Die Versuche des Schülerlabors SinnTec. Lehrerfortbildung Schülerlabor Dipl.-Ing. Bernhard Krämer

Transkript

1 Die Versuche des Schülerlabors SinnTec 1

2 Vorstellung der Versuche Modul 1: Versuch mit dem Temperatursensor Pt1000 Mittagessen Modul : Crashversuch an der Schiefen Ebene Modul 3: Beschleunigung einer Lautsprechermembran Modul 4: Berührungslose Temperaturmessung Modul 5: Magneto-Resistive Sensorik Vorstellung von Schülerprojekten Vorstellung der Messplattform VenDASys III

3 Sie gestalten den Tag! 3 Bitte stellen Sie jederzeit Fragen! Diskussionen sind jederzeit erwünscht!

4 Modul 1: Temperatursensor Pt Ablauf dieses Schülerlabors: - Begrüßung durch Prof. Dr. Schütze mit einem Eingangsvortrag über Mikrosystemtechnik - Erläuternder Eingangsvortrag von Bernhard Krämer - Experimentieren am Steckboard - Kalibrieren, Messen von Temperaturen - Löten einer eigenen Schaltung

5 Modul 1: Temperatursensor Pt Eingangsvortrag Schüler werden bei Alltagserfahrungen abgeholt

6 Modul 1: Temperatursensor Pt Eingangsvortrag Den Schülern wird die Elektronik erklärt +15 V Verstärktes Signal C 15 V

7 Modul 1: Temperatursensor Pt Experimentieren am Steckboard Die Schülern entdecken die Elektronik und die Sensorik durch eigenes Experimentieren

8 Modul 1: Temperatursensor Pt Löten einer eigenen Platine

9 Modul 9 Crashversuch an der schiefen Ebene

10 Modul : Crashversuch an der Schiefen Ebene 10 Versuchsaufbau:

11 Modul : Crashversuch an der Schiefen Ebene 11 Bauteile und deren Funktionen:

12 Modul : Crashversuch an der Schiefen Ebene 1 Beschleunigungssensor: Feder-Masse-Dämpfer-System m a = F Beschleunigung = F Feder = k x x = m k a Messen der Beschleunigung Messen der Auslenkung einer seismischen Masse

13 13 Modul : Crashversuch an der Schiefen Ebene feste Elektroden Verankerung Feder seismische Masse bewegliche Elektroden Plattenkondensator

14 Modul : Crashversuch an der Schiefen Ebene 14 Monolithisch integrierter, kapazitiver Beschleunigungssensor links: Gesamtchip; in der Mitte die Sensorstruktur, darum die Elektronik für die Signalverarbeitung 1 mm rechts: Sensorelement 00 µm

15 Modul : Crashversuch an der Schiefen Ebene 15 Kapazitive Beschleunigungsmessung: Änderung der Kapazität durch Abstandsänderung der Kondensatorplatten konstante Spannung am Sensor Zu-/Abfluss von elektrischen Ladungen, da C = Q U Elektrische Schaltung wandelt Ladungen in Spannung um (+ Verstärkung) Erfassung und Verarbeitung der Ausgangsspannung durch Mikrocontroller (Spannung im Bereich 0 5V)

16 Modul : Crashversuch an der Schiefen Ebene 16 Beschleunigung von 0g,5 V Aufprallsensor: 38mV/g; Messbereich: ± 50g Neigungssensor: 31mV/g; Messbereich: ± g Bsp: Beschleunigung von 10g 10 0,038,5 V =ˆ V + 0,38 = V 0,38 Umrechnung der Spannung in Beschleunigung durch LabVIEW Programm = V,88 V

17 Modul : Crashversuch an der Schiefen Ebene 17 Neigungsmessung:

18 Modul : Crashversuch an der Schiefen Ebene 18 Ermittlung des Neigungswinkels der schiefen Ebene über Kräfteparallelogramm

19 Modul : Crashversuch - Unterrichtseinheit 19 Vortrag: Einführung (45 min) Allgemeine Einführung in MST Physikalische Grundlagen des Crash-Versuchs Praxis: Gruppenarbeit mit 4 Gruppen (90 min) Stationsarbeit Hausaufgabe Vortrag: Beschleunigungssensor (45 min) Präsentation der eigenen Versuchsergebnisse durch die Schüler (45 min)

20 Modul : Crashversuch - Unterrichtseinheit 0 Vortrag: Einführung (45 min) Allgemeine Einführung in MST Begriffsdefinitionen, Maßstab, Einbettung in Mechatronik, MST im Alltag Physikalische Grundlagen des Crash-Versuchs kurze Wiederholung der Grundlagen der Dynamik und Kinematik (Newtonsche Axiome, geradlinige, gleichmäßig beschleunigte Bewegungen, Schiefe Ebene, Kräfteparallelogramm,...)

