Kraftsensor für Laufroboter aus Tastatur [Archiv]

Morphois

25.11.2008, 20:08

Hi,

ich bin gerade am Bau eines 6-Beinigen Laufroboters und suche noch eine passende Möglichkeit die Kraftverteilung der Beine zum Untergrund zu messen.
Da ist mir die Idee gekommen einen Trackpoint von einer Notebook Tastatur zu benutzten. Diese Dinger heißen auch Trackstick, Pointing Stick oder Accu Point, je nach Hersteller. Im Forum habe ich leider nichts darüber gefunden.

Solch ein Sensor bietet eine zweidimensionale Krafterfassung und sollte nicht allzu teuer sein. Wird ja millionenfach produziert. Mein Roboter soll relativ klein werden, also sollte die erfassbare Kraft schätzungsweise ausreichen.
Aber wo bekomme ich einen solchen Sensor her? Ich hab mal einen aus einer alten Tastatur ausgebaut und anhand er Nummern versucht Datenblätter zu finden.

http://www.mathiasmichael.com/sonstiges/trackpoint/Bild1.jpeg
http://www.mathiasmichael.com/sonstiges/trackpoint/Bild2.jpeg
http://www.mathiasmichael.com/sonstiges/trackpoint/Bild3.jpeg

Nummern gibt’s genügend, aber Informationen darüber hab ich keine gefunden. Ich hätte gern nur das runde Teil in der Mitte und würde dann eine eigene Elektronik dazu bauen.

Was meint ihr dazu? Hat schon jemand mal solch einen Sensor benutzt?

Viele Grüße,
Morphois

ähM_Key

25.11.2008, 23:56

Wie du schon richtig schreibst, Messen die soweit ich weiß nur in 2 Richtungen, d.h. die wahrscheinlich viel interessantere Z-Achse nicht.

Klingon77

26.11.2008, 08:36

hi,

das Thema interessiert mich auch.

Welche Alternativen hätten wir denn den Kraftaufwand in der Z-Richtung zu messen?

Was mir bis dato dazu einfiel war:
* die Stromüberwachung des Antriebsmotors.
* Die Möglichkeit mithilfe einer geeigneten Formgebung einen Dehnungsstreifen einzubauen.

Der Dehnungsstreifen ist recht teuer und auch in der Anwendung nicht so einfach; habe ich mir sagen lassen.

Gut wäre ein kardanisch aufgehänter Fuß mit einer kleinen runden Fläche welche man mit unterschiedlichen Materialen (je nach Untergrund von Moosgummi bis Spikes) belegen könnte.
Wenn man in diesen Fuß noch einen einfach zu handhabenden Kraftsensor einbauen könnte welcher über einen AD-Wandler ausgelesen werden kann, wäre das optimal.

Wäre ein Piezo-Kristall eine Möglichkeit?
Da kenne ich mich absolut nicht aus.

Federweg und (Schiebe-)Poti ist mech. sehr aufwändig.
Ein einfacher Drucksensor (Ein/Aus) ist nicht ergiebig genug.

Könnte ein Drucksensor (Taster) in Kombination mit dem Motorstrom eine Alternative sein?
Man hätte die zweifache Sicherheit.

liebe Grüße,

Klingon77

root

26.11.2008, 08:54

Hallo,
Ja da bin ich auch schon eine ganze Weile am experimentieren und bin an folgender Lösung hängen geblieben:
Der Fuß ist beweglich gelagert und über eine Drehstabfederung mit dem
Bein verbunden. Auf dem Drehstab ist eine Spule angebracht, deren
Luftspalt sich durch die Drehung der Stabfeder verändert.
Diese Spule bildet den Teil eines Schwingkreises dessen Frequenz
dann proportional zur Auflagekraft ist. Das ist zwar nicht Linear aber
mann kann es ja dann im Prozessor gradebiegen.

Ich denke, wenn man es etwas einfacher haben will, kann man anstelle
der Schwingkreismimik auch ein Poti verwenden. Die Genauigkeit ist dann
halt nicht so gut.

Von der Geschichte mit den Motorströmen bin ich recht schnell abgekommen, da mein Antrieb über Schneckengetriebe erfolgt und das
Bein bei Nichtbewegung stromlos ist. Auch funktioniert die Messung bei der
Aufwärts-Bewegung so nicht. Piezos - das gleiche Problem da eine
Spannung nur bei der Belastungsänderung erzeugt wird. Nicht bei
statischer Belastung.

Das mit den Dehnungsmeßstrewifen würde funktionieren. Ist mir
aber zu teuer gewesen und um den Drehstab oder ein anderes verformbares
Teil kommt man auch nciht rum.
Das vieleicht mal so als Anregung
Gruß,
Andreas

HeXPloreR

26.11.2008, 09:40

Hi zusammen,

würde sich ein verformbarer Gummiball mit Luftdruckmessung dafür eignen. Der Ball würde beim aufkommen auf dem Boden den Druck gleichmässig verteilen, über einen Schwellenwert würde man festlegen wann der Fuß sicher aufgesetz hat.

mfg

Klingon77

26.11.2008, 09:42

hi root,

hört sich schon mal gut an.
An eine solche Lösung habe ich überhaupt noch nicht gedacht; bin ja auch Mechanikus und kein Elektronikus :oops:

Gibt es ein paar Fotos zu Deiner Lösung?

liebe Grüße,

Klingon77

root

26.11.2008, 09:51

Hallo, Klingon77
Nee Photos hab ich noch keine gemacht, Leider gehts auch grad nicht,
da ich am Firmenrechner sitze. Muß nebenher meine Brötchen verdienen :-(((
Wenn es ein paar Tage Zeit hat, werde
ich welche machen. Übrigens... der Beitrag vorher mit der Druckmessung
würde wohl auch funktionieren.

