fischertechnik community forum

Versuch einer induktiven Abstandsmessung mit einem sog. Querankergeber https://de.wikipedia.org/wiki/Querankergeber.
Hardware: Topfmagnet Messung der Frequenz eines LC-Kreises (f=468 - 616Hz)

Die Frequenz sollte der Theorie nach in etwa mit der Wurzel des Abstands gehen: Tut sie aber nicht. (Womöglich eine Eigenschaft des LCR-Meters, das mir zwar eine Frequenz anzeigt, aber kein L (Fehlermeldung L >4H !) ) Phänomenologisch lässt sich die Kurve aber gut anpassen mit Frequenzmessung im kHz-Bereich liesse sich mit einem Arduino recht genau bewerkstelligen.
Abstandsmessungen zwischen 1 und 4 mm sollten damit gut funktionieren.

Schau mer mal, dann seh mer schon...

PS: Und dann gibt es für Drehbewegungen noch den sog. "Halb-Differenzial-Kurzschlussringgeber (HDK)".

Mit folgender LC-Oszillatorschaltung kann man ein Rechtecksignal um etwa 2.7 kHz generieren, dessen Periodendauer man mit einem Arduino messen kann: Als Fitkurve habe ich jetzt verwendet:
weil man mit dem zusätzlichen linearen Term d*(x-c) die Formel nicht analytisch invertieren kann. Der Abstand kann dann berechnet werden aus:
Und so sieht eine Arduino-Messung aus: Die schwarze Kurve unten ist der berechnete Abstand x, der ab Timestamp 100 in 0.5mm-Schritten variiert wurde.
Man erkennt, dass die Schwankungen mit zunehmendem Abstand größer werden. Das ist auch logisch, da sich die Frequenz nur noch langsam mit dem Abstand ändert. Kommt auch aus der Fehlerrechnung raus. Die Frequenzmessung ist noch verbesserungswürdig (*). Da gibt es immer wieder mal Aussetzer.
Der nutzbare Messbereich wäre hier etwa 0.2 - 3 mm. Ab 4mm ist dann das Ende vom Gelände.
Der Messaufbau würde für bestimmte Federkraftmessungen ausreichen wie beim XY-Flexure.

Generell könnte man auch höhere Frequenzen erzeugen und mit einem Counter auszählen. Das könnte genauer werden, weil effektiv mehr Schwingungen auswertet werden. Oder man muss die Stabilität des Oszillators verbessern.

EDIT:
(*) Mit dem Frequenzmesser im Voltmeter steht die Frequenz wie eine Eins. Die Messung mit dem Arduino weist Schwankungen auf.
Warum, weiß ich noch nicht.

Für die Messung der Induktivität mit dem Arduino sehe ich folgende Möglichkeiten:
1. Periodendauer-Messung
2. Impulse innerhalb einer Messzeit zählen
3. Relaxation der Spule messen: Spulenschwingkreis anregen und Oszillation auswerten
4. Frequenz-Spannungs-Umsetzer

Die Periodendauer-Messung ist bei mir noch etwas ungenau und wackelig. Wenn man niedrige Frequenzen verwendet, wird die Periodendauermessung genauer, aber die Schwankungen nehmen zu. Höhere Frequenzen können damit nicht mehr genau gemessen werden, weil noch weniger counts zur Verfügung stehen und weniger Schwingungen ausgewertet werden. Das wäre mit 2 besser hinzubekommen.

Hier nun ein Ansatz mit einem etwas hochfrequenteren Schwingkreis: Die Spule ist eine Induktivität, die ich von einer alten Druckerplatine ausgelötet habe. Als Queranker ein Ferrit-Teil für Flachbandkabel aus dem gleichen Drucker. (Hätte eigentlich nicht damit gerechnet, dass ich das noch mal brauchen würde. Aber der Ferrit ist viel besser als Eisenplatten) Der Schwingkreis schwingt dann im Bereich um 130 kHz. Hier wäre interessant, ob sich der ft-Initiator eignen würde.

Um diese Frequenz zu messen, mische ich das Signal mit einem 120 kHz-Referenz-Signal aus einem Funktionsgenerator.
Die Mischung mache ich mit einem NE612-IC, den ich noch aus DRM-Zeiten herumliegen habe. Dieser IC hat praktischerweise eine eingebaute Verstärkerschaltung für einen lokalen Oszillator, an den ich den Schwingkreis mit der Mess-Spule ranhänge. Der Filter ist ein RC-Glied. Und als Komparator muss wieder der LM311 ran. Die Signale sind hier zu sehen: Grün: Mess-Signal, Magenta: Referenz-Signal, Blau: Tiefpass-gefiltertes Misch-Signal, Gelb: digitalisiertes Komparator-Signal.
Der Mischer verschiebt das Mess-Signal in einen handhabbaren Frequenzbereich (Differenzfrequenz)

Das gelbe Signal kann man dann mit Methode 2 gut messen und bekommt dann folgende Frequenzkurve (kHz vs mm) Karl könnte die Frequenz auch mit seinem Bausatz-Frequenzmesser direkt messen.

