Из этой инструкции вы узнаете как сделать самодельный металлоискатель в домашних условиях. Поиск различных металлических объектов — отличное хобби, которое обеспечит вам прогулки на свежем воздухе, позволит обнаружить новые места и, возможно, найти что-то интересное. Прежде чем узнать как сделать металлоискатель своими руками, выясните местные законы о том, как действовать в случае возможной находки, в частности, в случае опасных объектов, археологических реликвий или объектов значительной экономической или эмоциональной ценности.

В сети довольно много инструкций по самодельной сборке дома мощных металлоискателей для цветных металлов своими руками, однако, особенность этой инструкции в том, что в дополнение к Arduino требуется всего несколько компонентов: обычный конденсатор, резистор и диод, образующие сердечник вместе с поисковой катушкой, состоящей из 20 обмоток электропроводящего кабеля. Светодиод, динамик и / или наушники. Дополнительным преимуществом является то, что всё может питаться от 5 В, для чего достаточно общей мощности USB 2000 мАч.

Для того, чтобы интерпретировать сигнал и понять, какие материалы и какой формы предметы детектор может обнаруживать, необходимо углубиться в физику. Согласно правилу большого пальца, детектор чувствителен к объектам на расстоянии или глубине не превышающей радиус катушки. Он наиболее чувствителен к объектам, в которых ток может течь в плоскости катушки. Таким образом, металлический диск в плоскости катушки даст гораздо более сильный отклик, чем тот же металлический диск, перпендикулярный катушке. Вес объекта не имеет большого значения. Тонкая алюминиевая фольга, ориентированная в плоскости катушки, даст гораздо более сильный отклик, чем тяжелый металлический болт.

Шаг 1: Принцип работы


Когда электричество начинает проходить через катушку, оно создает магнитное поле. Согласно закону индукции Фарадея, изменяющееся магнитное поле приведет к электрическому полю, которое противостоит изменению магнитного поля. Таким образом, напряжение будет развиваться по катушке, что будет противодействовать увеличению тока. Этот эффект называется самоиндукцией, а единицей индуктивности является Генри, где катушка 1 Генри развивает разность потенциалов на 1 В, когда ток изменяется на 1 Ампер в секунду. Индуктивность катушки с N обмотками и радиусом R составляет приблизительно 5 мкГн x N ^ 2 x R, с R в метрах.

Наличие металлического объекта вблизи катушки изменит его индуктивность. В зависимости от типа металла индуктивность может увеличиваться или уменьшаться. Немагнитные металлы, такие как медь и алюминий вблизи катушки, уменьшают индуктивность, поскольку изменяющееся магнитное поле индуцирует вихревые токи в объекте, которые уменьшают интенсивность локального магнитного поля.

Ферромагнитные материалы, такие как железо, вблизи катушки увеличивают индуктивность, потому что индуцированные магнитные поля выравниваются с внешним магнитным полем.

Таким образом, измеряя индуктивность катушки можно обнаружить присутствие металлов поблизости. С Arduino, конденсатором, диодом и резистором можно измерить индуктивность катушки следующим образом: делая катушку частью высокочастотного LR фильтра и питая его волновыми блоками, будут создаваться короткие всплески на каждом переходе. Длительность этих всплесков пропорциональна индуктивности катушки. Фактически, характерное время фильтра LR равно tau = L / R. Для катушки с двадцатью витками и диаметром 10 см L ~ 5muH x 20 ^ 2 x 0,05 = 100 мкГн.

Для защиты Arduino от избыточного тока минимальное сопротивление составляет 200 Ом. Таким образом, мы ожидаем импульсы длиной около 0,5 микросекунды. Их трудно измерить напрямую с высокой точностью, учитывая, что тактовая частота Arduino составляет 16 МГц.

Вместо этого восходящий импульс можно использовать для зарядки конденсатора, который затем может быть считан аналого-цифровым преобразователем (ADC) Arduino. Ожидаемый заряд от импульса 25 мА длительностью 0,5 микросекунд составляет 12,5 нК, что даст 1,25 В на конденсаторе 10 нФ. Падение напряжения на диоде уменьшит это значение. Если импульс повторяется несколько раз, заряд конденсатора возрастает до ~ 2 В. Эти параметры можно получить с помощью Arduino ADC, используя analogRead (). Затем конденсатор можно быстро разрядить, изменив считывающий разъем на выходной и установив его на 0 В на несколько микросекунд.

Все измерения занимают около 200 микросекунд, 100 для зарядки и сброса конденсатора и 100 для преобразования ADC. Точность может быть значительно увеличена путем повторения измерения и усреднения результата: в среднем 256 измерений занимают 50 мс и улучшают точность в 16 раз. Таким образом, 10-битный ADC достигает точности 14-битного ADC.

Так как получаемые параметры крайне нелинейны с индуктивностью катушки, мы не можем узнать реальное значение индукции. Однако, для обнаружения металла нас интересуют только незначительные изменения индуктивности катушки из-за присутствия металлов по близости, и для этого этот метод идеально подходит.

Калибровка измерений может выполняться в автоматическом режиме с помощью ПО. Если рядом с катушкой большую часть времени нет металла, то отклонение от среднего значения, будет означать наличие рядом металлического объекта.

Используя различные цвета лампочек и звуки, можно так же видеть разницу – увеличивается или уменьшается индукция.

