DE102007056409A1 - Sensor module for component for detecting stresses on component, has three dimensional carrier material, piezo element, wire sensor and electronics connected with piezo element - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensormodul für ein Bauteil zur Erfassung von Bauteilbelastungen, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Sensormoduls sowie ein Verfahren zur Erfassung und Verarbeitung von Signalen mit einem Sensormodul.The The present invention relates to a sensor module for a component for detection of component loads, a method of manufacturing such a sensor module and a method for detecting and processing signals with a sensor module.
Im Stand der Technik ist es bekannt, Sensoren und Sensornetzwerke mit dazugehöriger Signalverarbeitung in Bauteile zu integrieren, um durch drahtlose und drahtgebundene Methoden von außen den Belastungszustand der Bauteile abzufragen. Dabei können die Sensornetzwerke vollständig in textilverstärkten Bauteilen, wie Glasfaser-Propylen-Verbunden, integriert sein. Derartige Bauteile werden aus mehreren textilen Lagen von Geweben oder Gestricken durch Verpressen bei Schmelztemperaturen der Thermoplastkomponenten gefertigt.in the It is known in the prior art to use sensors and sensor networks Related Integrate signal processing into components by wireless and wired methods from the outside the load state of To query components. It can the sensor networks completely in textile reinforced Components, such as glass fiber-propylene compounds, be integrated. such Components are made of several textile layers of woven or knitted fabrics by pressing at melting temperatures of the thermoplastic components manufactured.
Das Ziel der Anwendung von bauteilintegrierten Sensornetzwerken ist einerseits die Erkennung von Ereignissen, welche plötzlich und zeitlich unbestimmt eintreten können, und andererseits die permanente Funktionsüberwachung von sicherheitsrelevanten Bauteilen. Wesentliche Untersuchungen konzentrieren sich auf Systeme, die eine drahtlose Energie- und Datenübertragung voraussetzen.The The aim of the application of component-integrated sensor networks is on the one hand the recognition of events, which suddenly and can occur indefinitely, and on the other hand, the permanent function monitoring of safety-relevant Components. Key research focuses on systems which require a wireless power and data transmission.
Als Sensor für die Erfassung von Bauteilbelastungen kann ein Dehnungsmessstreifen oder ein Beschleunigungssensor verwendet werden. In gewissen Fällen kann auch ein Temperatursensor von Interesse sein. Die Messsignale, welche den Belastungszustand bzw. Verformungs- oder Verzerrungszustand einer Struktur erfassen, können durch zusätzliche Komponenten, wie elektrische Anschlüsse, Antennen oder Transponder, bis zur Messwertanzeige übertragen werden. Des Weiteren benötigen die bekannten Sensorsysteme eine separate Energieversorgung, welche beispielsweise durch eine auf einem Chip integrierte Folienbatterie gewährleistet werden kann. Um die Batterie nicht im Dauerbetrieb betreiben zu müssen, kann zur Energieeinsparung im Ruhezustand ein Aufwecksensor vorgesehen werden.When Sensor for the detection of component loads can be a strain gauge or an acceleration sensor can be used. In certain cases can also be a temperature sensor of interest. The measuring signals, which the load condition or deformation or distortion condition of a structure by additional Components, such as electrical connections, antennas or transponders, transferred to the measured value display become. Furthermore need the known sensor systems a separate power supply, which for example, by an integrated on a chip foil battery be guaranteed can. In order to operate the battery in continuous operation, can To save energy at rest, a wake-up sensor can be provided.
Im Ganzen ergeben sich hierdurch komplexe Systeme, deren Einzelmodule in separaten Herstellungstechnologien gefertigt werden und später geeignet miteinander verbunden werden müssen. Sollen mechanische Belastungen in mehreren Raumdimensionen erfasst wer den, werden mehrere der bekannten Sensormodule entsprechend der zu erfassenden Dimension auf einem Träger angeordnet und elektrisch miteinander verbunden. Auch dies führt zu zusätzlichen Fertigungsschritten, welche einen erhöhten Zeit- und Kostenaufwand zur Herstellung derartiger Module mit sich bringen. Darüber hinaus sind die bekannten Module durch die erforderlichen Verbindungstechnologien relativ groß und störanfällig.in the This results in complex systems, their individual modules manufactured in separate manufacturing technologies and later suitable need to be connected to each other. Should mechanical loads be detected in several room dimensions who the, are several of the known sensor modules according to the dimension to be detected arranged on a support and electrically connected with each other. This also leads to additional manufacturing steps which one increased Time and cost of producing such modules with it bring. About that In addition, the known modules by the required connection technologies relatively big and susceptible to interference.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sensormodul für ein Bauteil zur Erfassung Bauteilbelastungen, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Sensormoduls sowie ein Verfahren zur Erfassung und Verarbeitung von Signalen mit einem Sensormodul zur Verfügung zu stellen, das kompakt ausgebildet werden kann und in der Lage ist, Belastungen an dem Bauteil genau zu erfassen, wobei das Sensormodul weitgehend autark arbeiten soll.It Therefore, the object of the present invention is a sensor module for a Component for detecting component loads, a method of manufacturing Such a sensor module and a method for detecting and Processing of signals with a sensor module available too that can be made compact and capable of To accurately detect loads on the component, the sensor module should work largely independently.
