DE102009054295A1 - Method for detecting e.g. three-dimensional surface and relief, involves measuring penetration depths of profiles of surface structures at points, such that pressure is delivered to sensor surface that is arranged opposite to profiles - Google Patents

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Abstract

The method involves pressing surface structures of a three-dimensional surface into thick, relatively-soft material e.g. foam material (60). Penetration depths of profiles (61) of the surface structures are measured at points in such a manner that pressure transferred by the soft material is delivered to a sensor surface that is arranged opposite to the profiles. The sensor surface is provided with printed circuit boards (64), where characteristics of the soft material are changed during penetration of the surface structure into the soft material. An independent claim is also included for an arrangement for detecting a three-dimensional surface and a relief.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Methode zur Erfassung dreidimensionaler Oberflächen und Reliefs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for detecting three-dimensional surfaces and reliefs according to the preamble of claim 1.

Die Erfassung eines Oberflächenreliefs kann optisch (z. B. mit Laser), oder durch eine konkrete räumliche Abtastung erfolgen. Die auf dem Stand der Technik diesbezüglich bekannten Systeme zeichnen sich durch einen hohen Geräteaufwand aus, sind relativ teuer und/oder benötigen einen relativ großen Aufwand beim Einsatz und bei der Fertigung.The detection of a surface relief can be done optically (eg with laser), or by a specific spatial scanning. The systems known in the prior art in this respect are characterized by a high level of equipment complexity, are relatively expensive and / or require a relatively large amount of effort during use and during production.

Optisch durchgeführte Oberflächenerfassungen sind technisch elegant, können aber nicht in allen Situationen und bei allen Materialien problemlos eingesetzt werden (z. B. schwarze schaumartige Materialien).Optical surface detections are technically elegant but can not be used in all situations and materials without any problems (eg black foam-like materials).

Eine sukzessive, taktile Abtastung der Oberfläche eines Reliefs ist möglich, aber i. a. doch recht aufwendig. Eine Abtastung mittels Messstössel (Messspitze) erfolgt, indem zunächst die Messspitze in x, y-Richtung positioniert wird und dann an jeder so einnehmbaren x, y-Position eine Messung des jeweiligen Höhenprofilpunktes durchführt wird, indem der Messstössel bis auf die Oberfläche des zu vermessenden Objekts in z-Richtung geführt wird. Beim ersten Kontakt der Messspitze mit der zu vermessenden Oberfläche wird die Höhe des Stößels z. B. durch einen Wegsensor registriert und daraus die Höhe des Profils an dieser Stelle ermittelt.A successive, tactile scan of the surface of a relief is possible, but i. a. but quite expensive. Sampling by means of a measuring plunger (measuring tip) is carried out by first positioning the measuring tip in the x, y direction and then measuring the respective height profile point at each x, y position that can be taken in such a way that the measuring plunger reaches the surface of the object to be measured Object is guided in z-direction. At the first contact of the measuring tip with the surface to be measured, the height of the plunger z. B. registered by a displacement sensor and determines the height of the profile at this point.

Wenn mit der Messspitze eine Berührung der Oberfläche oder deren unmittelbare Nähe erfasst werden kann, dann kann die Oberfläche kontinuierlich abgetastet werden, wenn mit einem Rechner alle x, y-Punkte mit den gemessenen z-Werten zusammengeführt werden.If a touch of the surface or its immediate vicinity can be detected with the probe tip, then the surface can be scanned continuously when all x, y points are combined with the measured z values with a computer.

Das Erkennen einer Oberflächenberührung mit der Messspitze kann auf sehr unterschiedliche Art und Weise erfolgen, z. B. mit einer Druck- oder Kraftmessung, bei leitenden Oberflächen auch durch das Herstellen einer elektrischen Verbindung. (Derartige Techniken sind prinzipiell von Kraftfeldmikroskopen (Rasterelektronenmikroskopen) bekannt).The recognition of a surface contact with the measuring tip can be done in very different ways, for. As with a pressure or force measurement, conductive surfaces also by establishing an electrical connection. (Such techniques are known in principle from force field microscopes (scanning electron microscopes)).

Obwohl eine solche Messung hier als „taktil” eingestuft bzw. bezeichnet wird, erfolgt in diesen Fällen die eigentliche Messung durch eine direkte oder indirekte Wegmessung oder auch auf anderem Weg.Although such a measurement here is classified as "tactile" or designated, in these cases, the actual measurement is carried out by a direct or indirect path measurement or otherwise.

Wird der Stift von einem Zeitnullpunkt an kontinuierlich bewegt, dann genügt es u. U., den Zeitpunkt der Oberflächenberührung zu erfassen, daraus indirekt die Bewegungslänge zu ermittelten und daraus die zu diesem Zeitpunkt gegebene (x, y, z)-Punktposition zu ermitteln.If the pen is moved continuously from a time zero on, then it is sufficient u. U. to detect the time of surface contact, indirectly determine the movement length and from this determine the given at this time (x, y, z) -point position.

Eine so durchgeführte räumliche Abtastung benötigt allerdings relativ viel Zeit: Wenn z. B. eine Fläche von 50 × 50 cm mit einer Auflösung von 1 mm abzutasten ist, sind 250000 Messpunkte anzufahren und messtechnisch zu erfassen. Werden hierbei für jede Einzelmessung z. B. nur 0,05 Sekunden benötigt, (ein relativ kleiner Wert, weil der Sensor ja zuerst in der x, y-Ebene verfahren und dann relativ vorsichtig auf die Oberfläche des Reliefs bis zur Kontaktherstellung abgesenkt werden muss) dann ist eine Messzeit von mehr als 3 Std einzuplanen. Messzeiten von mehr als 5 Minuten liegen bei den vorgesehenen Anwendungsfällen aber bereits außerhalb einer noch akzeptablen Messdauer.However, such a spatial sampling requires a relatively long time: z. For example, if an area of 50 × 50 cm is to be scanned with a resolution of 1 mm, then 250000 measuring points are to be approached and measured. Be here for each individual measurement z. B. only 0.05 seconds needed, (a relatively small value, because the sensor so first in the x, y-plane and then relatively gently on the surface of the relief to the contact must be lowered) then a measuring time of more to schedule as 3 hours. Measuring times of more than 5 minutes are in the intended applications but already outside an acceptable measurement period.

Will man – z. B. zur Verringerung der Messzeit – den taktilen Sensor schneller verfahren, dann werden der notwendige Aufwand an Technik, der Verschleiß, der Aufwand bei der Entwicklung und die Materialanforderungen an ein solches System usw. größer. Mit einer fortschreitenden Verbesserung der für eine solche (serielle) Abtastung benötigten Technik steigt der zu betreibende Aufwand üblicherweise sehr schnell an.Will you - z. B. to reduce the measuring time - the tactile sensor process faster, then the necessary amount of technology, the wear, the cost of development and the material requirements of such a system, etc. are greater. With a progressive improvement of the technique required for such a (serial) scan, the effort to be made usually increases very rapidly.

Zur Beschleunigung der Messzeit kann auch eine Sensorik mit parallel arbeitenden Messspitzen eingesetzt werden, gewissermaßen indem ein „Sensor-Nadelkissen” mit federnden Stiften eingesetzt wird. Eine solche Stiftanordnung (vgl. ) teilt die zu erfassende Gesamtfläche in von der Stiftanzahl abhängige, gleichgroße Teilflächen auf und sorgt so für eine schnellere räumliche Abtastung. (In den Abbildungen werden oftmals an sich gleiche Details mit gleicher Kennung und auch mehrfach bezeichnet)To accelerate the measuring time, it is also possible to use a sensor system with measuring probes operating in parallel, in a sense using a "sensor pin cushion" with resilient pins. Such a pin arrangement (cf. ) divides the total area to be detected into equally sized patches depending on the number of pens, thus providing a faster spatial scan. (In the figures, the same details are often designated with the same identifier and also several times)

zeigt eine mögliche Konstruktion (1): In einem massiven Kunststoff- oder Metallblock (15) sind Löcher (5) in periodischen Abständen eingelassen, in die Federn (2) und (oben und unten) Abschlussstücke (7), (12) eingesetzt sind. Das obere Abschlussstück (7) trägt den eigentlichen Messstift (6). Oben und unten werden Abschlussplatten (3), (8) angeschraubt, in der sich Löcher (4), (9) z. B. als Durchbrüche für die Messstifte (6) befinden. Das untere Abschlussstück (12) hat in diesem Beispiel kurze Stifte, die durch Löcher (9) in der unteren Abschlussplatte (8) nach unten herrausragen und so die Kraft der Federn nach unten weiterreichen. shows a possible construction ( 1 ): In a solid plastic or metal block ( 15 ) are holes ( 5 ) at periodic intervals, into the springs ( 2 ) and (top and bottom) end caps ( 7 ) 12 ) are used. The upper end piece ( 7 ) carries the actual measuring pen ( 6 ). Top and bottom end plates ( 3 ) 8th ), in which holes ( 4 ) 9 ) z. B. as breakthroughs for the measuring pins ( 6 ) are located. The lower end piece ( 12 ) has in this example short pins that pass through holes ( 9 ) in the lower end plate ( 8th ) protrude downwards and thus pass the force of the springs downwards.

