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    Die Erfindung betrifft einen Dehnungsmessstreifen zur Messung von Dehnungen oder Stauchungen an Verformungskörpern (3), der aus einem dünnen elektrischen Leitermaterial gebildet ist. An den Endbereichen des elektrischen Leitermaterials sind elektrische Kontaktierungselemente (2, 12, 16) vorgesehen, durch die die Verbindung zu einer Mess- oder Auswerteschaltung herstellbar ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Leitermaterial aus einem elektrisch leitfähigen Kunstfaserwerkstoff (1, 10, 14) besteht, der in einem verhältnismäßig großen vorgegebenen Bereich dehnungselastisch ist. Der Kunstfaserwerkstoff (1, 10, 14) besteht vorzugsweise aus eine kohlenstoffhaltigen Dehnungsfaser (1, 10, 14), die dehnungsabhängig ihren elektrischen Widerstandswert verändert und durch den in einer elektrischen Messschaltung (Wheatstonesche Brückenschaltung) ein Signal erzeugbar ist, das der Dehnung bzw. Stauchung eines Verformungskörpers (3) proportional ist.The invention relates to a strain gauge for measuring strains or compressions on deformation bodies (3), which is formed from a thin electrical conductor material. At the end regions of the electrical conductor material electrical contacting elements (2, 12, 16) are provided, through which the connection to a measuring or evaluation circuit can be produced. The invention is characterized in that the electrical conductor material consists of an electrically conductive synthetic fiber material (1, 10, 14) which is extensively elastic in a relatively large predetermined area. The synthetic fiber material (1, 10, 14) preferably consists of a carbonaceous expansion fiber (1, 10, 14), the strain-dependent changes their electrical resistance and by the in an electrical measuring circuit (Wheatstone bridge circuit), a signal is generated, the strain or Compression of a deformation body (3) is proportional.
    公开号:DE102004008432A1
    申请号:DE102004008432
    申请日:2004-02-19
    公开日:2005-09-15
    发明作者:Wolfgang Dr. Bauch；Karl-Heinz Dr. Haase；Alexander Dr. Horoschenkoff；Sebastian Klein；Albrecht Mayer
    申请人:Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH；
    IPC主号:G01B7-16
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft einen Dehnungsmessstreifen zur Erfassung vonDehnungen oder Stauchungen an Verformungskörpern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs1.TheThe invention relates to a strain gauge for detectingStrains or compressions on deformation bodies according to the preamble of the claim1.
    [0002] Dehnungsmessstreifenwerden in der industriellen Messtechnik vorzugsweise in Aufnehmernzur Kraft-, Gewichts-, Druck- oder Drehmomentmessung eingesetzt.Vielfach benutzt man auch Dehnungsmessstreifen auch zur Spannungs-oder Dehnungsanalyse, bei der diese unmittelbar an hochbelastbaren Teilenappliziert und so deren Dehnungen oder Stauchungen an diesen Verformungskörpern erfasstwerden. Teilweise dienen Dehnungsmessstreifen aber auch dazu, anbestimmten Verformungskörpernlangfristige Veränderungenfestzustellen, um bestimmte Bauteilbelastungen dauerhaft zu überwachen.Dabei werden die Dehnungsmessstreifen auf besonders vorgesehenenKörpernappliziert, die einen Verformungskörper darstellen und die meistdie auf diesen einwirkende Kraft erfassen, die eine Dehnung oder Stauchungbewirkt hat und die der zu erfassenden physikalischen Größe proportionalist.Strain gaugesare used in industrial metrology preferably in transducersused for force, weight, pressure or torque measurement.In many cases, strain gages are also used for voltageor strain analysis, in which these directly on heavy-duty partsapplied and thus recorded their expansions or compressions on these deformation bodiesbecome. Partial serve strain gauges but also tocertain deformation bodieslong-term changesto permanently monitor certain component loads.The strain gauges are specially designedbodiesapplied, which represent a deformation body and the mostto grasp the force acting on it, the stretching or compressionhas caused and proportional to the physical quantity to be detectedis.
    [0003] Einderartiger Dehnungsmessstreifen ist aus der DE 40 11 314 C2 bekannt.Bei diesem Dehnungsmessstreifen ist auf einer Kunststoffträgerschicht eineMetallfolie aus einem elektrischen Widerstandswerkstoff vorzugsweiseKonstantan aufgebracht, aus der ein mäanderförmiges Messgitter ausgeätzt ist. DasMessgitter besteht aus einem elektrischen Leitermaterial, an dessenEndpunkte spezielle Kontaktierungselemente vorgesehen sind, aufdenen meist die Anschlussdrähteauflötbarsind.Such a strain gauge is from the DE 40 11 314 C2 known. In this strain gauge, a metal foil made of an electrical resistance material preferably constantan is applied to a plastic carrier layer, from which a meandering measuring grid is etched. The measuring grid consists of an electrical conductor material, at the end points of which special contacting elements are provided, on which usually the connecting wires can be soldered.
