Kraftsensor für Laufroboter aus Tastatur

Die kabelkapazitäten kann man relativ gut beherschen, wenn die zu messende kapazität nicht gegen Masse, sondern zwischen 2 seperaten Leitungen vorliegt.
Auf die eine Leitung gibt man eine Wechselspannung, z.B. Rechteck 1 kHz, 10 V Amplitude. An der anderen Leitung hat man einen Transimpedanzverstärker und mißt damit den Strom. Bei hoher Leitungskapazität braucht der "transimpedanzverstärker" als Rückkopplung einen Kondensator in der Rückkopplung und wird damit dann mehr zu einem invertierenden Verstärker, bei dem die VErstärkung durch das Verhältnis von zu messender Kapazität zu Kapazität in der Rückkopplung wird. Wenn man nicht ganz kleine kapazitäten ( < 1fF) hat, sollte es reichen das ausgangssignal des Transimpedazverstärkers direkt mit dem AD wandler zu digitalisieren.

Danke für Deine Erklärung, ich denke ich habe das Prinzip soweit verstanden: die Kapazität der einen Ader (gegen Masse) ist irrelevant für die Messung und belastet nur den Generator, die der anderen Ader (ebenfalls gegen Masse) ist unerheblich, da sie parallel zur virtuellen Masse des Transimpedanz-Verstärkers liegt.

Die Sache mit dem C in der Rückkopplung anstelle des R bei hohen Kabelkapazitäten (Annahme: nur 10pF zwischen den Adern) verstehe ich allerdings nicht so ganz. In erster Näherung habe ich dieses C mal so groß wie die Kabelkapazität gemacht und es liegt dem eigentlichen Meßeffekt parallel. Die ehemalige Transimpedanz-Stufe ist jetzt ein Ladungsverstärker und funktioniert erwartungsgemäß. Aber der Einfluß eines Kondensators von 100fF oder 10fF ist doch recht gering in dieser Konstellation.

Absolutes Gift ist also parasitäre Kapazität zwischen den Adern da sie parallel zum Meßeffekt liegt => man nehme zweimal Koax-Kabel und die Innenleiter zum Meß-C, die Schirmung an Masse. Und da wo es nicht koaxial geht auf die Geometrie aufpassen.

Ein paar erste Simulationen zeigen mir, daß eine Dreieck-Spannung sich besser eignet. Und die Frequenz darf evtl. auch bis 10kHz sein. Generell habe ich den Eindruck, daß da noch eine Verstärkerstufe mit Vu=1000 bis 10000 dahinter darf. Bei Gelegenheit werde ich die Sache mal auf SMD-Platine austesten. Vielleicht ergibt sich hier mal wieder etwas um mit Hausmitteln interessante Sensoren selbst zu bauen...

Gruß H.A.R.R.Y.

Für die Anregungsspannung sollte man zumindestens die ecken der rechteckspannung etwas verrunden. Die Frequenz darf natürlich auch etwas höher sein.
Der Kondensator im Transsimpedanzverstärker macht diesen dann irgendwann zum Ladungsverstärker. Bei mehr Kabelkaazität geht es irgendwann nicht ohne, denn sonst wird der Transimpedanzvertärker instabil und fängt an zu schwingen. Außerdem rauscht ein Kondensator nicht, im Gegensatz zu einem hohen Widerstand. Es stimmt, das man noch etwas Verstärkung vor dem AD wandler gebrauchen kann gebrauchen kann, wobei man aber wohl keinen Faktor 1000 braucht, eine 10-100 fache Verstärkung sollte reichen. Wenn man nicht gerade 0.1 pF als vollausschlage haben will. Durch das integreieren über eien gewisse Zeit kann man auch mehr als die 10 Bit auflösung des AD-wandlers kriegen und Störungen ganz gut unterdrücken.

Naja, ich dachte so an 100fF bis 1pF Vollausschlag (und der sollte 5V sein). By the way: bist Du, was die Anregungsspannung betrifft, sicher?