Warum nicht gleich die hohe Frequenz messen? Weil der Counter überläuft. Vermutlich könnte man das das auch mit einem Overflow-Interrupt kompensieren. Aber das hat jetzt bei mir noch nicht geklappt. Wäre aber natürlich wegen des geringeren Schaltungsaufwandes vorzuziehen. Aber die Frequenzmischung ist doch auch ganz schön und Rumstecken macht mehr Spaß als programmieren.

Ich verwende jetzt einen aktiven OPAMP-Tiefpass 2-ter Ordnung. (https://www.electronics-tutorials.ws/de ... dnung.html) Damit bekomme ich die Ripplestruktur auf dem blauen Mischsignal weg und die Frequenzmessung wird deutlich stabiler.Über eine Minute schwankt die Frequenz nur um 1 Hz. Aber es gibt ein Drift-Verhalten über 5 Min von +/-10 Hz. Das ist aber doch noch sehr wenig. Die Messungen sind stabil und reproduzierbar auf 0.01mm. Und der Messbereich etwa 4-5 mm. Die Auflösung ist näher am Induktor größer und nimmt dann entsprechend ab.
Die Messung mache ich jetzt so, dass ich die Impulse direkt mit dem Timer-Counter zähle bis ein Counterwert von 10000 erreicht ist Ich messe vor und nach der Messung mit micros() und nehme die Zeit. Das ist vielleicht nicht die schnellste Methode aber sehr effektiv, weil das Programm während der Counter misst, was anderes machen kann.
Wenn ich am Referenzoszillator eine höhere Frequenz einstelle, könnte ich schneller messen oder größere Counterwerte zählen. Ich darf halt nur nicht über 16 Bit kommen.

Der Positionsfehler Dx ist frequenzabhängig und hängt mit de Messfehler Df der Frequenz so zusammen. Für f->a wird er sehr groß. Die Werte a,b, c wie weiter oben im Thread. Konkrete Werte beispielhaft: a=21087, b=0.5067, c= -0.377. Die hängen u.a. von der Referenzfrequenz und der Schiefheit des Querankers ab.

Damit kann man was anfangen. Ich bin auch noch nicht ganz am Induktor.

Mir sind leider die Staun-Smileys ausgegangen. Woher nimmst du eigentlich diese Ideen immer?

Hallo,
staune auch über die vielen Forschungs-Entdeckungen von "atzensepp".

Karl könnte die Frequenz auch mit seinem Bausatz-Frequenzmesser direkt messen.

Sollte mit einem "Digiscope" mit entsprechender Einstellung auch gut funktionieren.
Zeigen die Werte meist etwas sehr klein oben oder unten an, aber dafür auch "Klartext".

Hallo,

Zur Frage wie ich auf die Ideen komme. Einerseits habe ich da ein kleines Büchlein "Sensible Sensoren" mit Sachen, die ich immer mal gerne ausprobieren wollte. Und hin und wieder lass ich mich auch von Microsoft's Copilot inspirieren:

So zum Beispiel hat Copilot vorgeschlagen, die Frequenz mit einer PLL (Phase Locked Loop) zu messen. (Da wäre ich nicht drauf gekommen)
Die PLL hat einen eingebauten spannungsgesteuerten Freqenzgenerator (VCO) und einen Phasenkomparator, der ein Eingangs-Signal mit dem Signal dieses VCOs vergleicht. Aus der (Phasen)abweichung bestimmt die PLL dann einen Spannungswert, mit dem der Frequenzgenerator nachgeregelt wird.
Die erzeugte Frequenz ist in etwa linear von der Spannung abhängig. Diese kann man dann mit einem Voltmeter oder einem Microcontroller messen
und daraus den Abstand bestimmen. Ich hab' das mal mit eine CD 4046 PLL ausprobiert und es funktioniert im Prinzip schon. In meinem Fall habe ich Frequenzänderungen zwischen 125 und 140kHz.

Hier mal ein Oszillogramm: Violett: Mess-Signal vom LC-Oszillator, Gelb: Digitalisiertes Signal und blau: "gelocktes" PLL-Signal.