    [0004] Zummechanischen Schutz ist das Messgitter zusätzlich noch mit einer Kunststoffdeckschicht versehen,die gleichzeitig auch eine elektrische Isolation bewirkt. Zur Erfassungeiner Dehnung oder Stauchung wird das Messgitter in einer vorgesehenen Richtungauf einen Verformungskörpereines Messgrößenaufnehmersappliziert, der eine Widerstandsänderungbei auftretenden Stauchungen oder Dehnungen des Leitermaterialserzeugt. Zur Auswertung der durch die Widerstandsänderungerzeugten Messsignale werden die Dehnungsmessstreifen in der Regelin Wheatstone'schenBrückenschaltungen eingesetzt,die eine vorteilhafte Auswertung der erfassten physikalischen Größen ermöglichen.Derartige Dehnungsmessstreifen sind nicht nur in Messgrößenaufnehmernzur Erfassung vorzugsweise einer Kraft, eines Gewichts eines Drucksoder oder eines Drehmoments einsetzbar, sondern können zurSpannungsanalyse oder zum Monitoring auch direkt an den vorgesehenenVerformungskörpernappliziert werden. Allerdings ist der Dehnungsbereich derartigermetallischer Messgitter wegen den Materialermüdungserscheinungen auf ca.0,2% begrenzt. Bei höherenDehnungswerten ab 0,5% ist die Proportionalität nicht mehr gewährleistetund es entstehen häufig Risseim mäanderförmigen Leitermaterial,die die Messgenauigkeit beeinträchtigenund die Lebensdauer verringern bzw. zur Zerstörung führen können.To themechanical protection, the measuring grid is additionally provided with a plastic top layer,which also causes electrical insulation at the same time. To capturean elongation or compression is the measuring grid in a designated directionon a deformation bodya measuring sensorapplied, which is a resistance changein case of compression or strain of the conductor materialgenerated. For evaluation by the resistance changegenerated measuring signals are usually the strain gaugesin Wheatstone'sBridge circuits used,allow an advantageous evaluation of the detected physical quantities.Such strain gauges are not only in Meßgrößenaufnehmernfor detecting preferably a force, a weight of a pressureor or a torque used, but can forStress analysis or monitoring directly to the intendeddeformation bodiesbe applied. However, the strain range is suchmetallic measuring grid due to the material fatigue phenomena to approx.0.2% limited. At higherStrain values from 0.5%, the proportionality is no longer guaranteedand there are often cracksin the meandering conductor material,which affect the measurement accuracyand reduce the life or can lead to destruction.
    [0005] Beihöherenrelativen Dehnungs- oder Stauchungswerten werden in der Praxis meistdie Verformungskörperverstärktoder andere Materialien der Verformungskörper oder des Leitermaterialsgewählt, dieeine Überlastungder Dehnungsmessstreifen in gewissen Grenzen verhindern können. Einederartige Vorgehensweise ist aber häufig bei direkt appliziertenDehnungsmessstreifen auf Verformungskörpern zur Spannungsanalysebzw. zur Bauteilüberwachungnicht möglich,da dort teilweise auch höhere Dehnungswertezulässigsind oder erfasst werden müssen.Insbesondere werden heute verstärkthochbelastbare Kohlefaserverbundwerkstoffe eingesetzt, die vor ihremEinsatz beispielswei se im Flugzeugbau einer hochbelastbaren Spannungsanalyseunterzogen werden müssen.Derartige Verbundwerkstoffe weisen aber bei zulässigen Belastungen Dehnungen vonmindestens 1% auf, ohne dass dies zu Materialschäden führt. Bei herkömmlichenDehnungsmessstreifen mit einem Messgitter aus Konstantan-Leitungsmaterialwürdendiese Dehnungsmessstreifen wegen Überschreitung des zulässigen Dehnungsbereichsschon nach kurzer Betriebszeit ausfallen oder deren Messergebnissefehlerhaft sein. Dehnungsmessungen mit derartigen herkömmlichenDehnungsmessstreifen an Kunstfaserverbundwerkstoffen ist deshalbnur an verstärktenoder weniger stark gedehnten Oberflächenteilen möglich odermuss mit anderen speziellen Aufnehmerelementen durchgeführt werden.athigherrelative strain or compression values are usually in practicethe deformation bodiesreinforcedor other materials of the deformation bodies or of the conductor materialchosen, thean overloadthe strain gauges can be prevented within certain limits. AHowever, such procedure is often applied directlyStrain gauges on deformation bodies for stress analysisor for component monitoringnot possible,there there are some higher strain valuespermissibleare or must be recorded.In particular, today are reinforcedheavy duty carbon fiber composites used before theirUse beispielswei se in aircraft construction of a heavy duty stress analysismust be subjected.However, such composites have expansions of permissible loadsat least 1% without causing material damage. In conventionalStrain gages with a measuring grid made of Konstantan cable materialwouldthese strain gauges due to exceeding the allowable strain rangefail after a short period of operation or their measurement resultsbe flawed. Strain measurements with such conventionalStrain gauge on synthetic fiber composites is thereforeonly on reinforcedor less strongly stretched surface parts possible ormust be performed with other special transducer elements.
    [0006] Ausder DE 40 25 564 C1 isteine Vorrichtung zur Feststellung von Schlagbeschädigungenan Faserverbundwerkstoffbauteilen bekannt, bei der auf deren Oberfläche eineVielzahl von piezoelektrischen Folien angeordnet sind. Bei einerDruckeinwirkung auf die Verbundwerkstoffe führt dies bei den piezoelektrischenFolien zu einer Ladungsänderung,die dem Druck proportional ist und beim Überschreiten eines Grenzwertesals Schadensereignis auswertbar ist. Eine genaue Spannungsanalysemit hohen zulässigenvorgegebenen Belastungswerten ist aber mit einer derartigen Vorrichtungnicht durchführbar.From the DE 40 25 564 C1 a device for detecting impact damage to fiber composite components is known in which on the surface of a plurality of piezoelectric films are arranged. When pressure is applied to the composites, this leads to a change in charge in the piezoelectric films which is proportional to the pressure and can be evaluated as a damage event when a limit value is exceeded. An accurate stress analysis with high allowable predetermined load values is not feasible with such a device.
