MINT mikro-makro Projekt

Digitales Messen im Physikunterricht mit dem Raspberry Pi

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English

Implementing a Raspberry Pi based Digital Measurement System in Undergraduate Physics Education

in European Journal of Physics Education

 

Kurze Beschreibung des Projektes

In diesem durch die Baden-Württemberg Stiftung geförderten Projekt setzen wir uns intensiv mit der digitalen Messtechnik auf der Basis von modernen Einplatinencomputern wie dem Raspberry Pi auseinander. Der Fokus liegt auf Ansteuerung und Auslese präziser, aber dennoch preiswerter Sensoren, die viele Messungen in Schülerexperimenten auch mit wenig Kostenaufwand ermöglichen, sowie auf dem Einsatz des Raspberry PI zum Erfassen, Darstellen und Speichern von Messwerten an verschiedenen Versuchen. Dabei wird das vom Herrn Prof. Günter Quast am KIT entwickelte PhyPiDAQ-Softwarepaket eingesetzt, das eine Reihe von in Python programmierten Klassen für die Datenerfassung, Visualisierung und Aufzeichnung anbietet. Ziele und weitere infos hier....

 

 

Komponenten für das Messwerterfassungssystem PhyPiDAQ

Erste Schritte zur Software-Installation

 

 

 Experimente mit VL53L0X-Distanzmesssensor

 

Während der Bewegung eines Körpers zeichnet der VL53L0X- Distanzmesssensor mehrmals pro Sekunde die Entfernung des Experimentierwagens auf, welche als Zeit-Weg-Diagramm in Echtzeit im Diagramm-Fenster des PhyPiDAQ-Programms dargestellt wird.

Elektronische Beschaltung des VL53L0X-Distanzmesssensor: Fritzing-Schaltung mit Spannungsversorgung; Fritzing-Schaltung ohne Spannungsversorgung

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Aufgabenblatt zum Versuch Bewegung auf schiefer Ebene

 

Experimente mit dem Analog-Digitalwandler ADS1115

 

Dieser hochgenaue 16-Bit analog zu digital Konverter mit eienr Sample Rate bis zu 860 pro Sekunde eignet sich für Messungen mit dem Raspberry Pi, denn dieser hat nur digitale Eingänge. Über die I2C Interface kann man analoge Werte auslesen. Der ADS115 verfügt über 4 Kanäle, sodass man vier einzelne Werte gegen GND oder zwei differenzial Inputs messen kann. Darüber hinaus verfügt er über 6 Spannungsbereiche, sodass man auch kleine Spannungen messen kann.

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Aufgabenblatt zum Versuch Lade- und Entladekurve eines elektrolytischen Kondensators

 

 

Experimente mit dem INA219-Sensor

Das Strommessprinzip des INA219-Sensors basiert sich auf dem Ohm’schen Gesetz. Der zu messende Strom wird über einen sehr kleinen Widerstand R=0,1 Ohm (R100), also über einen Shunt, geleitet und die darüber abfallende Spannung ermittelt. Der INA219 ermittelt neben dem Spannungsabfall auf dem eingebauten Shunt, auch den Spannungsabfall über dem Verbraucher („Bus“) zwischen VIN- und GND. Aus Stromstärke und Bus-Spannung berechnet der INA219 die Leistung des Verbrauchers.

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Experimente mit dem AS7262-Spektralsensor

Das Spektrometer AS7262 detektiert Wellenlängen im sichtbaren Bereich bei 450, 500, 550, 570, 600 und 650nm Licht mit jeweils 40nm  Vollbreiten-Halbspitzen-Erkennung. Es gibt eine Onboard-LED, die speziell für die Beleuchtung von Gegenständen eingebaut wurde. Gemessen wird die Reflektivität des Lichts von verschiedenen Wellenlängen bei unteschiedlichen Substanzen. Der Sensor verfügt über sichtbaren Filtersatz durch Silizium-Interferenzfilter, 16-Bit-ADC mit digitalem Zugriff, programmierbare LED-Treiber und 2,7V bis 3,6V mit I2C-Schnittstelle.

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Experimente mit dem GDK101 Gammastrahlungssensormodul

Das GDK101 ist ein Halbleiter-Gammastrahlungssensormodul mit empfindlichen 10-PIN-Photodioden, das für Low-Level-Gammadetektion bis 200 µSv/h optimiert ist. Die Messunsicherheit des Messwertes liegt durch die Präzisionstechnologie von FTLAB unter ±10% unter Verwendung eines international standardisierten kalibrierten Verfahrens. 

Das Sensormodul bietet eine intelligente Analysefunktion mit eingebautem Vibrationssensor zur Erkennung des Fehlerimpulses durch externen mechanischen Schlag. Verwendet wird es zum Nachweis von Umweltradioaktivität in Gebäuden, Rückführung der Strahlung auf Radon-Zerfallsprodukte, mathematische Untersuchung der Poisson-Verteilung bei radioaktiven Zerfällen.

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Experimente mit dem MMA8451-Dreiachsen-Beschleunigungssensor

Der MMA8451-Dreiachsen-Beschleunigungssensor ist ein hochpräziser und kostengünstiger Beschleunigungsmesser mit 14-Bit-Analog-Digital-Wandler, der zur Verwendung in Telefonen, Tablets, Smart Watches entwickelt wurde. Er erkennt Bewegung, Neigung und Grundausrichtung und misst Beschleunigungen im Anwendungsbereich von + -2g bis + -8g. Dieser Sensor kommuniziert mit dem Raspberry Pi über I2C.

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Experimente mit dem MLX90393-Dreiachsen-Magnetfeldsensor


Der Sensor bietet einen 16-Bit-Ausgang, der proportional zur magnetischen Flussdichte ist, die entlang der X-, Y- und Z-Achse im Bereich 5mT bis 50mT erfasst wird. Diese digitalen Werte sind über I2C und SPI verfügbar. Der Gesamtwert der Flussdichte wird in der .daq-Konfiguration des Experiments mit einer entsprechenden Formel ermittelt.

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