Piezosensor: Spannungsmessung an Oszilloskop

Fragen zu Messgeräten und zur Theorie in der Elektronik.
Messtechnik bei der Reparatur von Geräten

Fragen zu Messgeräten und zur Theorie in der Elektronik.
Messtechnik bei der Reparatur von Geräten

Moderator: Moderatorengruppe

Piezosensor: Spannungsmessung an Oszilloskop

Neuer Beitragvon Milpe am Samstag 11. Juni 2011, 13:24

Hallo,

ich bin neu hier im Forum und habe leider wenig Elektronik-Erfahrung. Im Zuge meiner Studienabschlussarbeit muss ich als Exkurs die Energieausbeute eines Piezosensors ermitteln: der Sensor erzeugt dabei leider nicht durch Druck, sondern lediglich durch Wechselbeschleunigungen Energie (Sensor ist an einem großen Kreissägeblatt befestigt. Bei kritischen Drehzahlen vibriert das Stammblatt).

Ich soll jetzt ohne jegliche Zusatzschaltung das Verhalten des Sensors an einem Oszilloskop mit einem 10:1 Teilertastkopf betrachten und daraus Schlüsse für die Energieausbeute des Sensors ziehen.

Meine Frage: auf welche Einstellparameter am Oszilloskop muss ich jetzt achten, um ein anständiges Signal zu erhalten? Mit welchen Problemen ist dabei unabhängig vom Ladungsverlust durch Kabel etc. zu rechnen. Kann ich im Hinblick auf das gezeigte Signal die Energieausbeute des Sensors berechnen?

Bitte idiotensicher antworten, da ich mich erst seit letzter Woche damit beschäftige. Vielen Dank im Voraus für die Antworten.

Gruß Milan
Zuletzt geändert von Milpe am Samstag 11. Juni 2011, 13:31, insgesamt 3-mal geändert.
Milpe
Threadstarter
43116
 
Beiträge: 5
Registriert: Mittwoch 8. Juni 2011, 11:09
Postleitzahl: 00000
Land: Germany / Deutschland

Re: Piezosensor: Spannungsmessung an Oszilloskop

Neuer Beitragvon Erfinderlein am Samstag 11. Juni 2011, 21:40

Hallo Milpe,

willkommen im Forum. Um nun auf der idiotensicheren Seite zu bleiben, erst mal die Warnung Finger weg vom laufenden Sägeblatt, grins. Ziemlich unklar ist hier in deiner Darstellung, wie du mit dem Oszilloskop und einem Tastkopf an dein Signal kommst ? Zweitens wäre es nützlich, zu wissen um was für ein Oszilloskop handelt es sich ?
:idea:
Wenn das mit der Vibration eine wiederholgenaue Sache ist, könntest du eine Schnittbreitenregelung andenken.
So:
Grundsätzlich muß das Oszilloskop erst mal auf Wechselspannung gestellt werden und der zu erwartende Spannungsbereich ausgewählt werden. Dann überlegt man sich ein Strategie für das Synchronisieren, welche hier wohl "intern" heißen dürfte. Man kann sich natürlich durch einen Optischen Marker auf dem Sägeblatt und einer Reflexlichtschranke ein externes Synchsignal holen, wenn man die Vibration in Abhängigkeit der Umdrehung sehen will. Auch ein Näherungsinitiator könnte zum Beispiel die Zähne des Blattes tasten.Auf dem zweiten Kanal das Synchsignal hinzunehmen ( ach nein du hast ja nur einen Tastkopf) Wenn das Signal nicht still steht muss an der Empfindlichkeitseinstellung des Synch´s gedreht werden. Aber dafür hast du gar keine Zeit, weil sich das Tastkopfkabel längst um die Welle des Sägeblatts gewickelt hat und das Signal unterbrochen hat.
Also erst mal rauslassen, wie das Signal von dem Piezzosensor zum Tastkopf kommt.
Du siehst wir gehen das wunschgemäß idiotensicher an. Ach ja beinahe vergessen, das Oszilloskop mußt du vorher einschalten.

