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Die neue innovative LoadSensor Technologie

Die Sensorik ist einer der wichtigsten Bestandteile, wenn es um das Internet der Dinge (IoT) geht: Sensorische Informationen sind entscheidend, um Produkte intelligenter zu machen. Gerade im Industriemarkt ist es besonders wichtig, Sensoren kundenspezifisch auszulegen und in ihrem Design perfekt an die Kundenanforderungen anzupassen. Ein gutes Beispiel dafür ist die innovative LoadSensor-Technologie von Pewatron und Angst+Pfister.

 

Welche Messgrössen mit einem Sensor ermittelt werden, hängt ab von den Applikationen und den verschiedenen Technologien. Entsprechend gross und vielfältig ist das Angebot an Sensoren auf dem Markt. Die Sensorik in Consumer-Anwendungen unterscheidet sich meist deutlich von der Sensorik in industriellen Applikationen. Der Konsumentenmarkt wird  von den grossen Sensorherstellern dominiert. Für uns ist der industrielle Bereich wesentlich interessanter: Er bietet viele interessante Nischen, in denen die richtige Sensorik meist über mehrere Jahre in einem Design besteht. Der ganze Sensorikmarkt bewegt sich im dreistelligen Milliardenbereich und wächst jährlich um 5 bis 10 Prozent. Er ist jedoch auch sehr inhomogen und segmentiert, denn es gibt hunderte von Messgrössen und unzählige Applikationen.
 

Sensoren zur Kraftmessung

Eine der wesentlichsten und meistverbreiteten physikalischen Messgrössen ist die Kraft. Im Prinzip kann mit jedem Kraftsensor auch ein Gewicht gemessen werden. Das Gewicht lässt sich über die Kraft und die Erdbeschleunigung berechnen.

Zu beachten ist jedoch: Kraft und die Erdbeschleunigung sind Vektoren.

Das bedeutet, dass auch die Winkel berücksichtigt werden müssen. In der Praxis wird das in vielen Applikationen zum Problem. Wird die Kraft nicht hundertprozentig vertikal auf die Kraftzelle geleitet, beeinflusst das die Messung. Veranschaulichen lässt sich das mit einer Personenwaage: Verlagert man auf der Waage sein Gewicht, so ändert sich der Messwert – ein Effekt, den sicher alle schon einmal beobachtet haben. Ist ein Gewicht bzw. eine Masse genau zu bestimmen, sind also auch die vektoriellen Zusammenhänge zu berücksichtigen. Das scheint klar, ist aber in der Praxis nicht immer einfach, und oft braucht es für die Realisierung einen grossen konstruktiven Aufwand. Nehmen wir als Beispiel eine der wohl meistverbreiteten und ältesten elektronisch auswertbaren Sensorik-Technologien – den Dehnungsmessstreifen (DMS). Der 1938 entwickelte DMS basiert auf einem elektrischen Widerstand, der bei Dehnung oder Stauchung seinen Wert ändert. Durch dieses einfache Prinzip und die kostengünstige Herstellung hat sich der DMS kommerziell durchgesetzt und ist heute einer der am häufigsten eingesetzten Sensoren. Trotzdem haben sich neben dem DMS weitere Prinzipien für die Kraftmessung etabliert. Ein wesentlicher Nachteil beim DMS ist sicher der beschriebene vektorielle Zusammenhang. Je nach Anwendung kann es konstruktiv sehr aufwendig sein, die zu messende Kraft richtig «umzuleiten», damit eine Dehnung des Widerstands resultiert.

Bei Personenwaagen beispielsweise gelingt das sehr einfach. Das zeigt sich schon am Preis einer Consumer-Waage, vor allem wenn hohe Genauigkeit nicht das entscheidende Kriterium ist. Denn hochgenaue Waagen basieren meist auf anderen Prinzipien, zum Beispiel auf einem induktiven Regelkreis. Auf diesem Prinzip beruhen die meisten hochgenauen Wägesysteme des bekannten US-amerikanischen Unternehmens mit Hauptsitz in der Schweiz. Bei anderen Applikationen, bei denen die Umleitung der Kraft nicht so einfach zu realisieren ist, übersteigen die Herstellungskosten der mechanischen Konstruktion die Kosten für den eigentlichen Sensor oft um ein Vielfaches. Hier sind andere Messprinzipien gefragt, da sich bei komplexen Konstruktionen die Herstellungskosten selbst bei hohen Stückzahlen meist nur bedingt senken lassen.

