WO2018077355A1

WO2018077355A1 - Sensor mit triboelektrischem und kapazitivem effekt

Info

Publication number: WO2018077355A1
Application number: PCT/DE2017/200105
Authority: WO
Inventors: Tobias Tyroller; Bardo PETERS; Simon Weber
Original assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Current assignee: Aumovio Germany GmbH
Priority date: 2016-10-26
Filing date: 2017-10-05
Publication date: 2018-05-03
Anticipated expiration: 2019-04-26
Also published as: DE112017003945A5

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (1) für mechanische Belastungen mit kapazitivem als auch triboelektrischem Effekt, bestehend aus einer Schichtfolge unterschiedlicher Materialien für die jeweiligen Effekte. Der Sensor ist ausgestattet mit zumindest einem elektrischen Leiter aus einem ersten, elektrisch leitfähigen Material, welcher in Berührung mit einem zweiten Material angeordnet ist und bei einer Kraftwirkung, bspw. Druck, Aufprall oder sonstigen mechanischen Belastung, aus einer vorgegebenen Richtung der Leiter und/oder das zweite Material relativ zueinander unter Erzeugung des triboelektrischen Effekts zwischen dem ersten und zweiten Material beweglich sind und die durch den triboelektrischen Effekt zwischen erstem und zweitem Material im elektrischen Leiter entstehende, elektrische Ladungsverschiebung (Q) erfassbar ist. Darüber hinaus ist ein erster Auswerte pfad (ST) zum Erfassen und Auswerten von Signalanteilen in einem ersten Frequenzband, vorzugsweise primär auf die Ladungsverschiebung (Q) aufgrund des triboelektrischen Effekts orientiert, und ein zweiter Auswertepfad (SC) zum Erfassen und Auswerten von Signalanteilen in einem zweiten, vom ersten verschiedenen Frequenzband, vorzugsweise zumindest primär die während des Drucks zudem auftretende Änderung der Kapazität (ΔC) des Sensors (1) orientiert und eine Signalquelle (2) zur Erzeugung eines Anregungssignals mit einem bekannten Anregungsfrequenzspektrum vorgesehen. Darüber hinaus werden verschiedene Anwendungen eines solchen Sensors skizziert.

Description

Sensor mit triboelektrischem und kapazitivem Effekt

Die Erfindung betrifft einen Sensor, vorzugsweise einen Aufprallsensor, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Die DE 102013100624 A1 beschreibt ein Aufprallsensorsystem mit triboelektrischen Effekt für die Aufprallerkennung an einem Kraftfahrzeug. Als triboelektrischer Effekt wird die Erzeugung von Ladungsverschiebungen bzw. kleinen Spannungsimpulsen aufgrund der Relativbewegung von Materialien mit unterschiedlicher Elektronenaffinität aufgrund einer Kraft, wie bspw. eines Drucks beispielsweise bei einem Aufprall betrachtet und für die Sensierung ausgenutzt. Weitere Details zu Ausgestaltungen derartiger Sensoren sind beispielsweise der DE 10 2014 204 864 A1 , der DE 10 2014 204 866 A1 und der DE 10 2014 204 867 A1 zu entnehmen, auf deren Offenbarung hier ausdrücklich Bezug genommen wird.

Zudem sei auf das Buch „Triboelectric Nanogenerators", Springer Verlag 2016, ISBN: 978-3-319-40038-9, Autoren Zhong Lin Wang, Long Lin, Jun Chen, Simiao Niu, Yunlong Zi verwiesen, welche sich aus dem Blickwinkel der Anwendung als Nanogeneratoren ausführlich mit den diversen Theorien um den triboelektrischen Effekt und geeigneten Einflussmöglichkeiten auseinandersetzen. So werden beispielsweise sowohl die Effekte bei Abfolge einer vertikalen Zusammenführung und Trennung entsprechender Schichten unterschiedlicher Elektronenaffinität und damit unterschiedlicher Position in der triboelektrischen Reihe beschrieben als auch bei lateraler Verschiebung, auch als Reibungselektrizität bekannt. Der Fokus liegt dabei auf der Energiegewinnung, wobei sensorische Anwendungen als Vibrationssensor, Mikrofon, Pulsmesser usw. ebenfalls erwähnt werden wie auch die Möglichkeit, die für die Sensoren erforderliche Energie aus dem triboelektrischen Effekt selbst zu gewinnen.

Darüber hinaus sind aus einer Vielzahl von Schriften wie beispielsweise der DE 4242 230, der DE 10 2004 014 053 A1 oder der DE 10 2015 205 21 1 A1 Aufprallsensorsysteme mit kapazitiven Effekt und natürlich für andere Anwendungen belastungsempfindliche Sensoren auf kapazitiver Basis ebenfalls bekannt.

Aufgrund der Störanfälligkeit derartiger Aufprallsensorsysteme in der aufprallrelevanten Zone von Kraftfahrzeugen, also insbesondere in deren Außenhaut und Stoßstange, haben sich diese Systeme bisher noch nicht durchsetzen können. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor, insbesondere einen Aufprallsensor, mit einer verbesserten Auswertemöglichkeit zu schaffen. Zudem sollen geeignete weitere Anwendungen dieses Sensorprinzips aufgezeigt werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass die konstruktiven und baulichen Voraussetzungen für Sensoren mit triboelektrischem Effekt sehr ähnlich sind zu Sensoren mit kapazitivem Effekt.

So lassen sich insbesondere beispielsweise bereits handelsübliche Koaxialkabel finden, welche bei einer Kraftwirkung, bspw. unter einem Druck wie unter einem Aufprall bereits einen messbaren triboelektrischen Effekt aufweisen und an welchen zudem mit einer entsprechenden Schaltung auch eine Kapazitätsänderung aufgrund der Kraftwirkung des Drucks bzw. Aufpralls nachweisbar ist.

Beide Effekte basieren auf physikalisch unterschiedlichen Prinzipien und sind daher als unabhängige und redundante Messungen zu betrachten. Diese können aber mit entsprechend geringen Aufwand in einen gemeinsamen Sensor, bspw. in einen Aufprallsensor, integriert werden. Sie weisen bei Integration in einen gemeinsamen Sensor eine hervorragende zeitliche Zuordenbarkeit auf. Daher können diese zur wechselseitigen Plausibilisierung genutzt werden, indem zumindest zwei parallele Auswertepfade vorgesehen sind.

Andererseits haben die beiden Effekte, also Triboelektrizität und kapazitiver Effekt in Bezug auf Belastungen in unterschiedlichen Frequenzbereichen teils unterschiedliche Reaktion, kann kapazitiv zumindest in Bezug auf eine Referenzmessung auch eine statische, also zeitlich unveränderliche Belastung erkannt werden, während sämtliche triboelektrischen Effekte eine Bewegung und damit Änderung innerhalb eines Zeitfensters erfordern.

Für eine Vielzahl von Anwendungen ist die es nicht erforderlich, die exakte Größe der Kraftwirkung, des Drucks oder der sonstigen mechanischen Belastung im Sinne einer physikalisch normierten Größe exakt quantitativ zu messen, sondern reichen häufig auch nicht kalibrierte Signale für die eher qualitative Auswertung und Ableitung der zu treffenden Bewertung aus. Der Begriff Sensor ist insofern im Sinne dieser Anmeldung nicht auf eine physikalisch exakte Messung im Sinne kalibrierter Messungen zu beschränken. Generell eignen sich derartige Sensoren also für die Erkennung und Bewertung verschiedenster mechanischer Kraftwirkungen, sei es als Kraft, als Druck oder vergleichbare mechanische Belastungen, wie Vibrationen und dergleichen insbesondere dann, wenn es um die eher qualitative Erkennung entsprechender Vorgänge geht und nicht um eine physikalisch exakt linear kalibrierte Messung.

Gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 enthält der Sensor dazu ein erstes, elektrisch leitfähiges Material. Bevorzugt handelt es sich hierbei um ein metallisches Gebilde, wie bspw. eine Litze, Netzstruktur oder dergleichen bspw. aus Kupfer oder Stahl. Es ist aber auch denkbar, dass das erste leitfähige Material aus wenigstens einem Elastomer und / oder thermoplastischen Elastomer und / oder Thermoplasten aufgebaut ist, welches entweder von sich aus leitfähig ist und / oder welches elektrisch leitfähige Füllstoffe oder elektrisch leitfähige Partikel, wie bspw. Leit-Ruße oder CNT oder Graphit enthält.

Des Weiteren ist gemäß Anspruch 1 ein zweiter elektrischer Leiter vorhanden. Auch hierbei handelt es sich bevorzugt um ein metallisches Gebilde, wie bspw. eine Litze, Netzstruktur oder dergleichen bspw. aus Kupfer oder Stahl. Es ist aber auch denkbar, dass der zweite elektrische Leiter aus wenigstens einem Elastomer und / oder thermoplastischen Elastomer und / oder Thermoplasten aufgebaut ist, welches entweder von sich aus leitfähig ist und / oder welches elektrisch leitfähige Füllstoffe oder elektrisch leitfähige Partikel, wie bspw. Leit-Ruße oder CNT oder Graphit enthält.

Die Materialien für das erste elektrisch leitfähige Material und den zweiten elektrischen Leiter können gleich oder verschieden voneinander gewählt werden.

Zudem enthält der Sensor noch ein zweites, elektrisch nicht leitfähiges Material. Hierbei können alle der fachkundigen Person bekannten Zusammensetzung bspw. auf der Basis eines Elastomers und / oder thermoplastischen Elastomers und / oder Thermoplasten verwendet werden, die keine oder nur eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um als Dielektrikum zwischen dem ersten und zweiten Leiter zu wirken.

Vorzugsweise sind die Materialien und deren Aufbau so gewählt, dass diese auf Kraftwirkung dauerhaft elastisch reagieren können, also nachgiebig sind und so eine Vielzahl wiederholender Kraftwirkungen zumindest bis zu einer vorgesehenen Dauerbelastungsgrenze reproduzierbar erfassen können.

Besonders gute Ergebnisse zeigen sich für das zweite Material bei Verwendung einer Elastomermischung auf Basis wenigstens eines Silikonelastomers, wie sie unter anderem aus WO201 1/154188A1 , WO2012/175268A1 oder EP2842992A1 bekannt ist. Dabei wurde eine elektrisch leitende Innenleiterstruktur mit einer aus dem obigen Stand der Technik bekannten Silikonelastomermischung ummantelt und mit einem äußeren, ebenfalls mit elektrisch leitfähigen Fasern versehenen Schutzmantel umhüllt. Wirkt auf das so entstehende koaxialförmige Kabel eine Kraft, können durch Auswertung elektrischer Signale sowohl Kraft als auch deren Veränderungen, bspw. Vibrationen gemessen werden.

Eine solche Silikonkautschukmischung lässt sich im Lieferzustand leicht zuschneiden, verarbeiten und passgenau anbringen. Durch Wärmeeinfluss härtet die Mischung selbstständig aus und wird zu einem wiederverwendbaren Formteil mit gummielastischen Eigenschaften.

Zudem soll eine triboelektrische Wirkung erzielt werden. In einem besonders bevorzugten Falle kann dies zwischen einem der Leiter und dem zweiten Material erreicht werden. Dafür eignen sich die oben genannten Materialien sehr gut.

Grundsätzlich eignen sich aber auch andere dielektrische Materialien, sofern diese eine hinreichende elastische Verformbarkeit bzw. triboelektrische Eigenschaft gegenüber dem elektrischen Leiter aufweisen. Insbesondere eignen sich silikonhaltige Materialien für solche Anwendungen, da Silikone eine gute Verformbarkeit über weite Temperaturbereiche aufweisen und zudem eine hohe triboelektrische Elektronenaffinität gegenüber Metallen aufweisen.

Es ist aber auch denkbar, dass anstelle des Leiters ein optimiertes drittes Material als Partner für die triboelektrische Wirkung zum zweiten Material hin gesucht wird oder anstelle des zweiten Materials ein viertes Material als Partner für die triboelektrische Wirkung zum Leiter oder dritten Material verwendet wird, d.h. entsprechend unterschiedliche Elektronenaffinität aufweisen.

Bei einer Kraftwirkung aus der vorgegebenen Richtung erfolgt eine Relativbewegung der Materialien zueinander unter Erzeugung des triboelektrischen Effekts und ist dieser als Ladungsverschiebung über die elektrischen Leiter erfassbar.

Die räumliche Ausgestaltung und Anordnung der Leiter und Materialien lässt viele Ausgestaltungen zu. Für die kapazitive Wirkung ist der zweite elektrische Leiter in Richtung der Kraftwirkung vom ersten elektrischen Leiter zumindest durch das zweite Material getrennt anzuordnen, so dass das zweite Material als ein durch die Kraftwirkung veränderliches Dielektrikum wirken kann. Zudem ist zwischen den beiden Leitern eine Grenzfläche für die triboelektrische Wirkung durch Relativbewegung zweier triboelektrisch zueinander aktiver Materialien vorzusehen. Da die triboelektrische Wirkung sowohl bei vertikaler Bewegung zur Grenzschicht zwischen Materialien entsprechend unterschiedlicher Elektronenaffinität, vgl. „vertical contact-separation mode" als auch in dazu senkrechter horizontaler Bewegung, vgl.„lateral sliding mode" auftritt, ergeben sich erhebliche Gestaltungsfreiräume für die jeweiligen Anwendungsfälle, lassen sich die Effekte rein praktisch aber so an einer Grenzfläche oft nicht völlig ideal herstellen, treten also selbst bei Anordnung der Materialien senkrecht zur Belastungsrichtung dennoch zwischen den Grenzflächen horizontale Verschiebungen auf und werden evtl. Störeffekte dadurch nachfolgend noch zu diskutieren sein.

