Fadenstärke messen und erfassen

  • Hallo zusammen,

    Bisher habe ich einige Projekte mit Hilfe dieses Forums „nachbauen“ können, was die Begeisterung für die Raspis nicht hat kleiner werden lassen J

    Es macht echt Spaß zu erleben, wie vielseitig die kleinen Kistchen sein können.

    Gestern hat mir dann ein Bekannter davon erzählt, dass er oft Material auf Spulen hat, das in der Dicke schwankt.

    Da hat mich natürlich gleich die Frage beschäftigt, ob man nicht etwas wie folgt basteln könnte:

    Eine Vorrichtung, die einen Faden von einer auf eine andere Spule „umspult“ und dabei die Dicke des Fadens auf Abweichungen zum Sollwert prüft.

    Idealerweise optisch, es handelt sich um sowas wie eine Angelschnur.

    Beim googeln bin ich auf so Lösungen wie „optische Mikrometer“ gestoßen, allerdings nur von hoch spezialisierten Firmen zu entsprechenden Preisen erhältlich.

    Aktuell scheitere ich aber schon daran, welche Art von Sensor sich hierfür eignen würde…
    Evtl. das Raspi-Kameramodul selbst?
    (Wenn man anhand einer Anzahl von Pixeln in einer Linie die Breite des Fadens „loggt“?)
    Da müsste aber der Abstand Faden-Cam absolut konstant bleiben, sonst Fehlmessungen.

    Neben dem Raspi B+ habe ich noch einen Odroid XU3 hier, den ich hierfür nehmen könnte.

    Denke, je nach Geschwindigkeit des Fadens kommt irgendein Parameter der Messwerterfassung ans Limit.

    Nochmal kurz die Randinfos:
    Solldicke: 0,25mm +/- 0,05mm
    Geschwindigkeit: so schnell wie möglich J

    Ich vermute eine Kostruktion, die entsprechend stabil ist bekomme ich hin.

    Für jeden Input und Vorschläge bin ich echt dankbar.
    Stehe noch etwas auf dem Schlauch.

    Grüße

    Mark

  • Hallo Mark0581,
    eine Optische Lösung sehe ich an dieser Stelle nicht, dafür sind die Toleranzen zu klein. Um das zu prüfen, müsste man mal Auflösung/Fokusabstand/AngleOfView einer Kamera herausfinden um dann zu berechnen, wie viele Pixel ein 0.25mm breiter Strich besitzt.


    Das einzige Lösungsprinzip, was mir dazu einfällt ist, zwei Walzen zu nehmen, wobei eine Walze feste ist und eine zweite Rolle mit einer Feder auf die erste Rolle gedrückt wird (mit einer Kraft X). Der Faden wird dann zwischen den beiden Walzen geführt drückt die gefederte Walze nach außen, wodurch sich die Kraft ändert. Diese Kraft wird aufgenommen (DMS+ Verstärkung?) und kann dann mit dem Hookesches Gesetz wieder in eine Länge überführt werden. (vllt. kann man auch eine digitale Schieblehre "hacken", um so an die Positionsänderung zu kommen).
    Die Lösung setzt allerdings voraus, dass sich die Schnur nicht verformt, wenn man sie mit einer Kraft X quer belastet.


    Gruß
    Chris


    PS: Auch bedenken, dass mit steigender Geschwindigkeit die benötigte Längskraft größer wird und damit die Schnur gedehnt wird, wobei der Durchmesser kleiner wird.

  • Mit einem USB-Mikroskop ?
    Allerdings sind die Frames per Sek. sehr beschränkt und bei der wahrscheinlichen Umspulgeschwindigkeit nur grobe Stichproben messbar.



    Servus !

    RTFM = Read The Factory Manual, oder so

  • Hallo Mark,


    vor etlichen Jahren habe ich mir mal ein USB-Mikroskop gekauft. Dieses ist in der Lage, einen Video-Stream an einen Computer zu senden. Vermutlich machen die heutigen Exemplare das immer noch.


    Dann musst Du eigenlich nur die Breite des Fadens bestimmen, indem Du den Abstand zweier extremer Kontraste ermittelst. Pixelanzahl und pysikalische Breite musst Du dann nochmals kalibrieren.