Eine zu vermessende Oberfläche wird mit einer solchen Anordnung (zwar immer noch von taktil arbeitenden Nadeln, aber) durch die parallelen Messstifte wesentlich schneller erfasst: Jetzt würde eine solche Nadelkissen-Rasteranordnung mit einem x, y-Messpitzenabstand von 1 cm das im obigen Beispiel genannte Relief mit 50 × 50 cm, bei gleicher Auflösung (1 mm) und gleicher Verfahrgeschwindigkeit in nur 100 s abtasten.A surface to be measured is detected much more quickly with such an arrangement (still by tactile needles, but) by the parallel measuring pins: Now, such a pincushion grid arrangement with a 1 cm x, y measuring point distance would be the one mentioned in the example above Relief 50 × 50 cm, scan at the same resolution (1 mm) and the same speed in only 100 s.

Allerdings ist der Aufwand dafür doch auch extrem aufwendig und kann wiederum nicht an allen Materialien problemlos eingesetzt werden. Außerdem ist dies nur bei relativ flachen Profilen wirklich nutzbar, weil die Stiftführung von einer bestimmten Länge an problematisch werden kann. However, the effort is also extremely expensive and again can not be easily used on all materials. In addition, this is really useful only for relatively flat profiles, because the pin guide can be problematic from a certain length.

Eine derartige Stiftkonstruktion (vgl. und ) ist zudem sehr empfindlich gegen mechanisch grobe Einflüsse (Stöße), weil die Nadeln u. U. verbiegen können. Bereits das Verbiegen einer einzelnen Nadel hätte aber u. U. bereits dramatische Konsequenzen, weil eine z. B. eine verbogene Nadel in das Messobjekt (und das kann auch ein Mensch sein) eindringen würde.Such a pin construction (cf. and ) is also very sensitive to mechanically coarse influences (shocks), because the needles u. U. can bend. Already the bending of a single needle but u. U. already dramatic consequences, because a z. B. a bent needle into the object to be measured (and that may also be a human) would penetrate.

Der Preis und die Empfindlichkeit derartiger Sensoren erschwert somit deutlich die Entscheidung, motorisch angetriebene Sensorsysteme einzusetzen. Erst ein drastisch sinkender Preis kann eine solche Technik gegenüber anderen (optisch) arbeitenden Verfahren wieder konkurrenzfähig machen.The price and the sensitivity of such sensors thus significantly complicates the decision to use motor-driven sensor systems. Only a drastically falling price can make such a technology competitive with other (optical) working methods.

In diesem Zusammenhang besteht die zu lösende Aufgabe darin, ein einfaches Verfahren anzugeben, mit dem eine Oberfläche bzw. ein Relief mit einer Gesamttiefe von einigen cm erfasst werden kann. Dies muss mit einer einfach, d. h. preisgünstig herzustellenden und einfach zu handhabenden, zudem schnellen Sensorik möglich sein. Es sollen Messzeiten von deutlich unter 2 min eingehalten werden, eine Tiefenauflösung von etwa 0,3 mm war zu erreichen und eine „räumliche” (x, y)-Auflösung von 2 mm war minimal zu erfüllen.In this context, the problem to be solved is to provide a simple method by which a surface or a relief can be detected with a total depth of a few cm. This must be done with a simple, d. H. inexpensive to manufacture and easy to use, also be fast sensor possible. Measurement times of significantly less than 2 minutes were to be maintained, a depth resolution of about 0.3 mm had to be achieved and a "spatial" (x, y) resolution of 2 mm had to be minimally fulfilled.

Des Weiteren mussten erfindungsgemäße Konstruktionen für sehr unterschiedliche Anwendungen, vor allem in der Größe der zu erfassenden Reliefs von bis zu 1 m Länge bereitgestellt werden. Allerdings waren die Zielobjekte, die mit dem Sensor zu erfassenden waren, von eher rundlicher Form, bzw. hatten Oberflächenstrukturen mit abgerundeten Kanten bzw. relativ kantenlose Strukturen, deren Verlauf aber möglichst genau erfasst werden sollte, weil wirklich kreisförmige Rundungen so gut wie nie vorkamen.Furthermore, constructions according to the invention had to be provided for very different applications, above all in the size of the reliefs of up to 1 m length to be registered. However, the target objects to be detected by the sensor were of a more rounded shape, or had surface structures with rounded edges or relatively edgeless structures, but their course should be recorded as accurately as possible, because truly circular curves almost never occurred.

Gelöst wurde diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Danach werden mittels einer, auf die maximale Profilhöhe angepassten, weichflexiblen Auflage, mit der Federfunktionsäquivalente realisiert und so wegproportionale Kräfte erzeugt werden, räumliche Profile dadurch sensorisch erfasst, dass diese Kraftverteilungsfunktionen mittels flächiger Kraftdrucksensoren erfasst werden.This problem is solved by the characterizing features of claim 1. Thereafter, by means of a, adapted to the maximum profile height, soft flexible support, realized with the spring function equivalents and so wegproportionale forces are generated, spatial profiles sensory detected that detects these power distribution functions by means of flat force pressure sensors become.

Dicke Schaumstoffmatten, die eine von der Profilhöhe abhängige Kraft an den Boden weiterreichen können, genügen dann u. U. schon zu einer Profilerfassung, indem diese von der Schaumstoffmatte weitergegebenen Kräfte mit dem Flächen-, Druck- bzw. Kraftsensor sensorisch erfasst werden. Bei einer (vom jeweiligen Kraftsensor abhängigen) punktuellen Auflösung von z. B. 1 mm in der (x, y)-Richtung, und einer Kraft- bzw. Drucksensitivität von weniger 0,05 g kann das Profil durch die vom Profil verursachten Kraftäquivalente oftmals bereits mit einer ausreichenden Genauigkeit erfasst werden. Wesentlich genauere Messungen sind aber möglich.Thick foam mats, which can pass on a dependent of the profile height force to the ground, then meet u. Already to a profile detection by these transmitted from the foam mat forces with the surface, pressure or force sensor are detected by sensors. At a (dependent on the respective force sensor) punctual resolution of z. B. 1 mm in the (x, y) direction, and a force or pressure sensitivity of less than 0.05 g, the profile can be detected by the force equivalents caused by the profile often already with sufficient accuracy. Much more accurate measurements are possible.

Die Sensorik erfasst also eine gegebene Relieftiefe durch die Umwandlung des Höhenprofils in ein Kraftprofil und die Messung dieses Kraftprofils setzt allerdings auch eine spezialisiert darauf angepasste Signal- und Messwert-Verarbeitung voraus.The sensor thus detects a given relief depth by converting the height profile into a force profile and the measurement of this force profile, however, also requires a specially adapted signal and measured value processing.

Aus der physikalischen Lehre ( ) ist bekannt, dass Druck- (2) bzw. Zug-Federn gegen eine auf sie einwirkende Kraft (10), die diese Federn staucht (11) bzw. dehnt, im Gleichgewicht eine gleichgroße Gegenkraft ausüben. Wenn also eine Feder die Kraft auf eine feste Wand, z. B. eine Aufhängung (bei einer Zugfeder) oder eine Stützposition (bei einer Druckfeder ( )) überträgt, dann übt sie auf diese Wand eine exakt gleiche, zu ihrer Auslenkung s (11) proportionale Kraft F (13) aus. Der Übertragungsmechanismus zur Übertragung dieser Kraft auf einen Sensorpunkt (12) kann unterschiedlich ausgelegt sein.From the physical teaching ( ) it is known that pressure ( 2 ) or tension springs against a force acting on them ( 10 ) which upsets these feathers ( 11 ) or stretched, exercise in equilibrium an equal counterforce. So if a spring is the force on a solid wall, z. B. a suspension (in a tension spring) or a support position (in a compression spring ( )), then it exerts on this wall exactly the same, to its deflection s ( 11 ) proportional force F ( 13 ) out. The transmission mechanism for transmitting this force to a sensor point ( 12 ) can be designed differently.

Die Druckkraftwerte bzw. Zugkraftwerte entstehen dadurch, dass die Feder (2) sich unter der Einwirkung einer Kraft gemäß F = F0 + α·s (F0 als Nullwert) linear verformt. Die Kraft F ist (für nicht allzu große Dehnungen oder Stauchung) zur Auslenkung s (11) direkt proportional. Der Proportionalitätsfaktor α ist die sog. Federkonstante.The compressive force values or tensile force values result from the fact that the spring ( 2 ) deforms linearly under the action of a force in accordance with F = F 0 + α · s (F 0 as zero value). The force F is (for not too great strains or compression) for the deflection s ( 11 ) directly proportional. The proportionality factor α is the so-called spring constant.

