Handleiding voor de
ASURO-module
„Mijnveger“
AREXX / Robin Gruber
23.3.2009
1 Functiebeschrijving van de schakeling
De uitbreidingsmodule “Mijnveger” stelt de ASURO-Robot in staat metalen voorwerpen te
detecteren, die zich onder de halve ping-pong-bal bevinden. Daarmee kan men – natuurlijk wel
begrensd door de technische randvoorwaarden, die de robot en de kit ter beschikking stellen –
diverse scenario's uitproberen, zoals bijvoorbeeld het opsporen van mijnen of het zoeken naar
schatten met behulp van een robot en het speuren en volgen van leidingen, betonstaal of andere
metalen voorwerpen in de bodem.
Deze handleiding bevat slechts een summiere beschrijving, omdat een uitvoerige documentatie
inclusief de magnetische veldbeschrijving en de behandeling van de complexe wisselstroomtheorie
niet in het kader van een handleiding past.
In de “Mijnveger” wordt een resonator, bestaande uit een condensator en een spoel met een open
kern, door een operationele versterker tot oscilleren gebracht. Omdat de spoelkern een open
structuur vormt, kan het magneetveld zich in de omgeving uitbreiden en door het in de buurt
aanwezige metaal worden beïnvloed.
Fig. 1 beschrijft het schema. De resonantiekring bestaat uit de spoel L1 en de condensator C1. De
toegepaste schakeling kan oscilleren, omdat de in het elektrische veld van de condensator
opgeslagen energie cyclisch tegen de magnetische energie van de spoel wordt uitgewisseld. Dit
proces vindt in twee richtingen plaats. De frequentie waarmee dit proces plaatsvindt hangt af van de
capaciteit van de condensator en de zelfinductie van de spoel. Bij geringe verliezen kan men voor
de berekening werken met de formule:
f0=
1
2L C
Fig. 1: Schema voor de "Mijnveger"-uitbreidingsmodule
Omdat deze conversie niet zonder verliezen verloopt, zal de oscillatie na een paar perioden
afsterven. Men moet voortdurend energie toevoeren om deze verliezen te compenseren. Daartoe
moet men evenals bij een schommel de juiste tijdstippen voor de benodigde impuls kiezen, anders
werkt het niet. In ons ontwerp zorgt de schakeling er daarom voor, dat het systeem de laadstroom
voor de condensator proportioneel instelt tot de spanning over de condensator.
Daartoe passen wij een operationele versterker IC1A toe, die met een weerstand R2 en een
instelbare trimmerweerstand TR1 een niet-inverterende versterker vormt. De uitgangsspanning van
deze versterker wordt op een waarde ingesteld, die ca. 1..3 hoger wordt gekozen dan de
condensatorspanning. Daardoor vloeit door weerstand R1 een stroom, die zal stijgen naarmate de
spanning over C1 hoger wordt.
De versterking moet instelbaar zijn omdat de verliezen in de resonatorkring vooraf niet nauwkeurig
genoeg bekend zijn.
De operationele versterker (Opamp) IC1B is als comparator geconfigureerd en vergelijkt de
spanning over de resonatorkring met een referentiespanning van ca. 0,5V (deze waarde hangt af
van de ASURO-voedingsspanning) en stelt het resultaat aan extension-pin INT1 ter beschikking. R4
beschermt daarbij de in- en uitgangen, om te voorkomen, dat een processor- en een Opamp-pin in
een ongeprogrammeerde processor elkaar eventueel kunnen beschadigen.
D4 vervangt de oorspronkelijke lijnvolger-LED.
Het linker gedeelte van het schema met de diodes en condensatoren bevat een schakeling ter
opwekking van een negatieve voedingsspanning (ten opzichte van de massa-pool in het systeem).
Wij hebben deze hulpspanning nodig, omdat de spanning in het resonatorcircuit ten opzichte van de
0V-spanning varieert en in dit bereik zowel positief als negatief kan worden.
In de praktijk zijn er meerdere methoden voor het zoeken naar metaal. Ons ontwerp werkt met twee
van deze methoden:
1. De versterkingsfactor van de schakeling en daarmee ook de energietoevoer naar het
resonatorcircuit wordt zodanig ingesteld, dat de elektrische verliezen in de resonator bij
afwezigheid van metaal in de directe omgeving van de spoel precies worden
gecompenseerd. Zodra er zich nu metaal in de buurt van de spoel bevindt, veroorzaken de
wervelstroom (bij geleidend materiaal) of magnetisatie-verliezen (bij isolerend, maar
ferromagnetisch materiaal) extra verliezen, die daardoor de oscillaties uitdoven.
2. De versterkingsfactor wordt zo hoog gekozen, dat ook de extra verliezen door metaal in de
buurt van de spoel worden gecompenseerd. Daarbij wordt nu de oscillatiefrequentie
gemeten. Als zich geleidend materiaal in de omgeving van de spoel bevindt, verzwakt de
wervelstroom het veld, waardoor de zelfinductie van de spoel daalt en de oscillatiefrequentie stijgt. Ferromagnetisch materiaal versterkt daarentegen het veld, zodat de
zelfinductie stijgt en de frequentie daalt. Met behulp van deze meetmethode wordt dus niet
alleen het metaal gedetecteerd, maar ook nog geclassificeerd.
2 Opbouw
2.1 De opbouw van de spoel
Indien de spoel reeds kant en klaar is gewikkeld en volgens fig. 8 van een condensator en
aansluitdraden is voorzien, kan deze procedure worden overgeslagen. Als dat niet het geval is,
wensen wij je alvast veel plezier met deze klus!
Je moet nu namelijk 400 windingen (ja, dat is geen typefout!) dun koperdraad (0,1mm diameter) op
de spoelvorm wikkelen. Dat gebeurt als volgt:
In de bouwdoos bevindt zich een spoelvorm met een dubbele kamer, die in feite voor twee kernhelften is ontworpen (zie fig. 2).
Om ervoor te zorgen, dat de spoelvorm in onze enkelvoudige kern past, moet de vorm doorgezaagd
worden. Daartoe is een beugelzaag goed geschikt. In dit geval zaag je de spoelvorm aan een kant in
het midden van de kamer door, zodat er een smalle spoelvorm met slechts een enkele wikkelkamer
onstaat. De braam van het zagen moet je nog even verwijderen met fijn schuurpapier (korrelgrootte
240 tot 300) of met een Stanleymes (let op je vingers!). Het afgezaagde restant kan worden
weggegooid.
Om de wikkeling op de spoelvorm te brengen, kun je deze het beste op een potlood of een penseel
schuiven. Een penseel is wellicht beter geschikt, omdat deze vaak een konische vorm heeft. Bij
voorkeur klem je het aanloopgedeelte en enkele centimeters van de gelakte koperdraad voorzichtig
tussen de spoelvorm en de penseel, zoals in fig. 4 aangeduid. Om het verschuiven van de draad te
verhinderen, kun je deze ook met wat plakband fixeren.
Fig. 2: Spoelvorm,
met dubbele kamer
Fig. 3: Spoelvorm, doorgezaagd
Fig. 4: Wikkelsysteem
Loading...