Abstandsmessung einer Metallkugel

[New Ton]

Moin Moin!
Wir sind 2 Maschinenbaustudenten und sind dabei einen Kugel - Wippe - Demonstrator zu bauen. Er besteht aus einem V - Profil, welches in der Mitte gelagert ist. auf diesem Metall-Profil (700 mm lang), befindet sich eine Stahlkugel. Es soll eine Regelung entworfen werden die es ermöglicht, die Kugel an einer beliebigen Stelle auszubalancieren.
Wir beschäftigen uns gerade mit der Sensortechnik. Es muss der Abstand zur Kugel gemessen werden.
In die nähere Auswahl kamen bei uns:
Ultraschallsensor, Laser, Positionserfassung durch messen des Stromes bei bekanntem Widerstand

Der Messbereich liegt bei 0 bis 700 mm.
Nun sind wir uns nicht sicher, was von unseren Möglichkeiten sinvoll ist und was eher nicht...

Bei einem Ultraschallsensor haben wir bedenken, das durch die Kugel bzw durch Reflexion an dem Metall - Profil kein verwertbares Signal zurück kommt..

Wie seht ihr das? Was wäre am sinnvollsten?

Vielen Dank im Voraus!

[Jon]

Ich halte Ultraschall nicht für sinnvoll, da der Öffnungswinkel relativ groß ist. Welchen Durchmesser hat die Kugel denn?
Je nachdem, was das für eine Kugel ist, kann es mit Laser oder IR Probleme geben. Wenn es eine Kugel ist, die spiegelt, werden die Messergebnisse sehr schnell ungenau.

Ehrlich gesagt, fällt mir gerade keine Möglichkeit ein, die zu annähernd 100% funktionieren würde.

jon

[Manf]

Mit den Sharp PSD Sensoren gibt es sicher eine recht effiziente Lösung.
https://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Sensorarten#Sharp_Infrarotsensoren
Die Genauigkeit ist dabei vielleicht nicht sehr hoch.
Die Sensoren arbeiten normalerweise mit diffuser Reflexion.
Manfred

[Besserwessi]

Ultraschall käme auch in der Metallschiene in frage. Wenn man sich erst man an Ultraschall in Festkörpern gewöhnt hat fragt man sich eher ob den Ultraschall un Luft überhaupt geht.
Ultraschall wird aber eine menge Arbeit, wenn man sich nicht damit auskennt oder auf fertige Sensore zurückgreifen kann. Es gibt Längensensoren, die arbeiten mit Ultraschall der in einem magnetostricktiven Draht läuft. Ein kleiner Magnet in Nähe des Drahtes bewikt eine refexion und diese wird ausgewertet. Habe diese Type man an einer Abzugshaube für die Chemie gesehen um den Lüfter zu regeln. Messbereich war also ca. 1 m. Wenn man das Selberbauen will ist es aber eine Menge Aufwand.

Die Elektrische Abtastung könnte recht einfach werden, wenn man an einer Seite eine Spannung längs der Schiene anlegt und die Kugel als den Abnehmer in einem Potentiometer ansieht.

[Steinigtmich]

Was klappen könnte wäre eine Gruppe von kapazitiven Sensoren auf jeder Seite.
Funktionsprinzip wie ein Theremin, wir hatten das hier schon mal.

Prinzip: Man nehme zwei Oszillatoren, einfachsterweise aus einigen Invertern, Kondensatoren und Widerständen zusammengefrickelt.
Einer der Oszillatoren wird an einem Kondensator mit einer Antenne versehen. Wenn ein Objekt in die Nähe kommt, verändert sich die Kapazität und damit die Frequenz des Oszillators ganz leicht.
Und jetzt kommt der Trick, die beiden Frequenzen der Oszillatoren werden "subtrahiert", oder besser gesagt übereinandergelagert. Die entstehende Schwebung lässt sich schön per Elektronik auswerten.
Ich kanns grad nicht so gut beschreiben, wenig Zeit, sitz auf Arbeit, drum hier mal ein Beispiel: http://thereminvision.com/

[oberallgeier]

Hei, New und Ton (wird doch wohl keine Anspielung sein?)

dem Nick nach dürft ihr sowieso keinen Ultraschall verwenden, das hatte der alten N ja auch nicht tun können.

Ich würd die Wippe an einem Arm auf eine Druckmessdose (oder Waage) stellen und das Moment messen (oder eben die Auflagekraft). Daraus könnte man den Hebelarm rechnen (seit etwa Archimedes denke ich). Wär das eine Lösung für euch?

Bei Ultraschall hab ich so meine Sorgen - guckt mal nach der Schallgeschwindigkeit bei Temperaturen zwischen 15°C und 25°C - dann wisst ihr was ich meine.

