TU Berlin

Kapazitiver 3D-Sensor

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Entwicklung eines kapazitiven 3D-Sensors zur Messung von Kraftverteilungen

Betreuer: Dr.-Ing. W. Roßdeutscher

Bearbeiter:
Gordan Hebbe

Ein neuer Kraftsensor zum Zwecke der Ganganalyse soll entwickelt werden. Dieser soll in der Lage sein, Kräfte in drei Dimensionen zu messen, um am Fuß alle Kräfte zu detektieren, welche zum Gang sowie für Ausgleichsbewegungen und Gleichgewicht benötigt werden. Methode
Als Basis wurde das Prinzip verwendet, dass zwei einfache Sensoren keine eindeutige Bestimmung der Raumrichtung wiedergeben können, sodass es mindestens drei oder mehr sein müssen. Anschließend wurden Messprinzip und Aufbau ermittelt. Danach erfolgte die Entwicklung der Prüfanlagen, welche die neuen Sensoren testen und kalibrieren. Anschließend wurden die Sensoren mit dieser Anlage getestet und deren Funktion überprüft. Ergebnisse
Die Versuche ergaben, dass die Sensoren die grundlegende Funktion erfüllen. Ein mathematisches Modell dient der Berechnung der Sensoren und bildet diese abhängig von der Auflösung entsprechend ab. Viele Schritte zur Erhöhung der Genauigkeit konnten ermittelt und angewandt werden.

In dieser Arbeit konnte ein Sensor erarbeitet und entwickelt werden, welcher die geforderten Leistungsmerkmale erfüllt. Als Messprinzip diente das kapazitive Messprinzip, welches eine flache Bauart sowie schnelle und genaue Messungen ermöglicht. Trotz gesteigerter Messgenauigkeit konnten nicht alle Störeinflüsse eliminiert werden. Daher ist eine Automatisierung der Fertigungsschritte notwendig. Außerdem sind weiterführende Untersuchungen hinsichtlich der Sensorform möglich.


Development of a capacitive 3D sensor for the measurement of force distributions

Purpose:
For gait analysis purposes a sensor, which should be able to measure forces in three dimensions shall be developed. It shall have the ability to detect all forces needed for gait as well as for balance and compensative movements.
Methods:
As two sensors could not possibly determine three or more dimensions of spatial direction new measurement methods and principles have been identified and therefore developed, which was followed by calibrating the newly constructed sensor. Afterwards the system was also used for testing the sensors.
Results:
The functionality of the sensors has been shown in the tests. A mathematical model has been developed to calibrate the sensor and its depiction; the sensor quality depends on the resolution of the model. Several methods to increase the precision have been shown and used.
Conclusion:
During this project a sensor was developed, which could fulfill the requirements and provides precise measurement as well as a flat construction size. For this the capacilive concept of measurement was used. Despite the increased precision not all parasitic errors could be eliminated, which requires the automation of the production process. Furthermore additional research about the sensor development is necessary.

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