DE202021105263U1 - bending angle sensor - Google Patents

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DE202021105263U1 DE202021105263.5U DE202021105263U DE202021105263U1 DE 202021105263 U1 DE202021105263 U1 DE 202021105263U1 DE 202021105263 U DE202021105263 U DE 202021105263U DE 202021105263 U1 DE202021105263 U1 DE 202021105263U1
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Abstract

Der Biegewinklersensor enthält ein Sensorelement mit Elektroden, die mit einem Polymer verbunden sind; einen Wandler, der so konfiguriert ist, dass eine Änderung der Geometrie des Polymers eine elektrische Änderung im Wandler verursacht; ein Ablesemodul, das eine elektrische Änderung erkennen kann und dadurch gekennzeichnet wird, dass ein Sensorelement zwei Kondensatoren enthält, die jeweils aus drei elastischen Schichten bestehen: zwei Elektroden und einem dazwischen liegendes Dielektrikum, wobei jede Elektrode aus Reaktoplast mit volumenhomogenisierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen besteht, der Wandler enthält einen Schalter, einen Präzisionskomparator, einen Mikrokontroller, der mit dem Schalter, dem Komparator und dem Taktgenerator mit Temperaturstabilisierung der Frequenz verbunden ist, eine rauscharme Referenzspannungsquelle mit Temperaturkompensation ist vorhanden und wobei jeder Kondensator des Sensorelements mit einem Kommutator verbunden ist, der so ausgelegt ist, dass er abwechselnd den ersten und den zweiten Kondensator mit der Stromquelle umschaltet, wobei die Kondensatoren parallel an den Eingang des Komparators angeschlossen werden, sodass die Möglichkeit besteht, den momentanen Spannungswert an den besagten Kondensatoren mit der Spannung der Referenzspannungsquelle zu vergleichen, wobei der Komparatorausgang mit den Zählerregistern des Mikrokontrollers verbunden ist, wobei eine von der Mikrokontroller-Software unabhängige Aufzeichnung der Komparatorwerte vorgesehen ist, wobei das Ablesemodul in Form eines Headsets ist mit der Möglichkeit der Übertragung von Messergebnissen an einen Computer oder ein mobiles Gerät über Wireless-Interface sowie mit der Möglichkeit der Stromversorgung des Messwandlers konstruiert.

Figure DE202021105263U1_0000
The bending angle sensor includes a sensor element with electrodes connected to a polymer; a transducer configured such that a change in geometry of the polymer causes an electrical change in the transducer; a readout module capable of detecting an electrical change and characterized in that a sensing element includes two capacitors, each consisting of three elastic layers: two electrodes and an intermediate dielectric, each electrode being made of reactoplast with volume-homogenized carbon nanotubes, the Converter includes a switch, a precision comparator, a microcontroller connected to the switch, the comparator and the clock generator with temperature stabilization of the frequency, there is a low-noise reference voltage source with temperature compensation, and each capacitor of the sensor element is connected to a commutator designed so is that he alternately switches the first and second capacitors with the current source, connecting the capacitors in parallel to the input of the comparator, so there is the possibility of connecting the instantaneous voltage value to the said Comparing capacitors with the voltage of the reference voltage source, the comparator output being connected to the counter registers of the microcontroller, recording of the comparator values independent of the microcontroller software being provided, the readout module being in the form of a headset with the Possibility of transferring measurement results to a computer or mobile device via wireless interface, as well as the possibility of powering the transducer.
Figure DE202021105263U1_0000

Description

Das Gebrauchsmuster bezieht sich auf den Bereich der Messtechnik, und zwar: es gehört zu Messgeräten - Sensoren, die in verschiedenen Bereichen der Technik verwendet werden können, in denen ein äußerst präzises räumliches Messen von Biegewinkeln erforderlich ist beziehungsweise auch dort, wo die Technologie der virtuellen Realität eingesetzt wird. Die Sensoren können in Geräten zur Regeneration der Feinmotorik bei motorischen Störungen, sowie zur Steuerung des Rehabilitationsprozesses eingesetzt werden.The utility model relates to the field of metrology, namely: it belongs to measuring devices - sensors that can be used in various fields of technology where extremely precise spatial measurement of bending angles is required or where the technology of virtual reality is used. The sensors can be used in devices to regenerate fine motor skills in the event of motor disorders and to control the rehabilitation process.