 

 

Je weniger mechanische Teile, desto kostengünstiger

Ein anschauliches Beispiel aus einem alltäglichen Bereich ist der gute alte Videorecorder. Trotz Stückzahlen, die in die Millionen gingen, war in der grossen Zeit der Videorecorder im Fachhandel kaum ein Gerät unter 100 USD zu bekommen. Doch als die DVD-Player auf dem Markt kamen, dauerte es nicht lange, bis ihr Preis unter 50 USD fiel. Denn sie bestehen aus deutlich weniger mechanischen Komponenten. Hier zeigt sich klar der Vorteil elektronischer Lösungen – sie lassen sich über die Zeit immer günstiger produzieren oder leistungsfähiger machen. Hauptgrund ist das Mooresche Gesetz (Transistorverdopplung alle ein bis zwei Jahre). Auf die Mechanik lässt es sich nicht anwenden, doch die rasante Entwicklung in der Elektronik in den letzten Jahrzehnten kann man damit sehr gut erklären. Mit anderen Worten: In Sensoren mit möglichst einfacher Mechanik liegt das Potenzial niedriger Herstellungskosten. Einfache Konzepte haben zwar viele Vorteile, aber auch einen Nachteil: Sie sind meist verhältnismässig einfach zu kopieren. Doch in der Sensorik relativiert sich das oft. Denn das entscheidende Know-how steckt in den Kompensations-Algorithmen, den Materialeigenschaften und dem Produktions- und Kalibrationsprozess. Trotzdem sollte das Thema der Kopierbarkeit wie bei jeder Produktentwicklung beachtet werden. Das kapazitive Messprinzip ist konzeptionell besonders einfach, stellt aber hohe Anforderungen an das spezifische Know-how der Entwickler.
 

Kapazitive Sensoren: eine Zukunftstechnologie

Auf zwei leitende Schichten wirkt Kraft ein. Dadurch verringert sich der Abstand – und je kleiner der Abstand, desto höher die Kapazität: Dieses Messprinzip ist schon seit vielen Jahren bekannt. Bis anhin gab es jedoch eher wenig kapazitive Sensorik, insbesondere im Vergleich zur resistiven. Denn im Vergleich zu einer einfachen resistiven Brückenschaltung war die Elektronik für die Messung einer Kapazität deutlich aufwendiger, ungenauer oder teurer. Das hat sich in den letzten Jahren geändert. Durch die ganzen Touchscreens in den bekannten Consumer-Produkten hat sich die Technologie rasant weiterentwickelt. Jetzt ist die Zeit reif für genaue und preislich interessante kapazitive Sensorik. Nun stellt sich die Frage: Was sind die entscheidenden Komponenten eines solchen Sensors? Zum einen ist es das Material zwischen den beiden Elektroden (Kondensatorplatten). Dieses Material bildet sowohl das Federelement als auch das Dielektrikum. Weitere wichtige Komponenten sind die Algorithmen für die Kompensationen von Temperatur, Feuchte, Nichtlinearitäten, Alterung und weiteren unerwünschten Effekten. Je weniger sich die Materialeigenschaften durch die Umgebungsbedingungen ändern, desto einfacher und besser ist die Kompensation.
 

Entscheidendes Know-how bei der LoadSensor-Entwicklung: Von Pewatron kommt Wissen und Erfahrung in Elektronik und Sensorik; Angst+Pfister bringt ein breites Know-how in Materialwissenschaft und Engineering mit ein.

Innovativ, vielseitig und auf die Zukunft ausgerichtet: der Pewatron LoadSensor

 

Inhouse-Kooperation für innovative Lösungen

Durch das Set-up mit dem Sensorik-Know-how von Pewatron und dem Material-Know-how von Angst+Pfister floss bei der Entwicklung des Pewatron LoadSensors aus allen Disziplinen spezialisiertes Wissen ein. Vor allem im Elastomer – es bildet das erwähnte Federelement / Dielektrikum – vereint sich entscheidendes Know-how.   

Die Kombination dieses breiten spezifischen Wissens in einer Firma ist wohl einzigartig. Denn die meisten Sensorik-Unternehmen haben vertiefte Kenntnisse im Bereich der Elektronik und in den typischen Materialien, die bei Sensoren eingesetzt werden, wie Silizium, Keramik und allenfalls Edelstahl. Aber im Bereich der Elastomere fehlt ihnen das Wissen. Umgekehrt fehlt den Firmen, die sich im Bereich von Material und Elastomer bewegen, das interne Elektronik- und Sensorik-Know-how.

Bei uns kommt beides unter einem Dach zusammen. Diese Konstellation hat es uns ermöglicht, den kapazitiven LoadSensor innerhalb kürzester Zeit zu entwickeln – und sie ist auch Garant für die Weiterentwicklung dieser Technologie in den nächsten Jahren. Getrieben durch Leitkunden von Pewatron wird der Sensor bereits für einzelne kundenspezifische Applikationen optimiert und produziert. Weitere Applikationen für den LoadSensor werden sicher dazukommen. Entscheidend ist, dass die wesentlichen Vorteile dem Kunden einen echten Mehrwert bringen: Er profitiert von der geringen Dicke, der «integrierten Aufhängung», dem kundenspezifischen Design und vor allem auch vom attraktiven Preis bei hohen Stückzahlen – im Gegensatz zu traditionellen Lösungen mit DMS oder Kraftzellen.

Wie viele solche Applikationen es gibt, wird sich zeigen. Der Markt für Sensoren ist riesig, und durch den Trend im IoT-Bereich zeichnet sich in den nächsten Jahren ein starkes Wachstum ab. Es wird mit Sicherheit unzählige neue Applikationen hervorbringen, an die wir heute noch gar nicht denken. Die Zukunft wird es an den Tag bringen.

 

 

Zu Pewatron



veröffentlicht: 01.09.2020, 13:34:00  von: Angst+Pfister Group