Für die triboelektrische Wirkung können die für den kapazitiven Effekt bereits vorhandenen Materialien verwendet werden, sofern deren Elektronenaffinität hinreichend unterschiedlich ist, d.h. im einfachsten Anwendungsfall ist die nichtleitende, dielektrische und elastisch deformierbare Schicht des kapazitiven Sensors und eine deren Elektroden so hinreichend unterschiedlich in der triboelektrischen Reihe und so angeordnet, dass an deren Grenzfläche zueinander bereits auch die triboelektrische Wirkung hinreichend stark für die gewünschte Auswertung ist. Aber es ist eben auch denkbar, dass ein drittes oder gar viertes Material zur Optimierung des triboelektrischen Effekts verwendet wird. Jeweils erfolgt bei einer Kraftwirkung aus der vorgegebenen Richtung unter Erzeugung des triboelektrischen Effekts zwischen diesen Materialien eine Relativbewegung und ist die durch den triboelektrischen Effekt entstehende, elektrische Ladungsverschiebung (Q) erfassbar.

So ist denkbar, dass zumindest einer der Leiter oder ein drittes Material so in zumindest örtlicher Berührung mit dem zweiten Material angeordnet sind. Alternativ dazu kann auch zumindest einer der Leiter oder ein drittes Material so in zumindest örtlicher Berührung mit einem vierten, nicht leitfähigen, in zumindest die vorgegebene Richtung elastischen Material angeordnet sein, also anstelle des zweiten Materials das vierte Material für die triboelektrische Wirkung Anwendung finden.

Ein derartiger Sensor zur Erfassung einer Kraftwirkung, eines Drucks, Vibration oder sonstigen mechanischen Belastung, insbesondere aber auch eines Aufpralls, kann vielfältig eingesetzt werden. Neben der Anwendung als Aufprallsensor in eine Fahrzeug kann ein erfindungsgemäßer Sensor beispielsweise an einem elastomeren Körper angeordnet oder in einen elastomeren Körper einvulkanisiert werden, um einen Druck gegenüber dem elastomeren Körper bzw. in dem elastomeren Körper erfindungsgemäß zu erfassen. Als elastomere Körper sind beispielsweise eine Lagerung eines Fahrzeugs, ein Förderband oder ein Anlagenteil einer Förderbandanlage, ein elastomerbeschichtetes Gewebe, ein Schlauch, ein Luftfederbalg, ein Riemen, ein elastomeres Oberflächenmaterial oder dergleichen denkbar. Ebenso kommen Reifen als derartige elastomere Körper in Betracht.

Der erfindungsgemäße Sensor für mechanische Belastungen mit kapazitivem als auch triboelektrischem Effekt ist daher auch mit anderen Worten zu fassen als bestehend aus einer Schichtfolge unterschiedlicher Materialien, wobei zumindest einige, vorzugsweise alle Schichten elastisch bezüglich der vorgesehenen Belastung sind und für den kapazitiven Effekt in der Schichtfolge vorgesehen sind eine erste, elektrisch leitfähige Schicht, eine zweite, nicht leitfähige, also dielektrische Schicht und eine zweite, elektrisch leitfähige Schicht, welche in Richtung der Belastung beabstandet und von der ersten elektrisch leitfähigen Schicht durch zumindest die zweite Schicht getrennt ist. Zudem ist eine Signalquelle (2) zur Erzeugung eines Anregungssignals mit einem bekannten Anregungsfrequenzspektrum vorgesehen, wobei dieses Anregungssignal dem Sensor zuführbar ist. Bis zu diesem Punkt ist dies noch der klassische Schichtaufbau eines kapazitiven Belastungssensors.

Zudem ist für den triboelektrischen Effekt in der Schichtfolge jedoch auch vorgesehen zumindest eine elektrisch leitfähige Schicht mit einer ersten Elektronenaffinität sowie in zumindest örtlicher Berührung mit dieser eine zweite Schicht aus einem Material, welches nicht leitfähig ist und eine zweite Elektronenaffinität aufweist, welches um ein vorgegebenes Maß abweicht von der (ersten) Elektronenaffinität der ersten Schicht, so dass bei einer Belastung aus der vorgegebenen Richtung unter Erzeugung des triboelektrischen Effekts zwischen diesen Materialien eine Relativbewegung erfolgt, und die durch den triboelektrischen Effekt entstehende, elektrische Ladungsverschiebung erfassbar ist.

Da sich aber einige Schichten für beide Effekte eignen, kann die Schichtfolge multifunktional genutzt und somit im besten Falle deutlich vereinfacht werden - sind die Materialzusammenstellungen bzw. Wirkungen aber nicht hinreichend, kann auch durch jeweils separate Schichten eine Optimierung des jeweils erforderlichen Effekts erreicht werden.

So kann insbesondere die mittlere, dielektrische Schicht des kapazitiven Effekts mit Materialien wie bspw. Silikon gewählt werden und gegenüber elektrisch leitfähigen Materialien eine derart stark unterschiedliche Elektronenaffinität aufweisen, dass diese eben auch unmittelbar für den triboelektrischen Effekt genutzt werden kann und ebenso eine leitfähige Schicht des kapazitiven Effekts, quasi eine Elektrode dieser belastungsabhängigen Kapazität zugleich die andere Seite der triboelektrischen Grenzfläche bilden. Ergänzt um Schaltungsmittel zum Erfassen der Signale des kapazitiven und triboelektrischen Effekts aufgrund der Belastung entsteht ein multifunktionaler Sensor mit zwei unterscheidbaren Auswertesignalen mit unterschiedlichen Eigenschaften, insbesondere Empfindlichkeit in unterschiedlichen Frequenzbereichen.

So ist eine besonders bevorzugte Verwendung auch in einem Dämpfungselement zur Dämpfung mechanischer Krafteinwirkungen, insbesondere mechanischer Schwingungen, mit einem elektrisch nicht leitenden Kunststoffmaterial und einem Sensorsystem zum Erfassen der Krafteinwirkung zu sehen. Solche Dämpfungselemente mit Sensoren sind an sich bspw. aus der DE 102013225330 A1 für ein Wälz- oder Gleitlager mit einem Piezoelement als Sensor, in DE 102013208784 A1 ein Schwingungssensor für ein gedämpftes Getriebe, aus DE 102007002259 A1 bspw. eine Fahrzeugaufhängung mit einem Stößdämpfer mit einem ebenfalls piezoelektrischen Schwingungssensor oder aus EP 1878648 B1 ein Fahrzeug mit einem Positionssensor für den Dämpfer bekannt. Derartige Sensoren in bzw. an Dämpfungselementen dienen zur qualitativen Erfassung der Belastung und ggfs. Alterung oder Verschleiß des Dämpfungselements, können aber auch zur Erfassung der Stärke der Schwingungen und Anpassung der Dämpfung eingesetzt werden.

Eine Kombination aus kapazitiver und triboelektrischer Wirkung und zweikanalige Auswertung unterschiedlicher Frequenzbänder hingegen ist nicht offenbart, jedoch in all diesen Anwendungsfällen denkbar.

Es wird daher auch ein Dämpfungselement mit einem solchen Sensor beansprucht, wobei der Sensor im Material des Dämpfungselements angeordnet ist, dort ggfs. sogar komplett eingebettet sein kann und/oder das Material des Dämpfungselements das zweite Material des Sensorsystems ist, d.h. die beiden elektrischen Leiter auch ggfs. entsprechend von außen her das eigentliche Dämpfungselement kontaktieren.

So könnte auch ein Kunststoffkolben einer Luftfeder mit einem solchen Sensor ausgestattet sein, um z.B. Extremlagen eines abrollenden Luftfederbalgs zu detektieren.

Dabei kann zudem vorzugsweise eine drahtlose Übermittlung von Daten zur Rücksendung der Signale des Sensors als auch Energie, insbesondere zur Erzeugung des Anregungssignals als auch zur Bereitstellung der Signalerfassung des Sensors und dessen Datenübertragung erfolgen.

Dadurch eröffnen sich viele Gestaltungsmöglichkeiten und zusätzliche Anwendungsfälle, welche eine rein drahtgebundene Verbindung nicht erlauben würden. Moderne Fahrzeuge und andere Anwendungen welche Reifen verwenden (z.B. Förderband-Anlagen) benötigen teils Sensoren zur Beurteilung des Reifenzustandes, der Belastung der Reifens und der Beschaffenheit des Bodens (bzw. des Förderbandes).

Der erfindungsgemäße Sensor kann dabei in das Reifenmaterial selbst integriert werden, sei es in koaxialer Form bspw. in den Reifenumfang oder vorteilhafter Weise flächig, ggfs. sogar unter Nutzung bereits teils im Reifen vorhandener Materialstrukturen, insbesondere bspw. vorhandener metallischer Gewebe oder Gürtel als zumindest einen der Leiter und/oder einer nichtleitenden Schicht als zweites, dielektrisches und triboelektrisch mit einem der Leiter aktiv werdendes Material. Die elektrische Auswerteeinheit ist im Reifen integriert oder an der Innenseite befestigt. Die Messdaten werden per Transponder oder einer geeigneten Sende-Einheit nach Außen (zum Fahrzeug) übermittelt, wie an sich bspw. bei den Reifendruckmesssystemen bereits bekannt. Insbesondere können die Systeme und Sensoren auch zu einer Einheit verbunden werden und über die gewonnene Energie ggfs. auch eine autarke Energieversorgung des Sensors ermöglicht werden..

Dabei könnte evtl. auch bei fabrikneuem Reifen der triboelektrische Anteil zunächst vernachlässigbar sein, d.h. die Verschieblichkeit zwischen dem Leiter und zweiten Material bewusst gering bzw. unterdrückt sein, bspw. durch entsprechend feste Verklebung ect. und zunächst primär nur die kapazitive Messung sowohl für die Kraftmessung als auch als Funktionstest dient. Lösen sich jedoch aufgrund der häufigen Belastungen die Verbindungen zwischen dem Leiter und zweiten Material und erhöht sich die relative Beweglichkeit beider zueinander, kann dies durch zunehmende triboelektrische Anteile erkannt und der zunehmende Verschleiß erkannt und ein entsprechender Austausch initiiert werden. Dies gilt natürlich in gleicher weise für die oben bereits erläuterten Dämpfungselemente.

Insofern in dieser Anmeldung von einem ersten und zweiten Auswertepfad gesprochen wird, so kann dies in analoger schaltungstechnischer Ausgestaltung erfolgen oder zumindest teils digitalisiert und dann zunehmend auch als softwareseitige Signalverarbeitung realisiert werden. Die Begriffe erster und zweiter Auswertepfad sollen dabei auch weniger die physikalische Trennung dieser beiden Pfade ausdrücken, vielmehr auch eine gemeinsame Nutzung erforderlicher schaltungstechnischer Komponenten oder digitaler Rechenschritte ausschließen, sondern zielt primär auf die unterschiedlichen Eigenschaften und Auswertemöglichkeiten der beiden Ausgabesignale ab. Vorteilhafter Weise ist im ersten Auswertepfad zumindest primär die Ladungsverschiebung aufgrund des triboelektrischen Effekts erfassbar, d.h. das erste Frequenzband dementsprechend ausgerichtet, wobei die Spektralanteile des Signals aufgrund des triboelektrischen Effekts wiederum durch unterschiedliche Auswerteschaltungen erfasst werden können und letztlich damit auch die gewählte Auswerteschaltung nicht unerheblichen Einfluss darauf hat, welches Frequenzband für den ersten Auswertepfad zu wählen ist.

Der zweite Auswertepfad ist vorzugsweise zumindest primär auf die während der Kraftwirkung, Drucks bzw. Aufpralls auftretende Änderung der Kapazität des Sensors mittels des Anregungssignals ausgerichtet, wobei für diesen zweiten Auswertepfad ein Anregungsfrequenzspektrum erforderlich, dieses aber eben bekannt und beeinflussbar ist, so dass das Anregungsfrequenzspektrum gezielt so gelegt werden kann, dass ein hinreichender Abstand zwischen ersten und zweiten Frequenzband liegt, so dass die Signalanteile entsprechend sauber voneinander getrennt werden können.