HeXPloreR

26.11.2008, 20:04

hi,

mal ne Frage: Wozu ist den dieser Nuppsie am Laptop denn da? Ist das ein Steuerelement als Mause/Touchpad -Ersatz? Sorry, ich kenn das nicht so 8-[

Aber wie auch immer, für mich sieht es aus wie eine Art Analogstick/Steuerkreuz wie an nem Spielepad oder so....kann es sein das dieses keine Karft misst, sondern nur eine Bewegung innerhalb gewissener Grenzen ( innen = Null ; nach außen ansteigend höher + Richtung)
Dann wäre es nämlich nicht mehr als eine Art Poti ??

mfg

BastelWastel

26.11.2008, 20:16

Das siehst du richtig, es ist quasi ein Analogstick der den Cursor steuert.
Aber das ist auch (wie ein Poti mit Federweg) ein Kraftsensor, du wirkst ja mit einer bestimmten seitlichen Kraft auf den Stick.

HeXPloreR

26.11.2008, 20:56

hi,

ja das stimmt so schon mit dem Kraftaufwand zum bewegen, aber die Karft wird dabei dann doch garnicht gemessen sondern nur die Bewegung an eine bestimmte Position aus der Mitte heraus ---> variabler Spannungsteiler,in vier/acht Richtungen.
Sicherlich kann man auch aus der nötigen kraft zum bewegen des Pads etwas errechnen, aber ich vermute diese benötigte Kraft ist einfach zu gering um damit etwas anfangen zu können. Was man tun könnte ist also zusätzlich diesen Bewegungswidestand zu erhöhen, und ihn somit an das Gewicht des Bots anzupassen. Dazu eignen sich dann wiederum ganz gut entsprechend starke Zugfedern. Natürlich muß der Stick so ausgerichtet werden das er diese Z-Richtung auch ausgeben kann, also entscheidet man sich für die X oder Y-Richtung und gibt alle anderen Richtungen auf, plus oder minus spiel hier dann keine Rolle, muß nur im Programm berücksichtigt werden.

mfg

Klingon77

26.11.2008, 23:49

hi,

der Beitrag von HeXPloreR bezüglich der Druckmessung kam wohl als ich eben am Schreiben war.

Die Idee ist aber gut.
Man müsste nur den Drucksensor luftdicht mit dem Fuß-Gummiball verbinden.

Funktionieren die Dinger auch, wenn sie einfach mit einer Gummiauflage belegt werden oder geht das nur über den Luftdruck?

Eine andere Möglichkeit wäre eine Zahnstange, Zahnrad, Poti und Druckfeder.
Das sind dann aber wieder eine Menge fehleranfälliger mechanischer Teile.

Fotos haben Zeit; ich wollte nur mal generell fragen, da mich das Thema allgemein interessiert.

liebe Grüße,

Klingon77

Morphois

27.11.2008, 00:03

Ich habe mir den Trackstick von meinem Laptop nochmal genauer angeschaut. “Bewegen“ tut sich der nicht, egal wie fest man drückt. Zumindest kann man keine Bewegung erkennen.

Wie man auf dem 2. Bild sieht, ist der kurze Bolzen, an dem man drückt, fest an die runde Metallscheibe genietet. Diese Metallscheibe ist an drei Punkten an der Grundplatte befestigt.
Ich könnt mir vorstellen, dass auf der runden Metallscheibe Dehnungsmessstreifen angebracht sind, um die Verformung der Metallscheibe zu messen.
Wenn das so währe, dann könnte man damit auch Kräfte in Z Richtung messen. Man könnte einen tollen, kleinen, dreidimensionalen Kraftsensor bauen.
Da ich aber noch nicht weiß, wo ich so ein Teil günstig bekommen, will ich den einen, den ich habe, nicht auseinander sägen um zu schauen was drin ist.

Devid

28.11.2008, 14:27

es gibt da was, das hab ich auch schonmal versucht um Drücke zu messen. und zwar einen selbstgebauten druckempfintlichen Wiederstand, auf Grafitbasis von einem "Bleistift".

Material: Bleistift, selbstklebende Kupferfohliestreifen , ein Taschentuch (welches man in seine Einzellagen zerlegt) und zwei kleine Pappequadrate.

In die Pappquadrate werden Schlitze eingeschnitten, in die die Kupferstreifen eingesteckt werden und umgeknickt werden. So hat man auf beiden seiten der Pappe eine Kleine Kupferfläche, die elektrisch miteinander verbunden sind. Nun auf einer Seite der Pappquader ein Käbelchen als Anschluss anlöhten. Dann auf der mit einem Kabel versehenen Seite eines der Pappquader ein Stück Tesafilm aufkleben und zwar so, dass auf beiden Seiten des Pappqaders etwas Tesafilm übersteht (etwa die Hälfte der Breite des Pappquaders).

Vom Bleistift muss man nur ein bischen Grafit abkratzen und min. 2Lagen Taschentücher, in den Grafitstaub einreiben. Diese Tuchstückchen sollten etwa die gleiche größe von den Pappquadern haben.