Man kann dies also nutzen, um den Messweg s (11) (d. h. die Auslenkungslänge eines solchen „Feder-Sensors”) gleichwertig durch die Kraft F (13) erfassen, mit der die Feder (2) auf eine Messplatte (in und nicht dargestellt) einwirkt.So you can use this to measure the measurement path s ( 11 ) (ie, the deflection length of such a "spring sensor") equivalent to the force F ( 13 ), with which the spring ( 2 ) on a measuring plate (in and not shown).

Denkt man sich auf der Bodenplatte (der Wand) an jeder Stelle an der sich eine Feder einer Sensorspitze (von einem Sensorarray) befindet, einen Kraftsensor, der diese Kraft misst, dann hat man einen Teil der Aufgabe bereits gelöst.If you think of the bottom plate (the wall) at any point where a spring of a sensor tip (from a sensor array) is located, a force sensor that measures this force, then you have already solved part of the task.

Stellt man sich über jeder Stelle eines zu vermessenden Reliefs eine mechanische Feder vor, die an der jeweilig definierten x, y-Position senkrecht auf das Relief gedrückt wird, dann wirkt auf diese Feder eine ihrer Verformung entsprechende Kraft ein, die sie gegen die Bodenplatte weitergibt. Da jede Feder an ihrer jeweiligen Position durch die dort jeweils gegebene Reliefhöhe zusammengedrückt (oder auseinander gezogen) wird, erfährt die Feder an dieser Position eine zur Reliefhöhe proportionale Auslenkung. Jede derartige Auslenkung erzeugt durch die dazu proportionale Kraft, die von der Messspitze auf den Sensor auf der Bodenplatte weitergegeben wird, eine zur Höhe des Profils proportionalen Messwert.If one imagines a mechanical spring over each point of a relief to be measured, which is pressed perpendicularly to the relief at the respectively defined x, y position, then this spring acts on a force corresponding to its deformation, which transmits it against the bottom plate , Since each spring is compressed (or pulled apart) at its respective position by the respective relief height given there, the spring experiences this Position a deflection proportional to the relief height. Each such deflection generates proportional to the height of the profile by the proportional force that is passed from the probe tip to the sensor on the bottom plate.

Diese Kraft kann mit einer flächigen Sensoranordnung, die in x, y-Richtung mit definierter Auflösung Kraftdrucksensoren enthält, ausreichend genau räumlich auflösend gemessen werden. Wenn zudem in z-Richtung der Weg durch eine solche Weg-Kraftwandlung mit ausreichender Genauigkeit erfasst werden kann, ist die gestellte Aufgabe gelöst. Wird der Druck/Zug der Federfunktionen an jeder (x, y)-Position erfasst, dann kann daraus die Oberfläche des Reliefs insgesamt bestimmt und/oder rekonstruiert werden.This force can be measured with sufficient spatial resolution with a planar sensor arrangement which contains force pressure sensors in the x, y direction with a defined resolution. In addition, if in the z-direction, the path can be detected by such a path-force conversion with sufficient accuracy, the task is achieved. If the pressure / tension of the spring functions is detected at each (x, y) position, then the surface of the relief as a whole can be determined and / or reconstructed.

Voraussetzung ist, dass die Federfunktionen aller Federn einen weit gehend linearen Proportionalitätsfaktor α über den ganzen Messweg aufweisen (was nicht immer gegeben ist), oder dass die jeweilige Kennlinie bekannt ist (was fast immer erfüllbar ist).The prerequisite is that the spring functions of all springs have a largely linear proportionality factor α over the entire measuring path (which is not always the case), or that the respective characteristic is known (which can almost always be fulfilled).

An jeder Stelle, an der sich eine Feder befindet, kann die Federkraft erfasst werden, indem z. B. eine piezoaktive Folie zwischen über Kreuz liegende Zeilen- und Spaltenleitungen gebracht wird. Alternativ sind andere drucksensitive (resistive, kapazitive oder induktive) Folienmaterialien oder aus Kunststoff oder Schaumstoff bestehende Materialbeläge – was hier mit der Weg-Kraft-Wandler-Auflage zur Profilerfassung verwechselt werden darf – sind ebenfalls geeignet. Die zur Federanordnung hin positionierte Platine muss dabei u. U. aus einem dünnen, flexiblen, druckdurchlässigen Material bestehen. Dies stellt auf dem Stand der Technik aber kein hochwertiges Problem dar. Punktuell oder flächig (durch Siebdruck) auf die Platine aufgebrachtes druckempfindliches Material, stellt ebenso kein Problem dar.At each point where there is a spring, the spring force can be detected by z. B. a piezoactive film is placed between cross-row and column lines. Alternatively, other pressure-sensitive (resistive, capacitive or inductive) film materials or plastic or foam material coverings - which may be confused with the displacement-force transducer support for profile detection - are also suitable. The printed circuit board positioned to the spring arrangement must u. U. consist of a thin, flexible, pressure-permeable material. However, this is not a high-quality problem in the state of the art. Pressure-sensitive material applied to the printed circuit board in a punctiform or planar manner (by screen printing) also poses no problem.

Z. B. der DE 197 50 671 A1 kann ein Verfahren zur Messung von mechanischen Kräften entnommen werden, bei dem leitfähige oder leitfähig gemachte Schaumstoffe eingesetzt werden, um den – durch eine äußere Krafteinwirkung bewirkten – sich ändernden Widerstand zu messen und daraus auf die Kraft zu schließen. Es wird auch der Aufbau von zweidimensionalen Arrays mit derartigen Sensoren beschrieben. Hierbei werden der Widerstand in (den sich auf einer Bodenplatine befindenden) Elektrodenzellen am Ort der jeweiligen Elektroden (nicht beschrieben) gemessen. Es wird darauf hingewiesen, dass Stauchungen bis in den cm-Bereich gemessen werden können. Nicht beschrieben ist die Erfassung einer Höhenreliefmessung oder deren Ableitung aus einer „Stauchmessung”.For example, the DE 197 50 671 A1 For example, a method of measuring mechanical forces may be used which uses conductive or conductive foams to measure the changing resistance caused by an external force and to deduce the force from it. The construction of two-dimensional arrays with such sensors is also described. Here, the resistance in (located on a bottom plate) electrode cells at the location of the respective electrodes (not described) are measured. It should be noted that compressions can be measured down to the cm range. Not described is the detection of a height relief measurement or its derivation from a "compression measurement".

Solche oder ähnliche Anordnungen sind zur großflächigen Erfassung von Druckkraftwerten und somit zu einer Profilerfassung prinzipiell geeignet.Such or similar arrangements are suitable in principle for large-area detection of compressive force values and thus for profile detection.

Zur Weiterverarbeitung erfolgt eine Digitalisierung der Messwerte. Da aufgrund der notwendigen hohen Zeilen- und Spaltenzahl eine direkte Digitalisierung jeder einzelnen Zuleitung zu aufwendig erscheint, ist eine sequentielle Abtastung vorzuziehen. Daher wird eine Multiplexeranordnung genutzt, um die in jeden Kreuzungspunkt gebildeten Messwerte innerhalb eines definierten (jeweils durch die Größe der Anordnung bestimmten) Zeitintervalls genau einmal abtasten zu können.For further processing, the measured values are digitized. Since, due to the necessary high number of lines and columns, a direct digitization of each individual supply line seems too expensive, sequential sampling is to be preferred. Therefore, a multiplexer arrangement is used in order to be able to sample the measured values formed in each crossing point exactly once within a defined time interval (in each case determined by the size of the arrangement).

Dabei ist es u. U. sinnvoll, die gesamte Abtastung nicht nur mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) durchzuführen, sondern jeweils mehrere Zeilen (oder Spalten) über Multiplexer zu Funktionsblöcken mit jeweils einem Analog-Digital-Wandler zusammenzufassen. Zum Beispiel kann man Blöcke mit z. B. 16, 32 oder 48 Spalten (oder Zeilen) jeweils einem Analog-Digital-Wandler zuweisen. Andere Gruppengrößen sind möglich.It is u. It may make sense not to perform the entire sampling with an analog-to-digital converter (ADC), but rather to combine several rows (or columns) via multiplexers into function blocks, each with one analog-to-digital converter. For example, you can blocks with z. B. 16, 32 or 48 columns (or rows) each assign an analog-to-digital converter. Other group sizes are possible.

Die Schaltung in und stellen solche Multiplexeranordnung mit jeweils 32 Zeilen oder Spalten beispielhaft dar. Diese Größe stellt hier die bevorzugte Einheit einer Basiseinheit dar.The circuit in and represent such multiplexer arrangement with 32 rows or columns by way of example. This size represents here the preferred unit of a base unit.

