Металлоискатель «Пират»
История создания очередной самоделки. На этот раз это металлоискатель, а если правильно, то металлодетектор. Металлоискателем скорее является тот, кто использует этот прибор, ну да ладно.
Вообще желание изготовить хоть какой-нибудь вариант подобного устройства, появилось у меня после просмотра сюжета Алекса Гайвера, в котором он делал простой металлоискатель на ардуино. Чисто спортивный интерес, к тому же всё необходимое было в наличии. Устройство и принцип работы хорошо и наглядно изложены в видео, кому интересно - рекомендую посмотреть. Коротко и почти дословно о принципе действия: схема представляет собой генератор, частота работы которого зависит от индуктивности катушки. При появлении вблизи катушки металлического предмета, её индуктивность меняется и, следовательно, меняется и частота. Ардуино следит за частотой и при её изменении, сигнализирует об этом в динамик.
Основное время заняло изготовление плоской катушки - где-то за вечер я её намотал (витая пара, 30 витков, внутренний диаметр около 7 см). Схема была собрана на макетке. В общем всё, как в видео, да и результаты испытаний примерно такие же: советский пятак ловит примерно с 4-5 см, а если что-то с большей площадью, то и расстояние увеличивается. Вот как выглядел мой прототип:
Недостатки схемы обнаружились сразу: слабая чувствительность и необходимость частой подстройки частоты. Немного поигрался и решил попробовать собрать что-то посерьёзнее.
Недолгий поиск привёл меня на многочисленные реализации примерно одной и той же схемы. Доступные компоненты, относительная простота и надёжность, множество обзоров и положительных отзывов, что ж, попробуем.
Схема называется «PIRAT» (сокращённо от PI - импульсный и RA-T - radioskot.ru - известный сайт радиолюбителей, на котором, как я понял, и была впервые представлена эта схема). «Импульсный» - это принцип действия данного прибора. В отличие от предыдущей схемы с ардуино, здесь всё несколько иначе. Подробное описание и процесс наладки устройства, изложен автором в этом документе, из которого я просто приведу небольшой абзац о принципе действия (очень уж он мне понравился):
Принцип прост: поисковая катушка запитывается коротким импульсом тока, при резком прерывании которого в катушке возникает ЭДС самоиндукции, создающая, в свою очередь, импульс тока, наводящий в мишени вихревые токи. Эти токи, в соответствии с законами физики препятствуют резкому уменьшению тока в катушке и затягивают по времени спад напряжения на её выводах. Именно по увеличению времени спада ЭДС самоиндукции и обнаруживается металл: короткий импульс - металла нет, удлинился импульс - металл обнаружен. Вся задача прибора - измерить длину импульса в первом и втором случае, и выдать сигнал обнаружения.
Поясню только, что под мишенью понимается металлический предмет возле катушки.
А теперь ещё проще, максимально опуская подробности):
На катушку подаётся импульс тока. Если перед катушкой нет металла, то этот импульс быстро затухает. А если металл есть, то импульс будет затухать медленнее, и вот это отклонение фиксируется схемой, как сигнал обнаружения. Надеюсь, так понятнее, но всё же, первый вариант более корректный).
Ну, вроде с теорией всё, начинается практика. Схема данного устройства была взята из этого топика группы в ВК «Самодельные металлоискатели»:
Источник: https://vk.com/topic-33752123_31206872
Взял оттуда, потому что там сразу и печатная плата есть и куча различных модификаций, советов и прочего. Очень полезный ресурс.
Как видно из схемы, тут всё аналоговое, никаких ардуино). Пара микросхем, несколько транзисторов и немного прочей рассыпухи. Подробно вникать в схему не буду, описание, есть в документе, из которого приводил цитату о принципе действия.
Сразу скажу, что у данной схемы металлоискателя нет дискриминации обнаруженных объектов. То есть он примерно одинаково будет реагировать на разные металлы. И меня такой вариант пока вполне устраивает.