Leider ändert sich die Spannung des VCO nur zwischen 3 und 4V. D.h. ich müsste die VCO anders dimensionieren - was momentan wegen einer etwas limitierten "Kondensator-Situation" schwierig ist - oder die VCO-Spannung noch mal analog in den Messbereich des AD-Wandlers des Arduinos transformieren.
Ich hatte gehofft, dass das einfacher ist. Die Ergebnisse sind momentan noch nicht so gut wie mit der Differenzfreqenz-Erzeugung oben.
Aber es ist halt wie immer: Ausprobiert ist schnell mal was. Aber um es "gescheit" hinzubekommen muss man mehr Arbeit reinstecken.

Aufbau noch etwas mechanisch stabilisiert und Frequenzbereich des VCO noch etwas angepasst und schon kann sich das Ergebnis sehen lassen: Der zweite Satz ist nach einer Stunde in Rückwärtsrichtung aufgenommen worden. Also gut reproduzierbar

Hier VCO-Spannung gegen Frequenz. scheint wie erwartet einigermaßen linear

Ein differenzieller Querankergeber hat zwei Spulen, zwischen denen sich der Anker bewegen kann. Wird die Frequenz beim Einen kleiner, steigt sie beim Anderen.
Der geringe Frequenzhub auf der einen Seite wird dann durch den entsprechend Größeren auf der anderen Seite ausgeglichen.
Sind die Oszillatoren gleich, würde sich in der Mittelstellung des Ankers ein Extremum ergeben, da mit einem normalen Frequenzmischer nicht zwischen positiven und negativen Frequenzen unterschieden werden kann. Um das Vorzeichen der "Frequenz" zu messen, könnte man einen sog. I-Q-Mischer, mit dem die Phase mitbestimmt werden kann, einsetzen. Dazu wäre zusätzlicher Mischer-IC nötig.

Alternativ kann man die Schwingkreise unterschiedlich dimensionieren, so dass man einen streng monotonen Verlauf der Mischer-Differenzfrequenz hinbekommt. Der Verlauf ist nicht ganz linear. Am Rand ist das deutlich zu sehen.
Vorteil dieser Methode ist der deutlich größere Frequenzhub und eine fast gleichbleibende Auflösung im Verschiebebereich.
Nachteil ist, dass der Verlauf vom Abstand der Spule abhängt und je nach Setup geeicht werden muss.

Hier eine Beispielmessung. Frequenz in kHz gegen Verschiebung des Ankers in mm wobei zugegebenermaßen dieses Ergebnis jetzt nicht so viel besser ist als die mit einer Spule und der PLL-Messung.

So kann es auch aussehen: Gefittet mit: Hier kann (Ausreißer bei 3.5mm) man dann schon die Begrenzung der Auflösung auf 0.1-0.2mm erkennen. Kann auch sein, dass der Fit nicht ganz passt.

Und demnächst kommt noch eine ganz andere (einfachere) Mess-Methode.

Und demnächst kommt noch eine ganz andere (einfachere) Mess-Methode.

darauf bin ich gespannt.

Auch Fischertechnik-Elektromagneten können für einen differenzielle Querankergeber eingesetzt werden. Hier mit einem Ferrit: Und wer keinen Ferrit zur Hand hat, kann ein Metallblech nehmen. Hier muss man halt die Anregungs-Spannung hochdrehen. Anregungsfrequenz hier: 400 Hz. (Ja, so wenig!)

Das Messprinzip ist diesmal anders. Die Frequenz ist diesmal konstant und es wird nur eine Spannung gemessen. Also kein Mischer und keine PLL (auch wenn die cool sind) . Die Auswertung erfolgt mit einer Mess-Brücke. Die gleichgerichtete und verstärkte Brückenspannung ist ein Maß für den Abstand.
Als Gleichrichter kann man eine Grätz-Brücke mit Dioden (am besten Schottky-Dioden wegen der geringeren Durchbruchspannung) nehmen oder
noch besser wie hier mit einem Präzisions-Gleichrichter aus Operationsverstärkern, der die Diodenspannung gewissermaßen wegsubtrahiert: (Wenn man nur mit einem Verstärker und Brücken-Gleichrichter arbeitet, ist der Aufwand geringer. Und wer weiß, bei der niedrigen Frequenz vielleicht geht es ja auch mit Fischertechnik-Grundbausteinen und Gleichrichter-Baustein. Wobei die Silberlinge je inzwischen Seltenheitswert haben und man mit Standard-Operationsverstärkern und Steckboard günstiger zum Ziel kommt.)
Hier das "Gespinnst" dieser Schaltung (Bei diesen Frequenzen ist der Aufbau halbwegs unkritisch. Allerdings nicht ungefährlich, wie ich feststellen musste als mir ein Operationsverstärker aufgrund einer falschen Polarität für die Offset-Spannung abgeraucht und dann explodiert ist ): Das Signal kann mit einem Digitalvoltmeter oder Arduino gemessen werden und folgt bei meiner Konfiguration in etwa einer Parabel.
Ein linearer Verlauf ist möglicherweise mit einem Synchron-Gleichrichter (Komparator, Analogschalter und einem invetierender Verstärker) möglich. Das werde ich noch ausprobieren.

