DE102007056409A1

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

Info

Publication number: DE102007056409A1
Application number: DE200710056409
Authority: DE
Inventors: Lothar Prof. Dr.-Ing. habil. Kroll; Holg Dipl.-Ing. Elsner; Michael Dipl.-Ing. Heinrich
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2007-11-23
Filing date: 2007-11-23
Publication date: 2009-05-28

Abstract

The sensor module (1) has a three dimensional carrier material (2), a piezo element (3), a wire sensor (4) and an electronics (5) connected with the piezo element. The wire sensor is designed for detecting all three dimensional spatial mechanical stress components. The wire sensor differentiates between each of the distortion components. Independent claims are included for the following: (1) a manufacturing method for sensor module for a component for detecting stresses on component; and (2) a method for recording and processing of the signals with a sensor module.

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

1 schematisch einen Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Sensormoduls zeigt; 1 schematically shows a basic structure of a sensor module according to the invention;

2 schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensormoduls auf einer Metalldeckschicht zeigt; 2 schematically shows an embodiment of a sensor module according to the invention on a metal cover layer;

3 schematisch eine Ausführungsvariante eines dreidimensionalen ausgebildeten Drahtsensors für eine Anwendung in dem erfindungsgemäßen Sensormodul zeigt; 3 schematically a variant of a three-dimensional trained Drahtsen for an application in the sensor module according to the invention;

4 schematisch eine Ausführungsform eines in ein textiles Material genähten oder gestickten Drahtsensors für eine Anwendung in dem erfindungsgemäßen Sensormodul zeigt; und 4 schematically shows an embodiment of a wire sensor sewn or embroidered in a textile material for use in the sensor module according to the invention; and

5 schematisch ein Beispiel einer vorteilhaften Anordnung der Komponenten des erfindungsgemäßen Sensormoduls bei überlagerten Belastungen zeigt. 5 schematically shows an example of an advantageous arrangement of the components of the sensor module according to the invention at superimposed loads.

1 zeigt schematisch einen möglichen Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Sensormoduls 1. Das Sensormodul 1 weist ein Trägermaterial 2 auf, in oder an welchem wenigstens ein Piezoelement 3, wenigstens ein Drahtsensor 4 und wenigstens eine mit dem Piezoelement 3 und dem Drahtsensor 4 verbundene Elektronik 5 vorgesehen sind. 1 schematically shows a possible basic structure of a sensor module according to the invention 1 , The sensor module 1 has a carrier material 2 on, in or on which at least one piezoelectric element 3 , at least one wire sensor 4 and at least one with the piezo element 3 and the wire sensor 4 connected electronics 5 are provided.

Das Trägermaterial 2 ist dreidimensional ausgebildet und kann ein textiles Material, wie beispielsweise ein textiles Halbzeug, eine Folienstruktur, ein Schaum- oder ein Kunststoff sein. Wird als Trägermaterial 2 ein textiles Material verwendet, kann dieses Textilverstärkungen aufweisen. Ferner kann das textile Material ein Multiaxialgelege sein. Textile Werkstoffe bieten besondere Vorteile für spätere Umformprozesse an dem Sensormodul 1 zur endkonturnahen Fertigung aktiver als auch passiver metallischer und faserverstärkter Bauteile.The carrier material 2 is formed in three dimensions and may be a textile material, such as a semi-finished textile product, a film structure, a foam or a plastic. Used as a carrier material 2 a textile material used, this may have textile reinforcements. Furthermore, the textile material may be a Multiaxialgelege. Textile materials offer particular advantages for later forming processes on the sensor module 1 For near-net-shape production of active as well as passive metallic and fiber-reinforced components.

