TorqueSENS Smart Systems Integration - SSI

Transkript

1 TorqueSENS Smart Systems Integration - SSI Radarbasierte Drehmomentmessung mit OFW-Resonatoren Prof. Dr.-Ing. Jürgen Wilde Dipl.-Ing. Jochen Hempel

2 TorqueSENS - Gliederung Projektziele und technische Herausforderung Arbeitspakete und TorqueSENS-Konsortium Ergebnisse - OFW-Sensoren und Eigenschaften - Konzept und Optimierung des Gesamtsystems - OFW-Montage und Evaluierung - Drahtlose Datenübertragung - Drehmomentmessungen Zusammenfassung und Bewertung Kontakte 2

3 TorqueSENS Zielsystem, drahtlose Drehmoment-Sensorik Anforderungen Externe Montage an Welle Hohe Linearität Dehnung e < ± 500 ppm T-Bereich -20 C bis 85 C Komponenten Drehmomentsensor - OFW (SAW) - Primäres Package Einheit zur Datenübertragung Montageplattform Interface-Material 3

4 TorqueSENS Zielsystem, Datenübertragung bei rotierendem System Abfrage- Einheit Antenne Chip-Ant. SAW Resonator Anforderungen Abfrageeinheit 360 -Übertragung im ISM- Band MHz Keine Verschiebung der Resonanz-Frequenz des OFW durch Antenne Konstante Amplitude bei stationärer und dynamischer Übertragung Schleifen- Antenne Chip-Antenne und Isolationsschicht auf Leiterplatte Koaxialkabel 4

5 TorqueSENS das Konsortium SENSeOR GmbH (Freiburg) Teilvorhaben: µ-resens µ-akustische Resonatoren für Drehmoment-Sensorik IMTEK, Albert-Ludwigs-Universität (Freiburg) Teilvorhaben: MODAVT Modellierung und Optimierung der AVT einer drahtlosen extern montierbaren Drehmoment-Sensorik mit minimalen Querempfindlichkeiten und maximaler Sensitivität ASROT Optimierung der Datenübertragung und Signalverarbeitung für resonante Oberflächenwellensensoren zur Torsionsmessung SANDNER Messtechnik GmbH (Biebesheim) Teilvorhaben: ESAG MEsSAufnehmer für Torsion und Konstruktion/Fertigung einer extern applizierbaren Drehmoment-Sensorik 5

6 TorqueSENS µ-resens µ - akustische Resonatoren für Drehmoment-Sensorik Aufgaben und Teilziele Bereitstellung geeigneter OFW-Sensoren - Weiterentwicklung des Sensor-Designs Optimierung bezüglich - hoher Empfindlichkeit - geringer Querempfindlichkeit - Verarbeitbarkeit zum Gesamtsystem Arbeitsschritte - CAD, Modellierung und Simulation - Prozessierung - Primär Package-Entwicklung - Charakterisierung 6

7 TorqueSENS - µ-resens µ-akustische Resonatoren für Drehmoment-Sensorik Design 1 Design 2 Design der Sensoren Dehnungssensoren (M 1, M 2 ) Referenzsensoren (Ref) Temperatursensoren (T) µ-akustischer Resonator mit RF-Anregung - Beispieldaten: Dehnungssensitivität (k-faktor): -0,94 ppm/µm/m oder -9 ppm/mpa Spannungssensitivität Querempfindlichkeiten bezogen auf: Dehnung : 0,08 ppm/µm/m Temperatur: 0,9 ppm/ C (1) (1) Temperaturkoeffizient 1. Ordnung M 1 M 2 T Ref 7

8 TorqueSENS - µ-resens µ-akustische Resonatoren für Drehmoment-Sensorik Ergebnisse bei OFW (SAW) Hohe Spannungs- und Dehnungs- Empfindlichkeit Gute Linearität des Sensors Vereinfachtes Sensor-Alignment Zuverlässige und reproduzierbare elektrische Kontaktierung Teilweise hohe Querempfindlichkeiten - parasitäre Dehnung - Biegung AVT - Temperatur 8

9 TorqueSENS MODAVT: Konzeption, Modellierung und Optimierung des Gesamtsystems Konzeption Modellierung des Konzeptes Klemmsystem Optimiertes Design Geometrische Optimierung Simulations-Modell 9

10 TorqueSENS MODAVT: Konzeption, Modellierung und Optimierung des Gesamtsystems Optimierung im Bezug auf: Sensitivität Querempfindlichkeit Homogenität Minimierung von Scherdehnungen Y X OFW Sensor Substrat mit Fügeschicht Anforderung an Fügeverfahren sind einhergehend mit Optimierungs-Kriterien: hoher E-Modul geringe Fügeschichtdicke hohe Glasübergangstemperatur reproduzierbare Fügung 10

11 TorqueSENS MODAVT: Konzeption, Modellierung und Optimierung des Gesamtsystems Optimierung im Bezug auf: hohe Sensitivität Geringe Querempfindlichkeit hohe Homogenität Minimierung von Scherdehnungen OFW Sensor appliziert auf optimiertem Sensor-Träger 11

