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自制地下事屬探測器

本文介紹一種低成本、易制造的感 應平衡式金厲探測器設計。能夠發現埋 藏于地面240mm以下的直徑為25mm的 錢幣等金厲物。
過去時代的金屬探測是這樣進行 的:一群人在廢墟上,用各種工具翻掘地 面,從各種其他東西中檢出金幣、彈片等 金屬物品。即使現在,一個人如果想擁有 和操作自己的金屬電子探測器也不容 易。首先,市場上好的金屬探測器要價都 在幾百英鎊以上。這對于一些尋寶者,特 別是年輕人可能買不起。其次是探測器 操作的復雜性。一般探測器要由50〜100 個元件組成,即使不發生故障,調試與操 作也要花費大量的時間。當然,市場上也
有一些簡單而便宜的探測器,但這些產 品僅能算作娛樂玩具。它們的穿透深度 極為有限,而且穩定性很差,故難以承擔 探寶功能。
本文介紹一種感應平衡式金屬探測 器,重量輕得可以固定在操作者的手臂 上,又具有良好的探測性能:穿透深度 大,而且對鐵及非鐵磁性物體有良好的 分辨能力。能在很大程度上抑制對鐵的 反應,包括薄的鐵片。這一特性對于任何 搜尋金幣和其他貴重金屬的人都十分有 用。
電路性能與原理
電路設計十分簡便的原因是去除了 大量的傳統的模擬電路,而代之以數字
傳感器和數字峰值比較器。珍寶探尋器 的完整電路框圖見圖1。當探尋器探頭經 過金屬上面時,發射器發出的信號中,只 有一定波長的數字信號能夠穿透并被接 收器接收。由于接收的信夸在音頻范圍 內,所以可直接傳送到一個蜂鳴器 (WD1)或耳機中,得到很好的檢測效果。 使用耳機可以避免對環境產生噪音干 擾。此電路雖然簡單,但是可以與最好的 同類產品比美。下面是探測器在不同距 離上對一個直徑25mm的金幣的靈敏度: 160mm連續的蜂鳴音 200nmi 一下清楚的聲音 240mm剛剛能聽見的聲音 本儀器能檢測到35mm處的一根針, 及在半米或更遠距離外的較大的非鐵磁 性物體。但要注意這些測量值都是在空 氣中而非土壤中得到的。在地下,探測器 的穿透深度在很大程度上受土壤礦化度 的影響。探測出金厲薄片相比起來就更 為困難。能檢測到與銅錢幣類似的薄圓片的距離,在土壤中僅有在空氣中的一 半。對薄圓片的衰減作用一部分是由于 探測器為了防止“表面效應”而使用較低 的頻率。此外,探測器配置了兩個平衡繞 組,可以使鐵磁性金屬的信號被大幅度 地衰減。事實上,這種衰減的程度,使得 探測器對于25mm直徑的銅幣的反應與 2(HS重量的鐵塊一樣。
探測器的功率消耗非常低,吸收電 流約為10mA,因此,可以用一個小的9V PPS電池供電。如果使用普通的AA型干 電池串聯供電,可以連續使用100小時。
電路說明
探測器的完整的電路圖示于圖2。平 衡式金屬探頭包括兩個線圈:一個發射 線圈(IX)和一個接收線圈(RX)。發射線 圈由一個方波振蕩器驅動,在線圈中產 生一個交變的磁場。接收線圈的安放方 式是部分疊加在發射線圈上(參見圖3)。 通過調整疊加量可以找到一個平衡位 置,在這一點上,接收線圈中的感生電壓 不存在或被抵消,使得只有很少或根本 沒有電信號產生。只有當一個金屬物體 進人線圈區域,才會引起磁場不平衡,進 而在接收線圈中產生檢測信號。
