Металлоискатели и их применение

Муниципальное автономное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №187

 с углублённым изучением отдельных предметов.

Тема работы:

Металлоискатели и их применение

Выполнил: Зобнин Илья 

ученик 9 «а» класса

Научный руководитель: Шиленкова Ольга Марковна,

учитель  физики

Нижний Новгород

2025г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ………………………………………………………………..………...3

Глава I Теоретическая часть  …………………………………….………………4

1. История создания…………………………………………………………..4
2. Создание современных металлодетекторов …………………………..…7
3. Создание промышленных металлоискателей “Garret”……………….10

Глава II Экспериментальная часть ………………………………………….….12

1. Выбор платы……………………..………………………..……...…….....12
2. Закупка деталей………………….……………………..….……………...12
3. Сборка платы………………….……………………….………………….13
4. Прошивка………………………..…………………………..………….…14

Заключение ……………………………………………………...……………….15

Список использованной литературы …………………………...…………..….16

Приложения………………………………………………………..…………….17

Введение

Мал золотник, да дорог…

Русская народная пословица

        Иногда  малый размер металлического предмета не согласуется с его огромным значением для владельца. В прошлом году моя мама при работе на садовом участке потеряла кольцо, и это ее очень расстроило. Искать столь малый предмет на площади в двадцать соток совсем непросто, покупка  промышленного металлоискателя обойдется дороже, чем покупка нового кольца, поэтому я решил собрать металлодетектор сам.

Поэтому Целью работы стало: Сборка металлодетектора для поиска различных металлических предметов.

Задачи:

1. Изучить литературу по данной теме
2. Найти надежную схему.
3. Собрать плату и поисковую катушку.
4. Протестировать собранный прибор в полевых условиях

Актуальность: Основное значение металлопоиска, в том, что он помогает обнаружить как полезные ископаемые, так и драгоценности (монеты, предметы старины, золото и т.д.), а так же может служить  для обеспечения безопасности.

Новизна: Данный прибор можно создать в домашних условиях при наличии определенных знаний. Также стоимость его получается ниже в сравнении с заводскими приборами.

Теоретическая часть.

Глава 1.

История возникновения и использования металлоискаетелей.

До того как появились металлоискатели, человек уже пытался искать клады и железные руды. В этом им уже помогали “лозоходцы” с помощью ветки лозы они искали полезные ископаемые еще за 2000 лет до нашей эры, что видно на китайских гравюрах. В Европе впервые лозоходство было описано в 1556 году, как в средневековой Германии горняки находили руду с помощью “волшебной лозы”. Лозоходство используется и по сей день, только уже как биолокация.

Первые металлодетекторы упоминаются еще в древних китайских трактатах II в. до н.э. В них вход в императорские покои описывается в виде арки, которая изготовлена из природного магнетита. Арка выполнена в форме подковы. Такая арка-магнит притягивала к себе все металлические предметы, оружие в том числе. Поэтому тайно пронести, например, нож в императорские покои было невозможно.

 Несколько столетий спустя, в XIX веке, исследователями проводились опыты по применению магнитной индукции. В США над подобными разработками активно работал, изобретатель телефона, А. Белл. В 1881 году выстрелом из ружья был смертельно ранен американский президент Дж. Гартфилд. Медики попросили Белла помочь им найти пулю. Однако прибор, изобретенный Беллом, был слишком прост, и ученому не удалось обнаружить пулю. Президент умер.

В начале ХХ века разработка металлоискателей велась, главным образом, для обнаружения полезных ископаемых, в том числе электропроводных руд в Америке и Англии. Аппараты того времени были очень тяжелы, имели большие размеры и монтировались на автомобиль. Состояли они из мощного генератора и большой излучающей катушки, которые и создавали сильное электромагнитное поле. Такие детекторы могли исследовать территории на насколько метров в глубину, сигнал от металлических руд и других электропроводных объектов улавливала приемная катушка. Изменение параметров вторичного поля давало возможность понять, какой объект был обнаружен прибором.

