Selbstgebaute Sensoren für das PASCO 750 Interface zur Messwerterfassung

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1 Selbstgebaute Sensoren für das PASCO 750 Interface zur Messwerterfassung Jürgen Putzger, Universität Regensburg Fakultät Physik, Vorlesungsvorbereitung 1. Temperatursensoren Preiswerte Temperatursensoren (ca. 2 Euro/Stück pro Sensor) für den Bereich -40ºC bis 100ºC lassen sich mit den Halbleitersensoren aus der Serie LM 35 realisieren. Diese geben eine zur Temperatur proportionale Spannung von 10mV/ºC ab. Die absolute Genauigkeit liegt je nach Typ bei 1 oder 0.5ºC. Sensor Kalibrierfaktor Bereich Gehäuse LM 35 10mV/ºC ºC T092/TO46 (Metall) LM mV/K ºC TO92/TO46 (Metall) LM 45 10mV/ºC ºC SOT32 (SMD) Das PASCO-750 Interface liefert an den Analogeingängen Sensoren: auch Versorgungsspannungen für 1: Analogeingang + 2: Analog-Eingang - 3: Keine Belegung bekannt 4: +5 V Ausgang 5: Masse für alle Versorgungsspannungen 6: +12 V Ausgang 7: -12 V Ausgang 8: +/- 5 V Ausgang Die 8-polige Analog-Eingangsbuchse am PASCO 750 Interface Die Anschlussbelegung der Buchse

2 Der LM35-Sensor kann mit der Betriebsspannung von 5 Volt betrieben werden. Sein Ausgang wird mit Anschluß 1 des Analogeingangs verbunden. Der Minus-Anschluß des Analogeingangs muß mit der Versorgungsspannungs-Masse verbunden werden (Brücke zwischen 2 und 5). Die Version des Sensors mit Metallgehäuse TO46 empfiehlt gegenüber der Kunststoffversion wenn schnelle Ansprechzeit erforderlich ist:

3 Der Sensor LM335 liefert die Temperatur in Kelvin. Er benötigt einen Vorwiderstand. Dieser soll so bemessen sein, dass ein Strom von ca. 1mA fließt um Selbsterwärmung zu vermeiden: Für den Betrieb am PASCO-750 wird der 12 V-Ausgang benutzt und ein entsprechend hoher Vorwiderstand von 10 Kiloohm. Damit ist der Strom von der Änderung der Sensorspannung weitgehend unabhängig. Der Widerstand kann in das Gehäuse des 8-poligen DIN-Steckers mit eingebaut werden. Unterstützung durch die Data Studio Software In der Software Data Studio zu den PASCO-Systemen wird der Sensor-Typ CI 6505A ausgewählt. Dieser ist in seinen Eigenschaften kompatibel zu den hier beschriebenen Selbstbau-Sensoren. Folgende Einstellungen müssen unter Sensoreigenschaften vorgenommen werden:

4 Für den LM35 wird als Messgröße ºC gewählt, für den LM335 K. Unter Kalibrierung werden folgende Einstellungen vorgenommen: Sensortyp Hochpunkt 100 ºC Tiefpunkt 0 ºC LM35 Spannung 1,00 V Wert 100 Spannung 0V / Wert 0 LM335 Spannung 3,73 V / Wert 337 Spannung 2,732V / Wert 273,2 Die Empfindlichkeit ist dabei auf x1 gestellt. Damit sind die Sensoren sofort ohne Kalibrierung betriebsbereit. Die Absolutgenauigkeit beträgt damit nach Herstellerangaben 0,5 Grad. Für eine höhere Genauigkeit kann eine individuelle Kalibrierung in einem Wärmebad bekannter Temperatur vorgenommen werden.

5 Der LM335 Sensor ist mit diesen Einstellungen ohne weitere Kalibrierung im Rahmen seiner vom Hersteller angegebene Grundgenauigkeit einsatzbereit.

6 2. Wegsensoren Die Erfassung von Wegstrecken oder Drehwinkeln ist eine zentrale Aufgabe in der Mechanik. PASCO bietet hierfür den Sensor CI-6538 an. Dieser kann mit Zusatz auch als linearer Wegsensor eingesetzt werden, arbeitet dann aber nicht reibungsfrei. Einen reibungsfreien Abgriff des Wegs kann man mit Lichtschranken erreichen. Ein transparentes Band oder Rad mit Strichmarken wird durch eine Lichtschranke bewegt. Damit auch die Bewegungsrichtung erfasst werden kann, werden zwei Lichtschranken mit Versatz um eine halbe Strichbreite verwendet. An den Ausgängen beider Lichtschranken ergeben sich zwei um 90 Grad phasenversetzte Rechtecksignale (siehe Zeichnung) wie sie auch bei der Ansteuerung von Schrittmotoren verwendet werden. Aus der Phasenverschiebung um plus oder minus 90 Grad kann eindeutig auf die Drehrichtung geschlossen werden. Auf diese Weise arbeiten alle inkrementalen Weggeber und Drehwinkelgeber (Encoder) auf dem Markt. Zur Auswertung sind zwei Digital-Eingänge nötig. Da auch der Sensor PASCO CI-6538 zwei Digitaleingänge belegt, wurde zunächst angenommen, daß er wie die marktüblichen Sensoren arbeitet. Die Enttäuschung war groß, als sich beim Anschluß eines solchen Sensors keine vernünftigen Werte ergaben. Eine genauere Untersuchung ergab, daß das PASCO- Interface nicht das phasenverschobene Schrittmuster auswerten kann. Statt dessen werden die Impulse an den beiden Eingängen gezählt und die Differenz gebildet. Das heißt, bei Bewegung in einer Richtung darf jeweils nur ein Eingang Impulse liefern. Der andere Eingang liefert Impulse bei Bewegung in Gegenrichtung. Als Lösung wurde eine Schaltung wurde entwickelt, die die phasenverschobenen Signale der marktüblichen Sensoren in zum PASCO-Interface kompatible Signale umsetzt. Es werden zwei einfache TTL-Schaltkreise benötigt. Jeweils ein Schmitt-Trigger Gatter 74LS132 sorgt für die

