Hallo Leute
ich wende mich in all meiner Verzweiflung an euch. Ich als Anfänger im
Bereich Elektrotechnik bin an meine Grenzen gestoßen und brauche jetzt
eure Hilfe.
Ich und ein Freund arbeiten gerade an einer Facharbeit in Physik. Unser
Ziel ist es, ein Gravimeter zu bauen, also ein Gerät, dass den
Ortsfaktor relativ gut bestimmen soll.
Ich möchte nicht unbedingt das gesamte Projekt erklären, wichtig wird es
ab hier:
Wir müssen den Widerstand an einem Photowiderstand messen. An sich nicht
besonders spektakulär. Jedoch müssen wir in einer Zeit von wenigen
Hundertstel Sekunden ca 1 Mio Messungen machen können. Wir messen im
Grunde ein Interferenzmuster, das in einem Interferometer entsteht, das
wechselt mit einer Frequenz von ca. 2,4 MHz (Wenn unsere Rechnungen
stimmen). Wir wollten zuerst der Einfachkeit halber mit dem Raspberry Pi
einsteigen, haben aber schon wegen dem Fehlen eines A/D-Wandllers
gemerkt, dass der Wahrscheinlich untauglich ist, um diese Aufgabe zu
bewältigen.
Nun meine Frage:
Auf welcher Plattform ist es möglich, ein derartiges Unterfangen zu
entwickeln? Ist es uns überhaupt möglich, dieses Projekt so zu
verwirklichen?
Ich hoffe, ihr könnt mir helfen.
LG Thomas
Schau mal bei analog.com, die haben High-Speed ADCs.
Z.B. welche mit 20 MSPS (Mega-Samples pro Sekunde), was dann wohl 20
Millionen Datensätze pro Sekunde entspricht.
Bei 8 bit wären das 20MB/s, die der uC wegschaufeln müsste. Das wird
schon sportlich ...
Macht denn der Photowiderstand das überhaupt mit? Zitat aus Wikipedia:
Ansprechzeit (Zeit, die nach Einschalten einer Beleuchtungsstärke von
1000 Lux nach Dunkelheit vergeht, bis der Strom 65 % seines
spezifizierten Wertes erreicht hat), typischer Wert 1 bis 3 ms
Bei derart hohen Abtastraten (ca. 100MSps wenn 1.000.000 Messungen in
wenigen Hundertstel Sekunden) geht wohl nur ein FPGA-Board mit sehr
schnellem ADS oder ...
ein gutes Oszilloskop.
Eventuell das hier:
http://www.rigolna.com/products/digital-oscilloscopes/ds4000/ds4052/
Vorteile sind die 140MegaPunkte Speicher, eine hohe Abtastrate.
Welche Auflösung (Spannung in mV/uV oder so) ihr braucht, steht ja
leider nicht hier...
@ Thomas (Gast)
>ich wende mich in all meiner Verzweiflung an euch. Ich als Anfänger im>Bereich Elektrotechnik bin an meine Grenzen gestoßen und brauche jetzt>eure Hilfe.>Wir müssen den Widerstand an einem Photowiderstand messen. An sich nicht>besonders spektakulär. Jedoch müssen wir in einer Zeit von wenigen>Hundertstel Sekunden ca 1 Mio Messungen machen können.
Da sehe ich einen gewissen Widerspruch ;-)
Sowas ist keine Aufgabe für Anfänger.
>Wir messen im>Grunde ein Interferenzmuster, das in einem Interferometer entsteht, das>wechselt mit einer Frequenz von ca. 2,4 MHz (Wenn unsere Rechnungen>stimmen).
Zeig mal.
> Wir wollten zuerst der Einfachkeit halber mit dem Raspberry Pi>einsteigen, haben aber schon wegen dem Fehlen eines A/D-Wandllers>gemerkt, dass der Wahrscheinlich untauglich ist, um diese Aufgabe zu>bewältigen.
Ist er auch, der kann per Linux etc. keine schnellen Messaufgaben
bewältigen.