Das Piezoelement 3 ist in dem in 1 dargestellten Beispiel eine Piezokeramik, welche in dem Sensormodul 1 die Aktivierung und Energieversorgung des Sensors 4 und vorzugsweise auch der Elektronik 5 sicherstellen soll. Das Piezoelement 3 ist im Wesentlichen in das Trägermaterial 2 des Sensormoduls 1 eingebettet und elektrisch mit dem Drahtsensor 4 und der Elektronik 5 verbunden.The piezo element 3 is in the in 1 Example shown a piezoceramic, which in the sensor module 1 the activation and power supply of the sensor 4 and preferably also the electronics 5 should ensure. The piezo element 3 is essentially in the carrier material 2 of the sensor module 1 embedded and electrically with the wire sensor 4 and the electronics 5 connected.

Der Drahtsensor 4 dient zur Erfassung von Bauteilbelastungen des Sensormoduls 1, wobei der in 1 dargestellte Drahtsensor 4 so ausgeführt ist, dass er zur Erfassung aller drei räumlichen, mechanischen Belastungskomponenten in der Lage ist, und wobei der Draht sensor 4 darüber hinaus zwischen den jeweiligen Verzerrungskomponenten differenziert. Der Drahtsensor 4 ist in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch zur Erfassung anderer Bauteilbelastungen, wie thermischen, akustischen, optischen usw. Belastungen ausgeführt.The wire sensor 4 serves to detect component loads on the sensor module 1 , where the in 1 illustrated wire sensor 4 is designed so that it is capable of detecting all three spatial, mechanical load components, and wherein the wire sensor 4 moreover differentiated between the respective distortion components. The wire sensor 4 In other embodiments of the present invention, it is also designed to detect other component loads, such as thermal, acoustic, optical, etc. loads.

Der Drahtsensor 4 ist im Beispiel von 1 im Wesentlichen aus drei Dehnungsaufnehmern ausgebildet, welche, wie in 1 gezeigt, beispielsweise als Mäander ausgelegt sein können. Vorzugsweise ist der Drahtsensor 4 in das Trägermaterial 2 genäht oder gestickt, kann jedoch in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch auf andere geeignete Art und Weise zwei- oder dreidimensional in das Trägermaterial 2 eingebracht werden.The wire sensor 4 is in the example of 1 formed essentially of three strain sensors, which, as in 1 shown, for example, can be designed as a meander. Preferably, the wire sensor 4 in the carrier material 2 sewn or embroidered, but in other embodiments of the present invention in other suitable manner two- or three-dimensional in the carrier material 2 be introduced.

Der Drahtsensor 4 ist elektrisch mit dem Piezoelement 3 und der Elektronik 5 verbunden.The wire sensor 4 is electric with the piezoelectric element 3 and the electronics 5 connected.

Die Elektronik 5 weist in dem in 1 gezeigten Beispiel der Erfindung eine gedruckte, organische Elektronik 6 in Form einer Polymerelektronik auf. Hierfür ist auf dem Trägermaterial 2 eine zumindest teilweise oberflächenplanarisierende Schicht vorgesehen, auf welcher die organische Elektronik 6 aufgebracht ist. Auf diese Weise kann die organische Elektronik 6 mit homogener Dicke auf das Trägermaterial 2 gedruckt werden.The Electronic 5 points in the in 1 shown example of the invention, a printed, organic electronics 6 in the form of polymer electronics. This is on the substrate 2 an at least partially surface-planarizing layer is provided, on which the organic electronics 6 is applied. In this way, the organic electronics 6 with homogeneous thickness on the carrier material 2 to be printed.

Die Elektronik 5 ist für die Energiesteuerung und Regelung des Sensormoduls 1 verantwortlich.The Electronic 5 is for the energy control and regulation of the sensor module 1 responsible.

Die Elektronik 5 ist in dem in 1 gezeigten Beispiel mit einer Antennenstruktur 7 gekoppelt, durch welche eine telemetrische Übertragung von Signalen der Elektronik 5 an einen Empfänger außerhalb des Sensormoduls 1 möglich ist.The Electronic 5 is in the in 1 shown example with an antenna structure 7 coupled, by which a telemetric transmission of signals of the electronics 5 to a receiver outside the sensor module 1 is possible.

