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Universeller Messplatz zur Messung der mechanischen Impedanz

Neupert, Carsten (2010):
Universeller Messplatz zur Messung der mechanischen Impedanz.
Technische Universität Darmstadt, [Seminar paper (Midterm)]

Abstract

Zusammenfassung:

In dieser Studienarbeit wird ein universeller Messplatz zur Messung der mechanischen Impedanz entwickelt, aufgebaut und seine Funktionsfähigkeit gezeigt. Dieser Messplatz dient zur Charakterisierung haptischer Mensch-Maschine Schnittstellen, sowie zur Vermessung der haptischen Eigenschaften von Nutzern, die mit diesen Systemen interagieren. Hierzu gehören neben Hand und Fingern auch die Vermessung von menschlichem Gewebe. Bei einer Messung koppelt der Messplatz eine sinusförmige Kraftamplitude in das Messobjekt ein. Hierzu erzeugt ein DC-Motor ein Moment, das mittels Seilgetriebe in eine lineare Bewegung eines Stößels gewandelt wird. Der Stößel dient dabei zur Krafteinkopplung in das Messobjekt. Die Kontaktkraft F wird während der Messung von einem piezoresistiven Kraftsensor (Althen ELFF) gemessen. Die aus der Anregung resultierende Wegantwort wird durch einen Lasertriangulator (MikroEpsilon ILD1700) gemessen und durch eine analoge Differenziererschaltung in eine Geschwindigkeit v gewandelt. Zur Messung wird die Kraftamplitude konstant gehalten (≤5 N) und in der Frequenz 0 < f < 20Hz variiert.

Aus den Messdaten F und v wird die mechanische Impedanz Z = F/v berechnet.

Neben der Sinusschwingung lassen sich Offsetkräfte bis 15N einprägen. Die Steuerung des Messstandes erfolgt über LabView. Die Regelung, sowie die Messdatenerfassung sind im Netzwerkanalysator (Agilent 35670A) implementiert.

Um den Messplatz auszulegen wird das dynamische Übertragungsverhalten mittels elektromechanischer Netzwerktheorie modelliert und berechnet. Die Analyse ergibt für die Impedanz im Arbeitsfrequenzbereich ein lineares, überwiegend masseähnliches Verhalten mit einer Steigung um 20 dB/Dec. Resonanzeffekte treten erst außerhalb des Arbeitsfrequenzbereiches auf.

Eine Abschätzung ergibt eine theoretische Messunsicherheit des Messplatzes von 6,1 %.

Da zum Ende der Arbeit der ausgewählte Kraftsensor nicht vorliegt, wird die Charakterisierung des Messstandes mit dem Impedanzmesskopf Typ. 8001 von "Bruel und Kjaer" durchgeführt. Neben einer Impedanzmessung an der Kraftquelle werden die Kraftübertragung der Aktorik sowie die Form des ausgegebenen Kraft-und Wegsignals untersucht.

Durch die Charakterisierung wird die Übereinstimmung der mechanischen Eigenschaften des realisierten Messplatzes mit dem theoretischen Modell deutlich.

Der Messplatz bietet neben der Impedanzmessung die Option zur Aufnahme von Kraft-Weg-Kennlinien. Die Richtung der Messung kann über des entwickelte Stativsystem in drei Raumrichtungen stufenlos eingestellt werden.

Item Type: Seminar paper (Midterm)
Erschienen: 2010
Creators: Neupert, Carsten
Title: Universeller Messplatz zur Messung der mechanischen Impedanz
Language: German
Abstract:

Zusammenfassung:

In dieser Studienarbeit wird ein universeller Messplatz zur Messung der mechanischen Impedanz entwickelt, aufgebaut und seine Funktionsfähigkeit gezeigt. Dieser Messplatz dient zur Charakterisierung haptischer Mensch-Maschine Schnittstellen, sowie zur Vermessung der haptischen Eigenschaften von Nutzern, die mit diesen Systemen interagieren. Hierzu gehören neben Hand und Fingern auch die Vermessung von menschlichem Gewebe. Bei einer Messung koppelt der Messplatz eine sinusförmige Kraftamplitude in das Messobjekt ein. Hierzu erzeugt ein DC-Motor ein Moment, das mittels Seilgetriebe in eine lineare Bewegung eines Stößels gewandelt wird. Der Stößel dient dabei zur Krafteinkopplung in das Messobjekt. Die Kontaktkraft F wird während der Messung von einem piezoresistiven Kraftsensor (Althen ELFF) gemessen. Die aus der Anregung resultierende Wegantwort wird durch einen Lasertriangulator (MikroEpsilon ILD1700) gemessen und durch eine analoge Differenziererschaltung in eine Geschwindigkeit v gewandelt. Zur Messung wird die Kraftamplitude konstant gehalten (≤5 N) und in der Frequenz 0 < f < 20Hz variiert.

Aus den Messdaten F und v wird die mechanische Impedanz Z = F/v berechnet.

Neben der Sinusschwingung lassen sich Offsetkräfte bis 15N einprägen. Die Steuerung des Messstandes erfolgt über LabView. Die Regelung, sowie die Messdatenerfassung sind im Netzwerkanalysator (Agilent 35670A) implementiert.

Um den Messplatz auszulegen wird das dynamische Übertragungsverhalten mittels elektromechanischer Netzwerktheorie modelliert und berechnet. Die Analyse ergibt für die Impedanz im Arbeitsfrequenzbereich ein lineares, überwiegend masseähnliches Verhalten mit einer Steigung um 20 dB/Dec. Resonanzeffekte treten erst außerhalb des Arbeitsfrequenzbereiches auf.

Eine Abschätzung ergibt eine theoretische Messunsicherheit des Messplatzes von 6,1 %.

Da zum Ende der Arbeit der ausgewählte Kraftsensor nicht vorliegt, wird die Charakterisierung des Messstandes mit dem Impedanzmesskopf Typ. 8001 von "Bruel und Kjaer" durchgeführt. Neben einer Impedanzmessung an der Kraftquelle werden die Kraftübertragung der Aktorik sowie die Form des ausgegebenen Kraft-und Wegsignals untersucht.

Durch die Charakterisierung wird die Übereinstimmung der mechanischen Eigenschaften des realisierten Messplatzes mit dem theoretischen Modell deutlich.

Der Messplatz bietet neben der Impedanzmessung die Option zur Aufnahme von Kraft-Weg-Kennlinien. Die Richtung der Messung kann über des entwickelte Stativsystem in drei Raumrichtungen stufenlos eingestellt werden.

Uncontrolled Keywords: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Haptik, Impedanzmessplatz mechanisch, Krafterzeugung, Linearantrieb, Schwingungserzeugung
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Measurement and Sensor Technology
Date Deposited: 31 Aug 2011 10:22
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKS 1748

Art der Arbeit: Studienarbeit

Beginn Datum: 03-05-2010

Ende Datum: 09-09-2010

Querverweis: Projektseminar 18.256.4.3 S05, 17/24 EMKD 1597, 17/24 EMKD 1667

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

Identification Number: 17/24 EMKS 1748
Referees: Kassner, Dipl.-Ing. Sebastian and Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
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