Flexible Drucksensor-Matrix auslegen | JASPER

Eine flexible Drucksensor-Matrix sollte von der räumlichen Entscheidung her ausgelegt werden, die das Steuergerät treffen muss, und nicht von einem ansprechend angeordneten Raster aus Sensorflächen. Legen Sie fest, was jede Zone erfassen muss, welche Lasten sie zurückweisen muss, wie schnell ihre Daten vorliegen müssen und anhand welcher Nachweise sich ein tatsächliches Ereignis von Übersprechen oder einem Kanalfehler unterscheiden lässt. Wählen Sie anschließend unabhängige Zonen, eine Anordnung mit gemeinsamem Rückleiter, eine abgetastete Zeilen-Spalten-Matrix oder eine Mischform. Zonengeometrie, Leiterbahnführung, Elektronik, Abtastreihenfolge, Laminierung, Kalibrierung und softwareseitige Auswertung müssen dieselbe physische Sensoranordnung beschreiben.

Für ein OEM-Projekt mit dünner, verteilter Sensorik bietet die JASPER-Produktseite zur flexiblen Drucksensor-Matrix den Einstieg in die Prüfung einer kundenspezifischen Folienkonstruktion. Im Angebot müssen Messprinzip, Zonenanzahl, elektrische Topologie, Materialaufbau, Anschlussfahne, Steckverbinder, Kalibrierungsgrenze und Validierungsumfang bestätigt werden. Ein Produktfoto oder der Begriff Mehrzonen belegt weder Druckmessgenauigkeit noch räumliche Auflösung, Qualifikation für die Automobilindustrie oder eine bestimmte Schaltung.

Zuerst die Erfassungsaufgabe festlegen, dann die Sensoranordnung zeichnen

Eine Sensoranordnung soll eine räumliche Frage beantworten. Diese kann einfach sein: Wirkt die Last auf den linken oder den rechten Teil eines Polsters? Sie kann auch anspruchsvoller sein: Liegt über mehrere Bereiche hinweg ein freigegebenes Muster vor, oder hat sich die Last außerhalb des erwarteten Bereichs verlagert? Das sind unterschiedliche Erfassungsaufgaben, selbst wenn die äußere Form des Sensors identisch ist.

Beginnen Sie mit der endgültigen Entscheidung und arbeiten Sie rückwärts:

erforderliche Systementscheidung
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dafür benötigtes räumliches Merkmal
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Erfassungsergebnisse der Zonen oder Sensorelemente
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elektrische Kanäle und Messdatenrahmen
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physische Sensoranordnung und Lastpfad

Das Entwicklungsteam sollte diese Aussage für jeden Kanal vervollständigen können:

Zone Z dient dazu, Zustand X unter Lastfall Y zu erfassen. Beim Auftreten des benachbarten oder unzulässigen Lastfalls B muss sie gleichzeitig innerhalb des zulässigen Zustands A bleiben.

Fehlt für eine Zone eine solche Aussage, liegt noch keine technische Anforderung vor, sondern lediglich eine Geometrie.

Durch diese rückwärts gerichtete Festlegung bleibt die Sensoranzahl im Verhältnis zu den Informationen, die das System tatsächlich nutzt.

Was eine flexible Drucksensor-Matrix tatsächlich umfasst

Eine flexible Drucksensor-Matrix ist eine dünne Baugruppe mit mehreren druckempfindlichen Bereichen und einer elektrischen Anbindung, über die das angeschlossene System diese Bereiche unterscheiden kann. Die Bereiche können aus einzelnen Kontaktschaltern, kraftabhängigen resistiven Zonen oder einer anderen bestätigten Sensorstruktur bestehen. Sie können eigene Leiter besitzen oder Leiter innerhalb einer Matrix gemeinsam nutzen.

Mehrere Begriffe müssen klar voneinander abgegrenzt werden:

Physische Sensorzone und Kanal sind nicht immer eins zu eins zugeordnet. Mehrere Elemente können sich eine Zeile oder einen gemeinsamen Rückleiter teilen. Wenn Diagnose oder Redundanz erforderlich sind, kann eine Zone auch über mehr als einen Messpfad erfasst werden.

Tekscan beschreibt Druckverteilungsmesssysteme als Anordnungen von Drucksensoren, die abgetastet werden und deren Signale in Daten für die Analyse umgewandelt werden.[2] Daraus ergibt sich eine hilfreiche Systemgrenze: Die flexible Sensorfolie ist nur ein Teil der Sensoranordnung. Erst Elektronik, Erfassungszeitpunkte, Kalibrierung und Auswertung liefern den nutzbaren räumlichen Datensatz.

Zwischen separat angeschlossenen Zonen und einer abgetasteten Matrix wählen

Die erste Entscheidung zur Topologie legt fest, wie sich physische Bereiche eindeutig elektrisch erfassen lassen.