Als Anregungsfrequenzspektrum kommt aber nicht etwa nur eine sinusförmige Schwingung an einer bekannten Anregungsfrequenz infrage, sondern kann, wie durch den Begriff Frequenzspektrum auch zum Ausdruck gebracht werden soll, auch ein breitbandigeres, beispielsweise frequenzgespreiztes oder mit Oberwellen behaftetes Signal, also bspw. auch Rechteckimpulssignal verwendet werden, wie im Zusammenhang mit einer besonders geeigneten Lock-In-Verstärkerschaltung in dem entsprechenden Ausführungsbeispiel noch näher erläutert wird.

Vorzugsweise liegt dabei das Anregungsfrequenzspektrum zumindest im Wesentlichen außerhalb des ersten Frequenzbandes. Der Ausdruck„zumindest im Wesentlichen außerhalb" ist dabei so zu verstehen, dass optimaler Weise natürlich keine Überschneidung vorliegt, bei einer eventuell vorhandenen technisch unvermeidbaren Überschneidungen zumindest das Signal-Rauschverhältnis hinreichend gewahrt bleibt, also der Amplitudenunterschied mindestens Faktor zwei, besser sogar zehn ist.

Die Auswertung kann darüber hinaus auch noch weitere Frequenzbänder umfassen und ist durch die Bezeichnung erstes und zweites Frequenzband deren absolute Lage zueinander noch nicht zwingend festgelegt. Während in einem ersten Ausführungsbeispiel das erste Frequenzband für die Erfassung des triboelektrischen Effekts in einen Niederfrequenzbereich liegen kann und sowohl das Anregungsfrequenzspektrum als auch das zweite Frequenzband entsprechend in einem demgegenüber höheren Frequenzbereich liegen, kann in einem anderen Ausführungsbeispiel, insbesondere bei anderer Auswertung des triboelektrischen Effekts eine demgegenüber umgekehrte Lage der Frequenzbänder Vorteile aufweisen. ln einer bevorzugten Ausgestaltung ist zwischen Signalquelle und Sensor ein bekannter Widerstand geschaltet, d.h., es bildet dieser Widerstand mit dem Sensor also ein RC-Glied. Dabei ist das Anregungsfrequenzspektrum der Signalquelle vorzugsweise in einem Bereich zwischen 10% - 500% wie die Eckfrequenz des RC-Glieds im unbelasteten Zustand gewählt. Als unbelasteter Zustand wird dabei die Ruhesituation ohne Kraftwirkung, Druck bzw. Aufprall verstanden. Es kann bei Verformungen des Sensors während des Einbaus aber bereits eine Kalibrierung auf die letztendliche Einbaulage in Betracht kommen.

Betrachtet man die Situation im bekannten Bode-Diagramm eines solchen RC-Glieds (vgl. auch Fig. 2), wird also die Anregungsfrequenz vorzugsweise in demjenigen Bereich gelegt, bei welchem durch Änderung der Kapazität während der Kraftwirkung, des Drucks bzw. Aufpralls sich eine gut messbare Änderung der Amplitude ergibt. Ist die bei Kraftwirkung, Druck bzw. Aufprall oder sonstiger Belastung erreichbare Kapazitätsänderung hinreichend groß, kann die Anregungsfrequenz oberhalb der Eckfrequenz im unbelasteten Zustand liegen: Unter Last ändert sich die Eckfrequenz dann vorzugsweise auf einen Wert unter der Anregungsfrequenz, es tritt also eine Amplitudenänderung auf, welche sowohl hinsichtlich der relativen Änderung als auch des absoluten Betrags gut messbar ist.

In einer weiteren Ausgestaltung ist zwischen Signalquelle und Sensor zudem eine Induktivität geschaltet und es bildet der Sensor mit dem Widerstand und der Induktivität somit ein LRC-Glied, wobei das Anregungsfrequenzspektrum der Signalquelle vorzugsweise etwas größer als die Resonanzfrequenz des unbelasteten LRC-Glieds gewählt ist, so dass bei Belastung und damit bei sich ändernder Kapazität und Resonanzfrequenz die gleichbleibende Anregungsfrequenz dann weiter in die fallende Flanke im Bode-Diagramm fällt. Vorzugsweise ist die Anregungsfrequenz aber auch nahe der Resonanzfrequenz des unbelasteten LRC-Glieds, so dass der absolute Unterschied der Amplitude zwischen belasteten und unbelastetem Zustand besonders groß wird (vgl. dazu Fig.3).

Das Anregungsfrequenzspektrum ist dabei in einem Ausführungsbeispiel eine bekannte Sinus-Schwingung, können aber für andere Ausgestaltungen mit entsprechender Auswerteschaltung auch andere, bspw. frequenzgespreizte oder sogar pseudo-noise-Signale verwendet werden.

Vorzugsweise kann bei diesen Ausgestaltungen dann im ersten Auswertepfad zumindest eine Tiefpassfilterfunktion enthalten sein, wobei die Eckfrequenz der Tiefpassfilterfunktion zumindest unterhalb des Anregungsfrequenzspektrums der Signalquelle liegt. Zudem ist im zweiten Auswertepfad zumindest eine Hochpassfilterfunktion angeordnet, vorzugsweise dieser nachgeschaltet ein Gleichrichter und Tiefpass, wobei die Eckfrequenz dieser Hochpassfilterfunktion zumindest oberhalb der Eckfrequenz der Tiefpassfilterfunktion des ersten Auswertepfads, jedoch unterhalb des Anregungsfrequenzspektrums liegt.

In einem abweichenden weiteren Ausführungsbeispiel ist das Anregungssignal hingegen ein frequenzgespreiztes Signal, also tatsächlich ein Anregungsfrequenzspektrum mit mehreren unterschiedlichen Spektralanteilen, wobei der Mittelwert des Anregungssignals über ein vorgegebenes Zeitintervall zudem zumindest annähernd Null ist. Es können sogar entsprechend microcontrollergenerierte Zufallssignale verwendet werden, welche besonders störsicher sind.

Dieses frequenzgespreizte Signal ist über eine bekannte Referenzkapazität dem Sensor zuführbar und im zweiten Auswertepfad ein Multiplikator vorgesehen, welcher das Ausgangssignal des Sensors mit dem Anregungssignal multipliziert. Dadurch wird eine kapazitive Halb-Brückenschaltung mit einem sogenannten Lock-In, also einer Trägerfrequenzverstärkung realisiert.

Es sollte also bereits deutlich geworden sein, dass für die Erfassung des Drucks bzw. des Aufpralls aus dem triboelektrischen Effekt neben den unterschiedlichen Eigenschaften des konkret verwendeten Sensors auch unterschiedliche Messprinzipien möglich sind, welche letztlich die konkrete Lage des ersten Frequenzbandes maßgeblich beeinflussen können.

So können beispielsweise Tiefpassfilterfunktionen genutzt werden, welche ggfs. sogar als „Charge-To-Voltage-converter" betrieben werden, also deren Zeitkonstante so gewählt ist, dass die auftretenden Ladungsverschiebungen aufintegriert, beispielsweise wieder in einem Kondensator gesammelt werden.

Wird aber beispielsweise für die kapazitive Messung bereits eine digitale Signalverarbeitung vorgesehen, kann der triboelektrische Effekt beispielsweise als niederfrequenterer Anteil aus dem Offset gewonnen werden.

Die Erfassung des Drucks bzw. Aufpralls aus dem kapazitiven Effekt hängt zwar auch in Grenzen von den Materialien des verwendeten Sensors ab, kann jedoch durch die geeignete Wahl des Anregungsfrequenzspektrums deutlich einfacher so gelegt werden, dass letztlich die Messung des kapazitiven Einflusses sicher in einem zweiten, abweichenden Frequenzband erfolgt, beide Signalanteile also sauber voneinander unterscheidbar sind. Die Messmethoden für sich ändernde Kapazitäten sind noch vielfältiger und seit Jahrzehnten in der Literatur an sich bekannt. So können auch Messungen der Lade- und/oder Entladezeiten über RC- bzw. RLC-Glieder, Eck- bzw. Resonanzfrequenzen von solchen Baugruppen oder Sigma-Delta-Wandler eingesetzt werden.

Wie im folgenden Ausführungsbeispiel der Fall, kann eine Amplitudenmodulation mit einer bekannten Anregungsfrequenz erfolgen oder es können kapazitive Messbrückenschaltungen zum Einsatz kommen.

Ein solches Sensorsystem eignet sich vorzugsweise als Aufprallsensorsystem vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, in dem ein solcher Sensor als Aufprallsensor in einer aufprallrelevanten Zone, insbesondere der Stoßstange des Fahrzeugs, angeordnet wird sowie einer Auswerteeinheit zur Aktivierung von Sicherheitseinrichtungen zum Schutz von Insassen und/oder Fußgängern vorgesehen ist, wobei die Signale beider Auswertepfade ausgewertet und auf Plausibilitat geprüft werden.

Eine weitere, besonders bevorzugte Anwendung ergibt sich in Form eines Aufprallsensors mit einem Schlauch zur Anordnung in einer aufprallrelevanten Zone eines Kraftfahrzeugs, insbesondere der Stoßstange des Fahrzeugs und zur Aktivierung von Sicherheitseinrichtungen zum Schutz von Insassen und/oder Fußgängern, wobei der Schlauch wieder einen Hohlraum aufweist sowie einem Mantel um diesen Hohlraum, wobei im Mantel oder als Mantel ein Sensor, also eine entsprechende Schichtfolge mit kapazitivem und triboelektrischem Effekt vorgesehen ist.

Neben den Signalen des ersten und zweiten Auswertepfades, insbesondere den kapazitiven und triboelektrischen Signalanteilen wird aber darüber hinaus an zumindest einem, vorzugsweise an jedem Ende des Schlauches jeweils ein Drucksensor vorgesehen. Die Ausgestaltung solcher Druckschlauchsysteme für die Aufprallerkennung ist an sich bekannt und unter der Bezeichnung PPS pSAT am Markt erhältlich. Für Details deren Ausgestaltung wird auf den entsprechenden Stand der Technik verwiesen. Maßgeblich hier ist jedoch die Idee, dass das Signal des oder der Drucksensoren neben den Signalen des ersten und zweiten Auswertepfades ebenfalls als weiteres Aufprallsignal auswertbar ist.

Die vorliegende Erfindung umfasst auch die Erkenntnis, dass ein derartiger Schlauch auch für beliebige andere Anwendungen eingesetzt werden kann. Insbesondere kann ein Schlauch, welcher dem Transport von Medien wie z.B. Gasen oder Fluiden dient, einen Hohlraum aufweisen, welcher dem Transport des Mediums dient. Um den Hohlraum kann ein Mantel wie zuvor beschrieben angeordnet sein, wobei im Mantel oder als Mantel ein Sensor, also eine entsprechende Schichtfolge mit kapazitivem und triboelektrischem Effekt, vorgesehen ist. Hierdurch kann der Schlauch nicht nur zum Transport des Mediums genutzt werden, sondern gleichzeitig als Sensor, um z.B. den Innendruck, welcher von dem Medium auf den Mantel ausgeübt werden kann, und bzw. oder den Außendruck, welcher von außen auf den Mantel ausgeübt werden kann, zu erfassen. Weitere Schichten des Mantels können radial innerhalb und bzw. oder radial außenhalb des Mantels angeordnet sein, um z.B. die o.g. Schichten gegenüber dem zu transportierenden Medium bzw. vor äußeren Einflüssen zu schützen. Auch kann wenigstens eine Schicht radial innerhalb, radial außerhalb und bzw. oder radial dazwischenliegend angeordnet sein, welcher einer Verstärkung des Mantels dienen kann. Diese Verstärkung kann vorzugsweise durch ein textiles Flächengebilde realisiert werden.

Der zuvor beschriebene Schlauch kann dabei für verschiedenste Anwendungen eingesetzt werden, um die zuvor beschriebenen Vorteile dort zu nutzen. Dies können Anwendungen z.B. im Automobilbereich z.B. als Schlauch zum Transport von Öl, von Kraftstoff, von Kühlmittel, von Ladeluft, von Abgasen, von Additiven wie z.B. Harnstoffen zur Stickstoffreduktion (AdBlue®) und dergleichen sein. Auch können z.B. Öl oder Gas z.B. bei der Offshore-Förderung in derartigen Schläuchen transportiert werden. Ebenso kann z.B. Wasser mit Sedimentanteilen z.B. als Abraummaterial des Untergrunds eines Gewässers in einem derartigen Schlauch transportiert werden. Es können erfindungsgemäß auch Fremdkörper in dem zu transportierenden Material durch einen nach außen gerichteten Druck ggfs. erkannt werden. Auch können innerhalb eines derartigen Schlauch z.B. Datenleitungen angeordnet werden und auf mögliche Beschädigungen von außen sensorisch seitens des Schlauches überwacht werden. In jedem Fall können die zuvor beschriebenen Vorteile, sowohl kurzzeitige Ereignisse als auch länger anhaltende Zustände mit einem einzigen Sensor erfasst werden.