    Der Rest (Geschwindigkeit, mit der der Faden an der Kamera vorbeigezogen werden kann - Abstand Faden Kamera - Fokussierung - VErgrößerung - Auflösung - etc.) ist dann eher eine Sache des Ausprobierens.


    Wenn der RPi auch den Motor steuert, der den Faden an der Kamera vorbeizieht, dann wird das ein spaßiges Projekt.


    Beste Grüße


    Andreas

    Ich bin wirklich nicht darauf aus, Microsoft zu zerstören. Das wird nur ein völlig unbeabsichtigter Nebeneffekt sein.
    Linus Torvalds - "Vater" von Linux

    • Icon-Tutorials (IDE: Geany) - GPIO-Library - µController-Programmierung in Icon! - ser. Devices - kein Support per PM / Konversation

    Linux is like a wigwam, no windows, no gates, but with an apache inside dancing samba, very hungry eating a yacc, a gnu and a bison.

  • Die Geschwindigkeit optischer Abtastungen steht und fällt mit der Framerate.
    Übliche USB-Cams haben ca. 20-60Frames/sec. damit kannst du quasi mit 20...60 Stichproben pro Sekunde abtasten (Signalverarbeitungsgeschwindigkeit mal nicht berücksichtigt...)


    Ich würde (ohne Gewähr auf Erfolg!!) mal eine kapazitive Abtastung versuchen:
    Der Faden wird durch ein Loch gezogen. Diese Loch wird durch 2 metallische Halbschalen gebildet, welche voneinander isoliert sind.
    Die Halbschalen bilden einen Kondensator, dessen Dielektrikum durch die Luft und der durchlaufende Faden bestimmt wird.


    Dieser Kondensator stellt einen Teil eines Schwingkreises dar, dessen Frequenz von der Fadendicke abhängig ist (und sich in Form von Frequenzänderungen darstellt).
    Mit ausreichend hoher Grundfrequenz ( ca. 100kHz) dürften mehrere m/sec abtastbar sein (lückenlos!)...


    Voraussetzung ist, dass das Material des Fadens gleichbleibend ist, also die Messung immer nur für ein Material gilt und auch die Feuchte des Materials eine Rolle spielt.
    Wenn das ein Faden aus Kunststoff ist, sollte das aber keine Rolle spielen...

  • Mir fällt noch ein, zwecks höherer Abtastrate:


    Einen Laserstrahl (ev. Strichlaser) nach dem Faden mit einer Linse streuen und mit übereinander angeordneten Sensoren den Hell/Dunkel Anteil ermitteln.


    Oder, ohne Linse, nach dem Lochkameraprinzip, nur ist der Faden nahe am Loch und die "Mattscheibe" mit den Sensoren weiter weg und die Wellenlänge der Fadenbeleuchtung muss mit den Sensoren zusammenpassen.



    Servus !

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    Edited once, last by RTFM ().

  • Hallo,


    Vielen Dank für die echt interessanten Ansätze.


    Ich denke am "einfachsten " umzusetzen wäre die Sache mit einem USB Mikroskop. Mit entsprechender Vergrößerung kann ein einzelner Pixel auch einem sehr, sehr kleinen Maß entsprechen, womit die Messung sicher ausreichendie genau möglich wäre.


    Ziemlich charmant ist auch die kapazitive Messung, aber da müsste ich mich noch sehr tief in die Materie einarbeiten. (Bin Maschinenbauing., da sind die Raspis ja schon Neuland:-)


    Die Lasersache find ich auch sehr gut, erfordert aber auch einen sehr hoch auflösenden Sensor auf der Gegenseite, oder?
    Denn Vergrößerung ist hier ja keine gegeben.



    Danke
    Grüße
    Mark


  • Die Lasersache find ich auch sehr gut, erfordert aber auch einen sehr hoch auflösenden Sensor auf der Gegenseite, oder?
    Denn Vergrößerung ist hier ja keine gegeben.


    Je nach verwendeter Linse(nkombination) kannst du da auch eine Vergrößerung erreichen. Dein USB-Mikroskop macht ja nichts anderes als Licht über Linsen auf einen Sensor zu projizieren.

  • Stimmt,


    Linie wird ja durch die Linse erzeugt... Somit Entfernung zum Sensor usw....strahlensatz:-)


    Denkfehler:-)


    Dann schau ich mal nach einer brauchbaren laser-sensorkombination und ob ich noch das dem raspi irgendwie beibringen kann :thumbs1:

    Edited once, last by Mark0581 ().