Nun den Pappquader mit dem Tesafilm auf den Tisch legen und die Grafithaltigen Tuchstückchen drauflegen den Anderen Papquader so drauflegen, dass sein Kabel nach Aussen zeigt und die überlapenden Tesafilmseiten nach oben auf das obere Pappquadrat rumkleben.

Einfach an ein Ohmmeter anschliessen und die Druckunterschiede in Ohm messen.

Gruss Devid

hexabotix

28.11.2008, 15:06

.... bietet eine zweidimensionale Krafterfassung ...

Sicher? Tippen (von oben) auf den Trackpoint des IBM-Thinkpads verhält sich bei mir wie linke Maustaste ...

Richard

11.12.2008, 23:13

hi,

das Thema interessiert mich auch.

Welche Alternativen hätten wir denn den Kraftaufwand in der Z-Richtung zu messen?

Was mir bis dato dazu einfiel war:
* die Stromüberwachung des Antriebsmotors.
* Die Möglichkeit mithilfe einer geeigneten Formgebung einen Dehnungsstreifen einzubauen.

liebe Grüße,

Klingon77

Moin moin,

Ist schon etliche Jahre her, da war mal in einem Elecktor Sonderheft
ein WA WA oderwiedasheist vorgestellt. Das ist so ein analoges
Fußpedal für Musiker. Die hatten da Leitschaumstoff (wo die IC´s drin
aufbewart werden) zwischen 2 Leiterplatten befestigt und je nachdem
wie stark da draufgetreten wurde hat sich der R geändert.

Zwei Cent Stücke, etwas Leitkleber und son Stück Leitschaumstoff
sollte sich finden lassen um einen Test zu machen. :-)

Gruß Richard

Klingon77

12.12.2008, 13:49

hi Richard,

das wäre auch eine kreative Möglichkeit.

Wie sieht es mit der reproduzierbarkeit nach mehreren 1000 Belastungen aus?

Der Schaumstoff müsste dann in ein federndes Segment (Baugruppe) eingepasst sein oder der Robby vor jeder Inbetriebnahme neu kalibriert werden.

Wie ist das mit den Piezo Kristallen?
Geben die bei steigendem Druck ein steigendes Signal ab oder nur eine "Entladungsspitze" ab einer bestimmten Belastung?

Evtl. könnte man einen solchen Kristall in einen Gummi eingießen?
Der Gummi könnte dann auch gleich als Fußspitze fungieren.

Die Idee mit dem Graphit finde ich auch ganz gut.
Es stellt sich auch hier die Frage der Reproduzierbarkeit nach vielen Belastungen.
Hat da jemand Erfahrung?

Bei der "Druckluftlösung" ist mir noch eigefallen, daß die Luft zwangsläufig (schleichend) endtweicht. Dadurch wird das Meßergebnis ebenfalls mit der Zeit verfälscht.
Wenn man die Sensoren direkt in Gummi einbetten könnte wäre das evtl. besser. Wie denkt Ihr darüber; geht das oder denke ich da zu simpel?

liebe Grüße,

Klingon77

Richard

12.12.2008, 17:14

hi Richard,

das wäre auch eine kreative Möglichkeit.

Wie sieht es mit der reproduzierbarkeit nach mehreren 1000 Belastungen aus?

Wie ist das mit den Piezo Kristallen?
Geben die bei steigendem Druck ein steigendes Signal ab oder nur eine "Entladungsspitze" ab einer bestimmten Belastung?

Moin moin Klingon77.

Das mit dem Leitschaumstoff stand so 1980..28 in einer Zeitschrift,
Ob das brauchbar ist? Das müßte halt mal einfach probiert werden.

Bei den Piezo Kristallen bin ich mir nicht wirklich sicher ob die auch
Statische Signale ausgeben können oder eher wie ein Kondensator
nur auf Schwankungen reagieren.

Modellbauer die ihre Jetturbienen selber bauen wuchten damit die
Turbinenwellen aus. Die Welle wird drehbar gelagert und mittels
Gummiriemen und Motor angetrieben. Auf der Welle liegt ein Draht
dessen anderes Ende auf einen Piezo liegt. Zwischen Welle und Piezo
wird der Draht mit nen Gummiring etwas gespannt. Die Unwucht der
Welle wird auf den Piezo übertragen und mittels Ozzi angezeigt.

Das ergibt dann ein Sinussignal und die Amplithude ist das Maß der
Unwucht. Mit SO einem einfachen Aufbau werden Wellen Gewuchtet
welche locker über 120.000 1/min laufen!

Aber auch wenn die Piezos nur Dynamisch arbeiten sollte man das
Signal auf/ab summieren und so den Momentanen Druck
ermittel können?

Gruß Richard

nestandart

12.12.2008, 17:38

suche noch eine passende Möglichkeit die Kraftverteilung der Beine zum Untergrund zu messen.

noch eine variante.
das alles kan seeeeehr dün/klein sein.
auch "self-made" tauglich. und sehr günstig.
zum schluss- einfach frequenz messen.

http://nest.roboterbastler.de/temp/564541.png http://www.ptlan.com/~nikulin/picture/gen.jpg http://hamlab.net/rasch/gnprimp6.gif

GeoBot

12.12.2008, 19:12

@ Alle
Die Frage die sich stellt ist, ist eine dynamische
Kraftmessung nicht ausreichend?

Meiner Meinung nach sind Piezokristalle sind für
dies Anwendung eher nicht geeignet.

