Klorollen-Seismograph

Hard · 45 min · Günstig

Ziel & Lerninhalt

Baue einen klassischen Induktionsseismographen: Ein an einer Feder hängender Magnet bewegt sich relativ zu einer Drahtspule (auf einer Klorolle) – jede Vibration induziert eine Spannung.

  • Trägheits-Pendel als seismischen Aufnehmer verstehen.
  • Induktionsgesetz an einem realen Aufbau erleben.
  • Schwingungs-Peaks im Code als Erschütterung detektieren.

Erklärung & Wissen

Basic

Stell dir ein schweres Pendel vor, das senkrecht an einer Feder hängt. Wackelt der Boden, bewegt sich der Tisch und die Halterung mit – aber das schwere Pendel will dank seiner Trägheit dort bleiben, wo es war. Hängst du jetzt einen Magneten als 'Pendelgewicht' an die Feder und stülpst eine Drahtspule (gewickelt um eine Klorolle) über den Magneten, entsteht bei jeder Erschütterung eine winzige Relativbewegung zwischen Spule und Magnet. Diese Relativbewegung induziert eine Spannung in der Spule – und genau die liest das Mainboard.

Medium

Die induzierte Spannung folgt $U_{ind} = -N \cdot d\Phi/dt$: Mehr Windungen ($N$) und schnellere Flussänderung bedeuten mehr Signal. Eine Klorolle bietet ca. 5 cm Wickellänge und 4 cm Durchmesser – auf 100–300 Windungen 0,1 mm Kupferlackdraht kommst du locker. Die Eigenfrequenz des Feder-Magnet-Pendels muss tiefer liegen als die zu messende Vibration, damit das Pendel bei der Erschütterung wirklich 'stehen bleibt' und sich die Spule am Magneten vorbei bewegt. Eine weiche Feder + schwerer Magnet → niedrige Eigenfrequenz → empfindlich für langsame, große Erschütterungen wie schwere Schritte oder Bus-Fahrten. Das Signal ist klein (mV), wird aber direkt mit DC-Bias auf 2,5 V eingespeist und am ADC ausgewertet.

Expert

Optimal arbeitet ein Seismograph bei kritischer Dämpfung (aperiodischer Grenzfall): Das Pendel schwingt nicht nach, sondern kehrt schnellstmöglich in die Ruhelage zurück. Im DIY-Bau ist die natürliche Luftdämpfung meist zu gering – das Pendel schwingt nach. Behelf: Pendel in ein Glas mit Glycerin oder dickflüssigem Speiseöl tauchen, dann verschwindet das Nachschwingen. Ohne Vorverstärker liegen die Spannungen bei wenigen mV; ein einfacher LM358 (Verstärkung ×100–×1000) macht aus einem 'Mikro-Peep' am ADC ein klares Ausschlagsmuster. Wer Frequenzanteile auswerten will, nimmt das Signal mit z.B. 1 kHz auf und führt eine kleine FFT durch – damit lassen sich z.B. 'Fußschritte' von 'Türknallen' unterscheiden.

Fun Fact

Der erste moderne Seismograph wurde 1880 in Japan von John Milne entworfen – er nutzte exakt diese Anordnung aus Pendel, Magnet und Spule, nur natürlich ohne Klorolle.

Trägheitsprinzip
Eine schwere Masse bleibt ohne Kraft in Ruhe (1. Newtonsches Axiom). Während das Gehäuse durch die Erschütterung mitwandert, harrt der schwere Pendelkörper trägheitsbedingt aus. Diese Relativbewegung ist die eigentliche Messgröße jedes Seismographen.
Induktionsspannung
Spannung, die in einer Spule entsteht, wenn sich ein Magnetfeld ändert. $U_{ind} = -N \cdot d\Phi/dt$. Mehr Windungen = mehr Spannung. Schnellere Bewegung = mehr Spannung. Eine Klorollenspule mit 200 Windungen liefert bei einer Hand-Erschütterung gut messbare 10–50 mV.
Kritische Dämpfung
Idealer Dämpfungswert, bei dem das Pendel ohne Überschwingen zur Ruhe kommt. $d_{krit} = 2\sqrt{m \cdot D}$. Im Schul-Setup erreicht man Annäherung durch ein Glycerin-Bad – das ungedämpfte Pendel würde sonst minutenlang nachschwingen und kein klares Signal liefern.
DC-Bias (Mittelspannung)
Künstlich erzeugte 2,5-V-Ruhespannung, damit auch negative Signalausschläge der Spule vom ADC erfasst werden. Der ADC des Mainboards kann nur 0–5 V messen. Die Spule erzeugt aber ein Wechselsignal, das symmetrisch um 0 V schwingt (positive und negative Halbwelle). Ohne DC-Bias wird die negative Hälfte auf 0 geclampt – halbe Information verloren. Lösung: Zwei gleiche Widerstände (2× 10 kΩ) zwischen 5 V und GND erzeugen 2,5 V am Mittelabgriff. Das Spulensignal wird per Kondensator auf diesen Punkt eingekoppelt → ADC-Ruhewert ≈ 512, Ausschläge nach oben/unten bleiben sichtbar.

