XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Использование индуктивного датчика, изготавливаемого с применением системы индукционного баланса, в металлоискателе

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Рамазанов Г.К. 1

---

1МБОУ СОШ №26

Радченко Т.И. 1Газданова Ф.К. 1

---

1МБОУ СОШ №26

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

1. Введение

Профессия сапёра – одна из самых почётных и ответственных в армии. Сапёры спасли жизнь тысячам солдат и мирных жителей, разгадав и обезвредив самые хитроумные минные ловушки. Даже в наше время находят старые, но ещё таящие в себе грозную силу невзорвавшиеся мины и снаряды.

С другой стороны миноискатели могут быть незаменимыми и в руках представителей мирных профессий. Например, для археологов. В этом случае прибор может дать начало масштабным раскопкам и новым открытиям, которые способны внести неоценимый вклад в развитие данной науки, что, несомненно, имеет большую общечеловеческую и культурную ценность.

Цель данного проекта – разработка и изготовление действующей модели миноискателя на базе металлодетектора, использующего изменение частоты, создаваемой колебательным контуром поискового генератора. Задачи – изучение принципов действия миноискателей, а затем разработка и изготовление авторского изделия с последующей проверкой эффективности работы полученной модели.

Объект исследования в данной работе – металлодетекторы. Предмет исследования – технические характеристики детекторов данного назначения.

Гипотеза – возможность самостоятельных разработок приборов на основе металлодетекторов в условиях творческого объединения для школьников.

Методы исследования: для осуществления поставленных задач был изучен соответствующий теоретический материал, также изучались и проверены в действии металлодетекторы промышленного изготовления. Полученные результаты подверглись анализу с целью создания нового продукта – действующей модели миноискателя. С изготовленной моделью проводились исследования, результаты которых фиксировались в таблице. В процессе работы над проектом были использованы учебники по общей и прикладной физике, а также необходимые материалы из интернета.

Новизна работы: разработан и изготовлен миноискатель на базе схемы с использованием индуктивного датчика (работающего с применением системы индукционного баланса), с помощью которого проведены исследования по обнаружению металлических предметов под землёй, щебёнкой, песком и водой.

Прибор чётко определяет наличие металла на глубине до 30 сантиметров. Также при его помощи можно определить положение внутренней электрической проводки под штукатуркой в кирпичных и деревянных стенах. В целом прибор является необходимым при обнаружении металлических объектов под землёй и другими горизонтальными поверхностями, строительным мусором и щебёнкой.

Практическая значимость проекта: материал может быть применён в учебном процессе, а сам прибор может использоваться по прямому назначению – для поиска металлических предметов на небольшой глубине или внутри вертикальных поверхностей и объектов (стены, колонны и др.).

2. Теоретическое исследование вопроса о принципах работы миноискателя.

2.1. Колебательный контур как основа генератора частоты. Исследование процессов в колебательном контуре

Как известно колебательный контур состоит из конденсатора и катушки индуктивности. Конденсатор имеет ёмкость, выражаемую в фарадах, а катушка обладает индуктивностью, измеряемую в генри. Если конденсатор зарядить, то в колебательном контуре (рис. 1) начнутся периодические изменения электрического и магнитного полей, то есть возникнут электромагнитные колебания. При этом происходят определённые процессы, представленные на серии рисунков (рис.3.) и графиков 1- 3, отображающих эти процессы [1]:

●Перераспределение энергии между электрическим и магнитным полями. Обмен энергией между конденсатором и катушкой.

●Конденсатор, то разряжается, то перезаряжается с обратной полярностью.

●Ток через катушку индуктивности, то нарастает, то убывает до 0, а затем меняет своё направление.

Графики, описывающие полностью один период электромагнитных колебаний возникающих в колебательном контуре, представлены на графиках 4 а, б. Это косинусоида, показывающая изменения электрического заряда на обкладках конденсатора от времени q(t) и синусоида, отображающая изменения силы тока в катушке i(t).