Jeder Zeilengruppe, die durch die Multiplexeranordnung in Untergruppen zu je acht Zeilen (oder Spalten) zusammengefasst ist, ist eine übergeordnete Multiplexereinheit (i. a. ein einzelner elektronischer Baustein mit 8 Eingängen (30), einem Ausgang (31), zwei Versorgungsleitungen und mindestens vier Steuerleitungen (32) oder auch ein Mikroprozessor, etc.; vgl. ) zugeordnet. Hierzu sind vier ICs (33) als Multiplexerbausteine mit insgesamt 4 × 8 Eingängen vorgesehen.Each row group, which is grouped by the multiplexer arrangement in subgroups of eight rows (or columns), is a higher-level multiplexer unit (generally a single electronic unit with 8 inputs ( 30 ), an output ( 31 ), two supply lines and at least four control lines ( 32 ) or a microprocessor, etc .; see. ). There are four ICs ( 33 ) provided as a multiplexer blocks with a total of 4 × 8 inputs.

Die Ausgänge der Multiplexereinheit werden (wenn auf der Ebene der bis zu acht Multiplexer vorliegen) entweder einem weiteren Multiplexer zugeführt oder direkt einem Mikroprozessor übergeben, der sowohl die sequentielle Ansteuerung der Multiplexer durchführt, als auch die Werte mittels Analog-Digital-Wandler wandelt.The outputs of the multiplexer unit (if at the level of the up to eight multiplexers are present) either fed to another multiplexer or passed directly to a microprocessor, which performs both the sequential control of the multiplexer, as well as the values by means of analog-to-digital converter converts.

Bevorzugte Ausführungen liegen für jeweils vier Multiplexer-ICs (vgl. ) mit jeweils 8 Eingängen bei 1, 2 oder 3 Basisgruppen, also bei Baugruppen mit 32, 64, und 96 Zeilen bzw. Spalten. Diese Planung ist an die Wahl der eingesetzten Mikroprozessoren (nicht dargestellt) angepasst, die sowohl die Steuerung der Multiplexerbausteine über die Steuerleitungen (32), als auch die Analog-Digital-Wandler (ADC) bereitstellen. Der eingesetzte Mikroprozessor mit einen ADC und einem internen analogen 12-Kanal Multiplexervorsatz kann bis zu 12 Multiplexerausgänge (12·8 = 96 Zeilen/Spalten) verarbeiten und zudem noch die Ansteuerung der Multiplexersteuerung durch 3 Bits zur Zeilen(Spalten-)Ansteuerung und 12 Aktivierungsleitungen für die einzelnen ICs übernehmen.Preferred embodiments are for each four multiplexer ICs (see. ) with 8 inputs each for 1, 2 or 3 basic groups, ie for modules with 32, 64, and 96 rows or columns. This planning is adapted to the choice of microprocessors used (not shown), both the control of the multiplexer modules via the control lines ( 32 ), as well as the analog-to-digital converters (ADC). The microprocessor with an ADC and an internal analog 12-channel multiplexer pre-set can handle up to 12 Multiplexer outputs (12 x 8 = 96 lines / columns) process and also take over the control of the multiplexer control by 3 bits for row (column) control and 12 activation lines for the individual ICs.

Es lassen sich daher (als bevorzugte Basiseinheiten) ganzzahlige Vielfache von 32 Zeilen und 32 Spalten zu jeweils einem einzelnen Konstrukt zusammenfassen und damit ganzzahlige Vielfache von 1024 Sensorkreuzungspunkten realisieren.It can therefore (as preferred base units) integer multiples of 32 rows and 32 columns to form a single construct summarize and thus realize integer multiples of 1024 sensor intersection points.

Die bei einer Platinenherstellung erreichbare Auflösung liegt bei ca. 0,1 mm. Die hier bevorzugte minimale Zellenauflösung von 0,8 mm ist daher auch mit diesen einfachen Platinenherstellungsverfahren gerade noch realisierbar.The achievable at a board production resolution is about 0.1 mm. The here preferred minimum cell resolution of 0.8 mm is therefore just barely feasible even with these simple board manufacturing process.

zeigt eine Multiplexereinheit zum Aktivschalten einzelner Spaltenleitungen mit ebenfalls auf einer Basis vom 8 Leitungen zusammengefassten Gruppeneinheiten (35) (hier 4 × 8, also wieder 32 Spaltenzuordnungen). shows a multiplexer unit for activating individual column lines with group units also combined on a base of 8 lines ( 35 ) (here 4 × 8, so again 32 column assignments).

zeigt beispielhaft den Aufbau einzelner Messzellen, die aus sich wiederholenden, zweiseitigen Kamm-Anordnungen ( , ) aufgebaut ist und sich nach rechts und links ) und nach oben und unten ( ) immer wieder wiederholen. Benachbarte Zeilen bestehen jeweils aus ineinander greifenden, unsymmetrisch liegenden, entsprechend der Länge des Sensors ausgelegten, kammartigen Strukturen ( ). Je zwei benachbarte Zeilenkämme (52) und (53) lassen zusammen mit dazu senkrecht stehenden, ebenfalls benachbarten Spaltenkämmen (50) und (51), einen kleinen zentralen Ausschnitt (54) in den sich überlappenden Strukturen frei. Die Zonen (55), (56), (57) um diese Lichtungen (54) herum stellt den Bereich der eigentlichen Messzelle dar. Wenn die Zellenkontakte einseitig auszulegen sind, sind u. U. Durchkontaktierungen vorzusehen ( ) shows by way of example the structure of individual measuring cells, which consist of repetitive, two-sided comb arrangements ( . ) and is right and left ) and up and down ( ) repeat again and again. Neighboring lines each consist of interlocking, asymmetrical, comb-like structures designed according to the length of the sensor ( ). Each two adjacent row combs ( 52 ) and ( 53 ) together with perpendicular, also adjacent column combs ( 50 ) and ( 51 ), a small central section ( 54 ) in the overlapping structures. The zones ( 55 ) 56 ) 57 ) around these glades ( 54 ) around represents the area of the actual measuring cell. If the cell contacts are to be interpreted on one side, u. U. vias ( )

Ausgelegt werden Basismodule mit Auflösungen von 0.5, 1, 2, 3, 4, 5 mm, entsprechend einer Größe von 32 mm, 64 mm, 128 mm, 256 mm, 784 mm mit einem Umfang von 32, 48, 64, 89, 96 Zeilen/Spalten. Modulbauweisen können sinnvoll genutzt werden.Basic modules are designed with resolutions of 0.5, 1, 2, 3, 4, 5 mm, corresponding to a size of 32 mm, 64 mm, 128 mm, 256 mm, 784 mm with a circumference of 32, 48, 64, 89, 96 row / column. Modular construction can be used meaningfully.

Die Messwerterfassung erfolgt unter Nutzung derartiger Strukturen mit einer Multiplexeranordnung, die unter und angedeutet ist, also unter Nutzung von Schaltungen, die die Leitungen der in x-Richtung liegenden Zeilen-(oder Spalten-)Leitungen und von den in y-Richtung liegenden Spalten-(oder Zeilen-)Leitungen ansteuern (Schaltung der ) und als differentielle Messwerte entnehmen (Schaltung der ) und auf einen Analog-Digital-Wandler, evtl. erst nach einer geeigneten elektronischen Aufbereitung weiterschalten (z. B. Analogausgang (31)).The measured value acquisition takes place using such structures with a multiplexer arrangement, the and is indicated, so using circuits that control the lines of the lying in the x-direction row (or column) lines and the lying in the y-direction column (or line) lines (circuit of ) and as differential measurements (circuit of ) and to an analogue-to-digital converter, possibly only after a suitable electronic processing (eg analog output ( 31 )).

In den durch die Bahnen der Platinen gebildeten Sensor-Kreuzungspunkten, zwischen denen ein drucksensitives Element (z. B. eine Piezofolie, ein drucksensitives Widerstandsmaterial, o. ä.) eingebracht ist, werden vom auf den Kreuzungspunkt wirkenden Druck kraftproportionale Spannungen bzw. Parameter (Widerstandswerte oder auch Kapazitätswerte) erzeugt und über die Multiplexeranordnung auf die Messanordnung geschaltet.In the sensor intersection points formed by the tracks of the boards, between which a pressure-sensitive element (eg a piezo film, a pressure-sensitive resistance material, or the like) is introduced, force-proportional stresses or parameters are applied (from the pressure acting on the intersection point). Resistance values or capacitance values) are generated and connected to the measuring arrangement via the multiplexer arrangement.