Позднее установки такой большой мощности были запрещены в странах-участницах Конвенции о предельно допустимых уровнях электромагнитных волн. Первые детекторы арочного типа были сконструированы в Германии в 1925 году. С их помощью можно было обнаружить металлические предметы, которые рабочие пытались вынести с завода или фабрики. В это же время исследователь из Германии Ш. Герр открыл магнитный индукционный баланс, на основе этого явления ученый сконструировал металлодетектор. Опытный образец Герра был настолько удачным, что в скором времени идею создания металлодетекторов подобного рода подхватили все ведущие компании, в особенности в США. Американская частная компания "Radio Metal Locating Company" первой начала выпускать ручные металлоискатели уже в конце 20-х гг. ХХ века. Катушки детектора закреплялись на деревянной раме и были удалены друг от друга на расстоянии двух метров, благодаря этому между приемной и передающей катушками сохранялся индукционный баланс, т.к. исключалась взаимная электронная интерференция(рис.2). Все металлические объекты, которые попадали в электромагнитное поле передающей катушки, нарушали индукционный баланс, таким образом, в приемной катушке возникало напряжение, усиленное прибором оно передавалось в виде звука оператору. Работал прибор на 6 радиолампах, был очень громоздким, зато с его помощью можно было легко найти трубы на 3-х метровой глубине. Несмотря на первоначальный успех, к началу 30-х гг. компания обанкротилась.

Экономическая депрессия в Америке закончилась активными застройками, строительная отрасль стремительно набирала обороты, поэтому опять появился спрос на приборы для обнаружения кабелей и труб. В 1923 году разработкой приборов данного вида начал заниматься американец Герхард Фишер. В 1937 году он впервые запатентовал свою модель металлоискателя, назвав его «металлоскопом». В этом же году Фишер открывает собственную фирму по изготовлению металлодетекторов. В металлоскопе Фишера использовалось уже 9 ламп, да и сама схема прибора была значительно усложнена. Рабочую частоту аппарата Фишер понизил до 1 кГц, благодаря чему обеспечивалась работа прибора на большей глубине. Схема прибора Фишера была подробно описана в нескольких научно-популярных изданиях, поэтому радиолюбители смогли собирать такие детекторы самостоятельно в домашних условиях.

Наряду с компанией Фишера, разработками металлодетекторов занимается другая компания из США — "Goldak Company". В 30-х гг. она впервые выпускает свои собственные детекторы, очень похожие на приборы Фишера. Детекторы "Goldak Company" назывались «радиоскопами». Отличительная их особенность в том, что в радиоскопах впервые был решен вопрос отстройки от грунта. Данной компании принадлежит первый патент на металлоискатели, имеющие круглую поисковую катушку, которая используется в большинстве современных приборов.

Любопытно, что детекторы 30-х гг. изготавливались из дерева, работали с помощью радиоламп, их вес составлял 15-25 кг. Начиная с конца 30-х гг., разрабатываются металлоискатели, в большинстве своём, с круглой поисковой катушкой и электронным блоком, закрепленным на штанге. Приборы подобной конструкции было легче использовать, с их помощью можно было найти и мелкие предметы, и крупные сокровища. Для обнаружения труб массово применялись детекторы на биениях, со временем их стали использовать для поиска мин. В конце 40-х гг. миноискатели стали применять для обнаружения сокровищ. Впервые подобный опыт был проведен в США, когда с военных складов стали продавать устаревшее оборудование.

Создание современных металлодетекторов.

Использовались миноискатели тогда, главным образом, для поиска золотых самородков и кладов. Приборы были довольно тяжелыми и неудобными, поэтому применяли их лишь энтузиасты-любители. Повсеместно поиском кладов в США стали заниматься с конца 50-х гг., когда в продаже появились модели легких компактных металлоискателей, работающих на транзисторах. В этот же период открывается множество фирм, изготавливающих и продающих различные металлоискатели, которые работали на биениях либо на индукционном балансе.

Чувствительность приборов в то время была не слишком высока (для монет 10-15 см), дискриминации и отстройки от грунта не было, однако данные приборы были намного удобнее миноискателей, с их помощью можно было обнаружить монеты, кольца, прочие мелкие драгоценности.