Vorteilhaft ist bei der zuvor beschriebenen Anwendung der vorliegenden Erfindung auf einen Schlauch ferner, dass sich durch eine zusätzlich Erfassung und Auswertung des ohmschen Widerstands zwischen den elektrisch leitfähigen Schichten ein Selbsttest des Sensors durchführen lässt. Wird ein vorbestimmter Grenzwert des ohmschen Widerstands unterschritten, kann hieraus geschlussfolgert werden, dass eine unzulässig hohe elektrische Leitfähigkeit zwischen den beiden elektrisch leitfähigen Schichten vorliegt, z.B. durch eine Zerstörung bzw. Beschädigung der dazwischenliegenden nicht-elektrisch leitfähigen Schicht, so dass sich die beiden elektrisch leitfähigen Schichten einander radial annähern oder sogar berühren und bzw. oder durch das zu transportierende Medium, welches hierzu in einem gewissen Maße elektrisch leitfähig sein muss, eine Verringerung des ohmschen Widerstands bewirkt wird. Eine weitere besonders bevorzugte Anwendung ergibt sich als Schichtfolge in einer Dichtung zwischen zumindest zwei Teilen, insbesondere für Fenster, Türen oder bewegliche Komponenten, wobei die Dichtung einen Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche aufweist und zumindest ein Signal über die auf die Dichtung wirkende Belastung erzeugt.

Es kann sich bei den zwei Teilen um an sich feststehende, also unbewegliche Teile handeln, wie beispielsweise eine Frontscheibe eines Fahrzeugs und der sie umschließende Rahmen. Fährt ein Fahrzeug jedoch, treten an der Dichtung über die Größe der Fensterscheibe hin erhebliche Belastungen auf und können diese durch den Sensor ausgewertet werden und zwar sowohl hinsichtlich eher statischer als auch besonders dynamischer Anteile.

Bei den zwei Teilen kann es sich aber auch um zumindest ein bewegliches Teil, bspw. eine Tür, Klappe oder dergleichen handeln und die Dichtung an dem beweglichen oder aber stehenden Teil angeordnet sein, die Signale des integrierten Sensors aber repräsentativ für den Schließzustand, eventuelles und ggfs. auch nur lokales Einklemmen von Objekten oder eben auch Stöße, Erschütterungen oder sonstige Belastungen auf eines oder beide Teile und/oder die Dichtung sein.

Aufgrund der unterschiedlichen Effekte und deren unterschiedlicher Frequenzabhängigkeit kann durch die Auswertung der beiden Signale oder noch daraus abgeleiteter Signale eine qualitativ hochwertigere Auswertung erfolgen als nur durch einen klassischen kapazitiven oder eben triboelektrischen Sensor.

Wie bereits voranstehend erläutert, gibt es neben der analogen signaltechnischen Auswertung auch die Möglichkeit einer zunehmend digitalen bis hin zur primär softwaretechnischen Signalverarbeitung, welche zu weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltungen führt.

So ist in einigem Ausführungsbeispielen vorgesehen, dass das Anregungssignal ein frequenzgespreiztes Signal ist, wobei dessen Mittelwert über ein vorgegebenes Zeitintervall zudem zumindest annähernd Null ist. Dieses frequenzgespreizte Signal wird dem Sensor zugeführt, vorzugsweise über eine Messbrücke mit einer bekannten Referenzkapazität, um so dass Signal mit einem nachgeschalteten Differenzverstärker zudem noch verstärken und um Sttörungen bspw. Temperaturdrift und dergleichen bereinigen zu können.

Im zweiten, kapazitiven Auswertepfad ist ein Multiplikator vorgesehen, welcher das Ausgangssignal des Sensors mit dem Anregungssignal multipliziert. Eine solche Funktion ist nachrichtentechnisch auch als Lock-In-Verstärker bekannt. So ist also vorzugsweise im zweiten Auswertepfad eine Lock-In-Schaltung vorgesehen, welcher das Anregungssignal und das Messsignal zugeführt wird. Im ersten Auswertepfad kann bspw. eine einfache Tiefpassfilterung bereits den Einfluss des Anregungssignals herausfiltern. Für die Ausgestaltungen von derartigen Lock-In-Schaltungen stehen vielfältige schaltungstechnische Lösungen analog als auch digital zur Verfügung und sei neben den nachfolgend näher erläuterten bsopw. Auch auf Quadraturverstärker hingewiesen.

In einer noch weiterentwickelten Ausgestaltung dessen wird als Anregungssignal ein periodisches, rechteckförmiges Signal mit einer vorgegebenen Taktfrequenz vorgesehen.

Zudem ist ein Analog-Digital-Wandler mit einer Abtastrate von zumindest der doppelten, vorzugsweise exakt der doppelten Frequenz zur Taktfrequenz des rechteckförmigen Anregungssignals vorgesehen. Bei höherem Nyquist ist jedoch auch über das Doppelte denkbar. Differenzverstärker und AD-Wandler können dabei hardwaremäßig bereits als Eingangsstufe eines MikroControllers oder DSP-ASICs realisiert sein und alle nachfolgenden Schritte anstelle einer schaltungstechnischen Realisierung komplett in softwaretechnischen Rechenschritten umgesetzt sein.

Es sind zwei zueinander parallele Zwischenpfade vorgesehen, von denen im Takt des Anregungssignals jeweils im Wechsel einer der Zwischenpfade jeweils den aktuellen Abtastwert erhält, wobei in einem der Zwischenpfade zumindest ein Verzögerungsglied um zumindest einen Takt des Anregungssignals enthalten ist. Diese Schritte werden als Zwischenpfade bezeichnet, da diese eben gerade noch für beide Auswertepfade gemeinsam genutzt werden, d.h. entsprechende Komponenten bzw. Rechenschritte für beide Auswertepfade gemeinsam genutzt werden und daher nicht redundant nebeneinander doppelt realisiert werden müssen.

Die Signale dieser beiden Zwischenpfade werden nachfolgend, ggfs. unter Zwischenschaltung weiterer Nachverarbeitungsschritte, wie bspw. Filter, einerseits additiv zum für den triboelektrischen Effekt repräsentativen Signal des ersten Auswertepfads gemischt, wodurch der Einfluss des Anregungssignals und damit des kapazitiven Effekts quasi eliminiert wird.

Andererseits wird das Signal aus dem Zwischenpfad mit dem Verzögerungsglied vom Signal des anderen Zwischenpfads zu dem für den kapazitiven Effekt repräsentativen Signal des zweiten Auswertepfads abgezogen, was einer auf das Anregungssignal zugeschnittenen Bandpassfilterung gleichkommt, wie dies für sogenannte Lock-In-Verstärker an sich bekannt ist. Vorteil dieser Ausgestaltung ist die extrem gute Resistenz gegen sonstige Störungen als auch eine extrem kostengünstige Realisierung.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind in jedem der Zwischenpfade jeweils einander identische Filtermittel vorgesehen. So wurde nämlich erkannt, dass neben der für den triboelektrischen Effekt typischen Spannung aufgrund der Ladungsträgerverschiebungen es an der triboelektrischen Grenzfläche auch zu spontanen Entladungen kommen kann, vergleichbar Blitzentladungen in der Elektrostatik oder Unwettern. Im Gegensatz zum eher kontinuierlichen Ladungs- und damit Spannungsaufbau des eigentlichen triboelektrischen Effekts sind die Spannungswerte bei diesen spontanen Entladungen deutlich höher, aber eben auch deutlich kürzer. Es wird vermutet, dass die spontanen Entladungen zumindest auch von der Stärke des triboelektrischen Effekts abhängen und dieser wiederum bei horizontalen Bewegungen an der Grenzfläche stärker ist als bei rein vertikalen, sind entsprechende Untersuchungen dazu aber noch nicht abgeschlossen und dem Fachmann entsprechende Adaptionen der Grenzflächen zur Verstärkung oder Reduzierung dieses Effekts entsprechend der Anwendungsaspekte offen.

Man kann diese spontanen Entladungen als Störung des triboelektrischen Signals begreifen und durch die erwähnten Filtermittel recht gut eliminieren. Andererseits stellen diese spontanen Entladungen für sich genommen eine eigenständige dritte Größe dar, welche nach den bisher vorliegenden Untersuchen besonders gut mit starken, kurzzeitigen Belastungen korrelieren und es daher einen besonderen eigenständigen erfinderischen Schritt darstellt, gerade diese auszuwerten.

Daher werden diese vermeintlichen Störungen in einem weiteren Ausführungsbeispiel vielmehr extrahiert und als ein weiteres, drittes Auswertesignal zur Verfügung gestellt. Die Umsetzung erfolgt dann so, dass vorgesehen ist, in den zwei Zwischenpfaden jeweils vor den Filtermitteln das Signal oder den Wert zu erfassen und von diesem jeweils das Signal oder den Wert in diesem Zwischenpfad nach der Filterung abzuziehen und die Werte oder Signale dieser beiden Subtraktionen wiederum zu einem dritten Wert oder Signal eines dritten Auswertepfades bereitzustellen.

Die Erfindung wird nachfolgend noch anhand von weiteren Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 Ausführungsbeispiele als RC- bzw. LRC-Glied

Figur 2 Signalantwort an RC-Glied bei sinusförmiger Anregung mit und ohne Krafteinwirkung

Figur 3 Signalantwort an LRC-Glied bei sinusförmiger Anregung mit und ohne

Krafteinwirkung

Figur 4 weiteres Ausführungsbeispiel mit frequenzgespreiztem Anregungsfrequenzsprektrum

Figur 5 weiteres Ausführungsbeispiel mit gemeinsamem AD-Wandler und digitaler

Signalverarbeitung

Figur 6 Ausführungsbeispiel eines Dämpfungselements mit integriertem Sensor Figur 7 weiteres Ausführungsbeispiel eines Dämpfungselements mit integriertem Sensor

Figur 8 weiteres Ausführungsbeispiel eines Dämpfungselements mit integriertem Sensor

Figur 9 weiteres Ausführungsbeispiel eines Dämpfungselements mit integriertem Sensor in

Rundform

Figur 10 Reifen mit integriertem koaxialem Sensor

Figur 1 1 Reifen mit in die Reifenstruktur flächig integriertem Sensor

Figur 12a Sensor integriert in einen Schlauchmantel

Fig. 12b Anwendung eines solchen Schlauchs in einem Aufprallsensorsystem mit zusätzlichem Drucksensor(en) zur Auswertung der Druckänderung im Hohlraum des Schlauchs neben den kapazitiven und triboelektrischen Effekten am Mantel des Schlauches bei einem Aufprall

Fig. 13 alternative Schichtkonzepte

Fig. 14 strukturierte Oberflächen an der triboelektrisch aktiven Grenzfläche

Fig. 15 weitere Ausgestaltung einer teils digitalen Auswerteschaltung

Fig. 16 weiteres Ausführungsbeispiel im digitalen Bereich der Auswerteschaltung mit Filtern zur Eliminierung der Einflüsse spontaner Entladungen an der Grenzfläche

Fig. 17 weiteres Ausführungsbeispiel im digitalen Bereich der Auswerteschaltung mit einem dritten Auswertesignal

Fig. 18 Signalverhalten des triboelektrischen und kapazitiven Signals bei unterschiedlichen

Betriebssituationen an einer Türdichtung eines Fahrzeugs

Die Figur 1 zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel, bei welchem der eigentliche Sensor 1 als Aufprallsensor 1 als elektrisches Ersatzschaltbild aus einer für den triboelektrischen Effekt stehenden Spannungsquelle V sowie einer für die Änderung der Kapazität aufgrund des Aufpralls stehenden Kapazität AC visualisiert wird.

Die tatsächliche bauliche Ausgestaltung eines solchen triboelektrischen Aufprallsensors 1 ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt und weist ein längliches Gebilde aus zumindest einem ersten, elektrisch leitfähigen Material auf, welches in Berührung mit einem zweiten, nichtleitenden Material angeordnet ist. Das zweite Material hat zudem vorzugsweise eine entsprechend andere triboelektrische Elektronenaffinität-als das erste Material. Sofern im Folgenden zunächst primär auf die Anwendung als Aufprallsensor Bezug genommen wird, so ist dies nur beispielhaft zu begreifen und auch auf die eingangs bereits geschilderten vielfältigen anderen Anwendungsgebiete teils direkt übertragbar.

Bei einer Kraftwirkung, also bspw. einer Druckänderung, Belastung oder einem Aufprall aus einer vorgegebenen Richtung werden die Materialien relativ zueinander unter Erzeugung des triboelektrischen Effekts bewegt, also geringfügig verschoben und es werden aufgrund der unterschiedlichen Elektronenaffinität der Materialien aufgrund der Triboelektrizität Ladungsträger freigesetzt bzw. ins andere Material über die Grenzfläche hinweg verschoben. Zudem verändert sich durch die Verformung die Kapazität über das zweite Material hinweg.

Bei einer einfachen koaxialen Ausgestaltung ist dabei bspw. der innere Kern als elektrischer Leiter vorgesehen, wobei diesen Leiter zunächst ein nichtleitendes Kunststoffmaterial und darüber hinaus eine äußere wieder leitende Hülle auf Massepotential umgibt. Die konstruktive Ausgestaltung kann sowohl für die triboelektrische Wirkung als auch die baulichen Erfordernisse noch angepasst werden und ist für die grundsätzliche Funktion der Erfindung hier nicht entscheidend.

