mohsen.mahlin
کاربر(شناخته شده)
- Feb 20, 2026
- 13
- 3
ساخت فلزیابی با تکنولوژی های ( MPS, DVT, SETA, DSP, Geo Sense )
((بخش اول))
· اساس کار فلزیاب پالسی (Pulse Induction)
در فناوری پالسی، سیم پیچی در فرستنده (TX) جریان کوتاه و پرقدرتی تولید میکند و میدان مغناطیسی سریعاً در اطراف کویل شکل میگیرد. پس از قطع جریان، میدان فرومیریزد و در سیمپیچ گیرنده (RX) یک ولتاژ القایی ایجاد میشود.
اگر فلز هادی در محدوده باشد، جریانهای گردابی (Eddy Currents) در فلز به وجود میآیند که باعث تغییر در نحوهی افت میدان میشوند. فلزیاب پالسی این تغییر را اندازهگیری و تحلیل میکند.
· مشکل سیستمهای پالسی سنتی
در سیستمهای معمولی، مدت زمان پالسی که ارسال میشود یک دوره ثابت دارد. این باعث میشود که دستگاه در تفکیک فلزات مثلاً طلا از آهن دقت کمی داشته باشد، چون همه ی فلزات میدان را تقریباً شبیه هم تحت تأثیر قرار می دهند و فقط شدت سیگنال تغییر میکند.
Ø مفهوم و عملکرد
MPS (Multi Period Sensing)
تکنولوژی MPS این محدودیت را برطرف میکند. در این روش، دستگاه چند پالس با طول زمان متفاوت به صورت متوالی ارسال میکند .در فلزیابهای پالسی معمولی، عرض پالسها ثابت است. اما MPS پالسهایی با زمانبندیهای متفاوت (کوتاه و بلند) را پشت سر هم ارسال میکند.
چطور کار میکند؟ پالسهای کوتاه برای شناسایی ذرات ریز طلا و پالسهای بلند برای نفوذ بیشتر در عمق و شناسایی فلزات بزرگتر هستند.( پالس کوتاه، بعدی بلندتر، بعدی با فرکانس دیگر و …).
هر فلز بسته به هدایت الکتریکی، نفوذپذیری و اندازه واکنش متفاوتی نسبت به هر دوره پالس دارد.
سیستم MPS این امضاهای زمانی متفاوت را مقایسه و پردازش میکند تا بتواند:
•
فلزات مختلف را از هم تمایز دهد (مثل طلا و آهن)
• تأثیر مواد معدنی خاک را حذف می کند Ground Balance) دقیق تر(
• عمق بیشتری در خاکهای سخت و شور به دست آورد.
• نویز محیطی و مغناطیسی زمین را بهتر فیلتر کند.
v برای پیاده سازی فناوری MPS (Multi Period Sensing)
در یک فلزیاب پالسی، باید ترکیبی از قطعات الکترونیکی، کنترلی و پردازشی را به گونه ای طراحی کرد که بتواند چند نوع پالس با دورههای متفاوت را ایجاد، ارسال و تحلیل کند.
در بخش درایور (MOSFET)، میکروکنترلر زمان روشن و خاموش ماندن پالس را به صورت پویا تغییر میدهد. این کار باعث میشود سیگنال بازگشتی از زمین (Mineralization) حذف شود و فقط سیگنال هدف باقی بماند.
در ادامه فهرست اجزای اصلی همراه با تعداد تقریبی و نقش هرکدام آمده است (فرض بر ساخت یک نمونه ی آزمایشگاهی با یک کویل منفرد
۱. بخش فرستنده (TX Section)
• MOSFET قدرت (N-Channel)
1 تا 2 عدد
کلید سریع برای تزریق پالس به سیم پیچ فرستنده (باید جریان بالا و زمان سوئیچ کوتاه داشته باشد )
مثل IRF540 یا IRLZ44N
• دیود هرزگرد ( Flyback Diode)
1 عدد
محافظت در برابر ولتاژ برگشتی سیم پیچ هنگام قطع پالس.
• خازن ذخیره انرژی (Pulse Capacitor)
1 عدد (220µF–470µF)
انرژی را قبل از هر پالس ذخیره کرده و در لحظه ی ارسال تخلیه میکند.
(Pulse Capacitor)
• کویل فرستنده (TX Coil)
1 عدد
تولیدکننده میدان مغناطیسی معمولاً از سیم مسی لاکی با مقاومت 0.3–0.6 اهم.
۲. بخش گیرنده (RX Section)
• کویل گیرنده (RX Coil)
1 عدد
دریافت کننده سیگنال ناشی از بازمانده میدان و جریانهای گردابی ممکن است همان کویل TX یا جدا باشد.
• آپ امپ کم نویز (Op-Amp)
1 تا 2 عدد
تقویت سیگنال بازگشتی بسیار ضعیف مثل AD8606 یا TL072
• فیلتر RC فعال یا دیجیتال
1 تا 3 مدار فیلتر
حذف تداخل فرکانسهای ناخواسته و نویز.
۳. بخش کنترل و تولید پالس MPS Generator
• میکروکنترلر یا میکروپروسسور
1 عدد
تولید چند دوره پالس با زمانهای متفاوت و خواندن سیگنال گیرنده مانند STM32، Arduino Due یا ESP32
• مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC)
داخلی یا 1 چیپ مجزا
نمونه برداری از سیگنال دریافتی در فواصل زمانی مختلف.
