Piezokeramiken als kapazitive Belastungssensoren: Zuverlässigkeit, Anwendung und Einsatz

Engelsberger, Sophie GND

Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, einen neuartigen Sensor für ein Belastungsmonitoringsystem der unteren Gliedmaßen zu erforschen und zu entwickeln. Dieses soll im medizinischen Bereich verwendet werden, beispielsweise nach Hüft- oder Knieoperationen, wenn dem Patienten vom Arzt eine maximale Teilbelastung angeraten wird. Da nicht alle Anforderungen, die an das Sensorsystem gestellt wurden, durch herkömmliche Sensoren abgedeckt werden konnten, war es notwendig, einen neuen Sensor zu untersuchen und zu analysieren. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neuartiger Sensoransatz konzipiert, implementiert und analysiert. Verschiedene Sensorsysteme wurden möglichst dem Einsatzzweck nachempfunden getestet. Hierbei stellte sich eine kapazitiv ausgewertete PZT-Keramik als am vielversprechendsten heraus. Die Änderung der Kapazität bei Belastung resultiert größtenteils aus der Änderung der Dielektrizitätskonstanten der Keramik, die erfolgt, wenn eine Kraft auf das Sensorelement einwirkt. Die prozentuale Änderung der Kapazität ist durch diesen Effekt um ein Vielfaches größer als bei herkömmlichen kapazitiven Sensoren, die nur auf einer Änderung der Geometrie beruhen. Durch vielfältige Messreihen wurde die am besten geeignete Sensorauslegung bezüglich Material, Polarisation und Geometrie ermittelt. Relevant hierbei waren die Empfindlichkeit, die Linearität und die Streuung der Messwerte. Zu diesem Zweck wurde ein geeigneter Messstand aufgebaut und in Betrieb genommen. Es konnte nachgewiesen werde, dass die unpolarisierten PZT-Keramiken vom Typ Sonox® P8 alle Anforderungen des Projekts hinsichtlich der oben genannten Kriterien erfüllen. Die Auswertung der Änderung der Kapazität erfolgt durch die Bestimmung der Frequenz eines geeignet dimensionierten Relaxationsoszillators. Auf Grund des Driftverhaltens des Sensors wird nicht die absolute Anzahl der Flanken pro Zeiteinheit betrachtet, sondern die Differenz der Flanken zwischen dem letzten unbelasteten Zustand und dem aktuellen belasteten Zustand bestimmt, was eine entsprechende Anpassung des Sensorgehäuses und der Auswerteelektronik erforderlich machte. Des Weiteren wurden der Einfluss der Temperatur auf das Sensorverhalten untersucht und Gegenmaßnahmen zur Kompensierung umgesetzt. Es wurde ein Sensorsystem entwickelt, das die Anforderungen des Projekts erfüllt. Realitätsnahe Tests wurden am Sensor, am Sensorsystem und an den Prototypen durchgeführt, um die Eignung des Sensors für den gesuchten Einsatzzweck zu bestätigen. Die von den Ärzten geforderte Genauigkeit von +/- 25% konnte eingehalten werden. Prototypen des Sensorsystems befinden sich zur Zeit zur medizinisch kontrollierten Erprobung am Patienten an einem Krankenhaus.

The goal of this work was the development and analysis of a novel load sensor for monitoring system for loads in human lower limbs for patients under medical care. This monitoring is especially important post-surgery after the implantation of an artificial hip or knee, when the doctor advises the patient not to exceed a maximum load. Conventional sensors do not fulfill all the requirements in this application, so it was necessary to develop and test a new type of sensor with these requirements in mind. This work describes the design, implementation, testing, and analysis of the new sensor. A survey of different sensors under load conditions similar to the intended application showed that tracking the capacitance of PZT-ceramics is the most promising technology. The change in capacitance under load results largely from the change of the permittivity of the ceramic under mechanical stress. The percentage change in the capacitance of such a sensor is many times greater than for conventional capacitive sensors which rely on the deformation of the sensing member to affect the capacitance. A series of measurements were undertaken to identify the optimum sensor design with respect to material composition, polarization, and sensor geometry. Custom tooling for these measurements was developed as part of the study. Un-polarized PZT ceramic Sonox P8 has been identified as the optimum material as regards sensitivity, linearity, and range of the measured values, which were key factors in meeting the requirements of the project. Because of the drift of the sensor, a differential measurement of capacitance change was monitored using a relaxation oscillator, comparing current (loaded) resonant frequency with the resonant frequency measured at the last unloaded observation. Furthermore, the influence of temperature on the characteristics of the sensor was carefully determined and compensation employed. The sensor system developed fulfills the project requirements, including a specified accuracy of +/- 25 %. The sensor, sensor system, and medical appliance prototypes were tested under realistic use conditions to demonstrate that the sensor is suitable for the intended purpose. The safety and efficacy of current prototypes are now in supervised clinical trials.

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Engelsberger, Sophie: Piezokeramiken als kapazitive Belastungssensoren: Zuverlässigkeit, Anwendung und Einsatz. Ilmenau 2017.

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