圍繞ICla構建一個簡單的時鐘發生 器作為發射器的振蕩器,電路以含有16 個施密特反相器的集成電路40106的一個門ICla為基礎組成。操作中振蕩器的 頻率是否穩定對于這種應用目標并不重 要,我們只需要在發射器的線圈上產生 一個交變的磁場。IClb用作緩沖器以穩 定ICla的負載。ICla振蕩器的音頻頻率 由電阻R1和電容C1決定,而電阻R2用于 限定通過發射器的峰值電流為12mA。
接收器的前面是一個簡單但靈敏的 預放大器,以IC2b為基礎組成。用于提髙 來自接收器線圈的信號,其增益約為 165。使得當金屬出現時,輸出信號會有 較大的變化。它也為下一級放大器提供 較大的增益。
接為比較器(或稱為電平檢測器)的 IC2b用于檢測放大后的接收波形的峰 值。由于這些信號的峰值變化迅速而數 值很小,很像露在水面上的冰山的尖。這 將能嚴重地影響電路的靈敏度。因此,在 這一點上,使用了一個簡單但重要的增 強方法。即,通過電阻R9來提供一個滯后 的正向反饋,從而恢復信號為振蕩器輸 出的方波形式,有效地使傳感器的靈敏 度提髙了兩倍。
IC2b第7腳上的輸出通過C5饋送給 峰值檢測器的IClc。IC1是一個施密特反 向器,只有一定幅度的脈沖才能穿過它 輸出。通過正確調整頻率粗調控制器 VR2和細調控制器VR3,可以找到一個點,使信號能以隨機的“噼啪”聲通過。信 號不需進一步放大,而且由于電容C6隔 斷了直流,信號可以直接送到各種揚聲 器或耳機中,使人能聽到信號。http://bjshdd.com
搜索線圈兩個搜索線圈的繞制相當簡單,沒 有嚴格的圈數要求,多一點少一點都是 允許的。兩個線圈結構相同,完整的線圈 及其詳細結構見圖3。各線圈以33 SWG 型(線徑約0.26mm)的銅漆包線在直徑 150mm的骨架上繞100圈(見圖3)。繞制 時,可以在一張硬卡紙上,以適當的角度 釘上12根小釘(頭部有一點向外)作為模 板。線圈沿著這些釘子順時針繞制。然后 用短的絕緣帶從線圈底下穿過扎緊,臨 時固定下來。線圈可以采用亂繞方式。取 下繞好的線圈后,可以用同樣的方式繞 制第二個線圈。每次繞制時標好線圈的 首、尾端,作上標記。一個線圈作為發射 器TK,另一個作為接收器RX。每個線圈 再用絕緣帶沿著圓周纏緊。
感應屏蔽層接著,每個線圈都要做感應屏蔽層, 以便使得地面靜電在檢測頭內的電容性 影響最小化。屏蔽層用200mm寬的長鋁 箔或其他金屬箔制成。刮去發射線圈尾 端及接收線圈首端上的一段漆皮,每個 上面焊接一段lOOnrni長的硬的裸導線,繞整個線圈纏一圈,以便在絕緣帶上為 感應屏蔽層提供一個電接觸。從這條線 開始,用金屬箔片繞著線圈的圓周纏繞, 使絕緣帶不再II出。但要注意:金屑箔不 要纏滿360(,頭尾之間留有一個小的間 隙(約10mm),使金屬箔繞一圈后不要碰 上。兩個線圈屏蔽層做法相同。然后,每 個線圈再用絕緣帶緊緊纏繞一周。
每個線圈上焊接上髙質量的帶屏蔽 的單芯音頻電纜(麥克風電纜),電纜的實際大小的敷銅板布線見圖4。電路對元 件的型號和參數要求不嚴格,當然,髙質 量的元件可以保證產品性能。建議使用SGSThomsonHCF40106BEY 作為 IC1,當然其他型號的40106也可以滿足 電路需求。
電路構建由焊接14腳和8腳集成電 路插座和電阻開始,最后再焊接二級管 和電容。(注意:二極管的陰極K標有橫 杠,安裝時應不靠近PCB板)一旦焊接完盒中固定好,不要晃動。在噪音極大的環 境中,可以在蜂鳴器外再增加一個LED 管作為指示用。LED管可以通過lk串聯 電阻接到IClb的第六腳與0V之間。