В 60-х гг. главными производителями детекторов в Америке становятся: Г. Фишер, Ч. Гарретт, У. Меган, Э. Рейс. В 70-х гг. цены на золото резко подскочили, после чего огромное количество людей кинулось искать золотые самородки. С 1933 по 1974 год в США правительство искусственно занижало цены на золото (ок. 35 долл. за 1 унцию), в это же время частным лицам запрещалось иметь золото. С отменой это запрета цена на золото сразу выросла. В конце 70-х гг. 1 унция золота стоила уже 800 долларов. Такой резкий ценовой скачок стимулировал интерес к поиску золота и к металлоискательству в целом. Продажи металлодетекторов в США стремительно выросли. Количество фирм, выпускающих приборы для поиска золота, также резко возросло.

Правда, в условиях жесткой конкуренции занять достойное место на рынке металлоискателей удалось лишь немногим: Fisher Research Laboratory, Garrett Electronics, White's Electronics и английская компания Inc. и C-Scoop. В 80-х гг. активно развиваются новые американские компании-производители детекторов: Tehnetics, Tesoro Electronics и австралийская фирма Minelab.

 В этот же период появляются детекторы небольших размеров с высокой степенью чувствительности. Со временем в приборах появляются новые функции: отстройка от минерализованных почв и металлического мусора. Правда, до конца 70-х гг. два данных процесса одновременно проводить было нельзя. Снизилась рабочая частота детекторов с изначальной 100 кГц до 1-5 кГц. Со временем металлоискатели стали в ходе поиска подстраиваться автоматически под грунт, был начат выпуск недорогих импульсных приборов с дискриминацией и пр.

 Год от года металлодетекторы становились всё совершеннее, но с появлением новых функций и возможностей увеличивался и вес приборов. Поэтому в 80-х гг. Фишер представил на суд публики совершенно новый детектор (1260-Х), оснащенный автоматической отстройкой от грунта и автоматической дискриминацией. Благодаря принципиально новым технологиям прибор Фишера получился легким, простым в управлении и довольно эффективным в работе. Очень быстро приборы такого типа стали выпускать и другие производители.

Год от года сигнал от обнаруженной цели становился всё точнее. Значительно улучшена данная функция была в середине 90-х гг. во время возникновения компьютерных технологий. Первыми запатентовали компьютеризированный металлоискатель представители фирмы Garrett Electronics. Хотя первыми наладили выпуск компьютеризированных приборов White's Electronics. На сегодняшний момент все производители металлодетекторов выпускают приборы, оснащенные микропроцессорами.

До начала 90-х гг. в России у частников металлоискателей почти не было. Поиском кладов занимались единицы, в основном, древние реликвии искали соответствующие ведомства. В этих целях использовались чаще всего военные миноискатели. Конечно, были радиолюбители-энтузиасты, которые изготавливали приборы самостоятельно по схемам, опубликованным в научно-популярных журналах. Однако их было крайне мало.

Первые металлоискатели зарубежного производства появились в Москве только в 1980 году — несколько экземпляров (детекторы White's Electronics, Gardiner Electronics и D-Tex) было выставлено в Минералогическом музее им. Ферсмана РАН. Данные детекторы использовали сотрудники музея в своих экспедициях для обнаружения электропроводящих минералов (меди, амальгамы серебра, железа, метеоритов и пр.).

 В это же время отдельные сотрудники пытались донести до руководителей министерств важность использования подобных приборов и необходимость их применения в археологических экспедициях. Реакция чиновников на подобные предложения была негативной. Например, академик Рыбаков считал, что металлодетекторы могут использоваться археологами только в разведывательных целях, дальнейшее применение устройств любителями должно, как считал чиновник, привести к конфликтам. Несмотря на это, с конца 80-х гг. в России начали продавать зарубежные металлоискатели.

На сегодняшний день ежегодно продаются тысячи экземпляров и их количество постоянно растет. Современные модели металлодетекторов способны выполнять такие полезные функции, как обнаружение металла, определение, к какой группе он относится, определение размера находки, глубины её залегания, точного местоположения, отсеивание минералов грунта и металлического мусора. Тем не менее, и сегодня возможности металлоискателей ограничены: ни один даже самый лучший прибор не сможет найти монету на глубине свыше 70 см, показать химический состав находки, показать её контур на экране. В будущем металлоискатели наверняка будут наделены подобными функциями.