  • Hallo Mark



    Ich habe SensoreN gemeint, keinen Bildsensor. Jede Art von Photohalbleiter, egal, ob Phototransistot, IR-Empfänger, Photodiode oder -Widerstand. Sie müssen nur zwischen Laserlicht und kein Laserlicht (dunkel=Faden) unterscheiden können. Und davon brauchst Du nach der Linse, am "Messbalken" - je nach Auflösung - 16, 32 oder 64 übereinander, allenfalls zick-zack versetzt. Dann werden z.B. die 8 + 8 inneren und danach die 8 + 8 äusseren (bei 32 Stk) per Multiplexer abgefragt und seriell, oder paralell an den pi byteweise (je 8 bit) übergeben. Der Vorteil läge in der Erfassungsgeschwindigkeit.


    Wenn Du mit Bildsensor (USB-Mikroskop) selbst mit 60 Frames/sec den Faden alle 1 cm abtastest, kommt der Faden in jeder Sekunde nur 60 cm weit, in der Minute 36 m und in der Stunde 2160 m. Die Auswertezeit noch gar nicht mitgerechnet.



    Servus !

    RTFM = Read The Factory Manual, oder so

  • Das Hauptproblem aller bisher ventilierten optischen Erfassungsysteme dürfte die sehr hohe Anforderung bzgl. der Fadenführung im Bereich der Abtastzone sein:
    Der Faden muss quasi exakt im Fokuspunkt der opt. Abtastung laufen und darf keinerlei Vibrationen (horizontal/vertikal) zu seiner Laufrichtung aufweisen.
    Diese Fadenführung dürfte das anspruchsvollste sein, weil, wenn der Faden "vibriert", täuscht das ggf. eine wechselnde Dicke vor, die ggf. aufwendig rausgerechnet werden muss und die Auswertezeit evtl. derart verlängert, dass nur noch wenige cm/sec drin sind...


    Vermutlich sind die industriellen Systeme deswegen auch so teuer, weil die einerseits robust sein müssen, aber eben auch (reproduzierbar) genau und zuverlässig.

  • Zentris,


    nein, meine vorgeschlagene Methode hat keinerlei Anforderung an die Fadenführung. Der Faden muss nur im Sichtbereich des Mikroskops liegen. Dann wird der Bereich des stärksten Kontrast (Hell-Dunkel) als Ausdehnung des Fadens genommen. Der Rest ist Kalibrierung (1 Pixel = x,y µm). Bei meiner "Methode" kann der Faden auch "pendeln".


    Sollte das doch zu einem Problem führen: Eine Positionierung durch eine Rollenführung ist nun auch kein Hexenwerk (s. Kassettenrekorder).


    Beste Grüße


    Andreas

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  • Ja klar, Rollenführung mit Kegelrollen zum Zentrieren sind schon mal eine Grundvorausetzung... (und echt kein Hexenwerk :lol: )


    Wobei: Bei Bandmaschinen sind die Geschwindigkeiten ja mit 19/9,5/4,75 cm/sec. recht überschaubar... und das Band wird auf den Tonkopf gedrückt, was ein Flattern zusätzlich unterdrückt/dämpft...


    BTW:
    Ich habe mal vor Jahren mit Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen zu tun gehabt... (bis zu 100.000Bilder/sec)....:


    Was sich da "unsichtbar" mit den verschiedensten Materialien abspielt, ist faszinierend...
    Sekundenzeiger von Armbanduhren verbiegen sich und pendeln wie bei einer Turmuhr auf den neuen Ruhepunkt ein, Schwingungsbäuche an Formteilen, die man überhaupt nicht sieht (normalerweise) und die dann mit der Zeit zu Ermüdungsbrüchen führen...


    Ich denke, nur die Praxis wird die Theorie bestätigen. Insofern hoffe ich, dass der TO wenigstens einen der Vorschläge realisiert und uns berichten wird / teilhaben läßt..... :thumbs1:

  • Hi,

    nochmals vielen Dank für den „Hirnschmalz“, den ihr hier einbringt.
    Sind Ansätze, auf die ich wohl so nicht gekommen wäre.

