Отдел образования Неверкинского района

Научно-практическая конференция «Старт в науку»

Выполнил: ученик 8«Б» класса

МБОУ СОШ села Неверкино

Сучков Вячеслав Научный руководитель: учитель

физики, высшей категории

Мещанева Ирина Александровна

Неверкино, 2012 год

Содержание:

Введение

Глава 1. Что такое металлоискатель?

§1 Классификация металлоискателей.

§2 Физика явлений.

§3. Практическое применение.

Глава 2. Практическая часть

§1. Простой металлоискатель

§2 Конструкция

Заключение

Литература

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Я являюсь учащимся очно-заочной краеведческой школы при областной станции юных туристов. Как и многие мои сверстники интересуюсь историей родного края. Особенно привлекает меня возможность по вещественным источникам раскрывать тайны прошлого. Как хотелось бы самому обнаружить частички предметов, которые возможно служили моим предкам; найти, может быть, следы прибивания на нашей территории Емельяна Пугачева. Вы только представьте, как это интересно изучать историю родного края не только по учебникам. Средства и методы подобных исследований описаны в различных книгах, создано множество технических устройств. Однако для сельских ребят это не по карману. Я неоднократно задавался вопросом: «Какой бы прибор можно сделать самому?». Вот здесь то и пришло на помощь моё увлечение физикой. Я решил сделать прибор, при помощи которого можно обнаружить металлические предметы.

Цель: смонтировать прибор для обнаружения металлических предметов.

Задачи:

• Изучить соответствующую литературу.

• Выбрать схему прибора.

• Собрать предполагаемый прибор.

• Практически использовать прибор.

1.Изучить функциональное значение, строение и свойства компонентов электронной схемы: резистора и транзистора.

2.Изучить технологию сборки электронной схемы металлоискателя

3.Смонтировать предполагаемый прибор

4.Провести испытания металлоискателя

« Я уже знаю свои результаты, но ещё не знаю, как к ним прийти»

Гаусс

Глава I. Что такое металлоискатель?

Металлоискатель - это электронный прибор, позволяющий обнаруживать металлические предметы (металл) в нейтральной или слабопроводящей среде за счет их проводимости. Металлоискатель (другое его название - металлодетектор) обнаруживает металл в грунте, воде, стенах, в древесине, под одеждой и в багаже, в пищевых продуктах, в организме человека и животных и т. д.

Первый металлоискатель был изобретен в начале XX века в США. Первоначально прибор разрабатывался для предотвращения воровства металлических деталей с заводов. Но, впоследствии, польза металлоискателей была замечена и в других отраслях, как промышленных, так и военных. Первоначально эти аппараты были чересчур велики и неудобны для массового использования, но в начале 60-х годов были разработаны более компактные модели. Компания «Garrett Metal Detectors» (США) на Олимпийских играх 1984 года впервые представила досмотровые арочные и ручные металлодетекторы. С тех пор детекторами для безопасности оснащают аэропорты. В конце 60-х по заказу Министерства авиации на заводе (В настоящее время ОАО "ТЗИА") была проведена разработка и начато производство металлодеткторов для досмотра авиапассажиров. С 1972 по 1990 год было выпущено 12000 стационарных металлодетекторов (МИС, МИС-2, МИС-3, МИС-4). Шотландский физик, Александр Белл использовал металлоискатель чтобы попытаться обнаружить место нахождения пули в груди американского президента Джеймса Гарфилда в 1881 году, хотя эта попытка и была безуспешной, поскольку тело президента находилось на металлической кровати, что вводило металлоискатель в заблуждение.

Бурное развитие микроэлектроники сделало металлоискатель компактным, надежным и весьма «интеллектуальным» прибором.

§1. Классификация металлоискателей

1. По принципу работы

Приборы типа «приём-передача».

