Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Hilfe bei Piezo Kraftsensor Schaltplan


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von Andreas A. (smugel)


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Moin Leute,

ich bin gerade dabei mich mit der Thematik Piezo-Kraftsensor auseinander 
zu setzen und habe einige Fragen, wie auch aus den angehängten Bildern 
ersichtlich wird.
Ich bin momentan noch ein absoluter Anfänger auf diesem Gebiet und habe 
auch nicht so viel Ahnung von Schaltplänen und Platinenerstellung.
Ich möchte euch erstmal etwas über meine Idee erklären, bevor ich auf 
die Schaltungen eingehe.
Ich habe verschiedene PZT-Plättchen, die von der Ober- und Unterseite 
mit Gold beschichtet sind. Diese beiden Goldflächen sind auch direkt 
meine Kontaktflächen für die elektrische Kontaktierung.
Da ich mehrere solcher Plättchen habe, war meine Idee zwei separate 
Platinen zu erzeugen.
Eine Platine soll nur mit dem PZT-Sensor bestückt sein und die andere 
Platine mit dem Ladungsverstärker usw. Um die eine Platine auf der 
anderen zu fixieren, würde ich eine Steckverbindung vorsehen, sodass die 
obere PZT-Platine beliebig ausgewechselt werden kann.
Wenn beide Platinen ineinander gesteckt sind, werde ich mittels 
Drahtbonden, die Kontaktierung vom Sensor zur zweiten Platine vornehmen.
Anschließend werde ich den Sensor mit einer Kraft belasten und mir die 
Ausgangsspannung ausgeben lassen.

So der grobe Plan, den ich habe.
Die zwei angehängten Bilder sollen die jeweiligen Schaltpläne 
darstellen. Habe die Pläne noch zusätzlich etwas beschriftet, damit auch 
klar wird was ich gemeint habe.
Ich hoffe ihr könnte mir bis hierhin noch folgen.

Nun haben sich einige Fragen bei mir so einige Fragezeichen über meinem 
Kopf gebildet.
Hoffe, dass die Schaltung mit dem Ladungsverstärker soweit richtig 
aufgebaut ist?

Jetzt weiß ich allerdings nicht wie ich meinen Kondensator wählen soll.
Ich habe mir anhand von folgender HP meine Werte für den Piezo berechnen 
lassen.

https://www.americanpiezo.com/knowledge-center/apc-piezo-calc.html

Kapazität: 0,278 nF
Spannung: 13,89 V
Ladung: 3,86 nC

Muss mein Kondensator so gewählt werden, dass dieselbe Kapazität 
herrscht wie beim Piezo?
Da ich ja verschiedene Sensoren auswerten will, die sich in der Dicke 
unterscheiden stellt sich wieder die Frage nach dem Kondensator? Kann 
der konstant bleiben oder muss ich den jedes Mal an den jeweiligen 
Sensor anpassen?

Einige schütteln vielleicht gerade den Kopf bei meinen Schaltplänen :D
Gibt es eventuell auch eine elegantere Lösung, als die, die ich mir hier 
ausgedacht habe?


Schönen Gruß und vielen Dank
Smugel

von Andreas A. (smugel)


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Hat keiner eine Antwort oder sind meine Aussagen zu konfus und nicht 
ersichtlich für euch?



Schönen Gruß
Andy

von Achim S. (Gast)


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Andreas A. schrieb:
> Da ich ja verschiedene Sensoren auswerten will, die sich in der Dicke
> unterscheiden stellt sich wieder die Frage nach dem Kondensator?

Kraftsensoren haben ein bestimmtes Verhältnis von Kraft F zu Ladung Q. 
Das Verhältnis ist eine Materialkonstante des Piezos, die zwar von der 
Orientierung der Kristallachsen abhängt nicht von der Geometrie des 
Piezos (bis auf Dreckeffekte höherer Ordnung). Wenn du die Dicke des 
Piezos verdoppelst hast du zwar nur noch die halbe Kapazität, aber dafür 
die doppelte Leerlaufspannung - und damit immer noch die gleiche Ladung.

Andreas A. schrieb:
> Muss mein Kondensator so gewählt werden, dass dieselbe Kapazität
> herrscht wie beim Piezo?

Nö: über den Rückkoppelkondensator stellst du die Verstärkung ein. Die 
Kapazität des Kraftsensors ist dabei nicht entscheidend sondern die 
Ladung.