    [0007] ZurErfassung von Dehnungen oder Stauchungen an Werkstoffoberflächen sindnach dem Stand der Technik aber auch Halbleiter-Dehnungsmessstreifen bekannt, die inder Regel aus einem dotierten Silizium-Einkristall in einer bestimmtenOrientierung als dünneStreifen herausgeschnitten sind. Diese werden meist in eine Folieeingebettet und überbestimmte Kontaktierungselemente mit Anschlussdrähten verbunden. Derartige Halbleiter-Dehnungsmessstreifenwerden aber vorzugsweise nur an Verformungskörpern aus Metallen vorgesehen, beidenen die maximalen relativen Dehnungswerte vorherbestimmbar sind.Derartige Deh nungsmessstreifen aus Halbleitermaterialien weisenmeist eine schlechtere Linearitätund höhereSprödigkeitauf. Daher werden insbesondere Silizium-Dehnungsmessstreifen nurbei Dehnungen von höchstens0,5 % eingesetzt.For the detection of strains or compressions on material surfaces but also semiconductor strain gauges are known in the prior art, which are cut out of a doped silicon single crystal in a specific orientation as a thin strip usually. These are usually embedded in a film and certain contacting elements with an connected wires. However, such semiconductor strain gauges are preferably provided only on deformation bodies made of metals, in which the maximum relative strain values can be predetermined. Such Deh voltage gauges of semiconductor materials usually have a poorer linearity and brittleness. Therefore, in particular silicon strain gauges are used only at strains of at most 0.5%.
    [0008] DerErfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Aufnehmerelementezu schaffen, mit denen Dehnungen oder Stauchungen nicht nur an metallischenVerformungskörpern,sondern auch an Verformungskörpernaus Faserverbundstoffen erfassbar sind, deren Dehnungsbereich größer alsder herkömmlicherDehnungsmessstreifen ist.Of theThe invention is therefore based on the object, transducer elementsto create, with which expansions or upsets not only at metallicDeformation bodies,but also on deformation bodiesare detectable from fiber composites whose strain range greater thanthe conventional oneStrain gauge is.
    [0009] DieseAufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindunggelöst.Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindungsind in den Unteransprüchenangegeben.TheseThe object is achieved by the invention specified in claim 1solved.Further developments and advantageous embodiments of the inventionare in the subclaimsspecified.
    [0010] DieErfindung hat den Vorteil, dass durch die elektrisch leitfähigen Kunstfasernals elektrisches Leitermaterial der Dehnungsmessstreifen diese in Messrichtungeine sehr hohe Elastizitätund große Haltbarkeitaufweisen, so dass sie auch bei Dehnungen oder Stauchungen bis mindestens1% einsetzbar sind. Dabei erreichen die erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifenauch bei derart maximalen Dehnungswerten eine hohe Lebensdauer vonmindestens 106 Lastzyklen, wobei insbesonderebei schwer zugänglichenDehnungsmessstreifen der Reparaturaufwand erheblich senkbar ist.The invention has the advantage that, as a result of the electrically conductive synthetic fibers as the electrical conductor material, the strain gauges have a very high elasticity and high durability in the measuring direction, so that they can be used for strains or compressions of up to at least 1%. In this case, the strain gauges according to the invention achieve a high service life of at least 10 6 load cycles even with such maximum elongation values, whereby the repair effort can be lowered considerably, especially in the case of strain gauges that are difficult to access.
    [0011] Durchden Einsatz derartiger elektrisch leitfähiger Dehnungsmessfasern inden erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifenwerden durch Dehnungen oder Stauchungen des Verformungskörpers in MessrichtungQuerschnittsveränderungenin den Messfasern hervorgerufen, die eine lineare Widerstandsänderunghervorrufen, die der dehnungsverursachenden physikalischen Größe proportionalist. Dehnungsmessstreifen aus derartigen elektrisch leit fähigen Messfasernsind deshalb vorteilhaft in Wheatstone'schen Messschaltungen einsetzbar unddamit zur genauen Auswertung von dehnungsbedingten Messgrößen verwendbar.Bythe use of such electrically conductive strain gauges inthe strain gauges according to the inventionare caused by strains or compressions of the deformation body in the measuring directionChanges in cross sectioncaused in the measuring fibers, which is a linear change in resistancecause the strain-causing physical quantity to be proportionalis. Strain gages made of such electrically conductive measuring fibersare therefore advantageously used in Wheatstone's circuits andthus usable for the exact evaluation of strain-related measured quantities.
    [0012] Durchdie mit derartigen Messfasern erzielbaren Elastizitätswertesind die erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifenbis in Dehnungsbereichen von mindestens 1% einsetzbar, wodurch sichvorteilhafterweise gegenübervon metallischen Messgittern (Konstantan 0,5%) eine Verdoppelungder Dehnungsempfindlichkeit ergibt. Da derartige elektrisch leitfähige Dehnungsmessfasernauf einfache Weise auf Kunststoffträgerfolien aufklebbar sind,können damitDehnungsmessstreifen mit geringem Aufwand hergestellt und wie herkömmlicheDehnungsmessstreifen an Verformungskörpern unterschiedlichster Artappliziert werden.Bythe elasticity values obtainable with such measuring fibersare the strain gauges according to the inventioncan be used in strain ranges of at least 1%, resulting inadvantageously oppositeof metallic measuring grids (Konstantan 0.5%) doublingthe strain sensitivity results. As such electrically conductive strain gaugesbe easily glued on plastic carrier films,can do thatStrain gages produced with little effort and as conventionalStrain gauges on deformation bodies of various kindsbe applied.