Kernpunkt der Erfindung ist vielmehr, dass während der Kraftwirkung, also des Aufpralls im Aufprallsensor 1 neben einer Ladungsverschiebung aufgrund des triboelektrischen Effekts, hier in der Figur 1 skizziert als Spannungsquelle V, auch eine Kapazitätsänderung über das zweite, nicht-leitende und damit dielektrische Material hinweg auftritt, hier skizziert als AC, und durch eine gezielte Anregung über eine Signalquelle 2 mit einem bekannten Anregungsfrequenzspektrum, hier vorzugsweise in diesem Ausführungsbeispiel einer sinusförmige Schwingung bekannter Frequenz, zeitgleich ebenfalls erfasst werden kann.

Zudem sind zwei Auswertepfade mit den Ausgangssignalen ST für den triboelektrischen Effekt und SC für den kapazitiven Effekt vorhanden. Entsprechend voneinander verschiedene Frequenzbänder sind vorgesehen, wobei es hinreichend ist, dass sich die Hauptarbeitsbereiche beider Auswertepfade hinreichend unterscheiden und eine Überschneidung nur im stark gedämpften Bereich auftritt, so dass die Effekte sich nicht maßgeblich auf die Messung auswirken.

In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind zwischen Signalquelle 2 und Aufprallsensor 1 zudem ein Widerstand R sowie eine Induktivität L geschaltet und bilden zusammen mit der Kapazität des Aufprallsensors 1 ein LRC-Glied, also einen Schwingkreis mit einer definierten Resonanzfrequenz, welche gezielt zur Optimierung eines möglichst guten Signalabstands zu den Signalen des triboelektrischen Effekts optimiert werden kann. Zur Vereinfachung der Schaltung kann aber auch auf eine Zwischenschaltung der Induktivität L komplett verzichtet und die Schaltung so auf ein RC-Glied mit einer entsprechenden Eckfrequenz reduziert werden.

Die Anregungsfrequenz ist dabei so gewählt, dass eine möglichst gute Unterscheidbarkeit zwischen den beiden Effekten auftritt. So wird beispielsweise die Anregungsfrequenz in diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise etwas oberhalb der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bzw. der Eckfrequenz des RC- Glieds gewählt.

Im ersten, hier vorzugsweise auf den triboelektrischen Effekt ausgerichteten Auswertepfad ist zumindest eine Tiefpassfilterfunktion F1 enthalten, wobei die Eckfrequenz der Tiefpassfilterfunktion zumindest unterhalb des Anregungsfrequenzspektrums der Signalquelle 2 liegt, vorzugsweise sogar um mindestens den Faktor 100 unterhalb, so das nicht nur über alle Kapazitätsänderungen hinweg der Einfluss der Signalquelle 2 in diesem Auswertepfad vernachlässigbar ist, sondern zudem auch dieser Tiefpass F1 eine integrierende Wirkung auf die doch relativ geringen Ladungsverschiebungen des triboelektrischen Effekts haben kann.

Im zweiten Auswertepfad sind zumindest eine Hochpassfilterfunktion F2, vorzugsweise dieser nachgeschaltet ein Gleichrichter und ein Tiefpass, angeordnet, wobei die Eckfrequenz dieser Hochpassfilterfunktion F2 zumindest oberhalb der Eckfrequenz der Tiefpassfilterfunktion F1 des ersten Auswertepfads, jedoch unterhalb des Anregungsfrequenzspektrums liegt, so dass zwar die triboelektrischen Effekte hinreichend ausgefiltert bzw. gedämpft sind, die Signalanteile aufgrund des Anregungsfrequenzspektrums jedoch möglichst weitgehend unverfälscht erfasst werden können. Der nachgeschaltete Tiefpass S3 dient dann ausschließlich der Integration dieses Signalanteils und der Bereitstellung als ein Spannungswert für die Kapazitätsänderungen.

Kommt es nun während des Aufpralls zu einer Quetschung des dielektrischen Materials, so verändert sich auch die Kapazität des Aufprallsensors und damit die Amplitude des am Aufprallsensor erfassbaren Spannungssignals, es kommt also zu einer Amplitudenmodulation.

Rein beispielhaft seien hier einmal für ein besonderes Ausführungsbeispiel typische Werte der Komponenten für einen LRC-Schaltkreis genannt:

Widerstand R: 10 Mega Ohm

Induktivität L: 33 mH

Anregungsfrequenz der Signalquelle 2: 100 kHz

Eckfrequenz der Tiefpassfilter F1 (und F3): 400 Hz

Eckfrequenz des Hochpassfilters F2: 10 kHz bei einer Kapazität des Sensors 1 von ca. 80 pF und einer erwartbaren Änderung der Kapazität von ca. 1 pF während des Aufpralls bei einer Koaxial-Kabelform von ca. 1 Meter Länge.

Dies ergibt also eine Resonanzfrequenz im unbelasteten Zustand von =— 7= = 98 kHz.

Für ein reines RC-Glied ohne Induktivität würde man bei dieser Anregungsfrequenz einen kleineren Widerstand und damit höhere Eckfrequenz verwenden, um nicht zu stark in den gedämpften Bereich zu geraten, also bspw. die Eckfrequenz im unbelasteten Zustand gleich der Anregungsfrequenz festlegen, so dass bei Belastung ein gut messbares Absinken der Eckfrequenz und folglich eine stärkere Dämpfung der Amplitude messbar ist.

Die Stärke der Ladungsverschiebung aufgrund des triboelektrischen Effekts bei einem Aufprall liegt bei derzeitigen verfügbaren Aufprallsensoren im Nano-Ampere-Bereich, also bspw. bei ca. 0,1 Mikro Ampere, und kann über einen entsprechend hochohmigen Abschlusswiderstand innerhalb eines auslöserelevanten Zeitraums zwischen 5 bis 30 Millisekunden zu Spannungen von ca. 1 V am Tiefpass F1 aufintegriert werden.

Selbstverständlich sind die hier angegebenen Werte nur ein exemplarisches Ausführungsbeispiel und stark von den aktuell als auch zukünftig verfügbaren Materialien und gewünschten Bauformen, insbesondere der Stärke und Spektralanteilverteilung der Ladungsverschiebung, aber auch der Kapazität und Kapazitätsänderung abhängig und vom Fachmann für das jeweilige Ausführungsbeispiel aber im Rahmen des handwerklichen Könnens geeignet anzupassen.

Dem Fachmann stehen aber neben der hier skizzierten analogen schaltungstechnischen Umsetzung bekanntermaßen auch andere analoge sowie auch insbesondere digitale Messmethoden sowohl für die Kapazitätsänderung als auch für die Ladungsverschiebung aufgrund des triboelektrischen Effekt zur Verfügung und es können und müssen die Parameter der Schaltung entsprechend auch auf diese Messmethode angepasst werden.

Die Figur 2 als reines RC-Glied und die Figur 3 als LRC-Glied zeigen so beispielsweise allein schon den besonderen Einfluss, welcher durch die an sich optionale Hinzufügung der Induktivität L bei der Messung des kapazitiven Effekts in Figur 1 entsteht. So stellen die Figuren 2 und 3 die jeweilige ausgangsseitige Amplitude über die Frequenz dar.

Die durchgezogene Linie A1 entspricht dabei immer der Amplitude im belastungsfreien Zustand und die gestrichelte Linie A2 entspricht der Veränderung im Lastfall während des Aufpralls.

Dabei ist deutlich zu erkennen, dass der Amplitudenunterschied im Bereich der Anregungsfrequenz fx dank der Zwischenschaltung der Induktivität sich deutlich vergrößert und so besser signaltechnisch erfasst und ausgewertet werden kann. Darüber hinaus stehen noch gänzlich andere Messmethoden zur Verfügung, von denen in Figur 4 noch ein alternatives Ausführungsbeispiel näher erläutert werden soll.

Gezielt wird hierbei gerade keine Sinus-Schwingung als Anregungssignal verwendet, sondern es erzeugt die Signalquelle 2 ein frequenzgespreiztes Signal, wobei dessen Mittelwert vorzugsweise zudem über ein vorgegebenes Zeitintervall zumindest annähernd Null ist. Ein solches Anregungssignal lässt sich extrem einfach durch ein Schalterkonzept mit positiver und negativer Signalspannung und einer Impulssteuerung der Schalter realisieren, wobei ausgehend von einem einheitlichen Grundtakt rein die Impulsdauer der einzelnen Impulse in einem definierten Bereich über einen Zufallsgenerator variiert werden, wobei jeweils ein positiver Impuls und ein gleichlanger entgegengesetzter negativer Impuls aufeinander folgen, so dass mit hinreichender messtechnischer Genauigkeit der Mittelwert des Anregungssignals zumindest näherungsweise konstant, vorzugsweise Null ist. Ein zumindest näherungsweise konstanter Offset kann durch geeignete Filtermittel, bspw. einen einfachen Tiefpass bereits beseitigt werden. Maßgeblich ist dabei wiederum eigentlich nur, dass es die Messungen des triboelektrischen Effekts nicht zu stark verfälscht und die Grundtaktfrequenz und damit die spektrale Verteilung dieses Anregungssignals so gewählt ist, dass das Anregungsfrequenzspektrum hinreichend unterscheidbar vom triboelektrischen Effekt ist.

Dieses frequenzgespreizte Signal wird in diesem Ausführungsbeispiel über eine bekannte Referenzkapazität C dem Aufprallsensor 1 zugeführt und es ist im zweiten Auswertepfad ein Multiplikator M vorgesehen, welcher das Ausgangssignal des Aufprallsensors 1 mit dem Anregungssignal multipliziert. Es bildet sich also über die Referenzkapazität C und die Kapazität AC des Aufprallsensors 1 eine kapazitive (Halb-)Messbrücke und durch die Multiplikation eine sogenannte synchrone Demodulation, welche über den nachgeschalteten Tiefpass F2 zur weiteren messtechnischen Auswertung aufintegriert wird. Dieser auch als„Lock in" genannte Ansatz ist hoch selektiv auf das jeweilige Anregungssignal und damit äußerst robust gegen von außen ein gekoppelte Störungen.

Abschließend sei nochmals erwähnt, dass auch eine gemeinsame Signalvorverarbeitung beispielsweise über einen Anti-Alias-Filter und einen A/D-Wandler gemeinsam für beide Auswertepfad denkbar ist und die Auftrennung in die beiden Auswertepfade ausschließlich erst im digitalen Bereich erfolgt, wo noch ganz andere Auswertemöglichkeiten beispielsweise im digitalen Signalprozessor zur Verfügung stehen, um letztlich wieder für die weitere Auswertung die zwei Größen ST für den triboelektrischen Effekt und SC für die Kapazitätsänderung während des Aufpralls bereitzustellen. Eine solche Schaltung wird ergänzt noch in Figur 5 gezeigt. Neben dem gemeinsamen AD-Wandler ist ein digitaler Signalprozessor vorgesehen, welcher rein numerisch arbeitet bspw. das um einen Takt verzögerte Signal Z^_1 einerseits vom aktuellen Signal subtrahiert und somit in Sinne eines sogenannten Lock-In-Verstärkers einen auf das Anregungssignal synchronisierten Bandpass darstellt und damit den kapazitiven Signalanteil erfasst, während durch Addition des um einen Takt verzögerten Signal Z^_1 zum aktuellen Signal eine Tiefpasswirkung entsteht, so dass dort eher die triboelektrischen Effekte erfasst werden können.

Grundgedanke ist letztlich nur, für die Sensierung von Kräften, Drücken oder vergleichbaren Belastungen, während der Kraftwirkung über zwei physikalisch unterschiedliche Effekte, also sowohl die rein aus der unterschiedlichen Elektronenaffinität der Materialien basierenden triboelektrischen Ladungsverschiebung als auch die durch die aktive Anregung durch die Signalquelle messbaren Kapazitätsänderung zwei einander ergänzende Signale zu generieren. Diese können rein zueinander redundant behandelt und plausibilisiert werden oder gezielt für unterschiedliche Einflussparameter, wie bspw. eher statische oder dynamische Belastungen, Oberwellen, Vibrationen o.dgl. stehen.

Als Aufprallsensor angeordnet in einer aufprallrelevanten Zone eines Fahrzeugs, also insbesondere der Stoßstange des Fahrzeugs, können die Signale des Sensors damit einer Auswerteeinheit zur Aktivierung von Sicherheitseinrichtungen zum Schutz von Insassen und/oder Fußgängern bereitgestellt werden, wobei die Signale beider Auswertepfade ausgewertet und auf Plausibilität geprüft werden, wie bspw. auch einem Aufprall an einem Kraftfahrzeug mit einem solchen.

Im Folgenden soll aber noch ein weiteres Anwendungsgebiet näher erläutert werden.

Dämpfungselemente mit Kunststoff (z.B. Gummi, Silikon, EPDM) als Dämpfungsmaterial sind ein wesentlicher Bestandteil technischer Geräte (z.B.: Fahrwerk-Federung, Motor-Aufhängung, Waschmaschinen-Trommel, Industriemaschinen, usw.). Diese Dämpfungselemente können z.B. auch unter Förderbändern eingesetzt werden, um Fallenergien aufzunehmen und das eigentliche Förderband zu schützen.

