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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Detector de metales por pulsos. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / detector de metales El detector de metales por pulsos que le hemos llamado la atención es un desarrollo conjunto del autor y el ingeniero de Donetsk (Ucrania) Yuri Kolokolov (dirección de Internet: home.skif.net/~yukol/index.htm), gracias a cuyos esfuerzos fue posible traducir la idea en un producto terminado basado en un microcontrolador programable de un solo chip. Desarrolló el software y también llevó a cabo pruebas a gran escala y un extenso trabajo de depuración. Actualmente, la empresa moscovita "Master Kit" planea producir kits para radioaficionados para el autoensamblaje del detector de metales descrito. El kit contendrá una placa de circuito impreso y componentes electrónicos, incluido un controlador preprogramado. Quizás, para muchos amantes de la búsqueda de tesoros y reliquias, adquirir un kit de este tipo y su posterior montaje sencillo sea una alternativa conveniente a la compra de un costoso dispositivo industrial o a la fabricación de un detector de metales con sus propias manos. Para aquellos que se sienten seguros de sí mismos y están listos para intentar fabricar y programar un detector de metales pulsado con microprocesador, en la página personal de Yuri Kolokolov en Internet hay una versión de prueba del firmware del controlador en formato Intel HEX y otra información útil. Esta versión de firmware se diferencia de la versión completa por la ausencia de algunos modos de funcionamiento del detector de metales. El principio de funcionamiento de un detector de metales por corrientes parásitas pulsadas o de Foucault se basa en la excitación de corrientes parásitas pulsadas en un objeto metálico y la medición del campo electromagnético secundario que inducen estas corrientes. En este caso, la señal de excitación no se suministra a la bobina transmisora del sensor de forma constante, sino periódicamente en forma de impulsos. En los objetos conductores se inducen corrientes parásitas amortiguadas, que excitan un campo electromagnético amortiguado. Este campo, a su vez, induce una corriente amortiguada en la bobina receptora del sensor. Dependiendo de las propiedades conductoras y del tamaño del objeto, la señal cambia de forma y duración. En la Fig. 24. Se muestra esquemáticamente la señal en la bobina receptora de un detector de metales por impulsos.
Los detectores de metales por impulsos tienen sus ventajas y desventajas. Las ventajas incluyen una baja sensibilidad al suelo mineralizado y al agua salada, las desventajas son una mala selectividad por tipo de metal y un consumo de energía relativamente alto. Diseño práctico La mayoría de los diseños prácticos de detectores de metales pulsados se construyen utilizando un circuito de dos bobinas o un circuito de una sola bobina con una fuente de energía adicional. En el primer caso, el dispositivo tiene bobinas receptoras y emisoras separadas, lo que complica el diseño del sensor. En el segundo caso, solo hay una bobina en el sensor y para amplificar la señal útil se utiliza un amplificador, que se alimenta de una fuente de alimentación adicional. El significado de esta construcción es el siguiente: la señal de autoinducción tiene un potencial más alto que el potencial de la fuente de energía que se utiliza para suministrar corriente a la bobina transmisora. Por lo tanto, para amplificar dicha señal, el amplificador debe tener su propia fuente de energía, cuyo potencial debe ser mayor que el voltaje de la señal que se amplifica. Esto también complica el diseño del dispositivo. El diseño de bobina simple propuesto se construye de acuerdo con un esquema original que carece de las desventajas anteriores. Principales características técnicas
Profundidad de detección:
A pesar de la relativa simplicidad del diseño del detector de metales por impulsos propuesto, su fabricación en casa puede resultar complicada debido a la necesidad de introducir un programa especial en el microcontrolador. Esto sólo se puede hacer si tiene las calificaciones, el software y el hardware adecuados para trabajar con el microcontrolador. esquema estructural El diagrama de bloques se muestra en la fig. 25 La base del dispositivo es un microcontrolador. Con su ayuda, se forman intervalos de tiempo para controlar todos los nodos del dispositivo, así como la indicación y control general del dispositivo. Con la ayuda de una poderosa tecla, se pulsa energía en la bobina del sensor y luego se interrumpe la corriente, después de lo cual se produce un pulso de autoinducción que excita un campo electromagnético en el objetivo.