@ Klingon77
Die Piezos liefern eine kontinuierlich Ladungs-
änderung bei Krafteinwirkung.
Leider werden nur minimalste Ladungsmengen
erzeut, welche extrem hochohmig gemessen werden
müssen.
Die unvermeintlichen Leckströme am Kristall lassen
das Signal mit der Zeit kleiner werden.
Aus diesen Grund werden Piezos hautsächlich für
dynamische Anwendungen verwendet.
Die Eingangstufe ist meist ein FET-Verstärker, der
direkt am Kristall sitzt und dessen Gate-Eingangs-
widerstand sehr hoch ist.

@ nestandart
Wenn ich mich an die Aussagen der Hexabotbauer
recht errinnere heißt es immer Steif soll es sein,
das Bein.
Wie steif ließe sich die Feder auslegen, um totzdem
ein brauchbares Signal zu erhalten?
Wenn der Weg minimal werden muss, wäre eine
kapazitive Messung nicht die bessere Wahl?
Eine Alternative wäre vielleicht ein Verfahren mit
aktiver Kompensation wie bei Beschleunigungs-
sensoren?

GeoBot

Morphois

30.01.2009, 14:00

Hi an alle,

ich habe nochmal einen anderen Track Point aus einer andern Notebook Tastatur ausgebaut:

http://www.mathiasmichael.com/sonstiges/trackpoint/Bild04.jpeg
http://www.mathiasmichael.com/sonstiges/trackpoint/Bild05.jpeg
http://www.mathiasmichael.com/sonstiges/trackpoint/Bild06.jpeg
http://www.mathiasmichael.com/sonstiges/trackpoint/Bild07.jpeg

Mit diesem Teil sollte es eigentlich möglich sein Kräfte in X-, Y- und warscheinlich auch Z-Richtung zu messen.

Aber wie??? :-k

Hat jemand eine Idee wie?
Ich habe mal die Widerstandswerte zwischen den einzelnen Pins gemessen und diese bei Druckeinwirkung auf den Stick beobachtet. Zwischen manchen Pins bekomme ich konstant 3,3 k Ohm, sonst konnte ich nichts feststellen.

Im Internet finde ich überhaupt Nichts zu dem Thema ](*,)
Das gibt es doch nicht, dass sich noch niemand mit diesen Sensoren beschäftigt hat!?

Über hilfreiche Tipps wäre ich sehr dankbar!!!

HeXPloreR

30.01.2009, 16:17

Hallo zusammen,

ich glaube immer noch nicht das damit Kräfte gemessen werden können.
Sicherlich ist es richtig das man eine gewissen kraft aufwenden muß um den zu bewegen, aber wie groß ist die dann?? Kann sie nicht auch größer sein um den Stick zu bewegen und trotzdem würde er nur einen Wert liefern? Bis sich schliesslich der Stick plastisch verformt?

Mit all den Leiterbahnen sieht es für mich immer noch aus wie ein variabler Spannungsteiler ( 6 Richtungen + 1 drück...vorstellbar weil es auch Anschlüsse gibt wovon zwei direkt die brücke bilden wenn man drückt).

Das bedeutet dann aber auch das du nur in der Kombination der Leitungsbahnen etwas sinnvolles herausbekommst... aber ein Taster auf Kraftmessung?? Kraftvorhanden sein ja, messen nein.

Schrei(b)t ruhig wenn ich nur müll erzähle

mfg

Morphois

30.01.2009, 18:18

Hi

wenn ich an dem Trackpoint von meinem Laptop drücke, bewegt sich der Mauszeiger proportional mit der Kraft mit der ich drücke.
Wenn ich also leicht nach links drücke bewegt sich der Mauszeuger mit konstanter Geschwindigkeit nach links. Drücke ich etwas fester bewegt er sich schneller.
Dieser Kraftunterschied wird irgend wie gemessen. Wie weiß ich auch noch nicht so genau.

Ich habe aber endlich im Internet was dazu gefunden. Ein Datenblatt von einem TPM754A "Microcontroller with TrackPointE microcode from IBM"
Das Datenblatt ist aber von 1999 und den IC gibt es nicht mehr aber trotzdem was interessantes darin gefunden:

http://www.mathiasmichael.com/sonstiges/trackpoint/Bild08.jpg

Auf der linken Seite sieht man den Trackpoint. In diese Variante muß sich doch irgend wie die Widerstände mit der Kraft ändern!?

Und einen UR7HCPXZ-P440 : Advanced “Click-to-Select” No-DriftTM PS/2 Force Stick Controller
Genau mit so nem Teil kann man einen "Force Stick" ansteuern. Jetzt muß ich nur noch rausfinden wo ich so ein Teil her bekomme und den passenden Force Stick.

Morphois

03.02.2009, 22:13

Hi an alle,

ich habe herausgefunden um was für einen Sensor es sich handelt und das dazugehörige Datenblatt dazu gefunden:

http://www.mathiasmichael.com/sonstiges/trackpoint/Bild09.jpg

http://www.mathiasmichael.com/sonstiges/trackpoint/Bild10.jpg

Mit diesem Sensor und dem passenden IC UR7HCPXZ-P440 kann man jetzt einen tollen, kleinen, dreidimensionalen Kraftsensor bauen.
Nur ist jetzt noch die Frage, wo man diese Teile her bekommt. Sind ein bisschen exotisch. Ich werde mal direkt beim Hersteller nachfragen, ob ich welche als Sample bekomme, das klappt manchmal.

