Mechatronic Systems Laboratory. Ablauf, Einstiegstests


29 Beiträge in diesem Thema

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Das Labor findet zu 6 Terminen statt, wobei jeweils 2 zu einer Einheit zusammengefasst werden und zu jeder Einheit ein Protokoll zu erstellen ist. Die Übungsgruppen bestehen aus 2-3 Personen, je nach Anzahl der Teilnehmer. Die Einheiten sind

  • CD 1 & 2
  • Filter Implementation und Atomic Force Microscopy
  • Optical Systems & Sensor Principles und Controllability and Observability

Zu jedem Termin gibt es einen Einstiegstest. Im Plan sind nur die Termine zu den Einheiten eingeteilt, daher kann beim FI und AFM Termin, sowie OS&SP und CO Termin jede der beiden Übungen kommen, sodass man auf beides vorbereitet sein sollte.

Habe euch mal zusammengeschrieben, was als Einstiegstest gekommen ist:

  • CD 1 & 2: Für diese zusammenhängende Übung gibt es nur einen Einstiegstest bei der CD1-Übung.

1) Gegeben war ein homogenes B-Feld und eine Leiterschleife mit variabler Fläche. Zu berechnen war der magnetische Fluss und die Spannung bezgl. dieser Fläche.

2) Daraus sollten mit der Lorentzkraft die Motorkonstante Km = F / I und eine weitere Konstante ermittelt werden.

3) Invertierender OPV mit Biasstrom. Berechnen der Ausgangsspannung und diskutieren, welche Auswirkung der Rückkopplungswiderstand hat (je kleiner er ist, desto kleiner ist der Fehler durch den Leckstrom).

Was sonst noch kommen kann, ist was im CD-Skript steht: Durch Interferenz können die Pits auf der CD erkannt werden. Höhe der Pits auf lambda/4. Zuerst Focus Control, erst danach Tracking Control einschalten. Warum? S-Kurve aufzeichnen und erklären.

  • FI

Berechnen der Übertragungsfunktion eines OPV-Integrators. Vorsicht, instabil. Was passiert wenn ein Widerstand parallel geschaltet wird? -> Tiefpass. Bodediagramm zeichnen und Knickfrequenzen angeben.

  • AFM

Prinzip des Contact Modes erklären. Kraftkurve aufzeichnen je nach Distanz der Spitze zum Sample. Was passiert beim Entfernen?

  • OS & SP

Wheatstone Brücke erklären und die DMS so wählen, dass die Temperatur kompensiert wird -> Vollbrücke aus vier gleichen DMS.

  • CO

1) Die Modenform phi_n(x) in etwa nach Gleichung (3) im CO.pdf war gegeben. Aus den Randbedingungen d phi(0) / d x = 0 und d² phi(0) / d x² = 0 waren die Koeffizienten C_n und D_n zu bestimmen.

2) Weiters waren die Randbedingungen d phi(L) / d x = 0 und d² phi(L) / d x² = 0 gegeben. Daraus war B_n in Abhängigkeit von A_n zu berechnen. Zusätzlich sollte k_n bestimmt werden.

3) Mit den berechneten Koeffizienten war der erste und zweite Modus zu skizzieren.

Für die Einstiegstests muss man sich natürlich vorbereiten, sie sind aber keineswegs bösartig. Das trifft übrigens auch auf die Übung und die Betreuer zu :)

Stand: SS2014

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  • FI

Berechnen der Übertragungsfunktion eines OPV-Integrators. Vorsicht, instabil. Was passiert wenn ein Widerstand parallel geschaltet wird? -> Tiefpass. Bodediagramm zeichnen und Knickfrequenzen angeben.

kam bei uns auch.

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  • FI

Berechnen der Übertragungsfunktion eines OPV-Integrators. Vorsicht, instabil. Was passiert wenn ein Widerstand parallel geschaltet wird? -> Tiefpass. Bodediagramm zeichnen und Knickfrequenzen angeben.