При этом для полной энергии W в разные моменты времени, используя формулы для энергии электрического и магнитного полей, можно записать [1]:

W= .

3.2. Принципы работы генератора на транзисторе

Описываемые выше электромагнитные колебания на самом деле являются затухающими из-за потерь энергии в контуре (электрическое сопротивление проводов, тепловые потери: закон Джоуля – Ленца), но обычно для работы приборов и различных устройств нужны незатухающие колебания. Такие колебания можно получить с помощью генератора на транзисторе. Рассмотрим его устройство и принципы действия. Главной частью генератора является уже рассмотренный колебательный контур. Назначение устройства генератора – вовремя пополнять убыль энергии в колебательном контуре. Это аналогично тому, как мы раскачиваем качели, подталкивая их в определённые моменты времени.

На рисунке 4 представлена схема генератора на транзисторе [1]. Генератор содержит:

●колебательный контур, состоящий соответственно из конденсатора и катушки индуктивности;

●транзистора, являющегося электронным ключом [2];

●источника постоянного тока;

●катушки обратной связи, позволяющей подавать энергию источника тока в колебательный контур в необходимые моменты времени.

В процессе работы генератор создаёт электромагнитные колебания за счёт наличия колебательного контура. Для того, чтобы колебания были незатухающие имеется аккумуляторная батарея. С катушкой колебательного контура индукционно связана катушка обратной связи. Её подключают так, чтобы потенциал, подаваемый на базу биполярного транзистора, открывал его в нужные моменты. (Существуют другие схемы без катушки обратной связи с использованием конденсаторов.)

Таким образом, транзистор действует как безинерционный ключ в электрической цепи, замыкая и размыкая цепь. В результате ток по ней идёт только в строго определённые моменты времени и потери энергии в колебательном контуре периодически пополняются, обеспечивая стабильную работу генератора. Получаемые незатухающие колебания представлены на рисунке 5 [1].

2.3. Принципы изменения частоты электромагнитных колебаний, создаваемых генератором

Для того, чтобы понять и описать принципы изменения частоты электромагнитных колебаний, возникающих в колебательном контуре необходимо проанализировать или формулу Томсона для периода электромагнитных колебаний, то есть времени одного полного колебания

или формулы для частоты колебаний ν (количества колебаний в единицу времени) и циклической частоты ω (количества колебаний за 2π секунд) [1].

ν= ,

ω = .

Анализируя приведённые формулы можно установить, что изменение частоты и периода колебаний происходит в двух случаях:

● при изменении электрической емкости системы;

● в случае изменения индуктивности.

Это достигается различными способами в зависимости от решаемых технических задач: изменением или ёмкости, или индуктивности. В нашей разработке мы изготавливали металлоискатель на базе индуктивного датчика.

2.4. Индуктивные датчики

Принцип действия рассматриваемых датчиков сводится к фиксированию изменений параметров магнитного поля. У прибора существует активная зона, где наиболее сконцентрировано магнитное поле чувствительного элемента датчика. При включении прибора и попадания в так называемую «активную зону» какого-либо объекта из соответствующих материалов происходит изменение амплитуды колебаний создаваемых генератором, что связано с возникновением в проводящем объекте индукционных вихревых токов, наведенных катушкой прибора. При этом выдаваемый оборудованием конечный сигнал будет, естественно, зависеть от расстояния до объекта.

Основные элементы конструкции:

●генератор, создающий электромагнитное поле взаимодействия с объектом.

● усилитель, увеличивающий амплитуду сигнала [3].

3. Металлоискатели (металлодетекторы)

Металлоискатель представляет собой электронный прибор способный обнаруживать металлические предметы в непроводящей или плохо проводящей среде за счёт электрической проводимости обнаруживаемых объектов. Прибор даёт возможность обнаружить металлы в грунте, воде, в древесине, под одеждой, в багаже, в стенах, полах и потолках, в пищевых продуктах, в организме и т. д.