• ماژول تایمینگ دقیق (Timer Module)
درون MCU یا 1 تراشه مجزا
کنترل دقیق طول پالسها در حد میکروثانیه.
۴. منبع تغذیه و حفاظت
• باتری (لیتیوم یا سرب-اسید)
1 عدد
تأمین توان سیستم معمولاً 12 Vتا 16V
• رگولاتور ولتاژ مثلاً LM7805, LM1117
2 تا 3 عدد
تولید ولتاژهای پایدار برای قطعات منطقی و آمپلی فایرها.
• فیوز و مدار محدودکننده جریان
2 تا 3 عدد
جلوگیری از آسیب در صورت اتصال کوتاه.
۵. بخش پردازش سیگنال
Signal Processing
• میکروکنترلر اصلی MCU Fast Core
انجام پردازش MPS: مقایسه سیگنالها بین دوره های مختلف، تشخیص الگوی فلز.
• حافظه EEPROM یا SD Module
1 عدد
ذخیره دادهها و پارامترهای کالیبراسیون.
• صفحه نمایش یا ماژول LCD/OLED
1 عدد
نمایش وضعیت، نتایج و منوها.
• بوق یا بازر (Buzzer)
1 عدد
هشدار صوتی کشف فلز.
Ø تکنولوژی DVT (Dual Voltage Technology)
این تکنولوژی مکمل MPS است. در اینجا فلزیاب از دو سطح ولتاژ مختلف برای ارسال پالس استفاده میکند.
چطور کار میکند؟
استفاده از دو ولتاژ باعث میشود توان ارسالی به کویل در لحظات مختلف تغییر کند. این کار باعث میشود تعادل زمین (Ground Balance) بسیار دقیقتر انجام شود و حساسیت به طلاهای بسیار ریز در اعماق بیشتر شود.
پیادهسازی مداری: نیاز به یک مدار تغذیه سوییچینگ دارد که بتواند به سرعت بین دو ولتاژ (مثلاً ۲۴ ولت و ۶۰ ولت) جابهجا شود و پالس را به کویل تزریق کند.
v تکنولوژی SETA (Smart Electronic Timing Alignment)
این بخش "هوش" دستگاه در مدیریت نویز است.
* چطور کار میکند؟ زمینهای مختلف، نویزهای الکترومغناطیسی متفاوتی دارند. SETA به طور خودکار زمانبندیهای نمونهبرداری (Sampling Gates) را با نویز محیط همتراز میکند. این کار تداخلهای مغناطیسی محیطی (EMI) را به شدت کاهش میدهد.
پیادهسازی مداری: در بخش گیرنده، آیسیهای Sample & Hold یا پردازنده با دقت میکروثانیه، زمان دقیقِ خواندن سیگنال پس از قطع پالس را تنظیم میکنند.
v تکنولوژی DSP (Digital Signal Processing)
این مغز متفکر سیستم است.
چطور کار میکند؟ سیگنال آنالوگ دریافتی از کویل، پس از تقویت، به دیجیتال تبدیل میشود. پردازنده DSP با استفاده از الگوریتمهای پیچیده مثل تبدیل فوریه یا فیلترهای کالمن، نویز زمین و ذرات آهن را از سیگنال ضعیف طلا جدا میکند.
پیادهسازی مداری: استفاده از یک ADC مبدل آنالوگ به دیجیتال) با سرعت و دقت بسیار بالا (مثلاً ۲۴ بیت و یک پردازنده ARM یا FPGA قدرتمند.
v تکنولوژی: GeoSense-PI
این جدیدترین متد Minelab در مدل GPX 6000 است. GeoSense-PI در واقع نسخه فوقهوشمندِ تحلیل سیگنال است. این تکنولوژی به صورت لحظهای سیگنالهای برگشتی از زمین را تحلیل کرده و در کسری از ثانیه، مدار را برای آن نوع خاک بهینه میکند. این یعنی شما نیازی به بالانس دستی مداوم ندارید و دستگاه همیشه در حساسترین حالت ممکن باقی میماند.
برای پیاده سازی تکنولوژیهای پیشرفته که نام بردیم، باید روی دو بخش حیاتی یعنی( درایور کویل فرستنده )و (پیشتقویتکننده گیرنده) تمرکز کنیم.
بیایید این دو بخش را از نظر فنی و قطعات بررسی کنیم:
۱. بخش درایور کویل (Transmitter Stage)
در این بخش، هدف ما ایجاد یک پالس قدرتمند و سپس قطع ناگهانی آن است تا جریان گردابی (EddyCurrent) در فلز ایجاد شود انتخاب ماسفت (MOSFET) برای پیادهسازی تکنولوژیهایی مثل MPS تغییر عرض پالس، نیاز به یک سوئیچ بسیار سریع دارید. ماسفتهایی مثل IRF840 یا IRF740 کلاسیک هستند، اما برای راندمان بالاتر، قطعاتی با مقاومت درونی (RDS-on) کمتر و ولتاژ تحمل بالاتر حدود ۵۰۰ ولت پیشنهاد میشود.
ولتاژ برگشتی (Flyback) وقتی جریان کویل قطع میشود، ولتاژی تا حدود ۴۰۰ ولت تولید میشود. این ولتاژ هرچه تیزتر و سریعتر تخلیه شود، حساسیت به طلاهای ریز بیشتر میشود.
