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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem zum Erfassen von Druckkräften
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Stand der Technik
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Aus der
DE69808293T2 ist ein Drucksensor bekannt, der ein Schaumstoffmaterial, eine Lichtquelle und einen Lichtsensor umfasst. Das Schaumstoffmaterial umfasst Streuzentren und leitet durch die in ihm befindliche Lichtquelle eingespeistes Licht, sodass der ebenfalls im Schaumstoffmaterial befindliche Lichtsensor das eingeleitete Licht empfangen kann. Der Sensor ist so angeordnet, dass er das Licht der Lichtquelle nicht auf direktem Weg empfangen kann, sondern das Licht nach Streuung am Schaumstoffmaterial empfängt. Bei Deformation des Schaumstoffmaterials verändert sich dessen Lichtleitfähigkeit bzw. die Dichte der Streuzentren, sodass eine Auswertung der durch den Lichtsensor empfangenen Lichtintensität ein Maß für den auf das Schaumstoffmaterial wirkenden Druck darstellt. Somit kann aus dem Schaumstoffmaterial ein Drucksensor gebildet werden.
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Aus der
EP1605240A1 ist ein textiler Sensor bekannt, der aus einer flächigen, gewebten Elektrode und gegenüberliegenden durch leitende Fäden gebildete Elektroden gebildet wird. Die flächige Elektrode und die leitenden Fäden sind durch eine nichtleitende Schicht beabstandet und bilden je einen Kondensator. Der Abstand ändert sich bei Druckeinwirkung, sodass sich in Folge dessen auch die Kapazität der Kondensatoren ändert. Die Kapazitätsänderung kann gemessen werden, um so ein Maß für den einwirkenden Druck zu erhalten.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein flexibel formbares und gleichzeitig kostengünstiges Sensorsystem zum Erfassen von Druckkräften bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch das Sensorsystem gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Sensorsystem zum Erfassen eines Drucks, wobei das Sensorsystem ein Schaumstoffelement umfasst, wobei sich innerhalb des Schaumstoffelements eine Lichtquelle und ein Lichtsensor befinden, sodass der Lichtsensor durch die Lichtquelle ausgesendetes Licht empfängt, wobei das Schaumstoffelement derart ausgebildet ist, dass sich die von dem Lichtsensor empfangene Lichtintensität in Abhängigkeit eines auf das Schaumstoffelement wirkenden Drucks ändert, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem außerdem Elektroden umfasst, die einen Kondensator bilden, dessen Kapazität anhängig von dem auf das Schaumstoffelement einwirkenden Drucks ist.
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Bei dem Schaumstoffelement kann es sich hierbei um ein aus dem Stand der Technik bekanntest Schaumstoffelement handeln, das Streuzentren umfasst, ansonsten aber lichtleitend ausgebildet ist. In das Schaumstoffelement eingekoppeltes Licht wird an den Streuzentren gestreut, sodass der im Schaumstoffelement befindliche Sensor das durch die Streuzentren gestreute Licht empfängt. Bei Kompression des Schaumstoffelements in Folge von Druckeinwirkung, wird die lokale Dichte der Streuzentren im Bereich der Druckeinwirkung erhöht, sodass der Lichtsensor eine erhöhte Lichtintensität erfasst. Die Lichtintensität ist dabei ein eindeutiges Maß für die Intensität der Druckeinwirkung. Zusätzlich umfasst das erfindungsgemäße Sensorsystem Elektroden, die einen Kondensator bilden. Der Kondensator ist, beispielsweise durch die Verwendung des kompressiblen Materials des Schaumstoffelements als Isolierschicht, ebenfalls kompressibel, sodass sich die Kapazität des Kondensators bei lokaler Druckeinwirkung ändert. Eine Messung der Kapazität des Kondensators liefert daher ein eindeutiges Maß für den auf den Kondensator einwirkenden Druck, sodass das erfindungsgemäße Sensorsystem vorteilhafterweise zwei unabhängige Messverfahren ermöglicht, die verwendet werden können, um einen Druck redundant zu erfassen. Dies ist besonders vorteilhaft bei Anwendungen in denen das Sensorsystem über eine lange Produktlebensdauer nicht getauscht oder gewartet werden kann, da die beiden voneinander unabhängigen Messverfahren auch verwendet werden können um langfristige Sensordriften zu erkennen und im Rahmen einer elektronischen Auswertung zu kompensieren. Somit bietet das erfindungsgemäße Sensorsystem eine kostengünstige, flexible und langlebige Möglichkeit einen Druck zu messen.
