Biegesensor aus Papier & Graphit

Medium · 30 min · Kostenlos

Ziel & Lerninhalt

Baue einen Flex-/Biegesensor aus einem Stück Papier mit einer dichten Graphit-Schicht – die Widerstandsänderung beim Verbiegen wird über den Analogeingang gemessen.

  • Das Prinzip Widerstand-durch-Geometrie (R = ρ·l/A) verstehen.
  • Eine Graphitspur als variablen Widerstand einsetzen.
  • Einen Spannungsteiler aufbauen, der die kleine Änderung messbar macht.

Erklärung & Wissen

Basic

Wenn du mit einem weichen Bleistift (2B oder weicher) eine dicke, lange Linie auf Papier malst, leitet die Graphitspur ein wenig Strom. Verbiegst du das Papier, verschieben und brechen sich die Graphit-Schuppen leicht – die Linie wird elektrisch 'enger'. Der Widerstand der Linie steigt sichtbar an. Mit zwei Krokoklemmen an den Enden und einem Spannungsteiler am Mainboard sehen wir genau, wie stark das Papier gerade gebogen ist.

Medium

Die Graphitspur verhält sich wie ein dehnungsempfindlicher Widerstand. Im gestreckten Zustand hat sie typisch einige hundert Kiloohm bis wenige Megaohm. Damit ProtoPeaks Mainboard das messen kann, baust du einen einfachen Spannungsteiler: Graphit-Sensor + 1 MΩ Festwiderstand in Reihe zwischen 5V und GND, Mittelabgriff auf A0. Beim Biegen ändert sich das Spannungsverhältnis, der ADC-Wert wandert. Glätten über einige Messungen reduziert das Rauschen, das durch hochohmige Kontakte unvermeidlich ist.

Expert

Das Funktionsprinzip ist eine Mischung aus Geometrie- und Perkolations-Effekt: Beim Biegen vergrößert sich die effektive Länge der Strompfade in der Schicht ($l \uparrow$), gleichzeitig öffnen sich Mikrorisse zwischen einzelnen Graphit-Plättchen und der wirksame Qürschnitt ($A \downarrow$) nimmt ab. Beides erhöht $R = \rho \cdot l/A$. Weil der Sensor selbst sehr hochohmig ist, dominiert in der Praxis der Qüllwiderstand am ADC-Eingang das Rauschen – der Referenzwiderstand im Spannungsteiler sollte deshalb in derselben Größenordnung liegen wie der Sensor im Ruhezustand. Eine kurze Mittelung (oversampling, z.B. 32×) erkauft 1–2 zusätzliche effektive Bits Auflösung.

Fun Fact

Kommerzielle Flex-Sensoren – wie sie in den ersten VR-Datenhandschuhen (Nintendo PowerGlove, 1989) steckten – arbeiteten nach demselben Prinzip: eine leitfähige Tinte auf einem Polymer-Streifen, die beim Biegen ihren Widerstand ändert.

Biegesensor (Flex-Sensor)
Ein Sensor, dessen elektrischer Widerstand sich verändert, wenn er gebogen wird. Professionelle Flex-Sensoren (z.B. Spectra Symbol) nutzen eine leitfähige Tinte auf Polyester-Folie – dasselbe Prinzip wie deine Graphitspur. Beim Biegen dehnt sich die Außenseite, die Leitschicht reißt mikroskopisch → Widerstand steigt. Typische Werte: 25 kΩ gerade, 100 kΩ bei 90° Biegung.
Mikrorisse
Winzige Brüche in der Graphitschicht, die beim Biegen entstehen und den Strom bremsen. Graphit-Schichten sind nicht elastisch – beim Biegen brechen sie an den schwächsten Stellen. Die verbleibenden Kontaktpunkte werden weniger und kleiner → Widerstand steigt. Biegst du zu stark, reißt die Spur komplett. Zu schwaches Aufdrücken beim Zeichnen → dünne Schicht → reißt früher.
Spannungsteiler
Sensor und Festwiderstand in Reihe – die Spannung am Mittelabgriff ändert sich mit dem Sensor. $U_{out} = U_{in} \cdot R_{fix}/(R_{Sensor} + R_{fix})$. Den Festwiderstand $R_{fix}$ wählt man gleich dem Sensor-Ruhewert – dann ist die Empfindlichkeit maximal. Zu großer Festwiderstand: Signal liegt immer oben. Zu kleiner: Signal liegt immer unten. Typisch: Sensor ~500 kΩ im Ruhezustand → $R_{fix} = 1\,\mathrm{M\Omega}$.
Oversampling
Mehrere Messungen schnell hintereinander mitteln, um das Rauschen zu reduzieren. 4× Oversampling → 1 Bit mehr effektive Auflösung. 16× Oversampling → 2 Bit mehr. Kostet Messzeit, gewinnt Stabilität. Bei hochohmigen Sensoren wie diesem Biegesensor sehr sinnvoll: 32 Messungen mitteln reduziert das Rauschen auf ein Viertel des ursprünglichen Werts.