spassige Pfingstgrüße

Lothar
Zuletzt geändert von Erfinderlein am Samstag 11. Juni 2011, 21:41, insgesamt 1-mal geändert.
Lothar Gutjahr bestätigt:Senneca hatte recht. Wir haben nicht zu wenig Zeit, sondern vergeuden zu viel.
Benutzeravatar
Erfinderlein
43117
Co-Admin
 
Beiträge: 4275
Registriert: Donnerstag 9. Januar 2003, 18:21
Wohnort: Neukirchen a.T.
Postleitzahl: 83364
Land: Germany / Deutschland

Re: Piezosensor: Spannungsmessung an Oszilloskop

Neuer Beitragvon anders am Sonntag 12. Juni 2011, 00:11

Ich soll jetzt ohne jegliche Zusatzschaltung das Verhalten des Sensors an einem Oszilloskop mit einem 10:1 Teilertastkopf betrachten und daraus Schlüsse für die Energieausbeute des Sensors ziehen.
Wenn der Hersteller des Sensors dazu keine Angaben macht, wirst du dir eine Vorrichtung bauen müssen, mit der du den Sensor bei verschiedenen Frequenzen kalibrieren kannst.
Dazu wird es zweckmäßig sein zu wissen, auf welche mechanischen Eingangsgrößen der Sensor reagiert. :me:
Wenn er nur auf Beschleunigung reagiert, könnte das z.B. ein motorisch angetriebener Exzenter wie bei einer Nockenwelle sein, welcher den Halter mit dem Prüfling in eine sinusförmige Bewegung versetzt.
Wenn der Hub und die Drehzahl bekannt ist, ist die Berechnung der Beschleunigung trivial.
Außerdem kann man dann ja auch leicht die vom Sensor bei verschiedenen Bürden abgegebene Spannung messen.
Wenn die Bewegung exakt sinusförmig ist, kann man zur Kontrolle auch noch eine Fourier-Transformation des abgegebenen Signals machen. Dabei sollte nur die Grundfrequenz zu sehen sein. Das Auftreten von Oberschwingungen deutet auf Nichtlinearitäten hin.
Zuletzt geändert von anders am Sonntag 12. Juni 2011, 00:25, insgesamt 1-mal geändert.
anders
43118
Moderator
 
Beiträge: 4686
Registriert: Freitag 28. Februar 2003, 13:46

Re: Piezosensor: Spannungsmessung an Oszilloskop

Neuer Beitragvon Milpe am Sonntag 12. Juni 2011, 10:48

Hallo und schöne Pfingsten,

vielen Dank für die Antworten.

Welches Oszilloskop ich für den Versuch zur Verfügung gestellt bekomme weiss ich leider noch nicht. Sobald ich es weiss werde ich es hier posten.

Was die Berechnung der Energieausbeute angeht, hätte ich ausführlicher schreiben sollen. Der Piezosensor erzeugt durch die Wechselbeschleunigung der Vibration am Kreissäügeblatt Energie. Diese Vibrationen sind bei Eigenfrequenzen des Kreissägeblattes am höchsten. Diese Frequenzen kenne ich auch bereits. Durch einen Wechselkrafterreger, den ich aussen am Sägeblatt befestigt habe, kann ich dieses mit den bekannten kritischen Frequenzen anregen. Ich hatte jetzt vor, während dieser Wechselkrafterreger im Einsatz ist, das Signal am Oszilloskop zu messen. Die Spannung, die ich erkenne, kann ich ja dann für die Energiebilanz heranziehen, aber wie? Welchen Widerstand muss ich für die Stromstärkenberechnung heranziehen? Ich nehme an die vom Tastkopf? Welche Faktoren sind noch wichtig zur Berechnung? Kann mir nicht vorstellen, dass es mit 10. Klasse Formeln getan ist.