Hat sonst noch jemand eine Idee wo ich diese Teile her bekommen könnte?

CTS 106
UR7HCPXZ-P440

Bei den allbekannten Bauteillieferanten gibt’s die nicht.

Richard

12.02.2009, 19:18

Moin moin allerseits.

Ich bin beim "Stöbern" mal wieder auf diesen Thread gestoßen.

Dabei ist mir in den Kopf gekommen das es ja auch druckentfindliche
Graficktabletts gibt wo z.B. duch Druck die Pinselbreite verändert wird.
Möglich das diese "Folie" Zwechendfremdet werden kann??

Gruß Richard

X-917

12.02.2009, 21:36

Hallo,

Ich lach mir gleich was ab, xD.
Warum packt ihr nicht nen Gumminippel (Möbelfuss, Rutschschutz) auf nen stabilen Taster und gut iss?
Ansonsten wäre Piezo mein Favorit. Der erzeugt eine Spannung von mehrer Volt und kann mithilfe eines Gleichrichters direkt an einen AVR-Port angeschlossen werden. Habe ich auch schon gemacht. Billig, klein, funktioniert.

Ich wollte niemanden ärgern/blossstellen, fands nur komisch.
==========> MFG!
marco

Morphois

12.02.2009, 22:32

Hi,

@ X-917:
Ich glaube das kommt ja immer darauf an was man damit machen will. Will man nur feststellen ob mein Lego-Bot an die Wand gefahren ist oder nicht, dann mag ein einfacher Taste wohl ausreichen. (Ich will Lego nicht schlecht machen. Lego ist genial!) Will man aber einen etwas anspruchsvolleren Sensor haben, der Kräfte von ca. 0 bis 2 kg mit vielleicht 8 bit Auflösung erfassen kann, und dann vielleicht noch in 3 Dimensionen, damit man auch weiß wo die Kraft her kommt, dann reicht kein Taster. Und auch keine 3 :-)
Wie GeoBot bereits geschrieben hat funktionieren Piezo bei statischer Belastung nicht wirklich und werden hauptsächlich zum Erkennen und Messen von Schwingungen verwendet.

@ Richard:
Das ist eine interessant Idee. Wie funktionieren denn diese Grafik-Tabletts? Funktioniert das so wie ein Touchscreen mit 2 übereinander liegenden Folien?

Ich habe gestern eine Firma gefunden, die Controller für Force Sticks entwickelt und diese auch mit einem Sensor von Elantech verkauft:

http://www.sprintek.com/products/SK7100.aspx

Datenblatt vom Sensor habe ich noch nicht.

SK7100-LF pointing stick controller price
1 $10.25 each
25 $8.20 each
Plus $15 handling fee.

SK8702 pointing stick sensor (Elantech) price
1 $9.56
25 $7.65

17$ shipping

Ist nicht gerade billig, aber ich werde mir da mal einen Controller mit Sensor bestellen und mal ausprobieren, ob das alles so funktioniert wie ich mir das überlegt habe.

Hat zufällig auch jemand Interesse an diesen Bauteilen und will mit bestellen?

X-917

12.02.2009, 22:39

och, na so... :oops:
Ich habe nicht genau gelesen und glaubte,es ginge um das übliche Problem zu erkennen ob ein Bein den Boden berührt...
Für diesen Fall würde dann auch ein Piezo gehen (Impuls = Bodenkontakt, Impuls = Bodenkontakt verloren)
MfG

i_make_it

13.02.2009, 13:59

Zum Thema Kraftsensor mit leitschaumstoff gibt es hier
http://www.erkenntnishorizont.de/robotik/sensoren/kraftsensor.c.php?screen=800
was.

mit 1,2mm GFK einseitigem Platinenmaterial und Isolierband habe ich mal einen Sensor von 50x50mm gebaut.
Ein Kreuz mit 10mm breite freigeätzt gibt auf jeder Platine 4 Flächen a 15x15mm. die eine Platine in der mitte mit 12mm freibohren die andere Platine mit 3mm.
durch das 3mm Loch eine M3 Kunststoffschraube und eine Kunststoff Gewindehülse (von Conrad).
Kontakte anlöten und die Kupferflächen einer Platine mit Isoband bekleben.
Ein sheet 0,5mm GFK mit der Laubsäge 36x36 innen und 50x50 außen aussägen.
Noch 2 mal das selbe aus 2mm Carbon.
Jetzt als Hamburger aufbauen:
2mm Carbon Rahmen
1,2mm Platine
0,5mm GFK Rahmen
1,2mm Platine
2mm Carbon Rahmen
An den Ecken werden die Rahmen für M3er Schrauben durchbohrt, die das ganze dann zusammenhalten.
Wenn eine seitliche Kraft auf den Hebel (M3er Gewindehülse) wirkt wird der Abstand der Kondensatorplatten auf der einen Seite verringert und auf der anderen vergrößert.
Druckkraft von oben verringert den Abstand aller Platten.
Die Änderungen sind winzig deshalb und wegen der Abmessung, habe ich das ganze dann erstmal wider auf Eis gelegt.

