elektronisch messen, steuern und regeln (lektion 4): mechanische grössen (sensoren ii) messung...

Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II)

Messung mechanischer Eigenschaften

Sensoren II


Sensoren für Mechanische Grössen

Auslenkung / Ort über geometrische Faktoren in elektrischen Gesetzen

Kraft via AuslenkungDruck via Kraft via AuslenkungMasse via Kraft via Auslenkung


Geometrische Faktoren

Induktivität

Kapazität

Ohmscher Widerstand

d

AC 0

AlnL 20

A

lR


Induktive Sensoren

Dynamisch über Impedanzmessung

Strom bei stationärer Wechselspannung

Statisch über Messung einer induzierten Spannung


i0

Spule Kondensator

U=+U~U~

Kohlemikrofon: mit Kohlegrieß gefüllte Kapsel

Widerstandsänderung mit dem Schalldruck

Schlechter Frequenzgang

insbesondere bei hohenFrequenzen.Robust und billig.

Anwendung: hauptsächlich Telefon

Kontaktmikrofon


Kapazitives Mikrophon

Messung des Stroms bei Kapazitätsänderung über konstanter Spannung.

Messung der Kapazität bei stationärer, hochfrequenter Wechselspannung.

Beweglichedünne Metall-membran

R U~

U

C(t)


Ohmsch

Schleifer (Bei gutem Kontakt hohe Reibung. Nur für „robuste“ Anwendungen)

Dehnung (Gut miniaturisierbar.)


Widerstandsänderung durch elastische Dehnung

l: Länge d: Breiteh: Höhe spez. Widerstand

F FI

dh

lR


Hooke‘sches Gesetz

L: Länge d: BreiteS: ZugspannungE: Elastizitätsmodul: Poissonzahl

F F

L

L

d

d

E

SLL

EStahl= 200 GpaStahl = 0.3


Dehnung längs zum Strom

F F

)1()(

)1()(

)1()(

0

0

0

E

ShShh

E

SdSdd

E

SlSll

I


Taylorentw. für kleine S/E

20200

0

)/1(

/1

)/1(

/1)(

ES

ESR

ES

ES

dh

lSR

E

SRRSR )21()( 00

Widerstandsänderung längs Dehnung


Dehnung Quer zum Strom

ESR

ESES

ES

hl

d

lh

dFR

/1

1

)/1)(/1(

)/1()( 0

00

0

)/1()( 0 ESRSR

F

I

Widerstandsänderung quer zur Dehnung


Dehnmess-Streifen


Dehnmess-Streifen

-Signal (weiss)

- Speisung (braun)

+ Signal (grün)

+ Speisung (gelb)


Dehnmess-Streifen

R1 R2

R4R3


Hooke‘sche Theorie für Dehnmess-Streifen

L

LRRFR

L

LRRFR

ESL

L

q

l

00

00

)(

)21()(

/


Achtung Temperatur

Dehnmess-Streifen müssen denselben Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten haben, sonst entstehen „Schattenkräfte“


Messung kleiner Widerstandsänderungen

Problem: Miss Widerstandsänderungen im Promillebereich !

Lösung mit Halb- bzw. Vollbrücke (Vgl. Übung Physik I)


Halbbrücke

R2

R2

V

+5 V

R1

R1

Abgleich-Potentiometer


Vollbrücke

R2R2‘

R1 R1‘

V

+5 V

R2 / R1 = R2‘ / R1‘NormalerweiseR1=R2=R1‘=R2‘


Vollbrücke aus zwei Halbbrücken

R2

R1

+5 V

R2

R1

+5 V

LabView: Softwaremässige Subtraktion


Gleichspannungs-Verstärker


Kraft auf Magnete

Kraft auf magn. DipolF=p * dB/dz

Feld der endlichen Spule:

22

0

2/1

2/

2/1

2/

2)(

RLz

Lz

RLz

Lz

LR

NIzB

Nanopraktikum:N=2001


Einseitig eingespannter Balken.

B: Flächenträgheitsmomentb: Breite des Balkensh: Höhe (bzw. Dicke) d. B.L: Länge des BalkensE: Elastizitätsmodul

F

23

3

36

)(

)()(/1

12

LxxEB

Fxz

EB

xLFxR

bhB

x

z

m

3

3

mL

EB


Interpolator.vi

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