Hallo,

schnell mal einen Versuch mit Synchrongleichrichtung zusammengestöpselt. Das Differenzielle Signal wird verstärkt und es wird mit einem invertierenden Opamp sein inverses Pendant (Violett) erzeugt. Das Anregungs-Signal (gelb) wird auf einen Komparator (Ausgangssignal: blau) geleitet, der mit einem Analogschalter das nicht invertierte und das invertierte Signal umschaltet (grün), welches geglättet und mit einem Digitalvoltmeter gemessen wird. Oben Anregungssignal und invertiertes Signal vom Differenzverstärker. Blau Schaltsignal vom Komparator und grün das Ausgangs-Signal des Analogschalters.
Hier zwei Messungen. Einmal mit Ferrit (violett) und einmal mit dem dünnen ft-Blech (grün). Abstand der Spulen etwa 12 bzw 5 mm. (mein Ferrit ist 8mm dick) Linear ist es nicht ganz sondern eher "sigmoid" aber immerhin. Es sei hier angemerkt, dass es vermutlich besser wäre, eine kontrollierte Phasenverschiebung einzubauen, da durch die diversen Opamps sich die Phase der Signale etwas ändert.

Anstatt eines Querankers kann man auch einen Tauchanker nehmen. Den Aufbau nennt man dann Differentialdrossel. Dazu habe ich die Joche aus den ft-Elektromagneten entfernt und schiebe stattdessen eine Achse durch. Die Achse ist ein ferromagnetischer Spulenkern, der die Induktivitäten in beiden Seiten unterschiedlich verändert. Das Signal sieht dann so aus: Und das ist dann schon ziemlich linear. Es könnte die ganze Länge der ft-Spule genutzt werden und durch das direkte Eintauchen ist die Wechselwirkung der Spule mit dem Eisenkern größer. Die Länge der Metallachse ist unkritisch. Man könnte die Spulen auch weiter auseinander setzen.

Als Nächstes könnten wir einen LVDT - Linearer variabler Differenzialtransformator bauen, der eine dritte Spule benötigt, die bei mir momentan nicht aus FT sein wird, da ich keinen dritten E-Magneten habe. Oder ich baue mal was mit den Fischertechnik-Elektronik-Teilen auf. Schreibt doch mal, was Euch interessieren würde.

Mit einem der Widerstände der Messbrücke als Trimmer ausgelegt, kann die Brücke in der Mittenposition des Ankers (bei 4mm) auf 0 justiert werden.
Damit können beide Polaritätsbereiche des Operationsverstärkers ausgenutzt werden. Die Abflachungen am Rand sind auf Nichtlinearitäten des Operationsverstärkers zurückzuführen oder trivialer auf das mechanische Anschrammen der Ankerhalterung am Gehäuse der Elektromagneten. Was jetzt schön ist, ist dass der Verlauf jetzt (ausgenommen an der Rändern) näherungsweise linear ist.

Hier noch zur Vollständigkeit die Schaltung, falls mal jemand Interesse hat, sie nachzubauen. Der CMOS-Analogschalter (4053) wird vom Komparator (LM311) angesteuert, der im Takte des Anregungssignals zwischen verstärktem Signal und Invertiertem umschaltet. Messungen habe ich mit einem Digitalvoltmeter gemacht. Für Arduino-Zwecke müsste man am besten noch ein Integrier-Glied nachschalten.
Im Prinzip ist das schon so was wie ein Arme-Leute Lock-In-Verstärker, also ein phasenempfindlicher Gleichrichter.