Besserwessi

13.02.2009, 18:52

Piezos gehen zwar nicht für statische Kräfte, aber mit einem geeigneten Verstärker kann man die Grenze schon zu ziehmlich niedrigen Frequenzen, deutlicht unter 1 Hz, kriegen. Das sollte schon reichen um festzustellen, wie stark man das Bein gerade aufgetzt hat.
Als eine kleine Demonstration einfach mal so einen Piezoelement aus einen Pieper direkt ans Oszilloskop anschließen und etwas dran biegen, oder ein Pendel dranhängen.

Beim kapazitiven Sensor sollte man keine Angst vor kleinen Kapazitäten haben. Änderungen von z.B. 0.01 pF sehen nicht nach viel aus, sind aber relativ leicht messbar.

H.A.R.R.Y.

16.02.2009, 14:27

Und wie messe ich z.B. 0.01pF (=10fF) mit einem Aufbau, der mindestens 2pF Streukapazität gegen die nächste Masse hat? Diese Parasiten haben üblicherweise einen gewissen Temperaturgang, der um Größenordnungen über dem Meßeffekt liegen kann.

Gruß H.A.R.R.Y.

Besserwessi

16.02.2009, 23:00

Die kabelkapazitäten kann man relativ gut beherschen, wenn die zu messende kapazität nicht gegen Masse, sondern zwischen 2 seperaten Leitungen vorliegt.
Auf die eine Leitung gibt man eine Wechselspannung, z.B. Rechteck 1 kHz, 10 V Amplitude. An der anderen Leitung hat man einen Transimpedanzverstärker und mißt damit den Strom. Bei hoher Leitungskapazität braucht der "transimpedanzverstärker" als Rückkopplung einen Kondensator in der Rückkopplung und wird damit dann mehr zu einem invertierenden Verstärker, bei dem die VErstärkung durch das Verhältnis von zu messender Kapazität zu Kapazität in der Rückkopplung wird. Wenn man nicht ganz kleine kapazitäten ( < 1fF) hat, sollte es reichen das ausgangssignal des Transimpedazverstärkers direkt mit dem AD wandler zu digitalisieren.

H.A.R.R.Y.

17.02.2009, 11:54

Danke für Deine Erklärung, ich denke ich habe das Prinzip soweit verstanden: die Kapazität der einen Ader (gegen Masse) ist irrelevant für die Messung und belastet nur den Generator, die der anderen Ader (ebenfalls gegen Masse) ist unerheblich, da sie parallel zur virtuellen Masse des Transimpedanz-Verstärkers liegt.

Die Sache mit dem C in der Rückkopplung anstelle des R bei hohen Kabelkapazitäten (Annahme: nur 10pF zwischen den Adern) verstehe ich allerdings nicht so ganz. In erster Näherung habe ich dieses C mal so groß wie die Kabelkapazität gemacht und es liegt dem eigentlichen Meßeffekt parallel. Die ehemalige Transimpedanz-Stufe ist jetzt ein Ladungsverstärker und funktioniert erwartungsgemäß. Aber der Einfluß eines Kondensators von 100fF oder 10fF ist doch recht gering in dieser Konstellation.

Absolutes Gift ist also parasitäre Kapazität zwischen den Adern da sie parallel zum Meßeffekt liegt => man nehme zweimal Koax-Kabel und die Innenleiter zum Meß-C, die Schirmung an Masse. Und da wo es nicht koaxial geht auf die Geometrie aufpassen.

Ein paar erste Simulationen zeigen mir, daß eine Dreieck-Spannung sich besser eignet. Und die Frequenz darf evtl. auch bis 10kHz sein. Generell habe ich den Eindruck, daß da noch eine Verstärkerstufe mit Vu=1000 bis 10000 dahinter darf. Bei Gelegenheit werde ich die Sache mal auf SMD-Platine austesten. Vielleicht ergibt sich hier mal wieder etwas um mit Hausmitteln interessante Sensoren selbst zu bauen...

Gruß H.A.R.R.Y.

Besserwessi

17.02.2009, 17:32

Für die Anregungsspannung sollte man zumindestens die ecken der rechteckspannung etwas verrunden. Die Frequenz darf natürlich auch etwas höher sein.
Der Kondensator im Transsimpedanzverstärker macht diesen dann irgendwann zum Ladungsverstärker. Bei mehr Kabelkaazität geht es irgendwann nicht ohne, denn sonst wird der Transimpedanzvertärker instabil und fängt an zu schwingen. Außerdem rauscht ein Kondensator nicht, im Gegensatz zu einem hohen Widerstand. Es stimmt, das man noch etwas Verstärkung vor dem AD wandler gebrauchen kann gebrauchen kann, wobei man aber wohl keinen Faktor 1000 braucht, eine 10-100 fache Verstärkung sollte reichen. Wenn man nicht gerade 0.1 pF als vollausschlage haben will. Durch das integreieren über eien gewisse Zeit kann man auch mehr als die 10 Bit auflösung des AD-wandlers kriegen und Störungen ganz gut unterdrücken.

H.A.R.R.Y.

18.02.2009, 10:34

Naja, ich dachte so an 100fF bis 1pF Vollausschlag (und der sollte 5V sein). By the way: bist Du, was die Anregungsspannung betrifft, sicher?

Eine rechteckförmige Anregungsspannung hat durch den Kondensator einen Impulsstrom zur Folge (aber nur während der kurzen Flanken). Der wird vom Transimpedanzverstärker in eine ebensolche Spannung übersetzt. Diese Nadelimpulse sind mit einem ADC nur bedingt zu erfassen. Mit einer dreieckförmigen Anregungsspannung ergibt sich ein rechteckförmiger Wechselstrom durch den Kondensator. Letzterer erscheint mir erheblich besser für die AD-Wandlung und anschließende Signalverarbeitung geeignet.