Ein bekanntes Analogon ist ein Sensor zur Messung des Biegewinkels, Bestandteil intelligenter Kleidung für ambulante Registrierung menschlicher Bewegungen, - US20160338644 , 17.09.2013, enthaltend:

  • - ein von einer Person getragenes Kleidungsstück;
  • - einen elektromagnetischen Energiestrahler;
  • - einen elektromagnetischen Energieempfänger;
  • - eine spiralförmige Leitung zum Transport elektromagnetischer Energie, in dem elektromagnetische Energie vom elektromagnetischen Energiestrahler zum elektromagnetischen Energieempfänger durch die Leitung fließt, die so konfiguriert ist, dass das menschliche Körpergelenk bedeckt wird. Das Strecken oder Biegen des Leitungselements führt zur Änderung eines oder einiger Parameter elektromagnetischen Energieflusses;
  • - und einen Datenprozessor, der Änderungen in einem oder mehreren Parametern analysiert, damit die Bewegung eines Körpergelenks gemessen wird.
A well-known analogue is a sensor for measuring the bending angle, part of intelligent clothing for ambulatory registration of human movements, - US20160338644 , 09/17/2013, containing:
  • - a garment worn by a person;
  • - an electromagnetic energy emitter;
  • - an electromagnetic energy receiver;
  • - a helical electromagnetic energy transport conduit in which electromagnetic energy flows from the electromagnetic energy emitter to the electromagnetic energy receiver through the conduit configured to cover the human body joint. The stretching or bending of the conducting element results in a change in one or some parameters of electromagnetic energy flow;
  • - and a data processor that analyzes changes in one or more parameters to measure movement of a body joint.

Der Nachteil des Analogons besteht in der Komplexität dessen Aufbaus, es ist nämlich notwendig, eine spiralförmige Leitung zum Transport elektromagnetischer Energie einzusetzen, was letztendlich die Genauigkeit der Bewegungsmessung reduziert.The disadvantage of the analog is the complexity of its structure, namely, it is necessary to use a spiral line to transport electromagnetic energy, which ultimately reduces the accuracy of motion measurement.

Ein bekannter analoger Biegewinkelsensor - US6809462 , 05.04.2000, als Prototyp dienend, enthält

  • - ein Sensorelement in Form von zwei Elektroden, die mit einem Polymer verbunden sind,
  • - einen Wandler, der so konfiguriert ist, dass eine Änderung der Polymergeometrie zur elektrischen Änderung im Wandler führt,
  • - und eine Ableseelektronik, die mit dem Sensorelement und dem Wandler verbunden und fähig ist, eine elektrische Änderung zu erkennen.
A well-known analog bending angle sensor - US6809462 , 04/05/2000, serving as a prototype
  • - a sensor element in the form of two electrodes connected to a polymer,
  • - a transducer configured in such a way that a change in polymer geometry results in an electrical change in the transducer,
  • - and reading electronics connected to the sensor element and the transducer and capable of detecting an electrical change.

Der Nachteil des Analogons ist eine niedrige Empfindlichkeit des Sensors sowie eine geringe Genauigkeit bei der Messung von Biegewinkeln.The disadvantage of the analogue is a low sensitivity of the sensor, as well as low accuracy when measuring bending angles.

Das technische Ergebnis des vorgeschlagenen Gebrauchsmusters ist - im Vergleich zu den Analoga - eine erhöhte Empfindlichkeit des Sensors, was eine hohe Genauigkeit der Biegewinkelmessung und die Möglichkeit der Verwendung des Sensors für die Arbeit mit virtueller Umgebung gewährleistet.The technical result of the proposed utility model is - compared to analogues - increased sensitivity of the sensor, which ensures high accuracy of measuring the bending angle and the possibility of using the sensor to work with a virtual environment.

