Металлоискатель. Принцип работы, изготовление работоспособного устройства

XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Металлоискатель. Принцип работы, изготовление работоспособного устройства

Швец Н.А. 1
1МАОУ «Лицей №4» г. Перми
Сергеева Н.М. 1
1МАОУ «Лицей №4» г. Перми
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Прошлым летом во время отдыха на побережье Черного моря я заметил человека, который прогуливался вдоль пляжа с неизвестным мне устройством в руках. Данное устройство внешне представляло собой плоский предмет, который при помощи удлиненной рукоятки этот человек медленно передвигал над поверхностью пляжного песка. Я поинтересовался у него – чем он занимается и что за устройство у него в руках? Человек с загадочным прибором в руках пояснил мне, что это металлоискатель и с его помощью можно на расстоянии определить наличие любого металла. Проводя металлоискателем вдоль береговой линии, он ищет металлические предметы, представляющие какую-либо ценность, например, ювелирные изделия.

Меня очень заинтересовало это устройство, ведь при помощи металлоискателя возможно отыскать множество различных металлических предметов, находящихся в грунте, недалеко от поверхности земли. Этими предметами может быть все, что угодно, начиная от консервной банки до настоящего клада. Возможность исследовать скрытое под слоем грунта пространство на наличие металлических предметов не давала мне покоя.

Чтобы наконец попробовать металлоискатель в действии, я решил разобраться в принципах его работы и изготовить действующий прибор самостоятельно в домашних условиях.

Цель работы:

  • Создать полноценное работоспособное устройство - металлоискатель.

Задачи:

  • Изучить теоретический материал;

  • Узнать, что такое металлоискатель;

  • Изучить принципы работы металлоискателей;

  • Получить ответ на вопрос – возможно ли своими руками в домашних условиях создать полноценное работоспособное устройство - металлоискатель?

  • Проанализировать полученные результаты.

Глава 1. Принципы работы металлоискателя

Металлоискатель – электронный прибор, позволяющий обнаруживать металлические предметы в нейтральной или слабо-проводящей среде за счёт их проводимости. Металлоискатель обнаруживает металл в грунте, воде, стенах, в древесине, под одеждой и в багаже, в пищевых продуктах, в организме человека и животных и т. д. Металлоискатели относятся к обнаружителям - устройствам, предназначенным для точной локации скрытых предметов [1].

Первый патент на изобретение металлоискателя подал Жерар Фишер в 1910 году в США. Первоначально прибор разрабатывался для предотвращения воровства металлических деталей с заводов [1].

В настоящее время в различных модификациях данные приборы применяются в следующих направлениях:

  • Поиск металла в грунте.

  • Обнаружение археологических ценностей.

  • Досмотр людей для допуска их на ответственные объекты.

  • Контроль качества пищевых продуктов на наличие в них металлической стружки.

  • В медицине для поиска стальных протезов и штифтов у больных, пребывающих в бессознательном состоянии, перед исследованием МРТ.

  • В военном деле для обнаружения мин и скрытых боеприпасов [2].

Типовая конструкция большинства популярных моделей металлоискателей имеет следующие узлы:

катушку - предназначена для приема-передачи сигнала или импульса, она бывает различных типов и модификаций;

штангу - состоит из трех частей. Нижняя предназначена для крепления катушки и ее ориентирования относительно плоскости поиска. Средняя часть служит для регулировки штанги по длине. На верхней расположены подлокотник, рукоять и блок управления;

блок управления - это «мозги» металлоискателя, которые перерабатывают электромагнитное излучение в аккустические сигналы, на основании которых ведется поиск;

подлокотник и рукоятку - служат для удобного пользования прибором [3].

Рисунок №1. Типовая конструкция металлоискателя

По принципу работы металлоискатели можно разделить на следующие основные виды:

Индукционные металлоискатели работают по принципу приема-передачи. В устройстве две катушки индуктивности. Одна работает как излучатель, а вторая служит приемником. Излучаемый сигнал проходит сквозь нейтральные предметы (почва, древесина и пр.) и при попадании на металл отбивается обратно, после чего фиксируется чувствительным элементом металлоискателя. Такие устройства обладают плохой чувствительностью на определенных типах грунтов, поэтому работают эффективно далеко не во всех условиях.

Частотные металлоискатели имеют в основе генератор, который выдает сигналы с различной частотой. Частота сигнала меняется при приближении к металлическим объектам. Изменения частоты сигнала фиксируются чувствительным элементом металлоискателя. Их недостатком является малая чувствительность, поэтому оборудования работающего по данному принципу лучше избегать, если требуются сложные поиски.