Создание промышленных металлоискателей “Garret”

В 1964 году бизнесмен и талантливый инженер Чарльз Л. Гарретт основал компанию по разработке и производству металлоискателей Garrett Electronics Inc. Так был создан бренд Garrett Metal Detectors, который впоследствии стал всемирно известным.  Путь Чарльза к собственному делу занял 5 долгих лет. В 1959 году после получения диплома инженера в сфере электроники, Гарретт становится участником космической программы НАСА, где занимается созданием компонентов электроники для американских экспедиций на Луну.

Свободное от службы время Чарльз посвящает поиску сокровищ. Он вооружается прибором и ищет монеты, драгоценности, мечтая стать обладателем потерянных сокровищ. Впрочем, эти попытки не увенчались успехом. Гарретта разочаровывают скромные возможности устройств тех лет, и тогда инженер решает разработать устройство, которое облегчит поиск клада и будет удобно в использовании. Богатые познания в электронике помогли Чарльзу усовершенствовать технологию обнаружения металла.

 В год основания своей компании Гарретт начал разработку собственного грунтового металлодетектора. Год спустя инженер скопил достаточно денег, чтобы приобрести запчасти для изготовления 25 новых приборов. Так, товары под брендом Garrett Metal Detectors появились на свет.

Спустя 10 лет от момента организации производства компания Garrett Electronics превратилась в корпорацию, успешно покоряющую рынок металлодетекторов. Предприятие использовало как существующие, так и новые технологии, приобретая патенты. Фирма развивалась за счет того, что львиная доля прибыли вкладывалась в научно-исследовательскую деятельность. В компании Гарретта работал большой инженерный отдел, который занимался изучением новых и модернизацией существующих технологий обнаружения металла.  

Уже в конце 70-ых годов корпорация Garrett была ориентирована на использование компьютерных технологий при создании детекторов металла. В итоге в 1982 году компания стала обладателем первого в США патента на внедрение компьютерного чипа в металлоискателе. Патент явился основой для новой серии детекторов металла GTA и Master Hunter® CX. В этом поисковом оборудовании управляемая с помощью микропроцессора схема имела способность дискриминации, обладала высокой чувствительностью, обеспечивала большую глубину поиска, то есть практически по всем показателям превосходила аналоговые детекторы. К тому же новые устройства были просты в использовании.

Став признанным лидером в разработке и выпуске грунтовых металлоискателей, компания Garrett приступила к созданию детекторов для обеспечения безопасности. В итоге на олимпийских объектах в Лос-Анджелесе было установлено 60 арочных устройств и использовалось 120 ручных приспособлений для обнаружения металла. Буквально за две недели детекторы для безопасности стали чрезвычайно востребованы.

Неудивительно, что такой успех, подвигнул компанию в 1982 году открыть новое подразделение по разработке, усовершенствованию и производству детекторов для безопасности.
        Сейчас Garrett – мировой лидер в создании и производстве металлодетекторов. Garrett выпускает разноплановую продукцию от грунтовых металлоискателей до устройств для проведения досмотра службами безопасности. За десятилетия своего существования бренд заслужил репутацию оборудования высокой надежности, чему в немалой степени поспособствовал президент корпорации Чарльз Гарретт. Основатель компании неукоснительно придерживается принципа производства лучшего оборудования и обеспечения лучшего сервиса клиентам.
На сегодняшний день предприятие активно развивает направление детекторов безопасности и грунтовых детекторов металла.

Этому благоприятствует мощная поддержка со стороны пользователей оборудования Garrett, разработка уникальных технологий для создания новых и усовершенствования имеющихся продуктов компании.
Garrett не останавливается на достигнутом и предлагает пользователям замечательные возможности по овладению искусством поиска сокровищ. Академия Garrett помогает освоить металлодетекторы, выпускаемые компанией, и достигнуть лучших результатов в обнаружении кладов. Для пользователей разработаны видео-пособия и учебные книги.