Bei einer in x- und dann in y-Richtung nacheinander folgenden Abtastung der Spannungen auf den Leiterbahnen mit einer Messzeit von ca. 0,1 ms pro Einzelmessung (eingeschlossen einer für die Multiplexer benötigten Schaltdauer von ca. 10 μs und eine ADC-Wandlungszeit von ca. 10 μs) für ein Array mit 64 × 64 Messpunkten, also mit insgesamt 4096 Messpunkten, könnte eine komplette Abtastung, also die Erfassung des kompletten Reliefs in ca. 0,4 s durchgeführt werden.In a successive in x and then in y-direction scanning of the voltages on the tracks with a measuring time of about 0.1 ms per single measurement (including required for the multiplexer switching duration of about 10 microseconds and an ADC conversion time of approx. 10 μs) for an array with 64 × 64 measuring points, ie with a total of 4096 measuring points, a complete scanning, ie the acquisition of the complete relief, could be carried out in approx. 0.4 s.

Da durch die Blockbildung nur jeweils 1024 räumliche Messstützstellen einem ADC zugeordnet und abzutasten sind, werden – mit den gleichen technischen Daten wie zuvor – Wandlungszeiten von unter 0,1 s erreicht, die mit geeigneten technischen Maßnahmen auf 0,01 s gesenkt werden können.Since only 1024 spatial test points are allocated and scanned to an ADC as a result of the block formation, conversion times of less than 0.1 s are achieved with the same technical data as before, which can be reduced to 0.01 s with suitable technical measures.

Wichtigstes Element des 3D-Reliefsensors ist die Kraft- bzw. Druck-Messwerterfassung für in einer Fläche punktuell auftretende Kräfte. Der diesbezügliche Sensor besteht aus einer in Zeilen und Spalten strukturierten Kammanordnung in deren Kreuzungspunkten druck- bzw. kraftabhängige, piezoaktive oder resistive Elemente liegen. In einer anderen Ausführung werden keramische Materialien mit Piezoeffekt verwendet, die auf der starren Platine zur Beschichtung aufgebracht sind.The most important element of the 3D relief sensor is the force or pressure value acquisition for forces occurring in a certain area. The relevant sensor consists of a structured in rows and columns comb arrangement in the crossing points pressure or force-dependent, piezoactive or resistive elements are. In another embodiment, piezoelectric ceramic materials are used, which are applied to the rigid circuit board for coating.

Andere Materialien können genutzt werden. Eine Halbleiterbeschichtung an den Kreuzungspunkten wäre sehr wirkungsvoll, weil auf diese Weise einzelne Sensoren explizit im Kreuzungspunkt positioniert werden können. Die Abtastung könnte dann von ganz anderer Art sein, indem ein Zeilen-(oder Spalten-)Paar die Zuleitung einer Versorgungsspannung übernimmt und auf den Spalten-(Zeile-)Paaren der Messwert direkt abgenommen werden kann. Auf Grund der Kosten wird man dies allerdings nur in Spezialfällen einsetzen.Other materials can be used. A semiconductor coating at the crossing points would be very effective, because in this way individual sensors can be explicitly positioned at the crossing point. The sampling could then be of a completely different kind in that a row (or column) pair takes over the supply line of a supply voltage and the measured value can be taken directly on the column (row) pairs. Due to the cost, however, this will only be used in special cases.

Zur Stabilisierung der Anordnung wird es evtl. notwendig sein, dass unter der stabilen Platine zusätzlich eine (harte) Basisplatte, z. B. aus Metall, Stein oder Keramik, angebracht ist, die diese gesamte Anordnung den einwirkenden Kräften „gleichmäßig entgegenstemmt”.To stabilize the arrangement, it may be necessary that under the stable board in addition a (hard) base plate, z. B. of metal, stone or ceramic, is attached, which "restrains evenly" this entire arrangement the forces acting.

Diese Sensoreinheit wird als Sensor- bzw. als Hauptmodul bzw. als Basismodul bezeichnet. This sensor unit is referred to as a sensor or as a main module or as a base module.

Zur Bereitstellung einer vollständigen Sensoreinrichtung zur dreidimensionalen Erfassung einer Reliefoberfläche muss zum Sensormodul ein Weg-Kraftwandler-Modul hinzugefügt werden. Derartige Module können in sehr unterschiedlicher Weise ausgelegt und den unterschiedlichsten Anwendungen angepasst werden:
Eine bestimmte Anzahl von Druckfedern, die über die jeweilige Sensorfläche verteilt positioniert werden, geben bei einer Deformation an jeder Stelle eine wegproportionale Kraft auf die Bodenfläche weiter. Die Art und Weise, wie die Federn oder auch andere Materialien mit gleicher Funktion dazu eingesetzt werden können, ist vielfältig:
Bewährt haben sich für die Erfassung relativ grober Strukturen (z. B. bei Körperformen) Federanordnungen in „führenden Strukturen”. Z. B. können Waben- oder Röhren-Kunststoffmatten genutzt werden, um in jede Röhre bzw. Wabe eine Feder mit definierter Länge und definierter Federkonstante einzulegen. Die auf der einen Seite mit der (starren) Basismodulanordnung als Flächensensor versehenen Matten, die auf der anderen Seite mit einer, leicht dehnbaren, weichen Folie abgeschlossen werden, erlauben in x, y-Richtung Auflösungen, die durch die gegebenen Röhren- bzw. Federdurchmesser begrenzt sind.
To provide a complete sensor device for the three-dimensional detection of a relief surface, a displacement force transducer module must be added to the sensor module. Such modules can be designed in very different ways and adapted to a wide variety of applications:
A certain number of compression springs, which are positioned distributed over the respective sensor surface, give in a deformation at each point a wegproportionale force on the floor surface. The way in which the springs or other materials with the same function can be used is manifold:
For the detection of relatively coarse structures (eg in the case of body shapes), spring arrangements in "leading structures" have proven useful. For example honeycomb or tubular plastic mats can be used to insert into each tube or honeycomb a spring with a defined length and a defined spring constant. The mats provided on the one side with the (rigid) base module assembly as surface sensors, which are closed on the other side with a, easily stretchable, soft film allow resolutions in the x, y direction, by the given tube or spring diameter are limited.

Derartige Waben-Kunstoffmatten sind als Dekubitusmatten im Handel erhältlich. In jede Wabe kann man z. B. eine (möglichst weiche) Feder stecken, die von der jeweiligen Wabe in x, y-Richtung stabil gehalten werden und (fast) nur in z-Richtung der einwirkenden Kraft folgen können.Such honeycomb plastic mats are commercially available as bedsores. In every honeycomb you can z. B. stuck a (soft) spring, which are held stable by the respective honeycomb in the x, y-direction and (almost) only in the z-direction of the applied force can follow.

Ein gegen die flexible Folienoberfläche gedrücktes Relief oder Körperprofil erzeugt an jeder Federposition eine von der Höhe des Reliefs abhängige Federverformung und damit eine auf die Seite des Flächensensors einwirkende, zur Reliefhöhe proportionale, mechanische Kraft.A pressed against the flexible film surface relief or body profile produced at each spring position dependent on the height of the relief spring deformation and thus acting on the side of the surface sensor, proportional to the relief height, mechanical force.

Obwohl das Messprinzip an sich relativ einfach ist, hat die messtechnische Erfassung doch einige Tücken, die es durch Anpassung an die jeweilige Anwendung im Einzelfall zu lösen gilt:
Jede Feder (jedes Federelement bzw. Federäquivalent) in einer solchen Anordnung hat eine vom Aufbau abhängige Anfangsspannung und erzeugt bereits dann eine auf die Messplatte wirkende Kraft, auch wenn noch gar kein Profil auf die Oberfläche gedrückt worden ist. Daraus ergibt sich auch ohne Messobjekt ein von Null abweichender Wert, also ein Offset-Wert, der vom Fertigungsverfahren, der Fertigungstoleranz, der Temperatur, dem Material usw. abhängt und der bei jeder Messung herausgerechnet werden muss.
Although the measurement principle is relatively simple in itself, the metrological detection has some pitfalls, which must be solved by adapting to the particular application in each case:
Each spring (each spring element or spring equivalent) in such an arrangement has an initial tension dependent on the structure and already then generates a force acting on the measuring plate, even if no profile has yet been pressed onto the surface. This results in a non-zero value even without a measuring object, ie an offset value that depends on the manufacturing process, the manufacturing tolerance, the temperature, the material, etc., and must be calculated out for each measurement.

Dieser Anfangswert bzw. Offsetwert wird an jeder Stelle, also für jede Feder anders ausfallen und muss durch eine Starteichung, die möglichst vor jeder Messung ausgeführt wird, für die gesamte Messanordnung als Korrekturgröße (Korrekturbild) erfasst und in einem elektronischen Speicher festgehalten werden.This initial value or offset value will be different at each point, that is to say for each spring, and must be recorded as a correction variable (correction image) for the entire measuring arrangement by a start calibration, which is preferably carried out before each measurement, and recorded in an electronic memory.

