Металлоискатель – что это такое, устройство, принцип работы, основные виды, рейтинг лучших моделей

Для успешного поиска ценностей желательно хотя бы в общих чертах понимать как работает металлоискатель и как он устроен. Толкового материала на эту тему мне найти не удалось; попадается либо пересказ одноименной статьи из Википедии, либо слишком заумные тексты и видео, которые совершенно непонятны неспециалисту. Поэтому постараюсь максимально просто и доступно изложить принцип работы металлоискателя, основываясь на скудной имеющейся информации. Итак, приступим.

Виды металлоискателей

В принципе нам этот пункт не особо интересен, т.к. нас интересуют только грунтовые металлодетекторы, предназначенные для поиска монет, кладов и прочих ценностей. Но помимо грунтовых существуют еще военные металлоискатели — миноискатели, а также досмотровые — ручные (у сотрудников охраны в аэропортах и вокзалах) и арочные (через которые мы проходим в тех же аэропортах и вокзалах). Как правило, военные и досмотровые металлодетекторы проще по конструкции, т.к. предназначены для поиска любых металлических предметов и дискриминация для них не важна. Поэтому не будем на них останавливаться.

Арочный и ручной досмотровый металлодетекторы

К грунтовым условно также можно причислить т.н. подводные приборы, отличающиеся полностью герметичной конструкцией. В качестве примера можно привести любые приборы, допускающие полное погружение под воду: Minelab Excalibur 2, Garrett AT GOLD, Minelab CTX 3030, Garrett Sea Hunter Mark II и другие.

Minelab Excalibur 2, Garrett AT GOLD, Minelab CTX 3030, Garrett Sea Hunter Mark II

Также стоит упомянуть про глубинные металлоискатели, предназначенные для поиска крупных металлических предметов на глубине несколько метров. Обычно они весьма массивные и имеют две катушки: приемную и передающую. Часто эти приборы не реагируют на мелкие цели вроде монеты и не обладают дискриминацией. Однако они способны реагировать не только на металл, но и на некоторые неоднородности в земле: пустоты, фундаменты и подобные, что при поиске, скажем клада, весьма полезно.

Глубинный металлодетектор

И еще такой немаловажный момент: металлодетектор может быть аналоговым или цифровым. Цифровые более распространены. Различаются подходом к обработке сигнала. Если в цифровом приборе сигнал от катушки обрабатывается процессором и после этого выводится на экран и в виде звука, то в аналоговом сигнал сразу выводится на динамик без сложной обработки. Соответственно, время отклика у аналогового прибора меньше, однако функциональность заметно слабее. Вообще вопрос выбора цифрового или аналогового металлоискателя заслуживает отдельного внимания, но сейчас не об этом.

Аналоговый металлоискатель

Металлоискатель с электронным частотомером

Принцип работы такого металлоискателя основывается на оценке электронным частотомером частоты измерительного генератора, когда сам датчик еще находится вдали от мишени. Полученное значение «запоминается» регистром. После чего, в процессе поиска интересующих объектов, электронный частотомер занимается беспрерывным измерением частоты принимающего генератора. Из полученных данных вычитается показатель эталонной частоты, а результат выводится на экран индикации.

Схема метал детектора с электронным частотометром



Металлоискатели

Металлоискатели

Классический метод обнаружения скрытых предметов состоит в использовании эффекта влияния объектов из проводящих и ферромагнитных материалов на параметры расположенной рядом катушки или системы из нескольких катушек индуктивности (рис. %img:chng_l).

Рис. %img:chng_l

Следует отметить, что это не единственный способ. Предметы из ферромагнитных материалов могут быть также обнаружены по создаваемому ими локальному искажению магнитного поля Земли, которое можно выявить с помощью чувствительного магнитометра. Металлоискатели на основе магнитометра показывают очень хорошие результаты — крупные объекты из ферромагнетиков с их помощью возможно обнаружить на глубине до нескольких метров. Но они не универсальны — большинство металлов, в том числе наиболее «интересные» — медь, серебро, золото, их сплавы — не обладают сколь либо выраженными магнитными свойствами и не могут быть обнаружены указанным способом (не могут быть обнаружены пассивными приборами, но могут — активными, имеющими дополнительный возбудитель тока в объектах поиска). В этой статье рассмотрим наиболее универсальный первый метод обнаружения, с помощью датчика — катушки.

Оглавление Металлоискатели Принцип действия Металлоискатели на основе измерения частоты Индукционные металлоискатели Металлоискатели типа «передача-приём» Импульсные металлоискатели

Характеристики металлоискателя Элементарная теория металлоискателя Теоретическая предельная глубина обнаружения Смотрите также Расчёт металлоискателей с использованием численного анализа вихревых токов

Принцип действия

Известно, что проводящий предмет уменьшает индуктивность расположенной рядом катушки. Эффект в чём-то подобен влиянию на катушку короткозамкнутого витка и объясняется следующим образом (рис. %img:ec1). За счёт протекания переменного тока i1 через катушку L1, вокруг неё создаётся переменное магнитное поле (B1). Под действием переменного магнитного поля в находящихся рядом проводящих телах возникают вихревые токи. Вихревые токи, в свою очередь, создают своё магнитное поле (B2); результирующее поле складывается из магнитного поля катушки и магнитного поля вихревых токов в проводящем предмете (B = B1 + B2). В итоге, магнитный поток, пронизывающий катушку, при наличии рядом проводящего предмета оказывается отличающемся по амплитуде и фазе от магнитного потока при отсутствии предмета (при одних и тех же параметрах переменного тока i1 через катушку). Это эквивалентно изменению индуктивности и активного сопротивления самой катушки. Эффект обычно крайне слаб, но может быть обнаружен с помощью точных измерений. Численные оценки эффекта будут выполнены далее.

