XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изготовление металлодетектора (металлоискателя) своими руками.
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Как-то, во время летних каникул, я посмотрел фильм «Остров сокровищ», и мне в голову пришла такая мысль: «Вот было бы здорово и мне найти какой-нибудь клад, ну или хотя бы какую-нибудь интересную вещицу». Но где искать?! Просто так, на земле, скорее всего ничего не найти, а в земле, как найдёшь? Но я вспомнил, что есть приборы, которые могут «видеть» металл и под землёй. Называются они – металлодетекторы или металлоискатели. Итак, металлоискатель — это прибор, который обнаруживает металлические предметы в нейтральной среде. Под нейтральной средой подразумевается земля, вода, стены здания, организм живого существа и т.д.
Из разных источников я узнал, такое замечательное изобретение человечества, как металлоискатель, чрезвычайно востребовано. Эти приборы являются незаменимыми помощниками в сфере охраны, без них не обходятся на раскопках профессиональные археологи, служители правопорядка зачастую используют металлоискатель для поиска соответствующих улик на месте преступления.
В промышленности пользуются металлоискателями для поиска трубопроводов и проводки кабелей, с их помощью производят разведку полезных ископаемых. Особенно важную роль выполняют металлоискатели в армии: миноискатели спасли не одну тысячу жизней. В этом я вижу актуальность моей работы.
Ну и, конечно же, металлоискатели стали верными спутниками и друзьями для множества людей, которые занимаются увлекательнейшим и интересным хобби – приборным поиском.
У меня возникла гипотеза: можно ли изготовить металлодетектор своими руками?
Предмет исследования – металлодетектор.
Объект исследования: строение металлодетектора и принципы работы.
Цель проекта: изготовить прибор-металлодетектор своими руками в домашних условиях.
Задачи:
- изучение истории создания первых металлодетекторов;
- знакомство с металлодетекторами, использующих разные принципы работы;
- выбор типа металлодетектора для изготовления в домашних условиях;
- изготовление устройства;
- проверка работоспособности;
- разработать информационный буклет о том, как изготовить металлодетектор;
- изучение правил использования металлодетекторов.
Подготовка и реализация проекта: поиск информации, анализ и обобщение полученных данных, изготовление, проверка.
Теоретическая часть
История создания первых металлодетекторов
Предшественником первых металлодетекторов было устройство, о котором упоминается в древних Китайских документах еще за двести с лишнем лет до нашей эры. А именно: у китайского императора имелась специальная арка в дверном проёме, работающая как детектор металла и предназначенная для защиты от нападения воина с оружием. Императорские умельцы создали каркас этой арки из магнитного минерала – магнетита.
Если кто-то попытается скрытно пронести какой-либо металлический предмет, например, меч или кинжал, то эти предметы притянутся аркой и нарушителя быстро задержат.
Прошли века. В XIX веке в США Александр Белл производил опыты по исследованию влияния металлических предметов на магнитное поле. В 1881г. его попросили испытать свой прибор на раненом американском президенте Джеймсе Гарфильде. Увы, тогда металлодетектор был слишком примитивен, пулю в теле умирающего от раны президента ему найти не удалось.
К началу XX века в США уже работал мобильный комплекс поиска под землей электропроводящих сульфидных руд. Размещался он на шасси автомобиля.
С 1925 года в Германии для искоренения воровства с заводов на проходных заводов появились арочные металлодетекторы, их установили для искоренения попыток воровства рабочими с заводов разных металлических изделий.
В конце 20-х годов в США начали выпускать первые ручные металлодетекторы. Были они очень громоздкие, на деревянной раме, две катушки, разнесенные на 2 метра. Так что хоть эти металлодетекторы и были ручные, для их переноски нужно было несколько человек. Патент на первый «металлоскоп» получил в 1937 году Герхард Фишер. В 1938 году патент был опубликован— и очень многие радиолюбители спаяли себе такой же прибор.
