WO2012076247A2 - SENSORSYSTEM ODER SENSOR ZUR DETEKTION VON MECHANISCHEN ODER THERMISCHEN MESSGRÖßEN ODER SYSTEMZUSTÄNDEN - Google Patents

SENSORSYSTEM ODER SENSOR ZUR DETEKTION VON MECHANISCHEN ODER THERMISCHEN MESSGRÖßEN ODER SYSTEMZUSTÄNDEN Download PDF

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    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements

Definitions

  • the invention relates to a sensor system or a sensor for the detection of mechanical or thermal measured variables or system states by means of shape memory elements according to the preamble of claim 1.
  • Shape memory elements are known in the art for generating actuation motions initiated by heating and associated crystalline transformation. Furthermore, it is known that Shape memory elements can be used by their pseudoelastic effect as spring or damping elements and as solid state joints. In both fields of application, shape memory elements can be reminiscent of a previously impressed shape by an annealing treatment. If the crystalline transformation is generated by an external mechanical stress, this is called a pseudoelastic effect. This effect is mainly used where high elastic deformability is required. On the other hand, if the crystalline transformation is generated by a thermal energy, this is called the thermal effect, which is mainly used in actuator applications.
  • shape memory element as a sensor is not limited to use in shape memory actuator systems, but shape memory elements are generally used for the detection of mechanical or thermal parameters or system states. Applications in which shape memory alloys are used only as a sensor, but not simultaneously as an actuator, are not yet known. The detection of mechanical variables, such as distances, travel paths and forces are nowadays for example taken over by optical or capacitive sensors.
  • the present invention seeks to provide a sensor system or a sensor based on shape memory elements, both for the detection of mechanical measurements, preferably distances, travel ranges and forces, as well as for the detection of thermal parameters, preferably temperatures, as well as for the detection of system states, preferably load cycles, unacceptable load conditions or sterilization cycles, can be used, which are of simple design, inexpensive to manufacture and applicable to different fields of responsibility.
  • the invention is based on the object, in the shape memory actuator systems beyond the prior art, preferably to measure travel ranges and load cycles.
  • the invention proposes a sensor system or a sensor for the detection of mechanical or thermal parameters or system states by means of shape memory elements by a sensor system or a sensor having at least one shape memory sensor element with a thermal or pseudoelastic effect, wherein the shape memory sensor element under the action of mechanical or thermal energy changes its physical material properties or its geometric properties, such that both information about the measured variable or system states detectable, as well as a permanent change in the material characteristics system states can be stored or that in addition to the sensor function further device functions and monitoring of these device functions are provided ,
  • the shape memory sensor element as a whole or within partitions assumes the sensory function and that the partitions have different configurations.
  • an advantageous embodiment is seen in that at a Deformation of the shape memory sensor element, for example by an actuator or by a temperature-induced influence of the shape memory sensor element as a measurable variable Material characteristic value preferably the electrical resistance of the Shape memory sensor element is measurable. This characteristic is for Detection of distances, positioning movements and forces usable.
  • the shape memory sensor element is further applicable to the detection of forces and pressures. But it is also the specific stress-strain behavior of the Shape memory sensor element detectable.
  • the physical sensor principle is preferably the change in the electrical resistance characteristic of the shape memory material or the change in the stress-strain behavior, it is alternatively provided that system states are changed by the shape memory sensor element due to permanently variable material characteristics, in particular by the permanent change in the electrical resistance curve or stress-strain Curve are storable.
  • the shape memory sensor element is provided for the detection of mechanical measured variables, in particular distances, travel ranges and forces, as well as for the detection of thermal measured variables, in particular temperatures, wherein the detection of all measured variables is provided continuously or in the form of maximum sizes.
  • the electrical resistance is used as the measurable variable material characteristic of the shape memory sensor element for the detection of temperatures and temperature changes, the transition temperature does not occur, as known from the prior art Resistance characteristic of the shape memory element for use.
  • the basis for this is the temperature-dependent change of Resistance characteristic.
  • the detection of all measured quantities is provided for this purpose continuously or in the form of maximum sizes, wherein the sensory detectable measured variables can be detected separately or together.