Рис. %img:ec1

Объекты из ферромагнитных материалов также влияют на индуктивность находящейся рядом катушки, увеличивая её. Благодаря этому они также могут быть обнаружены по изменению индуктивности катушки-датчика. Причём по знаку изменения индуктивности мы можем легко отличить ферромагнитные материалы от материалов, не являющихся ферромагнитными. Правда, если материал является и ферромагнитным, и проводящим (например, железо и многие его сплавы), то будут одновременно проявляться оба эффекта. Какой из них будет преобладать, зависит от частоты тока в катушке, от размеров и формы предмета, от взаимного расположения катушки и предмета. В принципе, даже для одного и того же предмета возможно изменение знака отклонения индуктивности в зависимости от условий. Но на низких рабочих частотах для не слишком массивных предметов можно ожидать преобладания эффекта увеличения индуктивности.

Задачу поиска металлических предметов мы свели к задаче выявления малых изменений индуктивности катушки-датчика, для решения которой существует несколько способов. В зависимости от выбранного решения, получим один из видов металлоискателя: металлоискатель — измеритель частоты (например, простейший, «на биениях» или более сложный — на основе цифрового частотомера); индукционный металлоискатель; металлоискатель типа «передача-приём»; импульсный металлоискатель.

Металлоискатели на основе измерения частоты

Вероятно, наиболее простой способ обнаружения малых отклонений индуктивности состоит в преобразовании изменений индуктивности в изменение частоты (рис. %img:md_fm_b). Для этого катушку включают в состав колебательного контура 1, который задаёт частоту автогенератора 2; отклонения индуктивности катушки от начального значения будут приводить к отклонениям частоты генерации.

Рис. %img:md_fm_b

Здесь и далее предполагается, что катушка металлоискателя экранирована, как показано на схеме. Это обязательное условие, иначе изменения паразитной ёмкости катушки при приближении её к проводящим предметам, в том числе и плохо проводящим (грунт, тело самого оператора прибора) и даже диэлектрикам (из-за неединичной диэлектрической проницаемости) будут вызывать отклик, намного превышающий таковой от полезных целей. Экран вокруг катушки устраняет влияние на собственную ёмкость катушки окружающих предметов. Экран делают в виде тонкостенной оболочки вокруг обмотки катушки, обязательно с разрывом, чтобы не образовывался короткозамкнутый виток.

Можно показать, что относительное изменение частоты под влиянием объектов поиска примерно равно половине относительного изменения индуктивности, \(\varepsilon_f \approx \varepsilon_{{}_L}/2.\) Малые изменения частоты обнаружить сравнительно просто. Например, с помощью цифровых методов измерения частоты.

Возможна и чисто аналоговая реализация металлоискателя на основе измерения частоты, как в металлоискателях «на биениях», рис. %img:md_beat (сейчас они представляют скорее исторический интерес). Такие приборы имеют два генератора. К одному (генератор 2 на схеме) подключена катушка-датчик (включена в состав колебательного контура 1), от индуктивности которой зависит частота генерации. Также у этого генератора предусмотрена ручная подстройка, для установки его начальной частоты близкой к частоте второго — опорного генератора 4, который является образцовым (функцию подстройки можно перенести и в опорный генератор, но тогда нельзя будет использовать стабилизацию кварцевым резонатором). Сигналы с обоих генераторов поступают на смеситель 3 (сумматор + детектор), на выходе которого получаем сигнал с разностной частотой, который усиливается усилителем 5, откуда он поступает на наушники 6, а также может быть подан на светодиод 7 для визуализации низкочастотных разностных колебаний. Подстраивая один из генераторов, добиваются получения сигнала на выходе смесителя с минимальной частотой. При приближении катушки к предмету, происходит уход частоты первого генератора. Разностная частота изменяется на такое же значение по абсолютной величине, но относительное изменение оказывается большим и его легко обнаружить даже на слух.

Рис. %img:md_beat

Достоинство приборов «на биениях» состоит в их предельной простоте. Подобный металлоискатель может быть собран буквально на трёх транзисторах.

Основной недостаток — малая чувствительность, ограничиваемая минимальным обнаруживаемым на слух уходом частоты, составляющим единицы герц в лучшем случае. Кроме того, генераторы подобного металлоискателя, работающие на близких частотах, склонны к взаимной синхронизации из-за наличия паразитных связей между ними (через смеситель вследствие неидеальной развязки входов, через цепи питания, через паразитные ёмкости и взаимные индуктивности элементов схемы). Для предотвращения синхронизации приходится увеличивать начальную расстройку генераторов по частоте (чем сильнее связь между генераторами, тем сильнее должны отличаться их частоты, чтобы избежать синхронизации) или сильно усложнять конструкцию с целью минимизации связи генераторов. Увеличение начальной расстройки снижает и без того малую чувствительность металлоискателя, так как с ростом разностной частоты увеличивается та величина минимального ухода частоты, которую возможно обнаружить «на слух».

В связи с их недостатками, металлоискатели «на биениях» в настоящее время практически не используются, если не считать любительских приборов самого начального уровня.

Рис. %img:md_fm

Гораздо лучшие результаты показывают приборы с цифровым измерением частоты (рис. %img:md_fm). На схеме: 1 — колебательный контур, в состав которого входит катушка металлоискателя и который определяет частоту генерации автогенератора 2; 3 — измеритель частоты, например реализованный на таймерах микроконтроллера, выходной сигнал данного блока — измеренное значение частоты в цифровой форме; 4 — устройства обработки и отображения информации, может включать в себя фильтры (для подавления медленно изменяющихся составляющих сигнала, связанных с самопроизвольным уходом частоты генераторов и быстро изменяющихся составляющих, обусловленных кратковременной нестабильностью генераторов), устройства для отображения информации на дисплее и синтеза звука. Большая часть узлов может быть реализована средствами одного микроконтроллера. Поэтому приборы данного типа также получаются в целом достаточно простыми, но при этом они лишены многих недостатков устройств «на биениях».