Вследствие интенсивного развития микроэлектроники современные металлоискатели стали компактными и надёжными приборами, нашедшими широкое применение [4].

Конструкции металлоискателей различны, но мы выбрали вариант наиболее оптимальный для изготовления в условиях системы дополнительного образования. Это металлоискатель на биениях.

Принцип его действия основан на регистрации разности частот двух генераторов электромагнитных колебаний.

●Первый генератор (задающий) даёт стабильную частоту.

●Второй генератор (поисковый) имеет датчик, где поисковая катушка может изменять свою индуктивность в зависимости от свойств обнаруженного объекта и расстояния до него. В результате частота колебаний в колебательном контуре генератора меняется.

Частоты двух генераторов подают в особое устройство, называемое смесителем. Исходно частоты обоих генераторов должны быть практически одинаковы. Но когда поисковая катушка находит объект, наведённые в нём вихревые токи влияют на катушку, меняя её индуктивность, а, следовательно, и частоту колебаний в колебательном контуре с данной катушкой. В результате на выходе смесителя появится некоторая частота равная разности частот генераторов, уже отличная от нуля, как было ранее. Сигнал можно регистрировать головными телефонами, цифровыми или аналоговыми приборами измерения.

Рекомендуемые диапазоны рабочих частот: от 40 до 500 кГц [5]. В зависимости от назначения (а точнее от глубины залегания обнаруживаемого объекта, от размера предмета) частоты необходимы разные. Например,

● Если глубина обнаружения до 4 м, то используется частота примерно равная 6,6 кГц

● Если идёт поиск мелких предметов, необходима частота около 22,5 кГц. В этом случае монета будет обнаружена на глубине до 40 см, а каска – до 1,5 м.

4. Результаты проекта. Изготовление и тестирование металлоискателя.

4.1. Устройство прибора

На занятиях творческого технического объединения был разработан и собран чувствительный миноискатель, способный обнаружить небольшие металлические объекты. Их глубина нахождения составляет расстояния до 10 - 15см, если предмет лежит под слоем земли, щебня или кирпича.

Принцип действия прибора представлен на рисунке рис. 6 [6, 7]. Рис. 7 - структурная схема транзисторного металлоискателя на биениях [8].

Собранный металлоискатель состоит из двух генераторов и одного смесителя-усилителя [9]. Оба генератора собраны по одной схеме с той лишь разницей, что у поискового генератора катушка выполнена в виде кольца вынесенного наружу и частоту можно изменять в небольших пределах с помощью конденсатора переменной ёмкости. Задающий генератор постоянно работает на частоте примерно 465 кГц. Поисковый генератор работает на этой же частоте, пока не будет обнаружен какой-либо объект.

Питание прибора осуществляется от батарейки на 9 В.

Сборка прибора и его внешний вид – рис. 8 а – в и рис. 9.

4.2. Работа прибора

Действует миноискатель следующим образом. При включении питания оба генератора начинают работать, создавая колебания высокой частоты. В нагрузке смесителя-усилителя образуются комбинационные частоты в результате преобразования двух высокочастотных колебаний.

Нас интересует только разность частот генераторов. Дело в том, что мы не можем услышать ни сумму высокочастотных колебаний, ни другие комбинационные частоты.

Если частоты колебаний генераторов равны, то в телефонах, которые включены в коллекторную цепь транзистора смесителя-усилителя, мы не будем прослушивать низкочастотных сигналов [6,7].

Как только частота поискового генератора изменится, мы получим низкочастотный сигнал, частота которого равна разности частот генераторов. Например,

465 кГц - 464 кГц = 1кГц.

То есть, если к выносной катушке индуктивности приблизить металлический предмет, то её индуктивность изменится, значит, изменится и частота колебаний второго генератора, и мы зафиксируем резкое изменение тона звучания в телефонах. На этом явлении и основано действие миноискателя.

Работа с прибором - рис. 10.