    [0013] Dadie elektrisch leitfähigenMessfasern aus Kunstfaserwerkstoff als einzelne Filamente von. wenigen μm Dicke herstellbarsind, könnendamit vorteilhafterweise Dehnungsmessstreifen unterschiedlicherMessgitter gebildet werden, deren Kantenlänge in kompakter Ausführung vonwenigen Millimetern Längeausführbarsind. Mit derartigen Dehnungsmessfasern können aber auch Dehnungsmessstreifenaus Fasersträngenoder Messgittern mit parallel angeordneten Fasern hergestellt werden,an deren Anfang und Ende metallischen Kontaktelementen vorgesehensind. Diese Dehnungsmessstreifen können auf einfache Weise inMessrichtung appliziert werden und erzeugen bei einer entsprechenden Oberflächendehnungoder -stauchung ein Messsignal, das der auslösenden physikalischen Größe proportionalist.Therethe electrically conductiveMeasurement fibers of synthetic fiber material as individual filaments of. a few microns thickness can be producedare, canthus advantageously strain gauges differentMessgitter be formed whose edge length in a compact design ofa few millimeters in lengthexecutableare. With such strain gauges but can also strain gaugesmade of fiber strandsor measuring grids are made with parallel fibers,provided at the beginning and end metallic contact elementsare. These strain gauges can easily inMeasuring direction are applied and generate at a corresponding surface strainor compression a measurement signal proportional to the triggering physical quantityis.
    [0014] DieDehnungsmessfasern oder Fasersträngekönnenan ihren Enden vorteilhaft mit metallischen Hülsen versehen werden, die mittelseines elektrisch leitfähigenKlebstoffs oder einer mechanischen Klemmverbindung an der Dehnungsmessfaserals Kontaktierungselement befestigt sind. Derartige Hülsen dienendann als Lötverbindungfür Anschlussleitungen,die die Dehnungs messstreifen in elektrischen Schaltungen mit denStromversorgungs- und -verstärkerelementenverbinden. Vorzugsweise werden derartige Kontaktierungselementemit Gold beschichtet, wodurch vorteilhafterweise Kontaktkorrosionenvermieden werden.TheStrain-measuring fibers or fiber strandscanbe advantageously provided at their ends with metallic sleeves, by means ofan electrically conductiveAdhesive or a mechanical clamp connection on the strain gauge fiberare fastened as a contacting element. Such sleeves servethen as a solder jointfor connecting cables,the strain gauges in electrical circuits with thePower supply and amplifier elementsconnect. Preferably, such contacting elementscoated with gold, thereby advantageously contact corrosionbe avoided.
    [0015] Durchdie hohe Elastizitätderartiger Dehnungsmessfasern könnendaraus hergestellte Dehnungsmessstreifen vorteilhafterweise auchdirekt auf Verformungskörpernappliziert werden, die zulässige Dehnungsänderungenbis mindestens 1 % aufweisen, wie dies bei den heute häufig verwendetenFaserverbundwerkstoffen der Fall ist. Weiterhin können besondereAusführungsartenderartiger Dehnungsmessstreifen auch direkt in derartige Faserverbundwerkstoffeintegriert werden, wobei lediglich deren Endbereiche herausführbar sind.Dies hat zusätzlich denVorteil, dass dadurch der laminierte Aufbau derartiger Faserverbundstoffenicht nennenswert verändertwird, so dass dadurch kaum ein Festigkeitsverlust beim Faserverbundbauteileintritt. Bei elektrisch nicht leitfähigen Verbundwerkstoffen können die Dehnungsmessfasernals besondere Ausführungsart eineserfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifen auchunmittelbar mit den Verbundschichten verklebt werden, so dass vorteilhafterweiseweder ein Trägermaterialnoch ein spezieller Verformungskörperzur Applizierung notwendig ist.Due to the high elasticity of such strain gauges, strain gauges produced therefrom can advantageously also be applied directly to deformation bodies which have permissible strain variations of at least 1%, as is the case with the fiber composites frequently used today. Furthermore, special embodiments of such strain gauges can be integrated directly into such fiber composites, only their end portions are herausführbar. This has the additional advantage that the laminated structure of such fiber composites is not appreciably changed thereby, so that there is hardly any loss of strength in the fiber composite component. In electrically non-conductive composites, the strain gauges can be bonded as a special embodiment of a strain gauge according to the invention also directly with the composite layers, so that advantageously neither a carrier material nor a special deformation body for Application is necessary.
    [0016] Beieiner weiteren speziellen Ausführungsart sinddie Dehnungsmessfasern des Dehnungsmessstreifens aus einer Kohlenstofffasergebildet, die durch den schichtförmigenAufbau des freien Elektrons bei ringförmiger sechseckiger Atomanordnung elektrischleitfähigist. Diese Dehnungsmessfaser als Kohlenstofffaser zeichnet sichvorteilhafterweise durch eine hohe Bruchfestigkeit und ein hohesermüdungsfreiesDehnungsvermögenvon mindestens 1,2% aus. Derartige Dehnungsmessstreifen aus Kohlenstofffasernweisen vorteilhafterweise auch bei maximaler Dehnung und einer Lastzyklenzahlvon > 106 einegleichbleibend hohe Messgenauigkeit auf.In another particular embodiment, the strain gauges of the strain gauge are formed of a carbon fiber that is electrically conductive by the layered structure of the free electron in annular hexagonal arrangement. This strain gauge fiber as carbon fiber is characterized by a high breaking strength and a high fatigue-free elongation of at least 1.2%. Such strain gauges made of carbon fibers have advantageously even at maximum elongation and a load cycle number of> 10 6 a consistently high accuracy.