В основе их лежат две катушки индуктивности - приёмная и передающая, расположенные так, чтобы сигнал, излучаемый передающей катушкой, не просачивался в приёмную катушку. Когда вблизи прибора появляется металлический предмет, то сигнал передающей катушки переизлучается им во всех направлениях и попадает в приёмную катушку, усиливается и подаётся на блок индикации.

Достоинства: относительно простая схемотехника, широкие возможности для определения типа обнаруженного объекта

Недостатки: сложность изготовления датчика, влияние минерализации грунта.

Структурная схема металлоискателя по принципу " прием - передача ".

Индукционные металлоискатели.

Представляют собой разновидность приборов типа «приём-передача», однако в отличие от последних содержат не две, а только одну катушку, которая одновременно является и передающей и приёмной. Основной трудностью при создании подобных приборов является выделение весьма малого отражённого (наведённого) сигнала на фоне мощного передаваемого (излучаемого).

Достоинства: простота конструкции датчика.

Структурная схема индукционного металлоискателя.

Приборы - измерители частоты.

В их основе лежит LC-генератор. При приближении металла к контуру его частота изменяется. Это изменение фиксируется различными методами:

• Смешивание частоты генератора с эталонной и измерение частоты биений.

• Подача сигнала с генератора на систему ФАПЧ и измерение напряжения в цепи обратной связи.

Достоинства: простота конструкции датчика, простая схемотехника.

Недостатки: худшие возможности дискриминации обнаруженных объектов, малая чувствительность.

Импульсные металлоискатели.

Принцип работы основан на возбуждении в зоне расположения металлического объекта импульсных вихревых токов и измерении вторичного электромагнитного поля, которое наводят эти токи. В данном случае, возбуждающий сигнал передается в катушку датчика не постоянно, а периодически, в виде импульсов. В проводящих объектах наводятся затухающие вихревые токи, которые возбуждают затухающее электромагнитное поле. Поле, в свою очередь, наводит в катушке датчика затухающий ток. Соответственно, в зависимости от проводящих свойств и размера объекта, сигнал меняет свою форму и длительность.

Достоинства: нечуствительность к минерализированному грунту, простота конструкции датчика.

Недостатки: повышенное потребление энергии, слабые возможности дискриминации.

Упрощенная блок-схема импульсного металлоискателя.

2. По выполняемым задачам

Грунтовый металлоискатель - предназначен для поиска кладов, монет и ювелирных изделий. Как правило, построен по индукционной технологии. Имеет множество настроек, DSP-процессор, дискриминатор металлов - специальную функцию для определения металла, из которого предположительно состоит объект в земле. Глубина обнаружения объектов от 20 см до 1 метра.

Военный металлоискатель (миноискатель) - предназначен для поиска преимущественно мин. Как правило, построен на принципе «приём-передача». Имеет минимум настроек. Глубина обнаружения мины от 20 см (Советский миноискатель ИМП) до 1 метра (Современные военные миноискатели).

Досмотровый металлоискатель (ручной) - предназначен для служб безопасности. Служит для обнаружения на теле человека металлических предметов (пистолет, нож). Дальность обнаружения пистолета Макарова - до 25 см.

Арочные (рамочные) металлоискатели - используются для контроля больших потоков людей, например, в метро, на вокзалах. Представляют собой рамку, через которую проходит человек.

Глубинный металлоискатель - предназначен для поиска больших глубинных целей, таких как сундук с золотом. Имеет две разнесённые друг от друга катушки, либо одну большую рамку с катушкой. Основан на принципе «приём-передача». Отличительной особенностью данного вида металлоискателей является то, что он реагирует не только на металлы, но и на любые изменения в глубине грунта (переходы от одной почвы к другой, старые фундаменты зданий и т. д.). Глубина обнаружения объектов от 50 см до 3 метров.