Das technische Ergebnis wird im Biegewinkelsensor erzielt, der ein Sensorelement mit Elektroden enthält, die mit einem Polymer verbunden sind; einen Wandler, der so konfiguriert ist, dass eine Änderung der Polymergeometrie eine elektrische Änderung im Wandler verursacht; ein Ablesemodul, das eine elektrische Änderung erkennen kann; ein Sensorelement enthält zwei Kondensatoren, die jeweils aus drei elastischen Schichten bestehen: zwei Elektroden und einem dazwischen liegendes Dielektrikum. Jede Elektrode besteht aus Reaktoplast mit volumenhomogenisierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen, der Wandler enthält einen Schalter, einen Präzisionskomparator, einen Mikrokontroller, der mit dem Schalter, dem Komparator und dem Taktgenerator mit Temperaturstabilisierung der Frequenz verbunden ist, eine rauscharme Referenzspannungsquelle mit Temperaturkompensation ist vorhanden. Jeder Kondensator des Sensorelements ist mit einem Kommutator verbunden, der so ausgelegt ist, dass er abwechselnd zwischen den ersten und den zweiten Kondensator und der Stromquelle umschaltet. Die Kondensatoren werden parallel an den Eingang des Komparators angeschlossen, sodass die Möglichkeit besteht, den momentanen Spannungswert an den besagten Kondensatoren mit der Spannung der Referenzspannungsquelle zu vergleichen. Der Komparatorausgang ist mit den Zählerregistern des Mikrokontrollers verbunden, wobei eine von der Mikrokontroller-Software unabhängige Aufzeichnung der Komparatorwerte vorgesehen ist. Das Ablesemodul in Form eines Headsets ist mit der Möglichkeit der Übertragung von Messergebnissen an einen Computer oder ein mobiles Gerät über Wireless-Interface sowie mit der Möglichkeit der Stromversorgung des Messwandlers konstruiert.

  • zeigt den Aufbau des Biegewinkelsensors.
  • zeigt den Kondensator des Biegewinkelsensors.
  • zeigt die Kondensatoren des Beugewinkelsensors an der Hand eines Patienten.
The technical result is achieved in the bending angle sensor, which contains a sensor element with electrodes connected to a polymer; a transducer configured such that a change in polymer geometry causes an electrical change in the transducer; a readout module capable of detecting an electrical change; a sensor element contains two capacitors, each consisting of three elastic layers: two electrodes and a dielectric in between. Each electrode is made of reactoplast with volume-homogenized carbon nanotubes, the transducer contains a switch, a precision comparator, a microcontroller connected to the switch, the comparator and the clock generator with temperature stabilization of the frequency, a low-noise reference voltage source with temperature compensation is provided. Each capacitor of the sensor element is connected to a commutator arranged to alternately switch between the first and second capacitors and the power source. The capacitors are connected in parallel to the input of the comparator, so that it is possible to compare the instantaneous voltage value on said capacitors with the voltage of the reference voltage source. The comparator output is connected to the counter registers of the microcontroller, the comparator values being recorded independently of the microcontroller software. The reading module in the form of a headset is designed with the possibility of transferring measurement results to a computer or mobile device via a wireless interface, as well as the possibility of powering the transducer.
  • shows the structure of the bending angle sensor.
  • shows the capacitor of the bending angle sensor.
  • shows the capacitors of the flexion angle sensor on a patient's hand.

