Beschleunigungssensor

Hochschule Niederrhein
Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Mechatronik
Mikrosystemtechnik – Praktikum
Versuch 2: Charakterisierung eines Beschleunigungssensors
Name:
Amar Alikadic
Mohsen Mesfar
Matrikelnummer:
1200021
1207918
Aufgabe 1
Skizzieren Sie Aufbau und Verschaltung für das Protokoll.
Abbildung 1: Die Komponenten und Verschaltung des Messaufbaus
Aufgabe 2
Abbildung 2: Datenblatt des Wegsensors: Kennlinie A
a) Für den Arbeitspunkt des Abstandssensors wird der Fernbereich verwendet.
•
•
•
•
Maximum bestimmen: Beim Maximalausschlag des Sensors (5V) beträgt der Abstand
(Mikrometerschraube) ca. 5,42mm.
Nullpunkteinstellung (Membranberührung)
Der Nullpunkt liegt bei 4,88mm (Mikrometerschraube)
Im Nullpunkt liegt der Offset vor
Wie viele Millimeter umfasst der lineare Arbeitsbereich des Abstandssensors?
•
Der Arbeitsbereich umfasst ca. 2,54mm.
b) Wert1: 150mils = 3,81mm
3,81mm + Offset = 3,81mm + 4,88mm = 8,69mm
8,69mm → 3,11V
Wert2: 100mils = 2,54mm
7,42mm → 3,9V
Wert3: 90mils = 1,27mm
6,19mm → 4,7V
Welche Empfindlichkeit Sx in mm/V bzw. mm/mV ergibt sich für den Abstandssensor in linearen
Arbeitsbereich?
∆𝑠𝑥 =
∆𝐿
∆𝑉
=
3,81𝑚𝑚−1,27𝑚𝑚
3,11𝑉−4,7𝑉
= −1,597
𝑚𝑚
𝑉
= −1,597 ∗ 10−3
𝑚𝑚
𝑚𝑉
Aufgabe 3
a) Was passiert, wenn Sie die Lautstärke erhöhen?
Bei Erhöhung der Lautstärke, wird der Hub größer. Sobald durch die Erhöhung der Lautstärke der
Arbeitsbereich von 5V überschritten wird, ändert sich die Wirkungsrichtung (Die Signale verhalten
sich proportional zueinander). Der obere Bereich der Sinus Welle klappt nach unten (siehe Abbildung
3: Blaue Linie).
b) Was geschieht, wenn Sie den mechanischen Arbeitspunkt des Abstandssensors über die
Mikrometerschraube verändern?
Bei Vergrößerung des Abstandes (D100-P), wird die Ausgangsspannung des Sensors kleiner. Bei
Verringerung des Abstandes, verringert sich auch die Ausgangsspannung und als Resultat, wird die
Amplitude des Wegsensors, kleiner.
c) Wie ändert sich das Signal des Abstandssensor, wenn die Lautsprechermembrane den
Arbeitsbereich überschreitet?
Es kommt zu einer Änderung der Sinusschwingung. Wir erhalten zwei Spitzen-Kurven, die in einem
Bereich liegen, wo wir zwei Ergebnisse erhalten können. Wenn die Lautsprechermembrane den
Arbeitsbereich überschreitet, bekommt der obere Teil der Sinuskurve einen Knick. Der obere Teil der
Sinuskurve klappt nach unten, weil die maximale Spannung von 5V nicht überschritten werden kann
(siehe Abbildung 3: Blaue Linie im Beriech (-20ms, -15ms)). Dies passiert durch das Verlassen der
linearen Reichweite ±1%.
Um die Signale beider Sensoren auf dem Oszilloskop vergleichen zu können, ist es sinnvoll, diese per
AC-Kopplung anzuzeigen. Warum ?
Durch die AC-Kopplung wird der Gleichspannungsanteil des Abstandssensors unterdrückt. Dadurch
können die Signale besser verglichen werden, weil sie im linearen Bereich einen Sinusverlauf
darstellen.