Heute bei uns dasselbe, am einfachsten die Formel für den nichtinvertierenden Verstärker merken: G(s) = -Z2(s) / Z1(s). Dann die richtigen Impedanzen einsetzen und herausheben, dann sieht man ganz schön den Term der konstanten Verstärkung (-R2/R1) und das TPF (1 / (1+sR2C)). Damit kann man auch die Knichfrequenz schön zeichnen (jw = 1/(R2C)).

Achtung beim Phasengang: Weil die Schaltung invertierend ist, startet die Phase bei -180°!

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Bei uns kamen letzte Woche teils neue BSP:

CO:

1) Was ist der Unterschied zwischen mode shape und operating Deflation shape?

2) Wieder ein gegebenes phi_n(x) und gegebene Randbedingungen, nur halt ein wenig anders als das oben erwähnte BSP, aber genau gleich zu rechnen

3) Skizze dazu

SP + OS:

Im Anhang eine Skizze von dem BSP

Die Linsengleichung war netterweise sogar gegeben.

post-22401-0-09536800-1431183846_thumb.j

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AFM :

1. Welche zwei imaging modes gibt es bei AFM? Wo sind dabei die Unterschiede?

2. Vorteile und Nachteile von piezo actuators? Warum werden die bei AFM benutzt?

3. Wie viele actuators braucht man bei AFM? Welche Funktionen haben die jeweils?

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SP + OS:

Es war gefragt, eine Schaltung zu entwerfen, die V1 = E*(ia + ib - ic - id) sowie V2 = F*(-ia + ib - ic + id) liefert und weiters mit den verschalteten Bauelementen den Faktor E bzw. F auszudrücken.
Ich habe ganz einfach den vorderen Teil mit den transimpedance amplifiers aus dem OS Pdf Kapitel 4 aufgezeichnet. Und zwar 2mal - für V1 die Transistoren A und B bzw. C und D zusammengeschalten und dann nochmal für V2 wurden A und C bzw. B und D verschalten. Es ist noch darauf zu achten, dass der Verstärker ja invertierend ist und somit ist die Richtung des Spannungspfeils am Ausgang zu beachten! Die Werte der Widerstände habe ich für V1 bzw. V2 zu R1 bzw. R2 gewählt. Je nachdem wie sich der Strom zwischen den beiden Verstärkergruppen von V1 und V2 aufteilt, sind die Werte R1 proportional zu E und R2 proportional zu F.

bearbeitet von MichiZ90

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CO war wie bei den Vorgängern. Die Glg. zu Y(x) gegeben und anhand von Randbedingungen sollten die Koeffizienten A,B,C,D und beta bestimmt werden.

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kam bei uns auch.

Hallo!

Hatte Gestern die Laborübung und exakt das Gleiche kam bei uns auch!

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Ich werde hier im Laufe des Labors meine Erfahrung mit den Einstiegstests festhalten:

CO
Die Lösung des Gleichungssystems für Y war gegeben: Y(x)=A⋅sin(br⋅x)+B⋅cos(br⋅x)+C⋅sinh(br⋅x)+D⋅cosh(br⋅x)
Danach sollten für einen Balken, der an beiden (!) Endpunkten fixiert ist (siehe Figure 3 im Skript), die Koeffizienten berechnet werden. Schlussendlich sollten die Lösungskurven des ersten und zweiten Modes für A=1 gezeichnet werden.

SP
Eine Formel (siehe unten) für die Widerstandsänderung bei Dehnung bzw. Temperaturänderung war gegeben. Danach sollte man erläutern, warum es bei einer Wheatstone-Messbrücke vorteilhaft ist alle 4 Widerstände mit DMS-Elementen zu belegen wenn sich nur die Temperatur um ΔT (an allen DMS) ändert.
r = (C1⋅ε + C2⋅∆T)⋅R

OS
Diesen Test hab ich zwar nicht selbst bekommen, aber lt. Aussagen von Kollegen war ein optisches System mit 2 Linsen gegeben und man musste die Optische Strecke als Matrizen-Produkt anschreiben, also sowas wie: r2 = Ma3⋅Ml2⋅Ma2⋅Ml1⋅Ma1⋅r1
r1 beschreibt den Eingangsvektor und r2 den Ausgangsvektor eines Lichtstrahls (siehe Skript).