  • a preferred embodiment is also seen in that a force state or a force profile can be detected by the characteristic force-displacement characteristic curve of a shape memory sensor element. It is particularly advantageous that by means of the shape memory sensor element system variables, such as preferably load cycle numbers, sterilization cycles or other cycles of parameters or impermissible thermal or mechanical loads can be detected.
  • the measurement characteristic can be adjusted or finely adjusted by a thermal or mechanical influencing of the shape memory sensor element.
  • the shape memory sensor element takes over the functions of an actuator, a joint, a spring or a damper in addition to the sensory function. This allows several functions to be integrated in one component.
  • the sensory function of the Shape memory element is used in particular to monitor its own actuator, spring, damping or joint function. Monitored here, for example, the fatigue behavior or the general functionality of the shape memory element.
  • a preferred development is seen in the fact that the size of a translational or rotary actuator movement or the size of a force in all embodiments is adaptable as needed, in particular by means of a transmission gear or a lever mechanism, wherein by means of a Umformgetriebes a translational movement is provided in a rotational movement or vice versa deformable ,
  • the sensor system or the sensor are designed as a modular system and consist of various basic modules and forming and electronic modules.
  • the modules are designed as series, wherein the modules of the sensor system or the sensor have standardized mechanical, electrical and information technology interfaces and are applicable for different tasks.
  • the mentioned sensory detectable parameters are provided not only separately, but also detectable together.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of an inventive Sensor system with a shape memory sensor element with pseudoelastic effect
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the sensor system with a shape memory sensor element having a pseudoelastic effect, which at the same time serves as a restoring element for a shape memory actuator element;
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the sensor system with a shape memory sensor element having a pseudoelastic effect, which at the same time serves as a restoring element for a shape memory actuator element;
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the sensor system with a shape memory sensor element with a pseudoelastic effect for detecting forces.
  • FIG. 1 shows a sensor system according to the invention with a Shape memory sensor element 1 with pseudoelastic effect in a starting position.
  • the formed as a cylindrical coil spring shape memory sensor element 1 is disposed in a housing 2 and is supported at one end to an inner wall of the housing 2 and with its other end on the collar of an actuating element 3, wherein the actuating element 3 is longitudinally guided in a guide 4, that it performs a translational movement.
  • Acts on the actuator 3, an outer linear movement the actuator 3 performs a longitudinal movement and thereby deforms the coupled shape memory sensor element 1.
  • the amount of martensite can be read out by means of contacts 5, 6, which are arranged on the shape memory sensor element 1 respectively end, as an electrical resistance value, thereby measuring the size of the actuating path of the actuating element 3 is measurable.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the sensor system according to the invention.
  • the actuator 3 is longitudinally guided in the guide 4 in the housing 2, that the actuating element 3 is also a Performs translational movement, but is coupled in this embodiment with a, a stretched shape having shape memory sensor element 1 and a shape memory actuator element 7, which is inserted through a arranged in the actuator 3 transverse bore 8 and with its two free ends each end to the opposite ends of the housing with 9.10 the housing 2 are firmly connected.
  • the shape memory actuator element 7 has a thermal shape memory effect and is substantially V-shaped in its initial position.
  • the shape memory sensor element 1 has a substantially rectilinear shape in the starting position and is deformed during the movement of the actuating element 3.
  • the shape memory sensor element 1 has the pseudoelastic shape memory effect and performs two functions. On the one hand, it serves as a restoring element for the actuating element 3 and will reset the actuating element 3 when the shape memory actuator element 7 cools down due to its elastic properties.
  • the shape memory sensor element 1 and the shape memory actuator element 7 are preferably formed as wires, rods or sheets.
  • the housing 2 and the actuator 3 may have different shapes depending on the application.
  • Figure 3 shows another embodiment of the sensor system according to the invention, which corresponds in its mode of action to the embodiment shown in Figure 2.
  • the shape memory sensor element 1 is here alternatively designed as a cylindrical helical spring, which is supported on the inner wall of the housing 2 and on a collar of the actuating element 3 and is held by the guides 4.
  • the shape memory sensor element 1 also has the pseudoelastic shape memory effect in this embodiment and performs two functions. First, it serves as a return element for the actuating element 3 and is cooled by the Shape memory actuator element 7, which has a thermal shape memory effect, this reset by its elastic properties in its initial position. On the other hand, it assumes the function of a sensor by the own deformation state and thus the position of the actuating element 3 is detected by the internal electrical resistance. By means of the contacts 5,6, which are arranged on the shape memory sensor element 1, the electrical resistance value is read out, so that thereby the size of the actuating path of the actuating element 3 can be measured.