Da für die Kraft der Feder F = α·s gilt, gilt auch für eine Eichmessung F0 = α·s0 und somit ergibt sich durch Subtraktion (F – F0) = α·(s – s0), sofern die Federkonstante α im gegebenen Messbereich konstant bleibt. Dies führt zu s = (F – F0)/α + s0 = F/α – F0/α + s0. Mittels Eichmessung sind also F0 und s0 bestimmbar und in die folgenden Messungen einzubeziehen.Since the force of the spring F = α · s applies, also applies to a calibration measurement F 0 = α · s 0 and thus results by subtraction (F - F 0 ) = α · (s - s 0 ), provided the spring constant α remains constant in the given measuring range. This leads to s = (F - F 0 ) / α + s 0 = F / α - F 0 / α + s 0 . By means of calibration measurement, F 0 and s 0 can therefore be determined and included in the following measurements.

Kennt man s, dann ist mit s0 = F0/α und s1 = F1/α ebenfalls bestimmbar: α = s0/F0, α = s1/F1 und α = (s – s0)/(F – F0). Während des Eindringens eines Profils lassen sich also kontinuierlich alle Federparameter bestimmen und überwachen.If one knows s, one can also determine with s 0 = F 0 / α and s 1 = F 1 / α: α = s 0 / F 0 , α = s 1 / F 1 and α = (s - s 0 ) / (F - F 0 ). During the penetration of a profile, all spring parameters can thus be continuously determined and monitored.

Zur Vermeidung von z. B. Temperatureffekten wird möglichst unmittelbar vor einer jeden Messung und kontinuierlich während des Eindringens des Profils Eichmessungen bestimmt und sogar als komplette Kennlinie gespeichert.To avoid z. B. Temperature effects is determined immediately before each measurement and continuously during the penetration of the profile calibration measurements and even stored as a complete characteristic.

Für einige Anwendungen genügt es, für die Eichungen bevorzugt vorab definierte Eichprofile zu verwenden, so dass eine definierte Eich-Relieftiefe über jedem Messpunkt des Sensors erzeugt werden kann. Die aufgenommenen Messwerte werden dann sowohl in eine (aktualisierte) Eichmessung als auch in jede Messung einbezogen. Da so definitionsgemäß Null gesetzt wird, F0 der Messwert unmittelbar beim Start der Messung ist und der Verlauf des Eindringens durch das bekannte Eichprofil bekannt sind, sind alle Größen an jeder x, y-Position bestimmbar. Erfasst man die Messwerte von Beginn der Profileindringung ab, dann lassen sich für alle Parameter auch die Kennlinien zu jeder Federposition ermitteln.For some applications it is sufficient to use for the calibrations preferably predefined calibration profiles, so that a defined calibration relief depth can be generated over each measuring point of the sensor. The recorded measured values are then included in both an (updated) calibration measurement and in each measurement. Since, by definition, zero is set, F 0 is the measured value directly at the start of the measurement and the course of penetration by the known calibration profile is known, all variables can be determined at each x, y position. If the measured values are recorded from the beginning of the profile penetration, then the characteristic curves for each spring position can be determined for all parameters.

Während also ein Profil (61) ( ) in z. B. einen Schaumstoff (60) eindringt, kann kontinuierlich der jeweiligen Kraftwert mit der Sensorplatine (64) erfasst werden, die hier auf einer schwingungsfähigen Platte (62) und einem festen Untergrund (63) liegt, und den Druck, der von der weichen Schaumstoffmatte (60) auf den Boden ausgeübt wird, innerhalb von 0,1 s erfassen und speichern.So while a profile ( 61 ) ( ) in z. B. a foam ( 60 ) penetrates, can continuously the respective force value with the sensor board ( 64 ), which here on a vibratory plate ( 62 ) and a solid ground ( 63 ), and the pressure exerted by the soft foam mat ( 60 ) is detected and stored within 0.1 s.

Seit Beginn des Eindringens des Profils (61) in die Schaumstoffmatte (60) können so alle Werte kontinuierlich aufgezeichnet und kontinuierlich alle relevanten Parametern erfasst werden. Mit fortschreitender Eindringtiefe wird vom Profil (61) ein kontinuierlich zunehmender Druck im Material (60) aufgebaut. Die damit auf den Boden weitergereichte Kraft hängt von der Eindringtiefe des Profils (61) in das Schaumstoffmaterial (60) und von der Federkonstanten (hier dem Äquivalent) ab. Die tiefste Stelle (68) erzeugt den größten Druck auf die Sensorplatte (64). Eine geringere Eindringtiefe (69) erzeugt einen geringeren Druck. Daher kann die Auswertung aus den Kraftdaten auf die jeweilige Eindringtiefe schließen. Wenn während der kontinuierlichen Einbringung des Profils die Federkonstante α (hier deren Äquivalent) bestimmt worden ist, dann kann auf die echte Eindringtiefe geschlossen werden.Since the beginning of the penetration of the profile ( 61 ) in the foam mat ( 60 ), all values can be recorded continuously and continuously all relevant parameters can be recorded. As the depth of penetration progresses, the profile ( 61 ) a continuously increasing pressure in the material ( 60 ) built up. The force transferred to the ground depends on the depth of penetration of the profile ( 61 ) in the Foam material ( 60 ) and the spring constant (here the equivalent). The lowest point ( 68 ) creates the greatest pressure on the sensor plate ( 64 ). A lower penetration depth ( 69 ) generates a lower pressure. Therefore, the evaluation can conclude from the force data on the respective penetration depth. If during the continuous introduction of the profile, the spring constant α (here its equivalent) has been determined, then it can be concluded that the real penetration depth.

Allerdings ergeben sich unterschiedlich zu bewertende, prinzipielle Fehler:
Das Eindringen des Profils (61) in ein weiches Material (60) führt zu Randeffekten, die ein Eindringen auch dort vermuten lässt, wo an sich kein Eindringen vorliegt (70), einfach weil das Material insgesamt nachgeben und ausweichen wird und so eine Druckkomponente auch in Richtungen weiterleiten wird, an der ein Eindringen gar nicht vorliegt (65).
However, the principal errors to be evaluated differ:
Intrusion of the profile ( 61 ) into a soft material ( 60 ) leads to edge effects, which suggest an intrusion even where there is no intrusion ( 70 ), simply because the material as a whole will yield and dodge and thus pass on a pressure component in directions where intrusion does not exist ( 65 ).

Die zeigt dazu unten, wie dies gesehen werden kann: Zum einen verdrängt das tiefer eindringende Profil (61) Material nach rechts oder links (67), so dass vektoriell zu sehende Kräfte (66) in Seitenzonen weitergereicht werden. Zudem wird Material unter dem Druck des Profils zur Seite (67) ausweichen und somit dort mehr Material bereitstellen, was zu einer veränderten Federkonstante führen wird.The below shows how this can be seen: Firstly, the deeper penetrating profile ( 61 ) Material to the right or left ( 67 ), so that vectorially visible forces ( 66 ) in side zones. In addition, material under the pressure of the profile will be removed ( 67 ) and thus provide there more material, which will lead to a change in the spring constant.

Hier setzt das Know-how und die Software bei der Auswertung der Daten an: Zum einen sind die unmittelbar einzusehenden Effekte von Druckweitergabe, Materialausweichung und Änderung von Materialkonstanten unter den Bedingungen von vektoriellen und tensoriellen Größen zu berechnen. Dies eröffnet allerdings weit reichende Korrekturmöglichkeiten.This is where the know-how and the software comes into play when evaluating the data: On the one hand, the immediate effects of pressure transfer, material deviation and change of material constants under the conditions of vectorial and tensorial quantities must be calculated. However, this opens far-reaching correction options.

Da ein Profil, das sich bereits teilweise in das Schaumstoffmaterial (60) eingedrückt hat, sich bei einer weiteren Eindringbewegung kontinuierlich über das gesamte bereits eingedrungene Profil und den Kraftwerten gleichmäßig mitteilt, somit die von der Sensorplatte (61) erfassten Werte eben dies auch aufzeigen müssten, kann auf Änderungen der Materialeigenschaften des Schaumstoffs während des Eindringen und damit sehr weitreichend auf die in die Korrekturberechnung einzubeziehenden Materialparameter geschlossen werden.Since a profile that is already partially in the foam material ( 60 ) has impressed itself continuously during a further penetration movement over the entire already penetrated profile and the force values, thus the information from the sensor plate ( 61 ) should show just this, it can be concluded on changes in the material properties of the foam during penetration and thus very far reaching on the material parameters to be included in the correction calculation.