7 Formung sauberer Rechteckpulse aus dem Signal der Lichtschranken. Die Dekodierung der Signale übernehmen zwei D-Flipflops, die in einem Baustein 74LS74 enthalten sind. Ein D-Flipflop übernimmt den Zustand an seinem Eingang D auf den Ausgang Q bei der steigenden Flanke des Taktimpulses am Eingang CK. Am Eingang D liegt das Signal einer der beiden Lichtschranken. Der Taktimpuls wird von der anderen Lichtschranke erzeugt. Das heißt, der Ausgang des Flipflops liefert jeweils den Zustand der angeschlossenen Lichtschranke wenn die andere Schranke den Zustand wechselt. Die Drehrichtung entscheidet, ob dieser Zustand Eins oder Null ist. Der Ausgang des Flipflops ist also je nach Drehrichtung Eins oder Null. Wir wollen jedoch nicht nur einen Drehrichtungsdetektor bauen, sondern zusätzlich auch Impulse erzeugen. Dafür sorgt der periodische Reset des Flipflops durch das Taktsignal am CLR-Eingang. Während die Übernahme des D-Zustands bei steigender Flanke erfolgt, erfolgt das Zurücksetzen bei fallender Flanke. Das RC-Glied 1nF/3,3K sorgt für einen kurzen Rücksetzimpuls. Damit wird der Ausgang, wenn er Eins ist, auf Null gesetzt, es werden Impulse erzeugt. Bei der entgegen gesetzten Drehrichtung ist der Ausgang ohnehin Null, ein Rücksetzen führt nicht zur Erzeugung von Impulsen. Damit führt je nach Drehrichtung der Ausgang des einen oder anderen der beiden Flipflops Impulse, so wie es das PASCO 750 Interface erwartet. Die Schaltung des Positionsgeber-Interface und das Impulsdiagramm für ein Flipflop

8 Die Versorgungsspannung von 5 Volt für das Interface kann einem der beiden benötigten Digitaleingänge des PASCO 750 entnommen werden. Die 5V-Spannung liegt an der Spitze des 6,3mmm Stereo-Klinkensteckers an, die Impulse werden dem Mittelkontakt zugeführt Unterstützung durch die Software Data Studio Es wird der Drehwinkelsensor CI-6538 ausgewählt. Dieser wird mit den beiden Zähleingängen verbunden. Der Original-Sensor CI-6538 liefert 360 Impulse pro Umdrehung. Es können aber auch Sensoren mit anderer Impulszahl so kalibriert werden, daß bei einer Umdrehung 360 Grad angezeigt werden. Dazu wählt man in dem Dialog Sensoreigenschaften Bei Kalibrierung Andere und gibt die pro

9 Umdrehung erzeugte Impulszahl unter Skalenteile ein. Damit werden 500 Impulse in 360 Grad umgesetzt wenn man als Messgröße Winkelposition ausgewählt hat. Ist das Vorzeichen des angezeigten Winkels falsch, so braucht man nur die beiden Stecker am Interface zu vertauschen. Bezugsquellen für Sensoren: Man unterscheidet komplette in einem Gehäuse gekapselte Drehgeber die eine eigene Achse aufweisen (ähnlich Potentiometer) und Sätze aus separaten Encoderscheiben und den zugehörigen Lichtschranken. Die Encoderscheiben können auf der Achse eines vorhandenen Aufbaus angebracht werden. Encoderscheiben mit zugehörigen Lichtschranken gibt es zum Beispiel bei Conrad Electronic, komplette gekapselte Drehwinkelgeber mit Achse bei RS Components. Sensoren aus ausrangierten Geräten: Optische Weg-oder Winkelencoder befinden sich in vielen Druckern und Plottern um die Position des Druckkopf oder Stifts zu erfassen. So lässt sich aus den HP-Deskjet Druckern 895 Cxi oder 940 sowohl ein hochauflösender linearer Positionssensor für die Druckkopfposition als auch ein Drehwinkelsensor ausbauen. Der lineare Sensor besteht aus einem Band mit sehr eng liegenden

10 Strichen, das durch die Lichtschranke in der Druckkopfhalterung läuft. Wir verwenden dieses Band um die Position eines Gleiters auf einer Schiene zu erfassen. Es muß immer das entsprechende Band oder die Scheibe zusammen mit der darauf abgestimmten Doppel-Lichtschranke verwendet werden. Die folgende Messung der gedämpften Schwingung eines Pendels wurde mit einem Motor aus einem HP-Plotter aufgenommen. Dieser Gleichstrommotor beinhaltet einen Drehwinkelsensor. Dem aufmerksamen Betrachter wird bei diesem Diagram auffallen, daß die Amplitude nicht exponentiell sondern eher linear mit der Zeit abnimmt. Dies rührt daher, dass die dämpfende Kraft eine Konstante ist, nämlich die Gleitreibung im Motor und nicht von der Geschwindigkeit der Bewegung abhängt. Um die Reibung zu reduzieren, sollte man die Schleifkohlen des Motors ausbauen. Aufnahme der gedämpften Schwingung eines Stangenpendels mit dem Winkelencoder in einem HP- Plottermotor.