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Vorteilhafter Weise wird eine Elektrode des Sensorsystems durch ein flächiges Gewebe gebildet, das beispielsweise aus einer miteinander verwobenen Vielzahl von elektrisch leitenden Drähten oder Fasern gebildet sein kann. Alternativ kann das flächige Gewebe auch nicht elektrisch leitende Komponenten, wie z.B. handelsübliche Textilfasern, enthalten. Somit kann vorteilhafterweise eine mechanische oder haptische Eigenschaft des flächigen Gewebes in einer gewünschten Art und Weise bereitgestellt werden.
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Vorteilhaft ist, dass das Schaumstoffelement eine Oberfläche aufweist, wobei sich eine Elektrode auf der Oberfläche des Schaumstoffelements befindet. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung befindet sich die Elektrode, die das flächige Gewebe bildet, auf der Oberfläche des Schaumstoffelements. Somit kann eine gewünschte Oberflächeneigenschaft bzw. -haptik bereitgestellt werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung befindet sich mindestens eine zweite Elektrode innerhalb des Schaumstoffelements.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, in der das Schaumstoffelement zwei gegenüberliegende Oberflächen aufweist, befinden sich die Elektroden auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Schaumstoffelements. Besonders vorteilhaft ist, wenn beide Oberflächen durch Elektroden bedeckt sind, die flächige Gewebe bilden.
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Vorteilhaft ist, dass die Elektroden eine elektrische Leitung bilden, die mit der Lichtquelle oder dem Lichtsensor verbunden ist. Alternativ kann ein Teil der Elektroden eine elektrische Leitung bilden, die mit der Lichtquelle oder dem Lichtsensor verbunden ist. Durch die Verwendung der Elektroden als elektrische Leitungen lässt sich vorteilhafterweise ein Sensorsystem realisieren, dass keine gesonderten elektrischen Leitungen zum Versorgen der Lichtquelle mit elektrischer Energie oder zum Übermitteln eines durch den Lichtsensor bereitgestellten elektrischen Signals benötigt. Mit anderen Worten kann so vorteilhafterweise ein Sensorsystem bereitgestellt werden, dessen Signal- bzw. Versorgungsleitungen verwendet werden können, um kapazitive Drucksensoren zu realisieren. Somit kann das Sensorsystem besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden.
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Vorteilafter Weise kann an mindestens einer Elektrode des Sensorsystems ein weiterer Sensor angebracht werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Temperatursensor, einen Feuchtesensor oder einen Beschleunigungssensor handeln. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung umfasst das Sensorsystem eine Vielzahl von Elektroden, wobei lediglich ein Teil davon an einen Sensor aus der Gruppe von Beschleunigungssensor, Temperatursensor und Feuchtesensor angeschlossen ist. Ein Beschleunigungsensor kann verwendet werden, um mittels des Beschleunigungssignals die Korrektheit des Mittels des Sensorsystems erfassten Drucks zu verifizieren. Der Temperatursensor und/oder der Feuchtesensor können verwendet werden, um anhand der Signals des Temperatur- und/oder Feuchtesensors die Genauigkeit einer mit dem Sensorsystem durchgeführten Druckmessung zu verbessern, indem temperatur- und/oder feuchteabhängige Effekte auf die Lichtstreuung des Schaumstoffelements und/oder der Kapazität des Kondensators bzw. der Kondensatoren berücksichtigt werden.