  • the shape memory actuator element 7 When the shape memory actuator element 7 is heated by means of electrical energy supplied via the contacts 11, 12 arranged on the shape memory actuator element 7 and when the transition temperature is exceeded, the shape memory actuator element 7 contracts and the actuating element 3 is pushed upwards and performs a translatory positioning movement.
  • FIG. 4 shows a sensor system according to the invention with a shape memory sensor element 1 with pseudoelastic effect in a starting position.
  • the preferably formed as a wire or sheet shape memory sensor element 1 is also arranged in a housing 2.
  • the actuating element 3 is longitudinally guided in a guide 4 in the housing 2 such that the actuating element 3 can execute a translational movement.
  • the actuator 3 is coupled to the shape memory sensor element 1.
  • the shape memory sensor element 1 is inserted through a transverse bore 8 arranged in the actuating element 3 and fixedly connected to the housing 2 at its two free ends at the mutually opposite housing ends 9, 10.
  • a contact pad 14 and on an inner side 15 of the housing 2 a further contact pad 16 is arranged.
  • Acts on the actuator 3, an external force the actuator 3 performs a longitudinal movement and thereby deforms the coupled shape memory sensor element 1 according to its specific force-deformation behavior.
  • the contact pads 14 and 16 touch each other. This closes a circuit with the aid of contacts 17 and 18 which switches a power or a signal current.
  • heating or a variable bias of the shape memory sensor element 1 the force to be measured is adjustable or finely adjusted.
  • the invention is not limited to the embodiments, but is variable in the methods used. In particular, it also includes variants which can be formed by a combination of the features or elements described in the present invention. All features mentioned in the foregoing description as well as in the drawings are further components of the invention, although not particularly emphasized and not mentioned in the claims.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem oder Sensor zur Detektion von mechanischen oder thermischen Messgrößen oder Systemzuständen mittels Formgedächtniselementen, wobei ein Sensorsystem oder ein Sensor mindestens ein Formgedächtnissensorelement (1) mit thermischem oder pseudoelastischem Effekt aufweist, wobei das Formgedächtnissensorelement (1) bei Einwirkung von mechanischer oder thermischer Energie seine physikalischen Materialkennwerte oder seine geometrischen Eigenschaften verändert, derart, dass sowohl Informationen über die zu detektierende Messgröße oder Systemzustände erfassbar, als auch durch eine bleibende Änderung der Materialkennwerte Systemzustände speicherbar sind oder dass zusätzlich zur Sensorfunktion weitere Bauelementfunktionen und eine Überwachung dieser Bauelementfunktionen vorgesehen sind.

Description

Sensorsystem oder Sensor zur Detektion von mechanischen oder thermischen Messgrößen oder Systemzuständen
Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem oder einen Sensor zur Detektion von mechanischen oder thermischen Messgrößen oder Systemzuständen mittels Formgedächtniselementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Formgedächtniselemente sind aus dem Stand der Technik zur Erzeugung von Stellbewegungen bekannt, die durch eine Erwärmung und eine damit verbundene kristalline Umwandlung initiiert wird. Weiterhin ist bekannt, dass
Formgedächtniselemente durch ihren pseudoelastischen Effekt als Feder- oder Dämpfungselemente und als Festkörpergelenke einsetzbar sind. Bei beiden Anwendungsgebieten können sich Formgedächtniselemente an eine durch eine Glühbehandlung zuvor eingeprägte Form erinnern. Wird die kristalline Umwandlung dabei von einer äußeren mechanischen Spannung erzeugt, spricht man von einem pseudoelastischen Effekt. Dieser Effekt wird vorwiegend dort angewendet, wo eine hohe elastische Verformbarkeit gefordert ist. Wird die kristalline Umwandlung dagegen von einer thermischen Energie erzeugt, so spricht man vom thermischen Effekt, welcher vorwiegend bei Aktoranwendungen zum Einsatz kommt.
