Hallo zusammen,
ich baue gerade an einer Kraftmessplatte mit welcher vertikale
Bodenreaktionskräfte gemessen werden sollen. Dabei sind zwischen zwei
Holzplatten Gummistopfen angebracht, sodass nur ein kleiner Teil der
Kraft auf das parallel dazu angebrachte Moosgummi abfällt, an denen
insgesammt vier piezoelektrische Sensoren befestigt sind.
So sollen diese Sensoren eine annähernd proportionale Kraft spüren und
Spannung generieren.
Die vier Piezos (Kapazität ca. 30nF) können parallel zu einem Kondi (ca.
2 nF oder 1muF oder kein Kondi) geschalten werden, um eine größere
Zeitkonstante zu erhalten (siehe Schaltplan anbei).
Als Messeingang benutze ich Cassy, welches selbst wohl einen etwas
niederohmigen Messeingang hat. Da die Piezos sehrr hochomig sind, entläd
sich die Geschichte durch das Messgerät ziemlich schnell. Die Piezos
generieren zwar eine Spannung von über 10 V - Strom fließt aber nahezu
keiner.
Habe nun herausgefunden, dass ein Impedanzwandler oder
Operationsverstärker dem schnellen Entladevorgang entgegenwirken wirken
können, da dadurch eine proportionale Spannung mit größerer Stromstärke
generiert bzw. schließlich abgegriffen werden kann.
Da ich mit diesem Projekt eine alternative, möglichst kostengünstige
Variante einer Kraftmessplatte untersuche, soll die Lösung
(Impedanzwandler) auch nicht viel kosten bzw. evtl auch mit ein paar
sehr billigen Bauteilen selbst Lötbar sein? Daher bitte ich um Hilfe bei
diesem Thema wie ich eine längere Zeitkonstante in der Messung bekomme.
Vielen Dank für die Hilfe und Grüße
Nico
PS:
Die angehängten Bilder zeigen das Schaltbild und Ladekurven (1), Sprung
(2) und Entladekurven (3) mit den verschiedenen Kondis. Je länger die
Entladekurve war, desto mehr Kapazität hatte der Kondi.
Fast alle möglichen Operationsverstärker sind um Längen schneller als
Dein Piezo-Aliment.
Die Ausgangsspannung, vor allem deren Änderung wird ja (indirekt) von
mechanischen Effekten bestimmt.
Zwei Sachen sollten aber nicht unter den Tisch fallen:
1. Natürlich möglichst hochohmig abgreifen. Sollte aber bei den heutigen
OP's kein Problem sein.
2. Aufpassen, dass Du mittels hoher Spannung den OP nicht aus der
Fassung bringst. Piezokeramik kann recht hohe Spannungen erzeugen,
wenn die Druckänderung hoch und schnell genug ist und der
Eingangswiderstand stimmt.
Das mit dem Gummi und parallelen Moosgummi ist aber äußerst unsicher
bzgl. Linearität und Konstanz.
Nimm doch einfach eine Personenwaage oder baue sie um, wenn der
Kraftbereich zu groß ist. Da ist alles dran und Du sparst die
Entwicklungszeit ein.
Eine Waage ist ein lineares Meßgerät.
Kraftangleichungen an Waagen werden immer über definierte Hebel und nie
über elastische Elemente vorgenommen.
Sonst könnte man gleich raten oder würfeln.
Gruß - Werner
Nico schrieb:> Die Piezos generieren zwar eine Spannung von über 10 V - Strom> fließt aber nahezu keiner.
Ja, entscheidend ist, welche Spannungen deine Cassy messen kann
(+/-10V?)
denn danach bemisst sich, welche Versorgungsspannung der Vorverstäerker
braucht (zumindest +/-12V) und welcher OpAmp geht.
Ein TL071 ist zwar hochohmig und reicht bis +/-15V, könnte aber (wenn
die Karte z.B. +/-20V messen könnte) eventuell nicht ausreichen.
Du musst also noch mal nachschlagen und genauer ermitteln, welche
Spannungen real maximal anliegen können.
Hallo!
Überdenke deine "Lösung" bitte noch mal. Wie werner45 bereits schrieb.
Gummi und Moosgummi mit Piezo gibt ein Ergebnis zwische Schätzen und
Raten.
Selbst die Form eines "Anregeimpulses" kann nicht mal qualitativ gut
bestimmt werden.
Das ist wie Kohlemikrofon im HiFi-Studio: es kommt was raus - aber, na
ja.
Erstmal vielen Dank für eure Tipps und Anregungen!
Beginn der Planung war mir eigentlich schon klar, dass diese
Kraftmessplatte keine genauen Werte liefern wird :). In welchem Rahmen
sie aber ausreichende Werte liefern wird, mit denen man dann ein wenig
Rumrechnen kann (Sprünge analysieren) möchte ich mit diesem Projekt
untersuchen.