Во-первых, у них меньше проблем с паразитной синхронизацией генераторов, так как генератор 2 с катушкой-датчиком (в составе колебательного контура 1) и опорный генератор (генератор тактового сигнала, не обозначен на схеме) работают на сильно отличающихся частотах. Во-вторых, цифровой частотомер имеет очень хорошую разрешающую способность и без проблем можно добиться обнаружения отклонения частоты на величину 10-6 от начального значения, причём относительная чувствительность не зависит от частотного диапазона, что обеспечивает свободу в выборе рабочей частоты металлоискателя. Фактически, чувствительность такого металлоискателя ограничивается не возможностями частотомера, а кратковременной нестабильностью генераторов.

Однако есть и общие недостатки у всех разновидностей приборов данного типа. Прежде всего, исходя из самого принципа работы такого металлоискателя, невозможно жёстко зафиксировать рабочую частоту — она должна быть «плавающей» (что, например, затрудняет фильтрацию сигнала, полезную для уменьшения уровня помех). Перестройка частоты для работы в разных частотных диапазонах возможна, но сопряжена с усложнением конструкции и может ухудшить стабильность работы генератора и чувствительность металлоискателя. Невозможна работа одновременно на нескольких частотах, что важно для наиболее продвинутых приборов, так как позволяет получить максимум информации об объектах поиска. Кроме того, игнорируется величина вносимого активного сопротивления, которая несёт важную информацию об обнаруженном предмете.

Индукционные металлоискатели

Один из способов обнаружения малых отклонений индуктивности состоит в использовании компенсационных методов. В так называемых индукционных металлоискателях, сигнал с катушки-датчика складывается с опорным сигналом таким образом, чтобы при отсутствии рядом предметов, суммарный сигнал оказался нулевым. При приближении катушки к проводящему предмету, снимаемый с катушки сигнал изменяется, в то время как опорный сигнал остаётся прежним. Следовательно, суммарный сигнал оказывается отличным от нуля, он может быть усилен и измерен. Понятно, что малые отклонения суммарного сигнала относительно нуля обнаружить гораздо проще, чем малые отклонения сигнала с катушки на фоне огромного по сравнению с этими отклонениями основного сигнала.

Рис. %img:md_ind

Структурная схема индукционного металлоискателя, который имеет одну катушку-датчик, а компенсация сигнала осуществляется электронными цепями, изображена на рис. %img:md_ind. Сигнал с задающего генератора 1 (стабилизированный генератор, для которого можно задать любую желаемою частоту) поступает на преобразователь напряжение-ток 2, к которому подключена катушка металлоискателя 3. Преобразователь 2 обеспечивает строгую пропорциональность тока через свою нагрузку (катушку) по отношению к входному напряжению (сигналу генератора). Параметры переменного тока через катушку, таким образом, являются фиксированными, а напряжение на катушке зависит от её полного сопротивления, которое изменяется при приближении к проводящему предмету. Если пренебречь активным сопротивлением, напряжение на катушке будет пропорционально её индуктивности. Но вообще, метод позволяет контролировать изменения, как индуктивности, так и активного сопротивления катушки без существенного усложнения схемы (для этого следует контролировать не только амплитуду напряжения на катушке, но и фазу относительно фазы задающего сигнала).

Кроме преобразователя, сигнал от генератора получает цепь масштабирования и фазового сдвига 4, за счёт которой, при соответствующей регулировке, можно получить сигнал в точности равный сигналу на катушке при отсутствии рядом посторонних предметов («эквивалент катушки» в её начальном состоянии). Данный сигнал и сигнал с катушки подаются на сумматор (в данном случае — вычитающее устройство 5), на выходе которого получаем нулевое напряжение, когда рядом с катушкой нет посторонних предметов. Если приблизить катушку к металлическому предмету, компенсация нарушится и на выходе сумматора появится сигнал. Амплитуда получаемого сигнала мала (поскольку малы относительные изменения индуктивности катушки), поэтому сигнал усиливается усилителем 6 для обеспечения более высокой чувствительности. Усиленный сигнал подаётся на устройство обработки и отображения 7.

Также на схеме изображён простейший вариант устройства блока обработки и отображения сигнала. В данном случае он включает в себя: 8 — детектор для получения сигнала, пропорционального изменению индуктивности катушки из сигнала раскомпенсации (перед детектором может быть помещён полосовой фильтр, настроенный на частоту генератора для устранения помех, наведённых в катушке извне); 9 — фильтр, подавляющий низкочастотные составляющие полученного на выходе детектора сигнала (как правило, они обусловлены медленными изменениями индуктивности катушки и параметров схемы, не связанными с влиянием объектов поиска) и сравнительно высокочастотные составляющие (как правило, связаны с шумами схемы и кратковременной нестабильностью генератора). Полученный очищенный сигнал можно отобразить на индикаторе 10 (обычно требуется ещё логарифмический усилитель для обеспечения возможности отображения сигналов в широком диапазоне значений), а также на его основе синтезируется аудио сигнал для работы с прибором на слух (11, 12).

Индукционные металлоискатели имеют массу преимуществ по сравнению с металлоискателями на основе измерения частоты. В данном случае мы имеем полную свободу в выборе рабочей частоты — можем установить требуемое фиксированное значение частоты, можем переключаться между разными значениями (для разных задач оптимальные частоты различны). Даже возможно подать на катушку сигнал — сумму нескольких синусоидальных составляющих с разными частотами, в результате чего металлоискатель будет работать одновременно сразу на нескольких различных частотах, что используется в наиболее совершенных приборах, обеспечивая им максимум возможностей.