21 Modul : Crashversuch - Unterrichtseinheit 1 Gruppenarbeit mit 4 Gruppen (90 min) Stationsarbeit (je 1 min): Text zu Monolithisch integriertem Beschleunigungssensor Bauteilbezeichnungen des Versuchsaufbaus und deren Funktion Kräfteparallelogramm Experiment Messdatensicherung Hausaufgabe: Versuchsauswertung der Schülerexperimente

22 Modul : Crashversuch - Unterrichtseinheit Vortrag: Beschleunigungssensor (45 min) Aufbau des Beschleunigungssensors Funktionsweise des Beschleunigungssensors Herstellungsverfahren Beispiel: Autocrash

23 Modul : Crashversuch - Unterrichtseinheit 3 Präsentation der eigenen Versuchsergebnisse (45 min) Pro Gruppe 5-10 min Freie Wahl der Präsentationsmethoden Inhalt: Vorstellung des Arbeitsauftrags Messergebnisse (Graphik, Diagramm etc.) Fazit Evaluation

24 Modul : Crashversuch - Unterrichtseinheit 4 Wie kam die Mikrosystemtechnik an? Gesamtbewertung: 1% Inhalt der Veranstaltung: 11% 34% Präsentation durch die Lehrenden: 6% 15 88% 55% 41% 53% Legende: sehr gut gut durchschnittlich Kommunikation in der Unterrichtseinheit: Hausaufgabe: Verhalten und Auftreten der Lehrenden: weniger gut schlecht 16% % 10 % % 8% 37% 5% 45% 3 9 % 4 9 % 67%

25 Modul 3 5 Arbeitsheft

26 Modul 3 6 Aufbau des neuen Praktikumsheftes: 1)Einleitung )Sensor 3)Versuchsaufbau 4)Experimente 5)Ausblick

27 Modul 3 7 Beschleunigung einer Lautsprechermembran

28 Modul 3: Beschleunigung einer Lautsprechermembran 8 Kapazitive Beschleunigungsmessung Physikalische Grundlagen: -Mechanischer Hintergrund -Elektronischer Hintergrund

29 Modul 3: Beschleunigung einer Lautsprechermembran 9 Mechanischer Hintergrund Masse Feder Verankerungspunkte Beschleunigung Masse bewegliche Elektrode C C feststehe nde Außenelektroden C C F = m a F k = k d

30 30 Modul 3: Beschleunigung einer Lautsprechermembran d1 d C1 C 1 1 d A C ε = Elektronischer Hintergrund d A C ε = ( ) 0 1 d d d A C C C = = ε d d C C C C = +

31 31 Modul 3: Beschleunigung einer Lautsprechermembran Ua U0 U1 U C1 C Elektronischer Hintergrund + = + = + = = C C C C U C C C U C C C U R R U U U U a m k U d U U a a a = 0 0 ) (

32 Modul 3: Beschleunigung einer Lautsprechermembran 3 Versuchsaufbau PC Netzgeräte 0V-5V Elektronik Sensor Lautsprecher 0V-1V Funktion auf Lautsprecher USB- Oszi Auswertedaten vom Sensor

33 Modul 3: Beschleunigung einer Lautsprechermembran 33 Sensor VS ST T XFILT YFILT COM XOUT YOUT +VS CY YFILT ADXL13 CDC SENSOR AC AMP DEMOD OUTPUT AMP OUTPUT AMP R R DCM YOUT XOUT COM ST XFILT T CX RSET

34 Modul 3: Beschleunigung einer Lautsprechermembran 34 Elektronik

35 Modul 3: Beschleunigung einer Lautsprechermembran 35 Vorbereitung Übungen mit Messgeräten z.b. USB-Oszilloskop, Multimeter Auswertesoftware

36 Modul 3: Beschleunigung einer Lautsprechermembran 36 Experimente -Ziele -Selbstständiges anschließen der Geräte -Kalibrierung -Messung bei kleinen und großen Beschleunigungen -Mögliche Einsatzorte

37 Modul 3: Beschleunigung einer Lautsprechermembran 37 Fragen oder Anregungen für weitere Experimente?

38 Modul 4 38 Berührungslose Temperaturmessung

39 Modul 4: Berührungslose Temperaturmessung 39 Physikalische Grundlagen: Thermoelement Wird die Verbindungsstelle zwischen Leiter oder Nichtleiter Mit verschiedenen Seebeck- Koeffizienten α erwärmt, entsteht zwischen beiden Materialien eine Thermoelektrische Spannung U th ( )( T T ) = α α A B W K

40 Modul 4: Berührungslose Temperaturmessung 40 Physikalische Grundlagen: Strahlungssensor -messen berührungslos die von der Oberfläche des Körpers ausgehende Temperaturstrahlung -Strahlungsfluss Φ Φ = dw dt dφ -Spezifische Ausstrahlung M M = da 1 d Φ -Strahldichte L L = da cosδ dω 1