Auch in großen Konstruktionen wie z.B. Brücken oder Gebäude (Erdbebenschutz) werden Kunststoffbasierte Dämpfungselemente verbaut. Auch in Matratzen oder Schuhen finden Dämpfungselemente Anwendung. Oft wäre es hilfreich sowohl die statische als auch die dynamische Belastung in diesen Dämpfungselementen messen zu können, um darauf in angemessen Weise reagieren zu können. Entsprechend sind solche Dämpfungselemente mit Sensoren ausgestattet. Der hier vorgestellte Sensor eignet sich dafür besonders. Hierbei werden sowohl statische Kräfte (mittels kapazitivem Effekt) als auch Vibrationen (mittels triboelektrischen Effekt) gemessen. Der erfinderische Schritt ist die Kombination des (Kunststoffbasierten) Dämpfungsmaterials mit dem Sensorelement und einer elektronische Auswerte-Einheit, welche vorzugsweise zudem eine drahtlose Übermittlung der Sensor Signale (oder weiterverarbeitete Signale) ermöglicht. Solche zweikanaligen Sensoren mit triboelektrischen als auch kapazitivem Effekt in Dämpfungselementen können also gezielt unterschiedliche Belastungen der Dämpfungselemente erkennen, d.h. eher statische und ggfs. überlagert auftretende dynamische Effekte erfassen, seien dies Resonanzschwingungen in Motoren, Getrieben oder ähnlichen bewegten mechanischen Systemen oder eben neben statischen Belastungen von Gebäuden, Brücken etc. auch dynamische Schwingungen durch sich überlagernde Impulse, sei es durch Verkehr auf Brücken, Wind, Wellen oder gar Erdbeben.

So zeigt Fig. 6 als Prinzipskizze ganz abstrakt ein solches universelles Dämpfungselement. Eingebettet in ein erstes, äußeres Dämpfungsmaterial ist ein elektrisch leitender Mantel als erster Leiter angeordnet und bspw. als Draht, Geflecht, Litze aus Metall oder Carbonfasern oder einem leitfähigen Kunststoff gebildet. In dessen Innerem ist das zweite, elektrisch nicht leitende Material, welches vorzugsweise ebenfalls dämpfend wirkt. Im Inneren ist ein elektrisch leitfähiger Kern, bspw. wieder ein Draht, eine Litze oder Carbonfasern oder leitfähiger Kunststoff kern denkbar.

Wie in Fig. 6b im Querschnitt von oben gut zu erkennen, ist die elektrische Baugruppe mit der Signalquelle, Auswerteeinheit für die Signale als auch dem Transponder zum Empfangen von Energie und Senden der Daten vom äußeren Dämpfungsmaterial voll umschlossen und das Dämpfungselement so extrem flexibel und autark einsetzbar, solange ein entsprechender Gegentransponder nur in hinreichender Reichweite der drahtlosen Übertragung angeordnet werden kann.

Es sei nochmals hingewiesen, dass der triboelektrische Effekt bzw. deren Grenzfläche(n) dabei sowohl zwischen dem ersten, äußeren elektrisch leitfähigen Mantel und dem zweiten Material oder auch zwischen dem zweiten Material und dem inneren, zweiten Leiter, also bspw. einer dritten Schicht auftreten kann. Es können also in einer Schichtenfolge durchaus mehrere triboelektrische Grenzflächen auftreten, deren Wirkung, also Polarität der Ladungsträgerverschiebung unter Kraftwirkung sich verstärken oder eben auch dämpfen kann. Durch isolierende oder reibungsmindernden Zwischenschichten, unterschiedliche Materialverbindung oder Oberflächenbeschaffenheit und Größenunterschiede zwischen den Flächen kann der Effekt an einem der Übergänge deutlich verstärkt und an dem anderen deutlich reduziert bis quasi unterdrückt werden. Einfachstes Beispiel dafür sei eine Koaxialanordnung mit einer deutlich größeren triboelektrisch wirksamen Grenzfläche zwischen äußerem Leiter und Dielektrikum als im Inneren zwischen Dielektrikum und Innenleiter, wobei die Kraftwirkung und Materialverschiebung auf diese innere triboelektrische Grenzfläche zudem geringer ist, so dass diese zweite, innere und ja von der Polarität gegensinnig gepolte triboelektrische Grenzfläche gegenüber der erste, äußeren schon von der Größe, aber eben auch Stärke der Bewegung fast vernachlässigbar gestaltet werden kann.

Darüber hinaus kann die triboelektrische Wirkung noch weiter verstärkt werden, indem bspw. anstelle eines der beiden elektrischen Leiter bzw. elektrisch leitfähigen Schichten der Kondensatoranordnung ein zusätzliches drittes, elektrisch leitfähiges Material in zumindest örtlicher Berührung zum zweiten Material vorgesehen ist. Zudem oder alternativ kann für die triboelektrisch wirksame Grenzfläche anstelle des zweiten, dielektrischen Materials ein viertes, nicht leitfähiges, in zumindest die vorgegebene Richtung elastischen Material vorgesehen sein, wie im Zusammenhang mit Fig. 13 noch näher erläutert werden wird. Ebenso können mehrere triboelektrische Grenzflächen in Kraftrichtung hintereinander angeordnet sein, wobei die Polarität jeweils berücksichtigt werden muss.

In Fig. 7b wurde der erste elektrische Leiter auch in den Seitenflankenbereichen um das zweite, nicht leitende Material gezogen, so dass der Innenbereich noch besser abgeschirmt wird. Die Zuführung des Anregungssignals und der Signalabgriff erfolgen über Zuleitungen, welche vorzugweise auch isoliert sind.

Die Figuren 8a und 8b skizzieren den Anwendungsfall, bei welchem ein Dämpfungsmaterial, beispielsweise Elastomere, wie bereits eingangs beschrieben elektrisch leitfähig ausgestaltet wird und so als elektrischer Leiter fungieren kann. Dies wird für den äußeren Leiter angewendet und bildet somit das äußere Dämpfungsmaterial zugleich den äußeren Leiter. Der innere Leiter als Kern kann dabei ebenfalls aus einem solchen, also leitfähigen Kunststoff-Material oder als klassischer Leiter metallisch als Draht oder Litze gestaltet sein. Elastizität und Flexibilität eines solchen Sensors können neben dem geringeren Fertigungsaufwand Vorteile einer solchen Lösung sein. Inwieweit die evtl. geringere elektrische Leitfähigkeit solcher Materialien gegenüber klassischen Metallen ausreicht, hängt auch von der konkreten Formgebung ab, die ja wiederum sehr flexibel ist, wie eingangs bereits erläutert.

Entsprechend wird auch in Fig. 9 eine torusförmige Ausgestaltung eines Dämpfungselements gezeigt, bei welchem ein ich sich koaxialer Sensor kreisförmig im äußeren Dämpfungsmaterial liegend angeordnet ist. Die koaxiale Sensorform ist allseitig empfindlich und damit geeignete, beliebig gerichtete Belastungen auf das Dämpfungselement zu erfassen. Die elektrische Baugruppe ist in dieser Fig. 9c außen am Dämpfungselement angeordnet, könnte aber natürlich auch vom äußeren Dämpfungsmaterial mit umschlossen werden.

Die Figuren 10 und 11 skizzieren die weitere bevorzugte Verwendung des Sensors in Fahrzeugreifen. Dabei kann wieder eine koaxiale Rundkabelform verwendet und in die Reifenstruktur entlang des Reifenumfangs eingebettet werden. Hier ist in Figur 10 eine Anordnung im Bereich der Lauffläche gezeigt, kann die Anordnung sich aber auch auf andere Bereiche des Reifens für sinnvoll erweisen, sofern dort entsprechende Kräfte bzw. Belastungen erfasst werden sollen. Wie im Bereich klassischer Reifend rucksysteme heute bereits üblich, können die elektrische Baugruppe mit Transponder, Signalquelle und Auswertung an der Innenseite des Reifens angeordnet werden.

Eine noch vorteilhaftere Ausgestaltung des Sensorelements ist die Nutzung bereits im Reifen vorhandener Strukturen. So werden in Reifen bereits Stahlgürtel bzw. Gewebe verwendet, um dem Reifen die nötige Stabilität zu geben. Mit drei solcher Stahl-Lagen kann ein vollständiges koaxial-triboelektrisches Sensorelement realisiert werden. Die mittlere Lage entspricht dem Innenleiter des ursprünglichen Koaxialkabel-Sensors. Die mittlere Lage ist von der inneren und der äußeren Stahl-Lage elektrisch isoliert durch ein elastisches isolierendes Material. Die äußeren Lagen sind idealer Weise am Rand elektrisch miteinander verbunden, und bilden so den Außenleiter des ursprünglichen Koaxialkable-Sensors, wie in Fig. 1 1. skizziert. Aber auch wenn nur eine einzige im Reifen eh vorhandene Stahllage oder eine enthaltene Kunststoff läge als 2. Material genutzt werden kann, vereinfacht sich der Kosten- und Fertigungsaufwand bereits und ist der Schutzbereich entsprechend nicht auf die besondere Ausgestaltung gemäß Fig. 11 beschränkt.

Die Figur 12a skizziert nun noch eine weitere Ausgestaltung eines Anwendungsgebiets dieses Sensors. Es zeigt den Querschnitt durch einen Schlauch mit einem Hohlraum, in welchem sich Luft oder ein anderes Gas, Flüssigkeiten oder dergleichen befinden bzw. fließen können. Um den Hohlraum befindet sich ein Mantel, wobei im Mantel oder als Mantel ein erfindungsgemäßer Sensor angeordnet ist. Die Fig. 12a zeigt dabei den Fall, dass der Sensor den Mantel selbst bildet, also alle Bestandteile des Mantels auch funktional dem Sensor zuzuordnen sind. So ist der äußere Mantel der erste elektrische Leiter und in dessen Innerem das nicht leitende, dielektrische Material angeordnet und nachfolgend der innere Leiter quasi die innere Lage zum Hohlraum hin bildet. Selbstverständlich kann dieser Aufbau auch durch weitere Lagen innen, dazwischen oder außen ergänzt werden. Es können also weitere Schichten an die einzelnen Schichten aufgebracht werden, um bestimmte Effekte zu verstärken oder abzuschwächen bzw. um eine Schutzwirkung für einzelne Komponenten oder das Gesamtsystem zu erzielen, also bspw. den inneren Leiter gegen den Hohlraum elektrisch zu isolieren, den elektrisch leitenden Mantel außen nochmals zu schützen odgl.

Darüber hinaus kann durch gezielte Beeinflussung der Flexibilität der Schichten zueinander gesteuert werden, ob der Sensor eher auf Kraftwirkung von Innen vom Hohlraum aus, also insbesondere Innendruckempfindlich ist oder auf Kräfte von außen oder man sogar die beiden parallelen Effekte und Sensorpfade dazu nutzt, um auf einem Pfad eher den Innendruckanteil zu erfassen, auf dem anderen die Belastungen von außen. Schichtdicken und Aufbau sind also noch in erheblichem Maße an den jeweiligen Anwendungsfall anpassbar.

Dadurch ergibt sich eine Lösung zur Überwachung des Innen- und/oder Außendruckes in Schläuchen und Rohren. Hierzu wird also ein System mit mehreren Lagen verwendet, wobei zwei davon leitfähig sein müssen um als ,+'- und ,-'-Pol eines Kondensators zu dienen, während die dritte ein weiches/ verformbares Dielektrikum darstellt. Weitere Innen/ Außenlagen können zum Schutz des Aufbaus oder zur weiteren Spezialisierung des Systems/Schlauches aufgebracht werden, wie schon erläutert. Mögliche Anwendungsgebiete der Innendrucksensierung sind jegliche Art von Schläuchen/Rohren zum Transport von Fluiden.

Die Überwachung des Außendrucks inklusive der Fähigkeit der Sensierung von kurzzeitigen Ereignissen könnte für die Überwachung von Rohr/Schlauchsystemen dienen, welche in extremen Umweltbedingungen verlegt sind. z.B. Gas-/ Öl- oder Daten- Leitungen in Erdbebengebieten/ im Tiefseeeinsatz.

Die beiden leitenden Schichten werden nun an eine der gezeigten geeigneten Schaltungen angeschlossen, mit deren Hilfe sich der Kapazitive und der Triboelektrische Effekt messen lassen. Mit diesem System und den messbaren Effekten lassen sich folgende Informationen gewinnen:

Das kapazitive Signal stellt den statischen Gesamtdruck im Schlauch dar oder eine statische Kraft die von außen auf das System wirkt oder eine langsame Verformung/Änderung der Geometrie des Systems abhängig von der richtungsspezifischen Auslegung des Systems.

Mit Hilfe des tribolelektrischen Signals lassen sich lokale/kurzzeitige Ereignisse erfassen, verursacht etwa durch Fremdkörper, die durch das System befördert werden und dabei lokal auf die Innenfläche des Systems auftreffen. Bei einem Aufbau, der nach außen gerichtet sensiert, lassen sich schnelle mechanische Belastung von außen auf das System detektieren.