Die Aufgabe wird zum einen durch ein Sensormodul für ein Bauteil zur Erfassung von Bauteilbelastungen gelöst, wobei das Sensormodul ein dreidimensionales Trägermaterial aufweist, in oder an welchem wenigstens ein Piezoelement, wenigstens ein Drahtsensor und wenigstens eine mit dem Piezoelement und dem Drahtsensor verbundene Elektronik vorgesehen sind.The The task is on the one hand by a sensor module for a component for detection solved by component loads, wherein the sensor module comprises a three-dimensional support material, in or on which at least one piezoelectric element, at least one wire sensor and at least one connected to the piezoelectric element and the wire sensor Electronics are provided.
Dabei ist unter einem Drahtsensor ein Sensor oder Sensorelement zu verstehen, welcher bzw. welches wenigstens ein zumindest teilweise elektrisch leitfähiges Drahtelement, Fadenelement oder anderes im Wesentlichen linienförmig ausgebildetes Element aufweist, auf dessen Grundlage der Sensor oder das Sensorelement eine Detektion ausführen kann. Somit kann der Drahtsensor aus einem Draht ausgebildet sein, muss aber nicht. Beispielsweise kann der Drahtsensor auch einen vorzugsweise vernäh- oder verstickbaren Faden aufweisen, welcher ein mit einem leitfähigen Material, wie z. B. Silber, beschichteter textiler Faden sein kann. Der Drahtsensor kann auch ein beispielsweise ein gedrucktes, im Wesentlichen linienförmiges elektrisch leitfähiges bzw. halbleitendes Element aus einem Polymermaterial sein. Dabei ist die Draht-, Faden- bzw. Linienform grundsätzlich variabel, so kann der Drahtsensor nicht nur in Form einer geraden Linie sondern auch gekrümmt, im Zick-Zack, als Mäander sein und/oder sich über verschiedene Ebenen des dreidimensionalen Trägermaterials erstrecken.there is a wire sensor to mean a sensor or sensor element, which or which at least one at least partially electrically conductive Wire element, thread element or other substantially linear shaped element based on which the sensor or the sensor element can perform a detection. Thus, the wire sensor may be formed of a wire but not. For example, the wire sensor may also have a preferably tie-offs or embroiderable thread, which is one with a conductive material, such as As silver, coated textile thread can be. The wire sensor can also, for example, a printed, substantially line-shaped electrically conductive or semiconducting element of a polymeric material. there the wire, thread or line shape is basically variable, so the Wire sensor not only in the form of a straight line but also curved in the Zigzag, be as meander and / or yourself over different levels of the three-dimensional substrate extend.
Die Komponenten des Sensormoduls sind somit erfindungsgemäß als strukturintegriertes Funktionssystem aufgebaut. Dadurch können durch ein Modul mittels des Drahtsensors Bauteilbelastungen erfasst werden, wobei durch die mit dem Drahtsensor verbundene Elektronik der Drahtsensor gesteuert werden kann und die mit dem Drahtsensor ermittelten Messsignale verarbeitet werden können. Darüber hinaus kann durch das in bzw. an dem Sensormodul vorgesehene Piezoelement eine Energieversorgung für den Drahtsensor und die Elektronik zur Verfügung gestellt werden, so dass das erfindungsgemäße Sensormodul weitgehend autark arbeiten kann.The Components of the sensor module are thus according to the invention as structurally integrated Function system built. This can be done by a module using the wire sensor component loads are detected by the electronics connected to the wire sensor of the wire sensor are controlled can and processed by the wire sensor detected measurement signals can be. Furthermore can by the provided in or on the sensor module piezoelectric element an energy supply for the wire sensor and the electronics are provided so that the sensor module according to the invention can work largely independently.