Кроме того, оказывается доступной информация не только об изменении индуктивности, но и об изменении активной составляющей сопротивления катушки под влиянием находящегося рядом предмета. Эта информация оказывается очень ценной для решения задач распознавания типа металла, фильтрации сигналов от ложных целей, компенсации влияния почвы.

Металлоискатели типа «передача-приём»

Компенсация сигнала в начальном состоянии возможна не только электронными методами, типа рассмотренного выше, но и за счёт использования системы из нескольких катушек, сконструированной должным образом. В результате для металлоискателя оказывается достижимой ещё более высокая чувствительность.

Рис. %img:dd_coil

К этому типу можно отнести металлоискатели с довольно популярной сейчас катушкой DD-типа. DD-катушка состоит из двух одинаковых, симметрично расположенных и жёстко зафиксированных в общем корпусе обмоток, каждая из которых по форме напоминает букву «D» (рис. %img:dd_coil). Через одну обмотку пропускается переменный ток («передающая» обмотка), со второй обмотки снимается сигнал, который подвергается усилению и обработке («приёмная» обмотка). Обмотки частично перекрываются с таким расчётом, чтобы их взаимная индуктивность оказалась нулевой (в области перекрытия и вне её векторы индукции магнитного поля, создаваемого передающей обмоткой, направлены в противоположные стороны, поэтому подбирая площадь перекрытия, можно добиться нулевого магнитного потока через приёмную обмотку). Когда рядом с катушкой нет посторонних предметов, при пропускании переменного тока через «передающую» обмотку, ЭДС индукции в «приёмной» обмотке наводиться не будет* (рис. %img:dd_f1).

* Строго говоря, идеальная компенсация невозможна, и некоторый сигнал на приёмной катушке будет присутствовать, но он будет крайне мал по сравнению с полным напряжением на передающей катушке, так что выделить полезный сигнал на его фоне будет намного проще.

Рис. %img:dd_f1

При приближении катушки к проводящему предмету, в нём за счёт переменного магнитного поля «передающей» обмотки, создаются вихревые токи, создающие своё переменное магнитное поле. Магнитный поток через «приёмную» обмотку уже оказывается ненулевым, в ней наводится ЭДС индукции, рис. %img:dd_f2. Иначе говоря, при наличии посторонних предметов, взаимная индуктивность изначально идеально сбалансированной системы оказывается отличной от 0. Сигнал с приёмной катушки усиливается, обрабатывается и используется для индикации и сигнализации об обнаружении объекта.

Рис. %img:dd_f2

В приборах типа «передача-приём» также должна быть предусмотрена электронная компенсация для компенсации отклонения от 0 начальной взаимной индуктивности катушек вызванного несовершенностью изготовления, механической деформацией в процессе работы или любыми другими причинами. Электронная подстройка обеспечивает более точную установку «нуля» прибора, а значит более высокую чувствительность.

DD-катушки сложнее в изготовлении, но, в принципе, способны обеспечить несколько более высокую чувствительность металлоискателя по сравнению с индукционными металлоискателями с простой одинарной катушкой.

Рис. %img:md_2c3d

Рассмотрим ещё один вариант металлоискателя типа «передача-приём» (рис. %img:md_2c3d). Если расположим две катушки на штанге таким образом, что их оси окажутся взаимно перпендикулярными, то в свободном пространстве их взаимная индуктивность будет нулевой: при прохождении переменного тока через одну из катушек, её магнитный поток через вторую оказывается равным 0 и ЭДС индукции не наводится (рис. %img:md_2c1).

Рис. %img:md_2c1

Но если рядом окажется проводящий предмет, переменное магнитное поле катушки с током создаст в предмете вихревые токи, магнитное поле которых наведёт ЭДС индукции в другой катушке (рис. %img:md_2c2).

Рис. %img:md_2c2

Металлоискатели типа «передача-приём» с разнесёнными катушками предназначены для поиска крупных предметов на больших глубинах. Являются хорошей альтернативой не очень удобным в практическом использовании однокатушечным приборам, которые для увеличения глубины поиска должны быть оснащены катушкой очень большого диаметра. Следует иметь в виду, что у глубинных металлоискателей невелика чувствительность к мелким предметам, это общее свойство металлоискателей, как однокатушечных, так и двухкатушечных — с увеличением максимальной глубины поиска, увеличивается минимальный размер предмета, который прибор способен обнаружить. Мелкие объекты глубинный металлоискатель «не увидит» даже на поверхности.

Импульсные металлоискатели

В импульсных металлоискателях через катушку пропускаются короткие импульсы тока, создающие вокруг неё импульсное магнитное поле, под действием которого в проводящих предметах возникают вихревые токи. Когда завершается импульс тока через катушку и поле катушки «отключается», вихревые токи исчезают не сразу, а затухают в течение некоторого времени, создавая своё, убывающее со временем магнитное поле, которое наводит ЭДС индукции в катушке. По характеру изменения наведённого на катушке напряжения можно сделать выводы о наличии рядом посторонних предметов.

Импульсные металлоискатели имеют определённые достоинства. Так, они малочувствительны к влиянию почвы, в том числе сильно минерализованной и металлическому «мусору» типа обрывков фольги (и другим объектам с малым соотношением индуктивность/активное сопротивление из-за быстрого затухания вихревых токов).

В целом, между импульсными и индукционными металлоискателями больше общего, чем может показаться с первого взгляда. По сути, в импульсных металлоискателях анализируется сигнал-отклик во временной области, а в индукционных — в частотной. Теоретически, оба подхода эквивалентны. Практически, хорошие индукционные приборы, работающие одновременно на нескольких частотах, по возможностям способны несколько опередить своих импульсных конкурентов.

author: hamper; date: 2020-01-28

Металлоискатель на биениях

Принцип работы металлоискателя на биениях основывается на совокупности разности частот, исходящих от двух генераторов. Один из этих генераторов имеет стабильную частоту, а в систему второго входит датчик, представляющий собой катушку индуктивности. Если металлические предметы не располагаются вблизи металлоискателя, значения частот генераторов в приборе практически совпадают. Наличие же металла возле датчика приводит к резкому изменению частоты генератора.