Шаг 2: Список необходимых компонентов

Электрическая основа:

  • Arduino UNO R3 + макетная плата или Arduino Nano с 5×7см макетной платой
  • 10nF конденсатор
  • Маленький сигнальный диод, например, 1N4148
  • 220- ом резистор

Для питания:

  • Переносная зарядка с USB кабелем

Для визуального вывода:

  • 2 светодиода разного цвета, например, синий и зеленый
  • 2 резистора 220 Ом для ограничения тока

Для вывода звука:

  • Пассивный зуммер
  • Микровыключатель для отключения звука

Для выхода наушников:

  • Разъем для наушников
  • Резистор 1 кОм
  • Наушники

Чтобы легко подключить / отключить поисковую катушку:

  • 2-контактный винтовой зажим (клемма)

Для поисковой катушки:

  • ~ 5 метров тонкого электрического кабеля

Конструкция для катушки. Должна быть жесткой, но не должна быть круглой. Для конструкции: Около 1 метра — палка деревянная, пластиковая или селфи-палка.

Шаг 3: Поисковая катушка


Для поисковой катушки я намотал примерно 4 м многожильного провода вокруг картонного цилиндра диаметром 9 см, в результате чего получилось 18 витков. Тип кабеля не имеет значения, если сопротивление по меньшей мере в десять раз меньше значения R в фильтре RL, поэтому убедитесь, что оно осталось ниже 20 Ом. Я измерил, вышло 1 Ом, так что это безопасно. Так же подходит 10 метровый рулон соединительной проволоки с разветвленными концами.

Шаг 4: Собираем прототип





Учитывая небольшое количество внешних компонентов, вполне возможно собрать схему на маленькой макетной плате. Однако конечный результат довольно громоздкий и не очень надежный. Поэтому, лучше использовать Arduino nano и припаять с дополнительными компонентами на панели прототипов 5×7 см (см. Следующий шаг)

Для обнаружения металлов используются всего 2 контакта Arduino, один для обеспечения импульсов к фильтру LR и один для считывания напряжения на конденсаторе. Пульсирование может производиться с любого выходного контакта, но считывание должно проводиться с помощью одного из аналоговых контактов A0-A5. Еще 3 контакта используются для 2 светодиодов и для вывода звука.

Последовательность сборки:

  1. На макетной плате последовательно подключите резистор 220 Ом, конденсатор и диод, направленный отрицательной клеммой (черная линия) к конденсатору.
  2. Подключите A0 к резистору (конец, не подключенный к диоду)
  3. Подключите A1 к месту пересечения диода и конденсатора
  4. Подключите один конец катушки к точке пересечения резистора и диода
  5. Подключите другой конец катушки к земле
  6. Подключите один светодиод его положительной клеммой к выводу D12 и его отрицательной клеммой через резистор 220 Ом к земле
  7. Подключите другой светодиод его положительной клеммой к выводу D11 и его отрицательной клеммой через резистор 220 Ом к земле
  8. При желании, подключите наушники или динамики между контактом 10 и землей. Конденсатор или резистор можно добавить последовательно для уменьшения громкости.

На этом все!

Шаг 5: Делаем окончательную версию устройства



Для того, чтобы использовать металлоискатель на улице, необходимо надежно припаять все компоненты. Обычная макетная плата 7х5см прекрасно подойдет к Arduino nano и все остальным компонентам. Используйте ту же схему, что и в прошлом шаге. Я так же решил добавить выключатель последовательно с зуммером, чтобы иметь возможность отключать звук, когда он не нужен. При помощи винтового зажима, можно быстро попробовать различные катушки, без необходимости заново паять. Все питание осуществляется через 5В mini- или microUSB порт Arduino Nano.

Шаг 6: Программное обеспечение

Скетч Arduino вы можете скачать ниже. Загрузите и запустите его. Я использовал Arduino 1.6.12 IDE. Рекомендуется запускать с debug = true в начале, чтобы настроить количество импульсов на измерение. Лучше всего иметь показания АЦП между 200 и 300. Увеличьте или уменьшите количество импульсов в случае, если ваша катушка дает совершенно другие показания.

Скетч делает некоторую самокалибровку. Достаточно расположить катушку вдали от металлов на некоторое время. Небольшие перемены в индуктивности будут наблюдаться, но внезапные большие изменения не повлияют на долгосрочное среднее значение.

Файлы

Шаг 7: Закрепляем устройство



Скорее всего, вы не захотите заниматься поиском сокровищ ползая по полу, так что лучше установить всю конструкцию на конец палки. Селфи-палка подойдет идеально, она легкая, складная и регулируемая. Переносной аккумулятор прекрасно подошел к палке. Плату можно закрепить при помощи кабельных стяжек и точно таким же образом катушку, прикрепив ее к аккумулятору или селфи-палке.

Шаг 8: Инструкция по применению

Для того, чтобы установилось референсное значение, достаточно отдалить самодельный металлоискатель от металлов примерно на 5 секунд. Затем, когда катушка будет приближаться к металлу, зеленый или синий светодиод начнут мигать, а так же будут слышны звуковые сигналы.

Синие вспышки и звуковые сигналы низкой частоты указывают на присутствие неферромагнитных металлов. Зеленые вспышки и звуковые сигналы высокой частоты указывают на присутствие ферромагнитных металлов. Учтите, что когда катушка находится более 5 секунд вблизи металла, то полученное значение будет считаться референсным, и звуковой сигнал будет издаваться, когда вы отведете детектор от металла, который затихнет через несколько секунд. Частота моргания диодов и звуковых сигналов зависит от мощности сигнала.