Eine Sensoranordnung mit separat angeschlossenen Zonen ist häufig leichter zu beurteilen, weil jeder Kanal einer physischen Zone eindeutig zugeordnet ist. Dadurch ist sie nicht automatisch besser. Bei vielen Zonen können der Übergang vom Sensorkörper zur Anschlussfahne und der Steckverbinder unpraktikabel werden.

Eine Zeilen-Spalten-Matrix verringert die Anzahl externer Leiter durch gemeinsam genutzte Adressierungspfade. Das Erfassungssystem wählt Zeilen und Spalten nacheinander aus. Der fertige Messdatenrahmen wird somit über die Zeit zusammengesetzt und nicht als gleichzeitiges Gesamtbild erfasst. Die Elektronik muss die Zustände nicht ausgewählter Pfade, das Einschwingen, Leckströme, die Abtastreihenfolge und das Fehlerverhalten beherrschen.

Wählen Sie eine Matrix nicht allein wegen ihrer scheinbar günstigen Kontaktanzahl. Wählen Sie separate Leiterpaare nicht allein deshalb, weil die elektrische Anordnung einfach aussieht. Vergleichen Sie den gesamten Umfang von Anschlussfahne, Steckverbinder, Elektronik, Kalibrierung, Diagnose, Software und Instandhaltung.

Für jede Zone eine Funktionsspezifikation erstellen

Die Zonenspezifikation ist das zentrale Freigabedokument für eine flexible Drucksensor-Matrix:

Zonen-ID | Erforderliche Erfassung | Vorgesehener Lastpfad | Zurückzuweisende Last | Physische Sensorstruktur | Elektrischer Pfad | Abtastregel | Kalibrierobjekt | Fehlerregel | Änderungsanlass

Jedes Feld beseitigt eine andere Unklarheit.

• Zonen-ID muss mit der Zeichnung, der Anschlussbelegung, der Testsoftware, der Kalibrierdatei und den Systemanforderungen übereinstimmen.
• Erforderliche Erfassung benennt die Entscheidung, die durch die Zone unterstützt wird.
• Vorgesehener Lastpfad legt fest, wo die Last eingeleitet wird und welche Zwischenschichten sie übertragen.
• Zurückzuweisende Last benennt Lasten aus Nachbarbereichen, am Rand, durch die Abstützung, bei der Handhabung oder Montage, die kein gültiges Erfassungsergebnis auslösen dürfen.
• Physische Sensorstruktur bezeichnet die tatsächliche Sensorfläche, den Kreuzungspunkt, die Kontaktöffnung oder den Erfassungsbereich.
• Elektrischer Pfad bezeichnet Kontakte, Zeile, Spalte, gemeinsamen Rückleiter, Multiplexerkanal oder ADC-Pfad.
• Abtastregel dokumentiert, soweit relevant, Reihenfolge, Verweildauer, verworfene Abtastwerte, Mittelwertbildung und die Zeitvorgaben für den Messdatenrahmen.
• Kalibrierobjekt legt fest, ob die Koeffizienten für die unmontierte Sensoranordnung, eine Teilbaugruppe oder den vollständigen eingebauten Schichtaufbau gelten.
• Fehlerregel beschreibt das Verhalten bei Leitungsunterbrechung, Kurzschluss, festhängendem Signal, Werten außerhalb des Messbereichs, unplausiblen Werten oder zonenübergreifenden Fehlern.
• Änderungsanlass gibt an, welche Material-, Geometrie-, Schaltungs-, Vorrichtungs-, Software- oder Montageänderungen eine Überprüfung erfordern.

Dieses Dokument deckt auch Scheingenauigkeit auf. Ist der vorgesehene Lastpfad unbekannt, lässt sich einer kleinen gedruckten Zone kein belastbarer wirksamer Erfassungsbereich zuordnen. Ist die Abtastregel unbekannt, fehlt der Logik für gleichzeitige Muster eine definierte Zeitbasis.

Die Zonengeometrie anhand der Lastausbreitung festlegen

Die elektrische Kontur entspricht nicht dem wirksamen Erfassungsbereich. Abdeckungen, Schaumstoffe, Elastomere, Montagefolien, Lastverteiler, Polsterbezüge, Abstützungen und lokale Krümmungen können eine Last verteilen oder konzentrieren, bevor sie die Sensorstruktur erreicht.

Der FSR-Integrationsleitfaden von Interlink und die Unterlagen von Tekscan zur mechanischen Integration behandeln Kontaktgeometrie, Abstützung, Ausrichtung des Betätigungselements, Scherung und Biegung als Einflussgrößen auf das Verhalten eines Kraftsensors.[3][6] Der genaue Aufbau einer JASPER-Sensoranordnung kann abweichen, die Integrationsgrenze bleibt jedoch dieselbe: Das räumliche Ansprechverhalten wird durch den gesamten Kontaktaufbau bestimmt.