Магнитометры - предназначены для поиска ферромагнитных целей, например железо. Данный вид металлоискателей самый компактный и самый чувствительный, так как поисковая головка может поместится на ладони. Также магнитометры могут применяться и для поиска золота, меди, алюминия… Но для этого нужен дополнительно возбудитель, который будет делать из неферромагнитных металлов образно говоря электромагниты.

§2. Физика явления

Различные модели металлоискателей работают на различных частотах. Это связано с физикой явления распространения электромагнитных волн. Так металлоискатели, работающие на маленьких частотах, могут находить предметы глубоко, но большого размера. При этом на поверхности земли они как бы не замечают металлических предметов. Если частота работы металлоискателя высокая, то приборы хорошо обнаруживают мелкие объекты, но не могут находить цели глубоко.

Пример частот металлоискателей по назначению:

• Глубинные металлоискатели, например, работают на частоте - 6,6 кГц. Глубина обнаружения - около 4 м.

• Грунтовые металлоискатели для поиска монет - до 22,5кГц. Глубина обнаружения, например каски - около 1-1,5 м, монеты - до 40 см.

Во многом работа металлоискателя зависит от катушки.

§3. Практическое применение

В охранных структурах и криминалистике металлоискатель применяется сейчас шире, чем где-либо. Любой человек сталкивался с подобными приборами при входе в банк, аэропорт или ночной клуб. Прежде всего - это «ворота», при проходе через которые можно обнаружить даже незначительные металлические предметы. Бывает, в человеке после хирургической операции остается металлический объект (например титановые стержни при переломах костей). Тогда на помощь секьюрити приходит небольшой металлоискатель для личного досмотра. Им без труда и с высокой точностью локализуется подозрительный предмет. Подобными приборами обязательно оснащены подразделения внутренних войск, охраняющие места лишения свободы. На Западе террористы часто практикуют посылку писем с заложенными в них взрывчатыми устройствами, в основном - в средства массовой информации. Пытаясь защититься от этого, крупные учреждения имеют специальные приборы для проверки входящей почтовой корреспонденции.

Ни одно уважающее себя предприятие по производству пищевых продуктов (не в России), будь то кондитерская фабрика, или колбасный цех, не обходится без металлоискателя. До недавнего времени в нашей стране обнаружение в пищевых продуктах посторонних предметов грозило предприятию - изготовителю не более чем упреками в халатности и заметкой в местной газете под рубрикой «Позор бракоделам»… Сейчас это может повлечь судебное разбирательство, а в странах с более развитьми структурами потребительского рынка попадание, скажем, гвоздя в колбасу - верный путь к банкротству мясоперерабатывающего комбината (придать такой факт огласке позаботятся его конкуренты) и судебной ответственности персонала. Естественно, что лучше потратить несколько сотен долларов на прибор, чем оплачивать потом судебные издержки.

Незаменимы металлоискатели в строительстве и в процессе ремонтных работ. Подумайте, как обойтись без этого прибора, если Вам нужно составить проект реконструкции старого здания, на которое отсутствуют чертежи расположения балок и других несущих конструкций (нельзя ведь долбить памятник архитектуры где попало); а если необходимо проследить как проходит в земле трубопровод или электрический кабель (не перекапывать же все вокруг);

или просто Вы хотите просверлить электрической дрелью отверстие в стене своего дома, то незнание расположения проводки может стоить Вам жизни. Спасти Вашу жизнь или избавить от ненужной работы поможет металлоискатель.

В процессе обработки древесины, особенно поступающей из пригородных лесов, в стволах попадаются гвозди и другие металлические предметы. Избежать поломки пилы или другого оборудования можно только, проверив древесину металлоискателем. Специальная рамка, установленная перед циркулярной пилой, автоматически остановит транспортер при обнаружении металла в древесине.

При сортировке мусора на мусороперерабатывающих предприятиях возникает необходимость избавить, например, макулатуру от металлических предметов. Хорошо, если предметы - железные, и их можно удалить магнитом. Обнаружить и удалить немагнитные металлические объекты можно только индукционным металлоискателем.