مقاومت دمپینگ (Damping Resistor) این مقاومت موازی با کویل است. اگر مقدار آن درست انتخاب نشود، کویل دچار نوسانات اضافی (Ringing) میشود که سیگنال طلا را خفه میکند. در دستگاههای پیشرفته، این مقاومت گاهی با مدارات فعال جایگزین میشود.
۲. بخش پیشتقویتکننده (Receiver / Pre-Amp)
اینجاست که تفاوت یک دستگاه معمولی با یک دستگاه حرفهای مشخص میشود. چالش این است که چطور سیگنال چند میکروولتی طلا را تقویت کنیم بدون اینکه نویز محیط و ولتاژ ۴۰۰ ولتی پالس اولیه، مدار را بسوزاند؟
مدارمحدودکننده(Clamping Diodes): شما باید از دیودهای پرسرعت مثل 1N4148 یا دیودهای شاتکی مثل BAT41 به صورت موازی معکوس در ورودی آپ امپ استفاده کنید تا ولتاژ پالس اصلی را به ۷۰۰ میلیولت محدود کنند و به آیسی آسیب نرسد.
انتخاب آپامپ (Op-Amp): برای یک مدار معمولی: NE5534 یا TL071.
برای تکنولوژی بالا: باید از آپامپهای Ultra-Low Noise با پهنای باند بالا مثل OPA227، OPA37 یا LT1028 استفاده کنید. هرچه نویز داخلی آیسی کمتر باشد، میتوانید "گین" (Gain) یا بهره تقویت را بالاتر ببرید و عمق بیشتری بگیرید.
تکنولوژی SETA در اینجا برای همتراز کردن نویز، باید از یک ) فیلتر بالاگذر و پایینگذر ( قابل تنظیم استفاده کنید که در دستگاههای مدرن، این کار توسط DSP پردازش دیجیتال انجام میشود
۳. پیادهسازی هوشمند بخش کنترل
برای پیاده سازی MPS یا SETA ، دیگر نباید از آیسیهای آنالوگ مثل سری ۵۵۵ استفاده کنید.
میکروکنترلر (Microcontroller): استفاده از یک STM32 یا حتی Arduino Nano در سطح ابتدایی ضروری است.
میکرو کنترل میکند که پالس چقدر طول بکشد (MPS)
میکرو تعیین میکند که دقیقاً چند میکروثانیه بعد از قطع پالس، نمونهبرداری انجام شود (Sample Gate). اگر این زمان خیلی نزدیک به قطع پالس باشد، طلاهای ریز را میگیرید؛ اگر دورتر باشد، برای اعماق بالا و حذف ذرات زمین بهتر است.
Ø مسئله مقاومت دمپینگ:
استفاده از مقاومت دمپینگ فعال (Active Damping) به جای یک مقاومت ثابت، یکی از تفاوتهای اصلی بین یک فلزیاب میانرده و یک دستگاه حرفهای (مثل محصولات Minelab) است.
در یک مدار معمولی، مقاومت دمپینگ (مثلاً ۴۷۰ اهم یا ۱ کیلو اهم)موازی با کویل قرار میگیرد. مشکل اینجاست:
* اگر مقدار مقاومت زیاد باشد: ولتاژ برگشتی (Back EMF) خیلی سریع تخلیه میشود (که برای سنس طلا عالی است) اما کویل دچار نوسانات اضافی (Ringing) میشود که سیگنال را خراب میکند.
* اگر مقدار مقاومت کم باشد: نوسانات سریع حذف میشوند، اما زمان تخلیه پالس طولانی میشود و دید دستگاه برای طلاهای ریز "کور" میشود.
Ø راه حل، استفاده از مدار کلمپ فعال (Active Clamping) است.
مدار کلمپ ولتاژ ثابت (Constant Voltage Clamping)
به جای اینکه اجازه دهیم انرژی کویل به صورت نمایی (Exponential) در یک مقاومت تلف شود، ما از مداری استفاده میکنیم که ولتاژ برگشتی را در یک سطح بسیار بالا (مثلاً ۳۰۰ یا ۳۵۰ ولت) ثابت نگه میدارد. این کار باعث میشود انرژی کویل در کمترین زمان ممکن (به صورت خطی)تخلیه شود.
۱. قطعات مورد نیاز:
* ترانزیستور فشار قوی: یک ترانزیستور NPN با تحمل ولتاژ بالا (حداقل ۵۰۰ ولت) و سرعت سوئیچینگ زیاد. مدلهایی مثل MJE13007 یا MJE13009 عالی هستند.
* دیودهای زنر (Zener): چند عدد دیود زنر ۱۰۰ ولتی (مثلاً ۳ یا ۴ عدد سری شده) برای تعیین سقف ولتاژ.
* دیود فوق سریع (Ultra-Fast Diode): مثل UF4007 (حتماً باید سری UF باشد، سری ۱N4007 خیلی کند است).
* مقاومت: یک مقاومت حدود ۱۰ کیلو اهم (۱ وات).
۲. نقشه و نحوه طراحی:
این مدار به صورت موازی با سوییچ اصلی شما (ماسفت قدرت) قرار میگیرد:
* کلکتور (Collector) ترانزیستور MJE13009 را به سر مثبت کویل (VCC) وصل کنید.