Über den Einsatz von Formgedächtniselementen im Bereich der Sensorik ist bis jetzt wenig bekannt. Als Sensoren werden Formgedächtniselemente heutzutage lediglich eingesetzt, um temperaturbedingt zu schalten. Eine autarke Arbeitsweise der Formgedächtnisaktoren wird dabei zum einen durch die Temperatursensivität realisiert. Derartige temperaturgesteuerte Antriebe werden häufig als Ventilsteller eingesetzt, wie in der US 6 325 016 B1 und der US 5 743 466 beschrieben. Die Erwärmung erfolgt hier durch ein umgebendes Medium. Ein Nachteil dieser Systeme ist, dass die Erwärmung mittels eines Umgebungsmediums zwar das System intern regeln kann, jedoch keine externe Regelung der Stellbewegung zulässt. Zum anderen wird die Widerstandskennlinie eines Formgedächtnisaktorelementes dazu benutzt, die Längenänderung desselben zu regeln. Die Erwärmung erfolgt hier durch den elektrischen Eigenwiderstand des Formgedächtniselementes. Der Nachteil dieser Regelung besteht darin, dass sich die Widerstandeskennlinie des Formgedächtnisaktors von Charge zu Charge und aufgrund des
Ermüdungsverhaltens mit der Zeit sehr stark ändert.
Der Einsatz eines Formgedächtniselementes als Sensor ist jedoch nicht nur auf den Einsatz in Formgedächtnisaktorsystemen beschränkt, sondern Formgedächtniselemente sind generell zur Detektion von mechanischen oder thermischen Messgrößen oder Systemzuständen einsetzbar. Anwendungen, in denen Formgedächtnislegierungen nur als Sensor, jedoch nicht gleichzeitig als Aktor eingesetzt werden, sind bisher nicht bekannt. Die Detektion von mechanischen Größen, wie Abstände, Stellwege und Kräfte werden heutzutage beispielsweise von optischen oder kapazitiven Sensoren übernommen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Sensorsystem oder einen Sensor auf der Basis von Formgedächtniselementen zu schaffen, die sowohl zur Detektion mechanischer Messgrößen, vorzugsweise Abstände, Stellwege und Kräfte, als auch zur Detektion thermischer Messgrößen, vorzugsweise Temperaturen, sowie zur Detektion von Systemzuständen, vorzugsweise Lastspielzahlen, unzulässige Lastzustände oder Sterilisationszyklen, einsetzbar sind, die einfach aufgebaut, kostengünstig herstellbar sowie für unterschiedliche Aufgabenbereiche anwendbar sind.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, in Formgedächtnisaktorsystemen über den Stand der Technik hinaus vorzugsweise Stellwege und Lastspielzahlen zu messen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Sensorsystem oder einen Sensor zur Detektion von mechanischen oder thermischen Messgrößen oder Systemzuständen mittels Formgedächtniselementen vor, indem ein Sensorsystem oder ein Sensor mindestens ein Formgedächtnissensorelement mit einem thermischen oder pseudoelastischen Effekt aufweist, wobei das Formgedächtnissensorelement bei Einwirkung von mechanischer oder thermischer Energie seine physikalischen Materialkennwerte oder seine geometrischen Eigenschaften verändert, derart, dass sowohl Informationen über die zu detektierende Messgröße oder Systemzustände erfassbar, als auch durch eine bleibende Änderung der Materialkennwerte Systemzustände speicherbar sind oder dass zusätzlich zur Sensorfunktion weitere Bauelementfunktionen und eine Überwachung dieser Bauelementfunktionen vorgesehen sind.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass das Formgedächtnissensorelement als Ganzes oder innerhalb von Partitionen die sensorische Funktion übernimmt und dass die Partitionen unterschiedliche Konfigurationen aufweisen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform wird darin gesehen, dass bei einer