Erfassen Sie für jeden erforderlichen Lastfall mindestens fünf Bereiche:

1. die ursprüngliche Kontaktfläche der Last;
2. die Lasteinleitungsfläche nach der Abdeck- oder Polsterschicht;
3. die vorgesehene Sensorstruktur;
4. benachbarte Sensorstrukturen, auf die sich Last übertragen kann; und
5. Lastpfade durch die Tragstruktur, die an der Sensoranordnung vorbeiführen können.

Prüfen Sie anschließend die erwarteten Grenzfälle für Position, Kontaktform, Materialzustand, Montagetoleranz und Abstützung.

Der geeignete Zonenabstand ist daher kein pauschaler Spalt, der von einem anderen Sensor übernommen wird. Er muss es der eingebauten Baugruppe ermöglichen, die erforderlichen Zustände mit ausreichender Reserve zu unterscheiden. Zwei gedruckte Sensorflächen können elektrisch weit voneinander entfernt sein und dennoch durch eine großflächige Lastausbreitung im Schaumstoff gekoppelt werden. Umgekehrt können sie auf der Zeichnung dicht nebeneinanderliegen und bei eng geführter Lasteinleitung trotzdem unterscheidbar bleiben.

Geometrische Auflösung von Messauflösung unterscheiden

Das Hinzufügen kleinerer Zonen erhöht die geometrische Dichte. Es garantiert keine besseren räumlichen Informationen.

Die räumliche Auflösung des Gesamtsystems wird begrenzt durch:

• Breite und Streuung der aufgebrachten Kontaktfläche;
• Lastausbreitung durch Zwischenschichten;
• Größe der aktiven Sensorstruktur und Randverhalten;
• Registergenauigkeit zwischen den Sensorschichten;
• Platzierungstoleranz im Produkt;
• elektrische Kanaltrennung;
• Abtastzeitvorgaben und Einschwingen;
• Signal-Rausch-Verhältnis und Wiederholbarkeit;
• Abdeckung durch die Kalibrierung; und
• die Entscheidungslogik, die auf benachbarte Kanäle angewendet wird.

Ein Druckverteilungsmessgerät kann in der Entwicklung zeigen, wie sich die Last durch einen Sitz, ein Polster oder eine Kontaktfläche überträgt. Daraus ergibt sich nicht automatisch die Auslegung der integrierten Sensoranordnung für die Serie. Die Serienausführung kann bewusst weniger und größere Zonen verwenden, wenn das Steuergerät lediglich eine stabile Positions- oder Bereichserkennung benötigt.

Umgekehrt ist eine dichte Sensoranordnung nicht hilfreich, wenn sich die mechanische Lastausbreitung über mehrere Sensorelemente erstreckt und der Algorithmus nicht unterscheiden kann, ob diese Verteilung durch die ursprüngliche Lasteinleitung, die Abdeckung oder eine elektrische Kopplung entsteht.

Geben Sie geometrisches Rastermaß, wirksamen Erfassungsbereich und räumliche Systemauflösung als drei getrennte Größen frei. Nur die letzte Größe beschreibt, was das eingebaute System unterscheiden kann.

Leiterbahnen mit eindeutiger Kanalzuordnung führen

Zonenanordnung und Leiterbahnführung beanspruchen dieselbe flexible Fläche. Mehr Erfassungsbereiche erfordern mehr Leiterpfade, Kreuzungen oder Lagenwechsel und stärker zusammenlaufende Leiter an der Anschlussfahne. Dadurch können auch mehr lokale Versteifungen entstehen.

Bei der Prüfung der Leiterbahnführung sollte Folgendes erkennbar sein:

• eindeutige Leiterzuordnung von der Zone bis zum Steckverbinder;
• gemeinsam genutzte Zeilen, Spalten oder Rückleiter;
• Leiterbahnkorridore und Bereiche, in denen keine Erfassung stattfinden darf;
• Kreuzungen, Drahtbrücken, Durchkontaktierungen oder Lagenübergänge, sofern der Aufbau diese vorsieht;
• Zusammenführung der Leiter in die Anschlussfahne;
• lokale Engstellen oder Verdichtungen;
• Lagebeziehungen zu Kanten und Ausschnitten;
• Biege- und Dehnungsbereiche;
• Abschirmungen oder Schutzstrukturen, sofern tatsächlich erforderlich;
• Nummerierung und Orientierung der Steckverbinderpins; und
• Durchgangs- und Isolationsprüfpunkte.

