Mapowanie ciśnienia, pomiar siły i czujniki dotykowe firmy Tekscan

Ultracienkie czujniki piezorezystancyjne mogą być wykorzystywane zarówno w badaniach i rozwoju, jak też jako wbudowane komponenty do opracowywania m.in. bezpieczniejszych niż znane dotąd i trwalszych technologii akumulatorów litowo-jonowych.

Od urządzeń elektronicznych po pojazdy o wysokiej wydajności zapotrzebowanie konsumentów na bardziej kompaktowe, lżejsze, szybko ładujące się technologie akumulatorów o większej gęstości energii stale rośnie. Jednocześnie baterie powinny być również bezpieczne, nawet w przypadku krytycznych wydarzeń.

Akumulatory litowo-jonowe (Li-ion) stały się ulubionym typem akumulatorów wśród inżynierów i projektantów, ponieważ spełniają wiele z tych wymagań i ich stosowanie jest opłacalne. Ze względu jednak na to, iż projektanci nadal przesuwają granice możliwości modeli litowo-jonowych, wiele z tych wymagań może ze sobą kolidować. Czynność ładowania i rozładowywania powoduje zmiany temperatury, elektrochemii i mechaniki wewnętrznych elementów. Dynamika ta powoduje również zmiany ciśnienia na styku w obudowie. Wielu specjalistów zaznajomionych z konstrukcją akumulatora litowo- jonowego powie, że te zmiany dają efekt jego "oddychania". Z czasem może to wpłynąć na wydajność baterii, a w skrajnych przypadkach prowadzi do potencjalnie niebezpiecznych reakcji.

 

Rys. 1. System I-Scan składa się z oprogramowania, uchwytu do elektroniki i określonego czujnika rozkładu ciśnienia

Ostatnio projektanci zaczęli wykorzystywać technologię piezorezystancyjnych czujników siły i ciśnienia do analizowania skutków ładowania i rozładowywania akumulatorów litowo-jonowych w testach długoterminowego cyklu życia. Te same typy czujników mogą być również wbudowane w rzeczywiste urządzenie, aby ostrzegać użytkowników końcowych o potencjalnych awariach baterii.

Nawet pomiędzy stosunkowo płaskimi powierzchniami da się zauważyć, że rozkład nacisku na granicy często nie jest równomierny w zlokalizowanych obszarach. Cienkie, elastyczne czujniki piezorezystancyjne oferują inżynierom i projektantom możliwość rejestrowania względnych zmian siły i ciśnienia, niezależnie od tego, czy stanowią część gotowego systemu mapowania ciśnienia, czy też wbudowany komponent produktu końcowego. Czujniki piezorezystancyjne składają się z półprzewodnikowego materiału umieszczonego pomiędzy dwoma kawałkami cienkiego, elastycznego poliestru. Są to elementy pasywne, które działają jak rezystory wykrywające siłę w obwodzie elektrycznym. Nieobciążony czujnik ma dużą rezystancję (ok. 2 MΩ), która maleje po obciążeniu. Jeśli weźmiemy pod uwagę odwrotność rezystancji (przewodności), odpowiedź przewodnictwa czujników dotykowych jest liniowa jako funkcja siły w wyznaczonym zakresie siły czujnika.

Czujnik macierzy do mapowania ciśnienia

W zastosowaniach badawczo-rozwojowych do dynamicznego pomiaru rozkładu ciśnienia na dwóch współpracujących powierzchniach powszechnie używane są czujniki macierzy – w procesie znanym jako mapowanie ciśnienia. Systemy mapowania ciśnienia Teksan składają się z czujników, elektroniki skanującej i oprogramowania. Gdy dwie powierzchnie stykają się z czujnikiem, elektronika skanująca zbiera z niego sygnał analogowy i przekształca na cyfrowy. Oprogramowanie wyświetla aktywność w czasie rzeczywistym w całym obszarze wykrywania. Pozwala to użytkownikowi śledzić środek siły, lokalizować obszary szczytowego ciśnienia i określać dokładne momenty zmian ciśnienia w nagraniu klatka po klatce.

Dodatkowe cechy czujników macierzowych to:

• zawierają one zwykle ok. 2 tys. punktów wykrywania, choć niektóre można zaprojektować z ponad 16 tys. punktów;
• odstęp (podziałka) elementów czujnikowych może wynosić nawet 0,64 mm;
• potrafią mierzyć ciśnienie w zakresie do 25 tys. psi (172 MPa);
• dostępne prędkości skanowania wynoszą do 20 tys. Hz;
• opcjonalne czujniki wysokotemperaturowe do 200°C.

W poszukiwaniu równowagi

Pracując na prototypie przeznaczonym dla aplikacji klienta, zespół badawczy umieścił dwa czujniki na każdym końcu komory baterii, aby wykryć zlokalizowane zmiany siły, jak pokazano na rysunku 2. Na podstawie danych charakteryzujących, zebranych podczas projektowania samej baterii, określono względny próg siły, oznaczający, że bateria zbliża się do awarii. Następnie opracowano funkcję, która uruchamia alert na ekranie użytkownika, zanim ciśnienie baterii osiągnie próg krytyczny.

 

Rys. 2. Czujniki Tekscan w wersji FlexiForce w aplikacji klienta

Dla konstruktorów akumulatorów zaspokajanie wymagań konsumentów przy zachowaniu bezpiecznego, powtarzalnego projektu to poszukiwanie trudnej równowagi. Wzrost temperatury podczas ładowania powoduje litowanie, co prowadzi do gazowania. Ciśnienie wewnętrzne z dodatkowych gazów w akumulatorze jest w stanie spowodować uszkodzenie obudowy lub separatora. W skrajnych przypadkach może to prowadzić do niekontrolowanych reakcji termicznych.

Ultracienka technologia czujników piezorezystancyjnych – czy to jako narzędzie testowe i pomiarowe w procesie projektowania, czy jako element wbudowany w produkt końcowy – pomaga mierzyć i identyfikować obszary nadmiernego ciśnienia, które mogą sygnalizować komplikacje lub potencjalne awarie baterii. To z kolei pomaga projektantom akumulatorów w opracowywaniu zaawansowanych technologii energetycznych, które zapewniają bezpieczne życie.

inż. Sebastian Renn Specjalista ds. automatyki
Dział Doradztwa, Sprzedaży i Projektów (DDSP)
e-mail: s.renn@wobit.com.pl