Dehnungsmessung

Optische und kapazitive Sensoren aus Silikon

Optische und kapazitive Sensoren aus Silikon

Optische und kapazitive Sensoren aus Silikon

Optische und kapazitive Sensoren aus Silikon

Optische und kapazitive Sensoren aus Silikon

Smart Materials können sich verändernde Umgebungsbedingungen wahrnehmen und darauf reagieren. Die SXTS Sensoren von Sateco bestehen aus einer ausgeklügelten Mischung von elastischem, dehnbarem Silikon mit anderen Werkstoffen. Dank der hohen Elastizität des Materials können damit Messsysteme realisiert werden, welche über den Einsatzbereich von herkömmlichen Systemen hinausgehen können. Gängige Dehnungsmessstreifen, welche auf Basis von steifen Materialien wie Folien, Draht oder Halbleiter aufgebaut sind, können Dehnungen messen, welche auf die Größenordnung von Mikrometern begrenzt ist. Die SXTS Silikonsensoren hingegen können dank ihres elastischen Materials Dehnungen im Bereich von Millimetern detektieren. Sie eröffnen damit neue Anwendungsfelder im Automobil, Robotik und Medizintechnik.

Ein gängiger Weg zur Bestimmung von Dehnungen führt über die Messung einer Veränderung des elektrischen Widerstands eines elektrischen Leiters, welcher die zu bestimmende Dehnung oder Stauchung erfährt. Insbesondere beim metallischen Dehnungsmessstreifen basiert diese Änderung des Widerstands auf einer Veränderung des Längen- und Querschnitts. Wird ein Dehnungsmessstreifen gedehnt, nimmt sein Widerstand zu. Bei Stauchung nimmt sein Widerstand ab. Dieses Konzept kann nicht direkt auf nichtleitende Materialien wie Silikon übertragen werden. Zu diesem Zweck müssen Elastomere zuerst elektrisch leitfähig gemacht werden, indem zum Beispiel metallische oder kohlenstoffbasierte Partikel beigemischt werden. Versuche mit leitfähigen Elastomersensoren haben jedoch gezeigt, dass die Widerstandsänderungen durch Dehnung nicht stabil wiederholbar ist und geringe Reproduzierbarkeit aufweisen. Die Hauptursache liegt darin, dass das leitfähige Material beim elastomerbasierten Sensor aus einem Komposit besteht, während beim metallischen Dehnungsmessstreifen der elektrische Leiter aus Metall ist.

Für die Verwendung von Elastomeren zur Messung von Dehnung müssen somit andere Messmethoden entwickelt werden. Ein bereits weit entwickeltes Konzept basiert auf einer kapazitiven Messmethode. Der kapazitive Silikonsensor SXTSC besteht aus Silikon, welches durch Beimischung von Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig gemacht wird. Im Gegensatz zum oben beschriebenen widerstandsbasierten Konzept spielt beim kapazitiven Messprinzip das Widerstandsverhalten des Materials eine untergeordnete Rolle, wodurch eine viel höhere Reproduzierbarkeit des Sensors erzielt werden kann.

Ein noch junges Konzept besteht aus einem elastischen optischen Lichtleiter. Der optische Silikonsensor SXTSO besteht aus hochtransparentem Silikonmaterial, welches im Zusammenspiel mit einer LED und einem Lichtintensitätssensor als dehnbarer Lichtleiter wirkt. Dieses Konzept umgeht den Bedarf an elektrischer Leitfähigkeit komplett und nutzt den Vorteil von Silikon aus, dass das Elastomer im Gegensatz zu anderen Elastomeren eine hohe Transparenz aufweisen kann.

SXTSC – der elastische kapazitive Sensor

Der Silikonsensor SXTSC besteht aus drei elastischen, gegeneinander gelagerten leitfähigen Schichten, welche als Messkapazität wirken und durch eine Elektronik für kapazitive Sensoren ausgewertet werden können. Durch Verschiebung einer oder mehreren leitfähigen Schichten zueinander wird die Distanz zwischen den Schichten verändert. Dies bewirkt eine Veränderung der elektrischen Kapazität des Silikonsensors, welche durch die Elektronik gemessen werden kann. Beim Auseinanderbewegen der Schichten reduziert sich die Kapazität, beim Stauchen der Schichten wird die Kapazität erhöht. Indem die Messelektronik zum Beispiel als Wechselstrom-Spannungsteiler ausgelegt wird, kann diese das Sensorsignal selbst bei hochohmigem Elastomermaterial genau auswerten. Der Sensor weist typischerweise eine Grundfläche von mehr als 10 mm Durchmesser und eine Dicke von über 3 mm auf. Damit kann er Dehnungen im Bereich von mehr als einem Millimeter messen. Die Auflösung hängt vom Gesamtsystem ab, befindet sich in der Regel im Bereich von hundertstel bis zehntel Millimeter.