Bei einer Sensoranordnung mit gemeinsamem Rückleiter ist dieser Bestandteil der Messpfade mehrerer Kanäle. Sein Widerstand, Beschädigungen, Verunreinigungen und der Steckkontakt können mehrere Kanäle gemeinsam beeinflussen. Bei einer Zeilen-Spalten-Anordnung gehört jede Zeile und Spalte zu mehreren Elementadressen. Ein unterbrochener Leiter kann eine ganze Reihe von Erfassungsergebnissen ausfallen lassen; ein unbeabsichtigter Strompfad kann mehrere Kreuzungspunkte beeinflussen.

Die Leiterführungszeichnung muss deshalb die Folgen von Fehlern vermitteln und nicht nur das Leiterbild zeigen. Auch eine optisch saubere Auffächerung kann die Fehlereingrenzung unmöglich machen, wenn sich die Kanalzuordnung zwischen Sensorzeichnung, Steckverbinderzeichnung, Kabelbaum und Softwaretabelle ändert.

Übersprechen in vier Fehlermechanismen unterteilen

Übersprechen ist als Bezeichnung einer Fehlerursache zu unspezifisch. Unterscheiden Sie vier Mechanismen:

Texas Instruments beschreibt speicherbedingtes ADC-Übersprechen als den Einfluss eines Eingangskanals auf den nachfolgenden Kanal nach dem Umschalten eines Multiplexers. Das Einschwingen am Eingang und das Erfassungsverhalten werden dabei als Teil des Problems benannt.[7] Die Multiplexer-Unterlagen behandeln außerdem Kanalleckströme, Durchlasswiderstand, Ladungsinjektion, Bandbreite, Übersprechen, Sperrdämpfung und Einschwingverhalten als Auswahlparameter.[8]

Diese Quellen belegen nicht, dass eine bestimmte JASPER-Sensoranordnung solche Fehler aufweist. Sie erläutern, warum die gesamte Erfassungskette geprüft werden muss, bevor die Reaktion einer Nachbarzone dem gedruckten Sensor zugeschrieben wird.

Mechanisches Übersprechen mit gezielten Prüflasten nachweisen

Mechanisches Übersprechen wird mit Lasten gemessen, die gezielt die Grenze zwischen erforderlichen und zurückzuweisenden Erfassungsergebnissen prüfen.

Verwenden Sie eine Prüfvorrichtung und einen Produktaufbau, mit denen sich folgende Lastfälle aufbringen lassen:

• eine zentrierte Last auf jeder Zone;
• eine Last in der Nähe jeder Zonenbegrenzung;
• eine Last in der Lücke zwischen benachbarten Zonen;
• eine Last über einem Leiterbahnkorridor;
• eine Last nahe einem Ausschnitt, einer Rippe, einer Naht oder einem Übergang der Abstützung;
• eine Last nahe dem Übergang vom Sensorkörper zur Anschlussfahne;
• zwei gleichzeitige Lasten auf ausgewählten Zonenpaaren;
• eine Last im Sperrbereich; und
• eine für die Anwendung typische außermittige oder versetzte Kontaktierung.

Zeichnen Sie alle Kanäle auf, nicht nur die Zielzone. Das Bestehenskriterium kann auf der absoluten Reaktion der Nachbarzone, einem Verhältniswert, dem Abstand zur Klassifikationsgrenze oder einem ermittelten Zustand beruhen. Die geeignete Kennzahl hängt davon ab, ob die Sensoranordnung mit Schaltkontakten arbeitet, analoge Signale liefert oder für Druckmessungen kalibriert ist.

Wiederholen Sie ausgewählte Bedingungen, nachdem die Baugruppe eingebaut, konditioniert, gebogen oder anderweitig den relevanten Zuständen ausgesetzt wurde. Eine flache, unmontierte Sensoranordnung kann eine saubere Trennung zeigen, während das fertige Polster die Last über mehrere Zonen verteilt.

Die Zeichnung der gezielten Prüflasten sollte Teil der Validierungsunterlagen sein. Andernfalls lässt sich ein Ergebnis wie geringes Nachbarsignal nicht reproduzieren, weil Kontaktposition, Kontaktform, Abstützung, Verweildauer und Reihenfolge unbekannt sind.

Elektrisches und abtastbedingtes Übersprechen durch Kanalpermutationen nachweisen

Elektrische Effekte und Speichereffekte bei der Abtastung lassen sich von mechanischen Einflüssen trennen, indem die Erfassungsbedingungen bei unveränderter physischer Last variiert werden.

Sinnvolle Versuche sind:

• die Abtastreihenfolge umkehren;
• abwechselnd einen Kanal mit niedrigem und einen mit hohem Ausgangssignal erfassen;
• einen unbelasteten oder Referenzkanal zwischen ausgewählten Kanälen einfügen;
• die zulässige Einschwingzeit verlängern oder verkürzen;
• den ersten Abtastwert nach dem Umschalten mit späteren Abtastwerten vergleichen;
• dieselbe Last beibehalten und nur den Multiplexerpfad ändern;
• anstelle des Sensors eine definierte elektrische Ersatzbeschaltung anschließen;
• Prototypen mit separaten Kanälen und gemeinsam genutzten Pfaden vergleichen;
• einzelne Leitungsunterbrechungen, Kurzschlüsse, Leckströme und Fehler des gemeinsamen Rückleiters prüfen; und
• Kanalbezeichnungen in der Software vertauschen, um die korrekte physische Zuordnung zu bestätigen.

