VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

«Всевидящее ОКО… ». Самодельный металлоискатель-пинпоинтер

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ковалев И.С. 1

---

1МБОУ СОШ №76 г. Пензы

Горохова Е.П. 1

---

1МБОУ СОШ №76 г. Пензы

Работа в формате PDF

5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Недавно мои родители делали ремонт в нашей квартире и однажды, когда строители стали сверлить стены, случилась неприятность – в квартире погас свет и перестали работать все розетки: перебили провод.

- Существует специальный прибор, который поможет увидеть внутри стены расположение проводов, – сказал папа.

Мне стало интересно, как прибор может «видеть» металлы сквозь стены. Так родилась тема этого проекта: изучение и создание подобного прибора.

Пришлось засесть за папины книжки, покопаться в Интернете. Но это того стоило. Я узнал, что данный прибор называется металлоискателем и широко применяется во всем мире во многих сферах деятельности: в военном деле, в строительном деле, в археологии. Даже обеспечивать безопасность позволяют эти приборы: вы ведь слышали про «рамки безопасности»?

Цель исследования: - изучить принципы построения простейших металлоискателей.

Актуальность моего исследования состоит в том, что в моей комнате ремонт еще не делали.

Задачи:

- изучить работу простейших металлоискателей;

- создать практическую модель металлоискателя - пинпоинтера;

В процессе исследования использовались следующие методы:

Исследовательский метод

Анализ и обобщение данных научно-методической литературы.

Практическая значимость.

Результаты моего исследования могут быть использованы в общеобразовательном процессе.

Глава 1. История создания металлоискателей

Металлоискатель – это электронный прибор, способный обнаружить предметы из металла, находящиеся в слабопроводящей или нейтральной среде. Он способен обнаружить металл в любом месте, будь то грунт или вода, стены, древесина, продукты, багаж, одежда, организм животного или человека.

Пинпоинтер – это специальный металлоискатель, который служит для точного, почти до миллиметра, определения месторасположения предмета.

Существует металлоискатель намного дольше, чем многие могут себе представить. В древних Китайских документах были найдены свидетельства того, что металлодетекторы использовались ранее 200 года до н.э.
У Китайского Императора имелась специальная арка в дверном проёме, работающая как детектор металла. Если кто-то пытался скрытно пронести какой-либо металлический предмет типа холодного оружия, то эти предметы притягивался аркой и нарушителя быстро задерживали.

Основы работы современных металлоискателей заложил немецкий физик Генрих Вильгельм Дове во второй половине XIX века. Он разработал один из принципов построения металлоискателей - принцип индукционного баланса.

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 они обратились за помощью к ученому Александру Беллу, который как раз работал над электрическими индукционными приборами для обнаружения металлов. К сожалению, попытка была неудачной, металлоискатель Белла не смог обнаружить маленькую пистолетную пулю в глубокой ране. По одной из версий у Белла не было достаточно времени для усовершенствования своего металлоискателя. По другой версии металлоискатель, который превосходно работал в лаборатории Белла, в больнице оказался бессилен. Дело в том, что раненый президент лежал на металлической кровати, которая создавала помехи устройству.

Тем не менее, несколько знаменитых инженеров заинтересовались изобретением Белла, и в 1925 году Жерар Фишер получил патент на обновленную версию прибора Белла – первый портативный металлоискатель.

В Советском Союзе первый металлоискатель был создан инженером
Б. Кудымовым в 1936 году. Использовался он для поиска мин в годы Великой Отечественной войны.

Глава 2. Изучаем разновидности металлоискателей

Металлоискатель - это электронный прибор, который определяет присутствие металла и информирует нас об этом. Металлический предмет, скажем монета, находящийся в земле, сам по себе ничего не излучает и не выдает своего присутствия. Чтобы его обнаружить, необходимо облучить его радиоволнами и уловить вторичный сигнал. Все металлоискатели основаны на этом принципе. Различие между дешевыми и дорогими моделями заключается в методах излучения этих радиоволн, в методах улавливания вторичных сигналов, а также в способах информирования вас о наличии металла.

Для построения макета искателя скрытой проводки я использовал принцип измерения добротности колебательного контура. Несмотря на заумное название, приборы, в которых заложен это принцип работы, наиболее просты в исполнении.

Основой прибора является колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности (датчика) и конденсатора.

Такой параметр колебательного контура как добротность (Q) характеризует потери энергии в колебательной системе. Чем выше добротность, тем меньше потери энергии и больше амплитуда колебаний сигнала в колебательной системе.

При поднесении катушки к металлу, этот металл попадает в электромагнитное поле колебательного контура. Энергия колебательного контура начинает расходоваться на возникновение вихревых токов в металле.

Возникают потери энергии, что уменьшает добротность и приводит к уменьшению амплитуды сигнала на этом колебательном контуре.

Изменение амплитуды сигнала легко регистрируется таким электронным устройством как компаратор, который сравнивает сигнал с датчика с пороговым (опорным) сигналом и переключается (включает звуковой генератор) при превышении одного сигнала над другим.

К недостаткам металлоискателей построенных на принципеизмерения добротности,  можно отнести их неспособность определять тип металла (черный или цветной).

Достоинством этого принципа работы является наибольшая простота изготовления как датчика, так и всей конструкции.