Das Cassy kann Spannungen +/-30 V (evtl. sogar +/-100 V?) messen und
Versorgerspannungen bis zu +/-16 V liefern. Werde mich nun mal ransetzen
und mich über die Bauteile informieren.
Zudem bekomme ich morgen ein hoffentlich ähnliches Bauteil 'LM358'. Bei
kurzen Vergleich scheinen mir die Bauteile recht ähnlich. Werde ich dann
morgen sehen was rauskommt.
Werde die Ergebnisse dann hochladen
Beste Grüße und nochmals Danke
Nico
Hallo,
habe meinen Aufbau wie auf dem Schaltplan (siehe Schaltplan anbei)
zusammengelötet. Allerdings habe ich für die ersten Versuche den
Kondensator noch weggelassen. Als OpAmp habe ich den LM358 verwendet.
Gebe ich mittels Cassy nun eine 16 V Spannung auf Pin 8 (+) bzw. Pin 4
(Masse), so messe ich einen kontinuierlichen Anstieg der Spannung bis zu
15.3 Volt zwischen Pin 1 bzw. 4 (siehe Bild 1).
Steige ich nun auf die Kraftmessplatte sink die Spannung auf ca. 11 Volt
und die Spannung zwischen Pin 1 und 4 geht wieder richtung die 15 V
(siehe Bild 2).
Wenn ich nun wie in Bild 3 Pin 1 und 4 kurzschließe sinkt die Spannung
kurz auf 0 V. Nach 8 Sekunden bin ich auf die Platte gestiegen (Spannung
fällt kurz auf 8 V) und bei Sekunde 11 bin ich von der Platte runter
(Spannung steigt rasant auf 10,3 V).
Habe nun folgende Fragen:
Ist es normal, dass sich in dieser Schaltung die Spannung zwischen Pin 1
und 4 aufläd und schließlich sättigt.
Habe ich die Piezo-Sensoren
(http://www.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/700000-724999/712943-an-01-en-Piezo_Element_EPZ_35M_S29.pdf)
richtig angeschlossen (+ in der Mitte, Masse am Rand)?
Ist der Schaltplan so richtig, falls ich lediglich ein Impedanzwandler
mit einer Verstärkung von 1 haben möchte?
Welche Fehler kann ich alles gemacht haben, ist der OpAmo gesättigt?
Vielen Dank für weitere Tipps, Ratschläge und eure Hilfe.
Nico
Der Lm358 ist deutlich niederohmiger im Eingang. Für die Anwendung ist
er schon grenzwertig.
Für den OP einen DC pfad brauchen, denn auch die FET OPs haben einen,
wenn auch kleinen Bias Strom (pA Bereich beim TL081 , 10 nA Bereich beim
LM358). Dass könnte ein relativ hochohmiger Widerstand sein, um einen
definierten DC Pegel zu erzeugen. Mit den 4 piezos und 10 MOhms hätte
man eine Zeitkonstante in der Größenordung 1 Sekunde. Je nach Anwendung
wäre eine noch größere Zeitkonstante sinnvoll. Eventuell könnte das ggf.
auch ein manueller Reset oder ein Begrenzung per Dioden sein (gut wäre
es da wenn der Bias den Sensor des Limits (z.B. "Last 0") treibt.
Kondensatoren parallel zu den Piezos kann man nutzen um die Spannung zu
reduzieren um sicher im Arbeitsbereich des OPs zu bleiben. Als
Nebeneffekt vergrößert sich die Zeitkonstante ggf.
Viel mehr als 5-10 V würde ich nicht nutzen - mehr Spannung wird im
Messgerät sowieso nur runter geteilt. Lieber den Verstärker Sensor für 2
V auslegen und den Rest als Reserve nutzen.
Gummi und Moosgummi als mechanischen Teiler für die Kräfte zu nutzen
kann zu großen Fehlern führen, weil Gummi mechanisch nichtlinear ist.
Mit klassischen Federn aus Metall könnte es gehen.
Hallo,
wieso nimmst du einen Impedanzwandler und keinen Ladungsverstärker + DC
Rückkopplung + OP mit FET Eingang? Hat das einen bestimmten Grund?
Desweiteren wirkt ein paralleles C zu einem Piezo wie ein kapazitiver
Spannungsteiler und du hast weniger Signal...
Wenn du zu hohe Frequenzen filtern willst dann nimm z. B. einen RC TP
nach dem Ladungsverstärker.
Gruß
rs
Schaltplan.png
(3,3 KB)
Test_2_1muF_Kondi_LadeEntlade.png
(8 KB)
Test_2_2nF_Kondi_LadeEntlade.jpg
(110 KB)
Test_3_Ohne_Kondi.png
(8,9 KB)
