Aktuator (ungeregelt) und Abstandssensor für kleine Strecken

[SmallWheel]

Hallo,

ich habe folgende Meßaufgabe, die unter Zuhilfenahme eines Microcontrollers gelöst werden soll:

Es ist die Kraft zu messen, die aufgewendet werden muß, um einen bestimmten Punkt an einem elastischen Körper um eine bestimmte Strecke auszulenken. Es kommt dabei nur auf das Verhältnis zwischen benötigter Kraft und erzielter Auslenkung an; es ist nicht nötig, daß mit einer jeweils bestimmten, vorgegebenen Kraft und Auslenkung gemessen wird. Als Größenordnung für die Auslenkung stelle ich mir rund 4 mm vor (wesentlich darunter würden die Meßergebnisse sicher zu ungenau).

Im Moment habe ich mir folgendes überlegt:

Ich nehme (wie bei einem Relais) einen Elektromagneten mit einem Anker. Wenn ich dann einen bestimmten Strom durch den Elektromagneten fließen lasse, wird der Anker mit einer bestimmten Kraft von diesem angezogen bzw. in dessen Innenraum weiter hineingetrieben. Etwaige Nichlinearitäten zwischen Stromstärke und erzeugter Kraft können durch vorherige Kalibrierung ermittelt und entsprechend eingerechnet werden. Allerdings wäre es wichtig, daß die Zuordnung von Kraft zu Strom nicht vom Abstand bzw. der gegenseitigen Position von Elektromagnet und Anker abhängt. Letzteres Kriterium müßte wohl zu erfüllen sein, wenn als Elektromagnet eine lange zylindrische Wicklung fungiert und der Anker zwar deutlich kürzer, aber ebenfalls zylinderförmig ist und sich im Inneren des Magneten befindet, so daß er sich nach beiden Seiten einige mm bewegen kann, ohne daß die magnetischen Verhältnisse sich ändern - insbesondere darf der Anker auch nicht bei maximaler Auslenkung aus der Spule "herausschauen".

Damit könnte ich schon einmal eine definierte Kraft erzeugen. Nun fehlt noch ein Abstandssensor, der geeignet ist, so kurze Auslenkungen zu messen. Wünschenswert wäre eine Auflösung von 0.01 mm, die harte Grenze liegt bei 0.05 mm. Das verwendete Meßprinzip spielt erst einmal keine Rolle, aber die Messung sollte berührungslos erfolgen. Bei Bedarf kann der zu vermessende, elastische Körper mit Spiegeln oder anderen Hilfmitteln versehen werden. Ebenso ist es möglich, die absolute Distanz, über die gemessen werden soll, an den Sensor anzupassen (d.h. ein Sensor, der eine Auslenkung von bis zu 4 mm mit einer Auflösung von 0.01 mm mißt, wird dies wohl kaum über 100 m Abstand können; der natürliche Abstand zwischen Probe und Sensor ist noch nicht genau bekannt, wird aber vermutlich in der Größenordnung von 10 cm liegen).

Ich habe bislang lediglich Software und Logik-Hardware entwickelt und kenne mich deshalb in puncto Elektromechanik, Leistung, Sensoren und Aktoren nicht gut aus.

Deshalb würde ich gerne wissen, was Ihr von meinen Plänen haltet und ob Ihr entsprechende Bauteile kennt. Der Preis ist dabei nicht das primäre Kriterium.

Viele Grüße und schon einmal ein dickes Danke,

SmallWheel

[Jakob L.]

Zum Erzeugen einer definierten Kraft könnte man auch einfach die Gravitation nehmen. Damit bleibt die Kraft konstant und ist völlig unabhängig von Temperatur, aktueller Auslenkung und eventuell veränderlichen magnetischen Eigenschaften des Materials. Als Aktuator könnte man einen Modellbauservo nehmen, der die bewegliche Masse bei Bedarf mit einer Schnur anhebt.

Eine Möglichkeit zum relativ genauen und berührungslosen Messen ist wäre eine kleine Kamera und eine farbige Markierung, die sich über das Blickfeld der Kamera bewegt. Die Markierung kann man in dem Bild der Kamera relativ leicht erkennen und mit einer Genauigkeit von ca. einem Pixel lokalisieren. Am besten geht die Lokalisierung mit einer scharfen Kante zwischen zwei Farben. Wichtig ist, dass die Kamera den Bewegungsbereich der Markierung möglichst bildfüllend (und scharf) abbilden kann.

[oberallgeier]

... die Messung sollte berührungslos erfolgen ...

Willst Du die Kraft berührungslos aufbringen? Ginge ja - wenns z.B. ein magnetisch ansprechbares Teil ist. Vermutlich ist es das nicht. Dann wäre die Krafteinleitung eine hübsche Messstelle für die Verschiebung oder für die Anlenkung einer Messmöglichkeit. Und dann ist alles ziemlich einfach.

... einen bestimmten Punkt an einem elastischen Körper ...

Wenn der "bestimmte Punkt" nicht die Krafteinleitungsstelle ist, wäre natürlich eine getrennte Abstandsmessung notwendig.

... Aktuator (ungeregelt) ... einen bestimmten Punkt ... um eine bestimmte Strecke ...