Durch die Messung des ohmschen Widerstandes zwischen Innen und Außenleiter lässt sich zudem ein Selbsttest des Systems ermöglichen, da bei einem Leck/ Loch im System durch austretende Flüssigkeit der ohmsche Widerstand verringert wird, sofern die transportierte Flüssigkeit oder die Umgebung in gewissem Maße elektrisch leitend sind.

Die Figur 12B zeigt nun darüber hinaus noch eine besonders geeignete Verwendung eines solchen Schlauchs mit einem in den Schlauchmantel integrierten Sensor mit triboelektrischen als auch kapazitiven Effekt und einem Hohlraum, wobei der Querschnitt dem in Figur 12 gezeigten bzw. beschriebenen entsprechen kann.

Zusätzlich ist neben zumindest den Signalen (SC, ST) des ersten und zweiten Auswertepfades, insbesondere den kapazitiven und triboelektrischen Signalanteilen darüber hinaus an zumindest einem, vorzugsweise an jedem Ende des Schlauches jeweils ein Drucksensor (PPS pSAT) zur Erfassung von Druckänderungen im Hohlraum des Schlauchs vorgesehen und wird das Signal des oder der Drucksensoren (PPS pSAT) ebenfalls als weiteren Aufprallsignal ausgewertet. Ein solcher Aufprallsensor mit einem Schlauch wird in einer aufprallrelevanten Zone eines Kraftfahrzeugs, insbesondere der Stoßstange des Fahrzeugs angeordnet, wobei durch die Elastizität eines solchen Schlauches erhebliche Gestaltungsspielräume möglich sind, wie durch die geschlängelte Form hier skizziert werden soll. In den Figuren 12 A und 12 B entspricht dabei jeweils gemäß den üblichen Abkürzungen im Automobilbereich X der Fahrtrichtung des Fahrzeuges, Y der Querrichtung, in welcher sich ein solcher Aufprallsensor in der Regel über die komplette Fahrzeugfront erstreckt und Z die Hochachse des Fahrzeugs, also die 3. Dimension, welche in der Schnittdarstellung in Figur 12 A zu sehen ist.

Ein solcher Aufprallsensor dient zur Aktivierung von Sicherheitseinrichtungen zum Schutz von Insassen, hier einmal als OSS zusammengefasst, und/oder Fußgängern, hier als PPS skizziert.

Die Erhöhung der Anzahl von Auswertesignalen stellt dabei nicht nur eine bloße Redundanz dar, sondern sind die jeweiligen Effekte eben physikalisch bedingt unterschiedlich empfindlich hinsichtlich der Stärke als auch Spektrallinien Verteilung der Frequenz der Belastung und können über die bloße Redundanz hinaus eventuelle Schwächen jeweils eines Sensorkonzeptes durch die gerade in den anderen Spektralbereich empfindlicheren Effekte ausgeglichen werden und so insgesamt eine deutlich bessere Auswertung erreicht werden als mit jedem Effekt für sich genommen, ohne aber den baulichen Aufwand erheblich zu erhöhen. Gerade in der Aufprallerkennung für Kraftfahrzeuge geht es auch ausschließlich um die Erkennung der Art der Kollisionen bzw. Kollisionsobjekte und gerade nicht um eine physikalisch kalibrierte Kraft-oder Druck-Belastungsmessung und können die hier dargestellten Signale, also Drucksignal, kapazitives Signal und triboelektrisches Signal und gegebenenfalls zu dem auch noch ein im Folgenden näher zu beschreibendes 3., für die spontanen Entladungen signifikantes Signal im Sinne einer unscharfen Verknüpfung beispielsweise durch neuronale Netze bzw. Fuzzy-Logik für die jeweiligen doch teils recht unterschiedlichen Fahrzeugstoßstangen gelernt und parametriert werden.

Die Figur 13a skizziert nun noch rein schemenhaft, dass zusätzlich zu den beiden elektrischen Leitern und dem zweiten, dielektrischen Material zur Optimierung des triboelektrischen Materials evtl. noch ein drittes Material auf einer der Seiten des zweiten, dielektrischen Materials eingefügt wird und auf dieser Seite den triboelektrischen Effekt zu verstärken. Alternativ oder ergänzend könnte man zudem noch eine Schicht einfügen, um auf der entgegengesetzten Seite die triboelektrische Wirkung zu schwächen.

Die Figuren 13b und 13c skizzieren nun noch rein schemenhaft, dass zusätzlich zu den beiden elektrischen Leitern und dem zweiten, dielektrischen Material zur Optimierung des triboelektrischen Materials evtl. noch ein viertes Material eingefügt wird, welches anstelle des zweiten Materials die triboelektrisch aktive Grenzfläche bildet und zwar zu einem der Leiter (Fig.13b) oder aber, wie in Fig. 13c skizziert, zu dem dritten Material.

Die Figur 14 zeigt nun noch rein skizzenhaft denkbare Oberflächenstrukturierungen an der Grenzfläche der beiden zueinander triboelektrisch aktiven Materialien. Die straffierten äußeren Bereiche sind jeweils die zwei Leiter, der dazwischenliegende karierte Bereich das 2. Material als Dielektrikum und ein Partner in der triboelektrischen aktiven Grenzfläche. Wie erkennbar, kann entweder die Oberfläche des 2. Materials oder des Leiters strukturiert werden, um jeweils durch die Beweglichkeit der Materialien zueinander die Freisetzung von Ladungsträgerverschiebungen zu verstärken. Die unterste Skizze in Figur 14 zeigt zudem noch die Hinzufügung eines dritten Materials in so einer Anordnung.

Die Figuren 15-17 zeigen nun noch aufeinander aufbauend weitere Ausgestaltungen der signaltechnischen Auswertung des entsprechenden Sensors, wobei die Figur 15 an sich identisch mit Figur 5 ist, jedoch nicht mehr die interne Taktung im MikroController bzw. digitalen Signalprozessor und Ableitung des Anregungssignals sowie des Abtastfakt Signals in den Vordergrund gestellt wird, sondern der Übergang von der diskreten Elektronik der Auswerteschaltung hin in die digitale Signalverarbeitung nochmals verdeutlicht werden soll, um darauf aufbauend in den folgenden Figuren Bezug zu nehmen. Insofern sei ergänzend für die Beschreibung der Figur 15 auf die der Figur 5 verwiesen. Als Anregungssignal ist, wie in Fig. 5 ein periodisches, rechteckförmiges Signal mit einer vorgegebenen Taktfrequenz vorgesehen und ein Differenzverstärker zum Abgreifen des Messsignals über der Messbrücke eingangsseitig am MikroController vorgesehen. Der Analog-Digital-Wandler wird mit einer Abtastrate auf das Doppelte zur Taktfrequenz des rechteckförmigen Anregungssignals, also bspw. 16kHz in Bezug auf das ja an sich ebenfalls mit 16 kHz erzeugte, aber aufgrund der abwechselnden positiven und negativen Pulse mit 8kHz zu definierende Rechteckimpulssignal erzeugt.

In Figur 16 hingegen wird nun skizzenhaft in Funktionsblöcken eine Signalauswertung skizziert, bei welcher die ursprüngliche Abtastrate in 2 zueinander parallelen Zwischenpfaden halbiert wird.

Dies wird symbolisch durch einen Schalter skizziert, welcher jeweils im Takt der Halbperiode des Anregungssignals umschaltet und so die Funktion des Multiplexers bspw. aus den Figuren 4 und 5 übernimmt. Natürlich sollte klar sein, dass alles praktisch in digitaler Signaltechnik rein softwareseitig umgesetzt werden kann, d.h. bspw. hier skizzenhaft als Schalter dargestellte Baustein und die Zwischenpfade eben durch entsprechende Zuweisung von Werten der entsprechenden Signale an entsprechende Speicher realisiert werden können. Das Heruntersampeln und die wechselweise Zuweisung definierter Wertepaare in beide Pfade verringert zudem das Offsetrauschen in den Nutzsignalen.

Die zwei zueinander parallelen Zwischenpfade erhalten also je Halbperiode des Anregungssignals jeweils im Wechsel einer der Zwischenpfade jeweils den aktuellen Abtastwert. In einem der Zwischenpfade ist zumindest ein Verzögerungsglied z^_1 um eine Halbperiode des Anregungssignals enthalten, d.h. das Signal bzw. der Wert jeweils verzögert.

Die Signale dieser beiden Zwischenpfade werden nachfolgend einerseits additiv zum Signal (ST) des ersten Auswertepfads gemischt und andererseits das Signal aus dem Zwischenpfad mit dem Verzögerungsglied vom Signal des anderen Zwischenpfads zum Signal (SC) des zweiten Auswertepfads abgezogen.

In der Figur 16 ist jedoch bereits die besonders bevorzugte Weiterbildung gezeigt, bei welcher dieses jeweilige additive bzw. subtraktive Mischen erst nach Zwischenschaltung weiterer Nachverarbeitungsschritte, hier nämlich jeweils einer Filterung gegen Einflüsse durch spontane Entladungen beispielsweise einen Medianfilter umgesetzt ist. Vorzugsweise sind in jedem der Zwischenpfade jeweils einander identische Filtermittel vorgesehen, um die Signale nachfolgend gleich gewichtet mischen zu können. Die Figur 17 zeigt nun noch ein nochmals weitergebildetes Ausführungsbeispiel, in welchem die eingangs bereits diskutierten spontanen Entladungen an der Grenzfläche der triboelektrischen Schichtfolge nicht mehr nur als störende und daher durch Filter zu beseitigende Störeffekte betrachtet, sondern vielmehr als ein weiteres, drittes Nutzsignal aufbereitet werden. Dazu wird in den zwei Zwischenpfaden jeweils vor den Filtermitteln das Signal oder der Wert erfasst und von diesem jeweils das Signal oder der Wert in diesem Zwischenpfad nach der Filterung abgezogen. Der Absolutbetrag der Werte oder Signale dieser beiden Subtraktionen wird wiederum zu einem dritten Wert oder Signal des dritten Auswertepfades bereitgestellt und kann so eigenständig ausgewertet werden.

Insbesondere stellt dieses Signal Einflüsse nochmals in einem 3. Frequenzband, das heißt von dem 1. Frequenzband des 1. Auswertepfades und 2. Frequenzband des 2. Auswertepfades unterschiedliches Frequenzband dar. Aufgrund der Umsetzung in der Software eines MikroControllers bzw. digitalen Signalprozessors erfordert dies quasi keinen zusätzlichen Kostenaufwand und nur vernachlässigbar geringe zusätzliche Rechenschritte. Experimente am Prototyp haben ergeben dass dieses Signal jedoch einen sehr starken Zusammenhang mit Verspannungen oder Dehnung und Streckung des Sensorelements hat. Auf diese Weise kann man also ein zusätzliches 3. Signal gewinnen, welches wiederum einen anderen mechanischen Ursprung und damit andere Signaleigenschaften hat bzw. haben kann und somit zumindest für bestimmte Anwendungsfälle eine zusätzliche Auswertemöglichkeit schafft.

Die Figur 18 skizziert nun noch anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels die besonderen Vorteile der hier vorgestellten Sensoranordnung. So wird in diesem Ausführungsbeispiel der Sensor mit triboelektrischen und kapazitiven Effekt als eine Dichtung in eine Seitentür eines Fahrzeugs bzw. den Karosserierahmen zur Aufnahme einer solchen Seitentür integriert. Vergleicht man nun für die unterschiedlichen beschriebenen Anwendungsfälle die hier nur skizzenhaft vereinfacht dargestellten zu erwartenden Signale des triboelektrischen und kapazitiven Auswertepfades der jeweiligen Tür untereinander als auch zusätzlich mit der gegenüberliegenden Tür eines Kraftfahrzeugs, so lassen sich in erheblichem Maße signifikant unterschiedliche Muster und damit gut unterscheidbare Betriebssituationen erfassen.

Wie in Figur 18 A gezeigt, ist beim Öffnen der Tür an der Dichtung dieser Tür im kapazitiven Auswertepfad eine Entlastung des zuvor gestauchten die elektrischen Materials und damit eine Erhöhung der Kapazität zu erwarten. Im triboelektrischen Signal dieser Tür hingegen ist mit Beginn der Bewegung eine eher sprunghafte Änderung des Spannungsniveaus zu erwarten, beim Schließen der Tür entsprechend umgekehrt, wie in Figur 18b skizziert. Neben dem Öffnen und Schließen und dem darauf ableitbar waren Schließzustand können in Stärke und zeitlichen Verlauf der Signale aber eben auch andere Betriebszustände, wie beispielsweise ein Seitenaufprall, seitliche Winde oder sogar Querbeschleunigung durch Kurvenfahrten erkannt werden, aber eben auch beispielsweise ein Stoß oder Druck von innen gegen die Tür genauso wie auf das Fahrzeug insgesamt wirkende Erschütterungen beispielsweise durch ein Schlagloch und durch die Zusammenschau der Signale beider Türen entsprechende Betriebszustände abgeleitet werden.

