Membran Drucksensor FSR402

Abb. 1: Membran Drucksensor FSR402

Autorin:	Dorothea Tege
Studiengang:	Business and Systems Engineering
Modul:	BSE-M-2-1.03, Hausarbeit in Angewandte Informatik gehalten von Prof. Dr.-Ing. Schneider
Semester:	Sommersemester 2024
Abgabetermin:	28.07.2024

Einführung

Der FSR402 (Force Sensitive Resistor) ist ein druckempfindlicher Sensor, der verwendet wird, um die ausgeübte Kraft zu messen. Er funktioniert, indem er seinen Widerstand ändert, wenn Druck auf seine Oberfläche ausgeübt wird. Diese Widerstandsänderung kann in eine analoge Spannung umgewandelt werden, die proportional zur ausgeübten Kraft ist. In Simulink wird diese analoge Ausgangsspannung genutzt, um die Kraft zu berechnen.

Aufgabenstellung

Messen Sie die Kraft mittels Membransensor.

Anforderungen 

Tabelle 1: Anforderungen

Req.	Beschreibung	Priorität
1	Die Kraft muss mit Kraftdrucksensor FSR402 mittels Arduino und Simulink gemessen werden.	1
2	Der Messbereich muss bestimmt werden.	1
3	Die Messunsicherheit (1σ) muss für den Messbereich ermittelt und als Vertrauensbereich angezeigt werden.	1
4	Der Sensor muss kalibriert werden.	1
5	Für den Messbereich muss die Kraft referenziert werden.	1
6	Die Messwerte müssen über der Zeit gefiltert werden.	1
7	Ein Piepton muss anzeigen, wenn der Messwert stabil/konstant ist.	1
8	Das Sensorsystem muss die Kraft in N auf dem LCD-Display anzeigen.	2

• Thema/Fragestellung: Messung der Kraft mit dem Membransensor FSR402
• Hypothese: Die Kraft lässt sich im Bereich von 0.1 N bis 10 N fehlerfrei messen.
• Einordnung in den Lehrplan

Projektbeschreibung

Tabelle 2: Materialliste

#	Anzahl	Material
1	1	PC mit MATLAB/Simulink R2022b
2	1	FSR402
3	1	Arduino Uno R3
4	1	Streckbrett
5	5	Jumper Kabel, männlich/männlich, 20 cm
6	1	LCD-Dispaly
7	1	Buzzer

Beschreibung Funktionsweise der verwendeten Hard- und Software

• Arduino Uno R3: Der Arduino Uno R3 ist ein Mikrocontroller, der auf einem ATmega328P basiert. Er dient als Steuerungssystem aller verbauten Hardwarebausteine.

• FSR402: Der Membransensor ist ein Drucksensor (Force Sensing Resistor), der den Widerstand ändert, wenn Druck ausgeübt wird. Er wird verwendet, um den Druck zu messen.

• Simulink R2022b: Das Programm ist eine grafische Programmiersoftware von MathWorks. Simulink dient zur Modellierung, Simulation und Analyse der angeschlossenen Hardware.

• LCD-Display: Der Display wird für die Anzeige der Kraftmessung in N verwendet.

• Steckbrett: Das Steckbrett dient zur Entwicklung von Schaltungen und ermöglicht das einfachen Einstecken und Verbinden von elektronischen Komponenten ohne Löten.

• Jumperkabel: Die flexiblen Kabel verbinden die einzelnen Komponenten auf dem Steckbrett.

• Buzzer: Der Buzzer erzeugt Töne, wenn die Kraft auf dem Membransensor konstant ist.