Indem sowohl das Piezoelement, der Drahtsensor als auch die Elektronik in bzw. an einem dreidimensionalen Trägermaterial vorgesehen sind, sind die Einzelelemente räumlich nahe beieinander angeordnet, so dass das erfindungsgemäße Sensormodul klein und kompakt gestaltet werden kann. Zudem ist es hierdurch möglich, die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung des Piezoelements, des Drahtsensors und der Elektronik geeignet miteinander zu koppeln, so dass das erfindungsgemäße Sensormodul einfach und kostengünstig hergestellt werden kann. Somit kann mit dem erfindungsgemäßen Sensormodul eine funktionsorientierte Struktur zur Verfügung gestellt werden, welche bei aktiven Bauteilen beispielsweise für ein Health-Monitoring oder definierte Steifigkeitsänderungen des jeweiligen Bauteils im Crashfall eingesetzt werden kann.By doing both the piezo element, the wire sensor and the electronics are provided in or on a three-dimensional support material, the individual elements are spatial arranged close to each other, so that the sensor module according to the invention is small and can be made compact. In addition, it is possible, the individual process steps for the production of the piezoelectric element, the wire sensor and the electronics to couple with each other, so that the sensor module according to the invention is simple and cost-effective can be produced. Thus, with the sensor module according to the invention a function-oriented structure will be provided which for active components, for example, for a health monitoring or defined stiffness changes of the respective component can be used in the event of a crash.
In einer günstigen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist der Drahtsensor dreidimensional ausgebildet. So können durch den Drahtsensor dreidimensional Bauteilbelastungen erfasst werden. Grundsätzlich kann der Drahtsensor jedoch auch zweidimensional ausgebildet sein.In a cheap one Further development of the present invention, the wire sensor is three-dimensional educated. So can detected by the wire sensor three-dimensional component loads become. in principle However, the wire sensor may also be formed two-dimensional.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Trägermaterial ein textiles Material, eine Folienstruktur, ein Schaum- oder ein Kunststoff. Derartige Materialien eignen sich insbesondere, um darin dreidimensional Drahtsensoren vorzusehen. Insbesondere bieten textile Halbzeuge als Trägerwerkstoff überraschende Vorteile. Zum einen lässt sich mittels der Textiltechnik der dreidimensionale Drahtsensor und die Elektronik zuverlässig fixieren. Zum anderen können sich textile Materialien einfach an Eigenschaften anderer Materialien, wie von Metallen, anpassen, so dass das Trägermaterial einfach in einen Verbund eingebracht werden kann. Auf diese Weise können beispielsweise Eigenspannungen des Modulsystems reduziert werden.In an advantageous embodiment According to the present invention, the carrier material is a textile material, a film structure, a foam or a plastic. such In particular, materials are useful for having three-dimensional wire sensors therein provided. In particular, semi-finished textile products offer surprising support material Advantages. For one thing lets by means of textile technology, the three-dimensional wire sensor and the electronics reliable fix. For another Textile materials simply adapt to properties of other materials, As of metals, adjust so that the backing material easily into one Composite can be introduced. In this way, for example Residual stresses of the module system can be reduced.
Darüber hinaus ist es möglich, in den genannten Materialien, insbesondere in Textilien, mehraxiale Verstärkungen vorzusehen, um das Sensormodul mit einer hohen Flexibilität und Belastbarkeit zur Verfügung zu stellen. Ferner ist die Verwendung textiler Halbzeuge insbesondere dann vorteilhaft, wenn an dem Sensormodul ein Umformprozess zur Endkonturfertigung des aktiven Bauteils vorgesehen werden soll.Furthermore Is it possible, in the materials mentioned, in particular in textiles, multiaxial reinforcements to provide the sensor module with a high flexibility and load capacity disposal to deliver. Furthermore, the use of semi-finished textile products is particular then advantageous if at the sensor module a forming process for final contour production the active component is to be provided.
Entsprechend einer bevorzugten Variante der vorliegenden Erfindung ist der dreidimensionale Drahtsensor in das Trägermaterial genäht oder gestickt. Mit Hilfe der Näh- oder Sticktechnologie können filigrane Drahtsensoren dreidimensional auf hochproduktive Weise in das Trägermaterial eingebracht werden. Dabei lassen sich auch komplizierte Strukturen ohne Weiteres herstellen.Corresponding A preferred variant of the present invention is the three-dimensional wire sensor in the carrier material stitched or embroidered. With the help of sewing or embroidery technology filigree wire sensors three-dimensional in a highly productive way in the carrier material be introduced. This also allows complicated structures produce without further ado.