Импульсные металлоискатели возбуждают в зоне поиска импульсные вихревые токи, после чего измеряют вторичное электромагнитное поле. Данный вид имеет более высокую чувствительность, чем у индукционного металлоискателя. Мощность индикации прибора отличается в зависимости от длины и массы обнаруженного предмета. Их главным недостатком является большое потребление энергии, поэтому на одном заряде батареи добиться продолжительной автономной работы сложно [2].

Остановимся более подробно на устройстве импульсных металлоискателей, ведь для создания своего устройства я выбрал именно импульсный металлоискатель по причине его высокой чуствительности к металлам. Более наглядно принцип их работы можно рассмотреть на блок-схеме (Рис. №2).

Рисунок №2. Блок-схема импульсного металлоискателя

Импульсные металлоискатели получили свое название от принципа своей работы: сначала он излучает импульс сигнала, потом молчит и принимает на ту же катушку сигнал от металлической цели, потом опять излучает импульс и т.д. Основной метод обнаружения цели - применение эффекта самоиндукции. Когда в проводящем ток предмете возникает импульс магнитной индукции, он какое-то время поддерживает затухающий электрический импульс. Этот затухающий сигнал и дает информацию о цели [4].

Рисунок №3. Принцип работы импульсного металлоискателя

Глава 2. Создание устройства «Металлоискатель»

Процесс создания импульсного металлоискателя условно можно разделить на 5 основных этапов:

  1. Изготовление блока управления;

  2. Изготовление поисковой катушки;

  3. Изготовление штанги и подлокотника;

  4. Сборка устройства;

  5. Испытание готового устройства.

  1. Изготовление блока управления

Электрическую схему блока управления я нашел на одном из интернет-форумов [5].

Рисунок №4. Принципиальная схема металлоискателя

Все необходимые радиодетали (Приложение №1) я приобрел в ближайшем магазине электронных компонентов. Радиодетали оказались достаточно распространенными и имели невысокую стоимость.

Сборку блока управления я начал с изготовления печатной платы. Для ее изготовления я решил воспользоваться Лазерно-Утюжной Технологией (ЛУТ). Суть метода заключается в том, что изображение платы распечатывается на глянцевой фотобумаге и прижигается к плате при помощи обычного утюга. В дальнейшем бумага размачивается в воде и скатывается с текстолита. На текстолите остаются чернила, которые ранее были на бумаге. Полученный кусочек текстолита замачивается в растворе хлорного железа. Хлорное железо растворяет всю медь, которая не располагается под чернилами. По окончании чернила смываются, и мы имеем под ними сохранившиеся дорожки из меди [6].

Макет печатной платы я скачал на интернет-форуме [5] и выполнил изготовление платы в соответствии с технологией ЛУТ.

Рисунок №5. Печатная плата после

обработки раствором хлорного железа

Далее я растворителем смыл с образовавшихся на плате дорожек тонер, защищавший их от воздействия раствора хлорного железа. Затем просверлил в плате отверстия, необходимые для размещения радиодеталей и выполнил соединения при помощи пайки в строгом соответствии со схемой, указанной на рис. №4.

Получившуюся плату, а также сопутствующие элементы (переменные резисторы, динамик, тумблер и источник питания) я разместил в корпусе электрической распределительной коробки размером 100х100х55 мм. Для выхода звука, издаваемого динамиком при работе металлоискателя, в крышке распределительной коробки я просверлил группу отверстий.

Рисунок №6. Блок управления

  1. Изготовление поисковой катушки

За основу поисковой катушки я взял обыкновенные пяльцы для вышивания диаметром 200 мм. Пяльцы как нельзя лучше подошли для этой цели, ведь они имеют идеально круглую форму, а также углубление по всей длине окружности внутреннего обруча для намотки катушки.

В соответствии с данными, представленными на интернет-форуме [5], для намотки катушки я выбрал медный провод в лаковой изоляции, диаметром 0.4 мм и намотал им 26 витков на внутренний обруч пяльцев, затем зафиксировал катушку внешним обручем.

Чтобы увеличить механическую прочность поисковой катушки, а также облегчить способ крепления ее к штанге, я надежно прикрепил пяльцы к пластиковому диску. В качестве пластикового диска я использовал тарелку для фрисби. Через отверстия, просверленные в пластике, нейлоновыми стяжками я закрепил пяльцы на поверхности тарелки для фрисби. В результате поисковая катушка приобрела необходимую прочность и жесткость.

Рисунок №7. Поисковая катушка

  1. Изготовление штанги и подлокотника

Для изготовления штанги металлоискателя я решил использовать полипропиленовые водопроводные трубы и фитинги. Они широко распространены и имеют невысокую стоимость. Очень важным фактором является то, что полипропиленовые трубы не содержат металлических элементов, что не окажет негативного воздействия на работу металлоискателя. Диаметр полипропиленовых труб я взял равным 25 мм для обеспечения достаточной жесткости конструкции.

