Einführung

Materialintegrierte Sensorische Systeme

Material. Technische Strukturen, wie z. B. mechanische Strukturen in robotischen Systemen, e-Textilien, Windradflügeln, Flugzeugstrukturen, usw.

Sensor. Messung einer physikalischen Größe, Wandlung i.A. in elektrische Größe, Intrinsisch (von innen her, durch in der Sache liegende Anreize bedingt), Extrinsisch (von außen her angeregt), z.B. Dehnungssensorik

Sensorisches System. Zusammenschluss von Sensoren, Elektronik, Kommunikation und Energieversorgung in Sensornetzwerken

Sensorisches Material. Integration oder Applikation eines sensorischen Systems in Materialien oder Strukturen

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Anwendungen in Strukturüberwachung

Structural Health Monitoring. Überwachung von technischen Strukturen auf Veränderungen und Beschädigungen (Abweichung vom Initial-Zustand)

Load Monitoring. Aufnahme von Belastungen und Verformungen von mechanischen Strukturen (für SHM oder korrigierende Steuerung von Robotern und Maschinen)

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Abb. 1. Links: Akustische Strukturüberwachung, Rechts: SHM im Flugzeug [Boller, ESHM, 2009]

Anwendungen in der Robotik

Sensorische Systeme in der Robotik

Extrinsische Perzeption: Haptik → Künstliche Haut

  • Technische Umsetzung durch punktuelle Sensoren

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Abb. 2. Beispiel Roboterhand [Dahiya et al., 2004]

Anwendungen in der Robotik

  • Technische Umsetzung durch Sensorarrays und resistive Dehnungs- oder Drucksensoren

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Abb. 3. Prinzipieller Aufbau eines Sensorarrays [Vidal Verdu et al., 2011, Sensors]

Anwendungen in der Robotik

  • Technische Umsetzung durch starre Sensorfelder und getrennter Signalverrabeitung (1. Generation)

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Abb. 4. Künstliche Haut, technische Umsetzung und Beispiele für Messungen, 1. Generation [Vidal Verdu et al., 2011, Sensors]

Anwendungen in der Robotik

  • Technische Umsetzung durch flexible Patches und integrierter Elektronik (2. Generation)

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Abb. 5. Künstliche Haut, technische Umsetzung 2. Generation [Vidal Verdu et al., 2011, Sensors]

Anforderungen, Entwurfsmethodiken, Test & Simulation, Normen

  • Welche physikalische Größe soll gemessen werden?

  • Welche Art von Sensor?

  • Platzierung von Sensoren, Material-Applizierung versa Material-Integration?

  • Fertigungstechnologien für Einbettung, el. Verbindung, Sensorik?

  • Datenverarbeitung und Algorithmen - zentralistisch versa dezentral?

  • Topologie Sensornetzwerk und Verbindungstechnologien?

  • Simulation von mech. Strukturen (FEM), Sensornetzwerke, Kommunikation?

Die Entwurfsmethodik ist interdisziplinär und umfasst eine Vielzahl von Domänen

Komponenten und Domänen

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Abb. 6. Sensorisches Material - Komponenten und Zusammenhänge [Lehmhus, 2013]

Grundlagen Messtechnik

  1. Mathematische Grundlagen
  2. Rauschen - nichts ist exakt → Physik & Statistik
  3. Elektrische Größen → Elektrische Messtechnik
  4. Optische Größen → Optische Messtechnik
  5. Messfehler und Vertrauen → Fehlerklassen → Statistik
  6. Einfluss von Messgerät auf Messung

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Abb. 7. Instrumenten Modell [nach Webster, MISH, 1999]

Grundlagen Sensoren: Prinzipien, Einteilung, Materialien

  1. Sensormodelle
  2. Klassifizierung der Messgrößen
  3. Klassifizierung der Messmethoden und Technologien
  4. Resistive - Elektrogeneratorische - Kapazitive - Optische - Induktive Messwandler
  5. Messung einer physikalischen Größe und Wandlung in elektrische Größe
  6. Messung einer physikalischen Größe und Wandlung in optische Größe

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Abb. 8. Kapazitiver Verschiebungssensor [Webster, MISH, 1999]

Grundlagen Elektronik und analog-digitale Signalverarbeitung

  1. Operationsverstärker
  2. Messbrücken, Verstärker
  3. Signalverarbeitung und Filter
  4. Analog-Digital und Digital-Analog Wandler

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Abb. 9. Messbrücke, SAR AD-Wandlung, Ladungsverstärker [Suchaneck, 2007, Webster, MISH, 1999]

Grundlagen Sensoren: Fertigungsverfahren und Technologien allgemein

  1. Druckverfahren - Ätzverfahren - Sputtering- und Abscheidung - Mikrobearbeitung
  2. Polymer Technologien
  3. Silizium Technologien → Elektronische Schaltungen!
  4. Metall Technologien
  5. Sensor Materialien - das Material als Sensor

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Abb. 10. Links: Sputter-Verfahren, Rechts: Ätzverfahren [Fraden, 2010]

Sensornetzwerke: Grundlagen, Metriken, Entwicklung

  1. Paradigmenwechsel: Zentrale Datenverarbeitung → Verteilte Datenverarbeitung → Robustheit
  2. Komponenten eines Sensornetzwerks, Netzwerktopologien
  3. Maßzahlen für verteilte und parallele Datenverarbeitung - Limitierungen

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Abb. 11. Stern-, Maschen- (Gitter), und Bustopologien

Eingebettete Systeme: Sensorknoten

  1. Aufbau und Funktionsweise eines Sensorknotens - Eingebettetes System
  2. Analoger Teil - Digitaler Teil - Technologien
  3. Schnittstellen und Energieversorgung
  4. DV Architekturen und Entwurf (Software, Hard- und Software, Hardware) → Parallele DV
  5. Algorithmen für die Signalverarbeitung - Sensor Fusion - Echtzeitfähige Systeme
  6. Betriebssysteme, Virualisierung und Virtuelle Maschinen

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Abb. 12. Sensor, Sensor Knoten (mittlere Integrations- und Minaturisierungsstufe mit FPGA), Signalverarbeitungsfluss

Kommunikation in Sensornetzwerken

  1. Nachrichtenbasierte Kommunikation - Protokolle - Protokollstack
  2. Pfadfindung und Routing - Delta und Smart Delta Routing
  3. Robustheit - Redundanz - Intelligente Pfadfindung
  4. Ãœbertragungstechnologien: Drahtlos versa drahtgebunden

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Abb. 13. Links: Protokollstack, Rechts: Smartes Delta Routing in fehlerhaften Maschennetzwerken

Materialintegration

  1. Host-Materialien - welche sind geeignet?
  2. Komposit Technologie: | Material + Sensor + Elektronik + Energie + Material |
  3. Verbindungstechnologien (elektrisch + optisch; Energie und Kommunikation)
  4. Energieverteilung und Energiegewinnung (Energiemanagement), Flexible Elektronik

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Abb. 14. Links: Flexibles SM zwischen Folien, Rechts: Druckverfahren kombiniert mit Roll-to-roll Folierung