec une valeur nominale de 1 kOhm. L'autre est destiné au réglage fin, évalué à 100 Ohms. L'inducteur L1 a un diamètre d'enroulement interne de 160 mm et contient 100 tours de fil. Type de fil - PEL, PEV, PELSHO, etc. Diamètre du fil 0,2...0,5 mm. Voir ci-dessous pour la conception de la bobine. Le condensateur C3 est électrolytique. Types recommandés - K50-29, K50-35, K53-1, K53-4 et autres petits. Les condensateurs restants, à l'exception du condensateur du circuit oscillant de la bobine du générateur de mesure, sont en céramique de type K10-7, etc. Le condensateur du circuit C1 est spécial. Des exigences élevées lui sont imposées en termes de précision et de stabilité thermique. Le condensateur se compose de plusieurs (5...10 pièces) condensateurs individuels connectés en parallèle. Le réglage approximatif du circuit sur la fréquence de l'oscillateur à quartz est effectué en sélectionnant le nombre de condensateurs et leur valeur nominale. Type de condensateurs recommandé K10-43. Leur groupe de stabilité thermique est MPO (c'est-à-dire environ zéro TKE). Il est possible d'utiliser des condensateurs de précision d'autres types, par exemple K71-7. En fin de compte, vous pouvez essayer d'utiliser des condensateurs au mica thermiquement stables avec des plaques d'argent tels que des condensateurs KSO ou en polystyrène. LED VD1 type AL336 ou similaire à haut rendement. Toute autre LED visible fonctionnera également. Résonateur à quartz Q - tout quartz de montre de petite taille (des modèles similaires sont également utilisés dans les jeux électroniques portables). Émetteur piézo Y1 - peut être de type ЗП1-ЗП18. De bons résultats sont obtenus lors de l'utilisation d'émetteurs piézoélectriques de téléphones importés (ils vont en grande quantité "à perdre" dans la fabrication de téléphones avec identification de l'appelant). La conception de l’appareil peut être assez arbitraire. Lors de son développement, il est conseillé de prendre en compte les recommandations énoncées dans les sections sur les capteurs et la conception du boîtier. Le circuit imprimé de la partie électronique du détecteur de métaux peut être fabriqué selon l'une des méthodes traditionnelles ; il est également pratique d'utiliser des prototypes de circuits imprimés prêts à l'emploi pour les boîtiers de puces DIP (pas de 2,5 mm). Configuration de l'appareil Il est recommandé de configurer l'appareil dans l'ordre suivant. 1. Vérifiez l'installation correcte selon le schéma de circuit. Assurez-vous qu'il n'y a pas de court-circuit entre les conducteurs de PCB adjacents, les pattes de microcircuit adjacentes, etc. 2. Connectez la batterie ou la source d'alimentation 9V en respectant strictement la polarité. Allumez l'appareil et mesurez la consommation actuelle. Cela devrait être d'environ 10 mA. Un écart important par rapport à la valeur spécifiée indique une installation incorrecte ou un dysfonctionnement des microcircuits. 3. Assurez-vous qu'il existe une onde carrée pure d'une fréquence d'environ 3.1 kHz à la sortie de l'oscillateur à quartz et à la sortie de l'élément D32. 4. Assurez-vous qu'il y a des signaux avec des fréquences d'environ 2.1 kHz aux sorties des déclencheurs D2.2 et D16. 5. Assurez-vous qu'il y a une tension de fréquence différentielle en dents de scie à l'entrée de l'élément D3.2 et des impulsions rectangulaires à sa sortie. 6. Assurez-vous que le dispositif d'affichage fonctionne - visuellement et auditivement. Modifications possibles La conception de l'appareil est extrêmement simple et nous ne pouvons donc parler que d'améliorations supplémentaires. Ceux-ci inclus: 1. Ajout d'un indicateur de fréquence logarithmique LED en option. 2. Utilisation d'un capteur transformateur dans un générateur de mesure. Examinons de plus près ces modifications. Indicateur de fréquence logarithmique L'indicateur de fréquence logarithmique est un indicateur LED avancé. Son échelle est composée de huit LED distinctes. Lorsque la fréquence mesurée atteint un certain seuil, la LED correspondante sur l'échelle s'allume, les sept autres ne s'allument pas. La particularité de l'indicateur est que les seuils de réponse en fréquence des LED voisines diffèrent les uns des autres d'un facteur deux. En d'autres termes, l'échelle indicatrice a une graduation logarithmique, ce qui est très pratique pour un appareil tel qu'un détecteur de métaux battu. Le diagramme schématique d'un indicateur de fréquence logarithmique est présenté sur la Fig. dix. Bien que le circuit de cet indicateur ait été développé par l'auteur de manière indépendante, il ne prétend pas être original, puisqu'une recherche de brevet a montré que des circuits similaires sont connus. Néanmoins, le circuit indicateur lui-même et sa mise en œuvre sur une base d’éléments domestiques présentent, de l’avis de l’auteur, un certain intérêt.