FI
Gegeben war die OPV-Schaltung eines PT1-Gliedes. Erste Aufgabe war, die Übertragungsfunktion einmal wie gegeben (also PT1) und einmal ohne dem Widerstand im Rückkopplungszweig (=Integrator) anzuschreiben. Beim zweiten Unterpunkt sollte man das Bode-Diagramm der PT1-Schaltung zeichnen. Wie hier öfters schon erwähnt wurde, sollte man das invertierende Verhalten der Schaltung berücksichtigen, das sich in einer zusätzlichen Phasenverschiebung von -180° äußert.

AFM
Beim ersten Unterpunkt sollte man das "Force/Deflection over Distance"-Diagramm zeichnen und die markanten Punkte beschreiben. Weiters war noch die Funktionsweise von Contact- und Tapping-Mode gefragt, wobei man eine Verbindung zu dem zuvor erstellten Diagramm herstellen sollte (Arbeitspunkt).

CD
Erstes Beispiel war ein Lorenz-Aktuator mit folgenden Daten: BackEMF = 1 V/(m/s), R=2Ω, Vmax=3V, Motorkonstante Km = 1 N/A. Daraus sollte man die maximal mögliche Kraft ermitteln. Zweitens war die Funktionsweise von Tracking Control beim CD-Player gefragt. Und Drittens war noch ein nicht-idealer OPV mit einer Offset-Spannung gegeben. Man sollte den am Ausgang auftretenden Fehler zufolge dieser Spannung ermitteln.

 

Das war's. Alles in allem ein sehr angenehmes Labor mit netter Betreuung und gut gewählten Experimenten. Klar sollte man immer alles vorbereiten und sich auch Gedanken über die Labordurchführung machen - dann sollte aber nix schiefgehen und einem auch die Einstiegstests keine Sorgen bereiten. Wenn man mal gar nix auf die Reihe bringt, so "darf" man dann in einem persönlichen Gespräch nochmal kurz beweisen, dass man sich eh mit der Materie befasst hat und weiß worum's geht. Bei CO wurde zB beinahe die gesamte Gruppe nochmal zu einem Einzelgespräch geholt - aber es wurde dann auch niemand nach hause geschickt. :D

bearbeitet von fuxi_andi
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Hatten gestern AFM und folgende Fragen sind gekommen:

1. Zwei Kraftkurven waren gegeben und wir mussten beschreiben welche Kräfte wann wirken (also bei approach und retraction). Bei der einen war ein großer Unterschied zwischen approach und retraction und bei der zweiten Kurve waren beide ident. Welche Schlüsse lassen sich daraus für das Material ziehen?

2. Welche zwei imaging modes gibt es bei AFM? Wo sind dabei die Unterschiede?

 

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hatte heute CD labor: zum einstiegstest kam
1) man sollte die Pit-höhe berechnen. hierzu waren 2 wellenlängen gegeben eine wellenlänge von luft und von polycarbonat man muss halt die richtige wählen.
pithöhe=lambda(polycarbonat)/4

2) warum zuerst focus control und dann erst tracking control?

3) realer invertierender verstärker war gegeben mit biasstrom. man sollte so weit ich es verstanden habe, die offsetspannung berechnen die zufolge des biasstrom auftritt.

