Charakterisierung eines Sensormaterials zur Dehnungsmessung & Aufbau eines Backmanagerprototypen

Type: Bachelor thesis
Student: Sandra Schwendener, Dieter Schatz
Advisor: Corinne Mattmann
Project: Backmanager

Im Rahmen dieser Semesterarbeit wurde ein Sensormaterial in zwei verschiedenen Konfigurationen miteinander verglichen und charakterisiert. Das Sensormaterial wurde von der EMPA entwickelt und besteht aus Thermoplastischem Elastomer gefüllt mit Russ (Carbon Black). Der eine Dehnungssensor besteht aus dem unbehandelten Material der EMPA, der zweite ist vorgedehnt und wärmebehandelt (während 10min bei 140° C). Der bessere der beiden Sensoren soll im Backmanager Anwendung finden, einem Kleidungsstück welches über die Dehnung im Textil auf die Rückenhaltung des Trägers zurück schliessen soll.

Das Sensormaterial wurde bezüglich der Reissfestigkeit, Dehnbarkeit, Geschwindigkeitsabhängigkeit, Temperaturabhängigkeit, Feuchtigkeitsabhängigkeit, Reproduzierbarkeit und der Hysterese untersucht.

Es wurde festgestellt, dass das Material sich plastisch verformt. Das heisst, nach einer ersten Dehnung nimmt es nicht mehr seine ursprüngliche Länge an, sondern bleibt etwas länger. Damit die geforderte Dehnung von 20% erreicht werden kann, muss das Sensormaterial vorgedehnt werden. Schon früh stellte sich heraus, dass nur der nicht vorgedehnte Sensor der EMPA für eine Anwendung im Backmanager in Frage kommt, das vorgedehnte und erhitzte Material ist zu wenig dehnbar und zu spröde. Aufgrund des geforderten Dehnbereichs ist der Sensor auf die doppelte Länge vorgedehnt worden. Aus den gewonnenen Messungen wurde eine Geradengleichung hergeleitet, welche den Widerstand des Sensors in Beziehung mit seiner Dehnung stellt. Mittels dieser Gleichung wird die Dehnung in Abhängigkeit des Sensorwiderstandes berechnet.

Die Vorteile des Sensors sind: Reproduzierbarkeit nach dem Eindehnen, kleine Hysterese und Geschwindigkeitsunabhängigkeit (siehe Abbildung 1). Folgende Nachteile hat der Sensor: Alterungseffekt (Widerstand nimmt mit dem Alter zu) und beschränkte Dehnbarkeit (30%).

Für den Backmanager wurden mehrere mögliche Kleidungsstücke betrachtet, von denen sich ein Catsuit aus Lycra am besten eignete, da dieser besonders dehnbar ist.

Die Sensorplatzierung auf dem Rücken dieses Kleidungsstückes erfolgte aufgrund früherer Referenzmessungen. Von den 8 Sensoren wurden 3 im Bereich des unteren Rückens (vertikal), 2 im Zentrum des Rückens (diagonal), 2 auf den Schulterblättern (horizontal) und einer im  Nacken (horizontal) positioniert (siehe Abbildung  2).

Die 8 Dehnungssensoren des Backmanagers, welche jeweils über eine Sensorplatine mit einer Hauptplatine verbunden sind, wurden über einen PC mittels Matlab ausgewertet. Die aktuelle Dehnungsverteilung des Rückens wurde in einem Plot dargestellt (siehe Abbildung 3).
Mit dem Aufbau konnte gezeigt werden, dass die Dehnungsverteilung für verschiedene Bewegungen lokal grösser als 30% ist (bis 55%).