Folgt die scheinbare Reaktion der Nachbarzone der Abtastreihenfolge statt der physischen Position, liegt die Ursache eher in der Erfassungselektronik oder Firmware. Bleibt sie trotz geänderter Abtastreihenfolge an dieselbe physische Position gebunden, sind mechanische Kopplung oder Kopplung über gedruckte Leiterpfade zu untersuchen.

Beheben Sie nicht jedes kanalübergreifende Symptom durch eine gleitende Mittelwertbildung über einen längeren Zeitraum. Filterung kann Einschwingfehler verdecken, tatsächliche Zustandsübergänge verzögern und Abtastwerte verschiedener physischer Zeitpunkte vermischen. Bewahren Sie Kanalrohdaten und Abtastmetadaten auf, bis der Mechanismus verstanden ist.

Die Anschlussfahne als Bus der Sensoranordnung auslegen

Die Anschlussfahne führt die gesamte räumliche Zuordnung der Sensoranordnung durch einen schmalen, flexiblen Bereich. Sie ist kein beliebiges Kabel, das erst nach Fertigstellung des Sensorkörpers ergänzt wird.

Bei der Auslegung der Anschlussfahne sind folgende Punkte festzulegen:

• Leiterreihenfolge vom Sensorkörper bis zum Steckverbinder;
• Zuordnung von Zeilen-, Spalten-, Zonen-, gemeinsamen, Schutz- und Referenzleitern;
• Geometrie der Leiterzusammenführung und lokale Steifigkeit;
• einmaliges Formen gegenüber wiederholtem Biegen;
• Biegerichtung und ungestützte Länge;
• Übergang zwischen laminierten Bereichen;
• Zugentlastung und Zugbelastung am Steckverbinder;
• Abstand zu Sitzrahmen, Halteclips, beweglichen Bauteilen und scharfen Kanten;
• Reihenfolge beim Einstecken und bei der Instandhaltung;
• Ausrichtung von Kontakt eins und zugehöriger Gegensteckverbinder;
• elektrische Prüfung und Rückverfolgbarkeit.

Interlink warnt vor scharfem Biegen, Knicken oder Beschädigen einer FSR-Anschlussfahne und betont den mechanischen Schutz.[6] Bei einer Mehrzonen-Anschlussfahne wirken sich Dokumentationsfehler stärker aus, weil eine physische Leitungsführung mehrere Erfassungspfade enthält.

Die Anschlussbelegung sollte aus dem gelenkten elektrischen Leiterbild abgeleitet und anschließend mit der Steckverbinderzeichnung und der Erfassungskonfiguration abgeglichen werden. Manuell gepflegte doppelte Zuordnungstabellen begünstigen Kanalvertauschungen, die wie Sensor- oder Algorithmusfehler wirken können.

Laminierung und Registergenauigkeit sichern die räumliche Zuordnung

Eine Sensoranordnung kann die Durchgangsprüfung bestehen und dennoch ihr vorgesehenes räumliches Ansprechverhalten verlieren, wenn sich innere Lagen verschieben.

Die Registergenauigkeit beeinflusst:

• die Überlappung gegenüberliegender Elektroden oder Kontakte;
• Öffnungen in Abstandsschichten und Kontaktabstände;
• die Lage des kraftempfindlichen Materials zu den Leitern;
• klebstofffreie Zonen um aktive Bereiche;
• Entlüftungs- oder Druckausgleichswege, sofern vorhanden;
• die Randabdichtung;
• den Abstand zwischen Leiterbahn und Schnittkante;
• die Ausrichtung des Sensorkörpers zur Anschlussfahne; und
• die endgültige Sensorposition zum Bezugsmerkmal des Produkts.

Die Freigabezeichnung sollte die Koordinatenkette durchgängig darstellen:

Produktbezug
    -> Bezug der eingebauten Sensoranordnung
    -> Schnittkontur
    -> Registerlage der inneren Schichten
    -> Sensorstruktur
    -> elektrischer Kanal
    -> Zonen-ID in der Software

Eine einzelne Lage kann maßlich innerhalb der Toleranz liegen, während sich die wirksame Sensorstruktur im gesamten Schichtaufbau über den freigegebenen Lastpfad hinaus verschiebt. Prüfen Sie den ungünstigsten kombinierten Zustand, nicht nur jede einzelne Toleranz.