Die einzelnen Modulkomponenten 3, 4 und 5 des Sensormoduls 1 sind in Abhängigkeit ihrer Eigenschaften und Funktionen belastungsspezifisch in bzw. an dem Sensormodul 1 angeordnet. Dabei befindet sich das Piezoelement 3 in Bereichen geringerer und der Drahtsensor 4 in Bereichen größerer Deformationen. Demgegenüber ist die organische Elektronik 6 im Wesentlichen in mechanisch unbelasteten Zonen des Sensormoduls 1 integriert.The individual module components 3 . 4 and 5 of the sensor module 1 are load-specific in or on the sensor module depending on their properties and functions 1 arranged. This is where the piezo element is located 3 in areas of lesser and the wire sensor 4 in areas of larger deformations. In contrast, the organic electronics 6 essentially in mechanically unloaded zones of the sensor module 1 integrated.

Wie in 1 schematisch angedeutet, ist das Sensormodul 1 in eine Matrix 8 aus einem härtbaren Material eingebettet. Durch die Matrix 8 wird die Piezokeramik 3, der dreidimensionale Drahtsensor 4 und die Polymerelektronik 6 vor umgebungs- und prozessrelevanten Belastungen werkstoff- und sensorkompatibel geschützt. Die Matrix 8 ist vorzugsweise eine Kunststoffmatrix und kann bei der weiteren Be- bzw. Verarbeitung des Sensormoduls 1 mit umgeformt werden.As in 1 indicated schematically, is the sensor module 1 into a matrix 8th embedded in a hardenable material. Through the matrix 8th becomes the piezoceramic 3 , the three-dimensional wire sensor 4 and the polymer electronics 6 Protected against environment and process-relevant loads material and sensor compatible. The matrix 8th is preferably a plastic matrix and can in the further processing of the sensor module 1 to be transformed with.

2 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensormoduls 1, das auf einer metall- oder faserverstärkten Deckschicht 9 angeordnet ist. Das Sensormodul 1 ist wiederum so aufgebaut, dass in bzw. an dem Trägermaterial 2 ein Piezoelement 3, ein dreidimensionaler Drahtsensor 4 und eine Elektronik 5, vorzugsweise eine Polymerelektronik, vorgesehen sind. 2 schematically shows an embodiment of the sensor module according to the invention 1 that on a metal or fiber-reinforced cover layer 9 is arranged. The sensor module 1 is in turn constructed so that in or on the substrate 2 a piezo element 3 , a three-dimensional wire sensor 4 and electronics 5 , preferably a polymer electronics, are provided.

Das Sensormodul 1 ist so auf der Deckschicht 9 platziert, dass das Sensormodul 1 mit der Deckschicht 9 in einem späteren Umformprozess in ein aktives Bauteil, wie beispielsweise ein aktives metallisches Bauteil, umgeformt werden kann.The sensor module 1 is so on the topcoat 9 placed that sensor module 1 with the topcoat 9 in a later forming process in an active component, such as an active metallic component, can be reshaped.

Wie durch die Pfeile in 2 angedeutet ist, kann das Sensormodul 1 in allen drei Raumrichtungen mechanisch beansprucht werden, woraufhin der dreidimensionale Drahtsensor 4 in der Lage ist, nicht nur die Belastungsrichtung, sondern mit Hilfe der Elektronik 5 auch die Belastungsart zu erfassen. So können Dehnung und Scherung erfasst und durch die Elektronik 5 ausgewertet werden. Hierfür kann der Sensor 4 für aufgabenspezifische Lastfälle kalibriert sein.As indicated by the arrows in 2 is indicated, the sensor module 1 be mechanically stressed in all three spatial directions, whereupon the three-dimensional wire sensor 4 is capable of not only the loading direction, but with the help of electronics 5 also to record the type of load. Thus, stretching and shear can be detected and by the electronics 5 be evaluated. For this purpose, the sensor 4 be calibrated for task-specific load cases.

