Bauanleitung zur
ASURO-Erweiterung „Minensucher“
AREXX / Robin Gruber
23.3.2009
1 Funktion der Schaltung
Mit Hilfe der Minensucherweiterung wird der ASURO-Roboter in die Lage versetzt, Metall, das
sich unter seinem halben Tischtennisball befindet zu detektieren. Damit kann man – natürlich nur
im Rahmen der Möglichkeiten des Roboters und des Bausatzes - Szenarien wie die robotergestützte
Minen- oder Schatzsuche oder das Auffinden und Verfolgen von Leitungen, Armierungseisen oder
Stahlträgern in Böden in vereinfachter Form ausprobieren.
Im Folgenden wird die Funktion der Schaltung nur grob erklärt, da eine ausführliche Beschreibung
einschließlich Grundlagen magnetischer Felder und komplexer Wechselstromrechnung den Rahmen
dieser Bauanleitung sprengen würde.
Ein Schwingkreis aus einem Kondensator und einer Spule mit einem einseitig offenen Schalenkern
wird durch eine Operationsverstärkerschaltung zur Oszillation angeregt. Da der verwendete
Schalenkern magnetisch offen ist, kann das Magnetfeld in den Raum austreten und wird durch in
der Nähe befindliches Metall beeinflusst.
Abb. 1 zeigt den Schaltplan. Der Schwingkreis wird durch die Spule L1 und den Kondensator C1
gebildet. Ein solches System ist schwingfähig, da zyklisch die im elektrischen Feld des
Kondensators gespeicherte Energie in im Magnetfeld der Spule gespeicherte Energie und zurück
umgewandelt wird. Die Frequenz, mit der diese Umwandlung stattfindet, hängt von der Kapazität
des Kondensators und der Induktivität der Spule ab. Sie berechnet sich (für kleine Verluste) zu:
f0=
1
2L C
Da diese Umwandlung nicht verlustlos abläuft, würde die Oszillation nach ein paar Perioden
abklingen. Man muss daher ständig Energie nachliefern um diese Verluste auszugleichen. Aber wie
beim Anschubsen einer Schaukel muss das zum richtigen Zeitpunkt passieren, sonst funktioniert es
nicht. Die hier verwendete Schaltung macht das dadurch, dass sie proportional zur Spannung am
Abbildung 1: Schaltplan der "Minensuche"-Erweiterung
Kondensator Strom in den Kondensator schiebt.
Realisiert wird das durch den Operationsverstärker IC1A, der mit dem Widerstand R2 und dem
einstellbaren Widerstand TR1 einen nicht invertierenden Verstärker bildet. Die Spannung am
Verstärkerausgang ist damit um den einstellbaren Faktor 1..3 höher als die Spannung am
Kondensator. Das führt dazu, dass durch den Widerstand R1 ein Strom fließt, der umso höher ist, je
höher die Spannung an C1 ist.
Die Einstellbarkeit der Verstärkung ist erforderlich, da die Verluste im Schwingkreis nicht exakt
vorher bekannt sind.
Der Operationsverstärker IC1B ist als Komparator beschaltet und vergleicht die Spannung am
Schwingkreis mit einer Referenzspannung von (je nach ASUROs Batteriespannung) ca. 0,5V und
gibt das Ergebnis an den Erweiterungs-Pin INT1 weiter. R4 dient hier als Schutzbeschaltung, da im
unprogrammierten Zustand des Prozessors sonst Prozessorpin und Operationsverstärkerausgang
gegeneinander arbeiten würden.
D4 ist anstelle der alten Linienfolge-LED eingebaut.
Der linke Teil der Schaltung aus Dioden und Kondensatoren dient zur Erzeugung einer (bezogen
auf die Masse der Schaltung) negativen Versorgungsspannung. Das ist erforderlich, da die
Spannung am Schwingkreis um Masse herum schwingt und damit sowohl positiv als auch negativ
werden kann.