41 41 Modul 4: Berührungslose Temperaturmessung = 1 5 T k hc S e hc M λ λ λ π Planksche Strahlungsgesetzt -spektrale Stahlungsdichte eines schwarzen Strahlers ( ) Ω = 1, 5 0 T k hc S e hc T L λ λ λ λ

42 Modul 4: Berührungslose Temperaturmessung 4 M S = 0 M dλ = σ T σ = 5,57 10 W m K 4 8 Sλ 4 Beeinflussung zweier Köper σ A A Φ = π a ( ) 4 4 T 1 1 T

43 Modul 4: Berührungslose Temperaturmessung 43 Im Sensor ausgenutzt, indem schwarze Fläche erwärmt und über Thermoelemente die absorbierte Temperatur gemessen wird

44 Modul 4: Berührungslose Temperaturmessung 44 Pt1000 -Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes von Metallen als Sensoreffekt genutzt R ( ) ( T = R + A T + B ) R B T = 1kΩ A = 3, = 5, K 1 K

45 Modul 4: Berührungslose Temperaturmessung 45 Sensor Messung der Umgebungstemperatur Thermolpile

46 Modul 4: Berührungslose Temperaturmessung 46 Elektronik bereits fertiges Modul von HLPlanar mit Anbindung an Auswerteelektronik und der dazugehörigen Software

47 Modul 4: Berührungslose Temperaturmessung 47 Vorbereitung Übungen mit Messgeräten -mit Multimeter den Widerstand des Pt1000 bestimmen -in Auswertesoftware einarbeiten

48 Modul 4: Berührungslose Temperaturmessung 48 Experimente -Ziele -Selbstständiges anschließen der Geräte -Messung bei verschiedenen Temperaturen -Messung auf verschieden lackierten Flächen -Emissionskoeffizienten bestimmen -Mögliche Einsatzorte

49 Modul 4: Berührungslose Temperaturmessung 49 Experimente Aluplatte bei 100 C mit einer Wärmebildkamera aufgenommen

50 Modul 4: Berührungslose Temperaturmessung 50 Fragen oder Anregungen für weitere Experimente?

51 Modul 5 51 Magneto-Resistive Sensorik

52 Modul 5: Magneto-Resistive Sensorik 5 Physikalische Grundlagen: -magnetoresistive Effekt beruht auf der Widerstandsänderung einer Feldplatte (leitendes Material) in Abhängigkeit des angelegten Feldes -werkstoff- und geometrieabhängig -bei Metallen eine kleine Elektronenbeweglichkeit Halbleiter der AIIIBV-Gruppen verwendet (InSb, InAs)

53 Modul 5: Magneto-Resistive Sensorik 53 -anisotroper magnetoresistive Effekt meint die Widerstandsänderung unter den Einfluss eines magnetischen Feldes, wobei das Grundmaterial ferromagnetische Werkstoffe (Permalloy) sind -Die relative Widerstandsänderung hängt vom Winkel zwischen Strom und Magnetisierung ab

54 Modul 5: Magneto-Resistive Sensorik 54 ρ ( Θ) ρ( Θ) = ρ(90 ) = ρ max + ρ( Θ) cos ( Θ) anisotroper magnetoresistever Effekt ρmax ρ(90 ) = ρ(0 ) ρ(90 ) ρ(90 )

55 Modul 5: Magneto-Resistive Sensorik 55 HY ist das äußere Magnetfeld in y-richtung HK ist die gesamte Anisotropiefeldstärke sin Θ = H H Y K R x ( H ) Y = R max R H H Y K

56 Modul 5: Magneto-Resistive Sensorik 56 R1 R Usig R4 R R ( α ) = R + R cos( α ) mittel max ( α ) = R R cos( α ) mittel max R3 U0 U sig = U R max 0 R mittel cos( α )

57 Modul 5: Magneto-Resistive Sensorik 57 R R4 R1 Usig R3 U0 U U sig1 sig U 0 = U = 0 R R mittel R R mittel cos sin ( Θ) ( Θ)

58 Modul 5: Magneto-Resistive Sensorik 58 U U sig sig1 = Θ = U U 1 sin cos = sin cos U arctan U ( Θ) ( Θ) sin cos = tan ( Θ)

59 Modul 5: Magneto-Resistive Sensorik 59 Sensor

60 Modul 5: Magneto-Resistive Sensorik 60 Sensor

61 Modul 5: Magneto-Resistive Sensorik 61 Vorbereitung Übungen mit Messgeräten z.b. USB-Oszilloskop, Multimeter Auswertesoftware

62 Modul 5: Magneto-Resistive Sensorik 6 Experimente -Ziele -Selbstständiges anschließen der Geräte -Messung der Spannungen bei verschiedener Winkel des Stabmagneten -Formel einsetzen und umrechnen -Kurven beschreiben -Mögliche Einsatzorte

63 Modul 5: Magneto-Resistive Sensorik 63 Fragen oder Anregungen für weitere Experimente?