* امیتر (Emitter) آن را به درین (Drain) ماسفت اصلی (جایی که کویل به ماسفت وصل شده)متصل کنید.
* بیس (Base) ترانزیستور را با یک مقاومت ۱۰ کیلو اهم به امیتر وصل کنید.
* دیودهای زنر را به صورت سری مثلاً سه عدد ۱۰۰ ولت برای رسیدن به ۳۰۰ ولت) بین بیس و کلکتور قرار دهید (کاتد به سمت کلکتور.
۳. این مدار چطور کار میکند؟
وقتی ماسفت اصلی خاموش میشود، ولتاژ کویل به سرعت بالا میرود. به محض اینکه ولتاژ به حد مجموع ولتاژ زنرها(مثلاً ۳۰۰ ولت) رسید، ترانزیستور MJE روشن میشود و جریان را از خود عبور میدهد تا ولتاژ را در همان ۳۰۰ ولت "قفل" کند.
چون ولتاژ در بالاترین سطح ممکن ثابت میماند، طبق فرمول V = L\frac{di}{dt}، جریان با بیشترین سرعت ممکن به صفر میرسد.
مزایای این روش:
* حذف کامل Ringing: نوسانات مزاحم بعد از پالس به شدت کاهش مییابد.
* افزایش حساسیت به طلا: زمان "تأخیر نمونهبرداری" (Sampling Delay) را میتوانید از ۲۵ میکروثانیه به حدود ۱۰ یا ۱۲ میکروثانیه کاهش دهید. این دقیقاً همان جایی است که سیگنال طلاهای ریز خود را نشان میدهند.
* پایداری بیشتر: دستگاه در خاکهای معدنی بسیار باثباتتر عمل میکند.
اتصال به مدار اصلی:
این مدار دقیقاً جایگزین همان مقاومت دمپینگ قدیمی شما میشود. یعنی آن مقاومت ثابت را حذف میکنید و این بلوک را به دو سر کویل در مدار متصل میکنید.
نکته ایمنی: حتماً از هیتسینک کوچک برای ترانزیستور MJE استفاده کنید، چون در فرکانسهای بالا گرم میشود. همچنین دقت کنید که ماسفت اصلی شما باید تحمل ولتاژی بالاتر از مجموع زنرهای مدار کلمپ داشته باشد مثلاً اگر کلمپ روی ۳۰۰ ولت است، ماسفت باید ۴۰۰ یا ۵۰۰ ولتی باشد.
v معماری نهایی: بلوک دیاگرام ابر-فلزیاب پالسی (MPS + DVT + SETA + DSP)
بلوک دیاگرام این سیستم قدرتمند بر پایه پردازش دیجیتال است:
این سیستم از ۴ بلوک اصلی تشکیل میشود:
۱. بلوک تغذیه هوشمند (Smart Power & DVT Block)
این بخش ولتاژ باتری را میگیرد و ولتاژهای مختلف مدار را میسازد.
* منبع تغذیه متغیر کویل (DVT): یک مدار DC-DC بوست (Boost Converter) که توسط پردازنده کنترل میشود و میتواند به سرعت ولتاژ تغذیه کویل را بین دو سطح (مثلاً ۳۰ ولت و ۸۰ ولت)تغییر دهد.
* تغذیه فوقخطی (Ultra-Linear LDOs): رگولاتورهای بدون نویز برای تامین ولتاژ بخش حساس گیرنده و ADC.
۲. بلوک کنترل و مغز سیستم (Control & DSP Block)
* میکروکنترلرFPGA /(STM32H7): این قطعه فرمانده کل است.
* فرمان تولید پالسهای کوتاه و بلند را صادر میکند تکنولوژی MPS
* زمانبندی دقیق نمونهبرداری از سیگنال را بر اساس نویز محیط تنظیم میکند تکنولوژی (SETA).
* دادههای دیجیتال را میگیرد و با الگوریتمهای ریاضی، نویز زمین را حذف میکند (تکنولوژی DSP.
۳. بلوک فرستنده (TX Block - Transmitter)
* درایور سرعت بالا (Gate Driver): فرمان پردازنده را به ماسفت منتقل میکند.
* ماسفت قدرت (Power Switch): ولتاژ قوی را به کویل تزریق میکند.
* مدار کلمپ فعال (Active Damping): ولتاژ برگشتی (Flyback) را سریعاً و بدون نوسان (Ringing) خنثی میکند تا آماده شنیدن سیگنال طلا شویم.
۴. بلوک گیرنده (RX Block - Receiver) - حساسترین بخش
* سوئیچ محافظ (T/R Switch & Clamping): وقتی ماسفت پالس میزند، این بخش گیرنده را از ولتاژهای چندصد ولتی محافظت میکند و بلافاصله پس از قطع پالس، مسیر را برای ورود سیگنال نانوولتی باز میکند.
* پیشتقویتکننده فوقکمنویز (Ultra-Low Noise Pre-Amp): سیگنال بسیار ضعیف طلا را در چند مرحله تقویت میکند.
* فیلتر آنتیالیاسینگ (Anti-Aliasing Filter): فرکانسهای مزاحم (مثل نویز موبایل یا دکل برق) را قبل از دیجیتال شدن حذف میکند.
* مبدل آنالوگ به دیجیتال (۲۴-bit ADC): سیگنال آنالوگ و تمیز شده را با سرعت بالا به اعداد دیجیتال تبدیل کرده و به پردازنده (DSP) میفرستد.