Auch die Verklebung verändert die Mechanik. Klebstoff kann einen Bereich versteifen, Bewegungen einschränken, einen vorgesehenen Spalt überbrücken, in eine Öffnung wandern oder eine lokale Kante bilden. Legen Sie ohne bestätigten Schichtaufbau und Prozess keine pauschalen Laminierbedingungen oder Materialien fest. Das Validierungsobjekt muss den für die Serie vorgesehenen verklebten Aufbau verwenden.

Den Abtastzeitplan in die Zeichnung aufnehmen

Eine abgetastete Sensoranordnung besitzt auch eine zeitliche Dimension. Das Steuergerät erhält nicht den Wert der Sensoranordnung; es erhält eine Folge von Kanalerfassungen, die zu einem Messdatenrahmen zusammengesetzt werden.

Dokumentieren Sie:

• Zeilen- und Spaltenauswahlreihenfolge;
• Zustände der Kanalaktivierung und -deaktivierung;
• Erfassungsintervall nach dem Umschalten;
• die Regel zum Verwerfen des ersten Abtastwerts, sofern verwendet;
• die pro Kanal gemittelten Abtastwerte;
• die Rate der Messdatenrahmen und ihr zulässiges Höchstalter;
• die Position des Zeitstempels;
• den Filterzustand;
• das Verhalten bei fehlenden Kanälen;
• Messbereichs- oder Verstärkungsänderungen;
• die Synchronisierung mit externen Ereignissen; und
• eingeschobene Diagnoseabläufe oder Referenzmessungen.

Die ADC-Unterlagen von TI zeigen, warum die Erfassungskette nach einem Kanalwechsel einschwingen muss und weshalb der vorherige Kanal die nächste Wandlung beeinflussen kann.[7] Die erforderlichen Zeitvorgaben hängen von Multiplexer, ADC, Quellimpedanz, Treiberschaltung, Signalbereich, geforderter Genauigkeit und Leiterplattenausführung ab. Dieser Artikel nennt keine universell gültige Verzögerungszeit.

Die sequenzielle Abtastung ist auch dann relevant, wenn sich das physische Ereignis während eines Messdatenrahmens verändert. Wird die erste Zone vor einer Lastverlagerung und die letzte Zone danach abgetastet, bildet der zusammengesetzte Messdatenrahmen möglicherweise keinen einzelnen Zeitpunkt ab. Die Systemanforderung sollte festlegen, welcher Zeitversatz innerhalb des Messdatenrahmens zulässig ist und ob die Anwendung stattdessen gleichzeitig erfasste Kanäle oder eine einfachere Architektur zur Zustandserkennung benötigt.

Die Sensoranordnung auf drei Ebenen kalibrieren

Der Begriff Kalibrierung sollte nicht drei unterschiedliche Aufgaben zusammenfassen.

Ebene 1: Sensorabgleich und Kanalzustand

Die erste Ebene gleicht Unterschiede zwischen Sensorelementen und Kanälen aus oder charakterisiert sie. So erscheint derselbe physische Zustand nicht allein wegen unterschiedlicher Elementempfindlichkeit oder elektrischer Verstärkung verschieden. Tekscan bezeichnet das Verfahren zur Verringerung der Streuung zwischen Sensorelementen als Sensorabgleich.[4]

Diese Ebene kann Ausgangsniveau, Elementempfindlichkeit, Kanalverstärkung, Nullpunktversatz sowie den Ausschluss instabiler oder beschädigter Elemente umfassen. Sie allein wandelt das Ausgangssignal noch nicht in Druck um.

Ebene 2: Kalibrierung des physikalischen Signals

Tekscan definiert Kalibrierung als die Umrechnung des Sensorausgangssignals in eine physikalische Einheit anhand bekannter aufgebrachter Lasten.[5] Soll eine Sensoranordnung Druck- oder kraftbezogene Werte ausgeben, müssen bei der Kalibrierung Belastungsvorrichtung, Kontaktform, Abstützung, Konditionierung, Elektronik, Messbereich, Verweildauer, Reihenfolge und Interpolationsverfahren festgelegt sein.

Eine Sensoranordnung mit Schaltkontakten, die lediglich offene oder geschlossene Zustände meldet, benötigt möglicherweise keine Kalibrierung auf physikalische Einheiten. Betätigung, Rückschaltung, Verhalten der Nachbarzonen und Fehlerverhalten müssen dennoch validiert werden.

Ebene 3: Kalibrierung der Systementscheidung

Auf der letzten Ebene werden Kanalsignale oder kalibrierte Werte in den erforderlichen Zustand überführt. Dabei können Zonenschwellen, relative Muster, Zeitvorgaben, Plausibilitätsprüfungen und Fehlerregeln zum Einsatz kommen.