Verformung des Formgedächtnissensorelementes, beispielsweise durch ein Betätigungselement oder durch eine temperaturbedingte Beeinflussung des Formgedächtnissensorelementes als messbarer veränderlicher
Materialkennwert vorzugsweise der elektrische Widerstand des
Formgedächtnissensorelementes messbar ist. Dieser Kennwert ist zur
Detektion von Abständen, Stellbewegungen und Kräften nutzbar. Durch die Kenntnis des spezifischen Spannungs-Dehnungs-Verhaltens der Beziehung zwischen Kraft und Verformung ist das Formgedächtnissensorelement weiterhin zur Detektion von Kräften und Drücken einsetzbar. Es ist aber auch das spezifische Spannungs-Dehnungs-Verhalten des
Formgedächtnissensorelementes erfassbar. Da als physikalisches Sensorprinzip vorzugsweise die Änderung der elektrischen Widerstandskennlinie des Formgedächtnismaterials oder die Änderung des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens dient, ist alternativ vorgesehen, dass Systemzustände durch das Formgedächtnissensorelement aufgrund dauerhaft veränderlicher Materialkennwerte, insbesondere durch die dauerhafte Änderung der elektrischen Widerstandskurve oder der Spannungs-Dehnungs-Kurve speicherbar sind.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Formgedächtnissensorelement zur Detektion mechanischer Messgrößen, insbesondere Abstände, Stellwege und Kräfte, sowie zur Detektion thermischer Messgrößen, insbesondere Temperaturen, vorgesehen ist, wobei die Detektion aller Messgrößen kontinuierlich oder in Form von maximalen Größen vorgesehen ist. Wird der elektrische Widerstand als messbarer veränderlicher Materialkennwert des Formgedächtnissensorelements zur Detektion von Temperaturen und Temperaturänderungen eingesetzt, kommt nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, die Umwandlungstemperatur, sondern die
Widerstandskennlinie des Formgedächtniselementes zur Anwendung. Grundlage hierfür ist die temperaturabhängige Änderung der
Widerstandskennlinie. Die Detektion aller Messgrößen ist dazu kontinuierlich oder in Form von maximalen Größen vorgesehen, wobei die sensorisch erfassbaren Messgrößen separat oder zusammen detektierbar sind.
Eine bevorzugte Ausführungsform wird auch darin gesehen, dass durch die charakteristische Kraft-Weg-Kennlinie eines Formgedächtnissensorelementes ein Kraftzustand oder ein Kraftverlauf detektierbar ist.
Besonders vorteilhaft ist, dass mittels des Formgedächtnissensorelementes Systemgrößen, wie vorzugsweise Lastspielzahlen, Sterilisationszyklen oder andere Zyklen von Kenngrößen oder unzulässige thermische oder mechanische Belastungen detektierbar sind.
Zudem ist vorteilhaft vorgesehen, dass durch eine thermische oder mechanische Beeinflussung des Formgedächtnissensorelementes die Messcharakteristik einstellbar oder feinjustierbar ist.
Alternativ ist vorgesehen, dass das Formgedächtnissensorelement neben der sensorischen Funktion die Funktionen eines Aktors, eines Gelenkes, einer Feder oder eines Dämpfers übernimmt. Damit lassen sich mehrere Funktionen in einem Bauteil integrieren. Die sensorische Funktion des
Formgedächtniselementes wird insbesondere dazu verwendet, die eigene Aktor-, Feder-, Dämpfungs- oder Gelenkfunktion zu überwachen. Überwacht wird hier beispielsweise das Ermüdungsverhalten oder die generelle Funktionalität des Formgedächtniselementes.
Des weiteren ist vorteilhaft vorgesehen, dass das vorzugsweise
pseudoelastische Formgedächtnissensorelement zur Weg- oder
Positionsregelung eines Formgedächtnisaktorelementes oder eines
Verbindungselementes, das den thermischen Effekt aufweist, einsetzbar ist.