Dank der guten elastischen Eigenschaften des Silikons kann eine Belastung über eine Million Mal wiederholt werden. Es wurden Dauerläufe mit über 500.000 Bewegungszyklen unter mechanischer Last sowohl bei Raumtemperatur wie auch bei -40°C und +85°C durchgeführt, jeweils auch in Kombination mit hoher relativer Feuchte von bis zu 90 % rF. Grundsätzlich behält Silikon seine elastische Eigenschaft über einen sehr grossen Temperaturbereich von typischerweise -40°C bis +200°C bei und eignet sich deshalb auch für den Einsatz unter anspruchsvollen Umweltbedingungen. Je nach Umweltbedingungen wird eine Alterung in Form eines Drifts beobachtet, welche jedoch durch z. B. einen Referenzsensor mittels oben beschriebener Messelektronik kompensiert werden kann. Über den Referenzsensor können außerdem Umwelteinflüsse während der Messung ausgeglichen werden, indem dieser den gleichen Bedingungen wie der Messsensor ausgesetzt wird, jedoch die mechanische Belastung nicht erfährt.

SXTSO – der elastische optische Sensor

Der Silikonsensor SXTSO besteht im Wesentlichen aus einem hochtransparenten, dehnbaren Lichtleiter, welcher mit Licht im visuellen oder nahen Infrarotbereich durchleuchtet wird. Hierzu wird an einem Ende eine LED ins Material eingefügt. Am anderen Ende des Lichtleiters ist eine Photodiode ins Material eingelassen. Durch Dehnung und Stauchung des elastischen Lichtleiters wird die Intensität des Lichts, welches durch den Wellenleiter transportiert wird, verändert. Es sind ausführliche Prüfungen zur Charakterisierung des Messverhaltens unter verschiedenen Einwirkungsarten, Umgebungsbedingungen und Einbausituationen durchgeführt worden. Obwohl das Konzept noch in einer frühen Phase der Entwicklung ist, besteht bereits ein hohes Mass an Erfahrung und Datenbasis. Dies ermöglicht die effiziente kundenseitige Mitwirkung auf dem Weg zu einem anwendungsspezifischen Produkt.

Der Nutzen

Der Herstellprozess der Silikonsensoren ermöglicht die freie Gestaltung sowohl der Grundfläche als auch weiteren Dimensionen wie Querschnitt und Länge. Dadurch kann einerseits der Messbereich auf die Anwendung hin optimiert werden. Als weiteren grossen Vorteil bietet dies Flexibilität bei der Integration des Sensors in das kundenseitige System. Der Sensor kann so gestaltet werden, dass er sich gekrümmten Oberflächen beliebig angepasst und nahtlos zwischen Trägermaterial und Oberfläche integriert werden kann. Aufgrund seiner hohen elastischen Verformbarkeit lässt sich der Silikonsensor auch problemlos in weiche Materialien wie Textilien und Schaumstoffen integrieren. Das ermöglicht die ergonomische Gestaltung von Eingabegeräten, Prothesen und Exoskeletten sowohl auf kleinen als auch grossen Flächen. Neben dem Ausgleich von Einbautoleranzen kann er gleichzeitig eine gewisse Vorspannung des Systems sicherstellen. Damit wird die Montage besonders in gekrümmten und komplexen Aufbauten stark vereinfacht.

Als Vorteil des kapazitiven Silikonsensors SXTSC kann insbesondere die Möglichkeit genannt werden, zwei Messfunktionen mit demselben Bauteil zu erfüllen. Dank des kapazitiven Wirkprinzips kann der Sensor die Näherung eines Körperteils auf kurze Distanz detektieren und auch dessen mechanische Einwirkung präzise messen. Das hält das kundenseitige System kompakt und ermöglicht prädiktive Bedien­und Messsysteme.

Silikon ist grundsätzlich angenehm auf der Haut. Durch optionale Texturierung der Oberfläche kann der Tragekomfortweiter gesteigert werden. In Hinblick auf Lebensmittel ist Silikon chemikalienresistent und temperaturbeständig. Der Sensor als Messzelle mit elektrischen Anschlüssen kann ohne grossen Aufwand ausserhalb einer Leiterplatte direkt in die Oberfläche integriert werden. Sein Elastomermaterial erspart zusätzliche Elemente zur mechanischen Dämpfung, Vorspannung und Toleranzkompensation. Das vereinfacht die Konstruktion und reduziert die Herstellkosten.