Der in dargestellte Biegewinkelsensor enthält ein Sensorelement 1 mit Elektroden 2, die mit dem Polymer 3 verbunden sind, wie in gezeigt, einen Wandler 4, der im Schema von dargestellt und so gestaltet ist, dass eine Änderung der Geometrie des Polymers 3 eine elektrische Änderung im Wandler 4 verursacht, ein Ablesemodul 5, das so gestaltet ist, dass es eine elektrische Änderung erkennen kann. Das Sensorelement 1 enthält zwei Kondensatoren 6,7, jeder besteht aus drei elastischen Schichten: zwei Elektroden 2 und das dazwischen liegende Dielektrikum 8, wie in gezeigt, jede Elektrode 2 ist aus Reaktoplast mit in ihrem Volumen homogenisierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen 9 hergestellt, der Wandler 4 enthält einen Kommutator 10, einen Präzisionskomparator 11, einen Mikrokontroller 12, der mit dem Wandler 10, dem Komparator 11 und dem Taktgeber 13 mit Temperaturstabilisierung der Frequenz verbunden ist. Eine rauscharme Referenzspannungsquelle 14 mit Temperaturkompensation ist vorhanden. Jeder Kondensator 6 und 7 des Sensorelements 1 ist mit einem Kommutator 10 verbunden, der so ausgelegt ist, dass er den ersten 6 und zweiten 7 Kondensator abwechselnd mit der Stromquelle 15 umschaltet. Die Kondensatoren 6, 7 sind parallel an den Eingang des Komparators 11 angeschlossen, sodass die Möglichkeit besteht, den momentanen Spannungswert an den Kondensatoren 6, 7 mit der Spannung der Referenzspannungsquelle 14 zu vergleichen. Der Ausgang des Komparators 11 ist mit den Zählerregistern 16 des Mikrokontrollers 12 verbunden, wodurch die Möglichkeit besteht, die Werte des Komparators 11 unabhängig von der Software des Mikrokontrollers 12 zu registrieren. Das Ablesemodul 5 in Form eines Headsets ist so konzipiert, dass es die Messergebnisse über Wireless-Interface an einen Computer oder ein mobiles Gerät übertragen und den Konverter 4 mit Strom versorgen kann.the inside The bending angle sensor shown contains a sensor element 1 with electrodes 2 which are connected to the polymer 3, as in FIG shown a converter 4, which in the scheme of shown and configured so that a change in geometry of the polymer 3 causes an electrical change in the transducer 4, a readout module 5 configured to detect an electrical change. The sensor element 1 contains two capacitors 6,7, each consisting of three elastic layers: two electrodes 2 and the dielectric 8 lying between them, as in shown, each electrode 2 is made of reactoplast with carbon nanotubes 9 homogenized in volume, the converter 4 contains a commutator 10, a precision comparator 11, a microcontroller 12, which is connected to the converter 10, the comparator 11 and the clock generator 13 with temperature stabilization associated with the frequency. A low-noise reference voltage source 14 with temperature compensation is present. Each capacitor 6 and 7 of the sensor element 1 is connected to a commutator 10 designed to alternately switch the first 6 and second 7 capacitors with the power source 15 . The capacitors 6, 7 are connected in parallel to the input of the comparator 11, so that it is possible to compare the instantaneous voltage value across the capacitors 6, 7 with the voltage of the reference voltage source 14. The output of the comparator 11 is connected to the counter registers 16 of the microcontroller 12, which makes it possible to register the values of the comparator 11 independently of the software of the microcontroller 12. The reading module 5 in the form of a headset is designed in such a way that it can transmit the measurement results to a computer or a mobile device via a wireless interface and can supply the converter 4 with power.

Nehmen wir ein Beispiel für eine konkrete Implementierung des Beugewinkelsensors. Der Sensor wird in der Medizin als Teil eines Handbewegungsüberwachungsgerätes für den Rehabilitationsprozess der Feinmotorik eingesetzt. Der Sensor wird zur Messung der Beugewinkel der Handgelenke verwendet. Die Kondensatoren 6, 7 haben die Form von elastischen Platten, die in das Elastikgewebe 17 eingenäht sind, wie in gezeigt. Die Kondensatoren 6, 7 befinden sich an jedem Phalange, der Kondensator 6 - unten, der Kondensator 7 - oben. Der Wandler 4 befindet sich auf der Innenseite der Handfläche und ist mithilfe von Leitern mit den Kondensatoren verbunden. Die Stromquelle 15 in Form eines Akkumulators befindet sich an der Außenseite der Handfläche und ist mithilfe von Leitern mit dem Wandler verbunden. Die Elemente sind mithilfe eines Elastikgewebes 17 verbunden, das sich einem Handschuh ähnelt, wodurch es möglich ist, alle Elemente des Sensors an der Hand zu platzieren.Let's take an example of a concrete implementation of the bending angle sensor. The sensor is used in medicine as part of a hand movement monitoring device for the fine motor rehabilitation process. The sensor is used to measure wrist flexion angles. The capacitors 6, 7 are in the form of elastic plates sewn into the elastic fabric 17, as in Fig shown. Capacitors 6, 7 are located on each phalange, capacitor 6 - below, capacitor 7 - above. The converter 4 is located on the inside of the palm and is connected to the capacitors by means of conductors. The power source 15 in the form of an accumulator is located on the outside of the palm and is connected to the converter by means of conductors. The elements are connected using an elastic fabric 17 resembling a glove, which makes it possible to place all the elements of the sensor on the hand.