Habe inzwischen erfahren, dass ich mit trial und error am Oszilloskop bereits gute Ergebnisse bekommen kann. Gibt es noch Wichtiges hierzu zu wissen?

Vielen Dank noch einmal für eure Mühe hier.

Es grüßt

Milan
Milpe
Threadstarter
43119
 
Beiträge: 5
Registriert: Mittwoch 8. Juni 2011, 11:09
Postleitzahl: 00000
Land: Germany / Deutschland

Re: Piezosensor: Spannungsmessung an Oszilloskop

Neuer Beitragvon anders am Sonntag 12. Juni 2011, 14:13

Die Spannung, die ich erkenne, kann ich ja dann für die Energiebilanz heranziehen, aber wie? Welchen Widerstand muss ich für die Stromstärkenberechnung heranziehen? Ich nehme an die vom Tastkopf? Welche Faktoren sind noch wichtig zur Berechnung? Kann mir nicht vorstellen, dass es mit 10. Klasse Formeln getan ist.
Möglicherweise ist es mit den 10.Klasse Formeln doch getan, wenn man sie beherrscht und richtig anwendet.
Ich weiß auch nicht, weshalb dich die maximale Energieausbeute interessiert. Willst du damit Akkus laden?
Solche Messchaltungen werden in den seltensten Fällen mit Leistungsanpassung betrieben.
Das macht man nur, wenn die Frequenzen so hoch werden, dass die Laufzeit in den Kabeln eine Rolle spielt, oder wenn das Signal so klein ist, dass man jeglichen Klimmzug unternehmen muß, um es aus dem Rauschen zu bringen.

Üblicherweise gibt man aber eine Prüfschaltung an, die einigermaßen praxistauglich ist.
Abgeschirmte Leitungen und Koaxkabel haben gewöhnlich Kapazitäten von knapp 100pF/m und Oszilloskope eine Eingangsimpedanz in der Größenordnung 12pF parallel zu 1MOhm.

Deshalb wäre es sinnvoll für reproduzierbare Messungen hier eine Belastung von z.B. 200pF || 1MOhm zu spezifizieren.
Wessen Messgerät eine geringere Last oder Kapazität darstellt (10:1 Tastkopf), der kann den benötigten Wert durch einfaches Paralllelschalten von R und C einstellen, und wer unbedingt 50m Leitung anschliessen will, muß eben einen Vorverstärker benutzen.

P.S.:
Solch ein Piezogeber stellt deutlichunterhalb der Eigenresonanz i.W. eine Spannungsquelle dar, welche in Reihe mit einem Widerstand und einer Kapazität (evtl noch eienr Induktivität) liegt.
Welchen Wert diese Komponenten haben, hängt wesentlich von den mechanischen Abmessungen des Piezoelements ab.
Besonders die Kapazität spielt eine wichtige Rolle, denn sie ist, in Zusammenhang mit dem Lastwiderstand, sehr für die unterere Grenzfrequenz maßgeblich.
Generell sollte man anstreben, dass die Ausgangsspannung durch die Last nicht stärker als allenfalls auf ein Zehntel des Leerlaufwertes reduziert wird.

Die frequenzabhängige Quellimpedanz eines Piezogebers, sowie auch insbesondere seine Resonanzfrequenz kann man ganz gut bestimmen, indem man an den (fertig montierten!) Geber eine Wechselspannung anlegt und dann bei verschiedenen Frequenzen aus einem Signalgenerator Ströme und Spannungen, wenn man kann auch die Phasenverschiebung dazwischen, vermisst.
Aus den Messwerten kann man dann eine RLC-Reihenschaltung modellieren, welche das Belastungsverhalten des Gebers wiedergibt.
Die mechanische Empfindlichkeit und deren Frequenzverhalten erfährt man so allerdings nicht.
Zuletzt geändert von anders am Sonntag 12. Juni 2011, 14:33, insgesamt 1-mal geändert.
anders
43121
Moderator
 