С целью обеспечения удобства использования металлоискателя, я опытным путем определил его размеры:

  • Общая длина штанги – 720 мм;

  • Длина ручки – 100 мм;

  • Длина подлокотника – 120 мм.

В качестве подлокотника я использовал часть канализационной трубы диаметром 110 мм, распиленной вдоль.

Полипропиленовые трубы я соединил между собой при помощи специального паяльного аппарата. Он расплавляет элементы трубопровода, а потом их необходимо незамедлительно совместить друг с другом. После остывания такое соединение получается очень крепким и надежным без использования металлического крепежа, что очень важно для моей конструкции.

Для удобства перевозки металлоискателя основную штангу я сделал разборной в районе блока управления, это позволит уменьшить линейный размер устройства при перевозке почти в 2 раза.

Рисунок №8. Разборная штанга и подлокотник

4. Сборка устройства

После изготовления основных узлов металлоискателя необходимо выполнить финальную сборку устройства. Для этого к металлоискателю я прикрепил подлокотник и блок управления при помощи пластиковых кронштейнов для трубопровода. Поисковую катушку также я закрепил к штанге при помощи вышеуказанных элементов таким образом, чтобы была возможность поворота катушки относительно штанги. Возможность поворота поисковой катушки относительно штанги поможет уменьшить габариты устройства при его перевозке, а также обеспечить возможность регулировки положения (наклона) поисковой катушки относительно поверхности грунта.

Поисковую катушку и блок управления я соединил при помощи электрического кабеля в соответствии со схемой, изображенной на рис. №4. Для увеличения механической надежности конструкции один конец данного кабеля я закрепил на поисковой катушке при помощи нейлоновых стяжек и термопластичного клея, а со стороны блока управления для фиксации другого конца кабеля я применил специальный кабельный ввод.

Рисунок №9. Металлоискатель в сборе

5. Испытание готового устройства

После сборки металлоискателя необходимо проверить его работоспособность и чувствительность.

Первым шагом испытания металлоискателя было подключение блока управления к элементу питания – батарейке «Крона» (напряжение питания прибора составляет от 9 до 12 В) и включение тумблера в положение «Вкл.». В момент подачи питания я расположил поисковую катушку в воздухе, вдали от металлических предметов. В этих условиях металлоискатель абсолютно не подавал никаких сигналов. Затем я начал вращать ручки переменных резисторов, регулирующих чувствительность металлоискателя, и динамик металлоискателя стал издавать щелчки. После недолгих экспериментов я нашел положение регуляторов чувствительности (грубо – R12 и мягко – R13 на схеме, изображенной на рис. №4) при котором прибор стал реагировать (подавать четкий звуковой сигнал) на наличие металла возле поисковой катушки.

В результате ряда экспериментов я определил максимальную чувствительность своего устройства:

  • На монету достоинством 5 руб. металлоискатель начинает четко реагировать на расстоянии от 150 мм от поисковой катушки;

  • На крупные металлические предметы (например, батарея отопления) металлоискатель начинает четко реагировать на расстоянии от 1000 мм от поисковой катушки.

На основании данных, информация о которых указана выше, я сделал вывод, что испытания прибора прошли успешно, и металлоискатель является работоспособным.

Заключение

При выполнении данной работы я узнал, что такое металлоискатель, ознакомился с их видами, принципами работы и сферами их применения.

Также я подробно изучил принцип работы импульсного металлоискателя, и мне удалось своими руками в домашних условиях создать этот удивительный прибор.

Я приобрел ценный опыт по изготовлению печатных плат, работе с паяльником, наглядно ознакомился с процессом сборки и испытания импульсного металлоискателя.

Весной, при наступлении благоприятных погодных условий, я планирую начать использование своего металлоискателя для обследования территории нашего дачного участка на предмет наличия металлических предметов в грунте. Затем я планирую выполнить поиск металлических ценностей в песке берега реки Вож, которая находится поблизости от нашего дачного участка.

Задачи, поставленные данной работой, выполнены, цель достигнута.

Список литературы

  1. Википедия – общедоступная многоязычная универсальная интернет-энциклопедия: https://ru.wikipedia.org;

  2. Металлоискатель. Виды и работа. Применение и особенности: https://tehpribory.ru/glavnaia/pribory/metalloiskatel.html;

  3. Как выбрать металлоискатель: https://www.21vek.by/info/howto/5674.html;

  4. Все об импульсных металлоискателях: https://stroy-podskazka.ru/metalloiskateli/impulsnye/;

  5. Металлоискатель PIRAT: http://radioskot.ru/publ/metallopoisk/metalloiskatel_pirat/16-1-0-480;

  6. Обучающая статья. ЛУТ для начинающих в бытовых условиях: https://www.drive2.ru/o/b/2140479/.

Приложение №1

Просмотров работы: 36