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Ich werde hier im Laufe des Labors meine Erfahrung mit den Einstiegstests festhalten:

CO
Die Lösung des Gleichungssystems für Y(x) war gegeben: Y(x)=A⋅sin(br⋅x)+B*cos(br⋅x)+C⋅sinh(br⋅x)+D⋅cosh(br⋅x)
Danach sollten für einen Balken, der an beiden (!) Endpunkten fixiert ist (siehe Figure 3 im Skript), die Koeffizienten berechnet werden. Schlussendlich sollten die Lösungskurven des ersten und zweiten Modes für A=1 gezeichnet werden.

 

 Die Randbedingungen für fixierte Endpunkten sind:

Y (x) = 0, M(x) = EI*d2Y(x)/ dx2= 0, x = 0
Y (x) = 0, M(x) = EI*d2Y(x) /dx2= 0, x = L

Mein Problem ist es, dass ich nach der zweiten Ableitung, diese Koeffizienten bekomme, was nicht stimmen kann.

y(0)= B+D= 0 i y‘‘(0)= -B+D=0

Wie soll vorangegangen werden.

Lg

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 Die Randbedingungen für fixierte Endpunkten sind:

Y (x) = 0, M(x) = EI*d2Y(x)/ dx2= 0, x = 0
Y (x) = 0, M(x) = EI*d2Y(x) /dx2= 0, x = L

Mein Problem ist es, dass ich nach der zweiten Ableitung, diese Koeffizienten bekomme, was nicht stimmen kann.

y(0)= B+D= 0 i y‘‘(0)= -B+D=0

Wie soll vorangegangen werden.

Lg

Also ich komme auf das Gleiche. Die Koeffizienten ergeben sich bei mir zu B=C=D=0 und beta1 = pi / L sowie beta2 = 2*pi / L . Der Koeffizient A ist frei wählbar.

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bearbeitet von qerki

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SP
Eine Formel (siehe unten) für die Widerstandsänderung bei Dehnung bzw. Temperaturänderung war gegeben. Danach sollte man erläutern, warum es bei einer Wheatstone-Messbrücke vorteilhaft ist alle 4 Widerstände mit DMS-Elementen zu belegen wenn sich nur die Temperatur um ΔT (an allen DMS) ändert.
r = (C1⋅ε + C2⋅∆T)⋅R

Hatte heute SP und es kam genau das Gleiche!

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SP
Eine Formel (siehe unten) für die Widerstandsänderung bei Dehnung bzw. Temperaturänderung war gegeben. Danach sollte man erläutern, warum es bei einer Wheatstone-Messbrücke vorteilhaft ist alle 4 Widerstände mit DMS-Elementen zu belegen wenn sich nur die Temperatur um ΔT (an allen DMS) ändert.
r = (C1⋅ε + C2⋅∆T)⋅R

grüssi

hab hier ein kleines problem bei der Messbrücke. bei mir würde im endeffekt  wieder genau die änderung rauskommen nur ohne R also (C1⋅ε + C2⋅∆T). somit wäre mein temperatureinfluss in der messbrücke ja noch gegeben. aber ich mache doch eine wheatstone-brücke mit 4DMS damit das genau nicht der fall ist oder? kann mir pls wer weiterhelfen

hier mal meine rechnung

thx schon mal ;)

Brücke.png

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grüssi

hab hier ein kleines problem bei der Messbrücke. bei mir würde im endeffekt  wieder genau die änderung rauskommen nur ohne R also (C1⋅ε + C2⋅∆T). somit wäre mein temperatureinfluss in der messbrücke ja noch gegeben. aber ich mache doch eine wheatstone-brücke mit 4DMS damit das genau nicht der fall ist oder? kann mir pls wer weiterhelfen

hier mal meine rechnung

thx schon mal ;)

 

Brücke.png

hey, für diese Rechnung (nur Temperatur ändert sich) musst du R1=R2=R3=R4=R+r setzen;

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Hallo thx für antwort!