Начал с поиска деталей. Что-то уже было под рукой, что-то пришлось искать на платах из старой техники (телевизоры, магнитофоны..), выпаивать, проверять. Особенные заморочки с поиском резисторов и конденсаторов нужного номинала. Но, через какое-то время, всё необходимое было подобрано, и начался процесс сборки. Сперва собрал схему на макетной плате:
Подключил к ней плоскую катушку от первого варианта и… работает! Немного покрутил резисторы и добился уже некоторой чувствительности. Честно, сейчас уже не помню, какая она была, так как делал уже давно, но оно работало, а для меня это было самое главное). Значит есть смысл делать под него свою катушку, чем я и занялся.
Рекомендуемая катушка, в среднем, представляет собой 25 витков провода сечением 0.5 кв. мм, намотанных на оправу диаметром 20 см. Можно варьировать все эти параметры для получения наибольшей эффективности, но я пока решил просто сделать хоть что-то.
Рассчитать необходимую длину провода не составляет труда, благодаря формуле длины окружности:
L = 2πR
Где L - длина одного витка, а R - радиус окружности
Умножаем на количество витков и получаем длину всего провода:
Lобщ = (2πR) * 25 = (2 * 3.14 * 10) * 25 = 1570 см = 15.7 м
То есть нужно около 16 метров провода. В наличии имелся только кусок сетевого кабеля типа «витая пара» длиной чуть более двух метров. В нём 8 жил и если их спаять между собой в один провод, то можно получить нужную длину. Да, изготовление катушки из такого «кускового» провода - идея не очень, но, для эксперимента пойдёт, да и как показала практика, даже такой вариант вполне неплохо работает.
Но сначала этот кабель нужно извлечь из изоляции и расплести. Занятие на любителя). Я же решил немного механизировать этот процесс при помощи шуруповёрта. Можно зажать один конец скрученных жил в патрон и потихоньку вращать, а с другого конца разводить скрутку руками. Но вот одному этим заниматься не очень удобно, нужен помощник. Или… можно и тут что-то придумать). Закрепил шуруповёрт на столе и сделал дистанционное управление им с помощью верёвки и блока. Вот так оно выглядело:
Ногой натягиваешь верёвку, тем самым нажимая на курок, а руками разводишь жилы. Мелочь, а приятно).
Ладно, провод получил, спаял в один, теперь намотка. В качестве оправы была подобрана кастрюля подходящего диаметра. Приклеил по кругу небольшие фиксаторы, чтобы провод не соскальзывал, и намотал 25 витков.
Затем зафиксировал их изолентой и катушка готова для первых испытаний:
Подключил её к схеме, включаю… а не работает). Было уже поздно и я, плюнув, выключил и пошёл спать.
На следующий день продолжил испытания, и оказалось, что неполадка была в самой схеме, точнее в макетной плате. Есть у неё такой недостаток, как нестабильный контакт. Если схема простая, то это быстро находится и устраняется, а вот если деталей много, то это тот ещё квест. В электронике ведь все неисправности можно свести к двум видам. Первый - нет контакта там, где он нужен. И второй - есть контакт там, где он не нужен. Не мои высказывания, но очень нравятся).
После поиска и исправления бага в схеме, всё заработало. И весьма неплохо. Удалось добиться чувствительности, сопоставимой с отзывами из сети. То есть, тот же советский пятак ловит с расстояния около 20 см, а если что покрупнее, то дальше. Для меня это очень хороший результат, с учётом того, что всё собирается из хлама и, как это часто у меня бывает, просто под интерес.
Ну а раз схема работает, то есть смысл собрать её в готовое устройство. Начал мозговой штурм.
Первым делом решил разобраться с питанием. Для стабильной работы схемы необходим источник с напряжением 12 В. Подходящим вариантом у меня оказался аккумулятор от шуруповёрта: большая ёмкость, удобно заряжать, всегда есть запасной экземпляр. Но для его подключения пришлось сделать подобие того разъёма, который есть на самом шуруповёрте. Опять же, был бы 3д принтер, можно было бы распечатать, а так пришлось придумывать из подручных средств: алюминиевая жесть - корпус, пластик - изолирующая прокладка, и немного железа от корпуса системного блока - контакты. Получилось весьма неплохо:
Работает не хуже заводского варианта: четкая фиксация, легко установить/снять.