Eine bevorzugte Weiterbildung wird darin gesehen, dass die Größe einer translatorischen oder rotatorischen Stellbewegung oder die Größe einer Kraft bei allen Ausführungsformen bei Bedarf anpassbar ist, insbesondere mittels eines Übersetzungsgetriebes oder eines Hebelgetriebes, wobei mittels eines Umformgetriebes eine Translationsbewegung in eine Rotationsbewegung oder umgekehrt umformbar vorgesehen ist.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung wird weiterhin darin gesehen, dass das Sensorsystem oder der Sensor als Baukastensystem ausgebildet sind und aus verschiedenen Grundmodulen sowie Umform- und Elektronikmodulen bestehen. Die Module sind als Baureihen ausgeführt, wobei die Module des Sensorsystems oder des Sensors standardisierte mechanische, elektrische und informationstechnische Schnittstellen aufweisen und für unterschiedliche Aufgabenbereiche anwendbar sind. Die genannten sensorisch erfassbaren Parameter sind dazu nicht nur separat, sondern auch zusammen detektierbar vorgesehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematisch in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Sensorsystems mit einem Formgedächtnissensorelement mit pseudoelastischem Effekt;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des Sensorsystems mit einem Formgedächtnissensorelement mit pseudoelastischem Effekt, das zugleich als Rückstellelement für ein Formgedächtnisaktorelement dient;
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sensorsystems mit einem Formgedächtnissensorelement mit pseudoelastischem Effekt, das zugleich als Rückstellelement für ein Formgedächtnisaktorelement dient;
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sensorsystems mit einem Formgedächtnissensorelement mit pseudoelastischem Effekt zur Detektion von Kräften.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorsystem mit einem
Formgedächtnissensorelement 1 mit pseudoelastischem Effekt in einer Ausgangsstellung. Das als zylindrische Schraubenfeder ausgebildete Formgedächtnissensorelement 1 ist in einem Gehäuse 2 angeordnet und stützt sich mit seinem einen Ende an einer Innenwand des Gehäuses 2 und mit seinem anderen Ende am Bund eines Betätigungselementes 3 ab, wobei das Betätigungselement 3 in einer Führung 4 so längsgeführt ist, dass es eine Translationsbewegung ausführt. Wirkt auf das Betätigungselement 3 eine äußere Linearbewegung, so führt das Betätigungselement 3 eine Längsbewegung aus und verformt dabei das angekoppelte Formgedächtnissensorelement 1. Dabei erfolgt in dem Formgedächtnissensorelement 1 eine spannungsinduzierte Martensitumwandlung. Die Menge des Martensits kann mittels Kontakte 5,6, die an dem Formgedächtnissensorelement 1 jeweils endseitig angeordnet sind, als elektrischer Widerstandswert ausgelesen werden, so dass dadurch die Größe des Stellweges des Betätigungselementes 3 messbar ist.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensorsystems. Das Betätigungselement 3 ist in der Führung 4 im Gehäuse 2 so längsgeführt, dass das Betätigungselement 3 ebenfalls eine
Translationsbewegung ausführt, ist aber in diesem Ausführungsbeispiel mit einem, eine gestreckte Form aufweisenden Formgedächtnissensorelement 1 und einem Formgedächtnisaktorelement 7 gekoppelt, die durch eine im Betätigungselement 3 angeordnete Querbohrung 8 gesteckt und mit ihren beiden freien Enden jeweils endseitig an den einander gegenüberliegen Gehäuseenden 9,10 mit dem Gehäuse 2 fest verbunden sind. Das Formgedächtnisaktorelement 7 weist dabei einen thermischen Formgedächtniseffekt auf und ist in seiner Ausgangslage im wesentlichen v-förmig ausgebildet. Bei Erwärmung des Formgedächtnisaktorelementes 7 mittels elektrischer Energie, die über die am Formgedächtnisaktorelement 7 angeordneten Kontakte 11,12 zugeführt wird, und bei Überschreitung der Umwandlungstemperatur zieht sich das Formgedächtnisaktorelement 7 zusammen und das Betätigungselement 3 wird dadurch nach oben gedrückt und führt eine translatorische Stellbewegung aus. Das Formgedächtnissensorelement 1 weist in der Ausgangslage eine im wesentlichen gradlinig ausgebildete Form auf und wird bei der Bewegung des Betätigungselementes 3 verformt. Das Formgedächtnissensorelement 1 weist den pseudoelastischen Formgedächtniseffekt auf und übernimmt zwei Funktionen. Zum einen dient es als Rückstellelement für das Betätigungselement 3 und wird bei Abkühlung des Formgedächtnisaktorelementes 7 durch seine elastischen Eigenschaften das Betätigungselement 3 zurückstellen. Zum anderen übernimmt es die Funktion eines Sensors, indem der eigene Verformungszustand und damit die Position des Betätigungselementes 3 durch den inneren elektrischen Widerstand detektiert wird. Dabei erfolgt in dem Formgedächtnissensorelement 1 ebenfalls eine spannungsinduzierte Martensitumwandlung. Die Menge des Martensits wird dazu mittels der Kontakte 5,6, die am Formgedächtnissensorelement 1 angeordnet sind, als elektrischer Widerstandswert ausgelesen, so dass dadurch die Größe des Stellweges des Betätigungselementes 3 messbar ist. Das Formgedächtnissensorelement 1 dient damit zur Weg- oder Positionsregelung eines Formgedächtnisaktorelementes 7.
