Piezo Film Sensor OPV

[Alexander W. (Firma: FH Wels) (alexanderwie)]

Hallo

Ich muss einen Piezo Fim Sensor zur Vibrationsmessung verwenden. Die 
Ampliduden werden sehr gering werden, bei der Frequenz habe ich noch 
keine Ahnung wie dies aussehen wird. Verwendet wird:
http://www.te.com/deu-de/product-CAT-PFS0004.html?q=&d=511344&type=products&samples=N&f=129691#guest-click

Ich möchte vor dem Sensor eine OPV Schaltung bauen um die 
Spannungsspitzen auszuwerten. Zweck der Messung soll sein, einen 
Normbereich der Vibrationen beschreiben zu können und einen 
NichtNormbereich.
Leider habe ich nur begrenztes Wissen zum Thema OPV und Piezo. Im Forum 
bin ich nur begrenzt fündig geworden.
Ich wäre sehr Dankbar wenn mir jemand eine aufgezeichnete Schaltung 
dafür schicken könnte.

Danke

[STK500-Besitzer (Gast)]

Alexander W. schrieb:
> Ich muss einen Piezo Fim Sensor zur Vibrationsmessung verwenden. Die
> Ampliduden werden sehr gering werden, bei der Frequenz habe ich noch
> keine Ahnung wie dies aussehen wird.

Finde die Frequenz und die Amplitude (Übertragungsfunktion)  raus, und 
man kann dir helfen.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Alexander W. schrieb:
> Ich möchte vor dem Sensor eine OPV Schaltung bauen um die
> Spannungsspitzen auszuwerten. Zweck der Messung soll sein, einen
> Normbereich der Vibrationen beschreiben zu können und einen
> NichtNormbereich.

Ich übersetze das mal: du möchtest die Spannung vom Sensor verstärken 
und anschließend die Amplitude messen. Zum Verstärken eignet sich ein 
OPV sicher gut. Aber ob man zur Amplitudenbestimmung einen (aktiven?) 
Gleichrichter braucht oder ob man das verstärkte Signal direkt in einen 
ADC schieben und digital weiterverarbeiten kann, hängt von Details ab, 
die wir nicht kennen (und du anscheinend auch nicht).

> Leider habe ich nur begrenztes Wissen zum Thema OPV und Piezo. Im Forum
> bin ich nur begrenzt fündig geworden.
> Ich wäre sehr Dankbar wenn mir jemand eine aufgezeichnete Schaltung
> dafür schicken könnte.

So funktioniert das nicht. Das Forum ersetzt nicht das eigenständige 
Lernen. Hier gibt es Hilfe zur Selbsthilfe, mehr nicht. Wenn du willst, 
daß jemand anderes deine Arbeit macht, sage das deinem Chef, damit er 
dich feuern und jemand qualifiziert(er)en einstellen kann.

[Klaus R. (klara)]

Alexander W. schrieb:
> Hallo
>
> Ich muss einen Piezo Fim Sensor zur Vibrationsmessung verwenden. Die
> Ampliduden werden sehr gering werden, bei der Frequenz habe ich noch
> keine Ahnung wie dies aussehen wird. Verwendet wird:
> http://www.te.com/deu-de/product-CAT-PFS0004.html?...

Du mußt doch das Umfeld kennen in dem der Sensor eingesetzt werden soll!

>
> Ich möchte vor dem Sensor eine OPV Schaltung bauen um die
> Spannungsspitzen auszuwerten.

Gut. Das Datenblatt ist äußerst sparsam mit Informationen. Ich würde mal 
hier anrufen und um mehr Informationen bitten.

MEAS Deutschland GmbH
a TE Connectivity Company
Tel:  [phone]
Email:
[e-mail]

> Min. input impedance: 1 MΩ,
> recommended: 10 MΩ

Das bezieht sich wohl auf den Eingang des OPV. Also wäre z.B. ein JFet - 
Eingang erforderlich, die sind sehr hochohmig. Der TL071 wäre ein 
klassischer Kandidat, kostest nur ein paar Cent. Müßte für die ersten 
Tests genügen.

https://www.reichelt.de/?ACTION=3;ARTICLE=21555;SEARCH=tl071
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl072b.pdf

> The DT film element produces more than 10  millivolts
> per  microstrain

Was ist ein "microstrain"?

> about  60  dB  higher  than  the  voltage
> output   of   a   foil   strain   gauge.

Jedenfalls liefert der Sensor 60 dB mehr Spannung als ein anderer 
Sensor. Das wäre schon mal beträchtlich. Mit dem Begriff "60 dB" kannst 
Du etwas anfangen?

Die Spannung könnte sehr hoch werden. Also muß der Input des OPV 
vorsorglich mit Ableitdioden geschützt werden. Wenn das der Fall ist 
dann dient der OPV nur als Impedanzwandler.

> Zweck der Messung soll sein, einen
> Normbereich der Vibrationen beschreiben zu können und einen
> NichtNormbereich.

