¿Cuáles son mis opciones para detectar la posición de un pequeño objeto metálico en movimiento?

Una bobina circular alrededor del perímetro exterior del objetivo genera flujo magnético: -

La densidad de flujo es mínima (pero no cero) en el centro y, a medida que se acerca al perímetro de la bobina, la densidad de flujo aumenta.

Si la corriente fuera una corriente alterna, la densidad de flujo máxima sería$\sqrt2$mayor en comparación con el caso de DC. Sin embargo, una gran diferencia es que (debido a la inducción de corrientes de Foucault) cualquier material conductor alterará la inductancia de las bobinas a medida que pasa. Entonces, si dispuso que la bobina fuera parte de un oscilador (preferiblemente en la etapa de salida para que tenga más CA), puede sintonizar la bobina con un capacitor y detectar el cambio de frecuencia a medida que pasa una pastilla. El cambio más grande será cuando la pastilla se acerque a la periferia de la bobina.

Claramente, una pastilla más grande también generaría una desviación de frecuencia mayor, por lo que necesita calibrarse para .177 0r .22 pastillas de manera diferente.

Use algún tipo de detector de frecuencia para producir una señal de CC (demodulada) y el tamaño de la señal es proporcional a qué tan cerca o qué tan lejos está del borde de la bobina. Una desventaja es que fuera de la bobina debe haber algo para evitar que los gránulos perdidos se registren como dentro del bucle. Desea tener una frecuencia decentemente alta de probablemente unos pocos MHz para que el detector pueda registrar varias decenas de ciclos cambiando a medida que pasa el proyectil.

A 120 metros por segundo, mi intuición me dice que comenzará a registrar algo cuando la bobina esté tal vez a 50 mm de distancia de la bobina, por lo que tal vez haya una distancia de punto dulce de aproximadamente 10 mm donde la frecuencia cambia más. A 120 m/s, 1 m se viaja en 8,333 ms, por lo que 10 mm es un período de tiempo de 83,33 us, por lo que quizás se detecten aceptablemente 83 ciclos de 1 MHz, pero a 10 MHz sería mejor.

Esto solo requerirá un bucle de 1 vuelta con unos pocos cientos de pF de sintonización.

Es factible.

Solía ​​diseñar detectores de metales farmacéuticos en busca de contaminantes metálicos en la producción de píldoras. Usaba 1 MHz y podía detectar partículas tan pequeñas como 0,25 mm de diámetro (ferrosas y no ferrosas pero no de acero inoxidable). Tenía una bobina cuadrada de aproximadamente 100 mm por 35 mm, por lo que era un poco más pequeña que una para un objetivo, pero si considera que los "niveles de detección" son proporcionales a la masa y la masa es proporcional a la distancia al cubo, entonces debería estar bien.

Se puede suponer que un perdigón de .177 es una esfera de 4,5 mm de diámetro; esto es 18 veces más grande que 0,25 mm y, por lo tanto, su masa será 5832 veces mayor y la señal será aproximadamente 5832 veces mayor.

Podría probar con un conjunto de micrófonos dispuestos alrededor de la trayectoria del proyectil.

Una vez vi un dron objetivo que usaba una serie de micrófonos para detectar la distancia perdida de las rondas que pasaban volando. En este caso, las rondas eran supersónicas, por lo que su sonido era un poco más fuerte y afilado que el tuyo, pero el principio aún podría funcionar.

Para explorar esta idea, podría obtener dos pequeños micrófonos electret, polarizarlos correctamente y probarlos con un osciloscopio de almacenamiento digital. Si no tiene uno, también puede conectarlos a la tarjeta de sonido de su computadora (entrada de línea, para obtener estéreo). Móntelos en un palo, digamos a 30 cm de distancia, haga una grabación de audio a su frecuencia de muestreo más alta y dispare algunos perdigones sobre ellos en varias posiciones. Mire a través de los archivos WAV con Audacity y vea si 1) hay un impulso útil y 2) si la diferencia de tiempo de llegada corresponde a las diferentes rutas del disparo.

