XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Металлоискатель - чрезвычайно востребованный прибор
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Не так давно я узнал, что металлоискатель – это чрезвычайно востребованный прибор. Данные 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. Также металлоискатели используют в промышленности для поиска проводки кабелей и трубопроводов. С их помощью производят поиск полезных ископаемых. Стоит упомянуть очень важную роль металлоискателей в армии. Они спасли не одну тысячу жизней. Кто-то использует металлоискатели для приборного поиска благодаря им находит в земле уникальные вещи, которые создавались еще несколько веков назад. Сейчас эти приборы нам очень нужны. Именно в этом я вижу актуальность моей работы.
Целью моей работы состоит в изучении строения металлоискателя и описании его создания. Задачи, поставленные в процессе выполнения работы:
Изучить историю металлоискателей
Рассмотреть виды металлоискателей
Изучить принципы строения металлоискателей
Собрать металлоискатель и описать сборку
Проверить работоспособность прибора
2. Литературный обзор
2.1 История
История металлоискателя начинается еще в конце XIX века, когда многие инженеры и ученые, хорошо разбирающиеся в теории электроники, занялись разработкой прибора, основная функция которого была – поиск металла. Основы работы металлоискателя заложил немецкий физик Генрих Вильгельм Дове во второй половине XIX века. Ему удалось разработать систему индукционного баланса, на которой основан принцип действия этого прибора. Но до изобретения первого в истории металлоискателя прошло еще сто лет. Случилось это в связи с произошедшим трагическим событием. В 1881 году на железнодорожном вокзале в Вашингтоне был серьезно ранен двадцатый президент Соединенных Штатов Джеймс Гарфилд. Врачи предпринимали попытки извлечь пулю, но не могли ее обнаружить. Тогда свою помощь предложил физик из Шотландии Александр Грейам Белл. Он за несколько дней создал первый металлоискатель, который превосходно работал в лаборатории Белла, но в больнице оказался бессилен. Дело в том, что раненый президент лежал на металлической кровати, которая создавала помехи устройству. Перенести больного на другое место врачи отказались, в итоге Гарфилд скончался.
Александр Белл, в свою очередь, в августе 1882 года описал свои опыты с металлоискателем в Американской ассоциации содействия научному развитию. В 1930 году в США доктором Герхардом Фишаром была разработана система радиопеленгации, применяемая для авианавигации. Данная система оказалась эффективна и для поиска металлов. В связи с этим был создан новый вид металлоискателя промышленного типа под названием металлоскоп, запатентованный в 1937 году. После этого компания Фишара по производству металлоискателей занималась созданием военных видов устройств, а также первых образцов приборов по поиску сокровищ. Фирма остается передовым изготовителем металлоискателей и в наши дни. В 30-е годы также разработками металлоискателей занимался польский лейтенант Юзеф Козацки. Готовый экземпляр ему удалось изготовить только к 1941 году в Великобритании. Устройство стали выпускать в достаточно больших объемах для нужд британских войск.
В Советском Союзе первый металлоискатель был создан инженером Б. Кудымовым в 1936 году. Точнее это устройство можно назвать миноискателем, поскольку использовался он именно для поиска мин в годы Великой Отечественной войны. После окончания войны металлоискатели стали попадать в руки гражданских людей, которые интересовались возможностями этого прибора для поиска золота, кладов и старинных реликвий. Это способствовало повышению популярности металлоискателей для использования в любительской археологии.
2.2 Что такое металлоискатель?
Перед тем, как разобрать, какие бывают металлоискатели, необходимо понимать, что это такое.
Металлоискатель — это электронное устройство, предназначенное для обнаружения скрытых металлических предметов за счет обнаружения их проводимости. С его помощью можно найти изделия из металла глубоко в грунте, дереве, под одеждой, в теле человека, пищевых продуктах и т.д. Эти приборы нашли свое применение в различных отраслях промышленности и повседневной жизни.