Схема метал детектора на биениях

Регистрация разности частот может происходить самыми различными путями. Простейшим способом является прослушивание сигнала с помощью головных телефонов или громкоговорителя. Также часто используются цифровые способы измерения колебания частот.

Основные принципы работы прибора

Действие металлоискателей основано на физических принципах, позволяющих обнаруживать объекты. Этим объясняется довольно ограниченная область их действия. Каждый тип маталлоискателя обладает разной чувствительностью, пропорциональной его стоимости. Немаловажную роль играет возможность эффективно определять различные металлы.

Чаще всего используется разница частоты образцового и поискового генератора, которая сравнивается между собой. В качестве измеряемого параметра выступает катушка поисковой головки. В зависимости от вида металла, происходит повышение или понижение частоты поискового контура. Затем происходит ее сравнение с эталоном частоты в опорном генераторе. Полученная разница отображается с помощью визуального или звукового индикатора.

В другом варианте анализируется в приемной катушке и сдвиг фазы сигналов приемной и передающей катушки. Если поблизости не наблюдается каких-либо металлических предметов или объектов, то сигнал в приемной катушке будет иметь минимальную амплитуду, а сдвиг фазы составит 0 или 900. Когда поисковая головка приближается к металлу, начинается увеличение амплитуды сигнала в ее приемной катушке. Изменение сдвига фазы в этом случае связано с проводимостью металла. С помощью данного метода удается различать черные и цветные металлы, выявлять пустоты и отстраиваться от грунтов.

Существуют и другие принципы работы металлоискателей, успешно применяемые в различных конструкциях этих приборов.

Металлоискатели с принципом работы «передача-прием»

Принцип работы такого металлоискателя заключается в регистрации сигнала, который отразился от металлического предмета. Возникновение отраженного сигнала является результатом воздействия магнитного поля с переменным потоком катушки прибора на мишень (предмет из металла). При этом, в структуру прибора входит, как минимум, две катушки, одна из которых «отвечает» за передачу сигнала, а другая – за его прием.

Работа металлоискателя «передача-прием» основывается на определенном взаимо расположении катушек, исключающем воздействие одной на другую. Таким образом, если посторонние металлические предметы отсутствуют, излучающая катушка наводит нулевой сигнал на систему приемной. Появление же металлических предметов вблизи катушек приводит к возникновению специального сигнала.

Базовая комплектация МИ

Практически все модификации серийных и самодельных металлодетекторов состоят из функционально однотипных элементов. На рис. ниже приведена конструкция типового МИ с указанием основных деталей и модульных блоков.

Конструкция типового МИ

Блокинг генератор: принцип работы

В состав МИ входят следующие элементы:

1. Поисковая катушка, выполняющая функции радиопередатчика и приемника отраженных сигналов. Конструктивно катушка поисковая представляет собой пластиковый корпус (в большинстве моделей МИ – круглой или эллиптической конфигурации), внутри которого размещены витки многожильного провода. В целях герметизации после укладки проводов внутренняя полость корпуса заливается компаундом.

Важно! Принято считать, что поисковые катушки МИ не ремонтируются, поскольку процедура вскрытия монолитного корпуса для ремонта и обратной заливки – довольно трудоемкий процесс. Чаще всего при выходе катушки МИ из строя ее просто заменяют на новую.

1. Нижняя штанга, предназначенная для:

• регулировки угла наклона катушки поисковой в целях обеспечения более точного исследования местности;
• жесткой фиксации катушки после корректировки ее пространственного положения.

1. Средняя штанга, используемая для соединения верхней и нижней штанги. Средней штанге приданы функции регулировки длины МИ при подгонке под рост оператора.
2. Верхняя штанга, на которой размещается блок управления. Наиболее удобными для пользования считаются изделия с S-образной верхней штангой, дополнительно оснащенные:

• подлокотником, используемым для упора локтя оператора;
• рукояткой, обеспечивающей удобный захват и удержание МИ в процессе поисковых работ.

1. Блок управления, обрабатывающий информацию, получаемую от поисковой катушки, и выдающий оператору-пользователю результаты обработки в виде звуковых сигналов и цифровых данных на дисплее. Используется для:

• визуального и акустического контроля поискового процесса;
• управления работой аппаратуры МИ;
• настройки рабочих режимов аппаратуры.

На рис. ниже показаны блок управления отдельно и металлоискатель в комплекте с этим блоком.

Металлоискатель и блок управления

Одно катушечный индукционный металлоискатель

Конструкция датчика данного прибора включает в себя только одну катушку, следящую за частотными изменениями. Если вблизи с металлоискателем появляется мишень, возникает отраженный сигнал. В катушке его «наводит» дополнительный электрический сигнал. Оператору потребуется только выделить этот сигнал. Зарегистрировать отраженный сигнал можно методом вычисления из присутствующего в катушке электрического показателя сигнал аналогичной фазы, частоты, амплитуды, что наблюдался в условиях отсутствия металла поблизости.

В целом, одно катушечный индукционный металлоискатель сочетает в себе характеристики приборов, работающих на биении с аппаратами принципа «передачи-приема». Таким образом, одно катушечный металлоискатель отличается высокой чувствительность и простотой конструкции.