Es ist ganz besonders von Vorteil, wenn der Drahtsensor zur Erfassung aller drei räumlichen, mechanischen Belastungskomponenten ausgeführt ist, wobei der Drahtsensor zwischen den jeweiligen Verzerrungskomponenten differenziert. Auf diese Weise ist der verwendete Drahtsensor nicht nur in der Lage, Belastungsrichtungen, sondern auch Belastungsarten zu erfassen.It is particularly advantageous when the wire sensor for detection of all three spatial, mechanical load components is executed, wherein the wire sensor differentiated between the respective distortion components. On In this way, the wire sensor used is not only capable of loading directions, but also to record types of load.
Beispielsweise kann der Drahtsensor aus oder in Form von Dehnungsaufnehmern ausgebildet sein. Die Dehnungsaufnehmer sind Strukturen zur Dehnungserfassung bzw. -messung und können z. B. in Mäanderform ausgelegt sein. Beispielsweise kann der Drahtsensor aus einem Material, welches gleiche bzw. ähnliche Eigenschaften wie ein für Dehnungsmessstreifen verwendetes Material aufweist, oder auch aus dem gleichen Material wie ein Dehnungsmessstreifen ausgebildet sein. Hierdurch lassen sich auf einfache Weise sehr genaue Messergebnisse erzielen, welche vorteilhaft ausgewertet werden können.For example the wire sensor may be formed from or in the form of strain sensors. The strain sensors are structures for strain detection or measurement and can z. B. in meandering form be designed. For example, the wire sensor may be made of a material which same or similar Properties like one for Strain gauge has used material, or even out be formed of the same material as a strain gauge. This makes it very easy to get very accurate results achieve, which can be evaluated advantageous.
In einer favorisierten Variante der vorliegenden Erfindung umfasst die Elektronik eine gedruckte, organische Elektronik, wie beispielsweise eine Polymerelektronik. Mit Hilfe der gedruckten, organischen Elektronik können sehr effektiv verschiedenste elektronische Bauteile auf das Trägermaterial aufgebracht werden. So können beispielsweise Schaltungen mit einer Druckgeschwindigkeit von bis zu 0,8 m/s bedruckt werden. Hierfür können verschiedene Drucktechniken eingesetzt werden, so dass mit dem Sensormodul relativ preiswert verschiedenste elektronische Steuer- und Signalauswertefunktionen zur Verfügung gestellt werden können.In a preferred variant of the present invention the electronics a printed, organic electronics, such as a polymer electronics. With the help of printed, organic electronics can very effective various electronic components on the substrate be applied. So can For example, circuits with a printing speed of up to to 0.8 m / s to be printed. Various printing techniques can be used for this be used, so that with the sensor module relatively inexpensive various electronic control and signal evaluation functions to disposal can be made.
Wenn für das erfindungsgemäße Sensormodul die Elektronik in organischer Elektronik bzw. Polymerelektronik zur Verfügung gestellt werden soll, ist es besonders günstig, wenn auf dem Trägermaterial eine zumindest teilweise oberflächenplanarisierende Schicht aufgebracht ist, auf der die organische Elektronik vorgesehen ist. Somit können die hohen Anforderungen, die die organische Elektronik an die Homogenität der Dicke der gedruckten Strukturen stellt, besser erfüllt werden.If for the inventive sensor module the electronics in organic electronics or polymer electronics to disposal is to be made, it is particularly advantageous if on the substrate a at least partially surface-planarizing layer is applied, on which the organic electronics is provided. Thus, you can the high demands that organic electronics make on the homogeneity of the thickness of the printed structures, to be better met.
Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn die Elektronik eine Antennenstruktur aufweist. Auf diese Weise können die mit dem Drahtsensor gemessenen und durch die Elektronik verarbeiteten Signale telemetrisch an einen Empfänger übertragen werden. Eine direkte Drahtankopplung kann daher entfallen, so dass das erfindungsgemäße Sensormodul frei von elektronischen Anschlusszwängen in einem aktiven Bauteil vorgesehen werden kann.It has also proven to be advantageous when the electronics a Antenna structure has. In this way, those with the wire sensor measured and processed by the electronics signals telemetry be transmitted to a receiver. A direct wire coupling can therefore be omitted, so that the sensor module according to the invention free from electronic connection constraints in an active component can be provided.