При добыче полезных ископаемых, особенно самородного золота, металлоискатель просто незаменим. Многие прииски в Америке, Австралии и других странах пережили второе рождение, когда при помощи металлоискателей производительность труда старателей увеличилась в десятки раз. Российских золотодобытчиков подобная «революция» еще ждет: металлоискатели только начинают появляться на бескрайних просторах Зауралья.

Археологу металлоискатель поможет определить наиболее перспективное место для детальных раскопок, даст возможность извлечь интересные находки там, где сплошные раскопки просто невозможны по разным причинам. Бок о бок с археологами работают искатели кладов и сокровищ

Глава II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Каким условиям должен отвечать электронный металлоискатель? Прежде всего он должен иметь высокую чувствительность (чтобы реагировать не небольшие предметы), обнаруживать метал­лические предметы на большой глубине и точно определять их границы. Такие условия выполнить нелегко. Каждый металлоискатель имеет источник электромагнитных колебаний ВЧ, проникающих в исследуемую среду. Приведем не­сколько общих закономерностей.

Металлический предмет диаметром 20 им вызывает изменения сигнала, в 64 раза меньшие, чем предмет диаметром 80 мы, находя­щийся на том же расстоянии. Металлический предмет, удаленный на 400 мм, вызывает изменении сигнала в 4096 раз меньшие, чем тот же предмет на расстоянии 100 мм. Присутствие пресной воды не пре­пятствует поискам. Необходимо только защитить устройство от попадания влага. Затухание сигналов в воде меньше, чем о грунте. Наиболее удобен диапазон частот 50 кГц...2 МГц.

В любительской практика применяют три разновидности металлоискателей (табл.)

Следует сразу же сказать, что я построил модель, иллюстрирующую принцип действия прибора, а не практический электронный искатель, который очень сложен в регулировке, и, кроме того, работа с ними требует знания техники коротких волн.

§1. Простой металлоискатель

Принципиальная электрическая схема простого металлоискателя (приложение 1), обнаруживает 50-ко­пеечные монеты на глубине около 2 см, большие металлические предметы, зарытые на глубине до нескольких десятков сантиметров, скрытую в стене проводку на расстоянии 5...10 см.

1. Принцип действия.

Устройство состоит из двух гене­раторов ВЧ (транзисторы Т1 и Т2), детектора-усилителя (ТЗ). Когда катушку L2 искателя приближают к металлическому предмету, частота генератора на транзисторе Т1 изменяется, частота другого генератора на транзисторе Т2 остается постоянной. В результате изменяется разность частот, которую, прослушивают на головные телефоны.

2. Детали

Контур L1С1 - это фильтр ПЧ (465 кГЦ) от радио­приемника. Можно использовать весь фильтр вместе с экраном или только катушку с сердечником. В приборе она может быть и не экранирована. Катушка L2 содержит 31 виток провода ПЭВ 0,38, вит­ки намотаны на деревянном или пластмассовом кольце диаметром 250мм, отвод от 10-го витка (по схеме сверху). Конденсатор перемен­ном емкости (КПП) С2 - малогабаритный с твердым диэлектри­ком или воздушный. Можно применить подстроечный конденсатор с параллельно подключенным конденсатором постоянной емкости. Источник питания - батарея напряжением 4,5 В. Транзисторы имеют коэффициент передачи тока h_12э 30...40. В качестве транзистора Т1 и Т2 можно применить ВЧ транзисторы (П401 ...403, ГТ309, ГТ 313, AF 416...535).

3. Конструкция.

Катушка L2 представляет собой выносную головку и закрепляется на деревянном шесте, который держат о руке (рис 2). КПП (С 2) размещается на 200...500 мм выше катушки. Катушку можно заключить в пластмассовый мешок для защиты от влаги.

рис 2

4. Регулировка.

