ARD VIB 01 - Piezo Vibrationssensor

Abb. 1: Piezo Vibrationssensor ARD VIB 01

Autor:	Niklas Reeker
Studiengang:	Business and Systems Engineering
Modul:	BSE-M-2-1.03, Hausarbeit in Angewandte Informatik
Betreuender Professor:	Prof. Dr.-Ing. Schneider
Semester:	Sommersemester 2024
Abgabetermin:	28.07.2024

Einführung

Der Piezo-Vibrationssensor ARD_VIB_01 wird zur Erfassung und Analyse von Vibrationen genutzt. Diese Vibrationen erzeugen durch den piezoelektrischen Effekt ein Spannungssignal, das proportional zur Stärke der Vibrationen ist. Solche Sensoren finden Anwendung in vielen Bereichen, von der Maschinenüberwachung bis zur Erdbebenforschung.

Dieser Artikel behandelt die technischen Spezifikationen, die Einrichtung, die Durchführung von Messungen sowie die Analyse der Ergebnisse des ARD_VIB_01. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Integration mit Arduino und Simulink, um präzise und zuverlässige Daten zu erhalten.

Aufgabenstellung

Messen Sie mit dem Piezo Vibrationssensor ARD VIB 01 die Stärke der auf den Sensor einwirkenden Vibrationen.

Anforderungen 

Tabelle 1: Anforderungen

Req.	Beschreibung	Priorität
1	Die Stärke von Vibrationen müssen mittels ARD VIB 01, Arduino und Simulink eingelesen 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	Stärke von Vibrationen müssen geeignet referenziert werden (z. B. Frequenzgenerator & Lautsprecher).	1
5	Der Messwert muss in eine passende physikalische Größe umgerechnet werden.	1
6	Die Messwerte müssen über der Zeit geeignet gefiltert werden.	1
7	Ein Piepton muss signalisieren, dass ein Vibrationsschwellwert überschritten wurde.	1
8	Die Stärke der Vibration muss als Ausschlag und Zahl auf einem LCD-Display korrekt angezeigt werden.	2

• Thema/Fragestellung: Bestimmung der Vibrationsintensität mittels ARD VIB 01, Arduino und Simulink
• Hypothese: Die Messung von Vibrationen mittels des ARD_VIB_01 Sensors erfolgt zuverlässig und fehlerfrei
• Einordnung in den Lehrplan: Die Anwendung des ARD_VIB_01 Sensors ist im Bereich der Messtechnik und Signalverarbeitung in der Informatik von Bedeutung. Sie ermöglicht praktische Erfahrungen in der Implementierung von Vibrationssensorik, die in Bereichen wie Maschinenüberwachung und Sicherheitsprüfungen weit verbreitet ist. Anhand dieses Praxisbeispiels werden in der Lernveranstaltung "Angewandte Informatik" folgende Lernziele vermittelt:
  
  • mit der Versionskontrolle SVN nachhaltig Quelltext (Simulink) entsprechend der Programmierrichtlinien schreiben und sichern.
  • die Mikrocontrollerplattform Arduino modellbasiert mit Simulink programmieren, so dass Sensoren eingelesen und Aktoren angesteuert werden können.

Des Weiteren wird ein tiefes Verständnis für die Sensortechnologie und ein Aufbau von einer Schaltung mit dieser gelehrt.

Projektbeschreibung

Tabelle 2: Materialliste

#	Anzahl	Material
1	1	PC mit MATLAB/Simulink R2022b
2	1	Sensor Sharp GP2-0430K
3	1	Arduino Uno R3
4	1	Streckbrett
5	5	Jumper Kabel, männlich/männlich, 20 cm

Beschreibung Funktionsweise der verwendeten Hard- und Software

• Arduino Uno R3
• Sensor Sharp GP2-0430K
• Simulink R2022b

Tabelle 3: Technische Daten

Messbereich	0 ° .. 180 °
PWM-Modulation	analog
PWM-Pulszykluszeit	20 ms
PWM-Pulsweite	500-2400 ms
Versorgungsspannung	4.0 V .. 7.2 V
Versorgungsstrom	20 mA
Geschwingigkeit	0,12 s/60 ° (@4,8 V, lastfrei)
Drehmoment	1,5 kg/cm (@4,8 V)
Gewicht	9 g
Getriebe	Kunststtoff
Arbeitstemperatur	0 °C .. +55 °C
Abmessungen	22,2 mm x 11,8 mm x 31 mm

Tabelle 4: Pinbelegung

Pin	Belegung	Signal
1	Versorgungsspannung VCC	5 V
2	Triggereingang	TTL-Pegel
3	Echo, Ausgang Messergebnis	TTL-Pegel
4	Masse (GND)	0 V

Versuchsaufbau und Durchführung

Versuchsaufbau

Abb. 2: Schaltplan

Abb. 3: Anschlussplan

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.

Anhang

Datenblätter

• joy-it Anleitung
• joy-it Datenblatt (DE)
• joy-it Manual (EN)
• joy-it Datasheet (EN)

Originaldateien

• PAP
• Schaltplan,...

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