כבר הרבה שנים שאני רוצה לבנות גלאי מתכות, ולא מזמן נתקלתי במאמר שתאר גלאי כזה אבל עם טוויסט אלגנטי, שהייתי חייב לנסות אותו בעצמי. הגלאי מבוסס תוכנה.

כל גלאי המתכות מתבססים על תכונה פיזיקלית פשוטה: סליל של חוט מוליך משנה את ההשראות שלו כאשר הוא נמצא ליד מתכת. השראות זו היכולת להתנגד לשינוי הזרם הזורם דרכו. כאשר אנחנו מזרימים זרם חשמלי דרך סליל, הוא מייצר שדה מגנטי. ככה למשל עובד אלקטרומגנט. אבל השדה הזה משרה בסליל עצמו מתח בכיוון ההפוך לזה שחיברנו וזה מייצר זרם שמתנגד לשינוי שגרמנו. ההשראות תלויה בהרבה גורמים, אבל מה שמעניין אותנו היא התלות בחומר שעליו מלופף הסליל. (מחשבון ערך סליל)

כדי לגלות את המתכת אנחנו בונים מעגל שמשתמש בשינוי בהשראות בנוכחות המתכת כדי לסמן לנו את המצאותה. דרך פשוטה למימוש תהיה לבנות מתנד שהתדר של הציפצוף שהוא מפיק משתנה עקב השינוי בהשראות. גלאים מתוחכמים יותר ישמשו בשני סלילים, אחד משדר ואחד קולט, כדי שיעבדו כמו שנאי. במאמר שקראתי מוצא מעגל בסיס והעיבוד אחר כך מבוצע בתוכנה על ארדואינו, וזה כבר מעניין.

המעגל

המעגל שנבנה הוא יחסית פשוט

הארדואינו מזין למעגל גל מרובע.

הסליל מנסה להתנגד לשינוי הזרם ונוצר עליו מתח בכיוון הנגדי.

הזמן של כל פולס נקבע על ידי פרמטר שנקרא טאו () וערכו הוא מכפלת ערך הנגד בהשראות הסליל. במעגל המקורי הנגד הוא כ200 אום והסליל 100uH לכן טאו שווה כחצי מיקרו שניה. הסליל שהשתמשתי בו הוא בעל השראות של 2mH ולכן שמתי נגד של בערך 4K כדי לקבל אופיין דומה.

מכיוון שלמדוד את רוכב הפולס, בקבועי זמן כאלו קטנים זה קשה, המתכנן משתמש בדיודה וקבל שמשמשים כצובר. כל פולס חיובי מועבר דרך הדיודה אל הקבל, שם נקבל את הסכום של הפולסים. כל מדרגה משמעה פולס בכניסה. המתח הנצבר משתנה עם ההשראות וכך למעשה נעשה הגילוי. ככל שניתן יותר פולסים נוכל להגדיל את הרגישות.

המתח על הסליל יראה עכשיו

התוכנה

כאמור רוב העיבוד מתבצע בתוכנה. כל מחזור מדידה מתחיל באיפוס הקבל על ידי הורדת כניסת המדידה לאפס. לאחר מכן נייצר רכבת פולסים , כדי להוסיף לדיוק נחזור על כך מספר פעמים ונסכום את התוצאות. פילטר נוסף הוא להוריד את המדידה הגדולה ביותר והקטנה ביותר מהסכום כדי לנקות outlayers. (אפשר להחליף אולי בפילטר median)

את התוצאה הסופית אנו משווים לממוצא LPF . אם ההפרש גדול או קטן מהממצוא בזמן, סימן שהיה לנו שינוי. היתרון בשיטה זו שאנו לא צריכים לכייל לשינויים סביבתים, החסרון שאחרי כמה שניות ליד המתכת, הממוצא ״מתרגל״ לנוכחותה. ומצד שני יצפצף כאשר נתרחק.

כאשר ההפרש עולה על ערך מסויים, המערכת מתחילה להגיב ולצפצף. טון הצפצוף תלוי בסימן ההפרש (חיובי -> גבוה, שלילי -> נמוך) והזמן בין הצפצופים נקבע על ידי הערך המוחלט של ההפרש.

כל היופי שזה נעשה בתוכנה וקל לשנות את ההתנהגות. אני למשל הייתי מודד את הבסיס עם הדלקת המערכת, ומשווה כל הזמן לערך זה.

כאשר ארזתי את המעגל בתוך קופסא, שמתי לב שהסליל כבר לא כזה קרוב למתכת, ולכן הרגישות נפגעה עד כדי שהוא לא זיהה כלום. הפתרון כמובן פשוט. מדדתי את הערכים בלי הקופסא ועם. ראיתי שיש הבדל של פי 10 בערכי הdiff, ולכן פשוט הכפלתי את מספר הפולסים בכניסה פי 10 והמערכת חזרה לעצמה