Das Formgedächtnissensorelement 1 und das Formgedächtnisaktorelement 7 sind vorzugsweise als Drähte, Stäbe oder Bleche ausgebildet. Das Gehäuse 2 sowie das Betätigungselement 3 können je nach Einsatzgebiet unterschiedliche Formen aufweisen.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensorsystems, welches in seiner Wirkungsweise dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht. Das Formgedächtnissensorelement 1 ist hier alternativ als zylindrische Schraubenfeder ausgeführt, die sich an der Innenwand des Gehäuses 2 und an einem Bund des Betätigungselementes 3 abstützt und durch die Führungen 4 gehalten wird.
Das Formgedächtnissensorelement 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls den pseudoelastischen Formgedächtniseffekt auf und übernimmt zwei Funktionen. Zum einen dient es als Rückstellelement für das Betätigungselement 3 und wird bei Abkühlung des
Formgedächtnisaktorelementes 7, das einen thermischen Formgedächtniseffekt aufweist, dieses durch seine elastischen Eigenschaften in seine Ausgangslage zurückstellen. Zum anderen übernimmt es die Funktion eines Sensors, indem der eigene Verformungszustand und damit die Position des Betätigungselementes 3 durch den inneren elektrischen Widerstand detektiert wird. Mittels der Kontakte 5,6, die am Formgedächtnissensorelement 1 angeordnet sind, wird der elektrische Widerstandswert ausgelesen, so dass dadurch die Größe des Stellweges des Betätigungselementes 3 messbar ist. Bei Erwärmung des Formgedächtnisaktorelementes 7 mittels elektrischer Energie, die über die am Formgedächtnisaktorelement 7 angeordneten Kontakte 11,12 zugeführt wird, und bei Überschreitung der Umwandlungstemperatur zieht sich das Formgedächtnisaktorelement 7 zusammen und das Betätigungselement 3 wird dadurch nach oben gedrückt und führt eine translatorische Stellbewegung aus.
Figur 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorsystem mit einem Formgedächtnissensorelement 1 mit pseudoelastischem Effekt in einer Ausgangsstellung. Das vorzugsweise als Draht oder Blech ausgebildete Formgedächtnissensorelement 1 ist ebenfalls in einem Gehäuse 2 angeordnet. Das Betätigungselement 3 ist in einer Führung 4 im Gehäuse 2 so längsgeführt, dass das Betätigungselement 3 eine Translationsbewegung ausführen kann. Das Betätigungselement 3 ist mit dem Formgedächtnissensorelement 1 gekoppelt.
Das Formgedächtnissensorelement 1 ist durch eine im Betätigungselement 3 angeordnete Querbohrung 8 gesteckt und mit seinen beiden freien Enden an den einander gegenüberliegen Gehäuseenden 9,10 mit dem Gehäuse 2 fest verbunden. An einem innenliegenden Ende 13 des Betätigungselementes 3 ist ein Kontaktpad 14 und an einer Innenseite 15 des Gehäuses 2 ein weiterer Kontaktpad 16 angeordnet. Wirkt auf das Betätigungselement 3 eine äußere Kraft, so führt das Betätigungselement 3 eine Längsbewegung aus und verformt dabei das angekoppelte Formgedächtnissensorelement 1 entsprechend seinem spezifischen Kraft-Verformungs-Verhalten. Ist eine zu messende Grenzkraft erreicht, berühren sich die Kontaktpads 14 und 16. Dadurch wird mit Hilfe von Kontakten 17 und 18 ein Stromkreis geschlossen, der einen Leistungs- oder einen Signalstrom schaltet. Durch eine nicht näher dargestellte Erwärmung oder eine veränderliche Vorspannung des Formgedächtnissensorelements 1 ist die zu messende Kraft einstellbar oder feinjustierbar.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Ausführungsbeispiele, sondern ist in den angewandten Methoden variabel. Sie umfasst insbesondere auch Varianten, die durch eine Kombination der in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Merkmale bzw. Elemente gebildet werden können. Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie aus den Zeichnungen entnehmbaren Merkmale sind weitere Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und nicht in den Ansprüchen erwähnt sind.