Jede Elektrode 2 des Kondensators 5, 6 wird mithilfe der Reaktoplast-Technologie hergestellt - die Bestandteile werden durch eine chemische Reaktion gemischt. Das Mischungsverhältnis wird ausgehend von der erforderlichen Festigheit/Härte des Endprodukts bestimmt, die Reaktion findet unter normalen Umgebungsbedingungen statt. Ein Hochgeschwindigkeitsmischer und ein spezielles Rührwerk werden zur Homogenisierung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen 8 verwendet. Danach, nach dem Backverfahren-Prinzip, erfolgt ein schichtweiser Auftrag jeder Schicht - Leiterschicht (Elektrode 2), dann Dielektrikum (Isolator 8), wie in dargestellt, danach die nächste Leiterschicht. Dafür wird eine Rakeldruckmaschine verwendet. Die beschriebene Konstruktion der Elektrode 2 sorgt dafür, dass sie elastisch ist und gleichzeitig als Leiter dient. Dadurch wird eine hohe Genauigkeit bei der Messung der Änderung der elektrischen Kapazität der Kondensatoren 6, 7 erreicht, die durch das Biegen der Finger entsteht.Each electrode 2 of the capacitor 5, 6 is made using reactoplast technology - the components are mixed by a chemical reaction. The mixing ratio is determined based on the required strength/hardness of the end product, the reaction takes place under normal ambient conditions. A high-speed mixer and a special agitator are used to homogenize the carbon nanotubes 8 . After that, according to the principle of the baking process, each layer is applied in layers - conductor layer (electrode 2), then dielectric (insulator 8), as in shown, then the next conductor layer. A squeegee printing machine is used for this. The construction of the electrode 2 described ensures that it is elastic and at the same time serves as a conductor. As a result, a high level of accuracy is achieved when measuring the change in the electrical capacitance of the capacitors 6, 7, which occurs as a result of the bending of the fingers.

Damit eine höhere Empfindlichkeit des Sensors gewährleistet wird, wird als Referenzspannungsquelle 14 eine rauscharme Spannungsquelle ADR4525 verwendet, deren Ausgangsspannungsfehler ±0,02% beträgt, Temperaturkoeffizient - 1 ppm/°C, Ausgangsrauschbereich - IµV (0,1-10Hz). Als Komparator 11 wird der Präzisionskomparator LMP7300 verwendet, der folgende Eigenschaften hat: Verzögerung der Ausgangssignalbildung - 4 µs, Verschiebungsspannung - 0,3 mV, Genauigkeit der Referenzspannung - 0,25%, Gleichtaktstörunterdrückungskoeffizient - 100 dB. Als Taktgenerator 13 mit Temperaturstabilisierung wird ein temperaturkompensierter Quarzoszillator FOX924B-20.000 mit einem Grundfrequenzeinstellfehler von ±1,5ppm verwendet.In order to ensure higher sensitivity of the sensor, a low-noise voltage source ADR4525 is used as the reference voltage source 14, the output voltage error of which is ±0.02%, temperature coefficient - 1 ppm/°C, output noise range - IµV (0.1-10Hz). As a comparator 11, the precision comparator LMP7300 is used, which has the following characteristics: delay of formation of the output signal - 4 µs, offset voltage - 0.3 mV, accuracy of the reference voltage - 0.25%, common mode noise rejection coefficient - 100 dB. A temperature-compensated quartz oscillator FOX924B-20.000 with a basic frequency setting error of ±1.5 ppm is used as clock generator 13 with temperature stabilization.