Dank Elastomermaterial sind Silikonsensoren robust, schock- und schlagresistent und stellt auch in rauen Umgebungen bei hohen (+85°C) und tiefen Temperaturen (­40°C) eine lange Lebensdauer sicher.

Die Anwendungsbeispiele

Die Silikonsensoren SXTS eignen sich zum Beispiel für den Einsatz in automatisierten Prozessen. Als Kraft-Weg Sensor an Greifsystemen verursacht die Silikonkomponente nur sehr geringes Zusatzgewicht, wodurch Prozesse präziser werden und beschleunigt werden können. Insbesondere bei mobilen Robotern und tragbaren Exoskeletten ist der Faktor geringes Gewicht von grosser Wichtigkeit. Sensoren an Greifern können die automatische Erkennung von Gegenständen unterstützen. So haben Studien gezeigt, dass Roboter, welche ihnen unbekannte Gegenstände erkennen sollen, für deren Identifikation neben der Bilderkennung auch „taktile“ Merkmale wie die Steifigkeit der Gegenstände benötigen. Zur Bestimmung der Steifigkeit ist ein weicher, verformbarer Sensor von grossem Vorteil.

Die dehnbaren optischen Silikonsensoren SXTSO können im Weiteren zur Bestimmung von Biegewinkel und Position von Greifern verwendet werden. Die Wirkungsweise des Dehnungssensors ermöglicht die Positionsmessung in neuartigen Greifern, welche keine fixen Gelenke aufweisen, wie zum Beispiel pneumatisch angetriebene Systeme.

In der Medizintechnik stossen die Sensoren auf Interesse bei der Steuerung von Prothesen und Messung von Druckstellen in Fusssohlen und Druckverbänden. Im Automobilbau bestehen bereits Machbarkeitsprojekte für Bedienelemente im Lenkrad. Durch das Einbringen von mehreren Sensoren im zentralen Bereich des Lenkrads können mit denselben Bauelementen kraft- und weggesteuerte Hupfunktionen und Gestiksteuerung umgesetzt werden. Durch seine hohe Flexibilität in alle Richtungen kann der Sensor Toleranzen in der Montage und der Belederung effizient ausgleichen und eine gute mechanische Kopplung an die Bedienoberfläche sicherstellen.

Der Start in die Technologie

Für den kapazitiven Silikonsensor SXTSC steht dem potentiellen Anwender als Starthilfe ein sogenanntes Starter-Kit zur Verfügung. Das Starter-Kit besteht aus vier Sensoren, einer speziellen Auswerteelektronik und einer grafischen Benutzerschnittstelle. Mit der eigens entwickelten Software können die Messsignale der Silikonsensoren erfassen und auf einem Bildschirm darstellt werden. Die Messdaten können für weitere Verwendungszwecke abgespeichert oder optional per USB-Schnittstelle weiterverarbeitet werden. Das Set eignet sich für erste Versuche und den Bau von Prototypen. Auf Wunsch sind projektspezifische Anpassungen des Messbereichs durch konstruktive Optimierungen des Sensors möglich. Im Weiteren können sowohl die Elektronik als auch die Software auf Wunsch erweitert und als Grundlage für die Produktentwicklung verwendet werden. Die Industrialisierung des Silikonsensors SXTSC erfolgt über bestehende und bewährte Produktionsprozesse und -mittel der Sateco Gruppe.

Für den optischen Silikonsensor SXTSO steht ein leistungsfähiges Team mit Erfahrung im Bereich Anwendung, Konstruktion, Produktion und Kompetenz in Elektronik und Software für die kundenspezifische Entwicklung von Sensorlösungen zur Verfügung.

Zusammenfassung

Die Sateco Gruppe hat die Entwicklung von Silikonsensoren SXTS zur Messung von Dehnungen im Millimeterbereich weit vorangetrieben und arbeitet mit mehreren Automobilzulieferern und Industriegüterherstellern an ihrer Integration in mechanische Systeme. Zu diesem Zweck sind Muster einer Standardversion des kapazitiven Silikonsensors SXTSC verfügbar, inklusive Auswerteelektronik und Software zur Visualisierung der Messdaten. Es besteht im Weiteren ein fundiertes Wissen und Erfahrung in der Verwendung von Silikon für Sensoren basierend auf optischem Messprinzip, dem Silikonsensor SXTSO. Dies ermöglicht die gesamtheitliche Entwicklung von kundenspezifischen Lösungen unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften und elektronischen Schnittstelle.

Autor: Dr. Daniel Häfliger, CEO Sateco AG

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