Günstigerweise sind das wenigstens eine Piezoelement, der wenigstens eine Drahtsensor und die wenigstens eine Elektronik belastungsspezifisch in oder an dem Sensormodul angeordnet. Dabei sollte das Piezoelement in Bereichen kleinerer und der Drahtsensor in Bereichen größerer Deformationen positioniert werden. Demgegenüber sollte die Integration der Elektronik vorzugsweise in unbelasteten Zonen erfolgen. Auf diese Weise können die Einzelelemente des Sensormoduls besonders effektiv und störungsfrei arbeiten.Conveniently, the at least one piezoelectric element, the at least one wire sensor and the at least one electronics arranged load-specific in or on the sensor module. In this case, the piezoelectric element should be positioned in areas of smaller and the wire sensor in areas of greater deformations. In contrast, the integration of the electronics should preferably take place in unloaded zones. In this way, the individual elements of the sensor module can work very effectively and trouble-free.
In einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das Sensormodul in einer Matrix aus einem härtbaren Material eingebettet. Damit kann das Sensormodul in der Matrix vor umgebungs- und prozessrelevanten Belastungen geschützt werden. Beispielsweise kann als Matrix eine werkstoff- und sensorkompatible Kunststoffmatrix verwendet werden.In a preferred embodiment of the present invention is the Sensor module embedded in a matrix of a curable material. Thus, the sensor module in the matrix before environment and process relevant Protected loads become. For example, as matrix a material and sensor compatible Plastic matrix can be used.
Hierbei ist es besonders von Vorteil, wenn die Matrix umformbar ist. Somit kann die Matrix in einer späteren Phase in eine an das aktive Bauteil angepasste Endkontur gebracht werden.in this connection it is particularly advantageous if the matrix is deformable. Consequently can the matrix in a later Phase brought into an adapted to the active component final contour become.
In einem bevorzugten Beispiel der vorliegenden Erfindung ist das Sensormodul in einem aktiven metallischen Bauteil integriert. Somit können in dem aktiven metallischen Bauteil mittels des Sensormoduls belastungsdifferenzierte Messungen vorgenommen werden und kodierte Steuersignale beim Erreichen vorgegebener Grenzwerte ausgelöst werden.In A preferred example of the present invention is the sensor module integrated in an active metallic component. Thus, in load-differentiated the active metallic component by means of the sensor module Measurements are made and coded control signals when reaching triggered predetermined limits become.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung ist das metallische Bauteil im Wesentlichen aus einem Leichtmetall oder einer Kombination aus Glasfaser und Leichtmetall, wobei als Leichtmetall vorzugsweise Aluminium oder auch Magnesium verwendet wird, aufgebaut. Derartige Bauteile sind insbesondere für einen Einsatz im Fahrzeugbau, in der Luftfahrttechnik geeignet, in welchen Materialien mit einem möglichst geringen Gewicht mit einer hohen Funktionalität gekoppelt werden sollen.According to one Another variant of the invention, the metallic component is substantially made of a light metal or a combination of fiberglass and Alloy, wherein as light metal preferably aluminum or Magnesium is also used. Such components are especially for a use in vehicle construction, suitable in aeronautical engineering, in which materials with the lowest possible weight a high functionality to be coupled.
In einem möglichen Beispiel der Erfindung ist das Sensormodul auf einer Metalldeckschicht vorgesehen. Damit kann das Sensormodul auf der Metalldeckschicht vorpositioniert werden und im Folgenden mittels eines Umformprozesses durch die Metalldeckschicht vorteilhaft ummantelt werden, so dass ein aktives metallisches Bauteil mit der Funktionalität des erfindungsgemäßen Sensormoduls zur Verfügung gestellt werden kann.In a possible An example of the invention is the sensor module on a metal cover layer intended. This allows the sensor module on the metal cover layer prepositioned and subsequently by means of a forming process be coated by the metal cover layer advantageously, so that a active metallic component with the functionality of the sensor module according to the invention to disposal can be made.
Es ist auch möglich, dass das Sensormodul sandwichartig zwischen Metalldeckschichten eingebettet ist. Auch auf diese Weise kann das Sensormodul geeignet zwischen den Metallschichten platziert und später, beispielsweise mittels eines Umformprozesses, mit den Metalldeckschichten zu einem aktiven metallischen Bauteil umgeformt werden.It is possible, too, that the sensor module sandwiched between metal cover layers is embedded. Also in this way, the sensor module suitable placed between the metal layers and later, for example by means of a forming process, with the metal topcoats to an active metallic component to be formed.