Damit eine hohe Signalverarbeitungsgeschwindigkeit erzielt wird und dadurch eine hohe Empfindlichkeit des Sensors gewährleistet wird, wird der Ausgang des Komparators 11 direkt mit den Zählerregistern 16 des Mikrokontrollers 12 verbunden, sodass eine Aufzeichnung der Werte des Komparators 11 unabhängig von der Software des Mikrokontrollers 1 möglich ist. Die Ausgänge des Komparators 11 sind mit den jeweiligen Eingängen der Timer des Mikrokontrollers 12 verbunden, die so konfiguriert sind, dass bei einer Änderung des Signals vom Komparator 11 die Timer-Logikschaltung getriggert wird, die den aktuellen Wert des Timer-Zählerregisters erfasst und diesen Wert im Erfassungsregister unter Bildung des Vorzeichens „Timer-Erfassung“ speichert. Der beschriebene Vorgang der Timerwert-Erfassung wird von fester Logik des Timers ohne Beteiligung von Signalen des Mikrokontrollers 12 durchgeführt, und für die Kapazitätsmessung darf die Erfassungszeit außer Betracht gelassen werden. Das Ablesen und Verarbeiten der Ergebnisse vom Erfassungsregister 16 erfolgt in der Programmschleife des Mikrokontrollers 12, wenn der Wert des Attributs „Timer-Erfassung“ dem Wert „true“ entspricht. Die Wandlerelemente werden auf der gemeinsamen Druckplatte des Wandlers 4 platziert.In order to achieve a high signal processing speed and thereby ensure a high sensitivity of the sensor, the output of the comparator 11 is connected directly to the counter registers 16 of the microcontroller 12, so that the values of the comparator 11 can be recorded independently of the software of the microcontroller 1. The outputs of the comparator 11 are connected to the respective inputs of the timers of the microcontroller 12, which are configured in such a way that when the signal from the comparator 11 changes, the timer logic circuit is triggered, which detects the current value of the timer counter register and this value saves in the acquisition register under formation of the sign "timer acquisition". The process of timer value acquisition described is performed by fixed logic of the timer without the involvement of signals from the microcontroller 12, and for the capacitance measurement, the acquisition time may be disregarded. Reading and processing of the results from the capture register 16 occurs in the microcontroller 12 program loop when the value of the "timer capture" attribute is true. The transducer elements are placed on the common pressure plate of the transducer 4.

Das Ablesemodul 5 in Form eines Headsets ist mithilfe eines Leiters mit dem Wandler verbunden. Es ist dafür ausgelegt, Messergebnisse über Wireless-Interface an einen Computer oder ein mobiles Gerät zu übertragen, wodurch zusätzliche Geräte in der Nähe des Sensors nicht erforderlich sind, Störungen durch diese Geräte auf den Sensor verringert werden und die erforderliche Genauigkeit bei der Messung von Biegewinkeln gewährleistet wird.The reading module 5 in the form of a headset is connected to the converter by means of a conductor. It is designed to transmit measurement results to a computer or mobile device via wireless interface, which eliminates the need for additional devices near the sensor, reduces interference from these devices on the sensor, and provides the required accuracy when measuring bend angles is guaranteed.

Betrachten wir ein Anwendungsbeispiel des Biegewinkelsensors. Der hier beschriebene Sensor hat mehrere Sensorelemente 1. Sie sind für die Messung der Beugewinkel der Fingergelenke eines/-e Patienten/-in ausgelegt: zwei Sensorelemente 1 pro Finger vom Zeigefinger bis zum kleinen Finger (zwei Gelenke an jedem Finger), ein Sensorelement 1 am Daumengelenk. Der hochpräzise Beugewinkelsensor löst das Problem der Messung und der Ablesung der Gliedmaßenbeugung bei einem/-e Patienten/-in in der feinmotorischen Rehabilitation. Bei der Ablesung stört der Sensor dank seiner geringen Größe den/die Patienten/-in nicht, während er/sie eine Reihe von Übungen zur Regeneration der verlorenen motorischen Funktion ausführt.Let's consider an application example of the bend angle sensor. The sensor described here has several sensor elements 1. They are designed to measure the flexion angle of the finger joints of a patient: two sensor elements 1 per finger from the index finger to the little finger (two joints on each finger), one sensor element 1 at the thumb joint. The high-precision flexion angle sensor solves the problem of measuring and reading the limb flexion in a patient in fine motor rehabilitation. When reading, the sensor, thanks to its small size, does not disturb the patient while he/she performs a series of exercises to regenerate lost motor function.