Mit geeignet ausgeführter Eichung ist es so möglich, die Fehlereffekte zu einem großen Teil durch Berechnungen mit einer geeigneten Software zu kompensieren. Zusätzliche Maßnahmen können dies noch weiter verbessern: in der war bereits eine schwingungsfähige Unterlage (62) benannt worden. Mit einer solchen Schwingung ist es möglich, die Unterlage (64) der Schaumstoffmatte (60) in sinusförmige Vibrationen zu versetzen. Die gesamtflächig hierdurch periodisch verkürzten und verlängerten Eindringtiefen (68), (69), (70), erlauben die Berechnung der aktuell gültigen Federkonstanten-Werte.With properly performed calibration, it is possible to compensate for the error effects to a large extent by calculations with a suitable software. Additional measures can further improve this: in the was already a vibratory pad ( 62 ). With such a vibration, it is possible, the pad ( 64 ) of the foam mat ( 60 ) into sinusoidal vibrations. The total surface thereby periodically shortened and extended penetration depths ( 68 ) 69 ) 70 ), allow the calculation of the currently valid spring constant values.

Dies ermöglicht ebenfalls weit gehende Korrekturrechnung.This also allows extensive correction calculation.

Auch die erreichbare Auflösung hängt davon ab: Ein Höhenprofil (als 3D-Funktion) an definierten Punkten in einem gleichmäßigen Abstandsraster zu messen, stellt die räumliche Abtastung einer Funktion im Raum dar. Daher muss man bedenken, dass jede räumlich punktuelle Abtastung mit einer Stiftanordnung, wie von abgetasteten Zeitfunktionen bekannt, dem Shannonschen Abtasttheorem unterliegt.The achievable resolution also depends on: Measuring a height profile (as a 3D function) at defined points in a uniform distance grid represents the spatial scanning of a function in space. Therefore, it must be remembered that each spatially punctual scanning with a pin arrangement, as known from sampled time functions subject to Shannon's sampling theorem.

Liegen Abtastpositionen z. B. von einer Abtastung mit einer Abtastspitze in einem Abstand von 4 mm vor, dann lassen sich bei einem solchermaßen taktilen Abtastverfahren nur Strukturen fehlerfrei erfassen, wenn diese keine kleineren Strukturen aufweisen, als etwa 8 mm. Bei feineren Strukturen werden durch einen Aliasing-Effekt Abtastfehler provoziert, die dann das abgetastete Profil verfälschen werden. Auch mit einem „hochpräzisen” Stift-Abtastverfahren kann man aber feinere, scharf verlaufende Konturen nicht erfassen.If scanning positions z. B. from a scan with a stylus tip at a distance of 4 mm, then can be detected without errors in such a tactile scanning only structures, if they have no smaller structures than about 8 mm. For finer structures, sampling errors are provoked by an aliasing effect, which will then falsify the sampled profile. Even with a "high-precision" stylus scanning technique, however, one can not grasp finer, sharp contours.

Da sich die Deformation eines beliebigen, deformierbaren Körpers näherungsweise ebenfalls wie eine Feder verhält, ist die Loslösung von der Idee, Federstifte einzusetzen, daher ein konsequenter Entwicklungsschritt: Ein (von der Anwendung abhängiger, möglichst weicher) Schaumstoff hat über einen weiten Bereich ein federähnliches Verhalten und stellt damit eine wesentliche Vereinfachung bereit. Es genügt also, den flächenhaften Druckkraftsensor mit einem darüber positionierten, dicken, je nach Anwendung auszuwählenden, weichen, leicht deformierbaren Kunststoff- oder Schaumstoffmaterial (Schwamm, Schaumgummi, usw.) zu belegen. Die mit dem beschriebenen Basissensor in einem solchen Fall erreichbare sehr feine räumliche Auflösung entspricht einem (durchaus hilfreichen) räumlichen Oversampling.Since the deformation of any deformable body behaves approximately like a spring, disengaging from the idea of using spring pins is therefore a consistent developmental step: a (softer) application foam has a spring-like behavior over a wide range and thus provides a substantial simplification. It is therefore sufficient, the planar pressure force sensor with an over positioned, thick, depending on the application to select, soft, easily deformable plastic or foam material (sponge, foam rubber, etc.) to occupy. The achievable with the described base sensor in such a case, very fine spatial resolution corresponds to a (quite helpful) spatial oversampling.

Da bei einer Stiftkonstruktion ein durch die Stiftdurchmesser definierter minimaler Abstand zwischen den Abtaststellen nicht unterschritten werden kann, legt dieser räumliche Abstand die räumliche Abtastrate und damit die Eigenschaften eines Aliasing fest.Since with a pin construction a minimum distance between the scanning points defined by the pin diameter can not be undershot, this spatial distance determines the spatial scanning rate and thus the properties of an aliasing.

Da also selbst mit der (beliebig präzise gefertigten) Stiftfederkonstruktion nur eine Abtastung einer räumlichen Funktion im Abstand der Stifte möglich ist, und damit nur (Raumfrequenz-)Strukturen erfassbar sind, die dem doppelten Abstand der Stiftdistanz entsprechen, kann auch eine evtl. nur grob gearbeitete bzw. grob arbeitende Schaumstoffstruktur eine u. U. gleiche, oftmals sogar bessere Abtastung erreichen.Since even with the (arbitrarily precisely manufactured) pen spring design only a sampling of a spatial function in the distance of the pins is possible, and thus only (spatial frequency) structures can be detected, which correspond to twice the distance of the pen distance, also possibly only roughly crafted or coarse foam structure a u. U. same, often even better scan achieve.

Auch wenn ein sehr präzises Vermessen eines Profils an verschiedenen Positionen gewünscht ist, ist also eine Stiftkonstruktion mit einer evtl. hochpräzisen Führung und Kraft- bzw. Druckmessungen nicht unbedingt einer solch einfachen Konstruktion vorzuziehen.Even if a very precise measurement of a profile is desired at different positions, so a pin construction with a possibly high-precision guidance and force or pressure measurements is not necessarily preferable to such a simple construction.

Das für eine Messung notwendige Know-how stellt einen wesentlichen Beitrag zur Fehlerreduktion bereit. Zu diesen durch Algorithmen und Programme repräsentierten Teilen, gehört der Einsatz von Eichplattenmessungen, die auch bei der Herstellung für den jeweiligen Aufsatz und für die Basiseinheit einmalig auszuführen sind.The know-how required for a measurement makes a significant contribution to error reduction. These parts, represented by algorithms and programs, include the use of calibration plate measurements, which must also be carried out once during production for the respective attachment and for the base unit.

Dazu werden verschiedene Standardrelief-, Mess- bzw. Eichplatten bei der Herstellung verwendet und die ermittelten Daten, z. B. Kennlinien, dem Sensor in Form eines auslesbaren Speichers (z. B. in einem Festspeicher eingespeichert) mitgegeben.For this purpose, various standard relief, measuring or calibration plates are used in the production and the data obtained, for. B. characteristic curves, the sensor in the form of a readable memory (eg stored in a memory).

Die Basiseichmessung zum Zeitpunkt der Herstellung des flächenhaften Kraftsensors wird ebenfalls mit Standardaufsätzen (genauer: mit Eichreliefs) einmal ausgeführt und der Basiseinheit in einem nicht flüchtigen Speicher mitgegebenen.The Basisiseichmessung at the time of manufacture of the planar force sensor is also carried out with standard essays (more precisely: with Eichreliefs) once and given to the base unit in a non-volatile memory.

Somit stehen für den realen Einsatz die folgenden Komponenten bereit:

  • – Basiseinheit zur Druck/Kraftmessung mit Multiplexereinheit + Mikroprozessor + nichtflüchtigem Speicher
  • – Diverse Aufsätze mit und ohne eine Speichereinheit zur Speicherung von Kennlinien (ohne Speichereinheit ist die Eichmessung vom Anwender zuvor jeweils selbst durchzuführen.)
  • – geeignete Eichplatten mit definierten Eichprofilen als Zubehör (runde Formen, Pyramiden, Rechtecke, usw., z. B. auch Löcher)
  • – Schnittstellenzubehör für die Verbindung einer Basiseinheit zu einer Rechnereinheit und zur Datenübertragung (die auch drahtlos erfolgen kann),
  • – Software, die evtl. auf die jeweilige Anforderung angepasst werden muss.
Thus, the following components are available for real use:
  • - Basic unit for pressure / force measurement with multiplexer unit + microprocessor + non-volatile memory
  • - Various essays with and without a memory unit for the storage of characteristic curves (without memory unit the calibration measurement has to be carried out by the user himself before).
  • - suitable calibration plates with defined calibration profiles as accessories (round shapes, pyramids, rectangles, etc., eg also holes)
  • - Interface accessories for the connection of a base unit to a computer unit and for data transmission (which can also be wireless),
  • - Software that may have to be adapted to the respective requirement.