Claims (12)

  1. Sensorsystem oder Sensor zur Detektion von mechanischen oder thermischen Messgrößen oder Systemzuständen mittels Formgedächtniselementen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorsystem oder ein Sensor mindestens ein Formgedächtnissensorelement (1) mit thermischem oder pseudoelastischem Effekt aufweist, wobei das Formgedächtnissensorelement (1) bei Einwirkung von mechanischer oder thermischer Energie seine physikalischen Materialkennwerte oder seine geometrischen Eigenschaften verändert, derart, dass sowohl Informationen über die zu detektierende Messgröße oder Systemzustände erfassbar, als auch durch eine bleibende Änderung der Materialkennwerte Systemzustände speicherbar sind oder dass zusätzlich zur Sensorfunktion weitere Bauelementfunktionen und eine Überwachung dieser Bauelementfunktionen vorgesehen sind.
  2. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtnissensorelement (1) als Ganzes oder innerhalb von Partitionen die sensorische Funktion übernimmt und dass die Partitionen unterschiedliche Konfigurationen aufweisen.
  3. Sensorsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verformung des Formgedächtnissensorelementes (1) durch ein Betätigungselement (3) oder durch eine temperaturbedingte Beeinflussung des Formgedächtnissensorelementes (1) als messbarer veränderlicher Materialkennwert vorzugsweise der elektrische Widerstand oder als veränderliches Verhalten vorzugsweise das Spannungs-Dehnungs-Verhalten des Formgedächtnissensorelementes (1) erfassbar sind.
  4. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Systemzustände durch das Formgedächtnissensorelement (1) aufgrund dauerhaft veränderlicher Materialkennwerte, insbesondere durch die dauerhafte Änderung der elektrischen Widerstandskurve oder der Spannungs-Dehnungs-Kurve speicherbar vorgesehen sind.
  5. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtnissensorelement (1) zur Detektion mechanischer Messgrößen, insbesondere Abstände, Stellwege Kräfte und Kraftverläufe, sowie zur Detektion thermischer Messgrößen, insbesondere Temperaturen, vorgesehen ist, wobei die Detektion aller Messgrößen kontinuierlich oder in Form von maximalen Größen vorgesehen ist, und die sensorisch erfassbaren Messgrößen separat oder zusammen detektierbar vorgesehen sind.
  6. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Formgedächtnissensorelementes (1) Systemgrößen, insbesondere Lastspielzahlen, unzulässige Lastzustände oder Sterilisationszyklen detektierbar sind.
  7. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine thermische oder mechanische Beeinflussung des Formgedächtnissensorelementes (1) die Messcharakteristik einstellbar oder feinjustierbar vorgesehen ist.
  8. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Sensorfunktion das Formgedächtnissensorelement (1) seine eigenen Aktor-, Feder-, Dämpfungs- oder Gelenkfunktionen insbesondere in Bezug auf das Ermüdungsverhalten überwachbar sind.
  9. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtnissensorelement (1) zur Weg- oder Positionsregelung eines Formgedächtnisaktorelementes (7) oder eines Verbindungselementes, das den thermischen Effekt aufweist, einsetzbar ist.
  10. Sensorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtnissensorelement (1) vorzugsweise neben der sensorischen Funktion gleichzeitig die Funktion eines Aktors, eines Gelenkes, einer Feder, eines Dämpfers oder einer strukturellen Funktion übernimmt.
  11. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe einer translatorischen oder rotatorischen Stellbewegung oder die Größe der Stellkraft des Betätigungselementes (3) mittels eines Übersetzungsgetriebes, insbesondere eines Hebelgetriebes veränderbar ist, wobei mittels eines Umformgetriebes eine Translationsbewegung in eine Rotationsbewegung oder umgekehrt umformbar vorgesehen ist.
  12. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem oder der Sensor als Baukastensystem ausgebildet ist und aus verschiedenen Grundmodulen sowie Umform-Elektronikmodulen besteht, wobei die Module insbesondere als Baureihen ausgeführt sind und standardisierte mechanische, elektrische und informationstechnische Schnittstellen aufweisen.
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