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

Esta es una trampa de perdigones de pistola de aire:

Disparo pequeños gránulos de metal (4.5 mm = .177 "de diámetro) hasta 120 m / s = 390 fps.

¿Cuáles son mis opciones para detectar la posición X / Y en la que ingresa al objetivo?

¿Hace que sea más fácil si solo necesito saber la distancia desde el centro? (el marcador)

En este momento, mis gránulos no contienen plomo, pero no son ferromagnéticos (no se adhieren a un imán). Si tuviera que obtener gránulos ferromagnéticos, ¿tendría más opciones? ¿Algún efecto inductivo o electromagnético?

En este momento puedo pensar en:

1. Una cámara montada en un trípode, que compararía imágenes sucesivas y detectaría cualquier diferencia en el papel de destino. Desventajas: necesitaría una potencia de computación decente (al menos una Raspberry Pi) y probablemente perdería un gránulo que pasara a través de un agujero tallado por el gránulo anterior. Tampoco funcionaría tan bien contra las bandas negras.

2. Dos escáneres láser o CCD, como los escáneres de códigos de barras reutilizados, montados a lo largo de los bordes del objetivo a 90 ° entre sí. Desventajas: la óptica tendría que modificarse en el caso de CCD; probablemente necesitarían un fondo de referencia blanco en el otro lado; y tendrían que ser muy rápidos, porque los gránulos se mueven muy rápido.

¿Alguna otra idea?

¿Puedo usar antenas montadas a lo largo del borde para detectar algún tipo de efecto electromagnético? ¿Qué pasa si produce un campo electromagnético? ¿El gránulo de metal interactuaría con él de alguna manera notable? ¿Lo haría un gránulo ferromagnético?

¿Puedo usar dos detectores de distancia supersónicos, montados a 90 ° entre sí? ¿Pueden detectar un objeto tan pequeño, viajando rápido?

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

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

$\sqrt2$

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

Use alguna forma de detector de frecuencia para producir un blip de CC (demodulado) y el tamaño del blip es proporcional a qué tan cerca o lejos del borde de la bobina se encuentre. 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 que cambian a medida que el proyectil pasa.

A 120 metros por segundo, la sensación intestinal me dice que comenzará a registrar algo cuando la bobina esté quizás a 50 mm 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, se viaja 1m en 8.333 ms, por lo que 10 mm es un período de tiempo de 83.33 us, por lo que tal vez se puedan detectar 83 ciclos de 1MHz, pero a 10MHz sería mejor.

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

Es factible

Solía ​​diseñar detectores de metales farmacéuticos en busca de contaminantes metálicos en la producción de pastillas. Usó 1MHz y pudo 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 pequeño que uno para un objetivo, pero si considera que los "niveles de detección" son proporcionales a la masa y la masa es proporcional a la distancia en cubos, entonces debería estar bien.

Se puede suponer que un gránulo de .177 es una esfera de 4,5 mm de diámetro: es 18 veces más grande que 0,25 mm y, por lo tanto, su masa será 5,832 veces más grande y la señal será aproximadamente 5,832 veces más grande.

Puedes probar un conjunto de micrófonos dispuestos alrededor del camino del proyectil.

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

Para explorar esta idea, puede obtener dos micrófonos electret pequeños, sesgarlos correctamente y probar con un osciloscopio de almacenamiento digital. Si no tiene una, también puede conectarla a la tarjeta de sonido de su computadora (entrada de línea, para obtener Stereo). 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 gránulos 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 tiene 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 razonablemente con precisión el impulso de sonido, produciendo una simple transición baja-> alta en su salida. Podría ser tan simple como un filtro de paso alto, amplificador y 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 un tiempo relativo, y solo una resolución de quizás 10 nosotros, por lo que un Arduino es perfecto.

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

Algunas pequeñas reflexiones: tenga cuidado con el sonido del rifle que dispara los detectores, ¿tal vez una puerta de software que solo registra el segundo conjunto de pulsos? El circuito del detector debe reiniciarse rápidamente y no permanecer en la parte superior por mucho tiempo. Además, tenga en cuenta que los circuitos de su detector no leen sonidos fuertes antes que los más suaves; esto haría que el cálculo del rango sea menos preciso. Además de hacer que el detector sea mejor para alcanzar el pico, podría espaciar los micrófonos aún más, no solo en las esquinas del objetivo. Mantenga los micrófonos muy por delante del objetivo para que no tenga reflejos de sonido del cartón.

Podría usar una matriz de membrana "recubierta de goma" de contactos muy separados (similar a un teclado). Dependiendo de la precisión de resolución que necesite, puede usar una matriz de cable de 10 x 10 o 100 x 100. Al escanear electrónicamente los contactos, podrá determinar dónde impacta el gránulo.

Ya ha citado la solución más práctica y simple, una cámara, pero parece que ha visto el bosque y no hay árboles: el punto es que hay todo tipo de cámaras, y muestra su experiencia para NO incluir el tipo que necesita : una cámara de alta velocidad. Una cámara típica toma una fotografía cuando presiona el botón una vez. Una cámara más cara se puede equipar con una bobinadora automática (para las cámaras basadas en FILM de estilo antiguo, ahora casi obsoleta) y la bobinadora abrirá el obturador y tomará otra exposición tan pronto como la película avance al siguiente fotograma. Pero una cámara de ALTA velocidad, una que NO está basada en película, puede tomar una cantidad casi increíble de imágenes por segundo, aclarar en el rango de 20,000 exposiciones por segundo O MÁS. Esta es su solución, si puede pagarla. Va a, por supuesto, debe sincronizarse electrónicamente con el GATILLO en 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 disparar, y un apuntado cuidadoso 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 disco. Y ni siquiera importará si la pastilla actual atraviesa un ANTIGUO agujero en el objetivo. Lo ves, pase lo que pase. Ahora la mala noticia: aunque esta es la solución más simple y efectiva para su problema, NO ES BARATO. 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) le cueste muchos miles de dólares para comprar, y muchos cientos de dólares para alquilar por un corto tiempo, SI puede encontrar a alguien para alquilarle uno (¿FLUKE hace cámaras? alquilan equipos electrónicos, o al menos solían hacerlo); ¡pero es una DANDY solución para su problema, si puede permitírselo!