Piezosensor: Spannungsmessung an Oszilloskop

Wissenschaft Physik
#1

Hallo,

ich bin neu hier im Forum und habe leider wenig Elektronik-Erfahrung. Im Zuge meiner Studienabschlussarbeit muss ich als Exkurs die Energieausbeute eines Piezosensors ermitteln: der Sensor erzeugt dabei leider nicht durch Druck, sondern lediglich durch Wechselbeschleunigungen Energie (Sensor ist an einem großen Kreissägeblatt befestigt. Bei kritischen Drehzahlen vibriert das Stammblatt).

Ich soll jetzt ohne jegliche Zusatzschaltung das Verhalten des Sensors an einem Oszilloskop mit einem 10:1 Teilertastkopf betrachten und daraus Schlüsse für die Energieausbeute des Sensors ziehen.

Meine Frage: auf welche Einstellparameter am Oszilloskop muss ich jetzt achten, um ein anständiges Signal zu erhalten? Mit welchen Problemen ist dabei unabhängig vom Ladungsverlust durch Kabel etc. zu rechnen. Kann ich im Hinblick auf das gezeigte Signal die Energieausbeute des Sensors berechnen?

Bitte idiotensicher antworten, da ich mich erst seit letzter Woche damit beschäftige. Vielen Dank im Voraus für die Antworten.

Gruß Milan

#2

Hallo,

ich bin neu hier im Forum und habe leider wenig

du bist doch nicht neu hier. Du bist seit 03.10.2006 angemeldet und hast sicher schon viele Anfragen beantwortet, da dieses Forum auf Gegenseitigkeit basiert.

Ich würde den Piezosensor ausbauen, auf einer festen Unterlage (Amboß) montiern und ihn mit verschiedenen Energiemengen beaufschlagen. D.h.: verschiedene Gewichte aus einer bestimmten Höhe oder ein Gewicht aus verschiedenen Höhen auf ihn fallen lassen.
Energie enstpricht: 1 J = 1 Nm = 1 Ws.

ermitteln: der Sensor erzeugt dabei leider nicht durch Druck,
sondern lediglich durch Wechselbeschleunigungen Energie

Genau. Die ‚Wechselbeschleunigung‘ erfährt der Sensor durch Krafteinwirkung von „Null auf Hundert“.

betrachten und daraus Schlüsse für die Energieausbeute des
Sensors ziehen.

Die Fläche unter der Kurve auf dem Oszilloskop müßte der
gesuchten Energieausbeute des Sensors proportional sein.

Meine Frage: auf welche Einstellparameter am Oszilloskop muss
ich jetzt achten, um ein anständiges Signal zu erhalten? Mit

Das brinst du spielend mit trial and error heraus wie schon viele Elektonikergenerationen vor dir.

Bitte idiotensicher antworten, da ich mich erst seit letzter

War das jetzt genügend idiotensicher?

Gruß

watergolf

#3

Hi watergolf,

vielen Dank für dein Antwort.
Ich hatte den Artikel zuerst in ein Forum gestellt in dem ich mich neu angemeldet hatte und ihn dann hierher kopiert. Habe dabei vergessen die erste Zeile zu löschen (hier neu und so…).

Mit dem trial und error werde ich es versuchen, wie du gesagt hast. Ich hoffe dass es damit klappen wird und keine weiteren Problemchen dazukommen.

Was die Berechnung der Energieausbeute angeht, hätte ich ausführlicher schreiben sollen. Der Piezosensor erzeugt durch die Wechselbeschleunigung der Vibration am Kreissäügeblatt Energie. Diese Vibrationen sind bei Eigenfrequenzen des Kreissägeblattes am höchsten. Diese Frequenzen kenne ich auch bereits. Durch einen Wechselkrafterreger, den ich aussen am Sägeblatt befestigt habe, kann ich dieses mit den bekannten kritischen Frequenzen anregen. Ich hatte jetzt vor, während dieser Wechselkrafterreger im Einsatz ist, das Signal am Oszilloskop zu messen (mit deinem Trick wohlgemerkt). Die Spannung, die ich erkenne, kann ich ja dann für die Energiebilanz heranziehen, aber wie? Welchen Widerstand muss ich für die Stromstärkenberechnung heranziehen? Da muss doch bestimmt noch Ladungsverlust des Kabels und so rein. Welche Faktoren sind noch wichtig zur Berechnung?

Es grüßt

Milan

#4

Hallo Milan,

Die Spannung, die ich erkenne, kann ich ja dann für die
Energiebilanz heranziehen, aber wie? Welchen Widerstand muss
ich für die Stromstärkenberechnung heranziehen?

Eingangswiderstand und -kapazität stehen auf deinem Tastkopf oder dessen Bedienungaanleitung.