Полученные результаты проведённых экспериментов находятся в таблице 2.

5. Заключение

В результате работы над проектом был изготовлен миноискатель на металлодетекторе. С его помощью проводились исследования по обнаружению металлических предметов под землёй, щебёнкой, песком. Прибор чётко определял наличие металла на глубине до 30 сантиметров.

Также при его помощи можно определить положение внутренней проводки под штукатуркой в кирпичных и деревянных стенах. В целом прибор является необходимым при обнаружении металлических объектов под землёй, строительным мусором и щебёнкой.

Прибор можно также использовать в работе преподавателей системы дополнительного образования. Практический интерес для них может представлять и теоретический материал, и само конечное изделие.

6. Список использованной литературы

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика –11. – М.: Просвещение, 2019. –432 с.

2.Резников З.М. Прикладная физика. − М.:Просвещение, 1989. – 239 с.

3. Индуктивный датчик.– URL: http://wwwru.wikipedia.org/wiki (дата обращения: 24.01.2020).

4. Металлоискатель

– URL: http://www ru.wikipedia.org/wiki/(дата обращения: 14.11.2019).

5. Металлоискатели

– URL: http://www vpayaem.ru/circuits_metal.html (дата обращения: 10.03.2020).

6 Саулов А.Ю. Металлоискатели для любителей и профессионалов. – СПб.: Наука и Техника, 2004. – 224 с.

7. Щедрин А., Колоколов Ю. Металлоискатель по принципу частотомера. // Радиолюбитель №5. 2002. с. 17 – 20.

8. Характеристики металлоискателей

– URL: http://zen.yandex.ru. (дата обращения: 10.10.2020).

9. Все, что вы хотите знать о металлодетекторах.

– URL: http://metaldetector.brask-sity.ru- (дата обращения: 13.03.2020).

7. Приложения

Рис. 1а, б. Колебательный контур Рис. 2. Зарядили конденсатор

Рис.3а. Конденсатор разряжается, ток увеличивается, в катушке нарастает магнитное поле, а электрическое поле в конденсаторе уменьшается

Рис.3б. Заряд конденсатора = 0, энергия электрического поля = 0. Сила тока в катушке и энергия магнитного поля тока максимальны

Графики 1 а, б —зависимости для заряда q(t) и силы тока i(t). Рассматриваемое время: ¼ периода Т, то есть 0 ≤ t ≤ Т/4

Рис.3в. Конденсатор перезаряжается, ток и магнитное поле в катушке убывают, а электрическое поле в конденсаторе нарастает

Рис. 3г. Конденсатор перезарядился, тока нет, магнитного поля нет. Вся энергия – электрическая энергия в конденсаторе

Графики 2 а, б —зависимости для заряда q(t) и силы тока i(t). Рассматриваемое время: ¼ периода Т, Т/4 ≤ t ≤ Т/2

Рис. 3д. Конденсатор опять разряжается. Идёт, нарастая, ток обратного направления. Энергия магнитного поля тока увеличивается

Рис. 3е. Заряд конденсатора опять = 0. Идёт максимальный ток обратного направления. Энергия магнитного поля тока максимальна

Графики 3 а, б —зависимости для заряда q(t) и силы тока i(t). Рассматриваемое время: ¼ периода Т, Т/2 ≤ t ≤ 3/4Т

Графики 4 а, б —зависимости для заряда q(t) и силы тока i(t). Рассматриваемое время: один период Т, 0 ≤ t ≤ Т

Рис. 4. Генератор на транзисторе

Рис. 5. Незатухающие электромагнитные колебания, получаемые с помощью генератора на транзисторе

Рис. 6. Принцип действия изготовленного миноискателя

Рис. 7. Структурная схема металлоискателя на биениях

Рис. 8 а- в. Сборка прибора

Рис. 9. Миноискатель Рис. 10. Работа с миноискателем

Таблица 2. Определение расстояния, на котором прибор фиксирует нахождение объекта