Schaumstoff Kraftmesser

Medium · 20 min · Günstig

Ziel & Lerninhalt

Antistatischer Schaumstoff ändert seinen Widerstand bei Druck.

  • Piezoresistiven Effekt verstehen

Erklärung & Wissen

Basic

Schwarzer Schaumstoff, in dem empfindliche Computerchips verpackt werden, leitet Strom. Er enthält nämlich mikroskopisch kleine Kohlenstoffpartikel (Carbon). Wenn man den Schaumstoff nicht beruehrt, liegen diese Partikel weit auseinander – der Strom fließt nur schwer. Drücken wir den Schaumstoff zusammen, werden die Partikel eng aneinander gepresst. Es entstehen viele neue Kontakte, und der Strom kann viel leichter fliessen – der Widerstand sinkt.

Medium

Diesen Effekt, bei dem sich der Widerstand eines Materials durch mechanischen Druck ändert, nennt man den piezoresistiven Effekt. Indem wir den Schaumstoff oben und unten mit Alufolie kontaktieren und an einen Spannungsteiler anschliessen, können wir das Zusammendrücken direkt als Spannungsänderung messen. Das Mainboard registriert den analogen Wert: Je stärker der Druck, desto höher ist die gemessene Spannung.

Expert

Physikalisch basiert dieser Sensor auf der Änderung des Kontaktwiderstands zwischen den eingebetteten Kohlenstoffpartikeln bei Deformation des Polymergerüsts. Die Kennlinie dieses DIY-Sensors ist hochgradig nicht-linear und weist eine mechanische Hysterese auf – das Material nimmt nach Entlastung nicht sofort seine ursprüngliche Form an. In der professionellen Sensorik wird dieser Effekt bei Dehnungsmessstreifen (DMS) genutzt, um Verformungen an Brücken oder Flugzeugtragflächen im Mikrometerbereich zu erfassen.

Fun Fact

Genau dieser antistatische Schaumstoff schützt teure Mikrochips vor elektrostatischer Entladung (ESD), indem er Ladungen langsam ableitet. Als Kraftmesser zweckentfremdet, kostet dieser Sensor praktisch keinen Cent!

Piezoresistiver Effekt
Wenn Druck auf ein Material wirkt, ändert sich sein elektrischer Widerstand – das macht ihn zum Sensor. Im antistatischen Schaumstoff sind Kohlenstoffpartikel in der Gummimasse verteilt. Im Ruhezustand liegen sie weit auseinander → hoher Widerstand. Beim Drücken rücken sie zusammen → mehr Kontaktpunkte → niedrigerer Widerstand. Die Kennlinie ist nichtlinear und zeigt Hysterese (beim Entlasten federt der Sensor langsamer zurück als beim Belasten).
Antistatischer Schaumstoff
Der schwarze Verpackungsschaum für Elektronik, der absichtlich ein bisschen Strom leitet. Normaler Schaumstoff ist ein guter Isolator und würde Chips durch statische Aufladung zerstören. Antistatischer Schaumstoff leitet Ladungen langsam ab (Widerstand typisch 10 kΩ–10 MΩ), ohne einen Kurzschluss zu erzeugen. Als Sensor zweckentfremdet, sind seine Eigenschaften grob und unpräzise – aber für ein DIY-Kraftsensor absolut ausreichend.
Spannungsteiler (als Sensor)
Reihenschaltung aus Sensor + Festwiderstand, die eine Kraft in eine messbare Spannung umwandelt. Sensor $R_S$ (variabel) + Festwiderstand $R_{fix}$ in Reihe: $U_{out} = 5\,\mathrm{V} \cdot R_{fix}/(R_S + R_{fix})$. Der Festwiderstand sollte ähnlich groß wie der Sensor im Mittelbereich sein, damit die Spannung beim Drücken möglichst weit schwankt. Zu kleiner Festwiderstand → alles nah an 5 V, zu großer → alles nah an 0 V.
Hysterese (mechanisch)
Der Sensor zeigt beim Entlasten andere Werte als beim Belasten – er 'erinnert sich' an die vorige Verformung. Weiche Materialien (Schaumstoff, Gummi) kehren nach Druckentlastung nicht sofort in die Ausgangsform zurück (Relaxation). Das bedeutet: Bei gleichem Druck zeigt der Sensor leicht unterschiedliche Werte, je nachdem ob die Kraft gerade steigt oder fällt. Für Präzisionsmessung ein Problem – für Klatscherkennung oder grobe Gewichtsmessung egal.

Praktischer Versuch: Schaumstoff Kraftmesser

Baue eine funktionierende Schaltung auf, um Schaumstoff Kraftmesser hautnah zu visualisieren und zu testen.

  • Antistatik-Schaumstoff
  • Alufolie
  • Arduino

  1. Sandwich-Bau

    Lege den Schaumstoff zwischen zwei Lagen Alufolie.

    Check: Lagen stabil

Schaumstoff-Sandwich als variablen Widerstand an A0.

int pressure = analogRead(A0);
  • Keine Änderung — Prüfe, ob die Alufolie sich nicht direkt berührt.

Kurzzusammenfassung

Der antistatische Schaumstoff ändert seinen Widerstand bei mechanischem Druck (piezoresistiver Effekt). Dies lässt sich über einen analogen Pin als Kraft- oder Gewichtssensor messen.

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