Spannungsteiler für Beschleunigungsmesser

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  1. #1 daniatic, 25.03.2009
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    Hallo liebes Forum, schön dass man sich hier so schnell anmelden und loslegen kann.

    Also ich muss einen Beschleunigungsmesser bauen. Der funktioniert folgendermaßen:

    Eine Masse hängt an einer Feder, je nach dem wie stark ich nun das System beschleunige, verändert die Masse ihre Position.

    Diesen Positionsunterschied möchte ich mit einem Spannungsteiler messen. Meine Überlegung war einen Widerstand (einen geeigneten Draht) zu nehmen. Auf der einen Seite lasse ich die Spannung rein und auf der anderen Seite ist der geerdet. Ein Kontakt der an der Masse fest ist, berührt den Widerstand und misst die rauskommende Spannung. Je nachdem wie stark die Beschleunigung ist, verändert dieser Kontakt seine Position auf dem Widerstand. Dadurch verändert sich die gemessene Spannung. Die Formel dazu:

    Vout = Vin * (1 - x/l)

    x = Position vom Kontakt auf dem Widerstand
    l = Länge des Widerstandes

    Nach meinen Berechnungen zu Folge ist es unabhängig vom Widerstandswert des Widerstandes, wenn dieser Wert gleichmäßig über die Länge verteilt ist. Jedoch: Ich nehme einen normalen Draht der gut leitet, die eine Seite verbinde ich mit einer Spannungsquelle, die andere Seite erde ich. Nun messe ich die Spannung auf dem Draht an Unterschiedlichen Positionen, dann erhalte ich immer 0V Spannung. Eigentlich auch logisch weil er ja geerdet ist...

    Noch ein paar allgemeine Daten zum System:

    Vin = 5V

    Der Widerstand darf nicht länger als 5cm sein.

    Meine Fragen nun:
    Kann das überhaupt funktionieren?
    Wie hoch muss der Widerstand pro Meter sein damit das funktioniert?
    Welche Drähte kommen dafür in Frage?

    Da ich auch sehr geringe Beschleunigungen messen muss, sind die Positionsunterschiede sehr klein. Mein Chip hat 16Bit der von 0-5V misst. Deswegen gehe ich davon aus, dass er einen Unterschied von 0.6mV noch messen kann. Bei meinem Widerstand von 5cm Länge bedeutet das eine Verschiebung von 6E-4m.
    Ist es möglich das zu realisieren?

    Im Voraus schon mal vielen Dank für Hilfe. Sorry für soviel Text. Bei Unklarheiten einfach nachfragen.

    Gruß Daniel
     

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  3. #2 kalledom, 25.03.2009
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    AW: Spannungsteiler für Beschleunigungsmesser

    Nicht mit 16 Bit Auflösung, vielleicht mit 8 Bit.

    Das darfst Du entsprechend dem Strom, der fließen soll / darf, aussuchen.

    Widerstandsdraht

    Nach meiner Berechnung ergibt sich bei 5V und 16 Bit eine Auflösung von 5.000mV / 65536 = 0,076mV.
    Bei 8 Bit ---> 5.000mV / 256 = 19,5mV würde ich noch eine kleine Chance sehen, aber .....
    wie soll sich die Masse an der Feder bei geringen Beschleunigungen bewegen können, wenn sie mit einem Schleiferkontakt an einem Widerstandsdraht anliegt ?
     
  4. #3 daniatic, 25.03.2009
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    AW: Spannungsteiler für Beschleunigungsmesser

    Warum kann es mit 8bit besser funktionieren? Ist doch ungenauer?!
    Da die Speisung über USB sein muss darf es nicht mehr als 500mA ziehen.
    Ich hatte gehofft dass der Schleifkontakt nur sehr wenig Reibung erzeugt.
     
  5. #4 kalledom, 25.03.2009
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    AW: Spannungsteiler für Beschleunigungsmesser

    Das ist ungefähr so, als wolltest Du die Reifenbreite einer Schubkarre mit der Mikrometerschraube messen.
    Dafür nimmst Du sicherlich eine Schieblehre, die um den Faktor 100 "ungenauer" mißt. Schlechter ist in dem Fall aber besser, genau wie mit der Masse an einer Feder und Schleifkontakten an einem Widerstandsdraht, wo die niederwertigsten 2...8 Bits wackeln wie ein Lämmerschwanz. Weitere Voraussetzung bei 16 Bit: die Spannung muß außerordentlich stabil, absolut brummfrei und temperatur-unabhängig sein. Gleiches gilt für die Referenz-Spannung.

    Dann kannst Du ja jetzt einen passenden Schalter aussuchen. Laß etwas (Strom-)Reserve für den Kontakt.

    Den Widerstandsdraht wirst Du sogar zwischen zwei Schleifern "einklemmen" müssen, damit es wenig Übergangs-Widerstand gibt.
    Dreh mal an einem Lautstärkeregler vom Radio, dann kannst Du fühlen, wie stark das "bremst". Und da ist eine glatte Kohleschicht drin.