So wird bei dem Sensormodul 1 der dreidimensionale Drahtsensor 4 und die Elektronik 5 mit Hilfe des Piezoelements 3 mit Energie versorgt und durch den Drahtsensor 4 wird wenigstens ein Signal erfasst, das eine mechanische Belastung des Sensormoduls 1 wiedergibt, wobei der Drahtsensor 4 von der Elektronik 5 gesteuert und das von dem Sensor 4 abgegebene Signal von der Elektronik 5 verarbeitet wird. Das Signal kann dann telemetrisch an einen Empfänger außerhalb des Sensormoduls 1 übertragen werden.This is the case with the sensor module 1 the three-dimensional wire sensor 4 and the electronics 5 with the help of the piezoelectric element 3 energized and through the wire sensor 4 At least one signal is detected, which is a mechanical load on the sensor module 1 reproduces, wherein the wire sensor 4 from the electronics 5 controlled and that of the sensor 4 emitted signal from the electronics 5 is processed. The signal can then be telemetered to a receiver outside the sensor module 1 be transmitted.

Die 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des Drahtsensors 4, wie es beispielsweise in den Ausführungsformen aus 1 und 2 verwendet wird. Wie in 3 zu sehen, weist der dreidimensional ausgebildete Drahtsensor 4 drei in Mäanderform vorgesehene Dehnungsaufnehmer 10, 11, 12 auf, die in allen drei Raumrichtungen angeordnet sind, um die in der jeweiligen Raumrichtung vorliegende mechanische Belastung des Sensormoduls 1 erkennen zu können.The 3 schematically shows an embodiment of the wire sensor 4 as it is for example in the embodiments 1 and 2 is used. As in 3 to see, has the three-dimensionally formed wire sensor 4 three strain gauges provided in meandering form 10 . 11 . 12 on, which are arranged in all three spatial directions, the present in the respective spatial direction of mechanical stress on the sensor module 1 to be able to recognize.

4 zeigt schematisch eine Ausführungsvariante des Drahtsensors 4, welcher in ein textiles Trägermaterial 2 dreidimensional genäht oder gestickt wurde. Das Trägermaterial 2 ist in eine Kunststoffmatrix 8 der Länge l, der Breite b und der Höhe h eingegossen, wobei die Kunststoffmatrix 8 in einem folgenden Umformprozess umformbar ist. 4 schematically shows an embodiment of the wire sensor 4 which is in a textile carrier material 2 sewn or embroidered three-dimensionally. The carrier material 2 is in a plastic matrix 8th the length l, the width b and the height h poured, the plastic matrix 8th is deformable in a subsequent forming process.

In dem in 4 gezeigten Beispiel ist der Drahtsensor 4 so aufgebaut, dass ein elektrischer Leiter 13 mäanderförmig derart in das textile Material 2 genäht oder gestickt ist, so dass er sich nicht nur in Längen- und Breitenrichtung l, b der Matrix 8 erstreckt, sondern auch in der Höhenrichtung h der Matrix 8. Die durch das Bezugszeichen 14 gekennzeichneten Zwischenräume in dem textilen Material 2 zwischen den einzelnen Leiterführungen 13 können durch geeignete Materialien zusätzlich verstärkt sein und sind in dem in 4 gezeigten Beispiel mit dem härtbaren Material der Kunststoffmatrix 8 getränkt.In the in 4 The example shown is the wire sensor 4 designed so that an electrical conductor 13 meandering in such a way in the textile material 2 sewn or embroidered so that it not only in the length and width direction l, b of the matrix 8th extends, but also in the height direction h of the matrix 8th , The by the reference numeral 14 characterized gaps in the textile material 2 between the individual conductor guides 13 can be additionally reinforced by suitable materials and are described in US Pat 4 shown example with the curable material of the plastic matrix 8th soaked.