Основные требования к параметрам при изготовлении

Перед тем как сделать металлоискатель своими руками в домашних условиях, необходимо учитывать условия его работы. Известно, что минерализованная почва является злейшим врагом для металлоискателя Минерализация грунта из-за частиц в почве, имеющих металлические характеристики, создает магнитный отклик, который улавливается металлодетектором. В связи, с чем понадобится машина, которая работает на разных частотах одновременно и обладает хорошими способностями распознавания. Потребуется установить как минимум 3 частоты, одну низкую, другую — высокую и одну где-то посередине. Затем, если начнут непрерывно поступать раздражающие прерывистые сигналы из-за минерализации на определенной частоте, ее нужно будет сбросить и работать на других частотах, при этом ложные сигналы значительно уменьшатся.

По всему миру минерализация различна, и существует множество металлоискателей, специально разработанных для решения этой проблемы. Некоторые из основных функций, которые необходимы детектору для борьбы с минерализацией грунта – это баланс грунта и технология импульсной индукции.

Далее перед тем как собрать металлоискатель определяют лучшую частоту для металлоискателей. Частотный диапазон может быть где-то между 1,5 кГц и 100 кГц. Она зависит:

• От проводимости — чем выше, тем ниже должна быть частота;
• размера цели — чем меньше, тем выше должна быть частота;
• глубины цели — чем глубже, ниже должна быть частота.

Если пользователь собирается искать золотые самородки, то потребуется частота выше 14 кГц, которая способна обнаруживать даже маленькие золотые объекты, такие как кольца, монеты и серьги. Перед тем как сделать металлоискатель своими руками для металлов с высокой проводимостью, таких как серебро, медь и латунь, потребуется обеспечить низкочастотную работу устройства, с частотой около 3 кГц.

Для целей с низкой проводимостью, таких как цинк, кобальт, платина, олово и нержавеющая сталь – потребуются значительные частоты около 9-10 кГц.

Импульсный металлоискатель

Импульсный металлоискатель характеризуется высокой чувствительностью и может использоваться для поиска различных предметов даже на большой глубине. В основу работы такого металлоискателя положен временной метод разделения сигналов излучения и отражения. Такой метод очень часто применяется в эхо- и радиолокации импульсного типа.

Генератором импульсов формируется импульсы тока кратковременного диапазона, которые впоследствии поступают в излучающую катушку. Здесь уже происходит их преобразование в импульсы магнитной индукции. Поскольку генератор импульсов, т.е. излучающая катушка, имеет индуктивный характер, на импульсных фронтах возникают «перегрузки» в форме перепадов в напряжении. Данные всплески могут достигать амплитудных показателей в десятки, а то и сотен вольт. Однако, все же, лучше не использовать защитные ограничители, т.к. может произойти затягивание фронта импульсного тока и магнитной индукции. В результате, усложнится процесс отделения сигнала отражающего типа.

Схема импульсного метал детектора

Следует отметить, что излучающая и приемная катушка могут располагаться в абсолютно произвольном порядке. Это обусловлено тем, что проникновение излучаемого сигнала и влияние на катушку отраженного разнесены по определенным временным промежуткам. Кроме этого, одна и та же катушка может выполнять любую из ролей: как принимать сигнал, так и отражать его.

Инструкция по изготовлению простого металлоискателя

Цены на бытовые металлодетекторы в торговой сети колеблются от 15000 до 40000 руб., но можно создать свой надежный импульсный индукционный металлодетектор Surf PI 1.2 из специального комплекта DIY. Для того чтобы сделать простой металлоискатель своими руками можно приобрести любой похожий комплект. В интернете достаточно разнообразных предложений по цене 4500-6000 рублей. В комплекте поставляются не только детали, но и подробная инструкция, для тех кто не знает, как собрать готовый продукт.

Материалы и инструменты

Как только у конструктора будет набор на руках, сначала нужно проверить все детали и отсортировать их по рабочей области.

Комплект Surf PI 1.2

Комплекты Surf PI 1.2 поставляются со всем необходимым для создания полнофункционального металлоискателя PI:

1. Плата.
2. Конденсаторы.
3. Резисторы.
4. Другие электронные детали в комплекте.

Дополнительно приобретаются или изготавливаются:

• Портативное зарядное устройство с 3 батареями;
• 3-слот батарейный футляр с держателем для батарей с проводами;
• водонепроницаемая пластиковая коробка с ремешком для фонарика;
• корпуса катушки и платы;
• катушка;
• штанга.

Схема подключения

Плата собирается по маркировке компонентов, указанных на шелкографии, например, пометка «U5», означает, что в данное гнездо устанавливается деталь U5 с обозначением на детали 78L05.

Сборка платы

Советы по сборке схемы металлоискателя с дискриминацией:

1. Собирают плату слева направо с источником питания слева.
2. Для конденсаторов блока питания выполняют пробный прогон, чтобы сразу установить их на плату, без припайки по место.
3. Нужно обратить внимание на полярность конденсатора. Отрицательный вывод короче и отмечен серой полосой «-»на самой крышке. На Surf PI 1.2 две заглушки расположены в одном направлении, а третий — напротив двух других. Есть пять 100 нФ из полиэфирной пленки (+/- 10%) и четыре 1 нФ, прежде чем начать, отмечают их и держат отдельно.
4. Когда пользователю понадобятся паяные перемычки, можно использовать отрезанные провода от резисторов.
5. Перед пайкой компонентов, расположенных рядом с разъемами для катушки, блока питания, громкости и порога, выполняют сухую посадку, чтобы убедиться, что существует достаточно места, чтобы компоненты не мешали разъемам.
6. Если на плате имеется несколько отверстий для пайки, которые соединяют компоненты, сначала пропускают их все, прежде чем пытаться паять каждый из них по отдельности. Иногда припой течет слишком легко и закупоривает неиспользуемые отверстия.
7. Необходимо работать медленно и осторожно, дважды проверяя каждый компонент, чтобы убедиться, что он устанавливается правильно. Нужно помнить, что резисторы не чувствительны к ориентации полярности, а конденсаторы наоборот.
8. После того, как пользователь завершит паять все компоненты на плате, необходимо подключить провода от поставляемых штекеров и клемм к разъемам, при этом обязательно нужно соблюдать полярность.