Na gut.

> Leider habe ich nur begrenztes Wissen zum Thema OPV und Piezo. Im Forum
> bin ich nur begrenzt fündig geworden.

Das wäre ja schon ein gewisser Ansatz.

mfg klaus

[Klaus R. (klara)]

Hallo Alexander,
ich würde mal gerne wissen in welcher Fachrichtung Du tätig bist.

Anbei eine einfache Schaltung, die schon ausreichen könnte.

Etwas How Know.
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210151.htm

Die Schaltung habe ich in LTspice XVII erstellt. Damit kann man 
Schaltungen simulieren. Die Art der Schaltung nennt man auch 
Elektrometerschaltung. Der Eingangswiderstand entspricht dem des OPV. 
Der TL071 ist zwar schon etwas älter, hatte aber schon JFet-Eingänge. 
Sie haben 10hoch12 Ohm Eingangswiderstand, also mehr als genug für 
diesen Anwendungsfall. Als Symbol für den Sensor habe ich XTAL, einen 
Quarz, gewählt. D1 und D2 leiten Überspannung ab. R2 sollte gößer als 2 
K sein. Siehe Datenblatt.

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl072b.pdf

Ich würde in der Tat zuerst mit V = 2, also R1 = R2, anfangen und dann 
sehen was das Oszilloskop sagt. C2 begrenzt die Bandbreite der Schaltung 
und somit auch das Rauschen. Die Stabilität wird dadurch auch 
verbessert. Das man +UB und -UB direkt am OPV mit z.B. 100nF gegen Masse 
abblockt gehört eigentlich zu den Grundlagen.


https://www.reichelt.de/0-6W-1-1-00-M-Ohm-10-0-M-Ohm/METALL-10-0M/3/index.html?ACTION=3&LA=2&ARTICLE=11450&GROUPID=3081&artnr=METALL+10%2C0M&trstct=pol_4

Es könnte sinnvoll sein, wie in der Schaltung angedeutet, den 
hochohmigen Eingang mit einen hochohmigen Widerstand gegen Masse 
abzustützen. Da der Sensor sich ja wie ein Kondensator verhält, wüde der 
Eingang sonst gleichspannungsmäßig "schwimmen". Gemäß Datenblatt des 
Sensors sollte man schon 10MOhm einsetzen.
mfg Klaus

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Da der Piezo sehr hochohmig ist, würde ich dir einen differentiellen 
Instrumentenverstärker vorschlagen, wie z.B. die Schaltung hier:
https://www.mikrocontroller.net/articles/Operationsverst%C3%A4rker-Grundschaltungen#Der_Instrumenten-Verst.C3.A4rker

Bei Differenzverstärkern werden Störungen, die auf beide Signalleitungen 
einwirken, gut unterdrückt.

Allerdings baut man so etwas nicht mit dem LM1458, sondern einem JFet 
Chip, wie z.B. dem o.a. TL071-074, oder auch dem LF355/356.
Die sind alle etwas älter, aber es gibt natürlich auch moderne OpAmps 
mit FET Eingängen.

[Klaus R. (klara)]

Hallo Alexander,
ich habe die Schutzbeschaltung des Eingangs etwas verbessert. Durch die 
Spannungsteiler R6, R7 und R4, R5 wird die Eingangsspannung schon ca. 
2,0 V früher begrenzt. Da die Dioden eine Nenn-Schwellspannung von 0,7 V 
haben, hätte man sonst die zulässige Spannung leicht überschritten. 
Jetzt liegen wir mit 2,0 V - 0,7 V = 1,3 V gut ca. 13,7 V unter der 
Versorgungsspannung. Da der Piezo Sensor vermutlich einen 
Innenwiderstand von an die 1 MOhm hat, haben wir einen Spannungsteiler 
von 1 MOhm zu ca. 1,3 kOhm. Das ist deutlich.

Matthias S. schrieb:
> Da der Piezo sehr hochohmig ist, würde ich dir einen differentiellen
> Instrumentenverstärker vorschlagen ...

Das wäre der zweite Schritt. Ich habe gute Erfahrungen mit dem INA333 
gemacht. Der arbeitet aber mit einer Versorungsspannung von nur max. 
5,5V (single).

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina333.pdf
mfg klaus

[Alexander W. (Firma: FH Wels) (alexanderwie)]

Hallo

Danke für die vielen Antworten. Ich studiere Mechatronik. Messaufgabe 
ist: Auf einer Laufschiene rollen Laufrollen hin und her. Auf der 
Schiene möchte ich den Sensor anbringen und die Vibrationen messen. Und 
irgendwann feststellen, dass die Vibrationen mehr werden. Damit sollen 
die Laufrollen preventiv gewartet werden.
Danke Klaus für das Programm. Der Piezo hat laut Datenblatt 1.38nF. In 
den zweiten Kondensator habe ich 10nF reingeschrieben.
Leider weis ich nicht wie man die Simulation so einstellt, dass am Piezo 
eine wechselnde Beanspruchung simuliert wird?
Das Signal, dass ich bekomme, über 100s schwankt zwischen -1fV und 
-12fV.