    [0017] ZurHerstellung derartiger elektrisch leitfähiger Kohlenstoff- oder Grafitfasernkommen vorzugsweise verschiedene Verfahren zur Anwendung, die zuunterschiedlich elektrisch leitenden Kristallstrukturen aus demKohlenstoffatom führen.Vorzugsweise wird als Ausgangsmaterial ein polymerer Faden aus Polyacrylnitrilverwendet, der durch thermischen Aufbau im Innertgasatmosphäre und Grafitierungzu einer dauerfesten Kristallanordnung der Kohlenstoffatome führt. Beieinem weiteren vorteilhaften Herstellungsverfahren werden für die Kohlenstofffasern Pechfasernnach dem Grafitviskerverfahren verwendet, um elektrisch leitfähige Dehnungsmessfasernzu schaffen. Dadurch sind Kohlenstofffasern mit vorbestimmbarenspezifischen Widerstandswerten herstellbar, die vorteilhafterweisefür Dehnungsmessstreifenmit unterschiedlichsten Einsatzzwecken verwendbar sind.toProduction of such electrically conductive carbon or graphite fibersFor example, various methods are preferably useddifferent electrically conductive crystal structures from theLead carbon atom.Preferably, the starting material is a polymeric thread of polyacrylonitrileused by thermal buildup in the inert gas atmosphere and graphitizationleads to a permanent crystal arrangement of the carbon atoms. atIn another advantageous production method, pitch fibers are used for the carbon fibersused according to the Grafitviskerverfahren to electrically conductive strain gaugesto accomplish. As a result, carbon fibers are predeterminablespecific resistance values produced, which advantageouslyfor strain gagescan be used with a wide variety of purposes.
    [0018] DieErfindung hat weiterhin den Vorteil, dass die Dehnungsmessstreifenin einfachster Ausführung alslanggestreckte Fasersträngeausbildbar sind. Dabei könnendie Dehnungsmessfasern als einzelne Filamente oder zu sogenanntenRowings und Fasersträngenzusammengefasst als einzelnes Leiterelement verwendet werden. DieDehnungsmessfasern könnenvorteilhafterweise aber auch als Messgitter, insbesondere als mäanderförmiges Messgitterausgebildet sein und wie herkömmlicheMetallmessgitter appliziert werden. Der elektrische Widerstand der Messgitteroder der Fasersträngekann dabei vorteilhaft überdie Längeund den Querschnitt der Fasern bzw. der Faserstränge eingestellt werden.TheInvention has the further advantage that the strain gaugesin the simplest version aselongated fiber strandscan be formed. It canthe strain gauge fibers as individual filaments or so-calledRowings and fiber strandssummarized to be used as a single conductor element. TheStrain-measuring fibers canbut advantageously also as a measuring grid, in particular as a meandering measuring gridbe trained and like conventionalMetal measuring grid can be applied. The electrical resistance of the measuring gridor the fiber strandscan be advantageous overthe lengthand the cross section of the fibers or fiber strands are adjusted.
    [0019] Derartigeerfindungsgemäße Dehnungsmessstreifenkönnenvorteilhafterweise sowohl auf speziellen Verformungskörpern inKraftaufnehmern, Wägezellen,Druck- oder Drehmomentaufnehmern eingesetzt werden. Die erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifenkönnenaber auch direkt auf belasteten Verformungskörpern wie bei Fahr- oder Flugzeugteilenappliziert und zur Spannungsanalyse oder zum Monitoring ausgewertetwerden. Dazu sind sie vorteilhafterweise zur Auswertung in Wheatstone'sche Brückenschaltungeneinsetzbar, die eine hohe Auflösungund eine großeGenauigkeit des Messsignals ermöglicht.Durch die Einstellbarkeit der Widerstandswerte sind auch sehr hochohmigeAusführungender Dehnungsmessstreifen ausführbar, dieinsbesondere bei Langzeitüberwachungenvorteilhafterweise nur einen geringen Energieverbrauch benötigen.suchInventive strain gaugescanadvantageously both on special deformation bodies inLoad cells, load cells,Pressure or torque transducers are used. The strain gauges according to the inventioncanbut also directly on loaded deformation bodies such as driving or aircraft partsapplied and evaluated for stress analysis or monitoringbecome. For this they are advantageously for evaluation in Wheatstone bridge circuitscan be used, which has a high resolutionand a big oneAccuracy of the measurement signal allows.Due to the adjustability of the resistance values are also very high impedanceversionsthe strain gauge executable, theespecially for long-term monitoringadvantageously require only a low power consumption.
    [0020] DieErfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels,das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:TheInvention is based on an embodiment,which is shown in the drawing, explained in more detail. Show it:
    [0021] 1:eine schematische Darstellung der Seitenansicht einer Dehnungsmessfaserauf einem Verformungskörper; 1 a schematic representation of the side view of a strain gauge on a deformation body;
    [0022] 2:die schematische Darstellung einer Dehnungsmessfaser, die in einemVerformungskörperaus einem Faserverbundwerkstoff integriert ist; 2 FIG. 2 is a schematic representation of a strain gauge fiber integrated in a fiber composite body; FIG.
    [0023] 3:ein Dehnungsmessstreifen mit mäanderförmigem Messgitter,und 3 : a strain gauge with a meandering measuring grid, and
    [0024] 4:ein Dehnungsmessstreifen mit einem Messgitter aus parallelen Dehnungsmessfasern. 4 : a strain gauge with a measuring grid of parallel strain gauge fibers.
