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Hochauflösende integrierte Elektronik zur Auswertung dreiachsiger Kraftsensoren

Bilz, Johannes (2013):
Hochauflösende integrierte Elektronik zur Auswertung dreiachsiger Kraftsensoren.
TU Darmstadt, Institut EMK FG MuST, [Bachelor Thesis]

Abstract

Zur Verwendung in medizinischen Assistenzsystemen wurden am Institut EMK piezoresistive Miniaturkraftsensoren entwickelt. Diese ermöglichen über ein neuartiges Auswerteverfah- ren, das am Institut EMK entwickelt wurde, die Berechnung eines dreiachsigen Kraftvektors aus vier zu einer Vollbrücke angeordneten Einzelwiderständen. Im Rahmen der vorliegenden Bachelorarbeit wird eine Elektronik entwickelt, die in der Lage ist, dreiachsige Kraftsensoren nach dem oben genannten Verfahren auszuwerten. Hierfür soll eine Stromspeisung zur Verfügung gestellt werden. Der Strompfad muss im Betrieb umge- schaltet werden können. Weiterhin sollen Differenzspannungen gemessen, verstärkt und in Digitalwerte gewandelt werden. Das System soll Kraftsignale bis zu einer Frequenz von 1 kHz mit einer Latenz von höchstens 100 ms darstellen können. Die von der Elektronik verursach- te Messunsicherheit soll kleiner als 2 mN sein. Das System soll mit einer möglichst geringen Anzahl an Komponenten auf einer Platinenfläche von weniger als 2*2 cm realisierbar sein. Dies ermöglicht z.B. den Einbau in Anschlussstecker. Zunächst werden verschiedene Möglichkeiten zur Auswertung der Kraftsensoren verglichen und untersucht. Anschließend werden am Markt verfügbare Systeme zur Auswertung klassi- scher Wheatstone-Brücken auf ihre Eignung für das neuartige Auswerteverfahren untersucht. Hierfür werden die verfügbaren IC’s in die folgenden Gruppen unterteilt: 1) IC’s, die spezi- ell zur Auswertung von Wheatstonebrücken angeboten werden. 2) Analog-Frontends, die z.B. als Mehrkanal Temperaturerfassungssysteme angeboten werden, sich aufgrund ihrer integrierten Analog-Komponenten jedoch zur Auswertung von dreiachsigen Kraftsensoren eignen. Die Gruppe der Analog-Frontends teilt sich noch einmal in Systeme mit integriertem Mikrocontroller, wie den ADuCM360 von Analog Devices, und reine Analog-Frontends, wie den ADS1248 und ADS1258 von Texas Instruments. Für die anschließende Bewertung werden erzielbare Abtastrate, der benötigte Bauraum so- wie die zu erwartende Messunsicherheit berechnet. Ausgehend von dieser Bewertung wird ein Gesamtkonzept ausgewählt und ein Demonstrator aufgebaut. Der Demonstrator besteht aus dem Analog-Digital-Wandler ADS1258 mit einer Auflösung von 24 Bit, der digital pro- grammierbaren Stromquelle AD5543 mit einer Auflösung von 16 Bit und einem maximalen Strom von 2 mA und dem programmierbaren Differenzverstärker MAX5543 mit einem Ver- stärkungsbereich von 1-128. Für diese Lösung wird der zeitliche Ablauf der Vektormessung analysiert und die theoretisch mögliche Abtastrate und Latenzzeit wird für verschiedene Kon- figurationen berechnet. Hierbei ergibt sich eine erzielbare Abtastrate von 4,6 kSPS bei einer Latenz von 360 µs. Der maximale errechnete Messfehler wird zu 0,38 mN bestimmt. Mit der aufgebauten Demonstratorplatine mit den Abmessungen 4,5*5 cm werden die vor- her theoretisch aufgestellten Werte verifiziert. Die benötigte Platinenfläche kann auf unter 2*2 cm reduziert werden.