Широкое применение металлодетекторы получили в военном деле. На основе металлодетекторов были созданы миноискатели. Эти устройства спасли жизни тысячам военных.
В СССР военный инженер Б. Я. Кудымов создал прототип миноискателя в 1936 году.
В настоящее время металлодетекторы нашли широкое применение в любительской археологии (при поиске кладов и реликвий). И даже при поиске метеоритов, в состав которых входит железо.
Сходства и различия разных металлодетекторов.
Конструкция устройства.
На сегодняшний день в продаже можно встретить огромное разнообразие производимых металлодетекторов. Все они отличаются между собой по форме, размерам, цвету, весу, но несмотря на эти различия всех их объединяет наличие «обязательных» элементов конструкции.
У прощённая конструкция металлодетектора представлена на рисунке ниже.
Основные элементы конструкции:
Нижняя и верхняя штанги (может быть одна цельная штанга) – основа конструкции, на неё крепятся все остальные блоки.
Поисковая катушка – датчик металла. Излучает полезный сигнал и принимает сигнал, отраженный металлом. Можно сказать это «глаза и уши» металлодетектора.
Блок управления – «голова устройства» в нём происходит обработка сигналов, принятых поисковой катушкой.
Подлокотник – элемент конструкции, благодаря которому работа с металлодетектором становиться более удобной, локоть не сваливается со штанги во время движения металлодетектором.
Аккумулятор – не указан на рисунке, может находиться как отдельно на штанге, так и внутри блока управления. Аккумулятор — это источник энергии для работы прибора.
Провода – соединяют между собой все элементы устройства.
Принципы работы металлодетекторов.
Несмотря на сходство конструкций различных металлодетекторов все они разделяются по принципу работы (принцип обнаружения металла) на несколько видов. Ввиду того, что подробное описание того или иного принципа работы металлодетектора выходит за рамки данной работы, для более простого восприятия описание будет приведено кратко с упрощениями.
Принципы работы:
Передача-прием. Особенностью металлодетекторов, работающих на этом принципе является наличие двух катушек. Одна излучает полезный сигнал. Другая улавливает сигнал, отраженный от металлических предметов. Другими словами, работа такого металлодетектора похожа на работу обычного радиолокатора, который, к примеру, показывает на мониторе летящий самолет.
Индукционные. Принцип действия металлоискателя индукционного типа аналогичен устройствам типа «передача-прём». Главное отличие — в конструкции присутствует только одна катушка, которая одновременно и посылает, и принимает сигнал.
Особенностью металлодетекторов этих двух типов является чувствительность к высокому содержанию различных примесей (минералов) в земле. Это создает помехи, на которые реагирует датчик. Поэтому прибор перед работой необходимо настроить, указав тип грунта окружающей среды.
Генераторные металлодетекторы бывают разных видов. Но у всех них в основе конструкции находится LC-генератор. Такие устройства являются малочувствительными, также зачастую они предназначены для поиска металла только одного вида.
Импульсные. В отличии от предыдущих, импульсные металлоискатели нечувствительны к минерализации грунта. В основе своей конструкции они также имеют одну катушку. Ее электромагнитное поле создает на поверхности металлического предмета вихревые токи, которые генерируют собственное магнитное поле. Именно его и улавливает прибор. См. рисунок ниже.
Достоинством импульсных металлодетекторов является простота конструкции, отсутствие влияния свойств грунта на работу прибора, но есть и недостатки. Основной недостаток - большое энергопотребление, т.е. для продолжительной работы такого металлодетектора необходим достаточно мощный аккумулятор, а также такие металлодетекторы не способны различить цветной металл (золото, медь, алюминий) от чёрного (железо, чугун, свинец).