Изготовление поисковой катушки

Построение катушки самый сложный процесс для создания любого детектора поскольку потребуется согласование ее с цепью металлоискателя. Лучший вариант — просто построить неэкранированную моно спиральную катушку, которая дает стабильные результаты и позволяет внести дополнительные изменения в чувствительность задержки.

Материалы для изготовления поисковой катушки

Необходимые материалы:

• Провода 30 м;
• крышка шпинделя DVD;
• супер клей;
• большой плоский кусок картона;
• двухсторонняя лента.

Скотч удерживает шпиндель DVD в неподвижном состоянии и позволяет временно прикрепить проволоку к основанию во время намотки. При накручивании потребуется нанести несколько капель супер клея, чтобы катушка оставалась неподвижной. Чтобы подключить катушку к детектору, подключите внутренние провода катушки к «+», а внешние провода катушки к «-» на монтажной плате.

Монтажная плата

После того, как будет подключена катушка к детектору, необходимо выполнить несколько настроек, чтобы можно было получить максимальную производительность комплекта. Понадобится мультиметр и небольшая отвертка с плоской головкой, чтобы настроить триммеры смещения и задержки.

Алгоритм настройки:

1. Включают устройство, ручку регулировки громкости и убеждаются, что все работает как надо, должен появится звуковой сигнал от регулировки громкости и пороговых потенциометров.
2. Устанавливают пороговый потенциометр в положение, пока не появится стандартный ровный тон.
3. Далее устанавливают смещение на 0 В постоянного тока.
4. Подключают положительный провод мультиметра к контакту 6 NE5534P 9 (на плате), а отрицательный провод – к земле.
5. Используют отвертку с плоской головкой, чтобы повернуть триммер смещения, пока на мультиметре не будет показано значение 0 В.
6. Затем нужно отрегулировать задержку, чтобы можно было обнаружить золото / монеты / металл.
7. Теперь у пользователя должен быть полностью работающий импульсный индукционный металлоискатель, способный обнаружить множество деталей на пляже и на почве. Нужно далее просто закрепить катушку, плату и соответствующие элементы управления.

Изготовления корпуса металлоискателя

После того как самодельный металлоискатель будет собран, потребуется прикрепить штангу и закрыть электрические детали в корпус. В сети можно найти довольно много предложений для этих элементов металлоискателя выполненных в заводских условиях. Но многие мастера предпочитают делать их вручную. Самый простой металлоискатель имеет штангу из подручных средств — всевозможные ненужные ручки в домашнем хозяйстве от электропил, щеток, пылесосов и прочее. Многие изготавливают ручку из пластиковой трубы, без металлических вкраплений.

Для корпуса можно использовать подходящую по размеру платы коробку электрического автомата. На нем устанавливают плату, тумблер включения питания и колодку для катушки и источника тока. Динамик можно взять от любого портативного радио с сопротивлением 8 Ом.

Магнитометры

Магнитометры – приборы, предназначением которых является изменением показателей магнитного поля. При этом, магнитометры могут использоваться и в качестве металлоискателей. Это возможно благодаря тому, что магнитное поле Земли может искажаться различными материалами с ферромагнитными свойствами, например, железом. Обнаружение таких объектов происходит путем регистрации отклонений от исходного для определенной местности модуля магнитного поля. В результате, можно наблюдать некоторую магнитную неоднородность (аномалии), которые как раз и могут быть вызваны предметами из металла.

В отличие от рассмотренных выше металлоискателей, магнитометры охватывают больший диапазон обнаружения железных предметов. Наверное, многим приходилось слышать о нахождении с помощью магнитометра, например, автомобиля, расположенного на расстоянии 10 метров от оператора. В тоже время, главным недостатком магнитометров является их неспособность обнаруживать предметы, изготовленные из цветных металлов. К тому же, магнитометр может реагировать не только на железо, но и на так званые естественные магнитные аномалии. Это могут быть, к примеру, залежи минералов или отдельные минералы и т.д.

Схема магнитометра

Металлоискатель в полевых условиях

Перед тем, как ехать в полевые условия и заниматься поиском кладов, нужно узнать, разрешено ли пользоваться металлоискателем на данной территории. Существует много запретных мест, где подобная деятельность строго настрого запрещена. Информацию о том, где можно пользоваться металлоискателем в России, нужно заранее узнавать у специальных органов:

• Можно искать и копать на местах, где не зафиксировано наличие старых поселений и других следов человеческой деятельности старше века. Если же при таком поиске найдены какие-либо археологические предметы, — их необходимо сдать государству, поскольку, как сказано в законе «О металлоискателях», государство является собственником всего, что найдено в земле или под водой.
• Допустим поиск с металлоискателем на общественных пляжах, в силу того, что культурный слой там отсутствует, а находки, соответственно, не могут представлять историческую ценность и не являются археологическими предметами.
• Можно вести поиск на полях, где ежегодно происходит вспахивание тракторами, — там культурный слой также отсутствует.

После того, как всего разрешения были получены, можно выезжать. В первую очередь нужно подстроить прибор под нужный рост. На штанге для этого имеются специальные отверстия, при помощи которых металлоискатель принимает ту длину, которая необходима человеку. Чтобы проверить, правильно ли выбрана длина, нужно вхолостую провести на некотором расстоянии от земли. Если во время этой процедуры рука не устала, то все в порядке – можно работать.

На многих металлоискателях есть режим, регулирующий баланс грунта. При включении этой функции прибор не будет реагировать на ложные сигналы. Эти помехи возникают из-за этого, что в почве содержатся много солей или минералов, которые и провоцируют ложные сигналы.

