Een stretchsensor is een sensor die wordt gebruikt om een lichaamsbeweging om te zetten in een computerbeeld. Een stretchsensor bevat een strookje rekbaar materiaal, waarvan de elektrische weerstand verandert als het wordt uitgerekt.
In figuur 2 is het spanning-rekdiagram van het rekbare materiaal weergegeven.
In figuur 2 zijn drie gebieden aangegeven. In figuur 3 staat een tabel met die drie gebieden.
Opgaven
a) Geef in een print van figuur 3 voor elk gebied aan of er elastische, plastische of geen vervorming in het materiaal optreedt.
b) Bepaal met behulp van figuur 2 de elasticiteitsmodulus van het materiaal.
De sensor mag de lichaamsbeweging niet hinderen. De kracht die nodig is voor het uitrekken van het materiaal moet dus klein zijn. Bij het uitrekken krijgt het materiaal op een gegeven moment een relatieve rek van 0,20. De doorsnede van het rekbare materiaal is 1,8 mm2.
c) Bepaal de kracht waarmee dan aan het materiaal getrokken wordt.
In figuur 4 is het schakelschema gegeven van de stretchsensor. Het strookje rekbaar materiaal wordt weergegeven als R1. Als dit strookje wordt uitgerekt, neemt de grootte van de elektrische weerstand van R1 toe. R1 is in serie geschakeld met een weerstand R2 met een vaste waarde. Er wordt een voltmeter aangesloten. De spanning die de voltmeter aangeeft, is het signaal van de sensor. Dit signaal moet veranderen met het veranderen van de lengte van R1. De voltmeter kan aangesloten worden over de punten ab, bc of ac.
d) Kies bij elke zin het juiste alternatief:
- De spanning over ab neemt toe / neemt af / blijft gelijk als R1 uitrekt.
- De spanning over bc neemt toe / neemt af / blijft gelijk als R1 uitrekt.
- De spanning over ac neemt toe / neemt af / blijft gelijk als R1 uitrekt.
De weerstand van R1 kan variëren van 1,0 kΩ tot 2,5 kΩ. R2 is een weerstand van 5,6 kΩ.
e) Bereken het maximale vermogen dat de spanningsbron moet leveren aan de stretchsensor.
Stretchsensoren worden gebruikt om realistisch bewegende animaties te maken in animatiefilms en games. Hiervoor worden vele stretchsensoren op een pak gezet dat wordt gedragen door een acteur.
De elektronica in dit pak heeft een totaal vermogen van 19 W. Het pak wordt van energie voorzien door een 12 V-accu met een capaciteit van 2,0 Ah. Dat betekent dat de accu gedurende 2,0 h een stroomsterkte kan leveren van 1,0 A, gedurende 1,0 h een stroomsterkte van 2,0 A, enzovoort.
f) Bereken hoeveel uur het pak op deze accu kan werken.
In de arm van het pak is de strook rekbaar materiaal R1 verbonden met de bovenarm en de onderarm. Als de hoek α die de arm maakt groter wordt, wordt de lengte van het rekbare materiaal R1 kleiner. Zie figuur 3.
De computer die met het pak verbonden is, meet de elektrische spanning over het rekbare materiaal. In figuur 7 staat in een ijkgrafiek het verband weergegeven tussen de spanning over en de weerstand van dat rekbare materiaal.
In figuur 8 is het verband weergegeven tussen de weerstand van het rekbare materiaal en de hoek die de arm dan maakt.
Bij een bepaalde stand van de arm van de acteur meet de computer een spanning van 2,7 V.
g) In welke onderstaande figuur is de stand van de arm dan het beste weergegeven?
Uitwerkingen
Open het antwoord op de vraag van jouw keuze.
Uitwerking vraag (a)
Uitwerking vraag (b)
$E=\frac{\sigma}{\epsilon} = \frac{6,4\cdot 10^3}{0,40}=1,6\cdot 10^4~\mathrm{Pa}$
Uitwerking vraag (c)
De spanning bij een relatieve rek van 0,20 volgt uit de diagram en is gelijk aan 32 kN m-2. De kracht is dan:
$\sigma=\frac{F}{A}\rightarrow F = \sigma A = 3,2\cdot 10^3\cdot 1,8\cdot 10^{-6}=5,8\cdot 10^{-3}~\mathrm{N}$
Uitwerking vraag (d)
De spanning over ab neemt toe als R1 uitrekt.
De spanning over bc neemt af als R1 uitrekt.
De spanning over ac blijft gelijk als R1 uitrekt.
Uitwerking vraag (e)
Het maximale vermogen wordt geleverd bij de kleinste weerstand. In dit geval is de kleinste weerstand dus 6,6 kΩ. De stroomsterkte is dan:
$I=\frac{U}{R} = \frac{12}{6,6\cdot 10^3}=1,82\cdot 10^{-3}~\mathrm{A}$
En het vermogen is:
$P=UI=12\cdot 1,82\cdot 10^{-3} = 2,2\cdot 10^{-2}~\mathrm{W}$
Uitwerking vraag (f)
De stroomsterkte is:
$I=\frac{P}{U}=\frac{19}{12} = 1,583~\mathrm{A}$
De accu kan deze stroomsterkte leveren gedurende 2,0 / 1,583 = 1,3 uur.
Uitwerking vraag (g)
Bij een spanning van 2,7 V is de weerstand ongeveer 1600 Ω. Bij deze weerstand is de hoek ongeveer 108°. Het goede antwoord is B.