    Selbst wenn alles aal-glatt abläuft, was passiert denn, wenn die Beschleunigung aufhört ? Hast Du das schon mal ausprobiert ?
    Ich glaube nicht, sonst hättest Du festgestellt, wie lange die Masse durch die Federkraft anschließend noch alleine weiter pendelt. Wie willst Du das bedämpfen ?

    Es gibt Beschleunigungs-Sensoren auf elektronischer Basis (Silizium-Technik), die sehr klein sind. Die gibt es mit digitalen und analogen Ausgängen.
    Such mal im Netz nach "Beschleunigungs-Sensor".
     
  6. #5 daniatic, 26.03.2009
    Zuletzt bearbeitet: 26.03.2009
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    AW: Spannungsteiler für Beschleunigungsmesser

    Ich bin gezwungen ihn selber zu bauen, da das ein Projekt von der Uni ist. Zu erst sollen wir auch nur ein Konzept machen und ihn nächstes Semester bauen. Die erwarten auch nicht das er gut läuft, nur dass er wenigstens ungefähre Ergebnisse kann. Die wollen ja eigentlich das wir es alles wunderschön planen und beim Bauen unmengen Probleme kriegen. Daraus sollen wir dann das beste machen. Das ist auch das erste mal das wir so was machen müssen. Die wollen uns einfach mal ins kalte Wasser schmeißen, damit wir sehen dass das eigentlich gar nicht so einfach ist.

    Meine Ergebnisse, wie es sein sollte, es aber in Wirklichkeit nicht sein wird, womit meine Uni aber zu frieden ist wenn ichs bedacht habe:

    Ich hab jetzt nochmal rumgerechnet und mich mit einer minimal-Beschleunigung von 0.72m/s^2 zufrieden gegeben. Damit sollte die Masse nach Berechnung(ohne auf die Reibung zu achten) 6E-4m ausweichen.

    Bei dieser Ausweichung sollte ein Spannungsunterschied von 60mV entstehen.

    Dann hab ich mir noch den Widerstand des benötigten Drahtes berechnet:
    5V Spannungsquelle und 500mA maximal--> R= 10 Ohm

    Jetzt hab ich mich ein bisschen umgeschaut nach Widerstandsdrähten den Resistentesten den ich gefunden hab, hat 62 Ohm/m. Damit mein Draht 5cm lang bleibt brauch ich aber mindestens 200 Ohm/m. Gibt es sowas überhaupt? Wahrscheinlich nicht...

    Die Uni wird mit diesen Ergebnissen erstmal zufrieden sein müssen.

    Zur Dämpfung:
    Wir sollen erstmal annehmen dass wir irgendeine Dämpfung haben und einen willkürigen Wert in unsere Simulation eintippen der uns am besten passt. Der uns das beste Ergebnis liefert.
    Die weiterführende Problematik kommt erst im nächsten Semester und wird auch jetzt nicht erwartet gelöst zu werden.

    Mir ist grad noch ne Idee gekommen, es mit einem Potentiometer zu bauen. Oder ist bei denen der Widerstand den Regler zu versetzen auch zu hoch?

    Vielen Dank Hilfe
    Bei Verbesserungsideen, nur her damit :D
    Gruß Daniel
     
  7. #6 kalledom, 26.03.2009
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    AW: Spannungsteiler für Beschleunigungsmesser

    Bei solchen Berechnungen kann ich Dir nicht helfen; ich bin Elektronik-Techniker und kein Professor :p

    Das ist etwas sehr viel Strom. Ich dachte, Du wolltest messen und nicht toasten :)
    Mit solch einem Strom handelst Du Dir Unmengen an Problemen ein.
    Vermutlich ist der Eingangs-Widerstand des D/A-Wandlers über 10k. Das ergibt einen Eingangsstrom von 5V / 10k = 0,5mA.
    Dann sollte der Querstrom durch das Poti das zehnfache, also 5mA betragen.
    Sollte der Eingangswiderstand höher sein, würde ich aber nicht unter 1mA Querstrom gehen.

    Doch, das gibt es, z.B. hier: Hinkel - SHOP: Konstantandraht, Widerstandsdraht - BNC-Einbaubuchse, V 23154-D, ICM..., Dual 1214 T 503, Einbaubuchsen, Modellbau, 2.6 mm\Buchsen, Modellbau, 2.6 mm, Braun 260 S COCKPIT, Röhren, Radio, TV, (Typ: G ... H ...), Luftspulen, Drahtstärke:
    Such mal nach "Konstantandraht", da taucht noch viel mehr auf.

    Es gibt Schiebepotentiometer 52 mm :)
    Nimm ein Schiebepotentiometer aus dem Studiobereich. Das kostet zwar über 20 Euro, ist aber besonders leichtgängig.
    Die Regler aus den 100-Euro-Mischpulten sind zu schwergängig.
    Der Wert des Potis: 5V / 1mA = 5kOhm oder 5V / 5mA = 1kOhm
     
  8. #7 daniatic, 28.03.2009
    daniatic

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    AW: Spannungsteiler für Beschleunigungsmesser

    Ok vielen dank für die vielen Infos und hilfen.

    Ich werde es nächstes semester ausprobieren und dann berichten.
     
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