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Bipolare Anregung von elektrostatischen Wanderkeilaktoren mit integrierter Zustandserkennung

Latsch, Bastian (2015):
Bipolare Anregung von elektrostatischen Wanderkeilaktoren mit integrierter Zustandserkennung.
TU Darmstadt, Institut EMK / FG M+EMS, [Bachelor Thesis]

Abstract

iel dieser Arbeit ist es, einen Laboraufbau bereitzustellen, der es ermöglicht, elektrostatische Wanderkeilaktoren anzuregen und gleichzeitig deren Zustand zu detektieren. Diese Aktoren sollen in einen Hohlleiter integriert werden, um elektromagnetische Terahertz-Wellen zu schalten. Daher muss die Zustandsüberwachung über die beiden Elektroden der Aktoren erfolgen. Die Anregung der Aktoren erfolgt mit einer bipolaren Rechteckspannung. Durch das abwechselnde Anlegen von +150 V und -150 V wird ein Einfangen von Ladungsträgern in das Dielektrikum der Wanderkeilaktoren verhindert. So wird ein Betrieb der Aktoren ohne stiction gewährleistet. Um eine mechanische Reaktion der Aktoren zu unterbinden, muss in unter 1 µs zwischen positiver und negativer Spannung umgeschaltet werden. Um das Schalten der Aktoren detektieren zu können, wird eine Zustandserkennung mittels kapazitiver Messung benötigt. Dazu werden unterschiedliche Verfahren zur Kapazitätsmessung analysiert. Des Weiteren werden Verfahren zur gleichzeitigen Anregung und Sensorik an dielektrischen Elastomer-Aktoren auf ihre Tauglichkeit geprüft. Aufgrund abweichender Anforderungen wird, basierend auf diesen Erkenntnissen, eine eigene Schaltung entworfen, aufgebaut und charakterisiert. Der Aktor wird als Kapazität in ein RC-Hochpass-Filter geschaltet, an das eine Rechteckspannung mit überlagerter hochfrequenter Trägerspannung gelegt wird. Über dem Widerstand wird die hochfrequente Spannung, auf der amplitudenmoduliert die Information zur Größe der Aktorkapazität vorliegt, abgegriffen und ausgewertet. Die Erzeugung des mit einem Sinussignal überlagerten Rechtecksignals erfolgt durch einen als Summierer verschalteten Operationsverstärker vom Typ Apex PA98. Aus der abschließenden Charakterisierung der aufgebauten Schaltung ergeben sich die in Tabelle 0.1 dargestellten Kennwerte. Es kann eine bipolare Rechteckspannung mit 25 V bis 150 V Amplitude und Frequenzen zwischen 30 Hz und 5 kHz sowie ein überlagertes Sensorsignal mit 10 V Amplitude und 1MHz Frequenz an den Wanderkeilaktor ausgegeben werden. Dabei findet eine Zustandserkennung des Aktors mit durchschnittlich �5 pF und maximal �15,2 pF Messunsicherheit statt. Die Flankensteigzeit beträgt im angegebenen Spannungs- und Frequenzbereich maximal 1,1 µs.

Item Type: Bachelor Thesis
Erschienen: 2015
Creators: Latsch, Bastian
Title: Bipolare Anregung von elektrostatischen Wanderkeilaktoren mit integrierter Zustandserkennung
Language: German
Abstract:

iel dieser Arbeit ist es, einen Laboraufbau bereitzustellen, der es ermöglicht, elektrostatische Wanderkeilaktoren anzuregen und gleichzeitig deren Zustand zu detektieren. Diese Aktoren sollen in einen Hohlleiter integriert werden, um elektromagnetische Terahertz-Wellen zu schalten. Daher muss die Zustandsüberwachung über die beiden Elektroden der Aktoren erfolgen. Die Anregung der Aktoren erfolgt mit einer bipolaren Rechteckspannung. Durch das abwechselnde Anlegen von +150 V und -150 V wird ein Einfangen von Ladungsträgern in das Dielektrikum der Wanderkeilaktoren verhindert. So wird ein Betrieb der Aktoren ohne stiction gewährleistet. Um eine mechanische Reaktion der Aktoren zu unterbinden, muss in unter 1 µs zwischen positiver und negativer Spannung umgeschaltet werden. Um das Schalten der Aktoren detektieren zu können, wird eine Zustandserkennung mittels kapazitiver Messung benötigt. Dazu werden unterschiedliche Verfahren zur Kapazitätsmessung analysiert. Des Weiteren werden Verfahren zur gleichzeitigen Anregung und Sensorik an dielektrischen Elastomer-Aktoren auf ihre Tauglichkeit geprüft. Aufgrund abweichender Anforderungen wird, basierend auf diesen Erkenntnissen, eine eigene Schaltung entworfen, aufgebaut und charakterisiert. Der Aktor wird als Kapazität in ein RC-Hochpass-Filter geschaltet, an das eine Rechteckspannung mit überlagerter hochfrequenter Trägerspannung gelegt wird. Über dem Widerstand wird die hochfrequente Spannung, auf der amplitudenmoduliert die Information zur Größe der Aktorkapazität vorliegt, abgegriffen und ausgewertet. Die Erzeugung des mit einem Sinussignal überlagerten Rechtecksignals erfolgt durch einen als Summierer verschalteten Operationsverstärker vom Typ Apex PA98. Aus der abschließenden Charakterisierung der aufgebauten Schaltung ergeben sich die in Tabelle 0.1 dargestellten Kennwerte. Es kann eine bipolare Rechteckspannung mit 25 V bis 150 V Amplitude und Frequenzen zwischen 30 Hz und 5 kHz sowie ein überlagertes Sensorsignal mit 10 V Amplitude und 1MHz Frequenz an den Wanderkeilaktor ausgegeben werden. Dabei findet eine Zustandserkennung des Aktors mit durchschnittlich �5 pF und maximal �15,2 pF Messunsicherheit statt. Die Flankensteigzeit beträgt im angegebenen Spannungs- und Frequenzbereich maximal 1,1 µs.

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 > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 22 Jun 2015 08:33
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv Institut EMK. Anfrage über Sekretariate

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKX xxxx X: S=Studienarbeit, D=Diplomarbeit, B=Bachelorarbeit, M=Masterarbeit, xxxx: Laufende Nummer

Art der Arbeit: Bachelorarbeit

Beginn Datum: 24-11-2014

Ende Datum: 23-04-2015

Identification Number: 17/24 EMKB1889
Referees: Schlaak, Prof. Helmut F.
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen Kapazitätsmessung Sensorelektronik Operationsverstärker Aktor elektrostatischUNSPECIFIED
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