Металлоискатель по принципу частотомера

Этот проект реализован мною в соавторстве с Андреем Щедриным. Андрей  автор книги "Металлоискатели для поиска кладов и реликвий". Его хобби  это металлоискатели (теория и практические конструкции ) загляните к нему . Нам удалось разработать металлоискатель, принцип действия которого отличается от классических схем металлоискателей (на биениях, "прием-передача", индукционный). Получился простой прибор, который обладает неплохими характеристиками. Статья об этом опубликована в 130 номере (май 2001г.) американского журнала  Circuit Cellar . Многие металлоискатели (промышленные и любительские) имеют свои собственные имена. Мы с Андреем решили последовать этой традиции :-) . Теперь наш металлоискатель называется Tracker FM. Во время полевых испытаний прибор показал неплохие результаты. Подробности читайте здесь.

Купить книгу в Библионе

Принцип действия нашего металлоискателя следующий - прибор циклически измеряет частоту поискового генератора и вычисляет ее приращение. В зависимости от типа мишени (ферромагнетик или неферромагнетик), от ее размера и удаления от катушки это приращение меняет свою величину и свой знак. На основе анализа этой информации в микроконтроллере производится распознавание и индикация. Прибор может работать в статическом и динамическом режиме.

Сейчас имеется две модификации металлоискателя. Первая, Traker FM-1, полностью доступна для повторения. Именно эта конструкция была описана в журнальной статье.

Назначение переключателей:
S0: сброс прибора;
S1: зарезервирован;
S2: Вкл - порог обнаружения высокий, Выкл - низкий;
S3: время измерения Вкл - 30ms, Выкл - 120ms(для медленного поиска);
S4: автоподстройка Вкл/Выкл (только для динамического режима);
S5: режим Вкл - статический, Выкл - динамический.

Прошивка для микроконтроллера(формат Intel Hex, версия V 1.9)

Чертеж печатной платы. Разрешение 300 dpi.

Расположение элементов.

Вторая модификация, Tracker FM-2, является усовершенствованной версией первой. В ней реализованы некоторые наши новые идеи, а также пожелания тех любителей, которые уже сделали первую версию. Прежде всего я полностью переписал программное обеспечение. (Последняя версия V3.2) Теперь в приборе при обработке используется 16-ти разрядная арифметика (раньше была 8-ми разрядная). В результате динамический диапазон металлоискателя расширился в 256 раз! Это позволило отказаться от автоподстройки за ненадобностью. Теперь прибор не глючит даже при поднесении рамки вплотную к большим мишеням. Дальше, - введена плавная регулировка чувствительности прибора. Теперь в зависимости от помеховой обстановки или каких-либо других обстоятельств при поиске можно подбирать оптимальную чувствительность с помощью переменного резистора. Например загрубить ее, чтобы не было откликов от мелких объектов или наоборот - выставить ее на грани ложных срабатываний для получения предельной чувствительности. В версии V3.2 также как и в версии V2.0 используется режим энергосбережения.

Назначение органов управления:
S0: сброс прибора;
S1: режим Вкл - статический, Выкл - динамический.
R6: регулировка чувствительности.

Чертеж печатной платы. Разрешение 300 dpi.

Расположение элементов.

Эта модификация распространяется на коммерческой основе. На ее основе фирмой "Мастер Кит" выпущен конструктор KIT NM8041. Конструктор должен продаваться здесь. Однако пока я не вижу его в текущем прайсе. Поэтому о цене и доставке спрашивайте продавца. Если вам станет что-нибудь известно на этот счет - сообщите пожалуйста и мне.

Также возможен вариант самостоятельного изготовления прибора и приобретения только прошитого микроконтроллера. Стоимость прошивки $5. Т.е. полная стоимость прошитого контроллера = стоимость микросхемы + прошивка + доставка (Пока только по России и Украине). По моим оценкам это будет от 8 до 15$ в зависимости от удаленности от Москвы или Донецка. Присылайте заявки мне.

Ответы на вопросы (FAQ)

Q. Какова дальность обнаружения вашего прибора?

A. Свой ответ на этот вопрос я хочу проиллюстрировать результатами эксперимента. Для этого эксперимента металлоискатель в отладочном режиме был соединен кабелем с компьютером. Катушка металлоискателя (диаметр 19.5см, 100 витков провода 0.47) проносилась над мишенью, а данные с выхода программного "дискриминатора" подавались на компьютер и регистрировались там с помощью программы, эмулирующей осциллограф. Для сравнения с результатами работы других металлоискателей мне потребовались эталонные мишени - монета диаметром 25мм, пистолет и каска. Советскую пятикопеечную монету я изыскал без проблем, а вот в качестве двух других мишеней были использованы аналоги - большие плоскогубцы и железная кастрюля диаметром 20см :-) .

Из этих осциллограмм видно, что наш металлоискатель занимает промежуточное положение по глубине обнаружения между металлоискателями на биениях (BFO) и индукционными металлоискателями (IB). При этом конструктивная сложность нашего металлоискателя сопоставима с BFO, а возможность различать металлы делает его похожим на IB. Хочу обратить Ваше внимание на знак отклонения частоты для "каски". Он такой же как и для монеты. Это происходит потому, что из-за большой площади поверхности такой мишени эффект проводимости "пересиливает" ферромагнитные свойства объекта.

