| Περίληψη |
Οι αισθητήρες πίεσης διαθέτουν ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών, ξεκινώντας από την
αυτοκινητοβιομηχανία και τη μετεωρολογία, μέχρι τη χρήση τους σε έξυπνα σπίτια, όπου μπορούν να
ανιχνεύσουν την πτώση ενός ανθρώπου. Συγκεκριμένα, η ανίχνευση της πτώσης ή ακόμα και η
πρόβλεψή της, αποτελούν μια τεχνολογία η οποία αναπτύσσεται ραγδαία και μπορεί να προσφέρει
πολλές λύσεις και βοήθεια σε ανθρώπους, ανεξάρτητα από το αν εμφανίζουν κινητικές δυσκολίες ή
όχι. Ανάμεσα σε αυτές τις βιοϊατρικές τεχνολογίες βρίσκεται και η ανάπτυξη νέων διαγνωστικών
εργαλείων, όπως είναι η έξυπνη σόλα, της οποίας η χρήση μπορεί να προσφέρει ανάλυση βαδίσματος.
Ωστόσο, για να είναι εφικτό μία σόλα να μπορεί να κάνει ανάλυση, θα πρέπει να έχει μία συστοιχία
αισθητήρων πίεσης, οι οποίοι παρέχουν συνεχώς μία τιμή ανάλογη του φορτίου που δέχονται. Μία
κατηγορία αυτών των αισθητήρων είναι οι χωρητικοί (αισθητήρες που βασίζονται σε διάταξη
πυκνωτή). Λόγω της μεγάλης ευαισθησίας, γρήγορης απόκρισης και διακριτικής τους ικανότητας,
πολλές φορές πλεονεκτούν έναντι άλλων συστημάτων μέτρησης. Είναι όμως ευάλωτοι σε παρεμβολές
από πεδία περιβάλλοντος και συχνά έχουν μεγάλο κόστος, λόγω των αναγκαίων εξωτερικών
ηλεκτρονικών κυκλωμάτων λήψης κι επεξεργασίας σήματος.
Η είσοδος της τεχνολογίας προσθετικής κατασκευής (Additive Manufacturing, 3D printing) στην
έρευνα, σε συνδυασμό με την ανάπτυξη υλικών με αγώγιμες, διηλεκτρικές κι ελαστικές ιδιότητες,
έδωσε νέες επαναστατικές δυνατότητες σχεδιαστικής και κατασκευαστικής ελευθερίας στην
πρωτοτυποποίηση, καθώς πλέον μπορούν να παραχθούν βασικά ηλεκτρικά στοιχεία και κυκλώματα.
Βασικά πλεονεκτήματα που προσφέρει η συγκεκριμένη τεχνολογία, είναι ο πλήρης έλεγχος καθ’ όλη
τη διάρκεια της κατασκευής, αλλά και δυνατότητα για δοκιμές και βελτιστοποίηση σε κάθε βήμα, με
το ελάχιστο οικονομικό και χρονικό κόστος. Μπορούμε πλέον να κατασκευάσουμε ολοκληρωμένα
συστήματα μέτρησης πίεσης με βάση χωρητικούς αισθητήρες, που να είναι ανταγωνιστικά τόσο σε
κόστος κατασκευής όσο και σε αποτελεσματικότητα.
Στην εργασία αυτή, παρουσιάζεται η κατασκευή και ο χαρακτηρισμός ενός 3D εκτυπωμένου (3DP)
πυκνωτικού αισθητήρα πίεσης, με σκοπό τη μετέπειτα ανάπτυξη έξυπνης σόλας, δεκαέξι αισθητήρων,
η οποία θα βασίζεται εξολοκλήρου σε 3D εκτύπωση. Για τη βελτιστοποίηση της λειτουργικότητας σε εύχρηστα μεγέθη διάταξης, δοκιμάστηκαν διαφορετικά νήματα, γεωμετρίες, διαστάσεις και ρυθμίσεις
εκτύπωσης.
Στο πρώτο μέρος (Εισαγωγή) επισημαίνεται η σημασία ανάλυσης βαδίσματος και η μέχρι τώρα
πρόοδος στη δημιουργία διαγνωστικών πελμάτων.
Στο δεύτερο μέρος (Μεθοδολογία, υλικά και διατάξεις), παρατίθενται οι εκτυπωτές, τα νήματα και
τα λογισμικά που χρησιμοποιήθηκαν. Περιγράφεται η διαδικασία εκτύπωσης, οι διατάξεις σταθερής
πίεσης και προσομoίωσης βηματισμού. Αναλύεται η βαθμονόμηση του συστήματος μέτρησης
χωρητικότητας με Arduino IDE.
Στη συνέχεια (Μετρήσεις και αποτελέσματα) εξετάζεται η εξάρτηση της συμπεριφοράς των
πυκνωτών από τις διαστάσεις και το σχήμα τους, τα filaments και τις ρυθμίσεις εκτύπωσης, το χρόνο
και τη θερμοκρασία περιβάλλοντος μέτρησης. Παρουσιάζεται το τελικό μοντέλο αισθητήρα με τον
προτιμότερο συνδυασμό απόκρισης, μεγέθους και ευκολίας κατασκευής, αλλά και οι χαρακτηριστικές
καμπύλες φόρτωσης εκφόρτωσης δεκαέξι τέτοιων πυκνωτών.
Στο τελευταίο κεφάλαιο (Ανάλυση και σχολιασμός), υπολογίζονται χαρακτηριστικά μεγέθη
πυκνωτή, γίνεται σχολιασμός της συμπεριφοράς τους, και παρατίθενται τα συγκεντρωτικά
αποτελέσματα των δεκαέξι τελικών αισθητήρων.
Τέλος, παρατίθεται η Βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε, το Παράρτημα Α, με κάποια σχόλια για
τη διαδικασία των μετρήσεων και το Παράρτημα Β, όπου βρίσκονται δύο κώδικες που
χρησιμοποιήθηκαν για τις μετρήσεις.
|
Ανάπτυξη 3D εκτυπωμένων χωρητικών αισθητήρων πίεσης για εφαρμογές σε ανάλυση βαδίσματος