Der Patient beugt den Finger. Dadurch wird das Sensorelement 1 gebogen, sodass das Dielektrikum 8 des Kondensators 7, wie in gezeigt, verdünnt und das Dielektrikum 8 des Kondensators 6 verdickt wird. Dies führt zu einer entsprechenden Erhöhung der Kapazität des Kondensators 7 und zu einer Verringerung der Kapazität des Kondensators 7 gegenüber dem Ruhezustand. Der Mikrokontroller 12 erzeugt einen Messzyklus: synchron werden die Ladung der Kondensatoren 6, 7 des Sensorelements 1 und die Taktung der Registerzähler 16 vom Oszillator 13 gestartet. Der Kommutator 10 schaltet die Kondensatoren 6, 7 zur Aufladung durch die Stromquelle 15 nach dem Signal vom Mikrokontrollers 12. Parallel dazu vergleicht der Komparator 11 den momentanen Spannungswert an den angezeigten Kondensatoren 6, 7 mit der Spannung der Referenzspannungsquelle 14. Die Fixierung von Werten der Zählerregister 16 erfolgt durch Hardware nach dem Triggersignal des Komparators 11, was die Empfindlichkeit des Sensors im Vergleich zu Analoga erhöht. Als Ergebnis dient die Differenz von Impulsanzahl der Zählerregister 16 pro Messzyklus. Der Wert des Biegewinkels wird vom Mikrokontroller gemäß der eingestellten Funktion der Abhängigkeit des Biegewinkels von der Differenz der Impulsanzahl berechnet. Mithilfe des Ablesemoduls 5 in Form eines Headsets 5 werden die Abfrage des Wandlers 4 und die Übertragung von Messergebnissen über Wireless-Interface an einen Computer oder ein mobiles Gerät realisiertThe patient flexes the finger. As a result, the sensor element 1 is bent so that the dielectric 8 of the capacitor 7, as in shown, thinned and the dielectric 8 of the capacitor 6 is thickened. This leads to a corresponding increase in the capacitance of the capacitor 7 and a reduction in the capacitance of the capacitor 7 compared to the quiescent state. The microcontroller 12 generates a measuring cycle: the charging of the capacitors 6, 7 of the sensor element 1 and the clocking of the register counter 16 by the oscillator 13 are started synchronously. The commutator 10 switches the capacitors 6, 7 for charging by the current source 15 according to the signal from the microcontroller 12. In parallel, the comparator 11 compares the instantaneous voltage value on the displayed capacitors 6, 7 with the voltage of the reference voltage source 14. The fixing of values of the Counter register 16 is done by hardware after the trigger signal of the comparator 11, which increases the sensitivity of the sensor compared to analogues. The result is the difference in the number of pulses in the counter register 16 per measurement cycle. The value of the bending angle is calculated by the microcontroller according to the set function of the dependence of the bending angle on the difference in the number of pulses. With the help of the reading module 5 in the form of a headset 5, the query of the converter 4 and the transmission of measurement results via a wireless interface to a computer or a mobile device are implemented

Die Umrechnung von Codes in Grad, die Kompensation der Anfangsvorspannung erfolgt nach der Formel: α = UkSe * UkMw * ( N N 0 ) ,

Figure DE202021105263U1_0001
wo

  • α - Messwert, °,
  • UkSe - Umsetzungskoeffizient des Sensorelements, [°/PF],
  • UkMw - Umsetzungskoeffizient des Messwandlers, [PF/(Imp.)],
  • N0 - Nullpunktversatz,
  • N - Impulsanzahl gleich der Differenz der Zählerregister 16 sind.
The conversion of codes into degrees, the compensation of the initial bias is carried out according to the formula: a = UkSe * UkMw * ( N N 0 ) ,
Figure DE202021105263U1_0001
Where
  • α - reading, °,
  • UkSe - conversion coefficient of the sensor element, [°/PF],
  • UkMw - conversion coefficient of the instrument transformer, [PF/(Imp.)],
  • N0 - zero offset,
  • N - number of pulses are equal to the difference between the counter registers 16.