Also: dein Sensor liefert dir eine gewisse Empfindlichkeit Q/F
Am Ausgang möchtest du später eine Empfindlicheit U/F
Das Verhältnis von beiden ist die Vertärkung U/Q
Der Kehrwert davon ist die Rückkoppelkapazität.

Wenn du damit auf unrealistische Kapazitätswerte kommst, musst du ggf. C 
anders wählen und einen normalen Spannungsverstärker nachschalten.

von ths (Gast)


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Der Kondensator bestimmt mit der Kapazität des Sensors und der 
Kabelkapazität die Verstärkung.Der Widerstand bestimmt die untere 
Grenzfrequenz, er kann für nicht dynamische Anwendungen zu klein sein. 
Ebenso ist ein OP mit fA Biasstrom hier die bessere Wahl.

von Elektrofan (Gast)


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> Der Kondensator bestimmt mit der Kapazität des Sensors und
> der Kabelkapazität die Verstärkung.

Der Vorteil eines  Ladungsverstärker ist genau der, unabhängig
von den Kapazitäten von Sensor und Kabel zu sein:

https://de.wikipedia.org/wiki/Ladungsverst%C3%A4rker#Vorteile_des_Ladungsverst.C3.A4rkers

von ths (Gast)


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Fast richtig. Wenn die Ofsetspg. Null wäre.

von Achim S. (Gast)


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ths schrieb:
> Fast richtig. Wenn die Ofsetspg. Null wäre.

Wie soll sich die Kapazität von Kabel und Piezo bitteschön auf die 
Verstärkung auswirken, solange die Spannung an ihnen konstant ist (egal 
ob sie gleich Null ist oder ob sie ein paar mV beträgt)?

von Andreas A. (smugel)


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Moin Leute,

habe jetzt aus meinen Schaltplänen PCB Boards mit Eagle erstellt. Wäre 
cool, wenn ihr mal drüber schauen könntet und mir sagen würdest, ob es 
soweit passt und ich die Leiterplatten so bestellen kann oder ob es eine 
bessere/einfachere Alternative gibt?


Viele Dank euch :)

: Bearbeitet durch User
von Henrik V. (henrik_v)


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-Buffercaps für den OP

- 10pA Bias typ..   ist schon mal besser :) geht aber heute auch schon 
mit 10fA ...  ist dann aber nicht so einfach ;)

-so zu Erfahrung sammeln mag das gehen, aber die Ladungsverstärker, die 
ich hier verwende, habe R_fb (R1) >2GOhm ... typischerweise mit PTFE 
standoffs ...
kommt halt auf den Frequenzbereich an. Wenn der nicht zu tief geht, mag 
es reichen.

Wichtig: Nach dem Löten alles peinlich sauber machen!


Welcher Frequenzbereich soll's denn sein?

von Lurchi (Gast)


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So eine einfache Schaltung kann man auch noch ohne Platine, bzw. im 
Manhatten-style, also über einer Massefläche aufbauen. Bei so wenig 
Teilen geht es auch noch frei schwebend. Eine Geätzte Platine dafür ist 
übertrieben.

Je nach gewünschter Grenzfrequenz sollte der FB Widerstand eher größer 
werden. Je nach Bedingungen auch mit Teiler in T Form um auch mit 
zivilen Widerstandswerten noch eine sehr niedrige Grenzfrequenz zu 
erreichen, allerdings auf Kosten von etwas mehr Rauschen.

Der Bias Strom beim OPA344 wäre vermutlich eher das kleinere Problem, es 
sei denn man will einen sehr großen Widerstand nutzen. Eher dürfte das 
bei niedrigen Frequenzen eher hohe Rauschen stören. Es kommt aber darauf 
an was man damit messen will. Der OPA344 ist auch nur für 5 V Versorgung 
gedacht - +-15 V wie oben gezeugt geht damit nicht.

von Andreas A. (smugel)


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Sorry für die Verwirrung bezüglich des OPV. Ich wollte den TL071 als OPV 
verwenden. Der wird mit +-15 V betrieben.
Ich habe mir dazu noch ein paar Gedanken gemacht. Wäre es nicht auch 
möglich und eventuell einfacher einen Single Supply wie den OPA336 zu 
verwenden? Dann bräuchte ich nur ein Netzteil.

Was meint ihr dazu?



Schönen Gruß

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