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Vorteilhafter Weise bildet das Schaumstoffelement eine Matte, wobei das Sensorsystem mehrere Lichtsensoren umfasst, sodass aus einer Verteilung der durch die Lichtsensoren empfangenen Lichtintensität eine Lokalisierung des auf das Schaumstoffelement einwirkenden Drucks ermittelt werden kann. Die Mattenform des Schaumstoffelements bietet den Vorteil, dass das derart gebildete Sensorsystem flexibel eingesetzt werden kann. Mittels eines Sensorsystems gemäß dieser vorteilhaften Weiterbildung kann der Druck nicht nur dem Betrag nach gemessen werden, sondern auch räumlich zugeordnet werden. Durch entsprechende Anordnung der Lichtsensoren kann ein Sensorsystem mit einer räumlichen Auflösung bereitgestellt werden, dass eine Bestimmung einer Einwirkfläche des Drucks oder einer zweidimensionalen Druckverteilung ermöglicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung umfasst das Sensorsystem eine Vielzahl von Elektroden, sodass auch durch die Vielzahl an Elektroden die oben genannten Vorteile erzielt werden können.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensorsystems wird nachstehend näher erläutert. Dabei zeigen:
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- 1 einen schematischen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensorsystems;
- 2 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensorsystems.
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensorsystems (10). Ein Schaumstoffelement (11) ist näherungsweise quaderförmig ausgebildet, sodass das Sensorsystem (10) insgesamt eine Matte bildet. Das Schaumstoffelement (11) ist lichtleitend und umfasst Streuzentren. Auf der Oberseite des Schaumstoffelements (11) befindet sich ein flächiges Gewebe (12), das zumindest teilweise aus elektrisch leitendem Material besteht und daher eine Elektrode bildet. Das flächige Gewebe (12) ist dünn im Vergleich zur Dicke des Schaumstoffelements (11).
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Das Sensorsystem (10) umfasst mehrere Lichtquellen (14), bei denen es sich beispielsweise um LEDs handeln kann, sowie mehrere Lichtsensoren (16) wie z.B. Photozellen. Die Lichtquellen (14) und die Lichtsensoren (16) sind in das Schaumstoffelement (11) eingebettet und derart angeordnet, dass die durch die Lichtsensoren (16) empfangene Lichtintensität einen erheblichen Anteil an Streulicht, das an den Streuzentren gestreut wurde, aufweist. Die Lichtquellen (14) und die Lichtsensoren (16) sind jeweils mit elektrischen Leitungen (17) verbunden, wobei es sich bei den elektrischen Leitungen (17) sowohl um Leitungen zur Spannungsversorgung, als auch um Signalleitungen handeln kann. Vorteilhafterweise können Signale von den Lichtsensoren (16) als digitale Signale über die elektrischen Leitungen (17) übermittelt werden. Die elektrischen Leitungen (17) bilden gemeinsam mit dem flächigen Gewebe (12) jeweils einen kompressiblen Kondensator, dessen Kapazität von einer Druckeinwirkung auf das Schaumstoffelement (11) abhängt. Mittels einer Auswerteelektronik kann die Kapazität der Kondensatoren gemessen und daraus die Druckeinwirkung bestimmt werden.
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2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbespiel des erfindungsgemäßen Sensorsystems, wobei die im Rahmen der Beschreibung von 1 bereits erläuterten Bezugszeichen nicht erneut beschrieben werden. Das Schaumstoffelement (11) umfasst einen Beschleunigungssensor (18). Alternativ oder zusätzlich kann das Schaumstoffelement (11) auch einen Temperatur- oder Feuchtesensor umfassen.
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Somit ist ein Sensorsystem beschrieben, dass kostengünstig herzustellen und flexibel einzusetzen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69808293 T2 [0002]
- EP 1605240 A1 [0003]
