Universität Bielefeld - Technische Fakultät - Neuroinformatik



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Kraftkennlinie eines FPSR-Sensors

Zur Beschreibung der Sensoren wurden zunächst Kennlinien aufgenommen, die die Abhängigkeit der Sensorwerte von der Auflagekraft darstellen (Abb. 2.5). Auf der x-Achse ist die Kraft in mN, auf der y-Achse der Sensorwert in Einheiten eingezeichnet. Die Sensorwerte sind wegen der Digitalisierung ganze Zahlen und liegen im Bereich von 0 bis 255.

  
Figure 2.5: Kennlinie eines Sensors mit kleiner Fuge: Der selbstgebaute Sensor zeigt geringe Wiederholgenauigkeit.

Zu jeder Position auf dem Balken der Waage wurden zehn Meßwerte in rascher Folge aufgenommen, um die Streuung innerhalb einer Messung sichtbar zu machen. Im Diagramm sind die Mittelwerte als Rauten und die Standardabweichungen als senkrechte Fehlerbalken gezeigt. Die Standardabweichungen sind sehr klein, doch zeigen sich von Position zu Position starke Streuungen des Meßwertes.

Eine vorgegebene Funktion wurde mit dem leastsquares-Paket von Maple auf die Meßwerte angepaßt. Dabei wurde die Funktionsgleichung

zugrundegelegt. Der Parameter entspricht einem Kraftschwellwert, unterhalb dessen der Sensor nicht reagiert. Dieser Wert wurde aus dem Graphen auf 50mN genau abgeschätzt. Die beiden Parameter a und b wurden vom least-squares-Algorithmus angepaßtgif. Die Suche nach einer Funktion, die aus dem physikalischen Modell abgeleitet ist und das Verhalten der Sensoren adäquat beschreibt, wurde nach mehreren erfolglosen Versuchen aufgegeben. Im folgenden wird die oben genannte Funktion verwendet, da sie den Meßreihen am nächsten kommt, auch wenn sie sich nicht physikalisch begründen läßt.

Die geringe Wiederholgenauigkeit des Sensors führt dazu, daß der Rückschluß von einem Sensorwert auf die Auflagekraft sehr ungenau wird. Ein Beispiel ist in Abb. 2.5 eingezeichnet. Der Sensorwert 117 (waagerechte Linie) entspricht Kraftwerten im Intervall . Bei Vergrößerung der Kraft vergrößert sich auch die Ungenauigkeit.

Messungen mit einem Interlink-Sensor zeigen den Effekt der geringen Wiederholgenauigkeit noch stärker, wie Abb. 2.6 zeigt. In diesem Graphen sind drei Meßreihen dargestellt, die mit diesem Sensor durchgeführt wurden.

  
Figure 2.6: Kennlinie eines Interlink-Sensors: Die Kreuze, Rauten und Kästchen repräsentieren drei Meßreihen mit einem Sensor mit locker aufliegender Polymerfolie.

Die mangelhafte Wiederholgenauigkeit der Sensoren ist möglicherweise auf die rauhe, poröse Oberfläche der Polymerschicht zurückzuführen, die bei aufeinanderfolgenden Bewegungen auf sehr unterschiedliche Weise mit der Oberfläche der Elektroden verzahnen kann. Dadurch ergeben sich bei kleinen Andruckkräften unterschiedlich große Kontaktflächen und damit unterschiedliche Widerstandswerte.

Interlink verwendet einen dicken Klebestreifen am Rand der Sensorfläche, um die Elektrodenfolie mit der Polymerfolie zu verbinden, so daß eine schmale Fuge entsteht. Die Fuge zwischen Polymerschicht und Elektroden erhöht zwar die Empfindlichkeit, senkt aber gleichzeitig die Reproduzierbarkeit der Messungen. Daher wurde bei den Sensoren auf der Fingerspitze die Polymerfolie mit möglichst vollständigem Kontakt auf die Elektrodenbahnen geklebt. Diese Sensoren zeigen eine deutlich verbesserte Wiederholgenauigkeit (siehe Abb. 2.7) auf Kosten einer etwas geringeren Empfindlichkeit (etwa 350mN bis 400mN).

  
Figure 2.7: Kennlinie eines Sensors ohne Fuge: Die beiden Datensätze wurden mit unterschiedlich geformten Stempeln aufgenommen und zeigen daher einen leichten Versatz vor allem im Bereich kleiner Kräfte.

Die Abbildung zeigt ebenfalls die Auswirkungen einer veränderten Stempelform. Die beiden gezeigten Meßreihen wurden mit einem weichen Polster aus tesa-Moll aufgenommen, das den Druck auf die gesamte Sensoroberfläche gleichmäßig verteilt, und einer Kugelkalotte aus Gummi, die eine kreisförmige Andruckfläche mit etwa 3mm Durchmesser darstellt. Die Kennlinien würden nur dann übereinstimmen, wenn der lokale Leitwert der Polymerfolie proportional zum lokalen Druck wäre, da der Sensor, wie bereits gezeigt, die Kraftinformation in Form der Summe der Einzelleitwerte liefert (siehe Abschnitt 2.1).

  
Figure 2.8: Berechnete Widerstands-Kennlinie eines Sensors: Die Transferfunktion des Verstärkers liefert eine gekrümmte Kennlinie für den Leitwert der Folie in Abhängigkeit von der Auflagekraft. Den Idealfall einer linearen Kennlinie liefert ein Sensor, der für beliebige Stempelformen gleich reagiert, also einen echten Kraftsensor darstellt.

Die Übertragungsfunktion der Verstärkerschaltung ergibt mit den in die Meßreihen eingepaßten Kennlinienfunktionen den in Abb. 2.8 dargestellten Verlauf des Zusammenhangs zwischen Gesamtleitwert und Gesamtkraft. Die idealisierte Gerade ist zur Orientierung mit eingezeichnet.

Da die Sensoren nicht zur präzisen Messung physikalischer Größen eingesetzt werden sollen, ist die Abhängigkeit der Kennlinie von der Stempelform akzeptabel. Die Reproduzierbarkeit der Kraftmeßwerte wurde durch das direkte Aufbringen der Folie auf die Elektrode zwar verbessert, doch ist die Genauigkeit der Kraftmessung mit typisch relativ gering. Im Ausblick (Kapitel 10) wird ein Verbesserungsvorschlag vorgestellt.



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Markus Jankowski Jan Jockusch Lars Jansen Michael Jandrey Marjan Tomas , 1996-Dec-06