Ein linearer variabler Differentialtransformator besteht aus 3 Spulen:
einer Anregungsspule in der Mitte, die mit einer Wechselspannung (mit 1kHz) gespeist wird und zwei gegensätzlich geschaltete Aufnahmespulen. Zwischen den Spulen wird ein Eisen oder Ferritstab geführt.
Wenn der Stab verschoben wird, wird die induktive Kopplung in der einen Spule vergrößert und in der Anderen verringert, so dass das Gesamtsignal der zusammengeschalteten Spulen sehr empfindlich von der Position des Eisen/Ferritkerns abhängt. Hier ein Quick-and-Dirty-Aufbau mit ft-Teilen und einer selber gewickelten Anregungsspule mit 140 Windungen. Als Joch wird eine 45mm Metallachse genommen, die mit Kunststoffachsen links und rechts verschoben werden kann. Leider ist das mechanisch etwas stramm. Aber zum Ausprobieren reicht es. Befindet sich der Eisenkern exdakt in der Mitte, kompensieren sich die Signale der Spule: Schiebt man den Eisenkern vollkommen zu einer Seite, so dass er nur durch zwei Spulen geht, bekommt man maximales Signal: Auf der anderen Seite kehrt sich die Polarität um: Die Messung erfolgte mit der vormals beschriebenen Schaltung für die Differentialdrossel.

Um langsam wieder die Kurve zu Fischertechnik hinzubekommen, habe ich mal probiert, einen Differenzverstärker mit einem Grundbaustein aufzubauen.
Das ist das Ergebnis. Und ich muss erstaunt feststellen, dass die Verstärkung des Differenzsignals sehr gut funktioniert. Ein 10nF-Kondensator parallel zum Feedback-Widerstand ist nötig, um Oszilloationen der Schaltung zu vermeiden. Wie man dem Schaltplan auf dem Grundbaustein entnehmen kann, kann der untere 1k-Widerstand gespart werden, wenn man die Spule stattdessen auf Eingang (6) anstöpselt. Einen zweiten Gleichrichterbaustein können wir verwenden, um das Signal in ein Gleichspannungs-Signal zu wandeln. (Und nein: die Versorgungsbrücke darf natürlich nicht eingesteckt werden)
Grün ist das verstärkte Signal. Die untere Hälfte ist etwas verzerrt, vermutlich wegen der zusätzlichen Widerstandsnetzwerke im Baustein.
Und violett: das Signal am Ausgang des Gleichrichters (AC coupling um die Signalform zu erkennen). Das Signal variiert in einem Bereich von 0.3V bis 3.8V, was ganz passabel ist. (Wobei man sagen muss, dass es unterhalb der Diodenspannung 2 x 0.6V zu unschönen Mess-"Effekten" kommt)
(EDIT: Warum einfach, wenn es auch kompliziert geht: Mein Digitalmultimeter hat auch einen AC-Messbereich. Mit dem kann ich direkt das verstärkte Signal messen. Das funktioniert sogar noch besser. Das Signal geht dann sogar bis 5V rauf weil es keinen Spannungsabfall von 2 x 0.6V an den Gleichrichterdioden gibt)

Ein Wermutstropfen ist natürlich, dass man damit die Vorzeichen-Umkehr nicht wie beim Synchrongleichrichter mitbekommt. Also kann damit nur der halbe Weg gemessen werden.

Oder gibt es da noch eine Möglichkeit...?

Mit längeren Differentialtransformatoren könnte man auch längere Wege (z.B. für Linearaktoren) messen. Nur so eine Idee: Spulen aus ausgedienten Relais (natürlich nicht ft) wären möglicherweise geeignet:

Ich habe noch ein paar wirklich alte gammelige 24V-Relais gefunden, die eine Spule haben, deren Innenloch 9mm Durchmesser hat. Dies ist interessant, weil Fischertechnikmuffen durch passen. Ich werde mal ausprobieren, ob sich damit ein guter Wegsensor bauen lässt.

Drei der antiken Relais-Spulen in einer Dreier-Combo als Differentialtransformator: Das Maximum des Signals liegt bei einer niedrigeren Frequenzen von 400 Hz. Zugegeben, ein etwas voluminöser Aufbau.
Aber durch die große lichte Weite der Spulenkörper, lassen sich Fischertechnik-Achsen samt Muffen reibungslos (ohne Berührung der Spulenkörper) hindurch schieben. Als Versuchsaufbau für Messzwecke sehr gut geeignet, nicht aber für den Einbau in kompakte Linearachsen.
Für Versuche mit Fischertechnik-Spulen bräuchte man dünnere Kerne.

EDIT:
Technische Daten:
- Spannungsbereich: -1.6.. +1.6V bei 0 .. 43mm

Heute sind RFID Transponder-Spulen 5x10mm 1mH von "MM Spulen für Elektronik"gekommen. (Preis 3.76,- EUR / Stück)
Mit einem Strohhalm, einer Kunststoff- und einer Metallachse kann man einen recht kompakten LVDT bauen, der (z.B. bei 1kHz) sehr gut funktioniert: Die ft-Achsen sind mit Tesa verbunden.
Für längere Wege könnte man mehrere dieser Spulen in Reihe auf den Strohhalm stecken und in Reihe schalten.