Die NIST-Unterlagen zum Messprozess unterscheiden Messplanung, Wiederholbarkeit, Reproduzierbarkeit, Kalibrierung, Messmitteluntersuchungen und Messunsicherheit.[9][10][11] Nutzen Sie diese Trennung, um zu bestimmen, ob ein fehlerhafter Zustand auf den physischen Sensor, die Erfassungskette, das Kalibriermodell, die Baugruppe oder die Klassifikationsregel zurückgeht.

Der Kalibriernachweis muss benennen, für welches Objekt die Kalibrierung auch nach Fertigungsänderungen gültig bleibt. Koeffizienten einer flachen, unmontierten Sensoranordnung geben dieselbe Anordnung unter Schaumstoff, Klebstoff, Krümmung oder Vorlast nicht automatisch frei.

Muster auswerten, ohne unbelegte Druckwerte abzuleiten

Die Software sollte nur Ergebnisse ausgeben, die durch die Sensor- und Kalibrierkette gedeckt sind.

Kanalrohdaten
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Prüfung des elektrischen Zustands und auf Fehler
        |
freigegebenes Ausgangsniveau oder Sensorabgleich
        |
Zonenwerte oder Kontaktzustände
        |
räumliche und zeitliche Merkmale
        |
Entscheidung: gültig, ungültig, unbekannt oder Fehler

Mögliche räumliche Merkmale umfassen:

• Menge der aktiven Zonen;
• Anzahl der aktiven Zonen;
• Links-rechts- oder Vorne-hinten-Verteilung;
• Kanal mit dem höchsten Wert und dessen Position;
• gewichtete Position nach freigegebener Normierung;
• Abdeckung der erforderlichen Bereiche;
• Aktivierung eines unzulässigen Bereichs;
• Konsistenz zwischen Nachbarzonen; und
• Abweichung von einem freigegebenen Ausgangsmuster.

Mögliche zeitliche Merkmale sind Verweildauer, Übergangsreihenfolge, Beständigkeit, Rückkehr zum Ausgangszustand und Geschwindigkeit der Musteränderung. Sie können eine Systementscheidung unterstützen, liefern aber keine Druckeinheiten.

Behalten Sie die Zustände unbekannt oder Fehler bei, wenn das Muster außerhalb des kalibrierten und validierten Bereichs liegt. Wird jeder Abtastwert einem normalen Anwendungszustand zugeordnet, können Leitungsunterbrechungen, Kurzschlüsse, Montageversatz, nicht freigegebene Kontaktfälle, Überlastung oder nie geprüfte gleichzeitige Bedingungen verborgen bleiben.

Bei Fahrzeuganwendungen liefert JASPER eine Schnittstellenkomponente, nicht die vollständige Fahrzeugklassifikation oder Sicherheitsentscheidung. Der OEM oder Systemintegrator trägt die Verantwortung für Elektronik, Software, Diagnose, Sicherheitsanalyse, Konformität und Validierung auf Fahrzeugebene.

Offene Fragen mit Prototypen in der richtigen Reihenfolge klären

Ein Prototyp sollte den noch unklaren Zusammenhang isoliert untersuchen, bevor mehrere Unsicherheiten zusammenkommen.

Eine mögliche Reihenfolge ist:

1. Modell der Erfassungsaufgabe: Markieren Sie die vorgesehenen Zonen am realen Produkt und bestätigen Sie, dass jede Zone eine benannte Entscheidung unterstützt.
2. Untersuchung der Lastausbreitung: Messen oder erfassen Sie räumlich, wie sich Lasten bei repräsentativen Kontaktfällen durch Abdeckung, Polster oder Abstützung übertragen.
3. Topologie-Prüfmuster: Vergleichen Sie separate Anschlüsse, gemeinsame Rückleiter und Matrixadressierung hinsichtlich Signaltrennung und Fehlerverhalten.
4. Muster für Leiterbahnführung und Anschlussfahne: Überprüfen Sie Leiterzusammenführung, Steckverbinder, Biegungen, Einbau und Zugentlastung.
5. Laminierte Sensoranordnung: Bewerten Sie Registergenauigkeit, Zonenansprechen, Isolation und den Übergang vom Sensorkörper zur Anschlussfahne.
6. Prototyp der Erfassungselektronik: Legen Sie Kanalzuordnung, Abtastreihenfolge, Einschwingverfahren, Rohdatenformat und Diagnose verbindlich fest.
7. Eingebaute Baugruppe: Kalibrieren oder validieren Sie den für die Serie vorgesehenen mechanischen Schichtaufbau.
8. Aufbau zur Systemzustandsprüfung: Geben Sie erforderliche Muster, zurückzuweisende Lasten, Zeitvorgaben, unbekannte Zustände und Fehlerfälle frei.

JASPERs Kompetenz im Prototypenbau bietet einen Weg zur Zeichnungs- und Musterprüfung, sobald Messprinzip und Validierungsgrundlagen bestätigt sind. Die Leistungsseite belegt keine bestimmte Sensortechnologie, keinen Druckbereich, keine Kalibrierdienstleistung und keine bestandene Anwendungsprüfung.