>Auf welcher Plattform ist es möglich, ein derartiges Unterfangen zu>entwickeln?
Andere. ;-)
> Ist es uns überhaupt möglich, dieses Projekt so zu>verwirklichen?
Unwahrscheinlich.
Moin,
So von den Anforderungen her (ein paar MSamples/sec aufnehmen) koennte
ein Red Pitaya Board gehen.
AAAABER:
Thomas schrieb:> Ich und ein Freund arbeiten gerade an einer Facharbeit in Physik
Das ist vom Umfang her voellig ueberzogen. Facharbeit Physik klingt fuer
mich nach: Wenige Wochen/Monate basteln, danach ca. 30 Seiten schreiben,
abgeben und benotet werden. Da ist so eine Datenerfassung als kleiner
Nebenkriegsschauplatz voellig ueberdimensioniert. Es braucht nicht
zuletzt ja auch noch eine Beschaltung um den Photowiderstand herum.
Sprich: Moeglichst schnell mit dem Lehrer/Betreuer klaeren, was da vom
Umfang der Arbeit her ueberhaupt geht.
Gruss
WK
Hallo und danke für das Feedback!
> Da sehe ich einen gewissen Widerspruch ;-)> Sowas ist keine Aufgabe für Anfänger.
Da sieht man mal wieder wie schnell man sowas unterschätzen kann!
> Zeig mal.
Das mache ich gerne! Haben das heute auch noch mal mit unserem Lehrer
durchgesprochen, sieht ungefähr so aus:
http://puu.sh/lGQ3k/df1adab297.png
Wir brauchen also wirklich eine flotte Messmöglichkeit!
> Das ist vom Umfang her voellig ueberzogen. Facharbeit Physik klingt fuer> mich nach: Wenige Wochen/Monate basteln, danach ca. 30 Seiten schreiben,> abgeben und benotet werden. Da ist so eine Datenerfassung als kleiner> Nebenkriegsschauplatz voellig ueberdimensioniert.
An sich war das ganze eher als Jugend-Forscht Arbeit gedacht, die dann
als Facharbeit "kompostiert" wird. Deshalb dieser immense Anspruch!
Sonst wären wir nie auch nur auf die Idee gekommen, zu versuchen, so ein
Gerät zu bauen. Das Projekt ist eben eine Herzensangelegenheit für mich
und meinen Mitstreiter, uns hat jetzt der Ergeiz gepackt und wir wollen
das wirklich hinbekommen.
Vielleicht ist das wirklich ein bisschen naiv, aber es macht uns Spaß
uns solchen Herausforderungen zu stellen.
> Macht denn der Photowiderstand das überhaupt mit? Zitat aus Wikipedia:> Ansprechzeit (Zeit, die nach Einschalten einer Beleuchtungsstärke von> 1000 Lux nach Dunkelheit vergeht, bis der Strom 65 % seines> spezifizierten Wertes erreicht hat), typischer Wert 1 bis 3 ms
Das ist eine gute Frage, die wir uns noch gar nicht gestellt hatten.
Gibt es eine andere Alternative, mit der sich evtl auch das "Abtasten"
vereinfachen lassen würde? Würde ein Adafruit Shield bei sowas mitmachen
oder ist das auch schon zu "schlecht"?
Ich habe mir jetzt auch grade überlegt, ob man nicht vielleicht mit Unis
aus er Umgebung (z. B. Karlsruhe oder vergleichbar) sprechen könnte, die
können da bestimmt in irgend einer Richtung helfen.
Falls jemand von euch noch irgend welche Vorschläge hat, bin ich euch
sehr dankbar!
LG Thomas
Photodioden sind im allgemeinen schneller. Mit entsprechender
Beschaltung kann man das noch mehr beschleunigen. Ich würde mal in diese
Richtung googlen.
@ Thomas (Gast)
>Das mache ich gerne! Haben das heute auch noch mal mit unserem Lehrer>durchgesprochen, sieht ungefähr so aus:>http://puu.sh/lGQ3k/df1adab297.png
Da ich den Aufbau und auch die Funktion dieses Gravimeters nicht kenne
und auf die Schnelle auch nicht finde, kann ich dazu wenig sagen, ausser
>Wir brauchen also wirklich eine flotte Messmöglichkeit!