    Wie man an der Anzahl meiner Posts erahnen kann, ist die Programmierschiene doch noch sehr neu für mich. Ich quäle mich eben durch ein 200 Seiten Python pdf-Tutorial um dieses nun mal (beginnen) zu verstehen.

    Bisher mehr in der Netzwerktechnik, FHEM aktiv gewesen, möchte ich nun auch die Hintergründe irgendwann verstehen.

    Aber das ist doch verdammt umfangreich….
    Ideen hat man schon, nur an der Umsetztung haperts L…….

    Irgendwie wird’s aber doch mal klappen, wenn man sich reinbeißt.


    Noch eine Frage zum Hardwaresetup:
    Ganz banal, damit wir vom gleichen Prozess reden, habe ich nochmal eine Skizze Laser-Faden-SensoreN J angehängt.
    Weil irgendwie hat es mich verwirrt, da ich manche Beiträge so verstanden habe:
    Laser – Faden – Linse – Sensoren?
    Oder wäre das besser aus irgendwelchen Lichtbeugungstechnischen Gründen?

    Weiteres habe ich Fotodiodenarray gefunden, da meiner bescheidenen Meinung nach passen könnte
    TAOS - TSL1401CL 128 × 1 LINEAR SENSOR ARRAY WITH HOLD

    Problem bei der voreschlagenen Lösung (mit einzelnen Sensoren und Multiplexern) sehe ich in der Auflösung, da der Strich des Lasers ja recht schmal, die Dioden entsprechend groß sind.

    Da wäre doch ein Array mit entsprechender Auflösung nicht schlecht, oder?

    Sorry für den Haufen an Detailfragen, aber ich habe wohl leider das falsche studiert ;)

    Grüße
    Mark

  • Das Array aus den Photodioden sieht mir nach einer schönen Lösung aus.


    Bei deinem Bild fehlt meiner Meinung nach noch eine Linse zwischen Faden und Array, so solltest du eine viel bessere Abbildung bekommen (je nach Brennweite sogar mit Vergößerung). Außerdem streut ein (optimaler) Laser nicht, sondern der Strahl bleibt weitestgehend so breit, wie er die Laserdiode verlässt.


    Off Topic: PS: Die Beiträge hier gefallen mir, es gibt ein Problem und viele verschiedene Lösungen. Das ist mal echt interessant und nicht immer nur das "XX tut nicht"

    Edited once, last by ChrisvA ().

  • Hallo Mark0815 !


    Die Laser – Faden – Linse – Sensoren - Variante war für den Selbsbau des Sensorarrays angedacht. Im Grunde ist es egal, wie Du den Leuchtwinkel bis zum Sensor zustande bringst. Beim Punktlaser kommen die Laserstrahlen annähernd paralell gebündelt raus, beim Strichlaser wird durch eine Maske die runde Austrittfläche abgedeckt und - je nach Einsatzuweck - nicht ganz so stark gebündelt. Deine Skizze zeigt (vermeintlich) einen Strichlaser, gilt aber auch für jeden Rundlaser. Wenn Du die Kulminatorlinse entfernst, oder anders einbaust, kannst Du den Austrittswinkel an Dein Sensorarray anpassen.


    Das von Dir gefundene Sensorarray TSL1401CL 128 × 1 hat, laut Datenblatt, eine Sensorfläche von 8,064 x 0,0635 mm (von denbeiden letzten Photodioden abgesehen). Je nach Clock-Frequenz wird alle 0,03375 bis 100 ms ein neuer Messwert generiert und als Analogsignal 0-5 Volt ausgegeben. Und da liegt ein möglicher Flaschenhals. Du musst das Analogsignal wieder in einen Digitalwert umwandeln (lassen) und dem pi übergeben (geht auch mit i2C/1-Wire, MOSI/MISO, RX/TX).


    Du brauchst aber jetzt erstmal ein Pflichtenheft, wobei die bisher einzige Vorgabe die Verwendung eines RasPi(3?) unter Python ist.



    Servus !

    RTFM = Read The Factory Manual, oder so

    Edited once, last by RTFM ().

  • Wenn ich nochmal meine Eingebung breit treten darf. Aufbau wie folgt:
    Laser->Faden->Rpi-Camera ohne Linse.
    Vielleicht kann man dann ein Interferenzmuster auf dem Sensor der Kamera auswerten. Ich habe jetzt aber noch nicht ausgerechnet welche Auflösung nötig ist.