    [0025] In 1 derZeichnung ist ein Dehnungsmessstreifen in Seitenansicht schematischdargestellt, der im wesentlichen aus einer isolierten elektrischleitfähigenKunststofffaser 1 mit zwei Kontaktierungselementen 2 besteht,der auf einem Verformungskörper 3 aufgeklebtist.In 1 The drawing shows a strain gauge in side view is shown schematically, which consists essentially of an insulated electrically conductive plastic fiber 1 with two contacting elements 2 that exists on a deformation body 3 is glued on.
    [0026] DieKunstfaser 1 ist als Dehnungsmessfaser ausgebildet undbesteht aus einem kohlenstoffhaltigen Kunstfaserwerkstoff, der aufgrundseines schichtförmigenAufbaus und des freien Elektrons bei ringförmiger sechseckiger Atomanordnungelektrisch leitfähigist. Diese Dehnungsmessfaser 1 hat ein elastisches mechanischesVerhalten und zeichnet sich durch hohe Bruchfestigkeit und hohesDehnungsvermögenbei gutem Ermüdungsverhaltenaus.The synthetic fiber 1 is designed as a strain gauge fiber and consists of a carbon-containing synthetic fiber material, which is electrically conductive due to its layered structure and the free electron in annular hexagonal arrangement of atoms. This strain gauge fiber 1 has an elastic mechanical behavior and is characterized by high resistance to breakage and high elasticity with good fatigue behavior.
    [0027] ZurHerstellung der Grafit- bzw. Kohlenstofffasern 1 kommenverschiedene Verfahren zur Anwendung, die zu unterschiedlich elektrischleitenden Kristallstrukturen aus dem Kohlenstoffatom führen. Ambekanntesten ist ein Herstellungsverfahren, bei dem als Ausgangspunktein polymerer Faden aus Polyacrylnitril verwendet wird, der durchthermischen Abbau in Inertgasatmosphäre und Grafitierung zu einerdauerfesten Kristallanordnung der Kohlenstoffatome führt. Weiterebekannte Herstellungsverfahren fürderartige Kohlenstofffasern 1 sind die Verarbeitung vonPechfasern und das Grafit-Whiskerverfahren. Zur Herstellung derKohlenstofffasern 1 werden einzelne Filamente zu sogenanntenRovings und Fasersträngenzusammengefasst und mit einer Schichte versehen. Dabei kann derelektrische Widerstand der Dehnungsmessfasern 1 über dieLänge undden Querschnitt der Kohlenstofffaser eingestellt werden. Dazu kommeneinzelne Filamente von wenigen μm sowiedicke Fasersträngevon mehreren Millimetern zur Anwendung. Die Länge der Dehnungsmessfaser 1 liegt üblicherweiseim Bereich von wenigen Millimetern bis zu ca. 100 Millimetern. Statteiner einzelnen Kohlenstofffaser 1 kann auch ein Faserstrangoder mehrere Fasersträngeparallel verwendet werden, die am Anfang und am Ende mit Kontaktierungselementen 2 versehensind.For the production of graphite or carbon fibers 1 Various methods are used which lead to different electrically conductive crystal structures from the carbon atom. Most well-known is a manufacturing process in which a polyacrylonitrile polymeric thread is used as the starting point, which leads to a durable crystal arrangement of the carbon atoms by thermal degradation in an inert gas atmosphere and graphitization. Other known production processes for such carbon fibers 1 are the processing of pitch fibers and the graphite whisker process. For the production of carbon fibers 1 become individual filaments to so-called rovings and Fa sersträngen summarized and provided with a layer. In this case, the electrical resistance of the strain gauges 1 be adjusted over the length and cross section of the carbon fiber. In addition, single filaments of a few μm and thick fiber strands of several millimeters are used. The length of the strain gauge fiber 1 is usually in the range of a few millimeters up to about 100 millimeters. Instead of a single carbon fiber 1 It is also possible to use a fiber strand or several fiber strands in parallel, which are at the beginning and at the end with contacting elements 2 are provided.