Und dann wäre da noch die Geschichte mit dem Ladungsverstärker - der Kondensator in der Rückführung (nennen wir ihn C2) bestimmt mit dem Kondensator im Eingang (soll C1 heißen) die Verstärkung: Vu = -C1/C2
Daraus folgt dann, daß ich in einem Aufbau mit Cmeß=1pF und sagen wir mal C_KabelAder_gegen_KabelAder von ebenfalls 1pF einen C1 von 2pF habe. Beträgt C2 nun 10pF, dann gilt Vu = -2pF/10pF = -1/5. Also bei Dreieck mit 20Vss kommen am Ausgang 4Vss raus. Theoretisch. Praktisch habe ich im Augenblick aber ein anderes Problem: ich habe den Ladungsverstärker als invertierende Stufe aufgebaut und der invertierende Opamp-Eingang geht jetzt nur an Kapazitäten. Damit ist er extrem hochohmig und jeder verfügbare OpAmp hat damit ein großes Offset- und Eingangsstrom-Problem. Hast Du für dieses Problem ebenfalls irgendwelche Tips?

EDIT:
Ich habe gerade noch eine Simulation mit Ladungsverstärker durchgezogen und da ist - im Gegensatz zum Transimpedanzverstärker (!) - die rechteckförmige Anregung der Favorit. Ist eigentlich klar:
Transimpedanzstufe: Ua=f(Ie)
Ladungsvertärker: Ua=f(Ue)
Für die Sache mit dem Offset/Eingangsleckstrom habe ich auch schon eine Idee, aber es wäre toll, da Erfahrungen von Anderen zu bekommen.
/EDIT

Gruß H.A.R.R.Y.

Besserwessi

18.02.2009, 16:59

Weil man ja mit Wechselspannung mißt, ist die Offsetspannung nicht so das Problem. Man muß nur dafür sorgen, daß man noch einigermaßen in der Mitte des Meßbereichs den AD Wandlers ist. Als Ergebnis benutzt man ja die Differenz aus Messungen für die beiden polaritäten des Wechselspannungssignals, ein Offset ist da nicht so störend.

Als OP-Amp wird man wohl in der Regel einen OP-Amp mit FET Eingang nehmen (z.B. LF412, TLC272, OPA350 oder ähnliches). Da sind die Eingangsströme nicht so das Problem. Die Rückkopplung wird ja nicht nur eine KOndensator sein, sondern immer noch einen möglicht hochohmigen Widerstand (z.B. 20 MOhm) parallel haben. Die Spannungsverstärkerstufe dahinter kann man dann auch noch Wechselspannungsmäßig koppeln, so daß man eigentlich nur darauf achten muß das der erste OP weniger als etwa 2 V offset hat. Das sollte relativ einfach sein.
Wegen der Kabelkapazität kommt es beim OP mehr auf ein geringes Spannungsrauschen an, als wenig Stromrauschen. Wenn man eine eher hohe Frequenz wählt, könnte man sogar mit einem OP aus bipolaren Transistoren klar kommen (z.B. OP27).

i_make_it

18.02.2009, 18:18

Ich hatte eigentlich vorgesehen mit den vier Plattenkondensatoren 4 LC Schwingkreise in Resonanz aufzubauen die Spulen kann man als Printspulen ausführen wenn doppelseitig kaschierte Platinen genommen werden. So wollte ich Störeinflüsse durch Leitungskapazitäten minimieren.
Verstimmung der Schwingkreise halt über die Veränderung des Luftspalts.

Besserwessi

18.02.2009, 20:31

Die Auswertung über die Resonanz von LC Schwingkreisen ist die andere alernative. Allerdings muß man da sehr auf die Kapazität der Zuleitungen achten oder den Oszillator direkt am Sensor haben. Das ist dann sogar die empfindlichere Methode, erfordert aber einiges an HF-Wissen und ggf. auch eine Amateurfunklizenz, denn die Frequenzen werden leicht im UKW Bereich liegen. Die Metode mit der Koppelkapazität ist da für den Nachbau einfacher und besser linear.

Sheridan

18.02.2009, 20:59

Hallo,

nur mal als Ideeninput: Habt ihr schon an einen Dehnungsmessstreifen für solche eine Aufgabe gedacht? Wird ja teilweise auch in billigen Küchenwaagen eingesetzt.

Entweder direkt unter den Füßen des Robterbeins kleben oder an den beweglichen Achsen des Beins.

Habe keine Erfahrung damit, aber als ich die Fotos sah, ist mir das als erste Idee gekommen...

Hoffe, das hilft euch weiter.

LG
Georg

H.A.R.R.Y.

19.02.2009, 12:16

@Besserwessi:

Danke, soweit war mir das schon klar: AC-Kopplung der ganzen Stufen macht den Offset im Signalpfad irrelevant.

Der Offset und der Eingangsstrom sind allerdings auch bei hochohmiger Umgebung problematisch.