این مطلب ادامه دارد...
((بخش اول))
· اساس کار فلزیاب پالسی (Pulse Induction)
در فناوری پالسی، سیم پیچی در فرستنده (TX) جریان کوتاه و پرقدرتی تولید میکند و میدان مغناطیسی سریعاً در اطراف کویل شکل میگیرد. پس از قطع جریان، میدان فرومیریزد و در سیمپیچ گیرنده (RX) یک ولتاژ القایی ایجاد میشود.
اگر فلز هادی در محدوده باشد، جریانهای گردابی (Eddy Currents) در فلز به وجود میآیند که باعث تغییر در نحوهی افت میدان میشوند. فلزیاب پالسی این تغییر را اندازهگیری و تحلیل میکند.
· مشکل سیستمهای پالسی سنتی
در سیستمهای معمولی، مدت زمان پالسی که ارسال میشود یک دوره ثابت دارد. این باعث میشود که دستگاه در تفکیک فلزات مثلاً طلا از آهن دقت کمی داشته باشد، چون همه ی فلزات میدان را تقریباً شبیه هم تحت تأثیر قرار می دهند و فقط شدت سیگنال تغییر میکند.
Ø مفهوم و عملکرد
MPS (Multi Period Sensing)
تکنولوژی MPS این محدودیت را برطرف میکند. در این روش، دستگاه چند پالس با طول زمان متفاوت به صورت متوالی ارسال میکند .در فلزیابهای پالسی معمولی، عرض پالسها ثابت است. اما MPS پالسهایی با زمانبندیهای متفاوت (کوتاه و بلند) را پشت سر هم ارسال میکند.
چطور کار میکند؟ پالسهای کوتاه برای شناسایی ذرات ریز طلا و پالسهای بلند برای نفوذ بیشتر در عمق و شناسایی فلزات بزرگتر هستند.( پالس کوتاه، بعدی بلندتر، بعدی با فرکانس دیگر و …).
هر فلز بسته به هدایت الکتریکی، نفوذپذیری و اندازه واکنش متفاوتی نسبت به هر دوره پالس دارد.
سیستم MPS این امضاهای زمانی متفاوت را مقایسه و پردازش میکند تا بتواند:
•
فلزات مختلف را از هم تمایز دهد (مثل طلا و آهن)•
تأثیر مواد معدنی خاک را حذف می کند Ground Balance) دقیق تر(•
عمق بیشتری در خاکهای سخت و شور به دست آورد.•
نویز محیطی و مغناطیسی زمین را بهتر فیلتر کند.v برای پیاده سازی فناوری MPS (Multi Period Sensing)
در یک فلزیاب پالسی، باید ترکیبی از قطعات الکترونیکی، کنترلی و پردازشی را به گونه ای طراحی کرد که بتواند چند نوع پالس با دورههای متفاوت را ایجاد، ارسال و تحلیل کند.
در بخش درایور (MOSFET)، میکروکنترلر زمان روشن و خاموش ماندن پالس را به صورت پویا تغییر میدهد. این کار باعث میشود سیگنال بازگشتی از زمین (Mineralization) حذف شود و فقط سیگنال هدف باقی بماند.
در ادامه فهرست اجزای اصلی همراه با تعداد تقریبی و نقش هرکدام آمده است (فرض بر ساخت یک نمونه ی آزمایشگاهی با یک کویل منفرد
۱. بخش فرستنده (TX Section)
• MOSFET قدرت (N-Channel)
1 تا 2 عدد
کلید سریع برای تزریق پالس به سیم پیچ فرستنده (باید جریان بالا و زمان سوئیچ کوتاه داشته باشد )
مثل IRF540 یا IRLZ44N
• دیود هرزگرد ( Flyback Diode)
1 عدد
محافظت در برابر ولتاژ برگشتی سیم پیچ هنگام قطع پالس.
• خازن ذخیره انرژی (Pulse Capacitor)
1 عدد (220µF–470µF)
انرژی را قبل از هر پالس ذخیره کرده و در لحظه ی ارسال تخلیه میکند.
(Pulse Capacitor)
• کویل فرستنده (TX Coil)
1 عدد
تولیدکننده میدان مغناطیسی معمولاً از سیم مسی لاکی با مقاومت 0.3–0.6 اهم.
۲. بخش گیرنده (RX Section)
• کویل گیرنده (RX Coil)
1 عدد
دریافت کننده سیگنال ناشی از بازمانده میدان و جریانهای گردابی ممکن است همان کویل TX یا جدا باشد.
• آپ امپ کم نویز (Op-Amp)
1 تا 2 عدد
تقویت سیگنال بازگشتی بسیار ضعیف مثل AD8606 یا TL072
• فیلتر RC فعال یا دیجیتال
1 تا 3 مدار فیلتر
حذف تداخل فرکانسهای ناخواسته و نویز.
۳. بخش کنترل و تولید پالس MPS Generator
• میکروکنترلر یا میکروپروسسور
1 عدد
تولید چند دوره پالس با زمانهای متفاوت و خواندن سیگنال گیرنده مانند STM32، Arduino Due یا ESP32
• مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC)
داخلی یا 1 چیپ مجزا
نمونه برداری از سیگنال دریافتی در فواصل زمانی مختلف.