Item Type: Bachelor Thesis
Erschienen: 2013
Creators: Bilz, Johannes
Title: Hochauflösende integrierte Elektronik zur Auswertung dreiachsiger Kraftsensoren
Language: German
Abstract:

Zur Verwendung in medizinischen Assistenzsystemen wurden am Institut EMK piezoresistive Miniaturkraftsensoren entwickelt. Diese ermöglichen über ein neuartiges Auswerteverfah- ren, das am Institut EMK entwickelt wurde, die Berechnung eines dreiachsigen Kraftvektors aus vier zu einer Vollbrücke angeordneten Einzelwiderständen. Im Rahmen der vorliegenden Bachelorarbeit wird eine Elektronik entwickelt, die in der Lage ist, dreiachsige Kraftsensoren nach dem oben genannten Verfahren auszuwerten. Hierfür soll eine Stromspeisung zur Verfügung gestellt werden. Der Strompfad muss im Betrieb umge- schaltet werden können. Weiterhin sollen Differenzspannungen gemessen, verstärkt und in Digitalwerte gewandelt werden. Das System soll Kraftsignale bis zu einer Frequenz von 1 kHz mit einer Latenz von höchstens 100 ms darstellen können. Die von der Elektronik verursach- te Messunsicherheit soll kleiner als 2 mN sein. Das System soll mit einer möglichst geringen Anzahl an Komponenten auf einer Platinenfläche von weniger als 2*2 cm realisierbar sein. Dies ermöglicht z.B. den Einbau in Anschlussstecker. Zunächst werden verschiedene Möglichkeiten zur Auswertung der Kraftsensoren verglichen und untersucht. Anschließend werden am Markt verfügbare Systeme zur Auswertung klassi- scher Wheatstone-Brücken auf ihre Eignung für das neuartige Auswerteverfahren untersucht. Hierfür werden die verfügbaren IC’s in die folgenden Gruppen unterteilt: 1) IC’s, die spezi- ell zur Auswertung von Wheatstonebrücken angeboten werden. 2) Analog-Frontends, die z.B. als Mehrkanal Temperaturerfassungssysteme angeboten werden, sich aufgrund ihrer integrierten Analog-Komponenten jedoch zur Auswertung von dreiachsigen Kraftsensoren eignen. Die Gruppe der Analog-Frontends teilt sich noch einmal in Systeme mit integriertem Mikrocontroller, wie den ADuCM360 von Analog Devices, und reine Analog-Frontends, wie den ADS1248 und ADS1258 von Texas Instruments. Für die anschließende Bewertung werden erzielbare Abtastrate, der benötigte Bauraum so- wie die zu erwartende Messunsicherheit berechnet. Ausgehend von dieser Bewertung wird ein Gesamtkonzept ausgewählt und ein Demonstrator aufgebaut. Der Demonstrator besteht aus dem Analog-Digital-Wandler ADS1258 mit einer Auflösung von 24 Bit, der digital pro- grammierbaren Stromquelle AD5543 mit einer Auflösung von 16 Bit und einem maximalen Strom von 2 mA und dem programmierbaren Differenzverstärker MAX5543 mit einem Ver- stärkungsbereich von 1-128. Für diese Lösung wird der zeitliche Ablauf der Vektormessung analysiert und die theoretisch mögliche Abtastrate und Latenzzeit wird für verschiedene Kon- figurationen berechnet. Hierbei ergibt sich eine erzielbare Abtastrate von 4,6 kSPS bei einer Latenz von 360 µs. Der maximale errechnete Messfehler wird zu 0,38 mN bestimmt. Mit der aufgebauten Demonstratorplatine mit den Abmessungen 4,5*5 cm werden die vor- her theoretisch aufgestellten Werte verifiziert. Die benötigte Platinenfläche kann auf unter 2*2 cm reduziert werden.

Uncontrolled Keywords: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen
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: 11 Sep 2013 12:01
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv Institut EMK. Anfrage über Sekretariate

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKB 1810

Bachelorarbeit

Beginn Datum: 17-10-2012

Ende Datum: 17-03-2013

Identification Number: 17/24 EMKB 1810
Referees: Werthschützky, Prof. Roland
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