Abbildung 3 : Kleiner Sensorabstand, im nichtlinearen Bereich, der Sensorkennlinie
Aufgabe 4
Abbildung 4: Die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors 1/Sa in mV/g im Frequenzbereich von
10Hz
Abbildung 5: Die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors 1/Sa in mV/g im Frequenzbereich von
20Hz
Abbildung 6: Die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors 1/Sa in mV/g im Frequenzbereich von
50Hz
Abbildung 7: Die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors 1/Sa in mV/g im Frequenzbereich von
200Hz
Abbildung 8: Die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors 1/Sa in mV/g im Frequenzbereich von
500Hz
1000Hz ist nicht messbar.
Aufgabe 4
Bestimmen Sie mit dem Aufbau die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors
Frequenzbereich von 10Hz bis ca. 1KHz in geeigneten Schritten.
𝑥(𝑡) = Û𝑥 ∗ 𝑆𝑥 ∗ sin (𝜔 ∗ 𝑡)
ẋ(𝑡) = 𝜔 ∗ Û𝑥 ∗ 𝑆𝑥 ∗ cos (𝜔 ∗ 𝑡)
ẍ(𝑡) = 𝑎𝑥 (𝑡) = −𝜔2 ∗ Û𝑥 ∗ 𝑆𝑥 ∗ sin (𝜔 ∗ 𝑡)
mit 𝜔 = 2*Π*f
Für f = 10Hz : 𝜔 = 2*Π*10Hz = 62,8 Hz
â𝑥 = −𝜔2 ∗ Û𝑥 ∗ 𝑆𝑥
1 2
𝑚𝑚
𝑠
𝑚𝑉
= − (62,8 ) ∗ 531𝑚𝑉 ∗ (−1,597 ∗ 10−3
â𝑥𝑖𝑔
) = 3347,797 )
𝑚𝑚
𝑠²
= 3,347797
𝑚
3,347797
𝑠²
=
𝑚=
𝑚 = 0,341𝑔
9,81
9,81
𝑠²
𝑠²
𝑆𝑎 =
â𝑥
â𝑥𝑖𝑔
Û𝑎
=
0,341𝑔
𝑔
= 0,0116
29,36𝑚𝑉
𝑚𝑉
1
1
𝑚𝑉
=
= 86,033
𝑔
𝑆𝑎 0,0116
𝑔
𝑚𝑉
Tragen Sie in eine Tabelle die Werte für f, Ûa, Ûx, 1/Sa ein.
f [Hz]
10
50
100
200
400
600
800
1000
Ûx [mV]
531,6
1168
426,8
166,6
86,5
12,67
7,783
22,1
Ûa [mV]
29,36
683
1014
1542
1413
1421
1911
3253
1/Sa [mV/g]
86
36
36
36
16
48
59
23
𝑚
𝑠²
1
𝑆𝑎
in
𝑚𝑉
𝑔
im
Zeichnen Sie ein Diagramm 1/Sa=f(f).
Abbildung 9: Das Diagramm 1/Sa=f(f)
Aufgabe 5
Bestimmen Sie das Übersprechverhalten des Beschleunigungssensors bei 100 Hz.
𝐴[𝑑𝐵] = 20 log (
𝑈2
130,9𝑚𝑉
) = 20 log (
) = −22,733𝑑𝐵
𝑈1
1,793𝑚𝑉
Wodurch wird das Überspeichern verursacht?
•
•
•
•
•
•
Resonanzen im Versuch Aufbau
Schiefes Schwingen der Membran
Platte schief
Eigenfrequenz
Beschleunigungssensor schief zur Membran
Ungenauigkeit des Sensors
Abbildung 10: Das Übersprechverhalten des Beschleunigungssensors bei 100 Hz
Aufgabe 6
Bestimmen Sie die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors bei 0Hz, also statisch.
•
•
Horizontale (ohne Erdbeschleunigung) : 2,525mV
Vertikal (mit Erdbeschleunigung) : 2,565mV
Die Differenzspannung : ∆𝑉 = 2,565 − 2,525 = 40𝑚𝑉
Empfindlichkeit bei 0Hz (statisch)
∆𝑉
40𝑚𝑉
𝑚𝑉
=
= 40
𝑚
∆𝑎 9,81 − 0
𝑔
𝑠²