DrDiettrich:
Kommt drauf an, wo sich die Stahlkugel befindet. Im Inneren der Spule ist der Effekt am größten, weiter weg nimmt er rapide ab.
Im Inneren der Spule ist bei dir aber der Eisenkern. Dein zu detektierendes Material geht aussen vorbei. Wo es naturgemäss eine geringere Wirkung entfaltet. Nur in Luftspulen kann ich Material durch den Spulenkern bewegen.
Spulen sind kompliziert, viel komplizierter als Kondensatoren obwohl sie ja eigentlich ihr gegenüber sind. Aber Kondensatoren funktionieren ziemlich nahe am Ideal, Spulen weigern sich auch nur in die Nähe von ideal zu kommen. Überall bringen sie Ohmsche und kapazitive Widerstände mit ein, die unerwünscht sind.
Keine Plan was Wikipedia da erklärt, aber es ist falsch. Wir haben das Problem, das wir hin und wieder einen solchen Näherungsschalter zu knapp einstellen und er dann mit schnell bewegten Teilen in Berühung kommt. Diese rubbeln die Oberfläche ab und man sieht den Innenteil des Sensors. Gut zu sehen die Spule bzw die reste davon.
Ein Ferrit ist da aber nicht und auch sonst kein Eisen. Du weist selbst das Wikipedia nicht 100% zuverlässig ist. Induktive Näherungsschalter detektieren zb auch Mehl oder Granulate und die sind 100% nicht magnetisch. Entziehen also keine "magnetische" Energie. Ich will allerdings nicht ganz ausschliessen, das es in speziellen Bereichen drauf ankommt NUR Metalle zu detektieren und man dann mit Ferrite das ganze eingrenzt. Die Regel ist das aber nicht. Daher als Sonderfall anzusehen.
Ich sag ja auch nicht das es NICHT funktioniert, es ist nur viel schwerer auszuwerten, weil das Signal nur sehr gering abweicht, während es bei Luftspulen wessentlich größere Abweichungen hat. Wenn ich die Wahl habe 0,01V oder 10V als Auswertespannung zu haben werde ich immer 10V benutzen, wenns geht, statt mich mit 10mV rumzuschlagen und hohen Aufwand zu treiben.
Der Wikipediaartikel scheint mir klar und verständlich.
Die Induktivität einer Luftspule wird nur durch ferromagnetische Materielien in ihrem Inneren oder Nahe daran stark verändert.
Induktive Näherungsschalter arbeiten anders. Sie messen die Wirbelstromverluste in einem leitenden Material das in den Magnetkreis gebracht wird, aber nicht die Änderung der Frequenz des Schwingkreises. Das hat den Vorteil viel mehr Materialien detektieren zu können. Ein Eisenkern konzentriert das Magnetfeld und macht so den Sensor empfindlicher. Man nimmt dazu Ferrite da diese zwar ferromagnetisch sind, die Metallteilchen aus denen sie gesintert sind, aber voneinander isoliert sind.
Außer Ferromagnetischen Stoffen gibt es auch noch diamagnetische und paramagnetisceh Materialien die das Magnetfeld leicht anziehen bzw leicht abstoßen. Zb Sauerstoff ist paramegnetisch und man kann dadurch einen Sauerstoffsensor bauen. http://www.alfakomp.se/ckfinder/userfiles/files/produkte_parox1200.pdf
Natürlich ist es leichter einen Effekt auszuwerten der eine große Ausgangsspannung produziert. Es sind aber viele Sensoren und Meßprinzipien in Verwendung, die kleine Signalespannungen produzieren und dann verstärkt werden. Zu nennen sind zB Thermoelemente dessen Spannung um 40µV/°C liegen ( zb K-Elemente) Meßbrücken mit Dehnungsmeßstreifen (Wägezelle), Hallsensoren bzw Sensoren die den Halleffekt benutzen (Sensoren für Strommessung).
In der KFZ-Industrie (=billig und robust) werden üblicherweise Sensoren verwendet, die auf Induktion beruhen: Spule + Dauermagnet. Wenn vor der Spule ein Ferromagnetisches Stück vorbei bewegt wird, wird in der Spule ein Impuls induziert. Dieses Prinzip wird verwendet für Erkennung der Kubelwellenposition des Motors, aber auch für ABS-Raddrehzahlsensoren.
Nachteile: Die Spannung des Impulses ist abhängig vom Abstand und der Geschwindigkeit mit der die Kugel vorbei bewegt wird, entsprechend brauchts eine Auswerteschaltung. Langsame Bewegungen können nicht erkannt werden.
Es gibt auch Hall-Sensoren mit integriertem Magneten, die auf ferromagnetisches Material, z.B. eine Stahlkugel, reagieren. z.B. den Drehzahlsensor KMI 151 von NXP
Das sind beides Sensoren, die auf die magnetische Komponente reagieren.
Die Luftspulen die über die Verstimmung der Eigenfrequenz arbeiten, reagieren auf alle Arten von Metallen, da hier die Güte des Schwingkreises mit eingeht, da auch NE-Metalle über die Wirbelstromverluste Einfluss nehmen. Ist aber aufwändig.
Für die Kugelbahn Lösung würde ich entweder Lichtschranke nehmen (die erkennt dann auch Kunststoffkugeln) oder einen fertigen Sensor, wie den oben verlinkten NXP Sensor.
Es sein denn, man sucht das Bastelabenteuer. Dann den Metalldetektor. Damit hat man am meisten Spaß bei der Entwicklung!
