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Miniaturisiertes, batterieloses Sensorsystem zur Steckzyklenzählung an Verbindungskomponenten

Miniaturized, battery-free sensor system for mating cycle counting of connection components
 
: Augustin, Jörn; Klesse, Thomas; Neumeister, Peter; Oemus, Martin; Schubert, Lars; Schiefelbein, Frank-Peter

VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik -GMM-:
MikroSystemTechnik Kongress 2019 : Mikroelektronik - MEMS-MOEMS - Systemintegration - Säulen der Digitalisierung und künstlichen Intelligenz, 28. - 30. Oktober 2019, Berlin
Berlin: VDE-Verlag, 2019
ISBN: 978-3-8007-5090-0
ISBN: 978-3-8007-5129-7
S.561-564
MikroSystemTechnik Kongress <2019, Berlin>
Deutsch
Konferenzbeitrag
Fraunhofer IKTS ()
artificial intelligence; printed circuit board; piezoelectricity; MOEMS; microelectronics; microcontrollers; kinetics; kinetic energy; electromagnetic induction; electric batteries

Abstract
Um den sicheren Betrieb von Steckverbindern zu gewährleisten, sollten Verbindungskomponenten beim Überschreiten der designspezifischen Anzahl an Steckzyklen ausgetauscht werden. Voraussetzung dafür ist, dass die bereits erfolgten Steckzyklen erfasst und dokumentiert werden können, was bisher noch nicht ausreichend gut möglich ist. Zu diesem Zweck wurde eine energieautarke, batterielose Systemlösung entwickelt, die eine zuverlässige Ermittlung der erfolgten Steckzyklen erlaubt und direkt in einen Steckverbinder integriert oder an diesem nachgerüstet werden kann. Um das Sensorsystem zu versorgen, wird ein Teil der kinetischen Energie des Steckvorgangs mittels eines piezoelektrischen Wandlerelements in elektrische Energie umgewandelt. Die nachgeschaltete Elektronik konditioniert die generierte Spannung des piezoelektrischen Elementes für den Betrieb eines Mikrocontrollers. Dieser zählt bei Aktivierung einen Speicherwert hoch, um die Anzahl der bereits erfolgten Steckvorgänge zu dokumentieren. Darüber hinaus wurde das System hinsichtlich Zuverlässigkeit optimiert, um sicherzustellen, dass doppelte Zählvorgänge aufgrund überschüssiger Energie bei variierenden Steckvorgängen vermieden werden. Das Auslesen des Steckvorganges erfolgt mittels Nahfeldkommunikation (NFC). Dafür wurde auf der Leiterplatte eine Spule integriert, die aus dem elektromagnetischen Induktionsfeld des Lesegerätes ausreichend Energie bereitstellt, um die Anzahl der bereits erfolgten Steckzyklen aus dem Speicher auszulesen und auf ein Lesegerät zu übertragen. Als Lesegerät kann jedes NFC-fähige Smartphone oder Tablet verwendet werden.

 

To ensure the safe operation of connectors, connection components should be replaced when the design-specific number of mating cycles is exceeded. The prerequisite for this is that the already completed mating cycles can be recorded and documented, which is not yet sufficiently possible. For this purpose, an energy-autonomous, battery-free system solution was developed that allows reliable determination of the mating cycles that have taken place. The battery-free sensor system and can be integrated directly into a connector or retrofitted to it. In order to power the sensor system, part of the kinetic energy of the mating process is converted into electrical energy by means of a piezoelectric converter element. The downstream electronics processes the generated voltage of the piezoelectric element for the operation of a microcontroller. When activated, the microcontroller increments a stored value in order to document the number of mating processes that have already taken place. In addition, the system has been optimized for reliability to ensure that double counting is avoided, which might be caused by the excess energy of varying mating operations. The mating process is read out by means of near-field communication (NFC). For this purpose, a coil was integrated on the printed circuit board, which provides sufficient energy from the electromagnetic induction field of the NFC reader, to read out the number of mating cycles (already performed) from the sensor’s memory and transfer them to a NFC reader. Any NFC-enabled smartphone or tablet can be used as a reader.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-621426.html