Beiträge: 4686
Registriert: Freitag 28. Februar 2003, 13:46

Re: Piezosensor: Spannungsmessung an Oszilloskop

Neuer Beitragvon Milpe am Dienstag 14. Juni 2011, 09:35

Hallo und vielen Dank,

eine kleine Zusammenfassung:

Ich habe Sensoren an einem Kreissägeblatt. Dieses Kreissägeblatt wurde bereits mal mit einem Wechselkrafterreger bei verschiedenen Frequenzen angeregt und die Auslenkung mit einem LDV gemessen. Die Auslenkungskurve und somit die Wechselbeschleunigungen des Kreissägeblattes/Sensors kenne ich bereits.

Meine Ziele sind jetzt:

1. den Sensor über einen Tastkopf am Oszilloskop zu messen, während der Wechselkrafterreger arbeitet. Die Kurve soll so angepasst werden, dass sie der LDV Kurve ähnlich sieht. Hab inzwischen erfahren, dass ich das mit trigger,error und synch am Oszilloskop erreichen kann. Stimmt das? Was die einzelnen Funktionen genau bedeuten und machen muss ich noch herausfinden. Hauptsache ich weiss schonmal, wie ich auf den richtigen Weg komme.

2. Ich soll die Energieausbeute des Sensors herausfinden, um zu erfahren, ob damit ein autarkes Funkmodul (Microcontroller, Transceiver etc.), welches maximal ca. 30mA bei 3,6 V und ungefähr 600 mJ pro Stunde (Microcontroller und Transceiver meiste Zeit im Schlafzustand) benötigt. Wie kann ich jetzt aus dem Oszilloskopsignal des Senders die Daten berechen. Angenommen es werden maximal 1200 mV am Oszilloskop als Sinuskurve angezeigt (ist ja Wechselspannung). Kann ich dann einfach 1200 mV/ Tastkopfwiderstand = x Ampere und danach x Ampere mal 1200 mV mal 3600 Sekunden = Energiegewinn pro Stunde ( muss da nach ner Sinuskurvenformel schauen)? Und die Daten dann einfach mit dem Verbrauch des Funkmoduls vergleichen?
(Für die Anpasschaltung kann ich ja bestimmt einen Durchschnittswert, sagen wir mal 45% Wirkungsgrad angeben).Die sache ist die: ich weiss bereits, dass die Sägeblattsensoren nicht genug Energie liefern um das Funkmodul zu betreiben, muss es aber richtig beweisen. Deshalb kann ich keine an das Funkmodul angepasste Schaltung bauen (müsste mir da eh helfen lassen) um es dann zu messen (dauert zu lange dafür, dass es eh nicht klappt).

Text von anders:

Deshalb wäre es sinnvoll für reproduzierbare Messungen hier eine Belastung von z.B. 200pF || 1MOhm zu spezifizieren.
Wessen Messgerät eine geringere Last oder Kapazität darstellt (10:1 Tastkopf), der kann den benötigten Wert durch einfaches Paralllelschalten von R und C einstellen, und wer unbedingt 50m Leitung anschliessen will, muß eben einen Vorverstärker benutzen.


Empfiehlt es sich eine RC-Schaltung zu bauen, um das zu erreichen was ich möchte?
Ich weiss ich stell blöde grundlegende Fragen, aber nur so kann ichs verstehen.

Viele Grüße

Milan
Milpe
Threadstarter
43134
 
Beiträge: 5
Registriert: Mittwoch 8. Juni 2011, 11:09
Postleitzahl: 00000
Land: Germany / Deutschland


Zurück zu Messtechnik und Theorie

Wer ist online?

Mitglieder in diesem Forum: 0 Mitglieder und 13 Gäste