Praktischer Versuch: Papier-Biegesensor

Male eine dicke Graphitspur, klebe Kontakte an, messe den ADC-Wert beim Biegen.

  • Streifen festes Papier (ca. 2 × 8 cm)
  • Bleistift 2B oder weicher
  • 2 Krokoklemmen oder Alufolie + Klebeband
  • 1 MΩ Widerstand (Referenz)

  1. Graphitspur auftragen

    Schraffiere mit dem 2B-Bleistift eine breite, deckende Spur über die ganze Länge des Papierstreifens. Drücke fest, aber zerstöre das Papier nicht.

    Check: Die Linie ist gleichmäßig dunkel, ca. 1 cm breit, deckend.

    Tipp: Lieber drei dünne Lagen übereinander malen als einmal kratzen – das gibt eine geschlossene Schicht ohne Mikrolücken.

  2. Kontakte anlegen

    Bringe an beiden Enden der Spur einen flächigen Kontakt an (Alufolie + Klebeband). Hier kommen später deine Messleitungen ran.

    Check: Mit dem Multimeter messbarer Widerstand (typisch 200 kΩ – 2 MΩ).

    Tipp: Klebe an jedem Ende ein kleines Stück Alufolie mit Klebeband fest auf die Graphitspur – das ergibt deutlich stabilere Kontakte als Krokoklemmen direkt aufs Papier.

  3. Mechanik manuell testen

    Miss zuerst mit dem Multimeter (ohne Mainboard), während du das Papier vorsichtig zu einem U biegst. So weißt du, ob der Sensor mechanisch sauber arbeitet, bevor du Strom drauf gibst.

    Check: Beim Biegen steigt der gemessene Widerstand sichtbar an, beim Entlasten fällt er fast zurück.

    Tipp: Wenn der Wert nach dem Entlasten nicht zurückkehrt, hast du die Spur gerissen – neue Linie malen.

  4. Spannungsteiler aufbauen

    Schalte Sensor und 1 MΩ in Reihe zwischen 5V und GND. Der Mittelabgriff geht auf A0.

    Check: Im Ruhezustand liefert A0 einen Wert zwischen 200 und 800.

    Tipp: Wenn der Wert immer 0 oder 1023 ist, passt der Referenzwiderstand nicht zum Sensor – tausche 1 MΩ gegen 470 kΩ oder 2,2 MΩ.

  5. Auswertung im Code

    Lade den Code hoch, beobachte die Werte und ermittle deinen 'Schwellwert' für Biegeerkennung.

    Check: Serieller Monitor zeigt klare Unterschiede zwischen 'flach' und 'gebogen'.

    Tipp: Eine kleine Mittelung (10–32 Werte) macht die Anzeige spürbar ruhiger, ohne träge zu werden.

5V → Papier-Sensor → A0 → 1 MΩ → GND.

// ProtoPeaks - Biegesensor aus Papier
const int sensorPin = A0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  long sum = 0;
  for (int i = 0; i < 16; i++) {
    sum += analogRead(sensorPin);
    delay(2);
  }
  int val = sum / 16;
  Serial.print("Biegung ADC: "); Serial.println(val);
  delay(100);
}
  • Werte ändern sich kaum beim Biegen. — Spur zu dünn oder zu kurz. Nochmals dicker schraffieren und/oder länger ziehen – mehr Material = mehr Effekt.
  • Wert springt unkontrolliert. — Wackelkontakt an den Alufolien. Klebeband fester andrücken und Mittelung im Code erhöhen.
  • Nach mehrmaligem Biegen kein Signal mehr. — Spur ist physisch gerissen. Neue Linie über der alten nachziehen oder Papier ersetzen – Graphit ist nicht ermüdungsfest.

Kurzzusammenfassung

Mit Bleistiftgraphit auf Papier hast du einen voll funktionierenden Biegesensor gebaut. Der Widerstand der Spur steigt beim Verbiegen messbar an, ein Spannungsteiler macht daraus eine saubere Spannung am Analogeingang.

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