Spule Details

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Linearsensor: Spule

Funktionsprinzip

Die gegnerische Spielstange taucht in eine Luftspule ein. Hierbei wird deren Induktivität verändert. Diese Veränderung wird anschließend gemesssen.

Hintergrund

Technisch betrachtet entstehen dabei zwei in Serie geschaltete Spulen - eine mit Eisenkern und eine Luftspule. Je nach Eintauchtiefe ändert sich das Verhältnis der beiden Spulen zueinander. Da dabei die Gesamtinduktivität betrachtet wird interessiert nur die Summe beider Teilinduktivitäten. Zieht man hierzu die allgemeine Formel für die Induktivität einer langgezogenen Spule heran, erhält man nach ein paar hinreichend trivialen Umformungen (das wollte ich schon immer mal schreiben ;-) ) einen linearen Zusammenhang zwischen der Eintauchtiefe und der Gesamtinduktivität. (Herleitung im SVN)

Aufbau

Als Spulenkörper wurden Elektroinstallationsrohre vom Typ EN20 verwendet. Hierrauf wurde mit einem 0,3mm Kupferlackdraht eine Lage Wicklungen dicht aneinandergepackt gewickelt. Diese Wicklungen wurden anschließend mit handelsüblichem Sprühklarlack auf Acrylbasis mechanisch fixiert.
Zur Montage der fertigen Spulen können die handelsüblichen Montageschellen für Elektroinstallationsrohre verwendet werden. Am Besten verklebt man diese mti dem "Spulenkörper" um einen sicheren Sitz auch über den Transport hinweg sicherzustellen.

Verbrauch Draht: 1,8 m / cm Spule
ca. 30 Windungen / cm Spule
Zeitbedarf fürs die Fertigung: 2 min / cm Spule

Elektrische Funktionsweise

Diese Spule wird als Tiefpass beschatet. Als Messwiderstand hat sich ein 75 Ohm Widerstand bewährt. Das Ganze wird mit einer sinusförmigen Wechselspannung mit 10 kHz betrieben. Diese Frequenz sollte niedrig genug sein um noch keine neneswerten Störungen zu erzeugen. Gleichzeitig sollte sie aber hochgenug sein, um bei der zur Messung erforderlichen Gleichrichtung mit anschließender Glättung eine möglichst geringe Restwelligkeit zurückzulassen, und dennoch eine Messgeschwindigkeit von mindestens 10 Messungen pro Sekunde erlauben.

Messchaltung

Schaltplan.jpg
Der erste Teil der Schaltung ist eine Subtrahiererschaltung. Diese invertiert das Signal und verschiebt es um 12V, so dass es anschließend einen ähnlichen Gleichspannungsanteil hat wie die virtuelle Masse bei 12V. Im darauffolgenden Hochpass bestehend aus C1 und R5 wird der Gleichanteil des Signals so reduziert, dass es symetrisch zu den 12V zu liegen kommt. Anschließend wird es über einen NINV- Verstärker verstärkt und über die Dioden gleichgerichtet und geglättet.
Schaltplan bunt.jpg

Ergebnisse

Änderungen der Induktivitäten

In einem ersten Versuch wurden die Messspulen als Hochpass beschaltet und mit einer 1kHz Sinusspannung angeregt. Gemessen wurde dann die Spannung über der Spule mittels eines Multimeters in AC-Betriebsart. Die Diagramme zeigen die gemessene Spannung in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe der Spielstange. Die Eintauchtiefe wurde bündig zum Spulenkörper gemessen, was die Nichtlinearitäten in den Randbereichen erklärt. So haben sich in den Randbereichen zwischen zwei Messwerten die Verhältnisse im Inneren der Spule nicht mehr verändert, da die Stange bereits voll eingetaucht bzw. voll herausgezogen waren.

Mittelfeldspule

Charakteristik14cm.jpg

Torwart oder Sturm

Charakteristik28cm.jpg

Verteidiger

Charakteristik39cm.jpg

Nach Verstärkerstufe

Die Charakteristik hinter den Verstärkerstufen und nach dem Gleichrichten und Glätten müssen noch aufgenommen werden.