• ماژول تایمینگ دقیق (Timer Module)
درون MCU یا 1 تراشه مجزا
کنترل دقیق طول پالسها در حد میکروثانیه.
۴. منبع تغذیه و حفاظت• باتری (لیتیوم یا سرب-اسید)
1 عدد
تأمین توان سیستم معمولاً 12 Vتا 16V
• رگولاتور ولتاژ مثلاً LM7805, LM1117
2 تا 3 عدد
تولید ولتاژهای پایدار برای قطعات منطقی و آمپلی فایرها.
• فیوز و مدار محدودکننده جریان
2 تا 3 عدد
جلوگیری از آسیب در صورت اتصال کوتاه.
۵. بخش پردازش سیگنالSignal Processing
• میکروکنترلر اصلی MCU Fast Core
انجام پردازش MPS: مقایسه سیگنالها بین دوره های مختلف، تشخیص الگوی فلز.
• حافظه EEPROM یا SD Module
1 عدد
ذخیره دادهها و پارامترهای کالیبراسیون.
• صفحه نمایش یا ماژول LCD/OLED
1 عدد
نمایش وضعیت، نتایج و منوها.
• بوق یا بازر (Buzzer)
1 عدد
هشدار صوتی کشف فلز.
Ø تکنولوژی DVT (Dual Voltage Technology)
این تکنولوژی مکمل MPS است. در اینجا فلزیاب از دو سطح ولتاژ مختلف برای ارسال پالس استفاده میکند.
چطور کار میکند؟
استفاده از دو ولتاژ باعث میشود توان ارسالی به کویل در لحظات مختلف تغییر کند. این کار باعث میشود تعادل زمین (Ground Balance) بسیار دقیقتر انجام شود و حساسیت به طلاهای بسیار ریز در اعماق بیشتر شود.
پیادهسازی مداری: نیاز به یک مدار تغذیه سوییچینگ دارد که بتواند به سرعت بین دو ولتاژ (مثلاً ۲۴ ولت و ۶۰ ولت) جابهجا شود و پالس را به کویل تزریق کند.
v تکنولوژی SETA (Smart Electronic Timing Alignment)
این بخش "هوش" دستگاه در مدیریت نویز است.
* چطور کار میکند؟ زمینهای مختلف، نویزهای الکترومغناطیسی متفاوتی دارند. SETA به طور خودکار زمانبندیهای نمونهبرداری (Sampling Gates) را با نویز محیط همتراز میکند. این کار تداخلهای مغناطیسی محیطی (EMI) را به شدت کاهش میدهد.
پیادهسازی مداری: در بخش گیرنده، آیسیهای Sample & Hold یا پردازنده با دقت میکروثانیه، زمان دقیقِ خواندن سیگنال پس از قطع پالس را تنظیم میکنند.
v تکنولوژی DSP (Digital Signal Processing)
این مغز متفکر سیستم است.
چطور کار میکند؟ سیگنال آنالوگ دریافتی از کویل، پس از تقویت، به دیجیتال تبدیل میشود. پردازنده DSP با استفاده از الگوریتمهای پیچیده مثل تبدیل فوریه یا فیلترهای کالمن، نویز زمین و ذرات آهن را از سیگنال ضعیف طلا جدا میکند.
پیادهسازی مداری: استفاده از یک ADC مبدل آنالوگ به دیجیتال) با سرعت و دقت بسیار بالا (مثلاً ۲۴ بیت و یک پردازنده ARM یا FPGA قدرتمند.
v تکنولوژی: GeoSense-PI
این جدیدترین متد Minelab در مدل GPX 6000 است. GeoSense-PI در واقع نسخه فوقهوشمندِ تحلیل سیگنال است. این تکنولوژی به صورت لحظهای سیگنالهای برگشتی از زمین را تحلیل کرده و در کسری از ثانیه، مدار را برای آن نوع خاک بهینه میکند. این یعنی شما نیازی به بالانس دستی مداوم ندارید و دستگاه همیشه در حساسترین حالت ممکن باقی میماند.
برای پیاده سازی تکنولوژیهای پیشرفته که نام بردیم، باید روی دو بخش حیاتی یعنی( درایور کویل فرستنده )و (پیشتقویتکننده گیرنده) تمرکز کنیم.
بیایید این دو بخش را از نظر فنی و قطعات بررسی کنیم:
۱. بخش درایور کویل (Transmitter Stage)
در این بخش، هدف ما ایجاد یک پالس قدرتمند و سپس قطع ناگهانی آن است تا جریان گردابی (EddyCurrent) در فلز ایجاد شود انتخاب ماسفت (MOSFET) برای پیادهسازی تکنولوژیهایی مثل MPS تغییر عرض پالس، نیاز به یک سوئیچ بسیار سریع دارید. ماسفتهایی مثل IRF840 یا IRF740 کلاسیک هستند، اما برای راندمان بالاتر، قطعاتی با مقاومت درونی (RDS-on) کمتر و ولتاژ تحمل بالاتر حدود ۵۰۰ ولت پیشنهاد میشود.
ولتاژ برگشتی (Flyback) وقتی جریان کویل قطع میشود، ولتاژی تا حدود ۴۰۰ ولت تولید میشود. این ولتاژ هرچه تیزتر و سریعتر تخلیه شود، حساسیت به طلاهای ریز بیشتر میشود.