Lo más destacado del circuito propuesto es el uso de un amplificador diferencial en la etapa de entrada. Sirve para amplificar la señal cuyo voltaje es mayor que el voltaje de suministro y vincularla a un cierto potencial (+5 V). Para una mayor amplificación se utiliza un amplificador receptor de alta ganancia. El primer integrador se utiliza para medir la señal útil. Durante la integración directa, la señal útil se acumula en forma de voltaje y durante la integración regresiva, el resultado se convierte en duración del pulso. El segundo integrador tiene una constante de integración grande (240 ms) y sirve para equilibrar el camino amplificador con respecto a la corriente continua. Diagrama esquemático El diagrama esquemático de un detector de metales por impulsos se muestra en la Fig. 26 - amplificador diferencial, amplificador receptor, integradores y conmutador potente.
En la Fig. La Figura 27 muestra el microcontrolador y los controles e indicaciones. El diseño propuesto se desarrolla íntegramente sobre base de elementos importados. Se utilizan los componentes más habituales de los principales fabricantes. Puede intentar reemplazar algunos elementos por otros domésticos, esto se discutirá a continuación. La mayoría de los elementos utilizados no escasean y pueden adquirirse en las grandes ciudades de Rusia y la CEI a través de empresas que venden componentes electrónicos.
Se ensambla un potente interruptor en un transistor de efecto de campo VT1. Dado que el transistor de efecto de campo utilizado, tipo IRF740, tiene una capacitancia de puerta de más de 1000 pF, se utiliza una etapa preliminar en el transistor VT2 para cerrarlo rápidamente. La velocidad de apertura de un interruptor potente ya no es tan crítica debido a que la corriente en la carga inductiva aumenta gradualmente. Las resistencias R1, R3 están diseñadas para "amortiguar" la energía de autoinducción. Su clasificación se eligió por razones de funcionamiento seguro del transistor VT1, así como para garantizar la naturaleza aperiódica del proceso transitorio en el circuito, que se forma por la inductancia del sensor y la capacitancia entre espiras parásita. Los diodos protectores VD1, VD2 limitan las caídas de tensión en la entrada del amplificador diferencial. El amplificador diferencial se ensambla utilizando el amplificador operacional D1.1. El chip D1 es un amplificador operacional cuádruple tipo TL074. Sus características distintivas son alta velocidad, bajo consumo, bajo nivel de ruido, alta impedancia de entrada, así como la capacidad de trabajar con voltajes de entrada cercanos al voltaje de suministro. Estas propiedades determinaron su uso en un amplificador diferencial en particular y en el circuito en general. La ganancia del amplificador diferencial es de aproximadamente 7 y está determinada por los valores de las resistencias R3, R6-R9, R11. El amplificador receptor D1.2 es un amplificador no inversor con una ganancia de 56. Durante la acción de la parte de alto voltaje del pulso de autoinducción, este factor se reduce a 1 utilizando el interruptor analógico D2.1. Esto evita la sobrecarga de la ruta de amplificación de entrada y garantiza una entrada rápida al modo para amplificar una señal débil. El transistor VT3, así como el transistor VT4, están diseñados para igualar los niveles de señales de control suministradas desde el microcontrolador a los interruptores analógicos. Usando el segundo integrador D1.3, el circuito amplificador de entrada se balancea automáticamente para corriente continua. La constante de integración de 240 ms se elige para que sea lo suficientemente grande como para que esta retroalimentación no afecte la ganancia de la señal deseada que cambia rápidamente. Utilizando este integrador, la salida del amplificador D1.2 mantiene un nivel de +5 V en ausencia de señal. El primer integrador de medición se fabrica en D1.4. Durante la integración de la señal útil, la tecla D2.2 abre y, en consecuencia, la tecla D2.4 cierra. Se implementa un inversor lógico en el interruptor D2.3. Una vez completada la integración de la señal, la tecla D2.2 se cierra y la tecla D2.4 se abre. El condensador de almacenamiento C6 comienza a descargarse a través de la resistencia R21. El tiempo de descarga será proporcional a la tensión que se haya establecido en el condensador C6 al final de la integración de la señal útil. Este tiempo lo mide un microcontrolador que realiza la conversión de analógico a digital. Para medir el tiempo de descarga del condensador C6, se utilizan un comparador analógico y temporizadores integrados en el microcontrolador D3. Con la ayuda de los LED VD3...VD8 se realiza la indicación luminosa. El botón S1 está destinado al reinicio inicial del microcontrolador. Los interruptores S2 y S3 configuran los modos de funcionamiento del dispositivo. Utilizando la resistencia variable R29, se ajusta la sensibilidad del detector de metales. Algoritmo de funcionamiento Para aclarar el principio de funcionamiento del detector de metales por impulsos descrito en la fig. La Figura 28 muestra oscilogramas de señales en los puntos más importantes del dispositivo.