Danke für die Hilfe

[guest (Gast)]

Klaus R. schrieb:
> Was ist ein "microstrain"?

Vermutlich sowas:
https://www.omega.co.uk/literature/transactions/volume3/strain.html

[Yoschka (Gast)]

Wenn Du studierst, studier das:
https://www.ti.com/lit/an/sloa033a/sloa033a.pdf

[Vibrationsaufnehmer (Gast)]

Alexander W. schrieb:
> Auf einer Laufschiene rollen Laufrollen hin und her. Auf der
> Schiene möchte ich den Sensor anbringen und die Vibrationen messen.

Das ausgewählte Sensorelement ist ein Dehnungssensor (wie resistive 
Dehnungsmessstreifen auch). Damit könnte man z.B. die Durchbiegung der 
Laufschiene messen.
Um Vibrationen zu messen (unrunde Laufrollen, Verschmutzung, unebene 
Laufschiene), wäre ein kleiner Beschleunigungsaufnehmer  besser 
geeignet.

[Vibrationsaufnehmer (Gast)]

Vibrationsaufnehmer schrieb:
> Das ausgewählte Sensorelement ist ein Dehnungssensor (wie resistive
> Dehnungsmessstreifen auch).

Ich korrigiere mich:

[Vibrationsaufnehmer (Gast)]

Vibrationsaufnehmer schrieb:
> Vibrationsaufnehmer schrieb:
>> Das ausgewählte Sensorelement ist ein Dehnungssensor (wie resistive
>> Dehnungsmessstreifen auch).
>
> Ich korrigiere mich:

Sorry, das war für einen anderen Beitrag gedacht.

[nachtmix (Gast)]

Alexander W. schrieb:
> Auf einer Laufschiene rollen Laufrollen hin und her. Auf der
> Schiene möchte ich den Sensor anbringen und die Vibrationen messen. Und
> irgendwann feststellen, dass die Vibrationen mehr werden. Damit sollen
> die Laufrollen preventiv gewartet werden.

Dannn  würde ich ein Kontaktmikrofon nehmen, evtl. einen 
Gitarrentonabnehmer.

Ich habe vor Jahrenden mal mit solchen PVDF-Piezofilmen herumgespielt, 
und weiss daher, dass sie einen enorm großen pyroelektrischen Effekt 
haben, sie also auf Wärmestrahlung reagieren.
Das Vorhandensein solch niederfrequenter Störsignale muss bei der 
Verstärkerentwicklung evtl. berücksichtigt werden.

Schliess mal ein gewöhnliches Digitalvoltmeter an der Streifen an, und 
dann komme mit der Hand in seine Nähe und staune!

[Klaus R. (klara)]

Alexander W. schrieb:
> Leider weis ich nicht wie man die Simulation so einstellt, dass am Piezo
> eine wechselnde Beanspruchung simuliert wird?
> Das Signal, dass ich bekomme, über 100s schwankt zwischen -1fV und
> -12fV.

1 fV sind 10 hoch -15 V. Das ist gar nichts. Da ist selbst das Rauschen 
nicht mit enthalten. Durch die gesperrten Schutzdioden fließt ein Strom 
von 2,5 nA.

Den Quarz habe ich nur als Platzhalter und habwegs zutreffenden Ersatz 
für den Piezo-Sensor genommen.

Yoschka schrieb:
> Wenn Du studierst, studier das:
> https://www.ti.com/lit/an/sloa033a/sloa033a.pdf

Der Artikel von TI sagt mehr dazu. Das korrekte Symbol ist unter Figure 
1 wiedergegeben. Unter "Voltage Model" ist das Ersatzschaltbild eines 
Piezo-Sensors aufgeführt. Damit könnte man simulieren.

Aber leider fehlen konkrete Angaben zu den Spannungen die zu erwarten 
sind. Selbst den Innenwiderstand des Sensors habe ich nur geschätzt. Da 
im Datenblatt 1 MOhm als mindest Innenwiderstand des OPV angegeben wird, 
hätten wir bei 1 MOhm Innenwiderstand des Sensors zumindest eine 
Leistunganpassung.

Alexander W. schrieb:
> Ich muss einen Piezo Fim Sensor zur Vibrationsmessung verwenden.

Da Du diese Vorgabe hast beschaff den Sensor und teste ihn. Dir wird 
doch sicher ein Oszilloskop zur Verfügung stehen. Damit kannst Du die 
Spannungen direkt am Sensor messen. Man sollte zumindest etwas sehen.

Halte Dich an den TI Artikel. Der TLV2771 ist der verbesserte Nachfolger 
des alten TL071. Eine passende Schaltung findest Du auf Seite 3, "3.1
Voltage Mode Amplifier".

mfg klaus