Dank der hohen Empfindlichkeit des Sensors sind die Daten des Sensors gut mit dem Virtual-Reality-Bild der Hand synchronisiert und dadurch besteht die Möglichkeit, das Bild durch die Verwendung eines Biegewinkelsensors zu steuern.Thanks to the high sensitivity of the sensor, the data from the sensor is well synchronized with the virtual reality image of the hand and this gives the possibility to control the image using a bending angle sensor.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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  • US 6809462 [0004]US6809462 [0004]

Claims (1)

Der Biegewinklersensor enthält ein Sensorelement mit Elektroden, die mit einem Polymer verbunden sind; einen Wandler, der so konfiguriert ist, dass eine Änderung der Geometrie des Polymers eine elektrische Änderung im Wandler verursacht; ein Ablesemodul, das eine elektrische Änderung erkennen kann und dadurch gekennzeichnet wird, dass ein Sensorelement zwei Kondensatoren enthält, die jeweils aus drei elastischen Schichten bestehen: zwei Elektroden und einem dazwischen liegendes Dielektrikum, wobei jede Elektrode aus Reaktoplast mit volumenhomogenisierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen besteht, der Wandler enthält einen Schalter, einen Präzisionskomparator, einen Mikrokontroller, der mit dem Schalter, dem Komparator und dem Taktgenerator mit Temperaturstabilisierung der Frequenz verbunden ist, eine rauscharme Referenzspannungsquelle mit Temperaturkompensation ist vorhanden und wobei jeder Kondensator des Sensorelements mit einem Kommutator verbunden ist, der so ausgelegt ist, dass er abwechselnd den ersten und den zweiten Kondensator mit der Stromquelle umschaltet, wobei die Kondensatoren parallel an den Eingang des Komparators angeschlossen werden, sodass die Möglichkeit besteht, den momentanen Spannungswert an den besagten Kondensatoren mit der Spannung der Referenzspannungsquelle zu vergleichen, wobei der Komparatorausgang mit den Zählerregistern des Mikrokontrollers verbunden ist, wobei eine von der Mikrokontroller-Software unabhängige Aufzeichnung der Komparatorwerte vorgesehen ist, wobei das Ablesemodul in Form eines Headsets ist mit der Möglichkeit der Übertragung von Messergebnissen an einen Computer oder ein mobiles Gerät über Wireless-Interface sowie mit der Möglichkeit der Stromversorgung des Messwandlers konstruiert.The bending angle sensor includes a sensor element with electrodes connected to a polymer; a transducer configured such that a change in geometry of the polymer causes an electrical change in the transducer; a readout module capable of detecting an electrical change and characterized in that a sensing element includes two capacitors, each consisting of three elastic layers: two electrodes and an intermediate dielectric, each electrode being made of reactoplast with volume-homogenized carbon nanotubes, the Converter includes a switch, a precision comparator, a microcontroller connected to the switch, the comparator and the clock generator with temperature stabilization of the frequency, there is a low-noise reference voltage source with temperature compensation, and each capacitor of the sensor element is connected to a commutator designed so is that he alternately switches the first and second capacitors with the current source, connecting the capacitors in parallel to the input of the comparator, so there is the possibility of connecting the instantaneous voltage value to the said To compare capacitors with the voltage of the reference voltage source, the comparator output is connected to the counter registers of the microcontroller, recording of the comparator values independent of the microcontroller software is provided, the reading module is in the form of a headset with the possibility of transmitting measurement results to a computer or mobile device via wireless interface and with the possibility of powering the transducer.
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