Praktischer Versuch: Klorollen-Seismograph

Klorolle mit Kupferlackdraht umwickeln, kleinen Neodym-Magneten an Feder darin schwingen lassen, Spannung mit DC-Bias am ADC einlesen.

  • 1 Klopapierrolle
  • ca. 20 m dünner Kupferlackdraht (0,1–0,2 mm)
  • 1 Neodym-Magnet (kleiner Würfel/Scheibe)
  • 1 Feder (z.B. aus Kugelschreiber, weich)
  • 2 Widerstände 10 kΩ (DC-Bias)
  • 1 Elko 1–10 µF (Kopplung)

  1. Spule wickeln

    Wickle den Kupferlackdraht in einer Lage eng um die Klorolle. Lieber zwei oder drei Lagen übereinander als eine wilde Knäülschicht.

    Check: Mindestens 200 enge Windungen, kein Wirrwarr.

    Tipp: Lass an beiden Enden ~10 cm Draht frei – für den Anschluss.

  2. Lack-Enden abschmirgeln

    Schmirgele die letzten 5 mm beider Drahtenden blank.

    Check: Multimeter zeigt einen kleinen Widerstand (5–50 Ω) über die Spule.

    Tipp: Ohne Lackentfernung kein Stromfluss → kein Signal.

  3. Pendel aufhängen

    Befestige die Feder oben über der Klorolle. Hänge den Magneten so an die Feder, dass er locker in der Mitte der Spule baumelt.

    Check: Magnet baumelt mittig in der Spule, ohne sie zu berühren.

    Tipp: Bei zu weichem Federn kontaktiert der Magnet die Spule – Feder etwas straffer wählen oder Magnet kleiner machen.

  4. DC-Bias für ADC

    Zwei 10 kΩ zwischen 5V und GND, Mittelabgriff = 2,5 V. Ein Spulenende über 1–10 µF Elko an diesen Mittelabgriff (= A0). Anderes Spulenende an GND.

    Check: Im Ruhezustand zeigt der ADC ca. 512, mit kleinen Schwankungen.

    Tipp: Ohne Bias schwingt das Signal ins Negative und wird zu 0 'gekappt' – die halbe Information geht verloren.

  5. Manuell testen

    Code hochladen, Monitor öffnen, Tisch leicht anstoßen. Du siehst Ausschläge nach oben/unten um den Ruhewert.

    Check: Klopfen auf den Tisch → klar sichtbare Spitzen im Monitor.

    Tipp: Schwacher Effekt? Mehr Windungen, kräftigerer Magnet, oder zusätzlich kleinen OP-Verstärker davor.

5V → 10 kΩ → A0 (= Mittelpunkt) → 10 kΩ → GND. Spule: Ende 1 → Elko → A0; Ende 2 → GND.

// ProtoPeaks - Klorollen-Seismograph
const int sensorPin = A0;
const int schwelle = 60;       // ADC-Abstand zur Ruhe als Auslöser
int nullniveau = 512;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  long sum = 0;
  for (int i = 0; i < 200; i++) { sum += analogRead(sensorPin); delay(2); }
  nullniveau = sum / 200;
  Serial.print("Nullniveau: "); Serial.println(nullniveau);
}

void loop() {
  int v = analogRead(sensorPin) - nullniveau;
  if (v < 0) v = -v;
  if (v > schwelle) {
    Serial.print("Erschütterung! Amplitude="); Serial.println(v);
  }
}
  • Kein Signal beim Klopfen. — Spule hat zu wenig Windungen oder Drahtenden noch lackiert. Mehr Windungen, Enden gründlicher schmirgeln, stärkeren Neodym-Magneten verwenden.
  • Pendel schwingt minutenlang nach. — Keine Dämpfung. Pendel in ein kleines Glas mit Speiseöl/Glycerin tauchen, oder eine Papierfahne am Magneten als Luftbremse anhängen.
  • Permanentes Rauschen ohne Bewegung. — Mittelung erhöhen, Spule und A0-Leitung verkürzen, Aufbau weg von Steckernetzteilen und WLAN-Routern stellen.

Kurzzusammenfassung

Ein an einer Feder hängender Magnet, umgeben von einer Klorollen-Spule, bildet ein klassisches Induktionspendel. Jede Erschütterung des Bodens erzeugt eine Relativbewegung und damit eine messbare Spannung – mit DC-Bias und Schwellwert-Auswertung wird daraus ein einfacher, aber überraschend empfindlicher Seismograph.

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