Kannst du mir den rechenweg kurz zeigen pls. I krieg da dann ja 0 raus wennn ich alles R+r setze und sollte nicht sowas wie c1* epsilon rauskommen?

mfg

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gib die Temperaturabhängigkeit nicht zu r sondern zu R
denn die Temperatur wirkt sich gleich aus egal ob gestaucht oder gedehnt wird (da ja alle DMS aus dem gleichen Material sind und somit den selben Temp. Koeffizienten besitzen).
also konkret sollte dein Ansatz mMn zu
R1 = R4 = R * (1 + c2 dT - c1 x)
R2 = R3 = R * (1 + c2 dT + c1 x)
werden und damit sollte die Temperaut eigentlich wieder rausfallen.

bearbeitet von maxl08

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FI von heute:

Zeichnen sie die analoge Schaltung des PI Reglers und berechnen sie die dazugehörigen Komponenten wenn Ki=10 und Kp=10

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SP von heute war wieder:

SP

Eine Formel (siehe unten) für die Widerstandsänderung bei Dehnung bzw. Temperaturänderung war gegeben. Danach sollte man erläutern, warum es bei einer Wheatstone-Messbrücke vorteilhaft ist alle 4 Widerstände mit DMS-Elementen zu belegen wenn sich nur die Temperatur um ΔT (an allen DMS) ändert.
r = (C1⋅ε + C2⋅∆T)⋅R

aber ACHTUNG Angabe genau lesen: man sollte nur die Temperaturabhängigkeit berechnen. d.h. ε ist null zu setzen (also wie zuvor auch schon beschrieben: R1 = R2 = R3 = R4 = R + C2*∆T*R)

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FI Einstiegstest am Dienstag war:
gegeben: targeted crossover frequency 100 Hz, Kp 10, Ki 10
1a) Berechne die nötige sampling frequency (meine Antwort mit "5-10x höher als 100 Hz" war korrekt)
1b) leite die Differenzengleichung eines PI-Reglers her. Als Hilfestellung war die Formel der Tustintransformation gegeben.
2) Realisiere für 1b) ein IIR Filter aus Addierern, Verstärkern und Delays.
auf die letzten beiden hab ich leider keine richtige Antwort parat, würd mich aber selbst interessieren ^^

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CO Einstiegstest am MI 21.03.2018
Unterschied zwischen Mode shape und operating deflection shape erklären.
Randbedingungen für einen schwebenden (nicht gelagerten) und nicht gebogenen Balken angeben.
Zwei Mode shapes sind gegeben, die Nodes und Anti-Nodes sind einzuzeichnen

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CO:
1) Bode Diagramm war gegeben (PT2): Man sollte die Polstellen in der komplexen Ebene einzeichnen für Dampfung zwischen 0 und 1 (nur qualitativ)

2) Man musste die Randbedingungen für einen frei-frei Balken angeben.

3) Für den frei-frei Balken waren die 2. und 3. Mode gezeichent: Nodes und Antinodes waren darin einzuzeichnen.

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OS vom 11.04.2018

1) Es war ein optischer Aufbau bestehend aus einer Quelle und zwei Konvexen Linsen gegeben. Für den zweidimensionalen Fall waren die Übertragungsmatrizen für Luft und für die Linsen gegeben. Es sollte für den Strahlengang die vollständige Transformation vom Eingangs- zum Ausgangsstrahl aufgestellt (so wie im Skriptum nur anstatt 4x4 hier mit 2x2) und die Matrizen ausmultipliziert werden. Da die Abstände der zwei Linsen 5f war und beide Linsen die Brennweite f hatten kürzt sich einiges weg und es kommt ein relativ einfacher Ausdruck raus.

2) Es sollte für den gleichen Aufbau berechnet werden, in welchen Abstand von der Linse 2 also q2 das Licht fokussiert wird, wenn das Licht vor der ersten Linse aus unendlich kommt. Am einfachsten ist die Berechnung mit der dünne Linsengleichung 1/p + 1/q = 1/f (diese Formel war aber nicht gegeben).

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