Viel Glück, guten Wirkungsgrad

[Manf]

Für die Winkelmessung und der Abstandsbestimmung mit dem Laser müsste man eine große, matt reflektierende Kugel nehmen.
Ultraschall geht sicher wenn die Kugel groß genug ist und sonst kein Objekt den Schall reflektiert. Die konstante Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit kann man ja leicht berücksichtigen.
Die Kugel könnte die Kapazität in einem Oszillator ändern, vielleicht auch die Resonanzfrequenz einer Leitung mit verschiebbarem Kurzschluss am Ende. Wenn die Kompensation gut funktioniert dann reichen ja kleinste Änderungen.
Bei einer Messung der Kraft an der Wippe werden wohl die Steuerbewegungen zur Positionierung der Kugel stören, der Ansatz ist in der Beziehung etwas undeutlich beschrieben.

Die Methode mit dem Spannungsabfall auf der einen Schiene und der Abnahme der Spannung mit der Kugel auf die andere Schiene ist sicher sehr elegant. Das wird wohl am einfachsten sein wenn man eine ausreichende Spannung entlang der Schiene anlegen kann.
Manfred

[sigo]

Ihr könntet auch das Prinzip "Märklintrafo" anwenden. Bei den alten Märklintrafos greift ein Schleifer auf der äußeren WIcklung einfach die Spannung ab. Im Bereich des Schleifers ist einfach der Isolierlack des CU-Lackdrahtes entfernt..

Übertragen auf die Anwendung hieße das, dass ihr einen Kunststoffstab oder ggf. auch einen sehr langen Ferritstab (so verfügbarr) nehmen könntet, diesen in einen Akkuschrauber spannen und dann mit Cu-Lackdraht gleichmäßig umwickeln. Das ganze noch mit einem Kleber oder Lack auf der Rückseite fixieren. Dann die Lauffläche der Kugel blank schleifen und ggf. noch mit einem Vergoldungsstift behandeln..

Die gegenüberliegende Schiene einfach aus einem vernickelten Cu-Rohr o.ä, bilden.

Vorteil der Spule:
Ihr könnt nun einen großen Spannungsabfall erzeugen, da die Spule eine ordentliche Induktivität hat. Und einfach die Spannung abgreifen. Alternativ auch die Induktivitätsänderung messen.

Sigo
Sigo

[Besserwessi]

Wenn man mit Wechselspannung arbeitet kommt man schon mit einer sehr kleinen Spannung von ein paar mV längs der Schiene aus. Man hat dann nähmlich kaum Probleme mit Offsetdrift, wie bei Gleichstrom.

[New Ton]

Hey, ihr seit ja klasse. Ihr habt echt gute Anregungen parat. Vom Ultraschall sind wir mittlerweile auch schon eher weg, weil sehr teuer und das wird unser Prof. bestimmt nicht gerne haben.

Wir favorisieren auch immer mehr die "Widerstand-Methode" und da kamen ja schon ganz gute Möglichkeiten von euch mit denen man Problemen aus dem Weg gehen kann. Wir haben schon überlegt bei dem V-Profil zu bleiben und einfach einen Widerstandsdraht platt zu walzen und diesen dann auf das Alu aufzukleben. Naja, mal sehen ...

Ach ja... da kamen ja noch Fragen von euch: die Kugel soll eine Stahlkugel mit 30mm Durchmesser sein und ist blank poliert. (ist von nem Kugellager-Hersteller und der hatte keine matten Kugeln).

@ oberallgeier: wie, was ? ne Anspielung... auf wen? ;-)
die Variante mit der Waage bzw. Kraftmessdose hatten wir auch und die wäre auch sehr elegant aber wir bekommen Probleme mit der Messung der Kraft die durch die auftretenden Momente entstehen. Man kann dann nicht mehr auseinander halten ob das Moment durch die Masse und Position der Kugel oder durch die Antriebskraft des E-Motors verändert wurde.

danke für eure Tipps... wer noch ne gute Idee hat, dann her damit ;-)
New Ton

[oberallgeier]

Hei Ihr,

... die Variante mit der Waage bzw. Kraftmessdose hatten wir auch und die wäre auch sehr elegant aber wir bekommen Probleme mit der Messung der Kraft die durch die auftretenden Momente entstehen. Man kann dann nicht mehr auseinander halten ob das Moment durch die Masse und Position der Kugel oder durch die Antriebskraft des E-Motors verändert wurde...
Ok, ich geb´s ja zu, die Widerstandsvariante ist ziemlich elegant. Zumindest kann man mit der ja auch die aktuelle Geschwindigkeit der Kugel messen - und das ist für den anvisierten Stop auf einem bestimmten Lastarm notwendig. Ich vermute ja, dass ihr für diesen Fall den aperiodischen Grenzfall anvisiert - nicht dass die gute Kugel noch runterfällt (bei mir am Schreibtisch liegt eine 60 mm Kugel - aus einem etwas grösseren Kugellager :) - wenn DIE runterfällt ...). Ich dachte nur, dass die Kraft- bzw. Momentenmessung erheblich genauer sein könnte als die Widerstandsmessung. Und den dynamischen Anteil kann man ja aus dem Antrieb her ableiten.