Ohne konkrete Schaltungen zum Betrieb von induktiven Sensoren kommen wir nicht weiter. Leider kann ich dazu keine eigenen Erfahrungen beitragen, außer der Erkenntnis, daß es verschiedene Auswertungsverfahren gibt.
Was den Selbstbau betrifft (Topic!), hat es mich einfach gestört, wie erfolgversprechende Ideen niedergemacht werden. Z.B. der Vorschlag #12 von combie (Impulserzeugung), der sich mit etlichen Threads über Sensoren im Kfz-Bereich deckt. So ein Sensor kommt ohne Oszillator aus, möglicherweise sogar ohne einen Verstärker, und läßt sich im Programm leicht abfragen.
Ähnlich einfach der Vorschlag von nix_mehr_frei (#5), mit den Optionen für mechanische (Reed) oder elektronische (Hall) Auswertung.
Mit Oszillator fällt mir bei Metallsuchgeräten die Tonfrequenz auf, die vermutlich nach dem Prinzip des Schwebungssummers arbeitet (Frequenz-Differenz), und mit dem Gehör sicher gut auszuwerten ist, per Programm aber einen großen Aufwand erfordern würde, insbesondere wenn die Änderung nur sehr kurzfristig beim Vorbeilaufen einer Metallkugel auftritt. Der große Erfassungsbereich dürfte hier eher nachteilig sein, da sich im praktischen Aufbau ja noch mehr metallische Objekte im Bereich so eines Metalldetektors befinden oder gar bewegen düften. Der Verweis von Uwe auf fertige Sensoren (#2, #10) vermutlich mit integrierter Elektronik, scheint mir da durchaus angebracht.
Einfacher wäre die Messung des Oszillatorstroms, die ebenfalls ohne großen programmtechnischen Aufwand möglich ist. Dieses Verfahren basiert IMO weniger auf der Verstimmung eines Schwingkreises, sondern auf der Spulengüte (Variation des Luftspalts, Energieabzug), siehe Uwe (#24).
Es wäre schön, wenn wir uns wieder dem Selbstbau nähern könnten, mit konkreten Angaben zur geeigneten Elektronik und Programmierung.
Der eine Eingang des OP liegt auf VCC/2, der andere knapp darüber.
Wenn über die Spule ein Spannungspuls induziert wird, löst der Komperator einen Rechteckpuls aus.
(Achtung: Polarität ist wichtig! zuerst muss die positive Halbwelle kommen, sonst werden 2 Pulse ausgelöst!)
Die genaue Dimensionierung muss am Objekt erprobt werden, da die Höhe der Signalspannung und die Höhe der Störungen nicht bekannt sind.
Variante: keinen Dauermagneten am Sensor, dafür die Spule über einen Vorwiderstand dauerhaft bestromen. Also einen Elektromagneten verwenden, statt des Dauermagneten.
wie erfolgversprechende Ideen niedergemacht werden. Z.B. der Vorschlag #12 von combie (Impulserzeugung),
Das Beste setzt sich durch(meistens).
OK, dann konkreten Schaltungs- und Sensorvorschlag:
Ja, so hatte ich mir das vorgestellt.
Wobei, die Idee mit der Luftspule ist auch nicht schlecht.
Z.B. eine Pappröhre mit Wicklung drum, wo die Kugel durch geschickt wird.
Wenn die Frequenz hoch genug ist, sollte man die Stromerhöhung durch die Erwärmung der Kugel erfassen können.
Oder eben die "Verstimmung" des Schwingkreises messen.
Der Schaltungsaufbau wird bestimmt etwas fummeliger.
Aber es ließen sich auch NichtEisenMetall Kugeln erkennen.
Mir fehlt in der Grafik der zweite Schenkel, der einen definierten Luftspalt herstellt. Entweder wie beim Relais oder Hufeisenmagneten ein weiterer seitlicher Eisenschenkel, oder ein Eisen-/Stahlrohr außen rum. Sonst wird der magnetische Unterschied zwischen Zahn und Lücke sehr klein. Der Luftspalt reicht ja sonst vom einen Ende der Spule bis zum anderen Ende.
Legt man den Magneten quer, und zwei Außenschenkel nach vorne, wie beim Trafoblech M-Schnitt, dann müßte man sogar ein richtungsabhängiges Signal von den beiden Luftspalten geliefert bekommen, denke ich.
DrDiettrich:
Sonst wird der magnetische Unterschied zwischen Zahn und Lücke sehr klein. Der Luftspalt reicht ja sonst vom einen Ende der Spule bis zum anderen Ende.
Diese Senoren funktionieren über Induktion. Die Änderung des magnetischen Flusses induziert in der Spule eine Spannung.
Aus was für Material besteht das Gehäuse eines solchen Sensors?
Ein Bild mit den Feldlinien sollte schnell klarmachen, daß der Unterschied zwischen Zahn und Lücke keinen großen Effekt hat, wenn der Magnet einige cm entfernt angebracht ist.
Die Sache mit dem Dauermagnet ist eine Option aber kein Muss. In den Induktionsschleifen von Ampelanlagen und Schranken sind keine Magnete verbaut und auch in den industriellen Näherhungsschalter die ich kenne auch nicht.
Hier sind zwei Bilder eines Näherungsschalters der Firma Balluff. Gut zu erkennen ist die Spule mit hohlem Ferrit in der Mitte, dahinter kommt nur noch die vergossene Elektronik.