Sind die hier skizzierten Anwendungsfälle für eine Dichtung einer Seitentür eines Kraftfahrzeugs beschrieben, so kann der Fachmann daraus doch wiederum auch geeignete Verwendungen dessen wieder ableiten also beispielsweise eine frühzeitige Erkennung von Seitenwinden auf Fahrzeugen noch bevor entsprechende, im Inneren des Fahrzeuges angeordnete Inertialsensoren dies beispielsweise erkennen können.

Auch wenn die Anmelder zunächst primär automobiltechnische Anwendungen betrachten, eignen sich die hier vorgestellten Sensoren und deren Signale doch auch für völlig andere Anwendungsfälle, wie dies beispielsweise schon für die Biomedizin bei triboelektrischen Sensoren an sich bekannt ist.

Claims

Patentansprüche

1 ) Sensor (1 ) mit

a) zumindest einem ersten elektrischen Leiter (1 .1 ) aus einem ersten, elektrisch leitfähigen Material, einem zweiten, nicht leitfähigen, in zumindest eine vorgegebene Richtung elastischen Material (1.2), einem zweiten elektrischen Leiter (1.5), welcher in die vorgegebene Richtung beabstandet und vom ersten elektrischen Leiter (1.1 ) durch zumindest das zweite Material (1.2) getrennt ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

b1 ) zumindest einer der Leiter (1.1/1.5) oder ein drittes, elektrisch leitfähiges Material (1.3) so in zumindest örtlicher Berührung mit dem zweiten Material (1.2) angeordnet sind, oder b2) zumindest einer der Leiter (1.1/1.5) oder ein drittes Material (1.3) so in zumindest örtlicher Berührung mit einem vierten, nicht leitfähigen, in zumindest die vorgegebene Richtung elastischen Material (1.4) angeordnet sind, und

b3) dass bei einer Kraftwirkung (F) aus der vorgegebenen Richtung unter Erzeugung des triboelektrischen Effekts zwischen diesen Materialien eine Relativbewegung erfolgt, und die durch den triboelektrischen Effekt entstehende, elektrische Ladungsverschiebung (Q) erfassbar ist, wobei

c) ein erster Auswertepfad (ST) zum Erfassen und Auswerten von Signalanteilen in einem ersten Frequenzband,

d) ein zweiter Auswertepfad (SC) zum Erfassen und Auswerten von Signalanteilen in einem zweiten, vom ersten verschiedenen Frequenzband und

e) eine Signalquelle (2) zur Erzeugung eines Anregungssignals mit einem bekannten

Anregungsfrequenzspektrum vorgesehen ist, wobei dieses Anregungssignal dem Sensor zuführbar ist.

2) Sensor (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Auswertepfad (ST) zumindest primär die Ladungsverschiebung (Q) aufgrund des triboelektrischen Effekts und im zweiten Auswertepfad (SC) zumindest primär die während der Kraftwirkung zudem auftretende Änderung der Kapazität (AC) des Sensors (1 ) mittels des Anregungssignals erfassbar ist. 3) Sensor (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungsfrequenzspektrum zumindest im Wesentlichen außerhalb des ersten Frequenzbandes liegt.

4) Sensor (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Baugruppe zum drahtlosen Empfang von elektrischer Energie und/oder drahtlosen Übertragung der Signale des Sensors oder daraus abgeleiteter Signale vorgesehen ist.

5) Sensor (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Signalquelle (2) und Sensor (1 ) ein bekannter Widerstand (R) geschaltet ist und der Widerstand mit Sensor (1 ) ein RC-Glied bildet und das Anregungsfrequenzspektrum der Signalquelle (2) im Bereich zwischen 10% bis 500% um die Eckfrequenz des RC-Glieds im unbelasteten Zustand gewählt ist.

6) Sensor (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Signalquelle (2) und Sensor (1 ) zudem eine Induktivität (L) geschaltet ist und der Sensor (1 ) mit dem Widerstand (R) und der Induktivität somit ein LRC-Glied bilden und das Anregungsfrequenzspektrum der Signalquelle (2) größer als die Resonanzfrequenz des LRC-Glieds im unbelasteten Zustand gewählt ist.

7) Sensor (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Auswertepfad (ST) zumindest eine Tiefpassfilterfunktion (F1 ) enthalten ist, wobei die Eckfrequenz der Tiefpassfilterfunktion zumindest unterhalb des Anregungsfrequenzspektrums der Signalquelle (2) liegt.

8) Sensor (1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Auswertepfad (SC) zumindest eine Hochpassfilterfunktion (F2), vorzugsweise dieser nachgeschaltet ein Gleichrichter und Tiefpass (F3) angeordnet sind, wobei die Eckfrequenz dieser Hochpassfilterfunktion (F2) zumindest oberhalb der Eckfrequenz der Tiefpassfilterfunktion (F1 ) des ersten Auswertepfads, jedoch unterhalb des Anregungsfrequenzspektrums liegt. 9) Sensor (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungssignal ein frequenzgespreiztes Signal ist, wobei dessen Mittelwert über ein vorgegebenes Zeitintervall zudem zumindest annähernd konstant, vorzugsweise Null ist und dieses frequenzgespreizte Signal, vorzugsweise über eine Messbrücke mit einer bekannten Referenzkapazität (C), dem Sensor (1 ) zuführbar ist und im zweiten Auswertepfad (SC) ein Multiplikator (M) vorgesehen ist, welcher das Ausgangssignal des Sensors (1 ) mit dem Anregungssignal multipliziert.

10) Sensor (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Auswertepfad (SC) eine Lock-In-Schaltung vorgesehen ist, welcher das Anregungssignal und das Messsignal zugeführt wird.

1 1 ) Sensor (1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass

als Anregungssignal ein periodisches, rechteckförmiges Signal mit einer vorgegebenen Taktfrequenz,

ein Analog-Digital-Wandler mit einer Abtastrate von zumindest dem Doppelten der Frequenz des rechteckförmigen Anregungssignals,

zwei zueinander parallelen Zwischenpfaden, von denen mit jeden Flankenwechsel des Anregungssignals jeweils im Wechsel einer der Zwischenpfade jeweils den aktuellen Abtastwert erhält,

wobei in einem der Zwischenpfade zumindest ein Verzögerungsglied um zumindest eine Halbperiode des Anregungssignals enthalten ist,

Mittel vorgesehen sind, um die Signale dieser beiden Zwischenpfade nachfolgend, ggfs. unter Zwischenschaltung weiterer Nachverarbeitungsschritte,

einerseits additiv zum Signal (ST) des ersten Auswertepfads zu mischen und

andererseits das Signal aus dem Zwischenpfad mit dem Verzögerungsglied vom Signal des anderen Zwischenpfads zum Signal (SC) des zweiten Auswertepfads abzuziehen.

12) Sensor (1 ) nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Zwischenpfade Filtermittel vorgesehen sind. 13) Sensor (1 ) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um in den zwei Zwischenpfaden jeweils vor den Filtermitteln das Signal oder den Wert zu erfassen und von diesem jeweils das Signal oder den Wert in diesem Zwischenpfad nach der Filterung abzuziehen und die Absolutwerte oder Absolutsignale dieser beiden Subtraktionen wiederum zu einem dritten Wert oder Signal eines dritten Auswertepfades bereitzustellen.

14) Sensor für mechanische Belastungen mit kapazitivem als auch triboelektrischem Effekt, bestehend aus einer Schichtfolge unterschiedlicher Materialien,

wobei zumindest einige, vorzugsweise alle Schichten elastisch bezüglich der vorgesehenen Belastung sind

a) für den kapazitiven Effekt in der Schichtfolge vorgesehen sind

eine erste, elektrisch leitfähige Schicht (1.1 ),

eine zweite, nicht leitfähige Schicht (1.2),

eine zweite, elektrisch leitfähige Schicht (1.5), welche in Richtung der Belastung beabstandet und von der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (1.1 ) durch zumindest die zweite Schicht (1.2) getrennt ist,

b) für den triboelektrischen Effekt in der Schichtfolge vorgesehen sind

zumindest eine elektrisch leitfähige Schicht (1.1/1.5) mit einer ersten Elektronenaffinität sowie in zumindest örtlicher Berührung mit dieser eine zweite Schicht (1.2/1.4) aus einem Material, welches nicht leitfähig ist und eine zweite Elektronenaffinität aufweist, welches um ein vorgegebenes Maß abweicht von der (ersten) Elektronenaffinität der ersten Schicht (1.1/1.5),

so dass bei einer Belastung (F) aus der vorgegebenen Richtung unter Erzeugung des triboelektrischen Effekts zwischen diesen Materialien eine Relativbewegung erfolgt, und die durch den triboelektrischen Effekt entstehende, elektrische Ladungsverschiebung (Q) erfassbar ist,

c) eine Signalquelle (2) zur Erzeugung eines Anregungssignals mit einem bekannten Anregungsfrequenzspektrum vorgesehen ist, wobei dieses Anregungssignal dem Sensor zuführbar ist

d) und Schaltungsmittel zum Erfassen der Signale des kapazitiven und triboelektrischen Effekts aufgrund der Belastung des Sensors vorgesehen sind. 15) Sensor nach Anspruch 14 sowie den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 13.

16) Kraftfahrzeug mit einem solchen Sensor (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche als Aufprallsensor angeordnet in einer aufprallrelevanten Zone, insbesondere der Stoßstange des Fahrzeugs, sowie einer Auswerteeinheit zur Aktivierung von Sicherheitseinrichtungen zum Schutz von Insassen und/oder Fußgängern, wobei die Signale beider Auswertepfade ausgewertet und vorzugsweise auf Plausibilität geprüft werden.

17) Dämpfungselement zur Dämpfung mechanischer Krafteinwirkungen, insbesondere mechanischer Schwingungen, mit einem elektrisch nicht leitenden Kunststoffmaterial und einem Sensor zum Erfassen der Krafteinwirkung, dadurch gekennzeichnet, dass

der Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 15 gestaltet ist und daher aufweist: zumindest einen ersten elektrischen Leiter aus einem ersten, elektrisch leitfähigen Material, wobei der Leiter in Berührung mit einem zweiten, nicht leitfähigen Material angeordnet ist und bei einer Kraftwirkung aus einer vorgegebenen Richtung der Leiter und/oder das zweite Material relativ zueinander unter Erzeugung des triboelektrischen Effekts zwischen dem ersten und zweiten Material beweglich sind

und die durch den triboelektrischen Effekt zwischen erstem und zweitem Material im elektrischen Leiter entstehende, elektrische Ladungsverschiebung (Q) erfassbar ist, und zudem

a) einen ersten Auswertepfad (ST) zum Erfassen und Auswerten von Signalanteilen in einem ersten Frequenzband,

b) einen zweiten Auswertepfad (SC) zum Erfassen und Auswerten von Signalanteilen in einem zweiten, vom ersten verschiedenen Frequenzband und

c) eine Signalquelle (2) zur Erzeugung einer Anregungssignals mit einem bekannten Anregungsfrequenzspektrum, wobei dieses Anregungssignal dem Sensorsystem zuführbar ist

d) und ein zweiter elektrischer Leiter, welcher in Richtung der Kraftwirkung vom ersten elektrischen Leiter zumindest durch das zweite Material getrennt ist,

e) wobei der Sensor im Material des Dämpfungselements angeordnet ist und/oder das Material des Dämpfungselements das zweite Material des Sensors ist. 18) Dämpfungselement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Baugruppe vorgesehen ist, welche zum drahtlosen Empfangen von Energie sowie Bereitstellen dieser für die Signalquelle (2) und einer Datenübertragungseinheit, welche die Signale des Sensors oder daraus abgeleitete Signale drahtlos sendet, wobei die elektrische Baugruppe vorzugsweise komplett im Dämpfungselement eingeschlossen ist.

19) Reifen mit einem Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 15.

20) Schlauch mit einem Hohlraum sowie einem Mantel um diesen Hohlraum, wobei im Mantel oder als Mantel ein Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 15 angeordnet ist.

21 ) Aufprallsensor mit einem Schlauch nach Anspruch 20 zur Anordnung in einer aufprallrelevanten Zone eines Kraftfahrzeugs, insbesondere der Stoßstange des Fahrzeugs und zur Aktivierung von Sicherheitseinrichtungen zum Schutz von Insassen und/oder Fußgängern, wobei der Aufprallsensor neben zumindest den Signalen (SC, ST) des ersten und zweiten Auswertepfades, insbesondere den kapazitiven und triboelektrischen Signalanteilen darüber hinaus zumindest einen, vorzugsweise an jedem Ende des Schlauches jeweils einen Drucksensor (PPS pSAT) zur Erfassung von Druckänderungen im Hohlraum des Schlauchs aufweist und das Signal des oder der Drucksensoren (PPS pSAT) ebenfalls als weiteren Aufprallsignal auswertbar ist.

22) Dichtung zwischen zumindest zwei Teilen, insbesondere für Fenster, Türen oder bewegliche Komponenten, wobei die Dichtung einen Sensor (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche aufweist und zumindest ein Signal über die auf die Dichtung wirkende Belastung erzeugt.