Wo studiert ihr?

[sigo]

Wir favorisieren auch immer mehr die "Widerstand-Methode" und da kamen ja schon ganz gute Möglichkeiten von euch mit denen man Problemen aus dem Weg gehen kann. Wir haben schon überlegt bei dem V-Profil zu bleiben und einfach einen Widerstandsdraht platt zu walzen und diesen dann auf das Alu aufzukleben. Naja, mal sehen ...



Hi,

Es gibt hochwertige Bodenbeläge für Laborbereiche, die entweder antistatisch oder sogar "leitfähig" ausgelegt sind. Die leitfähigen könnten evtl. interessant sein. Sie haben immer noch reichlich Widerstand und sind nicht wirklich leitfähig. Ich könnte mir vorstellen, dass der Widerstand halbwegs konstant ist, da ja von einem homogenen Rohstoffausgegangen werden kann.

Anbieter von EMV-Dichtmaterialien haben dünne relativ niederohmige Kunststoffmatten, aus denen sie Dichtungen ausstanzen, teils schon selbstklebend beschichtet. Wäre evtl. auch ein Ansatz.

Flachen Widerstandsdraht hab ich erst vorige Woche weggeschmissen - unser Toaster hat den Geist aufgegeben.
In Toastern sind etliche Meter verbaut..

Sigo

[sigo]

Und noch eine etwas abgefahrene Idee:

Es gibt quer magnetisierte Magnetfolie als Meterware (eBay).
Wenn man diese z.B. 2mm unter der Kugel anbringt und dann zwischen Magnetband und Kugel eine langezogene Spule flach anbringt,
müsste die Kugel in der Spule einen halbwegs sinusförmigen Strom induzieren, oder?
Den dann verstärken und zählen?
Hmm, eine Richtungsinformation habt ihr dann aber nicht.
Sigo

[oberallgeier]

Und noch eine etwas abgefahrene Idee: ... quer magnetisierte Magnetfolie ...
Whow!
Da darf ich ja auch was anbringen: Frequenzanalyse. Der Stab klingt ja - wenn die Kugel drüberrollt (wie eine Klaviersaite -- ok, ok, eher eine steelguitar). Der Ton ist sicherlich vom Stand der Kugel abhängig.

Ach so, noch was: die "leitfähigen" Materialien sind leitfähig in dem Sinne, dass statische Aufladung verhindert wird. Also die haben ein paar Mega als Ohm - und wenn man das auf einen halben Meter hat .... Aber ich vermute, dass dort der Übergangswiderstand Kugel-Kunststoff recht gering ist. Dumm ist dann aber das Relaxationsverhalten (der Kunststoff bleibt einige Zeit eingedellt, wenn die Kugel eine längere Weile an einer Stelle liegt - Laborantinnen tragen ja auch selten hochhackige Pumps) - - das gibt vermutlich Stolperstellen und später Positionierprobleme :(

[ranke]

Wenn wir gerade bei den abgefahrenen Ideen (und Resonanzen) sind:

Man könnte die Kugel als Kurzschlußschieber einer Lecherleitung verwenden und die jeweilige Resonanzfrequenz messen.

Diskutabel fände ich eine induktive Lösung. Die Erfassungsspule könnte eine schmale Rechteckspule von der Länge der Schiene sein. Die Induktivität der Spule vergrößert sich bei Annäherung der Metallkugel. Baut man die Spule leicht verkippt zur Schiene an, dann ist der Abstand zwischen Spule und Kugel eine Funktion von der Lage der Kugel auf der Schiene.
Für die Konstruktion der Schiene sollte man dann am besten auf ferromagnetisches Material verzichten.

[sigo]

Laborantinnen tragen ja auch selten hochhackige Pumps

Schade eigentlich.


.. das gibt vermutlich Stolperstellen und später Positionierprobleme

Für wen oder was? :)

[oberallgeier]

hei sigo,

die Kugel kann bei längerem Stehen auf einer Stelle eine Delle hinterlassen. Und wenn dann die Kugel drüberrollt .... Stolperstellen und Positionierprobleme ... aber das hab ich ja schon so geschrieben