Was haben lineare Wegaufnehmer mit gutem Schlaf zu tun?

Wegaufnehmer und Winkelsensoren unterschiedlicher Funktionsprinzipien werden in der Automatisierungstechnik gebraucht, wenn es gilt, lineare oder rotative Bewegungen zu erfassen. Auf industrielle Einsatzbereiche trifft das ebenso zu wie auf mobile Anwendungen oder die Medizintechnik. Selbst in eher ungewöhnlichen Applikationen bewähren sich die vielseitigen Sensoren als unersetzliche Helfer. So erfassen beispielsweise lineare potentiometrische Sensoren bei der vergleichenden Warenprüfung von Matratzen die Einsinktiefe und sorgen für entspannten Schlaf. Messbereich, Linearität, Auflösung und das geringe Losbrechmoment waren Gründe, die für die Auswahl sprachen.

Gut 30 % seines Lebens verschläft der Mensch – es ist also wichtig, worauf man liegt. Die Forschungsgruppe Industrieanthropologie der Christian-Albrechts-Universität in Kiel untersucht, wie die individuell passende Matratze aussehen könnte. Insgesamt sechs Stationen umfasst der Prüfumfang, bei dem von den Stabilisierungseigenschaften über die Dauerbelastung bis zur Befragung von Probandinnen und Probanden nach Matratzeneigenschaften gesucht wird, die einen entspannten Schlaf beeinträchtigen können. Eine wesentliche Rolle spielt dabei die Prüfung der Liegeeigenschaften, also wie die Matratze den Körper abstützt. Die Matratze muss diese Funktion übernehmen, da die Muskulatur beim Schlafen erschlafft und somit Wirbelsäule, Becken oder auch Schulter nicht stützen kann. „Deshalb gilt es die reale sphärische Veränderung der Matratzenoberfläche während des Liegens zu registrieren“, erläutert Laborleiter Norbert Vogt. Je nach Statur ergeben sich dabei deutliche Unterschiede. Ein schwerer Proband, der gerne auf der Seite schläft, braucht eine andere Unterstützung als ein leichterer, der die Rückenlage bevorzugt.

Bevor getestet wird, ob eine Person zu einer bestimmten Matratze passt, wird deren Wirbelsäulen-Ausformung und Krümmung bestimmt, die sogenannte Kurvatur. „Wir benutzen dafür meist ein Kypholordosometer“, fährt Nobert Vogt fort. „Mit diesem Gerät können wir die gesamte Wirbelsäule erfassen, vom Kopf über den Halsbereich, zur sogenannten Brustkyphose und der Lendenlordose bis hin zum Steißbein.“ An einem stabilen Gestell sind dazu viele kleine Metallstifte angeordnet. Die werden an die Wirbelsäule der Testperson herangeschoben, so dass sich deren Silhouette abzeichnet. Das Bild der Kurvatur wird dann fotografiert und metrisch ausgewertet. „Inzwischen arbeiten wir an dieser Stelle auch lasergestützt, beim anschließenden Liegetest bringt uns diese Technik aber nicht weiter, weil der Laser nicht durch die Matratze dringt“, ergänzt der Laborleiter.

Was im Stehen vermessen wurde, wird anschließend mit der liegenden Wirbelsäule verglichen. Dafür wird ein Mess-Bett eingerichtet: Auf ein Hochgestell legen die Industrieanthropologen dazu eine der neuen Matratzen, die getestet werden sollen. Darunter werden Sensoren in einer Linie angebracht, deren Signale in einem Rechner verarbeitet werden. Legt sich nun der Proband auf die Matratze, verformt sich deren Oberfläche und die Sensoren erfassen die Tiefe des Einsinkens.

An den insgesamt drei Messbetten der Universität Kiel sind dazu jeweils bis zu 36 lineare potentiometrische Wegaufnehmer der Baureihe LWH oder TLH vom Sensorikspezialisten Novotechnik  im Einsatz. Die Sensoren sind für einen Verfahrbereich bis 150 mm bzw. 225 mm ausgelegt. Der Laborleiter erklärt: „Bei europäischen Matratzen genügt in der Regel der kleinere Messbereich, um bei einem Menschen in Rückenlage die Einsinktiefe zu messen. Bei Matratzen aus den USA ist das anders. Sie sind oft dicker und weicher. Bei den beiden neueren Testbetten haben wir die Sensorik deshalb für Einsinktiefen bis 225 mm ausgelegt.“

Für die Auswahl der Wegsensoren sprachen viele Gründe: Die Wegsensoren auf Potentiometerbasis sind ausgelegt für die direkte, genaue Messung von Wegen in der Mess-, Steuerungs- und Regelungtechnik, wovon die Matratzentester ebenfalls profitieren. „Überzeugt hat uns zudem das geringe Losbrechmoment beim Start der Messung“, betont Norbert Vogt. „Die Sensoren reagieren damit sehr feinfühlig auf kleinste Veränderungen der Liegeposition des Probanden“. Hinzu kommen die einfache Montage und ein durchdachter mechanischer Aufbau.

Die schubstangenlose Ausführung bei den TLH Typen erlaubt eine längsseitige Ankopplung und reduziert so das Einbaumaß. Zusätzlich vermeidet diese Bauform den Pumpeffekt von Schubstangen-Wegsensoren und ermöglicht auch weitaus größere Messlängen bis zu 3.000 mm. Ein magnetisch gehaltenes Stahlband sorgt für spaltfreie Abdeckung des Sensorinneren. Die Anlenkung der Betätigungskraft über eine Kugelkupplung vermeidet Querkräfte auf die Gleitschlittenlagerung, die sonst bei Parallel- oder Winkelversatz auftreten würden. Die Befestigung durch Spannklammern erlaubt es, die Einbaulage fein zu justieren.

Durch die Einfachheit des Messsystems – passiv und absolut – ist der Sensor weitgehend immun gegen elektrische Störungen und Einstreuungen, verliert nicht seinen Messwert bei Netzunterbrechung und erzeugt keine Störspannungen. Außerdem kann er mit einer hohen Lebensdauer punkten; je nach Anwendung bis zu 100 Mio. Bewegungen. „Verschleiß spielt deshalb bei unseren Messbetten keine Rolle“, ergänzt der Laborleiter. Auch Linearität und Auflösung sind mit bis zu ±0,02 % bzw. besser als 0,01 mm ausgesprochen gut. Dabei sind hohe Verstellgeschwindigkeiten möglich.

Potentiometrische Wegsensoren, wie sie beim Matratzentest eingesetzt sind, werden sich wegen ihres guten Preis-/Leistungsverhältnisses auch künftig in vielen Anwendungen gegenüber ihren kontaktlosen Verwandten behaupten. Dennoch gibt es bei den „Kontaktlosen“ durchaus praxisgerechte Alternativen. Die Wegaufnehmer der Serie LS1 beispielsweise arbeiten induktiv und sind jedoch hinsichtlich ihrer Abmessungen vollständig kompatibel mit der potentiometrischen T-Serie. Für schnelle Positionieraufgaben geradezu prädestiniert ist der induktive Wegaufnehmer TF1, der in Standardlängen von 100 bis 1.000 mm angeboten wird. Die Update-Rate des Messsystems erreicht 10 kHz, dies bedeutet einen Zeitverzug von nur 0,2 ms zwischen realer Position und dem zugehörigen Messwert. Kontaktlos arbeiten auch die absoluten magnetostriktiven Wegaufnehmer der Baureihe TP1, die sich für Messbereiche bis 4.250 mm eignen und durch eine unbegrenzte mechanische Lebensdauer punkten.