Выбор типа металлодетектора для изготовления в домашних условиях
Изучив особенности рассмотренных выше конструкций и принципов работы различных металлодетекторов, останавливаем свой выбор на металлодетекторе импульсного типа. Напомним, что мы собираемся изготовить его в домашних условиях! Поэтому простота изготовления имеет немаловажное значение. На просторах интернета нам попалась схема достаточно простого, но эффективного металлодетектора под названием «Пират». Схема несложная, подходит для повторения. Данный металлодетектор не может определять тип металла, но нам это и не нужно. Главное для нас — это простота схемы, эффективное обнаружение практических любых металлов и высокая готовность устройства к работе после сборки. Другими словами, если все элементы исправные и всё собрано правильно, то металлодетектор заработает сразу. Не плохо, правда?!
Решено! Умной начинкой нашего блока управления будет схема металлодетектора «Пират». Приступаем к подготовительным работам!
Практическая часть.
Подготовка необходимых материалов и компонентов
Для удобства сведём все элементы схемы в таблицу см. приложении 1. Все компоненты можно купить в любом магазине радиоэлектроники. Именно из них мы будем собирать блок управления металлоискателя.
Изготовление поисковой катушки
Важно! В конструкции катушки и в узлах её крепления не должно быть никаких металлических элементов! Это может негативно сказаться на работе прибора.
В качестве каркаса катушки используем пластиковые вязальные пяльцы. Как ни странно, но они прекрасно для этого подходят. Диаметр пяльцев должен быть около 20см. На внутренне кольцо наматываем 25 витков провода ПЭВ толщиной 0.5 мм. Толщина провода может отличаться от указанной выше и составлять 0,35 – 0,65 мм. Далее обматываем это кольцо изолентой для фиксации витков и защиты от повреждения. После чего надеваем внешнее кольцо пяльцев. Полученную конструкцию также можно обмотать изолентой. Не забудьте оставить 2 свободных конца провода по 10-15см. (это начало и конец катушки). Вот и все! Поисковая катушка практически готова! Останется установить на неё поперечную распорку для крепления к штанге.
Изготовление несущей штанги (основа конструкции)
Для изготовления штанги можно использовать любой не металлический материал. На мой взгляд, самым простым решением будет использование водопроводной трубы из полипропилена диаметром 20-25мм. Это легкий и не дорогой материал, он легко сваривается. К тому же внутри трубы будет удобно протянуть провода, что сделает нашу конструкцию более красивой и надежной. Итак, нам потребуется отрезки трубы следующей длины: 85см, 12см, 30см. Два уголка на 45⁰ для соединения отрезков трубы, торцевая заглушка, крепеж для трубы соответствующего диаметра. Собираем все элементы согласно схеме, приведённой ниже.
Для сварки полипропилена используется специальный паяльник для пластиковых труб, но можно обойтись и без него, используя обычную газовую горелку. Собственно говоря, мы так и поступили.
Изготовление печатной платы.
Пожалуй, это самый интересный и необычный этап в изготовления металлоискателя. Думаю, что мало кто знает, что такое печатная плата и ещё меньше тех, кто знает, как её сделать. Для начала давайте разберемся, что же это все-таки такое.
Выше была представлена принципиальная схема металлодетектора. Которую нам предстоит собрать. На схеме изображено достаточно много элементов. Всех их надо где-то разместить и соединить их выводы согласно схеме. Так вот печатная плата представляет собой основу (тонкую пластину), чаще всего текстолит, покрытый с одной стороны (иногда с обеих сторон) медной фольгой, на которой при помощи пайки крепятся необходимые радиодетали. На фольге чертятся «дорожки» соединяющие выводы элементов. Начертить «дорожки» можно различными способами: лаком, маркером и др. После чего при помощи специального раствора незащищённые участки фольги растворяются (этот процесс называется травлением печатной платы), а на плате остаются лишь те участки, которые ранее были покрыты лаком, т.е. «дорожки».
Ниже приведён пример уже готовой печатной платы и её обратной стороны.
Так как же её всё-таки сделать? Давайте разбираться.