    [0028] Derdargestellte Dehnungsmessstreifen ist im einfachsten Fall als rundeslanggestrecktes Faserelement ausgebildet, das je nach Empfindlichkeit undDehnungsverhalten des Verformungskörpers 3 vorzugsweiseeine Längevon mindestens 5 mm und höchstens100 mm aufweist. Diese runde Kohlenstofffaser 1 ist voneiner Isolationsschicht 4 umgeben, die vorzugsweise auseinem nicht leitenden polymeren Werkstoff wie Polyimid besteht.Diese Kohlenstofffaser 1 ist direkt mittels einer Kleberschicht 5 aufeinem Verformungskörper 3 aufgeklebt.Eine derartige Direktapplizierung bietet sich immer bei Verformungskörpern 3 auseinem Kunstfaserverbundwerkstoff an, der aus einem vergleichbarenWerkstoff wie die Kohlenstofffaser 1 besteht, wobei danneine sehr geringe Hysteresewirkung durch die Klebeverbindung auftritt.Bei metallischen Verformungskörpern 3 vorzugsweiseaus Aluminium oder einer Edelstahllegierungen werden die Kohlenstofffasern 1 vorzugsweiseauf einer Trägerfolieaufgeklebt, die ihrerseits auf dem Verformungskörper 3 appliziertwird. Die Faserrichtung gibt dabei die Messrichtung an, so wie diesdie axiale Ausrichtung der Widerstandsleiter auf einer Trägerfolieeines herkömmlichenDehnungsmessstreifens vorsieht. Dabei entsteht quer zur Messrichtung(90°) imGrunde keine Widerstandsbeeinflussung, da hierdurch der Querschnittund damit der Widerstandswert nur unwesentlich beeinflussbar ist.Deshalb ist es auch möglich,derartige Dehnungsmessfasern 1 als mäanderförmige Messgitter auszubilden,bei denen sich auf relativ kurzer Messfläche die Widerstandsänderungzur besseren Signalauswertung vervielfachen lässt.The illustrated strain gauge is formed in the simplest case as a round elongated fiber element, depending on the sensitivity and expansion behavior of the deformation body 3 preferably has a length of at least 5 mm and at most 100 mm. This round carbon fiber 1 is from an isolation layer 4 surrounded, which preferably consists of a non-conductive polymeric material such as polyimide. This carbon fiber 1 is directly by means of an adhesive layer 5 on a deformation body 3 glued. Such direct application always lends itself to deformation bodies 3 made of a synthetic fiber composite, made of a comparable material as the carbon fiber 1 exists, in which case a very low hysteresis by the adhesive bond occurs. For metallic deformation bodies 3 preferably made of aluminum or a stainless steel alloy, the carbon fibers 1 preferably adhered to a carrier foil, which in turn on the deformation body 3 is applied. The fiber direction indicates the direction of measurement, as provided by the axial alignment of the resistor ladder on a carrier foil of a conventional strain gauge. At the same time, no resistance is influenced transversely to the direction of measurement (90 °), since in this way the cross-section and therefore the resistance value can only be influenced insignificantly. Therefore, it is also possible, such strain gauges 1 form as meandering measuring grid, in which the resistance change can be multiplied for a better signal evaluation on a relatively short measuring surface.
    [0029] Anden Enden der Dehnungsmessfaser 1 sind zur Kontaktierungmetallische Hülsenals Kontaktierungselemente 2 angebracht, an die die Anschlussleitung 6 zueiner Messschaltung angelötet werden.Die metallischen Hülsen 2 sindzur Vermeidung von Kontaktkorrosion vorzugsweise vergoldet. DieHülsen 2 können mitelektrisch leitfähigemKlebstoff mit der Grafit- bzw. Kohlenstofffaser 1 verbundensein oder mechanisch aufgeklemmt werden. Zur Erzeugung eines Messsignalsund zu deren Auswertung könnendie Dehnungsmessfasern 1 wie bei herkömmlichen Dehnungsmessstreifenmit Metallmessgittern in einer Wheatstone'schen Messbrücke verschaltet werden, dadie durch die Dehnung verursachte Widerstandsänderung in der Regel proportionalzu der Belastung des Dehnungskörpersist. Bei der vorgesehenen Dehnungsmessfaser 1 aus einem elektrischleitfähigenKohlen stofffaserwerkstoff sind relative Dehnungen von mindestens1,2% ermüdungsfreierreichbar.At the ends of the strain gauge fiber 1 are for contacting metallic sleeves as contacting elements 2 attached to the the connecting cable 6 to be soldered to a measuring circuit. The metallic sleeves 2 are preferably gold plated to avoid contact corrosion. The pods 2 can with electrically conductive adhesive with the graphite or carbon fiber 1 be connected or mechanically clamped. To generate a measurement signal and to evaluate it, the strain gauges 1 As with conventional strain gauges are interconnected with metal measuring grids in a Wheatstone bridge, since the change in resistance caused by the strain is usually proportional to the load of the expansion body. At the intended strain gauge fiber 1 From an electrically conductive carbon fiber material relative strains of at least 1.2% fatigue-free achievable.
    [0030] Für herkömmlicheDehnungsmessstreifen aus Messgittern aus Konstantan-Widerstandsmaterialsind hingegen meist nur 0,5% relative Dehnung zulässig, nachdessen Überschreitungdie Metallgitter meist beschädigtoder zerstörtwerden und in der Regel auch eine Verkürzung der Lebensdauer auftritt. Durchdiese Erhöhungder relativen Widerstandsänderungauf mindestens 1,2% wird gleichzeitig auch die Dehnungsempfindlichkeitgegenübereinem Messgitter aus Konstantan (ΔR/R < 0,5%) mehr als verdoppelt.Deshalb könnenderartige Dehnungsmessstreifen aus Kohlenstofffasern 1 auchauf Kohlefaserverbundwerkstoffen direkt appliziert werden, die ebenfallseine zulässigeDehnung von mindestens 1,2% aufweisen. Mit derartigen Messanordnungenkönnendeshalb vorzugsweise Spannungsanalysen oder eine dauerhafte Materialüberwachung durchgeführt werden.Derartige Dehnungsmessstreifen mit Dehnungsmessfasern 1 auselektrisch leitfähigenKunststofffasern könnenandererseits aber auch auf metallischen Verformungskörpern 3 appliziertwerden, so wie sie in üblichenKraftaufnehmern, Wägellen,Druck- oder Drehmomentaufnehmern vorgesehen sind.For conventional strain gauges made of measuring grids made of constantan resistance material, however, usually only 0.5% relative elongation is permitted, beyond which the metal mesh is usually damaged or destroyed and usually also a shortening of the service life occurs. As a result of this increase in the relative change in resistance to at least 1.2%, the strain sensitivity with respect to a measuring grid of constantan (ΔR / R <0.5%) is more than doubled at the same time. Therefore, such strain gauges of carbon fibers 1 also be applied directly to carbon fiber composites, which also have a permissible elongation of at least 1.2%. With such measuring arrangements, stress analyzes or permanent material monitoring can therefore preferably be carried out. Such strain gauges with strain gauges 1 from electrically conductive plastic fibers, on the other hand, but also on metallic deformation bodies 3 be applied, as they are provided in conventional load cells, Wägellen, pressure or torque transducers.