Далее занялся схемой, а точнее, переносом её на плату. Использовал готовую макетную плату, так как для меня, в данном случае, это проще и доступнее. Не нужно печатать схему, переносить на текстолит, травить его хлорным железом, отмывать, сверлить… Да, получится более качественно и красиво, но слишком уж хлопотно. Для единичного экспериментального варианта это, на мой взгляд, избыточно.
Схему размещения элементов (печатку) использовал из той же группы в ВК (добавил на случай, если вдруг пропадёт в источнике):
Источник: https://vk.com/topic-33752123_31206872
Немного посидел с паяльником и вот, что получилось:
Да, некоторые номиналы резисторов не удалось найти одной деталью, поэтому пришлось собирать из доступных).
Вот так выглядит монтаж на обратной стороне:
Не так красиво, как если бы были разведены дорожки, но вполне приемлемо.
Далее временно припаял внешние компоненты, чтобы проверить работоспособность схемы на плате:
Всё отлично работает, даже лучше, чем на макетке, ибо теперь контакты более стабильные. И ничего не спалил в процессе монтажа, что тоже немаловажно)
Проверив схему, перешёл к изготовлению корпуса, в качестве которого снова удачно подошла пластиковая банка, точно такая же, что была использована для создания автоматического ночника. Разъём для подключения аккумулятора решил закрепить на дно банки с наружной стороны. Для этого сначала немного его доработал: убрал лишнее, сделал крепёжные отверстия и залил контакты термоклеем (изоляция, влагозащита).
Далее начал разметку корпуса и монтаж компонентов:
Справа два резистора настройки чувствительности, слева тумблер питания и место для резистора регулировки громкости. В дне отверстия для ввода проводов питания и кабеля катушки.
На этом сборка корпуса пока остановилась. Необходимо было придумать общий каркас металлоискателя и, исходя из этого, производить дальнейший монтаж.
Большинство конструкций в сети строится с использованием пластиковой трубы и сантехнических фитингов (уголки, муфты). Это, конечно, очень удобно, но у меня ничего подобного рядом не оказалось, поэтому искал другие варианты, основываясь на имеющемся. Попался на глаза старый сборный пластиковый обруч (хулахуп) и сразу возникла идея его использования. А именно: при помощи строительного фена, придать элементам нужную форму и тем самым получить необходимый разборный каркас. Но, как показала практика, вариант оказался не очень). Вот, что примерно получилось:
В целом эту конструкцию можно было бы использовать, если бы она обладала достаточной жёсткостью. Но увы). Поэтому решил сделать проще: использовать лишь несколько элементов из этого обруча, в качестве соединительных, а длинные части сделать из гуано и палок. Определившись, продолжил сборку корпуса:
Здесь уже заведён и припаян к плате кабель катушки, который фиксируется к внутренней стороне корпуса пластиковыми хомутами. Эти же хомуты фиксируют снаружи часть общего каркаса. Да, я решил сделать катушку постоянно подключенной к блоку электроники и не выдумывать какие-то разъёмы. Пусть будет стабильный контакт.
Далее уже закрепил в корпусе плату, а на крышке разместил динамик, светодиод и разъём для подключения наушников. Также добавил резистор регулировки громкости. Результат:
На крышку ещё добавил скобу-ограничитель поворота, чтобы кто-нибудь, кто не в курсе внутренней коммутации, не оторвал чего при вскрытии корпуса.
Затем снова испытания схемы, дабы убедиться, что ничего не нарушено во время монтажа. Тут мне даже кот помогал - настоящий РадиоКот):
Всё ок, перешёл к катушке. Также сначала поиск материалов, обдумывание конструкции крепления. Были разные варианты, но все довольно затратные по времени. А потом, как это часто бывает, на глаза попались некоторые предметы, которые и послужили триггером для создания простой и практичной конструкции.