Глава 3. Практическая реализация самодельного металлоискателя. Описание конструкции.

Структурная схема устройства представлена в Приложении 1.

Устройство состоит из генератора, последовательного колебательного контура, амплитудного детектора, запоминающего элемента, компаратора и звукового генератора с динамиком.

Принципиальная электрическая схема устройства представлена в Приложении 2.

На транзисторах Q1, Q2 собран автоколебательный LC генератор, с резонансом напряжений (последовательный резонанс). Колебательный контур образован суммарной емкостью конденсаторов C1,C2,C3 и индуктивностью L1. Индуктивность L1 является датчиком нашего металлоискателя.

После включения генератор настраивается на резонансную частоту контура. При этом напряжение на катушке достигает своего максимального значения. Это значение зависит от добротности колебательного контура. В нашей схеме амплитуда напряжения достигает 50 вольт. Полученная частота генератора составляет около 9 кГц.

Когда мы подносим к катушке индуктивности кусочек металла, добротность катушки падает, амплитуда напряжения на ней снижается. Это регистрирует амплитудный детектор на диоде D3 - напряжение на его выходе становится чуть меньше.

Изменение напряжения на выходе диода приводит к перезаряду емкости конденсатора С7 и срабатыванию компаратора U1B. Сигнал с выхода компаратора включает звуковой генератор (зуммер).

Данная схема металлоискателя является динамической – для обнаружения металла датчиком нужно махать над целью, т.к. схема реагирует лишь на изменения добротности.

Построение конструкции

Важная часть конструкции - это датчик (катушка индуктивности L1). Требования к датчику – обеспечить высокую собственную добротность.

Для этого:

- катушку индуктивности L1 мотаем на ферритовом сердечнике.

- диаметр провода для намотки катушки выбираем из следующих условий: с одной стороны он должен быть больше (чем толще провод, тем меньше потери в катушке), с другой стороны нужное количество витков провода должно уместиться на каркасе. Выбираем провод диаметром-0.25 мм.

Электронная схема прибора собрана на печатной плате. Все конденсаторы должны быть плёночными на напряжение 100 Вольт или более. Диод D3 работает в режиме близком к пробою. D3 должен иметь обратное напряжение более 100 Вольт.

Схема может питаться от источника питания не менее 3В, например от двух батареек АА (2х1,5В) или от литий-ионного аккумулятора 3,7В.

Схема проста в построении и практически не требует настройки – необходимо лишь выставить порог для уверенного срабатывания компаратора. Это делается подстроечным резистором RV1. При этом необходимо исключить ложные срабатывания прибора.

Макет собран на основании из ПВХ-пластика размером 250х250.

Приемную катушку, электронную схему, выключатель и элементы питания крепим на основании при помощи двухстороннего скотча и пластиковых хомутов. Соединение электронных компонентов осуществляется в соответствии с принципиальной электрической схемой.

Макет устройства в сборе представлен в Приложении 3.

Проведение практических испытаний:

После сборки макета необходимо определить его тактико-технические характеристики. Важнейшей характеристикой является дальность обнаружения. Мною было проведено исследование, результаты которого сведены в таблицу:

Анализ данных таблицы показывает наличие зависимости дальности обнаружения металлической цели от ее размера.

На основе полученных данных был построен график зависимости дальности обнаружения металлических предметов от их размеров (Приложение 4) .

Глава 4. Возможность альтернативного применения самодельного металлоискателя в хозяйстве и в быту.

Собрав макет металлоискателя, я начал сразу придумывать его альтернативное применение. Практически сразу мне на ум пришла идея использовать его в качестве ручного досмотрового металлоискателя.

А если хорошо постараться, то им можно найти какой-нибудь старинный клад, зарытый разбойниками на лесной поляне…

Заключение

Первый металлоискатель появился чуть более века назад. С развитием техники и электронных компонентов металлоискатели по своим возможностям далеко продвинулись вперед.

Современная элементная база позволяет даже школьнику собрать простейший металлоискатель с неплохими техническими характеристиками.

Идея «видеть сквозь стены» оказалась реализованной. С помощью построенного прибора можно было бы с легкостью спасти 20-го президента США Гарфилда.

Построенный прибор можно с успехом применить в строительстве для поиска, например, скрытой проводки. И даже попытаться отыскать древний клад.

Список использованных источников и литературы:

1. Адаменко М. Металлоискатели, М: ДМК Пресс, 2011 – 150с..

2. Дубровский С. Л. Как собрать металлоискатели своими руками – СПб.:  Наука и техника, 2010-256с.

3. Корякин-Черняк С. Л., Семьян А. П. Металлоискатели своими руками. Как искать, чтобы найти монеты, украшения, клады. — СПб.: Наука и Техника, 2009. — 256 с.:

4. Щедрин А.И.. Новые металлоискатели для поиска кладов и реликвий, 4-е издание –М.:Горячая линия-Телеком, 2007-144с.

5. http://chinaelektro.ru/news/Princip-raboty-metalloiskatelej

6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Металлоискатель

7. http://kladoiskatel.net/blog/Metalloiskatel-istorija_izobretenija.html

8. http://zpostbox.ru/istoriya_metallodetektorov.html

9. http://www.md4u.ru

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Макет устройства в сборе

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. График зависимости дальности обнаружения металлических предметов от их размеров