2.3 Виды металлоискателей
Передача-прием. Особенностью металлоискателей, работающих на этом принципе является наличие двух катушек. Одна излучает полезный сигнал. Другая улавливает сигнал, отраженный от металлических предметов. Другими словами, работа такого металлоискателя 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 металлоискателей 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 металлоискатели 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 металлоискателей является простота конструкции, отсутствие влияния свойств грунта на работу прибора, но есть и недостатки. Основной недостаток - большое энергопотребление, т.е. для продолжительной работы такого металлоискателя необходим достаточно мощный аккумулятор, а также такие металлоискатели не способны различить цветной металл (золото, медь, алюминий) от чёрного (железо, чугун, свинец).
Я решил остановиться на импульсном металлоискателе и разобрать принцип его работы подробнее.
2.4 Принцип работы импульсного металлоискателя
Обычно металлодетектор срабатывает за счет отражения сигнала. В импульсной модели этот эффект тоже используется. Однако разница от других моделей касается способа отличия излучаемого и отраженного сигналов. Классические системы разграничивают их за счет особого взаимного размещения принимающей и излучательной катушек либо путем в ведения особых компенсирующих схем.
Импульсные устройства работают иначе: они разделяют сигналы по времени. Основной метод — применение эффекта самоиндукции. Когда в проводящем ток предмете возникает импульс магнитной индукции, он какое-то время поддерживает затухающий электрический импульс. Этот затухающий сигнал и отстает по времени. Его регистрация и анализ позволяют получить немало полезной информации. Генератор создает очень короткие (длящиеся буквально несколько миллисекунд) импульсы тока. Они сначала попадают в катушку-излучатель. Там такой ток превращается в магнитно-индуктивный импульс. В отдельные моменты на генераторе появляются перегрузки, достигающие десятков и даже сотен вольт; но их сознательно не ограничивают, потому что только так можно упростить отделение сигналов. Катушки (приемник и излучатель) могут ставиться произвольно по отношению друг к другу, а иногда обходятся одной катушкой, такая схема особенно сложна.
2.5 Блок-схема
Импульсный сигнал, формируемый генератором импульсов, усиливается и поступает на передающую катушку, в которой соответственно инициируется переменное электромагнитное поле. При появлении металлического предмета в зоне действия этого поля на его поверхности периодически, под воздействием импульсного сигнала, возникают вихревые токи. Эти токи и являются источником вторичного сигнала, который принимается приемной катушкой, усиливается и подается на анализатор. Необходимо отметить, что благодаря явлению самоиндукции длительность вторичного сигнала будет больше, чем длительность излученного передающей катушкой импульса. При этом параметры заднего фронта вторичного импульсного сигнала и используются для анализа с последующим формированием данных для блока индикации.
Нетрудно предположить, что при наличии специального развязывающего устройства или коммутатора в импульсных металлоискателях вместо передающей и приемной катушек можно использовать всего одну катушку, которая поочередно применяется для передачи и приема сигналов.
2.6 Схема импульсного металлоискателя
Так выглядит схема металлоискателя, которую я буду использовать для изготовления собственного импульсного металлоискателя. Схема металлоискателя состоит из двух основных узлов: передающего и приемного.
Передающий узел состоит из генератора импульсов на микросхеме КР1006ВИ1 (зарубежный аналог NE555) и мощного ключа на полевом транзисторе КП505А (зарубежный аналог IRF740, IRF840). Приемный узел собран на микросхеме К157УД2 (можно собрать зарубежной мс TL072), по входу приёмника стоят встречно-параллельно ограничивающие диоды, на входе второго каскада приемника стоит фильтр, вырезающий нужную часть импульсов, на выходе второго каскада стоит транзисторе ВС547, в его коллекторной цепи подключен динамик 8-50 Ом.
С помощью микросхемы NE555 можно генерировать достаточно стабильные импульсы. Микросхема К157УД2 по своим характеристикам представляет собой советский двухканальный малошумящий операционный усилитель.
