Die neue innovative LoadSensor-Technologie
8. März 2023
Maßgeschneidert für industrielle Bedürfnisse
Produkte intelligent machen
Sensoren sind eine der Schlüsselkomponenten für das Internet der Dinge (IoT): Sensorinformationen sind unerlässlich, um Produkte intelligenter zu machen. Gerade im industriellen Markt ist es wichtig, Sensoren massgeschneidert nach den spezifischen Anforderungen des Kunden zu gestalten. Die LoadSensor-Technologie von Angst+Pfister Sensors and Power und Angst+Pfister ist ein gutes Beispiel dafür.
Welche Grössen von einem Sensor gemessen werden, hängt von den Anwendungen und den verschiedenen Technologien ab. Entsprechend gross und vielfältig ist das Angebot an Sensoren auf dem Markt. Sensoren in Consumer-Anwendungen unterscheiden sich in der Regel stark von Sensoren in industriellen Anwendungen. Der Verbrauchermarkt wird von großen Sensorherstellern dominiert. Für uns ist der Industriesektor viel spannender: Er bietet zahlreiche interessante Nischen, in denen die richtigen Sensoren in der Regel mehrere Jahre lang in einer Ausführung bleiben. Der gesamte Sensormarkt ist Hunderte von Milliarden wert und wächst jedes Jahr um fünf bis 10 %. Er ist aber auch inhomogen und segmentiert, denn es gibt Hunderte von Messgrößen und unzählige Anwendungen.
Sensoren zur Kraftmessung
Die Kraft ist eine der wichtigsten und häufigsten physikalischen Messgrößen. Im Prinzip kann jeder Kraftsensor auch zur Gewichtsmessung eingesetzt werden. Das Gewicht kann über Kraft und Schwerkraft berechnet werden.
Es ist jedoch zu beachten, dass Kraft und Schwerkraft Vektoren sind. Das bedeutet, dass auch die Winkel berücksichtigt werden müssen. In der Praxis stellt dies bei zahlreichen Anwendungen ein Problem dar. Wenn die Last nicht zu 100 % vertikal auf die Wägezelle übertragen wird, beeinträchtigt dies die Messung. Dies lässt sich mit einer Badezimmerwaage veranschaulichen: Wenn Sie Ihr Gewicht auf der Waage verlagern, ändert sich der Messwert - ein Effekt, den wir wahrscheinlich alle schon einmal beobachtet haben. Wenn ein Gewicht oder eine Masse genau bestimmt werden soll, müssen auch die vektoriellen Beziehungen berücksichtigt werden. Das scheint einleuchtend, ist aber in der Praxis nicht immer einfach, und die Ausführung erfordert oft einen hohen konstruktiven Aufwand.
Eine der gängigsten und ältesten elektronisch auswertbaren Sensortechnologien
Der 1938 entwickelte Dehnungsmessstreifen basiert auf einem elektrischen Widerstand, der bei Dehnung oder Stauchung seinen Wert ändert. Aufgrund dieses einfachen Prinzips und der kostengünstigen Herstellung hat sich der Dehnungsmessstreifen kommerziell durchgesetzt und ist heute einer der am häufigsten verwendeten Sensoren. Dennoch haben sich neben dem Dehnungsmessstreifen weitere Prinzipien zur Lastmessung etabliert. Ein großer Nachteil des Dehnungsmessstreifens ist der bereits erwähnte vektorielle Zusammenhang. Je nach Anwendung kann es sehr aufwändig sein, die zu messende Last so "umzulenken", dass sie zu einer Widerstandsausdehnung führt. Bei einer Personenwaage zum Beispiel ist dies sehr einfach. Dies spiegelt sich im Preis einer Personenwaage wider, vor allem wenn eine hohe Präzision kein entscheidendes Kriterium ist. Hochpräzise Waagen beruhen in der Regel auf anderen Prinzipien, etwa einem induktiven Regelkreis. Die meisten hochpräzisen Wägesysteme des renommierten amerikanischen Unternehmens mit Sitz in der Schweiz beruhen auf diesem Prinzip. Bei anderen Anwendungen, bei denen die Umlenkung der Last nicht so einfach zu realisieren ist, übersteigen die Herstellungskosten der mechanischen Konstruktion die Kosten für den eigentlichen Sensor oft bei weitem. Hier sind andere Messprinzipien gefragt, da sich die Herstellungskosten bei komplexen Konstruktionen auch bei hohen Stückzahlen meist nur bedingt reduzieren lassen.