12 TorqueSENS: Optimierung der Struktur- Integration SENSeOR/IMTEK Montage des OFW-Sensoren auf den Stahlträger Anforderungen an Fügung erarbeitet - Verifizierung mittels FEM Simulation Fügeverfahren Kleben und (Glasbonden) identifiziert - Montagewerkstoffe identifiziert und erprobt - Prozesse adaptiert und optimiert Fügungen evaluieren an Sensor- Dummies - Mechanischer Schock- und Lastzyklen-Test - Schertests zur Evaluierung der Haftfestigkeit - Messung thermomechanischer Verformungen - Thermische Lastzyklen-Test (-20 C bis 85 C) Sensor Montage auf optimaler Träger-Geometrie Systemaufbau und Drehmomentmessungen 12

13 S 11 in db TorqueSENS ASROT: Optimierung der Datenübertragung bei rotierendem System Ergebnisse Antennensystem Antennensysteme mit Nahfeldkopplung für Demonstratoren Drehbewegung beeinflusst Übertragung nur gering Übertragungseinheit ist prinzipiell für statische und S11 in db -30 air (39+j72 ) steelclamp (110+j460 ) clamp&shaft (125+j490 ) f in MHz Umgebungseinflüsse auf Übertragung dynamische Messungen geeignet 360 -Abfrage mittels Rahmenantenne ist schwer realisierbar Auftreten von frequency pulling Effekt Kontakt: J.-M.Boccard jean-michel.boccard@imtek.uni-freiburg.de 13

14 TorqueSENS ASROT: Optimierung der Datenübertragung bei rotierendem System Empfänger Sendeempfänger (statisch) OFW Dehnungssensor 3D Modell Gesamtsystem Klemmsystem Ergebnisse kapazitiver Koppler Nahfeldkopplung durch koplanare transmission lines Sendeempfänger: 1,6 GHz Empfänger: 840 MHz OFW Sensor: 434 MHz Geringes frequncy pulling < 200 Hz (0,46 ppm) und Übertragungsschwankungen 360 -Abfrage durch hinreichend homogene E-Feld Verteilung Kontakt: J.-M.Boccard 14

15 Frequency pulling [Hz] TorqueSENS ASROT: Optimierung der Datenübertragung bei rotierendem System Schrittmotor 100 rotierende Welle Koppler + Sensor Steuereinheit Ergebnisse rotierendes System Datenübermittlung durch kapazitive Nahfeldkopplung bis 1000 rpm Zeitgleiche Messung von 6 Resonatoren Geringes frequncy pulling < 200 Hz (0,46 ppm) und Übertragungsschwankungen 50 f 1 f 2 (ref) Number of revolutions Kontakt: J.-M.Boccard jean-michel.boccard@imtek.uni-freiburg.de 15

16 TorqueSENS: Drehmomentmessungen Ref. Drehmoment- Sensor Hydraulisches Antriebssystem Torsionswelle Klemmsystem mit OFW Sensor 16

17 Resonanz Frequenz in MHz TorqueSENS: Drehmomentmessungen Entwickelte extern montierbare Drehmoment-Sensorik Klemmsystem und Sensorträger max. angelegte Momente ± 1,5 knm Statische und dynamische Messungen Reproduzierbares Systemverhalten OFW Δf 150 khz (345 ppm) über gesamten Messbereich annähernd lineares Verhalten 47 khz/knm (108 ppm/knm) Hysterese des Systems 6 khz (14 ppm) Klemmsystem 434,04 434,02 434,00 Cycle 1 Cycle 2 Cycle 3 Cycle 4 Druck Zug Belastung 433,98 Ø30 mm 433,96 433,94 OFW Sensor 433,92 433,90 433, ,5-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 Drehmoment in knm 17

18 TorqueSENS: Zusammenfassung Entwurf eines Systemkonzeptes für eine drahtlose OFW-basierte Drehmoment-Sensorik (-20 C bis 85 C). Systemauslegung erfolgte modellbasiert mit Hilfe der FEM-Simulation Kleben und Glasbonden wurden als Fügeverfahren identifiziert - Kleben mit hoch T-stabilen Epoxiden ist der risikoärmere Montageprozess - Reproduzierbarkeit, induzierte Eigenspannungen und Lebensdauer sind besser Evaluierung verschiedener Konzepte der Datenübertragung im Nahfeld - Kapazitiver Koppler zeigt gute 360 Übertragungseigenschaften und geringes frequency pulling 18

19 TorqueSENS: Zusammenfassung Funktionsmuster zur Datenübertragung bei rotierenden Systemen wurde aufgebaut und charakterisiert Funktionsmuster zur Drehmomentmessung wurde entwickelt - Drehmomentmessungen bestätigten die Realisierbarkeit einer extern montierbaren Drehmoment-Sensorik - Hystereseverhalten und Linearität des Systems zeigen konstruktions-basiertes Optimierungspotential Allgemeine Zusammenfassung: Intensive Projektkoordination und enge Zusammenarbeit der Clusterakteure sind das Erfolgskonzept für einen erfolgreichen Projektabschluss und die Maximierung des Clustermehrwertes! 19

20 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Danke an unsere Partner! Danke für die Förderung! 20

21 Kontakte Prof. Dr.-Ing. Jürgen Wilde, Prof. Dr. sc. tech. Leonhard Reindl Albert-Ludwigs-Universität Freiburg IMTEK Georges-Köhler-Allee Freiburg Tel.: +49 (0) Fax: wilde@tf.uni-freiburg.de Web: Gerhard Heider, Geschäftsführer SENSeOR GmbH Georges-Köhler-Allee Freiburg gerhard.heider@senseor.com Web: Thorsten Sandner, Geschäftsleitung Sandner Messtechnik GmbH Am Winkelgraben Biebesheim TS@sandner-Messtechnik.com Web: 21