Eine Verifikationsmatrix für die Sensoranordnung freigeben

Die endgültige Konstruktion sollte mit Nachweisen freigegeben werden, die der Zonenspezifikation folgen.

Nutzen Sie das Qualitäts- und Prüfkonzept , um jede Anforderung mit einem Prüfling, einer Methode, einem Ergebnis, einer Abnahmeregel und einem aufbewahrten Nachweis zu verknüpfen. Eine pauschale Aussage wie Sensoranordnung geprüft benennt nicht, welche Topologie, welcher Lastpfad, welche Kanalzuordnung, welcher Abtastzeitplan, welche Kalibrierung oder welche Zustandslogik freigegeben wurde.

Erkennen, wann eine Sensoranordnung die falsche Architektur ist

Verwenden Sie keine flexible Drucksensor-Matrix, wenn:

• ein Kontaktzustand die Systemfrage bereits beantwortet;
• das Produkt die Gesamtkraft oder das Gewicht über einen definierten Lastpfad in der Tragstruktur erfassen muss und kein räumlich verteiltes Muster benötigt wird;
• die geforderte räumliche Detailauflösung feiner ist, als der mechanische Schichtaufbau erhalten kann;
• das Ereignis eine tatsächlich gleichzeitige Erfassung erfordert, die mit der vorgeschlagenen Abtastarchitektur nicht möglich ist;
• die verfügbare Anschlussfahne, der Steckverbinder, die Elektronik oder das Instandhaltungskonzept die Kanalanzahl nicht unterstützen können;
• Umgebung oder Einbau den flexiblen Schichtaufbau und die Anschlussfahne nicht ausreichend schützen können;
• das Projekt Druckmessgenauigkeit ohne ein definiertes Kalibrierobjekt erwartet;
• die erforderlichen Nachweise für Sicherheit, Medizin-, Automobil- oder regulatorische Anforderungen außerhalb des Lieferanten- und Systemumfangs liegen; oder
• der Algorithmus keinen gültigen Zustand für unbekannte Ergebnisse oder Fehler vorsieht.

Die geeignetere Lösung kann eine Einzonen-Kontaktmatte, ein FSR-Sensor, ein Kraftaufnehmer im strukturellen Lastpfad, ein kommerzielles Druckverteilungsmesssystem ausschließlich für die Entwicklung oder ein anderes Messprinzip sein. Mehr Zonen sind nur dann gerechtfertigt, wenn sie Informationen liefern, die das System prüfen und nutzen kann.

Häufig gestellte Fragen

Quellen

1. JASPER Electronics, Flexibler Sitzdrucksensor in Folienbauweise, aktueller kommerzieller Produktumfang: https://www.jasperele.com/products/car-seat-occupancy-sensor/flexible-membrane-seat-pressure-sensor/
2. Tekscan, Technologie zur Druckverteilungsmessung, offizielle Hersteller-Systemübersicht: https://www.tekscan.com/products-solutions/pressure-mapping-technology
3. Tekscan, FlexiForce-Leitfäden zur mechanischen Integration, offizielle Anleitung zur Integration von Kraftsensoren: https://www.tekscan.com/resources/datasheets-guides/flexiforce-integration-guides
4. Tekscan, Was ist Sensorabgleich?, offizielle Support-Unterlagen zur Druckverteilungsmessung: https://www.tekscan.com/support/faqs/what-equilibration
5. Tekscan, Was ist Kalibrierung?, offizielle Support-Unterlagen zur Druckverteilungsmessung: https://www.tekscan.com/support/faqs/what-calibration
6. Interlink Electronics, Integrationsleitfaden für FSR 400 Series, offizielles Hersteller-PDF: https://www.interlinkelectronics.com/downloads/integration-guides/fsr-400-series-integration-guide.pdf
7. Texas Instruments, Verfahren zur Verringerung speicherbedingten ADC-Übersprechens, offizieller Anwendungsbericht: https://www.ti.com/lit/pdf/spracw9
8. Texas Instruments, Diskrete ADC-Eingangserweiterung mit Präzisionsmultiplexern, offizieller Anwendungsbericht: https://www.ti.com/lit/pdf/scda031
9. Nationales Institut für Standards und Technologie, Charakterisierung des Messprozesses - Einführung: https://www.itl.nist.gov/div898/handbook/mpc/section1/mpc1.htm
10. Nationales Institut für Standards und Technologie, Charakterisierung des Messprozesses - Messung in der Prozessqualifizierung: https://www.itl.nist.gov/div898/handbook/mpc/section2/mpc2.htm
11. Nationales Institut für Standards und Technologie, Charakterisierung des Messprozesses - Unsicherheit bei der Messung: https://www.itl.nist.gov/div898/handbook/mpc/section3/mpc3.htm