Kalibrierung von minaturisierten Drei-Komponenten-Kraftsensoren

Zusammenfassung: Am Institut für Elektromechanische Konstruktionen der TU Darmstadt werden im Rahmen des Projektes HapCath - haptischer Katheter - neuartige, miniaturisierte piezoresistive Dreikomponenten-Kraftsensoren entwickelt. Das HapCath System ist ein Assistenzsystem, das dem Arzt während der Herzkatheterisierung die auf das vordere im Körper befindliche Ende eines Führungsdrahtes wirkende Kraft haptisch mitteilt. Dazu wird am vorderen Ende des Führungsdrahtes ein miniaturisierter Kraftsensor integriert, um die Kraft des Führungsdrahtes auf die Gefäßwand zu messen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Kalibrierung dieser Sensoren. Dazu wird ein Gerät erweitert, mit dem der am Führungsdraht integrierte, kontaktierte und gehäuste Sensor fixiert und mit definierten Kräften beaufschlagt werden kann. Außerdem werden aus der Literatur Methoden zum Kalibrieren von Kraftsensoren zusammengetragen und auf den Kraftsensor angepasst. Des Weiteren wird ein Versuchsablauf auf Basis von bestehenden Normen zum Kalibrieren von Kraftmessgeräten entwickelt. Zur Krafteinkopplung in das Sensorelement wird ein 1D-Kraftmessplatz in Betrieb genommen und erweitert. Es wird eine Sensorhalterung entwickelt, mit der der Sensor fixiert werden kann und seine Position so einstellbar ist, dass mit einer vertikalen Krafteinleitung das komplette Krafteinkopplungsfeld des Sensors abgedeckt wird. Um den Aufwand zum Nachpositionieren bei Justage der Winkel zu minimieren, befindet sich der Sensor im Drehzentrum der Halterung. Mit dieser Halterung kann die Lage des Sensors in kontinuierlichen Schritten über drei Schrauben fixiert und über zwei Skalen abgelesen werden. Zum Bestimmen der Kalibriermatrix werden neben den beiden konventionellen Methoden Festpunkteinstellung (FPE) und Toleranzbandmethode (TBM) die Shape-From-Motion-Methode (SFMM) auf ihren zeitlichen Aufwand und ihre Genauigkeit hin untersucht. Tab: Bewertung der Kalibrierungsmethoden * Methode:....................FPE.....TBM....SFMM * Anzahl Messungen:.....4...........7........2 * Genauigkeit:............... gering...hoch....hoch Die SFMM zeichnet sich gegenüber der TBM durch eine hohe Genauigkeit aus. Darüber hinaus weist sie eine zeitlich geringeren Aufwand zur Kalibrierung als die FPE auf. Damit vereinigt sie die beiden Vorteile der konventionellen Methoden. Die SFMM bietet die Möglichkeit, durch eine hohe Anzahl von Messungen eine Kalibriermatrix mit hoher Genauigkeit zu ermitteln und diese bei der Kalibrierung von baugleichen Sensoren als a priori Wissen anzuwenden. Damit können weitere Sensoren durch eine Messung zum Nullpunktabgleich und einer zum Rotieren und Skalieren der vorher bestimmten Kalibriermatrix kalibriert werden. Allerdings konnte die Implementierung für die SFMM nur für den zweidimensionalen Fall abgeschlossen werden. Diese Arbeit gibt einen Ausblick, inwiefern ein Kompromiss zwischen einer hohen Genauigkeit und einem geringen zeitlichen Aufwand der Kalibrierung erreicht wird. Auf Grund von technologischen Schwierigkeiten beim Aufbau der Kraftsensoren, die für diese Arbeit bereitgestellt werden sollten, findet die Verifizierung der FPE und TBM anhand einer elektromechanischen Sensorsimulation statt