建議搜索臂采用PVC管,并按照圖5 方式組裝。作者采用了最為簡單的方式。 搜索臂(長的PVC管)與搜索頭之間連接 采用可旋轉接頭方式。用4mm尼龍電纜 卡子固定搜索器的支架。作者是將方型 雨水管的管座鋸為兩半,當作支架。旋轉屏蔽層焊接到線圈的靜電屏蔽層上。不 要使用立體聲的雙芯音頻電纜,因為這 會引起線圈間的干擾。
輕輕地將制成的線圈的形狀適當地 抻直和彎曲,使接線端面向你的相反方 向。兩個線圈都應該使起始端在末端的成,需仔細地檢査焊接和布線是否有錯 誤。

硬件裝配準備一個能安裝音頻電纜、開關S1、 電位器VH2和VR3、以及蜂鳴器WD1的 機殼。鉆4個安裝燦釘螺母的孔,以便固接頭上的大的燦釘、蝶母是從WC的坐便 器的鉸鏈上拆下來的。注意,不要在搜索 頭上使用任何金屬的接頭和緊固件。
在將搜索臂固定在控制食上之前, 先要將音頻電纜穿過搜索臂,然后將搜 索臂固定在控制盒的一面上,再將較短安放并用電嫌卡子 固定 TX、RXS_ 到剛性基板上灌注 樹脂前,在基極上 加上木棱,支架和 膩子。
左邊,感應屏蔽層的接點并排。然后進一 步按照圖3彎折線圈,使之成為橢圓形定一長、一短的兩個PVC管分別作為 搜索臂和把手(見圖5)。安裝VR2和狀,就像大寫的字母“D”。探頭上兩個字 母“D”的直邊重疊在一起。這些操作是完 成電路結構的關鍵。
最后,在每個線圈上纏上20m寬的 長布帶(薄的洗碗布就很適合),用一點 膠固定。以后,當用樹脂澆注線圈時,布 的孔隙能夠吸收樹脂。
電路結構探測器的印刷電路板(PCB)尺寸為 76mmx46mm。元件面布局、脫板連線和VR3的位置要保證便于調整。接好連接 蜂鳴器WD1;音頻控制器VR2、VR3;開 關S1和電池卡子的連線,同時要保證連 線最短。VH2和VR3要選用金屬外殼、塑 料軸的電位器,并且將外殼連接到PCB 板的地線上。這一點對于電路的穩定性 很重要。S1使用滑動開關,以防止運輸過 程中意外地開、關。如果需要,¼以在蜂 鳴器上并聯上一個耳機插座,或者干脆 用耳機代替蜂鳴器。要確認電池在電池的PVC管固定在控制盒的另一面,管的 頂端要作一個90°的彎曲作為把手。按圖 3所示連接從搜索頭來的音頻電纜。同 時,將兩個音頻電纜的屏蔽層接到0V上。 最后,將IC1和IC2插到插座中。注意:IC1 對靜電敏感,所以操作前要將你的身體 對地放電。
搜索線颶的設置搜索線圈的設置對于平衡式金屬檢 測器設計是一個難點。金厲檢測器的兩個線圈需要非常仔細和嚴格地互相定 位,設置時要避免犯錯誤。設計中為調試 錯誤留有一定的余量,雖然不大。但只要 一個人耐心而仔細地操作,設置兩個探 測線圈還是很簡單的。在封裝線圈時,需 要一個已經完成的電路板。
線圈需要用清潔的聚酯樹脂(不要 用聚酯樹脂充填物)封裝在硬的非金屬 基底上。任何基底都可以使用。作者使用 一塊白色的絕緣纖維板(如圖3),沿板的 邊緣粘上帶有銷釘的木條以保持樹脂, 使線圈能按“原狀”固定在纖維板上面, 被樹脂保護起來。
先直接將一個線圈放到另一個的上 面,要確保線圈之間正確的定位(兩個線 圈的靜電屏蔽層已經連接在一起,見前 面關于搜索線圈部分)。調整VR2、VR3和 VR4到其阻值的中間位置,調整VR1到 780(,接通12V電池組,接通開關。電路會 “震鳴”,即發出持續的大聲鳴叫。
