DMSplusX – Smarte Dehnungsmessstreifen für selbstüberwachende Sensorik

Im Projekt DMSplusX, das durch den europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) zusammen mit der Staatskanzlei des Saarlandes gefördert wird, liegt der Forschungsschwerpunkt auf der Erweiterung der Funktionalität von neuartigen Dünnfilm-Dehnungsmessstreifen (DMS). Mittels innovativer Strukturierungsmethoden und dem Einsatz funktionaler Dünnschichten sollen multisensorische DMS entstehen, die bei gleichem Flächeneinsatz mehrere Messgrößen simultan erfassen können. Darüber hinaus soll im Rahmen des Projektes ein Algorithmus entwickelt werden, der die zur Verfügung stehenden Werte erfasst, analysiert und zur Kompensation von z.B. temperaturabhängiger Kenngrößen eines Kraftsensors nutzt.

Die neuartigen Messstreifen werden in Zusammenarbeit mit der Firma CeLaGo Sensors GmbH, dem Spezialisten für kundenspezifische Sensorelemente, entwickelt und in der Forschungsgruppe für Dünnschichttechnologie an der htw saar unter der Leitung von Prof. Schultes getestet.

Problemstellung

Kommerzielle DMS sind seit Jahrzehnten auf dem Markt der Kraft-, Druck- und Drehmomentmesstechnik etabliert. Sie wandeln als primäre Sensorelemente Dehnungen, die durch mechanische Beanspruchungen von Bauelemente hervorgerufen werden, in ein elektrisches Signal um und werden unter anderem in Personen- und Supermarktwaagen bzw. in der Produktionstechnik zur Kraftmessung eingesetzt. Bedingt durch das Funktionsprinzip und den Aufbau der Dehnungssensoren muss ein Großteil der Sensorfläche genutzt werden, um einen messbaren elektrischen Widerstand, der allein zur Dehnungsmessung dient, zu erzeugen. An dieser Stelle kommen die neuartigen Dünnfilm-DMS ins Spiel. Durch den Einsatz dünner und hoch dehnungssensitiver Schichten in Kombination mit innovativen Strukturierungsmethoden soll es gelingen die Dehnungssensoren mit weiteren Messfunktionalitäten auszustatten. So entstehen völlig neue Sensoren, die bislang nicht erhältlich sind und beispielsweise zur vorausschauenden Wartung (Predictive Maintenance) eingesetzt werden können.

Zielsetzung

Am Ende des Projektes stehen multifunktionale Sensoren zur Verfügung, die zusätzliche klimatische Informationen erfassen, um beispielsweiße die Messgenauigkeit des Sensorsignals durch geeignete Kompensationsmaßnahmen zu erhöhen. Als besondere Herausforderung gilt die Entwicklung eines anwendbaren Algorithmus für die Zustandsüberwachung. Dabei sollen die Signale der verschiedenen Messgrößen wie Dehnung, Temperatur und Luftfeuchtigkeit genutzt werden, um einen Defekt einer hermetischen Kapselung oder eine alterungsbedingte Signaldrift eines Kraftsensors sicher und zuverlässig zu erkennen.

Vorgehen

Basierend auf den fundierten Kenntnissen der Forschungsgruppe und in enger Zusammenarbeit mit der Firma CeLaGo Sensors werden in mehreren Iterationsschleifen und unter Anwendung simulationsgestützter FEM Analysen die in Frage kommenden Messstrukturen entwickelt und realisiert. Ausgiebige Testreihen sollen die Funktionsweise und das Übersprechen der Messstrukturen auf Quereinflüsse bei unterschiedlichen klimatischen Bedingungen unter Beweis stellen. Final wird ein multisensorischer DMS angestrebt, der in der Lage ist, sowohl Dehnung, Temperatur und Luftfeuchtigkeit idealerweise unabhängig voneinander zu messen. Ergänzend erfolgt die Entwicklung einer Elektronik, die es ermöglicht die zur Verfügung stehenden Messdaten zu erfassen und zu analysieren. Die Elektronik bildet die Plattform für die Realisierung des Algorithmus zur Zustandsüberwachung.

Ergebnisse / Projektstand

Im Verlauf des Projektes wurden bereits unterschiedliche Messstrukturen zur Feuchtigkeitsmessung untersucht und getestet. Die aussichtsreichste Variante wurde erfolgreich zusammen mit einer temperaturabhängigen Messstruktur in das bestehende DMS-Layout integriert. Somit existieren erste multisensorische DMS, die als Prototypen in aufwendigen klimatischen Tests und in Langzeitversuchen noch ihre Funktionsfähigkeit unter Beweis stellen müssen. Darüber hinaus soll ein Kraftsensor entwickelt werden, mit dem man in der Lage ist die geplanten Kompensationsmaßnahmen mit einer selbst entworfenen Elektronik zusammen mit den multisensorischen DMS durchzuführen.

Verwertungskonzept:

Am Ende des Projektes soll ein Demonstrator in Form eines Kraftsensors entstehen, der als Anwendungsbeispiel einen sinnvollen Einsatz der multisensorischen DMS demonstrieren soll. Die aus den Testreihen gewonnenen Erkenntnisse fließen direkt in die Entwicklung der kooperierenden Firma CeLaGo Sensors und dienen dort zur Erweiterung des Produktportfolios und der Erschließung neuer Anwendungsgebiete.

Ansprechpartner: Dennis Vollberg
Projektleitung: Prof. Dr. Günter Schultes
Laufzeit: 01.11.2019 – 31.07.2022
Gefördert von: EU (EFRE), Staatskanzlei des Saarlandes

Category: Data Engineering/Smarte Sensorik

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