Mein Instinkt sagt mir, dass dort mindestens ein Mißverständnis vorliegt
;-)
Ihr braucht wahrscheinlich keinen Megasample-ADC sondern einen einfachen
Frequenzzähler. Das ist ein großer Unterschied, auch von der benötigten
Hardware her. Sowas könnte man bei ~ 2,3 MHz Meßfrequenz noch mit einem
Arduino oder ähnlichem bauen, allerdings muss man dabei schon recht gut
Bescheid wissen. Grenzwertig als Facharbeit in der Schule.
>An sich war das ganze eher als Jugend-Forscht Arbeit gedacht, die dann>als Facharbeit "kompostiert" wird. Deshalb dieser immense Anspruch!
Man kann alles überteiben. Warum nicht eine Saturn V nachbauen?
>Vielleicht ist das wirklich ein bisschen naiv, aber es macht uns Spaß>uns solchen Herausforderungen zu stellen.
Na dann mal los. Die Sache steht und fällt mit der Qualität des
Konzepts.
>Das ist eine gute Frage, die wir uns noch gar nicht gestellt hatten.>Gibt es eine andere Alternative, mit der sich evtl auch das "Abtasten">vereinfachen lassen würde?
Für 2,3 MHz braucht man eine Photodiode und einen guten Verstärker.
> Würde ein Adafruit Shield bei sowas mitmachen
;-) Glaub ich nicht.
> Erklär mal das Projekt genauer. Das klingt irgendwie falsch.
Klar, ich versuche es mal :)
Hier ist ne Skizze vom Versuchsaufbau:
http://www.geodz.com/deu/d/images/1055_absolutgravimeter.png
Prinzip:
Ein Laser schickt einen Lichtstrahl in ein Interferometer. Dort wird
dieser geteilt, ein Strahl verläuft zum Spiegel 1, der an einer
Fallmasse befestigt ist. Der 2. Spiegel ist fest verbaut. Nun werden der
Strahl, der von Spiegel 1 kommt, und der Strahl von Spiegel 2 überlager,
es kommt zur Interferenz (Man kann einen hell-dunkel-Wechsel beobachten,
wenn man den Spiegel 1 langsam verstellt). Nun kann, über die Zahl an
Hell-Dunkel-Übergängen, bestimmt werden, wie schnell die Masse nun
beschleunigt wurde, also wie groß der Ortsfaktor ist. (Das er sich um
9,81 bewegt, ist ja klar, aber es geht mit dieser Messmethode (und wie
im Bild oben im Vakuum und mit Referenzspiegel) auf bis zu 7
Nachkommastellen genau. Das ist natürlich nicht unser Ziel, wir wollen
einfach mal das Gerät zum Laufen bekommen und dann evtl. das ganze je
nach Erfolg erweitern.
Natürlich können wir nicht alles so bauen, wie ein professionelles
2000-8000 Euro Modell, wir haben folgende Näherungen gemacht: Wir haben
das Vakuum und den Referenzspiegel ausgespart.
Aber eigentlich müsste der Vorschlag von Falk doch dann funktionieren.
Ich verstehe zumindest den Ansatz. Ich glaube, ich spreche mal mit
unserem Physiklehrer über diesen Lösungsansatz.
Mich wurmt es eben, dass wir uns erst jetzt, wo wir schon soweit sind,
dass wir eigentlich schon alles aufgebaut haben, auf diese Schwachstelle
stoßen, und wollte ungern einfach so das ganze Projekt über den Haufen
werfen. Außerdem wollte ich mich so oder so mehr mit der Materie
befassen, was mit jetzt einen geeigneten Grund dafür gibt!
Vielen Dank auf jeden Fall jetzt schon einmal für diese ganzen tollen
Antworten, die ihr mir geben konntet!!!