Wenn immer wiederkehrende, gleichartige Profile zu vermessen sind, kann ein Eichexemplar, das einmal korrekt ausgelegt wurde, als Referenz für später zu vermessende Profile genutzt werden. Man erhält auf diese Weise ein geeignetes Referenzprofil aus dem jeweiligen Entwicklungsprozess und kann solchen Fällen eine Auflösung < 0,1 mm – auch mit einfachen Techniken – erreichen, weil nur die Differenzen zum Eichprofil in die Messung eingehen brauchen.If recurring, similar profiles are to be measured, an oak specimen, which was once interpreted correctly, can be used as a reference for later to be measured profiles. In this way, one obtains a suitable reference profile from the respective development process and can achieve such cases a resolution <0.1 mm - even with simple techniques - because only the differences to the calibration profile need to be included in the measurement.

Schaumgummiaufsätze, auch Schwammaufsätze oder Kunststoffe aus sehr weichem Material sind in dem Verfahren einsetzbar und können zum Beispiel eine Gesichtskontur gut erfassen.Foam rubber inserts, also sponge attachments or plastics made of very soft material can be used in the process and can, for example, well capture a facial contour.

Mit einigen kleinen technischen und mathematischen Tricks und Know How kann die Auflösung in den meisten Fällen zusätzlich erhöht werden: Werden zum Beispiel n Messungen mit unterschiedlichem Anpressandruck durchgeführt, dann kann z. B. die jeweilige Federkonstante über jedem Messpunkt jeweils einzeln und jeweils neu vor einer Messung bestimmt werden. Da ein zu vermessendes Profil beim Eindringen ja gleich bleibt, gehorcht eine Kraftänderung von F = α·s in eindeutiger der Beziehung ∂F/∂z = ∂s/∂z·α + ∂α/∂z·s = α·s[(∂s/∂z)/s + (∂a/∂z)/z) (∂F/∂z)/F = [(∂s/∂z)/s + (∂α/∂z)/α)] ∂(lnF)/∂z = [∂(lns)/∂z) + (∂(lnα)/∂z)]. With some small technical and mathematical tricks and know-how, the resolution can be increased in most cases in addition: If, for example, n measurements are carried out with different contact pressure, then z. B. the respective spring constant over each measuring point in each case individually and each newly determined before a measurement. Since a profile to be measured remains the same when penetrating, a force change of F = α · s clearly implies the relationship ∂F / ∂z = ∂s / ∂z · α + ∂α / ∂z · s = α · s [(∂s / ∂z) / s + (∂a / ∂z) / z) (∂F / ∂z) / F = [(∂s / ∂z) / s + (∂α / ∂z) / α)] ∂ (lnF) / ∂z = [∂ (lns) / ∂z) + (∂ (lnα) / ∂z)].

Werden also Mess-Sequenzen auch in der Zeit ausgeführt, in der das zu vermessende Profil immer weiter in das Material eindringt und wird kontinuierlich der gesamte Eindringprozess erfasst, dann können (auch nichtlineare) Federkonstanten (z. B. bei Messungen an sehr hohen Profilen) erfasst werden und zu einer Korrekturmessung herangezogen werden.Thus, if measurement sequences are also carried out in the time in which the profile to be measured penetrates ever further into the material and continuously the entire penetration process is detected, then (even non-linear) spring constants can be used (eg for measurements at very high profiles) be recorded and used for a correction measurement.

Zudem erlaubt dieses „Messen einer kompletten Eindringsequenz” anschließend Seiten- und Ausweicheffekte des eingesetzten Materials fast komplett zu erfassen und aus dem ermittelten Profil dadurch bedingte Fehler wieder heraus zu rechnen. Allerdings erfordert das auch eine geeignet ausgelegte Rechenkapazität und einen u. U. großen Speicher.In addition, this "measurement of a complete penetration sequence" then allows almost completely to capture lateral and evasive effects of the material used and to reckon out errors caused by this profile. However, this also requires a suitably designed computing capacity and a u. U. large store.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19750671 A1 [0030] DE 19750671 A1 [0030]

Claims (7)

Verfahren zur Erfassung dreidimensionaler Oberflächen und Reliefs, dadurch gekennzeichnet, dass die zu vermessenden Oberflächenstrukturen in dicke, relativ weiche Materialien wie Schaumstoffe gedrückt werden und die Eindringtiefen des zu vermessenden Profils an jeder Stelle dadurch erfasst werden, dass der von diesen Materialien weitergeleitete Druck auf eine sich gegenüber dem Profil befindenden Sensoroberfläche erfolgt.Method for detecting three-dimensional surfaces and reliefs, characterized in that the surface structures to be measured are pressed into thick, relatively soft materials such as foams and the penetration depths of the profile to be measured are detected at each point by the fact that the pressure transferred from these materials to one another takes place opposite the profile located sensor surface. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflösung in x-y-Richtung durch die mit der Sensoroberfläche in diesen Richtungen erreichbaren Auflösung geschieht, wobei Seiten- und Verdrängungseffekte rechnerisch dadurch korrigiert werden, dass der gesamte Eindringverlauf beim Eindringen des Profils in des weiche Material aufgezeichnet und ausgewertet wird.A method according to claim 1, characterized in that the resolution in the xy direction is achieved by the achievable with the sensor surface in these directions resolution, wherein side and displacement effects are computationally corrected by recording the entire penetration during penetration of the profile in the soft material and evaluated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflösung in z-Richtung durch die mit den Kraftsensoren erreichbaren Auflösung geschieht, Wobei Seiten-, Verdrängungs- und Kennlinieneffekte rechnerisch dadurch korrigiert werden, dass der gesamte Eindringverlauf beim Eindringen des Profils in des weiche Material aufgezeichnet und ausgewertet wird.A method according to claim 1, characterized in that the resolution in the z-direction is achieved by the resolution achievable with the force sensors, wherein lateral, displacement and characteristic effects are mathematically corrected by the fact that the entire penetration during penetration of the profile recorded in the soft material and evaluated. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflösung erhöht wird, indem Seiten, Verdrängungseffekte und Kennlinieneffekte rechnerisch dadurch korrigiert werden, dass der gesamte Eindringverlauf beim Eindringen des Profils in des weiche Material aufgezeichnet und ausgewertet wird und zusätzlich eine Eichung der gesamten Anordnung durch Eichprofile mit bekanntem Eindringverlauf erfolgt.Method according to at least one of Claims 1-3, characterized in that the resolution is increased by mathematically correcting pages, displacement effects and characteristic effects by recording and evaluating the entire penetration course when the profile penetrates into the soft material and additionally calibrating the entire arrangement is carried out by calibration profiles with a known penetration. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eichung der gesamten Anordnung dadurch erfolgt, dass die Nullwerte an jeder Position mit aufliegendem Material, aber ohne Profil erfasst und gespeichert werden.Method according to at least one of claims 1-4, characterized in that a calibration of the entire arrangement takes place in that the zero values are recorded and stored at each position with overlying material but without a profile. Anordnung zur Erfassung dreidimensionaler Oberflächen und Reliefs, dadurch gekennzeichnet, dass die zu vermessenden Oberflächenstrukturen in dicke, relativ weiche Materialien wie Schwämme oder Schaumstoffe gedrückt werden und die Eindringtiefen des zu vermessenden Profils dadurch erfasst werden, dass der von diesen Materialien an jeder Stelle weitergeleitete Druck auf eine sich gegenüber dem Profil befindende Sensoroberfläche erfolgt.Arrangement for detecting three-dimensional surfaces and reliefs, characterized in that the surface structures to be measured are pressed into thick, relatively soft materials such as sponges or foams and the penetration depths of the profile to be measured are detected by the fact that forwarded by these materials at each point pressure a sensor surface located opposite the profile takes place. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoroberflächen aus Platinen bestehen, in denen zum ersten in x-Richtung verlaufende Leitungen und zum zweiten in y-Richtung verlaufende Leitungen sich überkreuzen und in den Kreuzungspunkten drucksensitive Materialien positioniert werden, so dass eine Zeilen- und Spaltenweise Abtastung der in diesen Kreuzungspunkten auftretenden Kräfte möglich ist.Arrangement according to claim 6, characterized in that the sensor surfaces consist of boards in which cross over to the first x-directional lines and the second in the y-direction lines and positioned in the crossing points pressure-sensitive materials, so that a row and column by column scanning of the forces occurring at these crossing points is possible.
DE200910054295 2009-11-23 2009-11-23 Method for detecting e.g. three-dimensional surface and relief, involves measuring penetration depths of profiles of surface structures at points, such that pressure is delivered to sensor surface that is arranged opposite to profiles Withdrawn DE102009054295A1 (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115628678A (en) * 2022-10-21 2023-01-20 北京卫星环境工程研究所 Stainless steel plate type heat sink forming height measuring device

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19750671A1 (en) 1996-11-19 1998-06-10 Karsten Weis Inexpensive force measuring sensor

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