Entsprechend einer weiteren Variante der Erfindung kann das Sensormodul in Rillen eines Blechs vorgesehen sein. So können beispielsweise Elemente des Sensorsmoduls, wie das Piezoelement, der Drahtsensor und die Elektronik vorgefertigt und in die Rillen des Blechs eingebracht werden, woraufhin die Rillen des Blechs mit einem Kunststoffmaterial vergossen werden können.Corresponding According to a further variant of the invention, the sensor module can be in grooves a sheet be provided. For example, elements of the sensor module, such as the piezo element, the wire sensor and the Electronics prefabricated and introduced into the grooves of the sheet whereupon the grooves of the sheet with a plastic material can be shed.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung der vorliegenden Erfindung ergibt sich dann, wenn das aktive Bauteil wenigstens ein Teil der Karosserie eines Fahrzeugs oder der Außenhülle eines Flugzeugs ist. Somit kann eine Fahrzeugkarosserie bzw. eine Fahrzeugaußenhülle zur Verfügung gestellt werden, die nicht nur mechanische Belastungen erfasst, sondern vorzugsweise bereits intelligent auf derartige Belastungen reagiert. So ist es beispielsweise vorstellbar, dass dann, wenn beim Fahren des Fahrzeugs oder Fliegen des Flugzeugs ein erhöhter Strömungswiderstand gemessen wird, es automatisch zu einer Strukturveränderung des jeweiligen Karosserie- bzw. Außenhüllenteils zu dessen Stabilitätserhöhung kommt. Für strömungsaktive Bauelemente bietet sich an, möglichst großflächig Signalstrukturen in dem Fahrzeug bzw. Flugzeug vorzusehen.A particularly advantageous application of the present invention when the active component is at least part of the bodywork a vehicle or the outer shell of a vehicle Plane is. Thus, a vehicle body or a vehicle outer shell for disposal which not only captures mechanical loads, but preferably already intelligent on such loads responding. For example, it is conceivable that if When driving the vehicle or flying the aircraft increased flow resistance it is automatically measured to a structural change the respective body shell or outer shell part comes to its stability increase. For flow-active Components offers, if possible large area signal structures to provide in the vehicle or aircraft.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch ein Verfahren zum Herstellen eines Sensormoduls für ein Bauteil zur Erfassung von Bauteilbelastungen gelöst, wobei in oder an einem dreidimensionalen Trägermaterial wenigstens ein Piezoelement, wenigstens ein Drahtsensor und wenigstens eine Elektronik vorgesehen wird, und die Elektronik mit dem Piezoelement und dem Drahtsensor in oder an dem Trägermaterial verbunden wird.The The object of the invention is further achieved by a method for manufacturing a sensor module for solved a component for detecting component loads, wherein in or on a three-dimensional support material at least one Piezo element, at least one wire sensor and at least one electronics is provided, and the electronics with the piezoelectric element and the Wire sensor in or on the carrier material is connected.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist ein kompaktes Sensormodul herstellbar, in welchem mittels des Drahtsensors Belastungen des Bauteils erfassbar sind, der Drahtsensor mit Hilfe der Elektronik gesteuert, dessen Signale mit der Elektronik ausgewertet werden können und der Drahtsensor als auch die Elektronik mittels des Piezoelements mit Energie versorgt werden können. Somit kann durch das Verfahren ein weitgehend autark arbeitendes bauteilintegrierbares Funktionssystem bereitgestellt werden, welches in sich mehrere Funktionen vereint, um nach seiner Integration in dem Bauteil ein intelligentes Bauteil zur Verfügung zu stellen.With the method according to the invention is a compact sensor module produced in which by means of Wire sensors loads of the component are detectable, the wire sensor controlled with the help of electronics, its signals with the electronics can be evaluated and the wire sensor as well as the electronics by means of the piezoelectric element can be supplied with energy. Thus, by the method a largely self-sufficient working component integrated Function system can be provided, which in itself several functions united to be a smart one after its integration into the component Component available to deliver.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Drahtsensor in das Trägermaterial genäht oder gestickt. Durch die Näh- oder Sticktechnologie können einfach und hochproduktiv zwei- als auch dreidimensionale Drahtstrukturen in das Trägermaterial eingebracht werden, wobei es auch möglich ist, komplizierte Sensorstrukturen in dem Trägermaterial auszubilden.According to one advantageous embodiment of the Present invention, the wire sensor in the substrate stitched or embroidered. Through the sewing or embroidery technology simple and highly productive two- as well as three-dimensional wire structures in the carrier material it is also possible, complicated sensor structures in the carrier material train.