Экспериментальная часть

Выбор печатной платы.

Для данной работы была выбрана плата от автора прибора. Она находится в публичном доступе в интернете.

                                                  Закупка деталей.

                                          Сборка платы.

Плата собирается в несколько этапов:

1) Собрать защиту от переполюсовки и контроль включения питания.

2) Проверить работоспособность схемы: кратковременно нажимаем кнопку включения питания  - питание включается. Нажимаем и удерживаем кнопку -  питание отключается.

 3)Впаять преобразователь напряжения LM2731X  с обвязкой и проконтролировать работу.

4) Впаять стабилизаторы питания: 2шт +3,3 В 1 шт +5В. с обвязкой (конденсаторы по питанию).

5) Проконтролировать напряжения на выходах стабилизаторов.

 6) Впаять процессор STM32, элементы BQ1, C10, C11,R15,C12, R16, R28, R30, R33, R34, L101, VD9, R25.

7) Прошить STM32 через USART или SWD.

 8) Переделать дисплей под питание 3,3 Вольта, подключить дисплей, включить прибор, отрегулировать контрастность.

Прошивка.

Чтобы прошить Квазар АРМ нужно:
¬ ПК с USB выводом 
¬ переходник USB to TTL YP-02 (CH340)(далее программатор).

1.1)Сначала установить Flash Loader Demonstrator и драйвер на программатор. Потом нужно удостоверится, стоят ли у Вас драйвера на программатор и установлена ли у Вас программа Flash Loader Demonstrator .

1.2) Проверить Flash Loader Demonstrator . Чтобы посмотреть установлен ли Flash Loader Demonstrator нужно зайти в «Панель управления».

2) Открыть Flash Loader Demonstrator.

3) Далее необходимо подключить программатор к плате Квазара АРМ (далее плата) в следующей последовательности вывод программатора TX нужно подключить к RX выводу на плате, а вывод программатора RX к TX на плате(проще говоря накрест), вывод программатора GND к GND выводу на плате. 

4) Соединить контакты BOOTLOADER Методика поиска выводов BOOTLOADER такая же как и в случае с выводами RX и TX, поэтому повторятся не буду .

5)Подать питание на плату. Если при подаче питания на плату загорелся светодиод VD8 и прибор молчит, значит BOOT режим активирован. 
6) В окне Flash Loader Demonstrator убедится в том, что выбран СОМ порт который установлен с программатором и нажать кнопку Next.

Затем нужно:
1) отключить питание от платы;
2) отключить разъемы;
3) выключить BOOTLOADER. 

Заключение.

          В ходе работы была изучена литература на тему сборки и устройства металлоискателя. Была подобранна схема и сделана печатная плата от автора прибора. Были проведены испытания, которые показали, что характеристики данного прибора сравнимы по параметрам с производственными металлоискателями (глубина залегания цели, обнаружение цели, дискриминация). В данном приборе используется современный процессор, который будет актуален долгое время, делая прибор быстрым и информативным.

Список использованной литературы.

1. А. Щедрин, И. Осипов. Металлоискатели для поиска кладов и реликвий. Издательство: “Радио и связь”, 2000 год, 192 с.
2. С.П.Дубровский. Домашний мастер. Как собрать металлоискатели своими руками. Издательство: “Наука и Техника”, 2010 год, 256 с.
3. http://kladoiskateli2112.ru/viewtopic.php?f=11&t=508
4. http://stareishina.com/index.php?/topic/364-istoriia-razvitiia-metalloiskatelei/
5. http://www.radio-magic.ru/metalloiskateli/237-qasar-arm
6. http://fandy.ucoz.org/publ/metalloiskatel_quot_kvazar_quot_quot_quasar_quot/metalloiskatel_quot_quasar_arm_quot/2-1-0-5
7. https://www.bankreceptov.ru/skazki/skazki-0096.shtml

Приложение 1

 Платы

Рисунок 1. Плата вид сзади

Рисунок 2. Плата вид спереди

Приложение №2

Тестирование прибора