Lektion4 - Nano
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Messung mechanischer Eigenschaften Sensoren II Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Sensoren für Mechanische Grössen Auslenkung / Ort über geometrische Faktoren in elektrischen Gesetzen Kraft via Auslenkung Druck via Kraft via Auslenkung Masse via Kraft via Auslenkung Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Geometrische Faktoren Induktivität L 0 n 2 Al Kapazität A C 0 d Ohmscher Widerstand l R A Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Induktive Sensoren Dynamisch über Impedanzmessung Strom bei stationärer Wechselspannung Statisch über Messung einer induzierten Spannung Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Kontaktmikrofon Kohlemikrofon: mit Kohlegrieß gefüllte Kapsel Widerstandsänderung mit dem Schalldruck Spule Kondensator U=+U~ i0 U~ Schlechter Frequenzgang insbesondere bei hohen Frequenzen. Robust und billig. Anwendung: hauptsächlich Telefon Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Kapazitives Mikrophon Messung des Stroms bei Kapazitätsänderung über konstanter Spannung. Messung der Kapazität bei stationärer, hochfrequenter Wechselspannung. C(t) Bewegliche dünne Metallmembran R U Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) U~ Ohmsch Schleifer (Bei gutem Kontakt hohe Reibung. Nur für „robuste“ Anwendungen) Dehnung (Gut miniaturisierbar.) Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Widerstandsänderung durch elastische Dehnung F I R l dh F l: Länge d: Breite h: Höhe : spez. Widerstand Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Hooke‘sches Gesetz F S L L E d L s d L F L: Länge d: Breite S: Zugspannung E: Elastizitätsmodul s: Poissonzahl EStahl= 200 Gpa sStahl = 0.3 Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Dehnung längs zum Strom F I F S l l ( S ) l0 (1 ) E S d d ( S ) d 0 (1 s ) E S h h( S ) h0 (1 s ) E Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Taylorentw. für kleine S/E l0 1 S / E 1 S / E R( S ) R0 2 2 h0 d 0 (1 sS / E ) (1 sS / E ) S R( S ) R0 R0 (1 2s ) E Widerstandsänderung längs Dehnung Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Dehnung Quer zum Strom I F d d 0 (1 sS / E ) 1 R( F ) R0 lh l0 h0 (1 sS / E )(1 S / E ) 1 S / E R(S ) R0 (1 S / E ) Widerstandsänderung quer zur Dehnung Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Dehnmess-Streifen Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Dehnmess-Streifen -Signal (weiss) - Speisung (braun) + Signal (grün) + Speisung (gelb) Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Dehnmess-Streifen R1 R2 R3 R4 Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Hooke‘sche Theorie für Dehnmess-Streifen L S/E L L Rl ( F ) R0 R0 (1 2s ) L L Rq ( F ) R0 R0 L Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Achtung Temperatur Dehnmess-Streifen müssen denselben Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten haben, sonst entstehen „Schattenkräfte“ Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Messung kleiner Widerstandsänderungen Problem: Miss Widerstandsänderungen im Promillebereich ! Lösung mit Halb- bzw. Vollbrücke (Vgl. Übung Physik I) Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) +5 V Halbbrücke R1 AbgleichPotentiometer V R1 Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) +5 V Vollbrücke V R2 / R1 = R2‘ / R1‘ Normalerweise R1=R2=R1‘=R2‘ Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Vollbrücke aus zwei Halbbrücken +5 V +5 V LabView: Softwaremässige Subtraktion Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Gleichspannungs-Verstärker Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Kraft auf Magnete Kraft auf magn. Dipol F=p * dB/dz Nanopraktikum: N=2001 Feld der endlichen Spule: 0 NI z L/2 z L/2 B( z ) 2 2 2 LR z L/2 1 z L / 2 1 R R Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Einseitig eingespannter Balken. z F m bh 3 B 12 x F ( L x) 1 / R( x) EB F z ( x) x 3 3Lx 2 6 EB B: Flächenträgheitsmoment b: Breite des Balkens h: Höhe (bzw. Dicke) d. B. L: Länge des Balkens E: Elastizitätsmodul 3EB 3 mL Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II) Interpolator.vi Elektronisch messen, steuern und regeln (Lektion 4): Mechanische Grössen (Sensoren II)