مقاومت دمپینگ (Damping Resistor) این مقاومت موازی با کویل است. اگر مقدار آن درست انتخاب نشود، کویل دچار نوسانات اضافی (Ringing) میشود که سیگنال طلا را خفه میکند. در دستگاههای پیشرفته، این مقاومت گاهی با مدارات فعال جایگزین میشود.
۲. بخش پیشتقویتکننده (Receiver / Pre-Amp)
اینجاست که تفاوت یک دستگاه معمولی با یک دستگاه حرفهای مشخص میشود. چالش این است که چطور سیگنال چند میکروولتی طلا را تقویت کنیم بدون اینکه نویز محیط و ولتاژ ۴۰۰ ولتی پالس اولیه، مدار را بسوزاند؟
مدارمحدودکننده(Clamping Diodes): شما باید از دیودهای پرسرعت مثل 1N4148 یا دیودهای شاتکی مثل BAT41 به صورت موازی معکوس در ورودی آپ امپ استفاده کنید تا ولتاژ پالس اصلی را به ۷۰۰ میلیولت محدود کنند و به آیسی آسیب نرسد.
انتخاب آپامپ (Op-Amp): برای یک مدار معمولی: NE5534 یا TL071.
برای تکنولوژی بالا: باید از آپامپهای Ultra-Low Noise با پهنای باند بالا مثل OPA227، OPA37 یا LT1028 استفاده کنید. هرچه نویز داخلی آیسی کمتر باشد، میتوانید "گین" (Gain) یا بهره تقویت را بالاتر ببرید و عمق بیشتری بگیرید.
تکنولوژی SETA در اینجا برای همتراز کردن نویز، باید از یک ) فیلتر بالاگذر و پایینگذر ( قابل تنظیم استفاده کنید که در دستگاههای مدرن، این کار توسط DSP پردازش دیجیتال انجام میشود
۳. پیادهسازی هوشمند بخش کنترل
برای پیاده سازی MPS یا SETA ، دیگر نباید از آیسیهای آنالوگ مثل سری ۵۵۵ استفاده کنید.
میکروکنترلر (Microcontroller): استفاده از یک STM32 یا حتی Arduino Nano در سطح ابتدایی ضروری است.
میکرو کنترل میکند که پالس چقدر طول بکشد (MPS)
میکرو تعیین میکند که دقیقاً چند میکروثانیه بعد از قطع پالس، نمونهبرداری انجام شود (Sample Gate). اگر این زمان خیلی نزدیک به قطع پالس باشد، طلاهای ریز را میگیرید؛ اگر دورتر باشد، برای اعماق بالا و حذف ذرات زمین بهتر است.
Ø مسئله مقاومت دمپینگ:
استفاده از مقاومت دمپینگ فعال (Active Damping) به جای یک مقاومت ثابت، یکی از تفاوتهای اصلی بین یک فلزیاب میانرده و یک دستگاه حرفهای (مثل محصولات Minelab) است.
در یک مدار معمولی، مقاومت دمپینگ (مثلاً ۴۷۰ اهم یا ۱ کیلو اهم)موازی با کویل قرار میگیرد. مشکل اینجاست:
* اگر مقدار مقاومت زیاد باشد: ولتاژ برگشتی (Back EMF) خیلی سریع تخلیه میشود (که برای سنس طلا عالی است) اما کویل دچار نوسانات اضافی (Ringing) میشود که سیگنال را خراب میکند.
* اگر مقدار مقاومت کم باشد: نوسانات سریع حذف میشوند، اما زمان تخلیه پالس طولانی میشود و دید دستگاه برای طلاهای ریز "کور" میشود.
Ø راه حل، استفاده از مدار کلمپ فعال (Active Clamping) است.
مدار کلمپ ولتاژ ثابت (Constant Voltage Clamping)
به جای اینکه اجازه دهیم انرژی کویل به صورت نمایی (Exponential) در یک مقاومت تلف شود، ما از مداری استفاده میکنیم که ولتاژ برگشتی را در یک سطح بسیار بالا (مثلاً ۳۰۰ یا ۳۵۰ ولت) ثابت نگه میدارد. این کار باعث میشود انرژی کویل در کمترین زمان ممکن (به صورت خطی)تخلیه شود.
۱. قطعات مورد نیاز:
* ترانزیستور فشار قوی: یک ترانزیستور NPN با تحمل ولتاژ بالا (حداقل ۵۰۰ ولت) و سرعت سوئیچینگ زیاد. مدلهایی مثل MJE13007 یا MJE13009 عالی هستند.
* دیودهای زنر (Zener): چند عدد دیود زنر ۱۰۰ ولتی (مثلاً ۳ یا ۴ عدد سری شده) برای تعیین سقف ولتاژ.
* دیود فوق سریع (Ultra-Fast Diode): مثل UF4007 (حتماً باید سری UF باشد، سری ۱N4007 خیلی کند است).
* مقاومت: یک مقاومت حدود ۱۰ کیلو اهم (۱ وات).
۲. نقشه و نحوه طراحی:
این مدار به صورت موازی با سوییچ اصلی شما (ماسفت قدرت) قرار میگیرد:
* کلکتور (Collector) ترانزیستور MJE13009 را به سر مثبت کویل (VCC) وصل کنید.
* امیتر (Emitter) آن را به درین (Drain) ماسفت اصلی (جایی که کویل به ماسفت وصل شده)متصل کنید.