В качестве основы было использовано плоское деревянное лакированное кольцо, которое когда-то служило ручкой от винтажной женской сумки. А для крепления этого кольца к остальной части каркаса, добавил две растяжки из пластиковой бутылки, распущенной на ленту. После высыхания клея, немного прогрел их феном - они натянулись и обеспечили достаточно упругую конструкцию:
Далее, саму катушку плотно обмотал изолентой, нормально припаял кабель и закрепил всё это на кольцо. Для крепления к общему каркасу изготовил из одного элемента всё того же обруча нехитрый кронштейн (при помощи ножа и фена). Получилось вот так:
На этом можно сказать, что металлоискатель уже практически готов к полевым испытаниям. Изготовил упор для предплечья, подогнал палку для соединения частей и вперёд, тестировать).
В разобранном виде (первоначальный вариант):
А вот уже в сборе:
Процесс настройки довольно прост. Включаем, ждём 10-20 секунд (так сказать, прогрев), ставим катушку на землю и вращением настроечных резисторов добиваемся прекращения фона (гудения) в динамике. Как только фон пропал - это и есть максимальная чувствительность. Возможны периодические щелчки (примерно раз в секунду) - это нормально, прибор работает). В дальнейшем настройка больше не требуется, разве что незначительная коррекция по ситуации (в зависимости от погоды, местности и тп).
Сразу же прибор неплохо показал себя в работе, первые находки:
Но в самой конструкции обнаружились некоторые недостатки, требующие доработки.
В первую очередь немного изменил рукоять, жёстко связав два ранее раздельных элемента. Сделал это из-за того, что пластиковый замок, соединяющий их, под нагрузкой растягивается и ослабевает. Теперь же, хоть рукоять и стала немного габаритнее, но и гораздо прочнее и удобнее:
Позже добавил ещё упор от земли, чтобы во время поисков можно было положить прибор, и рукоять оставалась бы в вертикальном положении (и блок с электроникой не утыкался бы в землю). Вот как это выглядит на практике:
Также ещё добавил фиксацию упора для предплечья, чтобы он не вращался. И в общем всё, остальное, на данный момент, вполне меня устраивает.
Вот как выглядит текущий вариант в разобранном виде:
Основные компоненты умещаются в небольшую сумку, остаётся только палка, которую можно также куда-нибудь заправить или же нести в руках.
Сам прибор удобно лежит в руке, не напрягает (можно даже не сжимать кисть):
Простой, надёжный, компактный, удобный, недорогой. Конечно, из-за того, что схема не позволяет различать металлы, он вряд ли будет применяться для серьёзных поисков. Но для копа металлолома он вполне себе подходит, а также в качестве развлечения. За прошедшее лето я немного побродил по округе, покатался по разным местам (бывшим полевым станам, летникам и пр). Мне не важно было именно найти железо, просто интерес к самому процессу, как рыбалка. Ну и ощущение путешествия, хоть и небольшого.
Несколько кадров из вылазок:
А вот, сколько разных железок набралось за лето:
И мне приятно, и земля немного чище стала.
Ну и на этой ноте я завершаю свой рассказ. Времени на изготовление данного металлоискателя, потребовалось, в общем, около месяца (с перерывами). Финансовых вложений никаких, так как всё было собрано из имеющегося в наличии. В целом процесс для меня очень приятный, увлекательный и познавательный. Ну и получилось относительно полезное в быту устройство.
Спасибо за внимание! Очень рад, если кто-то дочитал до этого момента)
Небольшой обзор и демонстрация работы:
Click to viewПолезные ссылки:
Статья про металлоискатели в Википедии
Сюжет Алекса Гайвера о создании металлоискателя на ардуино
Принцип действия «Пирата», сборка, настройка, советы
Статья на radioskot.ru про него же
Группа в ВК «Самодельные металлоискатели»
Топик этой группы про «Пират» (схемы, модификации, советы)