MfG Peter(TOO)

#5

Hallo Milan,

du schreibst jetzt u.a.:

ausführlicher schreiben sollen. Der Piezosensor erzeugt durch
die Wechselbeschleunigung der Vibration am Kreissäügeblatt
Energie. Diese Vibrationen sind bei Eigenfrequenzen des

Wie ich annehme, handelt es sich um einen Beschleunigungssensor auf Piezobasis.

Dein Problem ist doch die Energieausbeute dieses Sensors zu ermitteln (dein UP: „ … und daraus Schlüsse für die Energieausbeute des Sensors ziehen.“)

Irgendwie mußt du den Beschleunigungssensor dazu erst kalibrieren.

kritischen Frequenzen anregen. Ich hatte jetzt vor, während
dieser Wechselkrafterreger im Einsatz ist, das Signal am
Oszilloskop zu messen (mit deinem Trick wohlgemerkt). Die
Spannung, die ich erkenne, kann ich ja dann für die
Energiebilanz heranziehen, aber wie? Welchen Widerstand muss

Ist an dem obigen ‚Wechselkrafterreger’ eine Skala, die die abgegebene Kraft anzeigt? Wenn „Nein“, so hilft dir der ‚Wechselkrafterreger’ nicht beim Kalibrieren.

Dein Piezo besitzt sicher integriert eine seismische Masse m die bei Beschleunigung a währendes des Weges s auf ihn drückt.
Du mußt nun den Beschleunigungssensor ausbauen und ihn definiert von „0 auf 100“ beschleunigen und zwar so, daß die seismische Masse während der Beschleunigung auf ihn drückt.
Die von dir gesuchte „Energieausbeute“ ist die Beschleunigungsenergie oder potentielle Energie.
Epot = m * a * s;

Für „m“ solltest du die seismische Masse des Sensors (z.B. 1 Gramm) einsetzen.

Energiebilanz heranziehen, aber wie? Welchen Widerstand muss
ich für die Stromstärkenberechnung heranziehen? Da muss doch

Der Widerstand ist in deiner Schaltung sicher bereits vorgegeben. Wenn der Beschleunigungssensor bei Beschleunigung von „0 auf 100“
1 Volt abgibt, so fließt bei einem zwischen Plus- und Minus-Pol geschaltetem Widerstand von 1000 Ohm ein Strom von ca. 1 Milliampere.

Für weitere Fragen solltest du dich an den Lehrer wenden.

Viel Erfolg

watergolf

#6

Hallo und vielen Dank,

eine kleine Zusammenfassung:

Ich habe Sensoren an einem Kreissägeblatt. Dieses Kreissägeblatt wurde bereits mal mit einem Wechselkrafterreger bei verschiedenen Frequenzen angeregt und die Auslenkung mit einem LDV gemessen. Die Auslenkungskurve und somit die Wechselbeschleunigungen des Kreissägeblattes/Sensors kenne ich bereits.

Meine Ziele sind jetzt:

  1. den Sensor über einen Tastkopf am Oszilloskop zu messen, während der Wechselkrafterreger arbeitet. Die Kurve soll so angepasst werden, dass sie der LDV Kurve ähnlich sieht. Hab inzwischen erfahren, dass ich das mit trigger,error und synch am Oszilloskop erreichen kann. Stimmt das? Was die einzelnen Funktionen genau bedeuten und machen muss ich noch herausfinden. Hauptsache ich weiss schonmal, wie ich auf den richtigen Weg komme.

  2. Ich soll die Energieausbeute des Sensors herausfinden, um zu erfahren, ob damit ein autarkes Funkmodul (Microcontroller, Transceiver etc.), welches maximal ca. 30mA bei 3,6 V und ungefähr 600 mJ pro Stunde (Microcontroller und Transceiver meiste Zeit im Schlafzustand) benötigt. Wie kann ich jetzt aus dem Oszilloskopsignal des Senders die Daten berechen. Angenommen es werden maximal 1200 mV am Oszilloskop als Sinuskurve angezeigt (ist ja Wechselspannung). Kann ich dann einfach 1200 mV/ Tastkopfwiderstand = x Ampere und danach x Ampere mal 1200 mV mal 3600 Sekunden = Energiegewinn pro Stunde ( muss da nach ner Sinuskurvenformel schauen)? Und die Daten dann einfach mit dem Verbrauch des Funkmoduls vergleichen?
    (Für die Anpasschaltung kann ich ja bestimmt einen Durchschnittswert, sagen wir mal 45% Wirkungsgrad angeben).Die sache ist die: ich weiss bereits, dass die Sägeblattsensoren nicht genug Energie liefern um das Funkmodul zu betreiben, muss es aber richtig beweisen. Deshalb kann ich keine an das Funkmodul angepasste Schaltung bauen (müsste mir da eh helfen lassen) um es dann zu messen (dauert zu lange dafür, dass es eh nicht klappt).

Ich weiss ich stell blöde grundlegende Fragen, aber nur so kann ichs verstehen.

Viele Grüße

Milan