330 m/s dividido por 44 kHz es 7,5 mm, por lo que si los micrófonos tienen suficiente ancho de banda, creo que tienes la posibilidad de detectar la posición con la tarjeta de sonido.

Si ve buenos resultados con una tarjeta de sonido, el siguiente paso será diseñar un circuito detector que pueda detectar con razonable precisión el impulso de sonido, produciendo una transición simple de bajo a alto en su salida. Podría ser tan simple como un filtro de paso alto, un amplificador y un comparador. Luego haga al menos 3, pero mejor 4 o 5 de estos, coloque los micrófonos alrededor del objetivo y conéctelos a su Arduino, para hacer el cronometraje. Solo necesita tiempo relativo y solo una resolución de quizás 10 us, por lo que un Arduino es perfecto.

Entonces son solo algunas matemáticas, probablemente en su PC en lugar de Arduino, para determinar la posición de la bolita en la matriz de micrófonos.

Algunas pequeñas ideas: tenga cuidado con el sonido del rifle que activa los detectores, ¿tal vez una puerta de software que solo registra el segundo conjunto de pulsos? El circuito del detector debe restablecerse rápidamente y no permanecer en la parte superior por mucho tiempo. Además, tenga cuidado de que los circuitos de su detector no lean los sonidos fuertes antes que los más suaves; esto haría que el cálculo del rango fuera menos preciso. Además de hacer que el detector detecte mejor el pico, puede separar más los micrófonos, no solo en las esquinas del objetivo. Mantenga los micrófonos muy por delante del objetivo para que no haya reflejos de sonido en el cartón.

Podría usar una matriz de membrana "recubierta de goma" de contactos estrechamente espaciados (similar a un teclado). Dependiendo de la precisión de resolución que necesite, puede usar una matriz de hilos de 10 x 10 o 100 x 100. Al escanear electrónicamente los contactos, podrá determinar dónde golpea el perdigón.

Ya has citado la solución más práctica y sencilla, una cámara, pero parece que has visto el bosque y no árboles: la cuestión es que hay todo tipo de cámaras, y muestras tu experiencia NO para incluir la que necesitas : una cámara de alta velocidad. Una cámara típica toma una foto cuando presiona el botón una vez. Una cámara más costosa puede equiparse con un rebobinador automático (para las cámaras antiguas basadas en FILM, ahora casi obsoletas) y el rebobinador abrirá el obturador y tomará otra exposición tan pronto como la película haya avanzado al siguiente cuadro. Pero una cámara de ALTA velocidad, una que NO esté basada en película, puede tomar una cantidad casi increíble de imágenes por segundo, llegando al rango de 20,000 exposiciones por segundo O MÁS. ESTA es tu solución, si te lo puedes permitir. Va a, por supuesto, debe sincronizarse electrónicamente con el GATILLO de la pistola de perdigones, y eso dicta que tanto la pistola de perdigones como la cámara se inicien automáticamente. La cámara comenzaría a tomar fotografías un poco antes de que se dispare el tiro, y apuntar con cuidado junto con (espero) un enfoque automático (o un campo muy amplio) rastreará el proyectil desde el momento en que sale del cañón hasta el momento en que golpea el objetivo. Todo lo que tienes que hacer es reproducirlo y ver el registro. Y ni siquiera importará si el perdigón actual pasa por un agujero VIEJO en el objetivo. LO VES, pase lo que pase. Ahora las malas noticias: aunque esta es la solución más simple y efectiva a su problema, NO ES BARATA. Solo usted puede decidir cuánto vale para usted tener certeza absoluta sobre las trayectorias; Espero que la cámara de ALTA VELOCIDAD que necesita (a-la-Mythbusters) cueste muchos miles de dólares para comprar, y muchos cientos de dólares para alquilar por un corto tiempo, SI puede encontrar a alguien que le alquile una (¿FLUKE hace ¿cámaras fotográficas? SÍ alquilan equipos electrónicos, o al menos solían hacerlo); ¡pero es una solución DANDY a su problema, si puede permitírselo!