Возможно такие результаты и покажутся кому-то скромными. По этому поводу я хочу сказать вот что - наш металлоискатель обладает очень хорошим соотношением сложности(цены) к качеству технических характеристик. Есть и другие приложения кроме кладоискательства, где его применение будет оправданым - например досмотр людей и багажа. Есть и другие интересные приложения для его применения - например один норвежец "прикрутил" наш металлоикатель к автоматизированной газонокосилке :-) . Он обещал мне со временем прислать информацию по этому проекту и я ее выложу здесь. Другой пример - стационарный металлоискатель для регистрации проезжающих автомобилей - о таких проектах мне написали из Чили и Харькова.

Q. Сообщите какова частота генератора и особенности конструкции катушки .

A. В нашем приборе программа устроена так, что начальная частота поискового генератора может быть любой в диапазоне от 30Гц до сотен килогерц! При старте микроконтроллер подстраивается под эту частоту. О выборе же конкретной рабочей частоты для металлоискателей различного назначения много написано в специальной литературе. Для того, чтобы генератор устойчиво работал, соотношение емкостей конденсаторов C1 и C2 должно быть близким к (4...6):1. Например при емкостях конденсаторов C1 47нФ и C2 10нФ частота генерации будет около 17кГц. Именно для такого случая я проводил эксперимент, результаты которого показаны выше. Да, эти конденсаторы должны иметь хороший ТКЕ, особенно C2!

Катушка такая же как и для индукционного металлоискателя конструкции Андрея Щедрина. Это 100 витков эмалированного провода, смотанных в кольцо диаметром около 200мм. Провод диметром 0.3-0.5мм. Вся катушка должна быть помещена в электростатический экран. Вот здесь я попытался это изобразить. Экран можно выполнить обмотав витки фольгой. Катушка должна иметь механическую жесткость. Один из способов - это заливка эпоксидной смолой.

Q. Как подбирать при настройке C1,C2,R1 ?
Для чего предназначен разъем ?

A. Ну о конденсаторах я уже написал выше. Если у Вас есть сомнения относительно того какая именно частота Вам нужна, выбирайте те номиналы конденсаторов, которые я указал. При этом Вы получите частоту 17-20кГц. Некоторые источники утверждают, что именно на этой частоте хорошо искать золото ;-)
Резистор выбирается из диапазона 200Ом - 1.5кОм . Его подбор нужен вот когда - иногда получается, что в этой схеме происходит захват высокой гармоники частоты поискового генератора через паразитную ФАПЧ (по цепям питания), от кварцевого генератора микроконтроллера. Это приводит к тому, что генератор не реагирует на очень малые расстройки. А если воздействие становится чуть больше, то частота сразу меняется скачком. Подбор резистора позволяет убрать этот эффект.
Разъем необходим для внутрисхемного программирования микроконтроллера. Если Вы не планируете это делать самостоятельно, то разъем и ведущие к нему перемычки можно не впаивать. Микроконтроллер можно впаивать в плату без панельки, а программу зашивать в него(до 1000раз) через этот разъем с помощью кабеля через LPT порт компьютера. Я использовал кабель от STK-200. Кроме программирования, с помощью этого кабеля можно вести исследования металлоискателя. Когда я снимал приведенные выше осциллограммы, я соединял металлоискатель с PC именно таким кабелем. Программу для программирования микроконтроллера, а также схемы адаптеров можно взять на страничке Александра Редчука.

Q. Что индицируют светодиоды VD1...VD8?

A. Светодиоды VD1...VD7 представляют собой шкалу(аналог стрелочного индикатора). Когда мишень отсутствует - горит светодиод VD4. В статическом режиме при приближении ферромагнитной мишени в зависимости от уровня воздействия последовательно загораются светодиоды VD3...VD1. При приближении неферромагнитной мишени последовательео загораются VD5...VD7. В динамическом режиме индикация несколько иная - при приближении мишени индикатор "качнется" сначала в одну сторону, затем в противоположную. Если отклик слабый, то может "качнутся" только в одну сторону. Знак последнего(или единственного) отклонения говорит о типе мишени. Светодиод VD8 индицирует окончание распознавания мишени в динамическом режиме. В Tracker FM-2 этот светодиод отсутствует(ввиду малой информативности этого сигнала).

Q. Как работает ваш металоискатель в динамическом режиме?

A. Динамический режим предназначен для обнаружения объектов на фоне различных помех. Как известно из теории обнаружения сигналов - при известной форме сигнала существует оптимальный фильтр, который позволяет наилучшим образом выделять такой сигнал на фоне помехи. Такой фильтр называется согласованным с сигналом. В нашем металлоискателе сигнал-отклик на мишень зависит от скорости перемещения поисковой катушки, типа мишени(ферромагнитная - неферромагнитная), расстояния до мишени. Мы разработали цифровой согласованный фильтр (он реализован программно), который позволяет эффективно выделять сигнал от ферромагнитных и неферомагнитных мишеней для скорости перемещения катушки 0.5-1.0 м/с
Вот так выглядит отклик фильтра на различные мишени (эксперементальные данные)

Ферромагнитная мишень	Монета

Q. Какие требования к компонентам и настройке прибора.

A.Особые требования к конденсаторам C1 и C2 - они должны иметь хороший ТКЕ. Я применяю конденсаторы типа К10-43. Правда их сейчас довольно сложно найти. Можно применять конденсаторы типа К71-7 или в крайнем случае К73-17 с некоторым ухудшением характеристик. Можно также использовать импортные конденсаторы с низким ТКЕ, например конденсаторы типа КД-2 с типом диэлектрика NP0 (есть в каталоге "Чипа и Дипа") Особенно желательно иметь термостабильный конденсатор С2, он влияет на частоту в несколько раз сильнее чем C1.

Можно предложить следующий порядок настройки прибора.