Es ist ferner von Vorteil, wenn auf das Trägermaterial eine zumindest teilweise oberflächenplanarisierende Schicht aufgebracht wird, auf welche eine organische Elektronik, wie eine Polymerelektronik, aufgedruckt wird. Hierdurch lassen sich einfach, schnell und kostengünstig hochgenaue organische Elektronikelemente auf das Trägermaterial aufbringen, so dass das Sensormodul mit der so hergestellten Elektronik beispielsweise in Massenproduktion gefertigt werden kann.It is also advantageous if an at least partially surface-planarizing Coated onto which organic electronics, as a polymer electronics, is printed. This can be done easy, fast and inexpensive highly accurate organic electronic elements on the substrate Apply, so that the sensor module with the electronics thus produced for example, can be mass produced.
Es hat sich zudem als günstig erwiesen, wenn das Sensormodul in ein härtbares Material eingegossen wird. Somit kann das Sensormodul vor Umgebungsbedingungen sowie vor kritischen Belastungen in späteren Umformprozessen oder dergleichen in einer aus dem härtbaren Material bildbaren Matrix geschützt werden.It has also been considered favorable proved when the sensor module poured into a curable material becomes. Thus, the sensor module can be protected from ambient conditions as well before critical loads in later Forming processes or the like in one of the curable Material formable matrix protected become.
Gemäß einer möglichen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Sensormodul auf eine Metalldeckschicht aufgebracht und die daraus entstehende Schichtfolge so zu dem Bauteil umgeformt, dass die Metalldeckschicht das Sensormodul ummantelt. Auf diese Weise kann ein aktives metallisches Bauteil mit den funktionalen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Sensormoduls zur Verfügung gestellt werden.According to one potential variant the method according to the invention the sensor module is applied to a metal topcoat and reshaping the resulting layer sequence into the component, the metal cover layer encases the sensor module. To this Way can an active metallic component with the functional Characteristics of the sensor module according to the invention for disposal be put.
Es ist ferner auch möglich, dass das Sensormodul zwischen zwei Metalldeckschichten sandwichartig eingebettet wird und die Sandwichstruktur nachfolgend zu dem Bauteil umgeformt wird. Auch diese Variante der Erfindung führt zu einem aktiven metallischen Bauteil, welches die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Sensormoduls in sich vereint.It is also possible that the sensor module sandwiched between two metal top layers is embedded and the sandwich structure below to the component is transformed. This variant of the invention leads to a active metallic component, which has the advantageous properties of the sensor module according to the invention united in itself.
Gemäß einem weiteren, ebenfalls vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung, wird der wenigstens eine Drahtsensor, das wenigstens eine Piezoelement und die Elektronik in Rillen eines Blechs vorgesehen und in die Rillen Kunststoff eingegossen. Somit kann ein aktives mechanisches Bauteil zur Verfügung gestellt werden, in dessen Rillen die Elemente des erfindungsgemäßen Sensormoduls direkt auf mechanische Beeinflussungen auf das Blech reagieren können. Dabei sind die Elemente des Sensormoduls vorteilhaft durch ihr Eingießen in den Kunststoff geschützt.According to one further, likewise advantageous embodiment of the invention, is the at least one wire sensor, the at least one piezoelectric element and the electronics provided in grooves of a sheet and in the Grooved plastic cast. Thus, an active mechanical Component available are placed in the grooves, the elements of the sensor module according to the invention can react directly to mechanical influences on the sheet. there the elements of the sensor module are advantageous by their pouring into the plastic protected.