* بیس (Base) ترانزیستور را با یک مقاومت ۱۰ کیلو اهم به امیتر وصل کنید.
* دیودهای زنر را به صورت سری مثلاً سه عدد ۱۰۰ ولت برای رسیدن به ۳۰۰ ولت) بین بیس و کلکتور قرار دهید (کاتد به سمت کلکتور.
۳. این مدار چطور کار میکند؟
وقتی ماسفت اصلی خاموش میشود، ولتاژ کویل به سرعت بالا میرود. به محض اینکه ولتاژ به حد مجموع ولتاژ زنرها(مثلاً ۳۰۰ ولت) رسید، ترانزیستور MJE روشن میشود و جریان را از خود عبور میدهد تا ولتاژ را در همان ۳۰۰ ولت "قفل" کند.
چون ولتاژ در بالاترین سطح ممکن ثابت میماند، طبق فرمول V = L\frac{di}{dt}، جریان با بیشترین سرعت ممکن به صفر میرسد.
مزایای این روش:
* حذف کامل Ringing: نوسانات مزاحم بعد از پالس به شدت کاهش مییابد.
* افزایش حساسیت به طلا: زمان "تأخیر نمونهبرداری" (Sampling Delay) را میتوانید از ۲۵ میکروثانیه به حدود ۱۰ یا ۱۲ میکروثانیه کاهش دهید. این دقیقاً همان جایی است که سیگنال طلاهای ریز خود را نشان میدهند.
* پایداری بیشتر: دستگاه در خاکهای معدنی بسیار باثباتتر عمل میکند.
اتصال به مدار اصلی:
این مدار دقیقاً جایگزین همان مقاومت دمپینگ قدیمی شما میشود. یعنی آن مقاومت ثابت را حذف میکنید و این بلوک را به دو سر کویل در مدار متصل میکنید.
نکته ایمنی: حتماً از هیتسینک کوچک برای ترانزیستور MJE استفاده کنید، چون در فرکانسهای بالا گرم میشود. همچنین دقت کنید که ماسفت اصلی شما باید تحمل ولتاژی بالاتر از مجموع زنرهای مدار کلمپ داشته باشد مثلاً اگر کلمپ روی ۳۰۰ ولت است، ماسفت باید ۴۰۰ یا ۵۰۰ ولتی باشد.
v معماری نهایی: بلوک دیاگرام ابر-فلزیاب پالسی (MPS + DVT + SETA + DSP)
بلوک دیاگرام این سیستم قدرتمند بر پایه پردازش دیجیتال است:
این سیستم از ۴ بلوک اصلی تشکیل میشود:
۱. بلوک تغذیه هوشمند (Smart Power & DVT Block)
این بخش ولتاژ باتری را میگیرد و ولتاژهای مختلف مدار را میسازد.
* منبع تغذیه متغیر کویل (DVT): یک مدار DC-DC بوست (Boost Converter) که توسط پردازنده کنترل میشود و میتواند به سرعت ولتاژ تغذیه کویل را بین دو سطح (مثلاً ۳۰ ولت و ۸۰ ولت)تغییر دهد.
* تغذیه فوقخطی (Ultra-Linear LDOs): رگولاتورهای بدون نویز برای تامین ولتاژ بخش حساس گیرنده و ADC.
۲. بلوک کنترل و مغز سیستم (Control & DSP Block)
* میکروکنترلرFPGA /(STM32H7): این قطعه فرمانده کل است.
* فرمان تولید پالسهای کوتاه و بلند را صادر میکند تکنولوژی MPS
* زمانبندی دقیق نمونهبرداری از سیگنال را بر اساس نویز محیط تنظیم میکند تکنولوژی (SETA).
* دادههای دیجیتال را میگیرد و با الگوریتمهای ریاضی، نویز زمین را حذف میکند (تکنولوژی DSP.
۳. بلوک فرستنده (TX Block - Transmitter)
* درایور سرعت بالا (Gate Driver): فرمان پردازنده را به ماسفت منتقل میکند.
* ماسفت قدرت (Power Switch): ولتاژ قوی را به کویل تزریق میکند.
* مدار کلمپ فعال (Active Damping): ولتاژ برگشتی (Flyback) را سریعاً و بدون نوسان (Ringing) خنثی میکند تا آماده شنیدن سیگنال طلا شویم.
۴. بلوک گیرنده (RX Block - Receiver) - حساسترین بخش
* سوئیچ محافظ (T/R Switch & Clamping): وقتی ماسفت پالس میزند، این بخش گیرنده را از ولتاژهای چندصد ولتی محافظت میکند و بلافاصله پس از قطع پالس، مسیر را برای ورود سیگنال نانوولتی باز میکند.
* پیشتقویتکننده فوقکمنویز (Ultra-Low Noise Pre-Amp): سیگنال بسیار ضعیف طلا را در چند مرحله تقویت میکند.
* فیلتر آنتیالیاسینگ (Anti-Aliasing Filter): فرکانسهای مزاحم (مثل نویز موبایل یا دکل برق) را قبل از دیجیتال شدن حذف میکند.
* مبدل آنالوگ به دیجیتال (۲۴-bit ADC): سیگنال آنالوگ و تمیز شده را با سرعت بالا به اعداد دیجیتال تبدیل کرده و به پردازنده (DSP) میفرستد.
این مطلب ادامه دارد...