現在慢慢地移動使線圈離開。當線 圈移動到一半時,蜂鳴器變為靜默。這表 示接收線圈的電壓為零。注意:移動過程 中聲音可能有幾個峰值和極小值點,但 需要仔細找到真正的靜默位置。繼續移 動線圈,在靜默和震鳴之間有一個非常 狹窄的靜默區。其中一個精確的點上,蜂 鳴器發出“噼啪”聲。(也可能先發出嗡嗡 聲,再變為“噼啪”聲)
現在,將兩個線圈沿著靠近的直邊 稍稍移動一點。移動時,調整VR4,使蜂鳴器保持大的震鳴聲(不僅僅是嗡嗡 聲),一直移動到不能保持大的震鳴聲為 止。線圈就定位在這一點上。用這種1方法 可以精確到幾分之一毫米。BR4的作用 是找到靜默和震鳴之間的臨界點。當 VR4設置正確時,任何中間的靜默點都 可以消除。靜默并不影響性能,但可能引 起檢測者分心。
接著,用一個標志筆在基板上沿著 定位好的線圈畫出一系列的標志孔。這 些孔用于穿過2.5_的電纜卡子,以便將 線圈緊緊地固定在基板上。每個線圈需 要5~6個卡子。在灌注樹脂前,一定要確 認線圈固定得穩固、平整。也用電纜卡子 固定好音頻電纜。接著,穿過線圈中心, 用膠在基板上粘一些木棱。其作用是限 制樹脂的收縮,以免收縮造成線圈的嚴 重的不對稱。灌注樹脂前,還要用一些小 木條塞住基板上的小孔。因為聚酯樹脂 有非常好的流動性,而且比一般的膠黏 結得快。還要確認圍繞基板的一圈木棱 不會透過樹脂。然后,小心地彎曲在基板 中央的線圈,直到找到一個平衡點:在此 點蜂鳴器既不震鳴,也不靜默,而是發出 噼啪”聲。然后,很重要的一點是:在線 圈中部的這一小段上(約40mm)覆蓋一 層藍膩子,形成一堵垂直的膩子墻。在灌 注樹脂后去掉這些膩子,以便對線圈做 最后的調整。
現在準備好攪拌和澆注樹脂。只需 使用80%推薦量的觸媒,以便使樹脂凝 固時產生的熱量和收縮量不致太大。澆 注樹脂到包裹線圈的織物上,使之變濕。 然后繼續澆注,直到樹脂流到基板上并 且完全覆蓋它。
在樹脂凝固之前,電路功能可能不 會正常。此時不要做更多的調整。關閉開 關,等待24小時后,去掉那一小段線圈上 的藍膩子,暴露出線圈。將控制器VR2、 VR3轉到其中間位置,輕輕彎折暴露的 那一段線圈,直到在蜂鳴器的靜默和震 鳴之間聽到“噼啪”聲。現在,可以在這一 小段線圈上澆注樹脂,徹底固定它。
最后,在不影響已經調整好平衡狀 態的IC2a、IC2b周圍電路的情況下,VR1 作為可以改變預放大器IC2a反向輸人端的增益的輔助設備。當線圈設置作得不 太好而調整那一小段線圈又無效時,可 使用VR1作為補救。
探尋器的使用方法
將探頭遠離各種金屬和計算機等設 備,以免對電路引起干擾。打開電源,調 整VR2,直到在蜂鳴器的靜默和震鳴之 間聽到“噼啪”聲,可用VR3作為細調工 具。當在靜默和震鳴之間聽到“嗡嗡”聲 時,可以調整電路板上的VR〜為改善檢 測效果,應該轉動VR2和VR3使得發出快 速的“咔拉”聲,因為耳朵對于慢速的“噼 啪”聲不敏感,會減弱靈敏度。現在。當一 個錢幣經過探頭時,蜂鳴器會發出一聲 展鳴,表明探尋器工作正常。
實際應用中,珍寶探尋器受要搜索 的土壤礦化度,氣溫和電壓變化的影響, 平衡點會變化。但是本設計有較好的適 應性,只需轉動VR2和VR3進行必要的調 整即可。使用中,為了效果更好,探頭要 緩慢地移動,反復地擦過搜索的地表面。 整個電路的投資十分有限,使用高質量 的元件,可以使檢測器的信號邊緣更為 清晰,即靜默和震鳴之間的變化更明顯。

 
 

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