Operationsverstärker bei Piezo-Elementen in Kraftmessplatte

[Nico (Gast)]

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.

[Klaus R. (klara)]

Nico schrieb:
> 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?

Dann nimm doch einen TL071. Der hat einen sehr hochohmigen Eingang.

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl072a.pdf
https://www.reichelt.de/?ACTION=3;ARTICLE=189106;SEARCH=tl%20071

mfg klaus

[Sebastian S. (amateur)]

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.

[Werner H. (werner45)]

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

[Michael B. (laberkopp)]

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.

[Route_66 H. (route_66)]

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.

[Elektrofan (Gast)]

https://de.wikipedia.org/wiki/Ladungsverst%C3%A4rker#Anwendungen

[Nico (Gast)]

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

[Nico (Gast)]

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

[Nico (Gast)]

Update zum vorigen Post:

Nun das richtige Bild Nr 3. Bitte im vorherigen Post das Bild 3 
ignorieren.

[Lurchi (Gast)]

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.

[rs (Gast)]

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