>Ich als Anfänger im Bereich Elektrotechnik...
und
>Jedoch müssen wir in einer Zeit von wenigen Hundertstel Sekunden>ca 1 Mio Messungen machen können
Irgendwie ein Wiederspruch.
Selbst wenn Dir jemand sagt: "Nimm doch ..."
So wird mit absoluter Sicherheit das Wörtchen "einfach" fehlen.
Anspruchsvolle Analogtechnik.
Anspruchsvolle Digitaltechnik.
Anspruchsvolle Programmierung und Auswertung.
Ein solches Projekt ist auch für einen Fachmann nicht ganz ohne. Solche
Frequenzen müssen erst mal beherrscht werden und erst dann kommt eine
eventuelle Auswertung.
Deshalb lautet mein Tipp – Du wirst es nicht gerne hören: Vergiss es!
Hmm, ok, ich verstehe das Messprinzip. Das wird aber schwer mit deinen
Mitteln hinzukriegen sein.
Ist es überhaupt sinnvoll, so eine interferometrische Methode zu
benutzen wenn man nichtmal ein Vakuum hat? Ist das überhaupt wesentlich
genauer als einfach zwei Lichtschranken? Habt ihr das mal abgeschätzt?
Anstatt eines Mikrocontroller wäre ein einfacher FPGA eine Überlegung
wert. Ich denke, dass selbst ein älterer spartan3 mit externem SRAM
genug Power mitbringt für euer Projekt.
Was ich aber als Problem sehe ist der analogteil.
Der muss korrekt ausgelegt sein, dammit eure Messergebnisse nicht
verfälscht werden. Aber das ist eine Baustelle für sich.
Es ist ein interessantes Projekt.
Ihr braucht zum Glück keinen AD-Wandler dafür, das vereinfacht die
Sache.
* Ihr nehmt eine Photodiode (keinen LDR)
* Ihr verstärkt das mit einem Transimpedanzverstärker
(Erschwernis: Ihr müsst den Gleichanteil wegbekommen,
ist aber machbar)
* Ihr verstärkt das zeitliche hell-dunkel-Muster bis ihr ein sauberes
digitales Rechteck habt.
* Ihr zählt die Perioden innerhalb eines festen Zeitintervalls
* bisschen rechnen - > fertig
Moduliert doch erst einmal einen Laser oder eine LED und wertet dieses
Signal mit einer Photodiode aus. Wenn das geklappt hat (schon nicht
schlecht als Abschlussarbeit), macht ihr das bei ein paar Mhz und dann
schaut Ihr weiter. Dafür kann man auch den RaspPi nehmen.
Thomas schrieb:> auf bis zu 7> Nachkommastellen genau.
Sieben?!
Das allerdings könnt ihr euch wahrscheinlich als erstes gleich mal
wieder abschminken. Das Gerät wird prinzipiell funktionieren, wenn ihr
Glück habt vielleicht sogar besser als man auf den ersten Blick glauben
möchte, aber 7 Nachkommastellen? Nicht in tausend kalten Wintern: Ihr
werdet nach eurer Rechnung in 0.2 Sekunden nur bis 460000 zählen, so
eine Auflösung erreicht ihr also schon grundsätzlich gar nicht, mal ganz
abgesehen davon daß da wohl noch erhebliche Fehler auftauchen werden,
von der Genauigkeit eurer Zeitbasis bis hin zu mechanischen Problemen
die euch gleich noch mal ein oder zwei Nachkommastellen kosten werden.
Thomas schrieb:> Nun kann, über die Zahl an> Hell-Dunkel-Übergängen, bestimmt werden, wie schnell die Masse nun> beschleunigt wurde, also wie groß der Ortsfaktor ist.
Die Zahl der Hell-Dunkel-Übergänge gibt die Strecke an, um die sich die
Wegdifferenz zwischen den beiden Lichtwegen geändert hat. Die Frequenz
ist dann proportional zur Geschwindigkeit.
p.s.
Beim Interferometer ist es übrigens günstig, wenn die beiden Lichtwege
der interferierenden Strahlen ähnlich lang sind, damit man keine
Probleme mit der Kohärenzlänge des Laserlichtes bekommt.