После включения металлоискателя, вращая ручку КПЕ, добиваемся в телефонах изменяющегося звука. Если сто звука не будет, нужно увеличить емкость конденсатора СЗ до 200 пФ или замкнуть его отрезком провода. Подбирая величину ем­кости конденсатора С3, следует стремится к тому, чтобы звук возни­кал приблизительно при среднем значении емкости конденсатораС2.

5. Работа с прибором.

Надев телефоны и включив напряжение питания, приближаем выносную головку искателя к поверхности земли и, меняя емкость конденсатора С2, стараемся получить самый низкий тон. Затем начинаем перемещать катушку L2 параллельно поверхности земли. В момент повышения частоты звука в телефонах движение головки искателя следует замедлить для четкого определения местонахождения металла.

Предметы небольших размеров лучше разыскивать, переме­щая головку с катушкой L2 по поверхности земли. Влажный грунт понижает частоту звука (в противоположность металлу). Поэтому в зависимости от вида грунта может потребоваться подстройка конденсатором С2.

§2 Конструкция

Перед началом работы я изучил множество литературы, выбрал принципиальную схему прибора, изучил физические принципы действия, затем подобрал все необходимые детали (описаны в п. 1.2)

2.1 Механическая сборка

На этом этапе я подготовил текстолитовую пластинку для платы и увеличил принципиальную схему прибора (для удобства электрического монтажа), приклеил схему к пластинке и высверлил все необходимые отверстия. Они нужны для крепления деталей (прложение2).

Закрепил детали на плате согласно схеме (приложение 3). Для получения надежного контакта все монтажные соединения пропаял (приложение 4). В качестве припоя использовал сплав олова и свинца. Чистое олово не применяется из-за низкой прочности соединения. Для удаления оксидной поленки с поверхности паяемого материала использовал канифоль.

Основу для выносной катушки изготовил из остатков кабельканала. (приложение 5).

2.2 Электрический монтаж

Электрический монтаж заключается в прокладке дорожек между деталями.( приложение 6). Все дорожки должны проходить по кратчайшему пути. Следует избегать «красивого монтажа» при котором провода идут параллельно друг другу, так как от этого возрастают ненужные связи между цепями. Особое внимание я уделил пайке транзисторов, так как

эти детали от высоких температурах могут выйти из строя.

Когда монтаж был закончен, сразу же хотел проверить, как работает прибор. К сожалению, потребовалось еще немало времени, чтобы его отрегулировать. Принципы регулировки описаны в п.1.5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе изготовления прибора я научился понимать целостность научного мировоззрения. Идея основанная на желании изучить историю, реализованная с помощью физических знаний, помогла мне понять что нет физики, химии, истории отдельно, все школьные предметы связаны единой цепью.

Радиоэлектроника это область физики которая является просто поэзией современной техники. Я заглянул в ее мир загадочный, увлекательный. Получил небольшой опыт по сборке простых механизмов: научился пользоваться паяльником, отличать конденсатор от транзисторов, чуть - чуть изучил принцип их работы. В результате собрал простой прибор, способный находить металлические предметы. Мой прибор можно применять как для разведывательной работы на местности, так и в бытовых условиях (поиск электропроводки в бетонных стенах).

Я не собираюсь останавливаться на достигнутом и хочу продолжить начатое. В дальнейшем я думаю создать металлоискатель, в котором я учту недостатки и немного усовершенствую его конструкцию.

Литература

• Я.Войцеховский электронные игрушки. - Москва, советское радио 1976 год

• Саулов А.Ю. Металлоискатели для любителей и профессионалов. - СПб.: Наука и Техника, 2004. - 224 с.: ил.

• А. Щедрин, Ю. Колоколов Металлоискатель по принципу частотомера.
  ж. Радиолюбитель №5. 2002 г. с. 17 - 20

• Радио № 1, 1967г.

• metaldetector.brask-sity.ru- Все, что вы хотите знать о металлодетекторах

приложении 1

приложении 2