Радиолокаторы

Принцип работы любого радиолокатора основывается на методе изучения электромагнитной энергии, ее отражения и прием от различных объектов, находящихся в воздухе, на море или земле. Отраженный сигнал принимается для дальнейшей обработки и анализа. В результате, можно безошибочно определить местонахождение интересующего объекта, его скорость и траекторию движения.

Радиолокаторы обладают целым рядом неоспоримых преимуществ. Так, они позволяют работать с достаточно большими расстояниями. Сигнал, который был отражен можно считать таковым, что полностью подчиняется законам геометрической оптики, а его ослабления пропорционально лишь второй степени расстояния. В тоже время, серьезным недостатком радиолокатора является то, что излучая электромагнитные волны, он позволяет обнаружить свое местонахождение. Однако сейчас интенсивно ведется поиск методов, помогающих скрыть сигнатуры радиолокаторов и вполне возможно, что в скором времени удастся избавить от указанного недостатка.

Также рекомендуем ознакомиться с Лампово-полупроводниковый УМЗЧ.

Достоинства и недостатки металлоискателей

Нет универсальных металлоискателей. Которые одинаково хорошо ищут затонувшие в болотах самолёты и мелкие самородки золота. То, что является достоинством для одних — например, обнаружение металлической мелочи для монетника — благо, то не нужно другим. Например, глубиннику мелочь обнаруживать незачем. Он и не «видит» предметов меньше, например, консервной банки.

Вообще говоря, любой параметр металлоискателя — палка о двух концах и важно найти правильный баланс. Например, чрезмерная чувствительность оборачивается ложными срабатываниями. Повышенная глубина поиска — расходом батарей. Причём ослабление волны идёт по кубу расстояния, значит, рассуждая условно, чтобы увеличить глубину вдвое, нужно повысить мощность излучателя в 8 раз.

Но есть и недостатки, единственная компенсация которых — это цена. К таким, например, относится отсутствие отстройки от грунта. Единожды настроенный на какой-то средний грунт металлоискатель будет давать ложные сработки на высокоминерализованных почвах. И пропускать цели в низкоминерализованных.

Как работает прибор

Этот электронный прибор способен определить наличие металла на расстоянии и указать на это человеку при помощи звукового оповещения.

Для обнаружения необходимо провести на него воздействие при помощи радиоволн, затем получить «ответ» в виде вторичного сигнала.

Принцип работы металлоискателя для поиска цветного металла одинаков для всех подобных устройств.

Дорогой аппарат от дешевого отличается лишь методом излучения радиоволн и способом реагирования на вторичный сигнал-ответ. Отличаются разные модели и типом сигнала, который оповещает о находке.

Металлоискатель способен четко определить, какой металл находится в поле действия катушки: цветной или черный. Это существенно экономит силы и время.

Сам принцип таков: при включении металлоискателя на катушку, которая является главным поисковым элементом, подается переменный ток. Это создает вокруг нее электромагнитное поле, которое распространяется, проникая в окружающее пространство. Для этого поля не важна среда, оно действует в:

• воздухе,
• грунте,
• воде,
• дереве и так далее.

Если в поле действия аппарата попадает что-то металлическое, на нем образуются вихревые токи. Они, в свою очередь, ослабляют излучение от катушки. Металлоискатель улавливает это ослабление и подает сигнал.

Электрические вихри затухают дольше на цветных металлах, что также улавливается устройством. Поэтому, если правильно настроить металлоискатель, то вы наткнетесь не на обычную ржавую монтировку, а на дорогой лом цветмета.

Типы

Стационарные рамки-металлодетекторы бывают однозонными и многозонными. Последние могут определять приблизительное местонахождение цели. Например, если человек проходит через рамку металлодетектора со скрытым оружием, расположенным в области лодыжек, то и однозонная, и многозонная модификации его обнаружат. Разница заключается в том, что многозонный вариант может идентифицировать местоположение цели на теле индивидуума.

В многозонной рамке используется техника измерения непрерывной волны множественными датчиками, а не обычный импульсно-индукционный метод. Это повышает эффективность скрининга и снижает эксплуатационные расходы. Несколько зон обнаружения позволяют определить точное местонахождение скрытого оружия. При этом дисплей показывает, находится ли оружие слева, справа или по центру тела человека, который проходит досмотр, и находится ли оно на лодыжке, колене, талии, груди или на высоте головы. Если спрятано более одного металлического предмета, то каждый из них будет обнаружен с указанием его местоположения. Во время последующего ручного поиска сотрудники службы безопасности могут сразу найти объект или объекты, ставшие источниками сигнала тревоги.

Важной особенностью горизонтальной многозонной технологии является ее способность эффективно различать миниатюрные пистолеты и безвредные предметы. Люди, подвергающиеся досмотру, могут пройти через детектор без необходимости вынимать из карманов ключи и монеты. Оружие, изготовленное из различных марок стали, алюминия, сплавов цинка и смешанных сплавов, обнаруживается за один проход.

Технология устойчива к действию электрических помех, тем самым устраняя ложные сигналы, которые останавливают поток людей. Оборудование активно постоянно, а это означает, что оружие и контрабанда не будет незаметно передана или переброшена.

Цена рамки-металлодетектора однозонного типа Garrett CS 5000 составляет 4495$, а многозонного — Garrett PD6500i – 5495$.

Постоянная результативность

Важно выбрать детектор, который обеспечивает одинаковый результат во всей контролируемой области. Плохо спроектированная рамка не будет работать линейно. В разных областях поля обнаружения могут присутствовать и высокочувствительные точки, и области с низкой чувствительности, известные как мертвые точки. При этом сигнал от одного и того же металлического объекта будет меняться при движении через разные секторы проема.