Technische Daten

Messbereich	0.1 N - 10 N
Versorgungsspannung	3.3 V .. 5 V
Wiederholgenauigkeit	±2 %
Widerstand ohne Belastung	10 MΩ
Kraftempfindlichkeitsbereich	1 kΩ
Gewicht	0.5 g
Getriebe	Kunststtoff
Arbeitstemperatur	-30 °C .. +70 °C
Dicke	0.45 mm
Durchmesser	18.28 mm

Pinbelegung

Pin	Belegung	Signal
1	Versorgungsspannung VCC	5 V
2	Analoger Eingang (A0)	0.3 V .. 5 V
3	Masse (GND)	0 V

Versuchsaufbau und Durchführung

Versuchsaufbau

Abb. 2: Anschlussplan

Abb. 2: Schaltplan

Abb. 4: Foto des Versuchsaufbaus

Der Versuchsaufbau wird durch einen Schaltplan (Abb. 2), Anschlussplan (Abb. 3) und Foto des Aufbaus (Abb. 4) dokumentiert.

Versuchsdurchführung

Abb. 5: Simulink-Modell

Das Modell zur Datenverarbeitung wurde gemäß Abb. 5 in Simulink aufgebaut. Die Messdaten wurden aufgezeichnet. Ein Video der Versuchsdurchführung findet sich hier.

Modelleinstellungen: Arduino Uno, Solver: Fixed-step, discrete, Abtastrate: 0,001 s

Versuchsbeobachtung

Abb. 6: Darstellung des Rohsignals des IR-Entfernungssensors (rote Kurve)

Abb. 7: Darstellung von dynamischen Messwerten des IR-Entfernungssensors

Das Signal des Sensors weist alle 40 ms systematische Ausreisser auf (vgl. Abb. 6, rote Kurve).

Auswertung

Die Messhypothese wurde verworfen. Der Sensor weist systematische Messwertausreisser auf.

Die Ausreisser lassen sich mit einem Signalfilter eliminieren. Hierzu eignet sich ein Rangordnungsfilter (z. B. Median-Filter). Das Filter wird hierzu auf eine Fensterbreite von 30 Werten eingestellt. Das zufriedenstellende Filterergebnis für statische Werte zeigt Abb. 6 als blaue Kurve. Es konnte mit dynamische Werten verifiziert werden (vgl. Abb. 7). Das Datenblatt ([2, S. 6]) belegt die Messungen und bezeichnet die Messausreisser als "instabile Ausgabe" für maximal 5 ms alle 40 ms. Mit 50 Werten erhöht sich die Filterwirkung, es entsteht jedoch ein Delay von 10 ms. Mit 10 Werten ist die Filterwirkung zu gering.

Zusammenfassung und Ausblick

• Zusammenfassung der Kapitel 1-4
• Diskussion der Ergebnisse
• Ausblick
• Selbstreflexion/Lessons learned

Ergebnisvideo

Binden Sie hier Ihr Ergebnisvideo ein.

Anleitung: Videos im Wiki einbinden

Lernzielkrontrolle

Beantworten Sie in Ihrem Artikel die Lernzielkontrollfragen.

Lernzielkontrollfragen 

1. Wie funktioniert der Primärsensor technisch?
2. Welche Leistungsmerkmale hat der Sensor?
3. Wie funktioniert die Umsetzerschaltung technisch?
4. Wie kommuniziert der Sensor mit dem Arduino?
5. Muss der Sensor kalibriert werden?
6. Wie wird der Messwert in die zu messende physikalische Größe umgerechnet?
7. Was nutzen Sie als Referenz?
8. Benötigt der Sensor eine Kennlinie?
9. Welchen Messbereich hat das Signal am Ende der Messkette?
10. Welche Messunsicherheit und welcher Vertrauensbereich hat das Signal am Ende der Messkette für den gesamten Messbereich?
11. Welche Auflösung hat das Signal am Ende der Messkette? Wodurch wird die Auflösung bedingt?
12. Weist das Signal am Ende der Messkette einen systematischen oder zufälligen Fehler auf?
13. Welche Fehlereinflüsse hat die Messung? Muss z. B. die Temperatur der Messung berücksichtigt werden?

Literatur

Zitieren Sie nach DIN ISO 690:2013-10.

https://cdn.sparkfun.com/assets/8/a/1/2/0/2010-10-26-DataSheet-FSR402-Layout2.pdf

Anhang

• Datenblätter
• Simulink-Modell
• Originaldateien (PAP, Schaltplan,... )

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