Amateurfunk verbindet Menschen in der ganzen Welt

Accelerometer

Nein, das ist nun wirklich kein Amateurfunkprojekt. Aber interessant erscheint das Thema trotzdem. Der Auslöser, mich damit zu beschäftigen, ist die Totalsanierung unserer Straße. Dabei entsteht eine sehr große Schwingungsbelastung im Zuge von z.B. Arbeiten zur Erdverdichtung. Um Bauschäden zu vermeiden, gibt es daher auch Belastungsgrenzwerte. Ursprünglich wurde auch von einem Baugutachter empfohlen, dass die Stadt ein Schwingungsmessgerät bei uns aufstellen soll. Das hätte dann aber wohl die Baukosten gesprengt...... Es wurde keins aufgestellt.

Erste Versuche habe ich mit Piezo-Sensoren durchgeführt. Das funktionierte zwar sehr gut, der Nachteil ist aber, dass man nur quantitativ messen kann. Durch die hochohmige Anbindung der Sensoren sind die Eingänge leider auch empfindlich gegen Einstreuungen.


Erster Versuch mit Piezo-Sensoren


Auswertung des Piezo-Sensors, Verdichtungsarbeiten mit einer großen Rüttelplatte

Neuer Aufbau mit Accelerator-Chip
Anstelle der Piezo-Sensoren habe ich jetzt einen Accelerator-Chip verwendet. Und zwar den ADXL335. Hiermit kann jetzt auch qualitativ gemessen werden. Der Chip selbst reagiert auf die Erdbeschleunigung und liefert die Werte dann auch als Erdbeschleunigung. 1g entspricht etwa 300mV. Da kann man dann recht einfach in Beschleunigungswerte umrechnen. 1g entspricht 9,81m/s2.


Accelerometer mit ADXL335


Schaltplan des Accelerometers

Der Schaltungsaufwand  ist relativ gering. Außer dem Wifi-Modul und dem Accelerator-Chip ist noch eine Pufferstufe und ein 16-Bit A/D-Wandler verbaut.

Die Pufferstufe ist erforderlich, da die Ausgänge des ADXL335 mit 32K recht hochohmig sind und dem A/D-Wandler eine niedrige Quell-Impedanz angeboten werden soll. Außerdem befinden sich in den Ausgängen des ADXL335 noch Tiefpassfilter, welche nicht beeinflusst werden sollten. 

Den Chip gibt es auch, als ADXL345, direkt mit I2C-Anschluss, aber die Auflösung ist - für dem Messbereich bis 2g - deutlich geringer (10-Bit). Daher habe ich mich für diese Lösung mit externem 16-Bit-A/D-Wandler entschieden. Theoretisch kann hier auch die 18-Bit Version des Wandlers benutzt werden, aber dann steigt die Erfassungszeit deutlich an und die zeitliche Auflösung ist mir zu gering.

Mit dem externen 16-Bit-A/D-Wandler beträgt die Auflösung 0,00204375 m/s2.  Das ist mehr als ausreichend für genaue Messungen auch im unteren Bereich. Der Messbereich des ADXL335 beträgt +-3g. Für mich ist aber nur der untere Bereich bis etwa max. 1m/s2 interessant. Gemäß der EMSskala (European Macroseismic Scale) entspricht eine Beschleunigung von 0,3m/s2  bis 1m/s2  einem Erdbeben der Stärke VI. Das nur als Vergleich, um eine Vorstellung darüber zu bekommen, was die Werte bedeuten. Ab etwa 0,3m/s2 ist dann auch schon mit leichten Schäden an der Bausubstanz zu rechnen.

Leider liefert der ADXL aber keine exakten Werte. Die Auflösung für 9,81m/s2 liegt zwischen 270mV und 330mV; typisch 300mV. Daher ist in der Software noch ein Faktor vorgesehen, mit dem der Wert noch angepasst werden kann.

Um das Accelerometer als Schwingungssensor zu verwenden, wurde ein Taster vorgesehen, mit dem das Gerät auf den Standort kalibriert werden kann. Schon eine geringe Lageabweichung, z.B. aufgrund eines unebenen Untergrundes, führt schon zu einer Fehlanzeige. Ein Druck auf den "Cal"-Taster setzt die aktuellen Werte dann als Null-Werte ein. Die vorhandene Erdbeschleunigung in der Z-Achse wird hierbei wegkalibriert.


Verdichtungsarbeiten, dieses Mal auch qualitativ bewertet

Die Auswertung erfolgt auch hier mit der Software ComVisu. Die Anbindung erfolgt via WLAN oder auch direkt per USB. Die Versorgung der Wifi-Parameter erfolgt genauso, wie beim Ultraschall-Sensor-Wifi beschrieben.