Durante el intervalo A se abre la llave VT1. Una corriente en forma de diente de sierra comienza a fluir a través de la bobina del sensor: oscilograma 2. Cuando la corriente alcanza aproximadamente 2 A, la llave se cierra. En el drenaje del transistor VT1, se produce un aumento de voltaje de autoinducción: oscilograma 1. La magnitud de este aumento es más de 300 V (!) y está limitada por las resistencias R1, R3. Para evitar la sobrecarga de la ruta de amplificación, se utilizan diodos limitadores VD1, VD2. Además, para ello, durante el intervalo A (acumulación de energía en la bobina) y el intervalo B (liberación de la autoinducción), se abre la tecla D2.1. Esto reduce la ganancia de extremo a extremo de la ruta de 400 a 7. El oscilograma 3 muestra la señal en la salida de la ruta de amplificación (pin 8 de D1.2). A partir del intervalo C, la tecla D2.1 se cierra y la ganancia del camino se vuelve grande. Después de completar el intervalo de guardia C, durante el cual la ruta amplificadora entra en modo, la tecla D2.2 abre y la tecla D2.4 cierra - comienza la integración de la señal útil - intervalo D. Después de este intervalo, la tecla D2.2 .2.4 se cierra y se abre la llave D6: comienza la integración "inversa". Durante este tiempo (intervalos E y F), el condensador C1.0 está completamente descargado. Utilizando el comparador analógico incorporado, el microcontrolador mide el valor del intervalo E, que resulta ser proporcional al nivel de la señal útil de entrada. Para la versión de firmware XNUMX, se establecen los siguientes valores de intervalo:
El microcontrolador procesa los datos digitales recibidos e indica, mediante los LED VD3-VD8 y un emisor de sonido Y1, el grado de impacto del objetivo sobre el sensor. La indicación LED es análoga a un indicador de cuadrante: si no hay un objetivo, el LED VD8 se enciende y luego, según el nivel de impacto, VD7, VD6, etc. se encienden secuencialmente. Tipos de piezas y diseño. En lugar del amplificador operacional D1 TL074N, puede intentar utilizar el TL084N o dos amplificadores operacionales duales de los tipos TL072N, TL082N. El chip D2 es un interruptor analógico cuádruple del tipo CD4066, que puede reemplazarse con el chip doméstico K561KTZ. El microcontrolador D4 AT90S2313-10PI no tiene análogos directos. El circuito no proporciona circuitos para su programación en circuito, por lo que es recomendable instalar el controlador en un enchufe para que pueda ser reprogramado. El estabilizador 78L05 puede, en casos extremos, ser reemplazado por KR142EN5A. El transistor VT1 tipo IRF740 se puede reemplazar por IRF840. Los transistores VT2-VT4 tipo 2N5551 se pueden reemplazar por KT503 con cualquier índice de letras. Sin embargo, debes prestar atención al hecho de que tienen diferentes pines. Los LED pueden ser de cualquier tipo, es recomendable llevar VD8 de otro color. Diodos VD1, VD2 tipo 1N4148. Las resistencias pueden ser de cualquier tipo, R1 y R3 deben tener una disipación de potencia de 0,5 W, el resto puede ser de 0,125 o 0,25 W. Es recomendable seleccionar R9 y R11 para que su resistencia no difiera en más del 5%. Es deseable utilizar una resistencia sintonizada R7 de múltiples vueltas. El condensador C1 es electrolítico, para una tensión de 16 V, el resto de condensadores son cerámicos. Es recomendable llevar el condensador C6 con buen TKE. El botón S1, los interruptores S2-S4, la resistencia variable R29 pueden ser de cualquier tipo que se ajuste al tamaño. Como fuente de sonido, puede utilizar un emisor piezoeléctrico o unos auriculares del reproductor. El diseño del cuerpo del dispositivo puede ser arbitrario. La varilla cerca del sensor (hasta 1 m) y el propio sensor no deben tener piezas metálicas ni elementos de fijación. Es conveniente utilizar una caña de pescar telescópica de plástico como material de partida para hacer una caña. El sensor contiene 27 vueltas de cable con