Hallo!
Erstmal nochmal danke, dass ihr mir so aktiv weiterhelfen wollt!
Wie oben schon gesagt: Aufhören wollen wir mit dem Projekt auf keinen
Fall. Selbst wenn wir kein 100% Ergebnis abliefern können, wollen wir
trotzdem nicht einfach so aufgeben. Es ist wahrscheinlich, dass wir
dieses Projekt nicht in dem Umfang fertig bekommen, wie wir uns das
zunächst gedacht haben, aber wenn wir zumindest einen ersten Ansatz
hinbekommen, sind wir schon mehr als zufrieden mit uns.
Sven B. schrieb:> Ist es überhaupt sinnvoll, so eine interferometrische Methode zu> benutzen wenn man nichtmal ein Vakuum hat? Ist das überhaupt wesentlich> genauer als einfach zwei Lichtschranken? Habt ihr das mal abgeschätzt?
Das haben wir uns auch schon überlegt. Eine Lichtschrankenaperatur haben
wir in der Schule auch schon aufgebaut, diese wollten wir dann aber mit
den Interferometer-Ergebnissen vergleichen.
Dennis R. schrieb:> Anstatt eines Mikrocontroller wäre ein einfacher FPGA eine Überlegung> wert. Ich denke, dass selbst ein älterer spartan3 mit externem SRAM> genug Power mitbringt für euer Projekt.
Interessanter Gedanke. Ich schaue mir auch das mal an!
Bernd K. schrieb:> Ihr nehmt eine Photodiode (keinen LDR)> * Ihr verstärkt das mit einem Transimpedanzverstärker> (Erschwernis: Ihr müsst den Gleichanteil wegbekommen,> ist aber machbar)> * Ihr verstärkt das zeitliche hell-dunkel-Muster bis ihr ein sauberes> digitales Rechteck habt.> * Ihr zählt die Perioden innerhalb eines festen Zeitintervalls> * bisschen rechnen - > fertig
Das ist der Aufbau, den ich mir schon im groben überlegt hatte! Danke!
Ich bin sehr froh über solche Vorschläge!
Bernd K. schrieb:> Sieben?!
Da habe ich mich wohl falsch ausgedrückt! Ich meinte damit, dass es
möglich ist, bis zu sieben Nachkommastellen zu erreichen, wenn man alle
Näherungen, die wir außer acht gelassen haben, einbaut. Mir ist klar,
dass unser Fehler wesentlich höher liegen wird (ich freue mich da
schonmal auf unsere Fehlerrechnung). Sieben Nachkommastellen wären für
uns völlig utopisch! Das ist mir klar!
Bernd M. schrieb:> Die Zahl der Hell-Dunkel-Übergänge gibt die Strecke an, um die sich die> Wegdifferenz zwischen den beiden Lichtwegen geändert hat. Die Frequenz> ist dann proportional zur Geschwindigkeit.
Das meinte ich natürlich! Habe mich nicht mehr ganz an die Rechnung
erinnern können, das passiert wenn man sich das nicht mehr mitschreibt.
Aber genauso meinte ich das :)
Sven B. schrieb:> Naja, Kohärenzlänge ist für einen ordentlichen Laser im km-Bereich> heutzutage ...
Deswegen haben wir das auch vernachlässigt, kann man dann aber alles
noch anpassen, haben die Fallhöhe extra variabel einstellbar gelassen!
Vielen Dank für alle Antworten!
Thomas schrieb:> Sven B. schrieb:>> Ist es überhaupt sinnvoll, so eine interferometrische Methode zu>> benutzen wenn man nichtmal ein Vakuum hat? Ist das überhaupt wesentlich>> genauer als einfach zwei Lichtschranken? Habt ihr das mal abgeschätzt?>> Das haben wir uns auch schon überlegt. Eine Lichtschrankenaperatur haben> wir in der Schule auch schon aufgebaut, diese wollten wir dann aber mit> den Interferometer-Ergebnissen vergleichen.
Überlegt, oder ausgerechnet / abgeschätzt?