Eine rechteckförmige Anregungsspannung hat durch den Kondensator einen Impulsstrom zur Folge (aber nur während der kurzen Flanken). Der wird vom Transimpedanzverstärker in eine ebensolche Spannung übersetzt. Diese Nadelimpulse sind mit einem ADC nur bedingt zu erfassen. Mit einer dreieckförmigen Anregungsspannung ergibt sich ein rechteckförmiger Wechselstrom durch den Kondensator. Letzterer erscheint mir erheblich besser für die AD-Wandlung und anschließende Signalverarbeitung geeignet.

Und dann wäre da noch die Geschichte mit dem Ladungsverstärker - der Kondensator in der Rückführung (nennen wir ihn C2) bestimmt mit dem Kondensator im Eingang (soll C1 heißen) die Verstärkung: Vu = -C1/C2
Daraus folgt dann, daß ich in einem Aufbau mit Cmeß=1pF und sagen wir mal C_KabelAder_gegen_KabelAder von ebenfalls 1pF einen C1 von 2pF habe. Beträgt C2 nun 10pF, dann gilt Vu = -2pF/10pF = -1/5. Also bei Dreieck mit 20Vss kommen am Ausgang 4Vss raus. Theoretisch. Praktisch habe ich im Augenblick aber ein anderes Problem: ich habe den Ladungsverstärker als invertierende Stufe aufgebaut und der invertierende Opamp-Eingang geht jetzt nur an Kapazitäten. Damit ist er extrem hochohmig und jeder verfügbare OpAmp hat damit ein großes Offset- und Eingangsstrom-Problem. Hast Du für dieses Problem ebenfalls irgendwelche Tips?

EDIT:
Ich habe gerade noch eine Simulation mit Ladungsverstärker durchgezogen und da ist - im Gegensatz zum Transimpedanzverstärker (!) - die rechteckförmige Anregung der Favorit. Ist eigentlich klar:
Transimpedanzstufe: Ua=f(Ie)
Ladungsvertärker: Ua=f(Ue)
Für die Sache mit dem Offset/Eingangsleckstrom habe ich auch schon eine Idee, aber es wäre toll, da Erfahrungen von Anderen zu bekommen.
/EDIT

Gruß H.A.R.R.Y.

Weil man ja mit Wechselspannung mißt, ist die Offsetspannung nicht so das Problem. Man muß nur dafür sorgen, daß man noch einigermaßen in der Mitte des Meßbereichs den AD Wandlers ist. Als Ergebnis benutzt man ja die Differenz aus Messungen für die beiden polaritäten des Wechselspannungssignals, ein Offset ist da nicht so störend.

Als OP-Amp wird man wohl in der Regel einen OP-Amp mit FET Eingang nehmen (z.B. LF412, TLC272, OPA350 oder ähnliches). Da sind die Eingangsströme nicht so das Problem. Die Rückkopplung wird ja nicht nur eine KOndensator sein, sondern immer noch einen möglicht hochohmigen Widerstand (z.B. 20 MOhm) parallel haben. Die Spannungsverstärkerstufe dahinter kann man dann auch noch Wechselspannungsmäßig koppeln, so daß man eigentlich nur darauf achten muß das der erste OP weniger als etwa 2 V offset hat. Das sollte relativ einfach sein.
Wegen der Kabelkapazität kommt es beim OP mehr auf ein geringes Spannungsrauschen an, als wenig Stromrauschen. Wenn man eine eher hohe Frequenz wählt, könnte man sogar mit einem OP aus bipolaren Transistoren klar kommen (z.B. OP27).

Ich hatte eigentlich vorgesehen mit den vier Plattenkondensatoren 4 LC Schwingkreise in Resonanz aufzubauen die Spulen kann man als Printspulen ausführen wenn doppelseitig kaschierte Platinen genommen werden. So wollte ich Störeinflüsse durch Leitungskapazitäten minimieren.
Verstimmung der Schwingkreise halt über die Veränderung des Luftspalts.

Die Auswertung über die Resonanz von LC Schwingkreisen ist die andere alernative. Allerdings muß man da sehr auf die Kapazität der Zuleitungen achten oder den Oszillator direkt am Sensor haben. Das ist dann sogar die empfindlichere Methode, erfordert aber einiges an HF-Wissen und ggf. auch eine Amateurfunklizenz, denn die Frequenzen werden leicht im UKW Bereich liegen. Die Metode mit der Koppelkapazität ist da für den Nachbau einfacher und besser linear.

