检测小型移动金属物体的位置有哪些选择?

电器工程 距离 检测 位置
2022-01-05 14:22:15

这是一个气枪弹丸陷阱:

气枪弹丸陷阱

我以高达 120 m/s = 390 fps 的速度向它发射小金属弹丸(直径 4.5mm = .177")。

检测它进入目标的 X / Y 位置有哪些选择?

如果我只需要知道到中心的距离会更容易吗?(分数)

现在我的颗粒是无铅的,但不是铁磁性的(它们不粘在磁铁上。)如果我要得到铁磁性颗粒,我会有更多选择吗?也许是一些感应或其他电磁效应?

现在我能想到:

  1. 安装在三脚架上的相机,可以比较连续的照片并检测目标纸上的任何差异。缺点:它需要不错的计算能力(至少是一个树莓派),而且它可能会错过一个穿过前一个颗粒雕刻的孔的颗粒。它也不能很好地对抗黑带。

  2. 两个激光或 CCD 扫描仪,例如重新使用的条形码扫描仪,沿目标边缘安装,彼此成 90°。缺点:如果是 CCD,则必须调整光学器件;他们可能需要另一侧的白色参考背景;而且它们必须非常快,因为颗粒移动得非常快。

还有其他想法吗?

我可以使用安装在边缘的天线来检测某种电磁效应吗?如果产生电磁场怎么办?金属颗粒会以任何明显的方式与它相互作用吗?铁磁颗粒会这样做吗?

我可以使用两个相互成 90° 安装的超音速测距仪吗?他们能探测到这么小的物体,快速移动吗?

4个回答

围绕目标外周的圆形线圈产生磁通量:-

在此处输入图像描述 在此处输入图像描述

磁通密度在中心处于最小值(但不为零),当您接近线圈周边时,磁通密度会增加。

如果电流是交流电流,则峰值磁通密度将比直流情况下高 \$\sqrt2\$。然而,一个很大的区别是(由于涡流感应)任何导电材料在通过时都会改变线圈的电感。因此,如果您将线圈安排为振荡器的一部分(最好在输出级中,以便它具有更多的交流电),您可以使用电容器调整线圈并检测颗粒通过时的频移。更大的偏移将是随着颗粒接近线圈外围。

显然,更大的弹丸也会产生更大的频率偏差,因此需要针对 .177 0r .22 弹丸进行不同的校准。

使用某种形式的频率检测器来产生直流信号(解调),信号的大小与您离线圈边缘的距离或距离成正比。不利的一面是,在线圈外部需要有一些东西来防止杂散颗粒在回路内记录。您希望有一个可能是几兆赫兹的相当高的频率,以便探测器可以记录在弹丸通过时发生数十个变化的周期。

在每秒 120 米的速度下,直觉告诉我,当线圈距离线圈可能 50 毫米时,它会开始记录一些东西,所以可能有一个大约 10 毫米的最佳位置距离,频率变化最大。在 120 m/s 下,1m 在 8.333 ms 内行进,因此 10mm 是 83.33 us 的时间段,因此可能可以检测到 1MHz 的 83 个周期,但在 10MHz 时会更好。

这将只需要一个具有几百 pF 调谐的 1 匝环路。

是可以的。

我曾经设计制药金属探测器,在药丸生产中寻找金属污染物。它使用 1MHz 并且可以检测到直径小至 0.25mm 的颗粒(黑色金属和有色金属,但不包括不锈钢)。它有一个大约 100 毫米 x 35 毫米的方形线圈,因此对于目标来说它比一个小一点,但是如果您认为“检测水平”与质量成正比,而质量与距离的立方成正比,那么它应该没问题。

可以假设 0.177 颗粒是一个直径为 4.5 毫米的球体 - 这比 0.25 毫米大 18 倍,因此它的质量将大 5,832 倍,信号将大致大 5,832 倍。

您可以尝试在弹丸路径周围布置一组麦克风。

我曾经看到一架目标无人机,它使用一系列麦克风来检测飞过它的子弹的未命中距离。在这种情况下,子弹是超音速的,所以它们的声音比你的声音更响亮,边缘更锐利,但原理可能仍然有效。

要探索这个想法,您可以获得两个小型驻极体麦克风,正确偏置它们,并使用数字存储示波器进行测试。如果您没有,您也可以将它们连接到您的计算机声卡(线路输入,这样您就可以获得立体声)。将它们安装在一根棍子上,例如相距 30 厘米,以您的最高采样率进行录音,然后在它们的不同位置发射一些弹丸。用 Audacity 浏览 WAV 文件,看看 1) 是否有有用的冲动,以及 2) 到达时间差异是否对应于镜头的不同路径。

330 m/s 除以 44 kHz 是 7.5 mm,所以如果麦克风有足够的带宽,我认为你有机会通过声卡检测到位置。

如果您使用声卡看到良好的效果,下一步将是设计一个检测器电路,该电路可以合理准确地检测声音脉冲,在其输出上产生简单的低->高转换。它可以像高通滤波器、放大器和比较器一样简单。然后至少制作 3 个,最好是 4 个或 5 个,将麦克风布置在目标周围,并将它们连接到您的 Arduino,以进行计时。您只需要相对时间,并且只需要大约 10 我们的分辨率,因此 Arduino 是完美的。

然后只是一些数学运算,可能在您的 PC 上而不是 Arduino 上,来计算出小球在麦克风阵列中的位置。

一些小想法:注意步枪本身触发探测器的声音——也许是只记录第二组脉冲的软件门?检测器电路必须快速复位并且不能长时间保持在顶部。此外,请注意您的检测器电路不会比较轻的声音更早地读取响亮的声音 - 这会使范围计算不太准确。除了使探测器更好地拾取峰值之外,您还可以将麦克风间隔得更远,而不仅仅是目标的角落。将麦克风保持在目标前方,以免纸板反射声音。

您可以使用间隔紧密的触点的“橡胶化”膜矩阵(类似于键盘)。根据您需要的分辨率精度,您可以使用 10 x 10 或 100 x 100 线矩阵。通过电子扫描触点,您将能够确定弹丸击中的位置。

您已经引用了最实用最简单的解决方案,相机,但您似乎看到了森林,没有看到树:关键是相机有各种各样的,您展示您的经验不包括您需要的那种: 高速相机。当您按下按钮一次时,典型的相机会拍摄一张照片。更昂贵的相机可以配备自动收卷器(用于老式的基于 FILM 的相机,现在几乎已经过时了),并且一旦胶卷进入下一帧,收卷器就会打开快门并进行另一次曝光。但是一台高速相机,不是基于胶片的,每秒可以拍摄几乎令人难以置信的照片数量,每秒可拍摄 20,000 次或更多。如果您负担得起,这就是您的解决方案。它会,当然需要与弹丸枪上的触发器进行电子同步,这意味着弹丸枪和相机都会自动启动。相机会在射击前一点点开始拍照,仔细瞄准加上(我希望)自动对焦(或非常宽的视野)将跟踪弹丸从离开枪管到击中的时间目标。您所要做的就是回放并观看记录。如果当前的弹丸穿过目标上的旧孔,甚至都没有关系。无论发生什么,你都看到了。现在有个坏消息:虽然这是解决您的问题的最简单、最有效的解决方案,但它并不便宜。只有您可以决定对轨迹有绝对确定性对您来说有多大价值;我预计您需要的高速相机(a-la-Mythbusters)将花费数千美元购买,并在短时间内租用数百美元,如果您能找到租给您的人(FLUKE 是否制造相机?他们确实租用电子设备,或者至少他们曾经租用过);但如果你负担得起的话,它是解决你问题的一个花花公子!