Spule Details

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 interressiert nur die Summe beider Teil-Induktivitäten. Zieht man hierzu die allgemeine Formel für die Induktivität einer langezogenen 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 dichaneinandergepackt 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 spielfreien Sitz auch über den Transport hinweg sicherzustellen.

Verbrauch Draht: 1,8 m / cm Spule
ca. 30 Windungen / cm Spule
Zeitbedarf fürs Wickeln: 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 Glättung eine möglichst geringe Restwelligkeit zurückzulassen, und dennoch noch eine Messgeschwindigkeit von ca. 10 Messungen pro Sekunde zu erlauben.

Messchaltung

Der erste Teil der Schaltung ist eine Subtrahiererschaltung. Diese addiert parktisch 12V zum eigentlichen Signal 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. anscließend wird es über einen NINV- Verstärker verstärkt. Anschließend wird es über die Dioden gleichgerichtet und geglättet.

Ergebnisse

Änderungen der Induktivitäten

In einem ersten Versuch wurden die Induktivitäten als Hochpass beschaltet und mitt 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. 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

Torwart und Sturm

Verteidiger

Nach Verstärkerstufe

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