Во-первых, нам потребуется кусочек фольгированного текстолита (его также можно купить в магазине) размером 30 мм на 83 мм. Можно больше, тогда будет легче закрепить плату в корпусе, т.к. по краям будет свободное место, где можно, например, просверлить отверстия для крепёжных болтов. Теперь необходимо при помощи мелкой наждачной бумаги зачистить поверхность фольги до блеска.
Следующим этапом необходимо распечатать на лазерном принтере изображение «дорожек» нашей платы. Обращаю внимание на то, что использовать нужно именно лазерный принтер. Далее накладываем распечатку на подготовленный кусок текстолита изображением дорожек к фольге. Накрываем бумагой и при помощи утюга в течение 2 минут прогреваем наш «пирог». После прогрева мы увидим, что распечатанный рисунок приклеился к текстолиту. Чтобы удалить бумагу, надо поместить заготовку по воду, немного подождать и тогда бумагу можно будет легко убрать, а изображение дорожек останется на нашей заготовке. Должно получиться примерно так, как показано на рис. 13.
Хочу еще раз напомнить, что нарисовать дорожки можно разными способами: лаком, маркером и т.п. Можно даже обойтись без дорожек, но тогда соединять выводы деталей надо будет проводами.
После того, как мы любым удобным для нас способом нарисовали дорожки на плате можно приступать к процессу травления платы.
Для приготовления раствора нам понадобятся: столовая ложка лимонной кислоты, чайная ложка соли и 100 мл перекиси водорода. Далее необходимо положить плату в раствор приблизительно на 10 минут. Периодически можно проверять, как идет процесс травления. Если Вы увидите, что во всех не закрашенных местах медь растворилась, значит, процесс травления завершён.
Готовая плата выглядит, как показано на рис. 15. После завершения процесса травления плату надо промыть под струёй воды и зачистить дорожки мелкой наждачной бумагой. Делать это надо аккуратно, чтобы не повредить дорожки.
Далее шилом размечаем места для сверления отверстий под выводы элементов. Отверстия сверлим тонким сверлом диаметром 1мм. Дорожки можно залудить, т.е. покрыть с помощью паяльника тонким слоем припоя, сразу после сверления отверстий, а можно это сделать во время установки и пайки элементов схемы.
Вот так незаметно для себя мы изготовили настоящую печатную плату! Теперь все готово к установке радиодеталей.
Установка и пайка радиодеталей на печатной плате.
Согласитесь, что процесс изготовления печатной платы достаточно интересный и
необычный особенно для тех, кто не знаком с электроникой. Но то, что мы будем делать дальше, ещё интереснее. Мы начинаем впаивать радиодетали схемы на нашу плату! Таким образом, наша плата, пока что ещё пустая, начнёт превращаться в настоящее радиоэлектронное устройство. Следующий рисунок подскажет нам, что и куда нужно впаивать.
Для пайки используем паяльник и припой с флюсом. Длинные выводы элементов откусываем кусачками. Когда все детали установлены и запаяны должна получиться красивая и аккуратная плата см. рис.18. Открою один небольшой секрет: микросхемы лучше всего устанавливать на специальные монтажные панельки, тогда при необходимости замены микросхемы её достаточно просто поддеть тонкой отвёрткой и вытащить из панельки. В противном случае её придётся выпаивать, а это уже достаточно кропотливая работа, требующая определённых навыков.
Сборка блока управления.
Итак, плата готова, все детали впаяны самое время собрать корпус блока управления. Здесь нет каких-либо требований к материалу или форме корпуса. Можно делать из того, что есть. Так нам под руку попался корпус от неисправного тонометра (прибор для измерения давления). Отверстия в крышке корпуса было решено закрыть накладкой из белого пластика см. рис.17.
Что дальше?
Установка громкоговорителя и выключателя.
Установка платы управления и двух регуляторов чувствительности на крышку
корпуса. Все соединения элементов внутри
корпуса выполняем проводами, согласно
схеме.
Закрываем корпус, подключаем
батарею питания и катушку для
предварительного тестирования.
Уже должно работать.