Weniger mechanische Teile bedeuten geringere Kosten
Ein gutes Beispiel aus dem Alltag ist der gute alte Videorekorder. Trotz millionenfacher Verkäufe war es in der Blütezeit des Videorecorders fast unmöglich, ein Gerät für unter 100 USD im Handel zu finden. Doch als die DVD-Player auf den Markt kamen, dauerte es nicht lange, bis ihr Preis auf unter 50 USD sank. Das liegt daran, dass sie aus wesentlich weniger mechanischen Bauteilen bestehen. Hier zeigt sich der Vorteil elektronischer Lösungen: Sie können immer billiger produziert oder im Laufe der Zeit immer effizienter gemacht werden. Der Hauptgrund dafür ist das Mooresche Gesetz (Transistoren verdoppeln sich alle ein bis zwei Jahre). Es lässt sich zwar nicht auf die Mechanik anwenden, erklärt aber hervorragend die rasante Entwicklung der Elektronik in den letzten Jahrzehnten. Mit anderen Worten: Sensoren mit einer möglichst einfachen Mechanik haben das beste Potenzial für niedrige Produktionskosten. Einfache Konzepte haben zwar viele Vorteile, aber auch einen Nachteil: Sie sind meist relativ leicht zu kopieren. Im Bereich der Sensorik ist die Nachahmungsfähigkeit jedoch relativ zu sehen. Das entscheidende Wissen liegt in den Kompensationsalgorithmen, den Materialeigenschaften und dem Herstellungs- und Kalibrierungsprozess. Dennoch sollte die Frage der Nachahmbarkeit wie bei jeder Produktentwicklung berücksichtigt werden. Das kapazitive Messprinzip ist konzeptionell sehr einfach, stellt aber hohe Anforderungen an das spezifische Know-how der Entwickler.
Kapazitive Sensoren: eine Zukunftstechnologie
Lasten werden auf zwei leitende Schichten aufgebracht. Dadurch verringert sich der Abstand - und je kleiner der Abstand, desto höher die Kapazität. Dieses Messprinzip ist schon seit vielen Jahren bekannt. Bislang ist die kapazitive Sensortechnik jedoch noch recht begrenzt, insbesondere im Vergleich zur resistiven Sensortechnik. Denn im Vergleich zu einer einfachen Widerstands-Brückenschaltung war die Elektronik für die Messung einer Kapazität viel komplexer, ungenauer oder teurer. Dies hat sich in den letzten Jahren geändert. Durch die Entwicklung von Touchscreens in beliebten Verbraucherprodukten hat sich diese Technologie rasant weiterentwickelt. Jetzt ist die Zeit reif für präzise und preislich attraktive kapazitive Sensoren. Wir müssen uns nun die Frage stellen: Was sind die wichtigsten Komponenten eines solchen Sensors? Die erste Komponente ist das Material zwischen den beiden Elektroden (Kondensatorplatten). Dieses Material bildet sowohl das Federelement als auch das Dielektrikum. Weitere wichtige Komponenten sind die Algorithmen zur Kompensation von Temperatur, Feuchtigkeit, Nichtlinearitäten, Alterung und anderen unerwünschten Effekten. Je weniger sich die Materialeigenschaften durch die Umweltbedingungen verändern, desto einfacher und besser ist die Kompensation.
Interne Zusammenarbeit für innovative Lösungen
Dank eines Aufbaus, der das Sensorik-Know-how von Angst+Pfister Sensors and Power und die Materialkompetenz von Angst+Pfister vereint, floss Fachwissen aus allen Disziplinen in die Entwicklung des Angst+Pfister Sensors and Power LoadSensor ein. Insbesondere beim Elastomer - es bildet das bereits erwähnte Federelement/Dielektrikum - ist dieses Wissen vereint. Die Zusammenführung von umfassendem Spezialwissen in einem Unternehmen ist wohl einzigartig. Denn die meisten Sensorfirmen verfügen über fundierte Kenntnisse im Bereich der Elektronik und der typischen Materialien für Sensoren wie Silizium, Keramik und oft auch Edelstahl. Auf dem Gebiet der Elastomere fehlt es jedoch an Wissen. Umgekehrt fehlt den Unternehmen, die sich mit Werkstoffen und Elastomeren beschäftigen, das Know-how auf dem Gebiet der internen Elektronik und Sensorik.
Hier kommt beides unter einem Dach zusammen. Diese Konstellation hat es uns ermöglicht, den kapazitiven LoadSensor innerhalb kürzester Zeit zu entwickeln - sie garantiert auch die Weiterentwicklung dieser Technologie in den kommenden Jahren. Angetrieben durch Schlüsselkunden von Angst+Pfister Sensors und Power wird der Sensor bereits für einzelne kundenspezifische Anwendungen optimiert und produziert.
Fazit
Weitere Anwendungen für den LoadSensor sind sicher zu erwarten. Entscheidend ist, dass die Hauptvorteile dem Kunden einen echten Mehrwert bringen: Sie profitieren von der geringen Dicke, der 'integrierten Montage', dem kundenspezifischen Design und vor allem vom attraktiven Preis bei hohen Stückzahlen - im Gegensatz zu traditionellen Lösungen mit Dehnungsmessstreifen oder Kraftmessdosen. Wie viele solcher Anwendungen es gibt, wird sich noch zeigen. Der Markt für Sensoren ist riesig, und der Trend im Bereich IoT wird in den nächsten Jahren stark wachsen. Dies wird sicherlich unzählige neue Anwendungen hervorbringen, die wir uns heute noch gar nicht vorstellen können. Die Zukunft wird sie enthüllen.
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