5 zeigt schematisch ein Prinzipbeispiel einer vorteilhaften Anordnung der Komponenten 3, 4, 5 eines Sensormoduls 1 bei überlagerten Belastungen, wobei das in 5 gezeigte Sensor- bzw. Piezo-Sensor-Polymerelektronik(PSP)-Modul 1 für den überlagerten Belastungsfall einer querkraftfreien Biegung und Torsion konzipiert wurde. Hierfür ist die Piezokeramik 3 in Bereichen kleinerer Deformationen des Sensormoduls 1 positioniert, der Drahtsensor 4 befindet sich in Bereichen größerer Deformationen und die Polymerelektronik 6 ist im Wesentlichen in unbelasteten Zonen des PSP-Moduls 1 integriert. 5 schematically shows a basic example of an advantageous arrangement of the components 3 . 4 . 5 a sensor module 1 at superimposed loads, the in 5 shown sensor or piezo sensor polymer electronics (PSP) module 1 was designed for the superimposed load case of a lateral force-free bending and torsion. This is the piezoceramic 3 in areas of smaller deformations of the sensor module 1 positioned, the wire sensor 4 is located in areas of larger deformations and the polymer electronics 6 is essentially in unloaded zones of the PSP module 1 integrated.

Das Sensor- bzw. PSP-Modul 1 kann in Abhängigkeit von Belastungsrichtung und Belastungsart genutzt werden, um beispielsweise Windkraftflügel auszusteuern oder adaptive Flügel für die Luft- oder Raumfahrt zu steuern. Des Weiteren können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Sensor- bzw. PSP-Moduls 1 Unterböden, Windabweiser, Spoiler und/oder Kotflügel an Fahrzeugen aerodynamisch sowie in Strömungsmaschinen Klappen und Ventile angepasst werden. Es ist ferner unter Nutzung der Erfindung möglich, die vibroakustische Kopplung beherrschbar auszulegen oder autarke Systeme in Health-Monitoring-Bauweise herzustellen.The sensor or PSP module 1 can be used depending on load direction and load type, for example, to control wind turbine blades or to control adaptive wings for aerospace. Furthermore, with the aid of the sensor or PSP module according to the invention 1 Subfloors, deflectors, spoilers and / or fenders on vehicles can be aerodynamically adjusted as well as in turbomachinery flaps and valves. It is also possible using the invention to interpret the vibroacoustic coupling manageable or to produce self-sufficient systems in health monitoring design.

Claims

Sensormodul (1) für ein Bauteil zur Erfassung von Bauteilbelastungen, wobei das Sensormodul (1) ein dreidimensionales Trägermaterial (2) aufweist, in oder an welchem wenigstens ein Piezoelement (3), wenigstens ein Drahtsensor (4) und wenigstens eine mit dem Piezoelement (3) und dem Drahtsensor (4) verbundene Elektronik (5) vorgesehen sind.Sensor module ( 1 ) for a component for detecting component loads, wherein the sensor module ( 1 ) a three-dimensional support material ( 2 ), in or on which at least one piezoelement ( 3 ), at least one wire sensor ( 4 ) and at least one with the piezo element ( 3 ) and the wire sensor ( 4 ) connected electronics ( 5 ) are provided.

Sensormodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drahtsensor (4) dreidimensional ausgebildet ist.Sensor module according to claim 1, characterized in that the wire sensor ( 4 ) is formed three-dimensionally.

Sensormodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (2) ein textiles Material, eine Folienstruktur, ein Schaum- oder ein Kunststoff ist.Sensor module according to claim 1 or 2, characterized in that the carrier material ( 2 ) is a textile material, a film structure, a foam or a plastic.

Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drahtsensor (4) in das Trägermaterial (2) genäht oder gestickt ist.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the wire sensor ( 4 ) in the carrier material ( 2 ) is sewn or embroidered.

Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drahtsensor (4) zur Erfassung aller drei räumlichen mechanischen Belastungskomponenten ausgeführt ist, wobei der Drahtsensor (4) zwischen den jeweiligen Verzerrungskomponenten differenziert.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the wire sensor ( 4 ) is carried out for detecting all three spatial mechanical load components, wherein the wire sensor ( 4 ) is differentiated between the respective distortion components.

Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drahtsensor (4) aus Dehnungsaufnehmern (10, 11, 12) ausgebildet ist.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the wire sensor ( 4 ) of strain transducers ( 10 . 11 . 12 ) is trained.

Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik (5) eine gedruckte organische Elektronik, vorzugsweise eine Polymerelektronik (6), umfasst.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the electronics ( 5 ) a printed organic electronics, preferably a polymer electronics ( 6 ).

Sensormodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Trägermaterial (2) eine zumindest teilweise oberflächenplanarisierende Schicht aufgebracht ist, auf der die organische Elektronik vorgesehen ist.Sensor module according to claim 7, characterized in that on the carrier material ( 2 ) an at least partially surface-planarizing layer is applied, on which the organic electronics is provided.

Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik (5) eine Antennenstruktur (7) aufweist.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the electronics ( 5 ) an antenna structure ( 7 ) having.

Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Piezoelement (3), der wenigstens eine Drahtsensor (4) und die wenigstens eine Elektronik (5) belastungsspezifisch in oder an dem Sensormodul (1) angeordnet sind.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one piezoelectric element ( 3 ), the at least one wire sensor ( 4 ) and the at least one electronics ( 5 ) load-specific in or on the sensor module ( 1 ) are arranged.

Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (1) in eine Matrix (8) aus einem härtbaren Material eingebettet ist.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor module ( 1 ) into a matrix ( 8th ) is embedded from a curable material.

Sensormodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (8) umformbar ist.Sensor module according to claim 10, characterized in that the matrix ( 8th ) is deformable.

Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (1) in einem aktiven metallischen Bauteil integriert ist.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor module ( 1 ) is integrated in an active metallic component.

Sensormodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Bauteil im wesentlichen aus einem Leichtmetall oder einer Kombination aus Glasfaser und Leichtmetall, wobei als Leichtmetall vorzugsweise Aluminium verwendet ist, aufgebaut ist.Sensor module according to claim 12, characterized that the metallic component consists essentially of a light metal or a combination of fiberglass and light metal, being as light metal preferably aluminum is used, is constructed.

Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (1) auf einer Metalldeckschicht (9) vorgesehen ist.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor module ( 1 ) on a metal topcoat ( 9 ) is provided.

Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (1) sandwichartig zwischen Metalldeckschichten (9) eingebettet ist.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor module ( 1 ) sandwiched between metal topcoats ( 9 ) is embedded.

Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (1) in Rillen eines Blechs vorgesehen ist.Sensor module according to one of claims 1 to 13, characterized in that the sensor module ( 1 ) is provided in grooves of a sheet.

Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil wenigstens ein Teil der Karosserie eines Fahrzeugs oder der Außenhülle eines Flugzeugs ist.Sensor module according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the component at least a part of the body a vehicle or the outer shell of a vehicle Plane is.

Verfahren zum Herstellen eines Sensormoduls (1) für ein Bauteil zur Erfassung von Bauteilbelastungen, wobei in oder an einem dreidimensionalen Trägermaterial (2) wenigstens ein Piezoelement (3), wenigstens ein Drahtsensor (4) und wenigstens eine Elektronik (5) vorgesehen wird, und die Elektronik (5) mit dem Piezoelement (3) und dem Drahtsensor (4) in oder an dem Trägermaterial (2) verbunden wird.Method for producing a sensor module ( 1 ) for a component for detecting component loads, wherein in or on a three-dimensional support material ( 2 ) at least one piezoelectric element ( 3 ), at least one wire sensor ( 4 ) and at least one electronics ( 5 ), and the electronics ( 5 ) with the piezo element ( 3 ) and the wire sensor ( 4 ) in or on the carrier material ( 2 ) is connected.

Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Drahtsensor (4) in das Trägermaterial (2) genäht oder gestickt wird.Method according to claim 19, characterized in that the wire sensor ( 4 ) in the carrier material ( 2 ) is sewn or embroidered.

Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Trägermaterial (2) eine zumindest teilweise oberflächenplanarisierende Schicht aufgebracht wird, auf welche eine organische Elektronik (6) aufgedruckt wird.A method according to claim 19 or 20, characterized in that on the carrier material ( 2 ) an at least partially surface-planarizing layer is applied to which organic electronics ( 6 ) is printed.

Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (1) in ein härtbares Material eingegossen wird.Method according to one of claims 19 to 21, characterized in that the sensor module ( 1 ) is poured into a curable material.

Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (1) auf eine Metalldeckschicht (9) aufgebracht wird und die daraus entstehende Schichtfolge so zu dem Bauteil umgeformt wird, dass die Metalldeckschicht (9) das Sensormodul (1) ummantelt.Method according to one of claims 19 to 22, characterized in that the sensor module ( 1 ) on a metal topcoat ( 9 ) is applied and the resulting layer sequence is formed into the component so that the metal top layer ( 9 ) the sensor module ( 1 ) sheathed.

Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (1) zwischen zwei Metalldeckschichten (9) sandwichartig eingebettet wird und die Sandwichstruktur nachfolgend zu dem Bauteil umgeformt wird.Method according to one of claims 19 to 22, characterized in that the sensor module ( 1 ) between two metal layers ( 9 ) is sandwiched and the sandwich structure is subsequently formed into the component.

Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Drahtsensor (4), das wenigstens eine Piezoelement (3) und die Elektronik (5) in Rillen eines Blechs vorgesehen und in die Rillen Kunststoff eingegossen wird.Method according to one of claims 19 to 22, characterized in that the at least one wire sensor ( 4 ), the at least one piezo element ( 3 ) and the electronics ( 5 ) provided in grooves of a sheet and is poured into the grooves plastic.

Verfahren zur Erfassung und Verarbeitung von Signalen mit einem Sensormodul, bei welchem in oder an einem dreidimensionalen Trägermaterial (2) wenigstens ein Piezoelement (3), wenigstens ein Drahtsensor (4) und wenigstens eine mit dem Piezoelement (3) und dem Drahtsensor (4) verbundene Elektronik (5) vorgesehen sind, wobei mit dem Piezoelement (3) Energie zum Betreiben des Sensors (4) erzeugt wird, der Sensor (4) wenigstens ein Signal erfasst, das eine mechanische Belastung des Sensormoduls (1) wiedergibt, und das Signal von der Elektronik (5) verarbeitet wird.Method for detecting and processing signals with a sensor module, in which in or on a three-dimensional carrier material ( 2 ) at least one piezoelectric element ( 3 ), at least one wire sensor ( 4 ) and at least one with the piezo element ( 3 ) and the wire sensor ( 4 ) connected electronics ( 5 ) are provided, wherein with the piezoelectric element ( 3 ) Energy for operating the sensor ( 4 ), the sensor ( 4 ) detects at least one signal which is a mechanical load of the sensor module ( 1 ) and the signal from the electronics ( 5 ) is processed.

Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik (5) das Signal derart verarbeitet, dass wenigstens ein Belastungszustand und/oder wenigstens eine Belastungsrichtung erkennbar ist.Method according to claim 26, characterized in that the electronics ( 5 ) processes the signal such that at least one loading condition and / or at least one loading direction is recognizable.

Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal telemetrisch an einen Empfänger übertragen wird.Method according to claim 26 or 27, characterized that the signal is transmitted telemetrically to a receiver.