L'indicateur logarithmique fonctionne comme suit. L'entrée de l'indicateur reçoit un signal de la sortie du déclencheur Schmidt du circuit du détecteur de métaux battu (voir Fig. 9). Ce signal est l'entrée des compteurs binaires D5.1-D5.2 (la numérotation continue selon le schéma de la Fig. 9). Ces compteurs sont périodiquement remis à zéro par un signal de haut niveau provenant de l'oscillateur auxiliaire du déclencheur de Schmidt D3.3 avec une fréquence d'environ 10 Hz. Au front montant du signal du générateur auxiliaire, l'état des compteurs est également enregistré dans des registres parallèles à quatre bits D6 et D7. Ainsi, aux sorties des registres D6 et D7 se trouve un code numérique pour la fréquence du signal de battement. Il est possible de convertir ce code en échelle logarithmique tout simplement (et c'est le « point fort » de ce schéma) si l'éclairage de la LED de l'échelle correspondante est réglé en correspondance avec l'apparition d'un un dans un certain bit de la fréquence. code avec tous les zéros dans les bits supérieurs du code. Évidemment, cette tâche doit être accomplie par un circuit combinatoire. La mise en œuvre la plus simple d'un tel circuit consiste à répéter périodiquement des liaisons d'éléments OU. Le circuit pratique utilise les éléments NOR D8, D9 ainsi que de puissants inverseurs tampons D10, D11. A la sortie du circuit, un signal logique de contrôle des LED de la balance est obtenu sous la forme d'une « vague d'unités ». Du point de vue de l'économie d'énergie de la batterie, bien sûr, il est plus conseillé de réaliser la balance non pas sous la forme d'une colonne lumineuse de LED (jusqu'à 8 pièces à la fois), mais sous la forme d'un point mobile de une LED lumineuse. Pour ce faire, les LED de la ligne indicatrice sont connectées entre les sorties du circuit combinatoire. Pour les très basses fréquences, une indication LED clignotante est encore plus adaptée. Dans le schéma proposé, il est combiné avec le début de l'échelle LED et s'éteint dès que son segment suivant s'allume. En sélectionnant les éléments R8, C5, vous pouvez modifier la valeur de fréquence du générateur auxiliaire, modifiant ainsi la limite de l'échelle de fréquence. Types de pièces et conception Les types de microcircuits utilisés sont donnés dans le tableau. 4. Tableau 4. Types de microcircuits utilisés
Au lieu des microcircuits de la série K561, il est possible d'utiliser des microcircuits de la série K1561. Vous pouvez essayer d'utiliser certains microcircuits de la série K176. Le câblage des circuits de puissance et la numérotation des broches des microcircuits D8-D11 ne sont pas représentés par souci de simplicité. LED VD2-VD9 type AJ1336 ou similaire à haut rendement. Leurs résistances de réglage de courant R9-R17 ont la même valeur nominale de 1,0 à 5,1 kOhm. Plus la résistance de ces résistances est faible, plus les LED brilleront. Cependant, la capacité de charge des microcircuits K561LN2 peut ne pas être suffisante. Dans ce cas, il est recommandé d'utiliser des inverseurs de sortie connectés en parallèle dans le circuit indicateur. Le moyen le plus pratique d'organiser cette connexion parallèle consiste simplement à souder des paquets de puces supplémentaires du même type (jusqu'à 4 pièces) sur chacune des puces K561LN2 installées dans le circuit. capteur de transformateur L'idée d'un capteur transformateur pour détecteurs de métaux est simple et élégante. Elle est connue depuis longtemps et est née de la volonté de simplifier la conception de la bobine du capteur du détecteur de métaux. Un inconvénient courant d'un capteur de détecteur de métaux typique, quelle que soit sa conception, est le grand nombre (plus de 100) de tours de bobine. En conséquence, la structure du capteur devient insuffisamment rigide, ce qui nécessite des mesures particulières telles que des cadres supplémentaires, un remplissage avec de la résine époxy, etc. De plus, la capacité parasite d'une telle bobine est importante et pour éliminer les faux signaux dus au couplage capacitif de la ou des bobines avec la terre et le corps de l'opérateur, un blindage des bobinages est nécessaire. La manière d'éliminer les défauts répertoriés est simple et évidente : vous devez utiliser une bobine composée d'un nombre minimum de tours - un tour ! Naturellement, une telle solution ne fonctionne pas de front, car l'inductance insignifiante d'un tour nécessiterait des capacités gigantesques des condensateurs des circuits oscillants, des générateurs de signaux avec un courant de sortie énorme et des astuces spéciales pour assurer un facteur de qualité élevé. Et ici, il est temps de rappeler l'existence d'un dispositif conçu pour adapter les impédances, pour convertir des signaux alternatifs haute tension à faible courant en signaux basse tension à courant élevé, et vice versa à propos d'un transformateur. En fait, prenons un transformateur avec un rapport de transformation d'environ une centaine et connectons son enroulement abaisseur à un tour, qui est le capteur du détecteur de métaux, et l'enroulement élévateur au circuit du détecteur de métaux au lieu d'un inducteur. Structurellement, un tour d'un tel capteur à transformateur peut être réalisé de diverses manières. Par exemple, il peut s'agir d'un anneau de fil monoconducteur en cuivre ou en aluminium d'une section de 6... 