In der Praxis gibt es verschiedene Methoden der Metalldetektion. Die vorliegende Schaltung
unterstützt zwei davon:
1. Die Verstärkung der Schaltung und damit die Energiezufuhr in den Schwingkreis wird so
eingestellt, dass die elektrischen Verluste im Schwingkreis ohne Metall in der Nähe der
Spule gerade so ausgeglichen werden. Kommt nun Metall in die Nähe der Spule, so werden
durch Wirbelströme (bei leitfähigem Material) oder Ummagnetisierungsverluste (bei nicht
leitendem aber ferromagnetischem Material) zusätzliche Verluste verursacht, welche dann
die Oszillation zum Erliegen bringen.
2. Die Verstärkung wird so hoch eingestellt, dass auch zusätzliche Verluste durch Metall in
Spulennähe ausgeglichen werden, und es wird nur die Frequenz der Oszillation gemessen.
Wird nun leitfähiges Material in die Nähe der Spule gebracht, so wird durch Wirbelströme
im Material das Feld geschwächt, was zu einer Verringerung der Spuleninduktivität und
damit zur Erhöhung der Oszillationsfrequenz führt. Bei ferromagnetischen Metall wird das
Feld verstärkt, die Induktivität steigt, die Frequenz sinkt.
Bei dieser Variante ist also zusätzlich zur Detektion auch eine grobe Unterscheidung
möglich, welches Metall gefunden wurde.
2 Aufbau
2.1 Herstellen der Spule
Falls die Spule bereits fertig bewickelt, mit Kondensator beklebt und Anschlusskabeln versehen ist,
wie in Abb. 8 entfällt dieser Arbeitsschritt. Falls nicht: Viel Spaß!
Jetzt müssen 400 Windungen (ja, kein Tippfehler!) dünnen Kupferlackdrahtes (0,1mm
Durchmesser) auf den Spulenträger aufgebracht werden. Das passiert wie folgt.
Dem Bausatz liegt dann ein zweigeteilter Spulenträger bei, der für zwei Kernhälften gedacht ist
(siehe Abb. 2).
Abbildung 2: Spulenkörper, ganz Abbildung 3: Spulenkörper, zersägt
Damit er in unseren einzelnen Kern passt, muss er auseinandergesägt werden. Das klappt am
einfachsten mit einer Bügelsäge. Dabei wird der Spulenträger an einer Seite des Mittelstegs
durchgesägt, sodass ein schmaler Spulenträger mit einer Wicklungskammer entsteht. Der Grat vom
Sägen wird noch mit einem feinen Schleifpapier (240er oder 300er Körnung) oder einem
Teppichmesser (Finger!) beseitigt. Die abgesägte andere Hälfte kann weg.
Um nun die Wicklung auf den Spulenträger zu bringen, steckt man ihn auf einen Stift oder den
Schaft eines Pinsels (besser, weil konisch) und zwar am besten so, dass man bereits den
Drahtanfang und ein paar Zentimeter des Kupferlackdrahtes zart mit einklemmt, wie es Abb. 4
zeigt. Um sicherzustellen, dass der Draht dann auch nicht doch irgendwie durchrutscht, kann man
ihn mit etwas Klebeband fixieren.
Und dann werden sorgsam (und natürlich ohne die Wickelrichtung während des Wickelns zu
ändern) und möglichst ordentlich, da sie sonst nicht drauf passen 400 Windungen des
Kupferlackdrahtes aufgewickelt. Wenn der Draht reißt (für's Flicken ist zu wenig Platz) oder man
sich verzählt, muss man von vorne anfangen. Es ist zwar nicht schlimm, wenn's 380 oder 420
Windungen werden, aber größer sollte die Abweichung nicht sein.
Ist man fertig mit Wickeln, kann man die Wicklung mit ganz wenig Nagellack oder Sekundenkleber
fixieren. Ist dieser fest, kann man das Klebeband vorsichtig vom Pinsel oder Stift lösen und den
bewickelten Spulenträger abnehmen. Auch kann man den Draht jetzt abschneiden, aber auch hier
ein paar Zentimeter stehen lassen. Die Drahtenden müssen jetzt in eine Richtung zeigen und dürfen
auch nicht durch das Loch im Spulenkörper gehen (siehe Abb. 5).
Abbildung 4: Wickelvorrichtung
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