Hallo,

nur mal als Ideeninput: Habt ihr schon an einen Dehnungsmessstreifen für solche eine Aufgabe gedacht? Wird ja teilweise auch in billigen Küchenwaagen eingesetzt.

Entweder direkt unter den Füßen des Robterbeins kleben oder an den beweglichen Achsen des Beins.

Habe keine Erfahrung damit, aber als ich die Fotos sah, ist mir das als erste Idee gekommen...

Hoffe, das hilft euch weiter.

LG
Georg

@Besserwessi:

Danke, soweit war mir das schon klar: AC-Kopplung der ganzen Stufen macht den Offset im Signalpfad irrelevant.

Der Offset und der Eingangsstrom sind allerdings auch bei hochohmiger Umgebung problematisch.

Ich habe es mal mit 100MOhm in der Rückführung (parallel zum "Verstärker"-C) und OP07 versucht. Alternativ mit TL074. Kurz und gut: ohne zusätzliche Maßnahme liegen Beide (auch der TL mit JFET-Eingängen und etwa 40pA Leckstrom) so weit vom Nullpunkt weg (etliche Volt), daß das Signal nicht mehr sauber durchkommt. Abhilfe schaffte erst ein zweiter OpAmp, ebenfalls OP07 oder aus dem TL074, der den nichtinvertierenden Anschluß des Ladungsverstärkers so ausregelt, daß der Ausgang des Ladungsverstärkers im Mittel auf Null Volt bleibt. Die Schaltung wird aus +/-15V symmetrisch gespeist.

Das alles ist bislang eine Simulation mit recht guten Modellen der verwendeten OpAmps. Der praktische Aufbau wird interessant werden, aber erst, wenn ich die ganze Sache soweit durchschaue, daß ich mir über die Funktion sicher bin. Auch was passiert, wenn der Leckstrom durch Temperatureffekte ansteigt. Die Umstellung auf Rail2Rail-Typen mit asymmetrischer 5V-Versorgung dürfte auch noch sehr interessant werden.

Einen Effekt habe ich auch noch gesehen: Die Grundkapazität (parallel zum Meß-C) sorgt dafür, daß ich immer eine minimale Amplitude am Ausgang sehe. Linear zum Meß-C steigt diese dann bis auf einen maximalen Wert an. Je höher die Grundamplitude, umso geringer der restliche Bereich für den Meß-Effekt. Also gilt immer noch, je geringer diese Grundkapazität, umso höher der erzielbare Meßbereich und damit die Auflösung. Hier gibt es wahrscheinlich nur bedingte Abhilfe: einspeisen des invertierten Anregungssignals über ein C, das der Grundkapazität nahe kommt (aber immer sicher unterhalb bleibt).

Gruß H.A.R.R.Y.

Die Kapazität der Messleitung gegen Masse verursacht vor allen zusätzliches Rauschen, denn dadurch wird das Spannungsrauschen des OPs verstärkt. Die Wechselspannung am OP-Eingang sollte relativ unabhängig von der Kapazität immer so klein sein, dass man sie gegen die Anregungsspannung vernachlässigen kann. Die größe der Kapazität in der Rückkopplung muß aber schon der Kapazität gegen Masse angepaßt sein. Die Kapazität der Rückkopplung muß kleiner sein als die Kapazität gegen Masse geteilt durch die Verstärkung des OPs. Daher wird man einen relativ schnellen OP brauchen, damit auch bei der Nutzfrequenz von 1-10 kHz noch genug Verstärkung übrig ist.

Mit der unsymetrsichen Versorgungsspannung ändert sich erstmal nicht viel, man könnte die Meßelektrode Gleichspannungsmäßig auf etwa 1-2 V legen und braucht dann nicht mal einen Rail-Rail OP.

Selbst bei 100 Megohm in der Rückkopplung sollten 40 pA nur zu 4 mV Offset führen. Damit kann man leben. Ein bipolarer OP fällt damit aber ziehmlich aus, denn schnell und wenig Biasstrom geht bei bipolaren Eingängen kaum. Ein so großer Widerstand in der Rückkopplung wird auch kaum nötig sein, denn denn es reicht wenn die Grenzfrequenz deutlich unter der Messfrequenz ist. Man könnte also mit z.B. 5 pF und 1 Mohm schon ganz gut auskommen.