Das versteh ich nicht. Der Aktor muss dafür doch geregelt werden?

[Richard]

Mit Laser Abstands Sensoren kann man unter 0.5 µm genau messen. Druck mittels Drucksensor messen/regeln und mit Hydaulischem Aktor.

http://www.melsensor.de/optische-abs...Fdkz3wod40w_YQ

Gruß Richard

[SmallWheel]

Zum Erzeugen einer definierten Kraft könnte man auch einfach die Gravitation nehmen.

Der Grundgedanke ist super. Aber leider muß ich die Kraft schnell ein- und ausschalten können. Das Aufheben einer beweglichen Masse per Servo-Aktuator ist vermutlich zu langsam, und die Problembeschreibung in meinem ersten Post ist auch vereinfacht. Hier gefällt mir die Idee mit einer Art Relais-Anker, der aber zusätzlich die ursprünglich beschriebenen Eigenschaften aufweisen müßte, besser.

Eine Möglichkeit zum relativ genauen und berührungslosen Messen ist wäre eine kleine Kamera und eine farbige Markierung, die sich über das Blickfeld der Kamera bewegt. Die Markierung kann man in dem Bild der Kamera relativ leicht erkennen und mit einer Genauigkeit von ca. einem Pixel lokalisieren. Am besten geht die Lokalisierung mit einer scharfen Kante zwischen zwei Farben. Wichtig ist, dass die Kamera den Bewegungsbereich der Markierung möglichst bildfüllend (und scharf) abbilden kann.

OK, vielen Dank. Daß das funktionieren würde, kann ich mir vorstellen. Je nach Objektiv kann man die Genauigkeit damit auch noch steigern. Ich habe aber noch die Hoffnung, daß ich irgendwo einen fertigen Sensor kaufen kann, der mir den Meßwert direkt ausspuckt, am besten über eine serielle Schnittstelle o.ä.

Viele Grüße,

SmallWheel

[Unregistriert]

Willst Du die Kraft berührungslos aufbringen?

Nein, das auszulenkende Teil kann mechanisch angebunden werden.

Wenn der "bestimmte Punkt" nicht die Krafteinleitungsstelle ist, wäre natürlich eine getrennte Abstandsmessung notwendig.

Leider liegt genau diese Situation vor...

Das versteh ich nicht. Der Aktor muss dafür doch geregelt werden?

Nicht unbedingt. Im Prinzip habe ich ja mehrere Möglichkeiten:

1) Ich lenke das zu vermessende Objekt mittels eines Aktuators aus, und messe sowohl die dabei aufgewendete Kraft als auch das Maß der Auslenkung (Vorteil: einfacher Aktuator, z.B. Servo. Nachteil: Zwei Meßgrößen, aufgewendete Kraft unter Umständen schwierig zu ermitteln (z.B. beim Servo - so weit ich weiß, gibt's da zwar welche mit Positions-Rückmeldungen, aber keine mit Kraft- oder Drehmoment-Rückmeldungen)

2) Ich lenke das zu vermessende Objekt um eine bestimmte Strecke aus (z.B. mechanischer Anschlag oder geregelter Aktuator) (Vorteil: eine Meßgröße weniger (Strecke von vornherein bekannt). Nachteil: nach wie vor schwierige Kraftmessung erforderlich; positionsgeregelter Aktuator, mechanischer Endanschlag o.ä. erforderlich zur Erzeugung einer definierten Auslenkung)

3) Ich gebe eine bestimmte, bekannte Kraft auf das zu vermessende Objekt (z.B. mithilfe des von mir in meinem ursprünglichen Beitrag zusammenphantasierten Aktuators) und messe die Auslenkung (im Moment mein Favorit, weil keine Kraftmessung mehr nötig, sondern nur Messung der Auslenkung - das erscheint mir als das einfachste)

Da in meiner naiven Vorstellung eine präzise Kraft- oder Drehmomentmessung wesentlich schwieriger ist als eine Abstandsmessung, ist 3) mein Favorit. Vielleicht sitze ich hier auch einem Irrtum auf...

Nochmals zur Verdeutlichung: Ich Suche also einen Aktor, der beim vorgesehenen Stromfluß eine Kraft von (sagen wir mal größenordnungsmäßig) 10 N erzeugt, ungefähr 4 mm Verfahrbereich besitzt und innerhalb dieses Bereichs überall den gleichen (möglichwerweise nichtlinearen) Zusammenhang zwischen Stromfluß und Kraft aufweist. Dieser Aktuator kann mechnisch z.B. mit einer Art Pleuelstange mit einer Öse verbunden werden, die an dem zu vermessenden Objekt angebracht ist. Außerdem Suche ich dann noch einen Abstandssensor, der die Auslenkung messen kann.

Viele Grüße und vielen Dank,

SmallWheel

[SmallWheel]

Mit Laser Abstands Sensoren kann man unter 0.5 µm genau messen. Druck mittels Drucksensor messen/regeln und mit Hydaulischem Aktor.

http://www.melsensor.de/optische-abs...Fdkz3wod40w_YQ

Gruß Richard

Vielen Dank für den tollen Link! Genau so etwas habe ich gesucht. Ich werde morgen dort anrufen und mich nach Preisen erkundigen.

Viele Grüße,

SmallWheel