Ich habe es mal mit 100MOhm in der Rückführung (parallel zum "Verstärker"-C) und OP07 versucht. Alternativ mit TL074. Kurz und gut: ohne zusätzliche Maßnahme liegen Beide (auch der TL mit JFET-Eingängen und etwa 40pA Leckstrom) so weit vom Nullpunkt weg (etliche Volt), daß das Signal nicht mehr sauber durchkommt. Abhilfe schaffte erst ein zweiter OpAmp, ebenfalls OP07 oder aus dem TL074, der den nichtinvertierenden Anschluß des Ladungsverstärkers so ausregelt, daß der Ausgang des Ladungsverstärkers im Mittel auf Null Volt bleibt. Die Schaltung wird aus +/-15V symmetrisch gespeist.

Das alles ist bislang eine Simulation mit recht guten Modellen der verwendeten OpAmps. Der praktische Aufbau wird interessant werden, aber erst, wenn ich die ganze Sache soweit durchschaue, daß ich mir über die Funktion sicher bin. Auch was passiert, wenn der Leckstrom durch Temperatureffekte ansteigt. Die Umstellung auf Rail2Rail-Typen mit asymmetrischer 5V-Versorgung dürfte auch noch sehr interessant werden.

Einen Effekt habe ich auch noch gesehen: Die Grundkapazität (parallel zum Meß-C) sorgt dafür, daß ich immer eine minimale Amplitude am Ausgang sehe. Linear zum Meß-C steigt diese dann bis auf einen maximalen Wert an. Je höher die Grundamplitude, umso geringer der restliche Bereich für den Meß-Effekt. Also gilt immer noch, je geringer diese Grundkapazität, umso höher der erzielbare Meßbereich und damit die Auflösung. Hier gibt es wahrscheinlich nur bedingte Abhilfe: einspeisen des invertierten Anregungssignals über ein C, das der Grundkapazität nahe kommt (aber immer sicher unterhalb bleibt).

Gruß H.A.R.R.Y.

Besserwessi

19.02.2009, 18:00

Die Kapazität der Messleitung gegen Masse verursacht vor allen zusätzliches Rauschen, denn dadurch wird das Spannungsrauschen des OPs verstärkt. Die Wechselspannung am OP-Eingang sollte relativ unabhängig von der Kapazität immer so klein sein, dass man sie gegen die Anregungsspannung vernachlässigen kann. Die größe der Kapazität in der Rückkopplung muß aber schon der Kapazität gegen Masse angepaßt sein. Die Kapazität der Rückkopplung muß kleiner sein als die Kapazität gegen Masse geteilt durch die Verstärkung des OPs. Daher wird man einen relativ schnellen OP brauchen, damit auch bei der Nutzfrequenz von 1-10 kHz noch genug Verstärkung übrig ist.

Mit der unsymetrsichen Versorgungsspannung ändert sich erstmal nicht viel, man könnte die Meßelektrode Gleichspannungsmäßig auf etwa 1-2 V legen und braucht dann nicht mal einen Rail-Rail OP.

Selbst bei 100 Megohm in der Rückkopplung sollten 40 pA nur zu 4 mV Offset führen. Damit kann man leben. Ein bipolarer OP fällt damit aber ziehmlich aus, denn schnell und wenig Biasstrom geht bei bipolaren Eingängen kaum. Ein so großer Widerstand in der Rückkopplung wird auch kaum nötig sein, denn denn es reicht wenn die Grenzfrequenz deutlich unter der Messfrequenz ist. Man könnte also mit z.B. 5 pF und 1 Mohm schon ganz gut auskommen.

H.A.R.R.Y.

20.02.2009, 09:37

Okay, das leuchtet ein. Danke auch für den Tip mit dem Rauschen. An rail2rail hatte ich eher wegen der maximal möglichen Ausgansamplitude und der Aussteuerung des ADC gedacht. Aber Du hast recht, es geht auch mit einem nicht-rail2rail-Typ.

Mit der Grenzfrequenz (Rückkopplungs-C und paralleles Rückkopplungs-R) unterhalb der Meßfrequenz habe ich aber noch ein Problem: sie darf nicht nur deutlich niedriger liegen, sie muß es sogar! Ansonsten verhält sich meine Anordnung dann wie ein Differenzierer und das Ausgangssignal hat nur noch kurze Impulse, deren Amplitude das Maß für die Meßkapazität sind. Der ADC muß dann exakt diese Impulse abtasten (in der Praxis nicht ganz trivial). Da ist es doch erheblich entspannter, die Grenzfrequenz deutlich unter die Meßfrequenz zu legen und ein rechteckförmges Ausgangssignal zu erhalten. Dann ist der exakte Zeitpunkt der Abtastung nicht ganz so wichtig - okay, es sind imer noch leichte "Dachschrägen" drauf, der resultierende Meßfehler ist aber deutlich geringer.

Ich habe mal die Simulationsschaltung mit allen Kommentaren beigefügt. Der untere OpAmp ist bei TL071 im Ladungsverstärker nicht nötig. Er wird aber gebraucht, wenn ein bipolarer Typ den Job erledigen soll! Oder aber die Umgebungstemperatur sehr hoch liegt - weil dann die Leckströme der FET-Typen auch in die Größenordnung nA ansteigen.

Die Konstruktion mit R1..R3 ist ein altbewährter Trick "hochohmige" Rückkopplungen mit erhältlichen Bauteilen zu "zaubern". Übrigens kommt dies dem OpAmp entgegen, da sein Eingang nur etwa R1 gegen Masse "sieht". Der Pfad für die Leckströme ist deutlich nierohmiger. Darstellen tut die Konstruktion einen Stromteiler und berechnet wird die Sache mittels Dreick=>Stern-Transformation.

Gruß H.A.R.R.Y.