2.7 Конструкция устройства
Основные элементы конструкции:
Нижняя и верхняя штанги – основа конструкции, на неё крепятся все остальные блоки.
Поисковая катушка – датчик металла. Излучает полезный сигнал и принимает сигнал, отраженный металлом.
Блок управления – «голова устройства», в нём происходит обработка сигналов, принятых поисковой катушкой.
Подлокотник – элемент конструкции, благодаря которому работа с металлоискателем становится более удобной, локоть не сваливается со штанги во время движения металлоискателем.
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
3. Практическая часть
3 .1 Подготовка необходимых материалов и компонентов
М ожно купить все компоненты для блока управления отдельно. Я решил купить набор, в котором уже лежат 40 деталей и печатная плата. Компоненты нужно припаять.
3.2 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. Необходимо оставить 2 свободных конца провода по 10-15см. (это начало и конец катушки). Поисковая катушка практически готова. Останется установить на неё поперечную распорку для крепления к штанге.
3.3 Изготовление несущей штанги (основа конструкции)
Д ля 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, я использовал трубы следующей длины: 85см, 12см, 25см. Два уголка на 45⁰ для соединения отрезков трубы, торцевая заглушка, крепеж для трубы соответствующего диаметра.
Для сварки полипропилена используется специальный паяльник для пластиковых труб, но можно обойтись и без него, используя обычную газовую горелку.
3 .4 Сборка блока управления
В качестве корпуса для блока управления была использована распределительная коробка. В ней я сделал отверстия для переменных резисторов и кнопки. Также необходимо прикрепить коробку к несущей штанге с помощью шурупов. В блок управления вставляем плату, припаиваем к ней провода от катушки и ставим кнопку с резисторами на места. Блок управления готов.
Остается с помощью шурупов прикрутить подлокотник и металлоискатель готов!
3.5 Настройка металлоискателя
Включаем металлодетектор. Ждём 15-30 сек., в это время все элементы схемы переходят в рабочее состояние. Вращением регулятора находим границу между прерывистыми щелчками и постоянным гудением в громкоговорителе. Вращением другого регулятора добиваемся такого состояния, чтобы в громкоговорителе были слышны лишь отдельные щелчки. Тем самым мы выставляем чувствительность прибора на максимум. В процессе работы чувствительность можно всегда подкорректировать. На этом настройка металлоискателя завершена.
3.6 Испытания металлоискателя
После настройки прибора можно испытать его. Ищем место, где нет металлоискатель не будет реагировать на окружающую среду. Подносим к катушке разные предметы, замеряем расстояние и заносим в таблицу. Получаем такой результат:
|
Предмет |
Расстояние, см |
|
Ложка |
16 |
|
Монета 10 руб. |
9 |
|
Половник |
33 |
|
Телефон |
21 |
Д ля самодельного металлоискателя данный результат является неплохим.
4. Заключение
Моя первая работа по сборке металлоискателя завершена. Я самостоятельно сконструировал и собрал необходимый мне аппарат. При работе над проектом я выполнил все цели, поставленные перед началом работы. Практическая значимость работы для меня состоит в том, что, знакомясь с металлоискателями, я получил начальные практические навыки работы паяльником, дрелью и другими инструментами. Работа с прибором поможет мне в поиске потерянных предметов, а также в очистке земли от металлического мусора. Любой желающий может использовать теоретический материал моей работы для изготовления такого же устройства.
5. Список литературы
Книги:
М. Адаменко. Металлоискатели. 2006
Электронные ресурсы:
https://sdelaysamodelku.ru/metalloiskatel-pirat-svoimi-rukami/
https://история-вещей.рф/priboryi/istoriya-metalloiskatelya.html
https://stroy-podskazka.ru/metalloiskateli/impulsnye/
https://iknigi.net/avtor-mihail-adamenko/45430-metalloiskateli-mihail- adamenko/read/page-2.html
https://ru.wikipedia.org/wiki/Металлоискатель
https://studopedia.ru/26_60145_vidi-metalloiskateley.html