Die Aufgabe der Erfindung wird darüber hinaus durch ein Verfahren zur Erfassung und Verarbeitung von Signalen mit einem Sensormodul gelöst, bei welchem in oder an einem dreidimensionalen Trägermaterial wenigstens ein Piezoelement, wenigstens ein Drahtsensor und wenigstens eine mit dem Piezoelement und dem Drahtsensor verbundene Elektronik vorgesehen sind, wobei mit dem Piezoelement Energie zum Betreiben des Sensors erzeugt wird, der Sensor wenigstens ein Signal erfasst, das eine mechanische Belastung des Sensormoduls wiedergibt, und das Signal von der Elektronik verarbeitet wird.The The object of the invention is about in addition, by a method for detecting and processing signals solved with a sensor module, in which in or on a three-dimensional substrate at least one piezoelectric element, at least one wire sensor and at least an electronics connected to the piezo element and the wire sensor are provided, with the piezoelectric element energy to operate the sensor is generated, the sensor detects at least one signal, which represents a mechanical load on the sensor module, and the signal is processed by the electronics.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt damit ein in sich autark arbeitendes System in einem Modul zur Verfügung, mit welchem mechanische Belastungen erfasst werden können, der Sensor zum Erfassen der Signale von der Elektronik gesteuert werden kann, die Signale durch die Elektronik verarbeitet werden können und darüber hinaus sowohl der Sensor als auch die Elektronik durch das Piezoelement mit Energie versorgt werden können. Dabei sind alle Elemente des Sensormoduls in oder an dem gleichen Trägermaterial vorgesehen, so dass das Sensormodul sehr kompakt gestaltet werden kann und die Technologieschritte zur Herstellung der Einzelelemente des Sensormoduls aufeinander abgestimmt oder sogar miteinander verbunden werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren ist demnach geeignet, ein Sensormodul zur Verfügung zu stellen, welches beispielsweise in einem aktiven Bauteil zur Erfassung von als auch zur Reaktion auf Bauteilbelastungen integriert werden kann.The inventive method thus provides a self-sufficient system in a module to disposal, with which mechanical loads can be detected, the Sensor for detecting the signals to be controlled by the electronics can, the signals can be processed by the electronics and about that In addition, both the sensor and the electronics through the piezoelectric element can be supplied with energy. All elements of the sensor module are in or at the same support material provided, so that the sensor module are made very compact can and the technology steps to produce the individual elements of the sensor module matched or even connected can be. The inventive method is therefore suitable to provide a sensor module available, which, for example in an active component for detection as well as reaction can be integrated on component loads.
Hierbei ist es besonders von Vorteil, wenn die Elektronik das Signal derart verarbeitet, dass wenigstens ein Belastungszustand und/oder wenigstens eine Belastungsrichtung erkennbar ist. Somit kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein intelligentes Sensormodul zur Verfügung gestellt werden, welches sich beispielsweise für den Einsatz in Fahrzeugkarosserien oder in Flugzeugaußenhüllen eignet, wobei eine Bauteilbelastung nicht nur erkannt, sondern auch auf diese reagiert werden kann.in this connection it is particularly advantageous if the electronics so signal processed that at least one load condition and / or at least a loading direction is recognizable. Thus, by means of the method according to the invention an intelligent sensor module can be provided, which for example for suitable for use in vehicle bodies or in aircraft outer shells, whereby a component load is not only detected, but also on this can be reacted.
Es ist besonders günstig, wenn das Signal telemetrisch an einen Empfänger übertragen wird. Dies kann beispielsweise durch eine an der Elektronik vorgesehene Antenne erfolgen. Auf diese Weise ist das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar, ohne dass das Sensormodul durch Verbindungsleitungen mit einem Empfänger gekoppelt werden muss. Somit kann das Verfahren nahezu überall eingesetzt werden.It is particularly cheap when the signal is transmitted telemetrically to a receiver. This can be, for example done by a provided on the electronics antenna. To this Way is the inventive method executable without that the sensor module is coupled by connecting lines to a receiver must become. Thus, the method can be used almost anywhere.
Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Merkmale und Vorteile werden im Folgenden anhand der Figuren und der Zeichnungen näher erläutert, wobeiadvantageous embodiments of the present invention, whose features and advantages are disclosed in Explained below with reference to the figures and the drawings, wherein
Das
Trägermaterial
Das
Piezoelement
Der
Drahtsensor
Der
Drahtsensor
Der
Drahtsensor
Die
Elektronik
Die
Elektronik
Die
Elektronik
Die
einzelnen Modulkomponenten
Wie
in
Das
Sensormodul
Wie
durch die Pfeile in
So
wird bei dem Sensormodul
Die
In
dem in
Das
Sensor- bzw. PSP-Modul
Claims (28)
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Elsner, H., Kroll, L., Trölzsch, J.: Integration textiltechnisch hergestellter Drahtsensoren in Hochleistungsverbundbauteile für die Großserie. Tagungsband 11. Chemnitzer Textiltechnik-Tagung, Chemnitz, 24.-25. Okt. 2007, S. 232-237 |
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