10 mm2 pour cuivre et 10...35 mm2 pour l'aluminium. Les conducteurs internes des câbles d'alimentation sont pratiques à utiliser. Pour réduire le poids et augmenter la rigidité, vous pouvez fabriquer une bobine à partir d'un tube métallique. Il est possible de fabriquer une bobine à partir d'une feuille en la collant sur un matériau en feuille et même à partir d'un stratifié de fibre de verre ordinaire. Dans n'importe quel endroit pratique, la bobine est mise à la terre en se connectant au bus commun de l'appareil, ce qui assure la compensation des couplages capacitifs parasites. L'influence de ces connexions pour une conception de capteur donnée est inférieure de plusieurs ordres de grandeur en raison de la valeur plus faible du module d'impédance d'un tour. Le capteur transformateur vous permet de mettre en œuvre une conception pliable d'un détecteur de métaux compact. Son croquis est présenté sur la Fig. 11. Le transformateur du capteur est réalisé sur un noyau magnétique toroïdal installé directement sur la carte du détecteur de métaux, logé dans un boîtier en plastique. L'enroulement abaisseur du transformateur et la bobine du capteur constituent structurellement une seule unité sous la forme d'un cadre rectangulaire constitué d'un fil de cuivre monoconducteur isolé d'une section de 6 mm2, fermé par soudure. Ce cadre a la capacité de pivoter. Une fois plié, le cadre est situé autour du périmètre du corps de l'appareil et ne prend pas de place supplémentaire. En position de travail, il pivote à 180°. Pour garantir la fixation du cadre, des manchons d'étanchéité en caoutchouc ou autre matériau similaire sont utilisés. Il est également possible d'utiliser toute autre fixation mécanique du cadre appropriée.
La section transversale du conducteur à partir duquel la bobine du capteur du transformateur est constituée ne doit pas être inférieure à la section totale de toutes les spires qui composent une bobine de capteur du détecteur de métaux conventionnelle. Cela est nécessaire non seulement pour donner à la structure la résistance et la rigidité nécessaires, mais également pour garantir que le facteur de qualité du circuit oscillant avec un tel transformateur analogique de l'inducteur ne soit pas trop faible (d'ailleurs, lors de l'utilisation d'un tour tel que une bobine rayonnante, le courant qu'elle contient peut atteindre des dizaines d'ampères !). Pour la même raison, une sélection appropriée de la section du fil de l’enroulement abaisseur du transformateur est nécessaire. Sa section peut être inférieure à celle du conducteur de la bobine, mais sa résistance ohmique ne doit pas être supérieure à la résistance ohmique de la bobine. Pour réduire les pertes dues à la résistance ohmique, il est nécessaire de connecter très soigneusement la spire à l'enroulement abaisseur du transformateur. La méthode de connexion recommandée est le soudage (pour une bobine en cuivre) et le soudage au gaz inerte (pour une bobine en aluminium). Les exigences suivantes s'appliquent au transformateur. Premièrement, il doit fonctionner avec de faibles pertes à la fréquence requise. En pratique, cela signifie que son noyau magnétique doit être constitué de ferrite basse fréquence. Deuxièmement, ses enroulements ne doivent pas apporter une contribution notable à l'impédance du capteur. En pratique, cela signifie que l'inductance de l'enroulement abaisseur doit être sensiblement supérieure à l'inductance de la spire. Pour noyaux magnétiques toroïdaux en ferrite avec perméabilité magnétique μ=2000 et avec un diamètre supérieur à 30 mm, cela est vrai même pour un tour du bobinage abaisseur. Troisièmement, le rapport de transformation doit être tel que l'inductance de l'enroulement élévateur lorsque la bobine du capteur est connectée à l'enroulement abaisseur soit approximativement la même que celle d'une bobine conventionnelle d'un capteur typique. Malheureusement, les avantages du capteur à transformateur l'emportent largement sur ses inconvénients uniquement pour les détecteurs de métaux battus. Pour les appareils plus sensibles, un tel capteur n'est pas applicable en raison de sa sensibilité assez élevée aux déformations mécaniques, ce qui conduit à de faux signaux apparaissant lors du mouvement. C'est pourquoi le capteur à transformateur n'est abordé que dans la section consacrée au détecteur de métaux Beat. Auteur : Shchedrin A.I.
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