un diámetro de 0,6...0,8 mm, enrolladas en un mandril de 190 mm. El sensor no tiene pantalla y debe fijarse a la varilla sin utilizar tornillos, pernos, etc. (!) De lo contrario, la tecnología para su fabricación puede ser la misma que la de un detector de metales por inducción. No se puede utilizar un cable blindado para conectar el sensor y la unidad electrónica debido a su alta capacitancia. Para estos fines, es necesario utilizar dos cables aislados, por ejemplo del tipo MGShV, retorcidos entre sí. Configuración del dispositivo ¡Atención! El dispositivo contiene una tensión elevada que puede poner en peligro la vida, tanto en el colector VT1 como en el sensor. Por lo tanto, al configurar y operar, se deben observar precauciones de seguridad eléctrica. Se recomienda configurar el dispositivo en la siguiente secuencia: 1. Asegúrese de que la instalación sea correcta. 2. Aplique energía y asegúrese de que la corriente consumida no supere los 100 (mA). 3. Usando la resistencia de sintonización R7, logre tal equilibrio de la ruta de amplificación de modo que el oscilograma en el pin 7 de D1.4 corresponda al oscilograma 4 en la Fig. 28. En este caso, es necesario asegurarse de que la señal al final del intervalo D no cambie, es decir, la forma de onda en esta ubicación debe ser horizontal. Un dispositivo correctamente ensamblado no necesita configuración adicional. Es necesario acercar el sensor a un objeto metálico y asegurarse de que los indicadores estén funcionando. En la descripción del software se proporciona una descripción del funcionamiento de los controles. Software Al momento de escribir este material, se han desarrollado y probado las versiones de software 1.0 y 1.1. El código de firmware versión 1.0 en formato Intel HEX se puede encontrar en Internet en la página personal de Yuri Kolokolov, home.skif.net/~yukol/index.htm. Está previsto que la versión comercial 1.1 del software se entregue en forma de microcontroladores ya programados como parte de kits producidos por Master Kit. La versión 1.0 implementa las siguientes características:
La versión de software 1.1 se diferencia en que le permite ajustar la sensibilidad del dispositivo utilizando una resistencia variable R29. Continúa el trabajo en nuevas versiones del software y está previsto introducir modos adicionales. Para controlar los nuevos modos, los interruptores S1, S2 están reservados. Las nuevas versiones, después de extensas pruebas, estarán disponibles en conjuntos "Master Kit". La información sobre las nuevas versiones se publicará en Internet en la página personal de Yuri Kolokolov, home.skif.net/~yukol/index.htm. Autor: Shchedrin A.I.
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Comentarios sobre el artículo: Dmitry ¡Hola! ¿Y por qué se elige el controlador AT90S2313-10PI? ¿Distingue (el detector de metales) entre metales ferrosos y no ferrosos? Tengo el deseo de hacer un detector de metales en el controlador STM32F030F4P6 (tenemos 50 r / pc). O en un colega con más patas múltiples, si no hay suficientes patas ... Estudio los principios de operación ... Según tengo entendido, la tarea del controlador es la siguiente: 1) Aplicar voltaje a la bobina (salida T0) 2) Habilitar la protección del amplificador contra impulso inverso (T1) 3) Deshabilitar la bobina y esperar la amortiguación del pulso de autoinducción 4) Apagar la protección del amplificador (pin T1) y encender el procesamiento de la señal útil ( pin T2) 5) Encienda el temporizador 6) Ante la interrupción del gatillo conectado al pin T3, tome las lecturas del temporizador 7) Compare el valor con la referencia y dé la indicación correspondiente. Gracias por el útil artículo. Constructor de formación, le pido que no me patee por inexactitudes. Este será el segundo proyecto que usa controladores y el cuarto o quinto en general de la electrónica.
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