    [0031] In 2 derZeichnung ist ein Ausführungsbeispieldargestellt, bei dem die Dehnungsmessfaser 2 als Dehnungsmessstreifendirekt in einem Verformungskörper 3 auseinem Faserverbundwerkstoff integriert ist. Dabei ist die aus einerKohlefaser bestehende Dehnungsmessfaser 1 in einem Faserverbundwerkstoffintegriert, der ebenfalls aus Kohlefasern 7 (CFK) besteht.Dabei besitzt der Faserverbundwerkstoff (CFK) in Messrichtung eineFülle von parallelnebeneinander angeordneten kohlenstoffhaltigen Verstärkungsfasern 7,die in ein polymeres Matrixharz 8 eingebettet sind. DieDehnungsmessfaser 1 ist in den Faserverbundwerkstoff 3 eingelegt,wobei die Enden der Dehnungsmessfaser 1 aus dem Faserverbundwerkstoff 3 herausra gen.Zur Kontaktierung sind an diesen Enden vorzugsweise metallische Hülsen 2 angebracht,die an den Kohlefasern angeklemmt oder mit einem elektrisch leitfähigen Kleber angeklebtsind.In 2 The drawing shows an embodiment is shown in which the strain gauge 2 as a strain gauge directly in a deformation body 3 is integrated from a fiber composite material. Here is the existing of a carbon fiber strain gauge 1 integrated in a fiber composite material, which is also made of carbon fibers 7 (CFK) exists. Here, the fiber composite material (CFRP) in the measuring direction has a wealth of parallel adjacent carbon-containing reinforcing fibers 7 that is in a polymeric matrix resin 8th are embedded. The strain gauge fiber 1 is in the fiber composite 3 inserted, with the ends of the strain gauge fiber 1 from the fiber composite material 3 herausra gene. For contacting are preferably metallic sleeves at these ends 2 attached, which are clamped to the carbon fibers or glued with an electrically conductive adhesive.
    [0032] ZurVermeidung von elektrischem Kontakt zwischen den Dehnungsmessfasern 1 undden ebenfalls elektrisch leitfähigenVerstärkungsfasern 7 ist umdie Dehnungsmessfaser 1 eine Isolationsschicht 5 angeordnet.Diese Isolationsschicht 5 besteht vorzugsweise aus demselben polymeren Matrixharz 8 wie er in dem Faserverbundwerkstoff 3 selbstverwendet wird. Eine andere Ausführungsformsieht vor, dass die Isolationsschicht 5 zwar das selbepolymere Matrixharz 8 wie der Faserverbundwerkstoff 3 besitzt,jedoch zusätzlichmit nicht leitfähigenFasern wie vorzugsweise Glasfasern oder Aramidfasern verstärkt ist.To avoid electrical contact between the strain gauges 1 and the likewise electrically conductive reinforcing fibers 7 is about the strain gauge fiber 1 an insulation layer 5 arranged. This isolation layer 5 preferably consists of the same polymeric matrix resin 8th as in the fiber composite material 3 itself is used. Another embodiment provides that the insulation layer 5 although the same polymeric matrix resin 8th like the fiber composite material 3 has, however, additionally reinforced with non-conductive fibers such as preferably glass fibers or aramid fibers.
    [0033] Wirdnun der Faserverbundwerkstoff 3 durch eine Kraft gedehntoder gestaucht, so wird die Dehnung oder Stauchung direkt auf dieKohlenstofffaser 1 übertragen,wodurch eine Querschnittsveränderungund dadurch eine Änderungdes elektrischen Widerstands in dieser Dehnungsmessfaser 1 eintritt. Einederartige Integration der Dehnungsmessfaser 1 bzw. desDehnungsmessstreifens innerhalb eines Verformungskörpers 3 bietetsich insbesondere bei Fahrzeug- und Flugzeugteilen aus Verbundfaserwerkstoffenan, die starken Belastungen ausgesetzt sind und zur Spannungsanalyseoder Belastungsüberwachungverwandt werden sollen. Es ist aber auch denkbar für Kraftaufnehmer,Wägezellenoder Drehmomentaufnehmer spezielle Verformungskörper 3 aus Kohlenfaserverbundwerkstoffenzu schaffen, in die die vorgesehenen Dehnungsmessfasern 1 alsDehnungsmessstreifen integriert sind. Insbesondere sind dabei auchdie innerhalb der Verbundmaterialien auftretenden Scherkräfte zwischenden laminaren Schichten der Verbundwerkstoffe messbar.Will now be the fiber composite material 3 stretched or compressed by a force, so the strain or compression is applied directly to the carbon fiber 1 transmitted, whereby a cross-sectional change and thereby a change in the electrical resistance in this strain gauge 1 entry. Such integration of the strain gauge fiber 1 or of the strain gauge within a deformation body 3 is particularly suitable for vehicle and aircraft parts made of composite fiber materials, which are exposed to heavy loads and should be used for stress analysis or load monitoring. But it is also conceivable for load cells, load cells or torque transducer special deformation body 3 made of carbon fiber composites, in which the proposed strain gauges 1 are integrated as strain gauges. In particular, the shear forces occurring within the composite materials between the laminar layers of the composite materials are measurable.
    [0034] In 3 derZeichnung ist ein Dehnungsmessstreifen mit mäanderförmigem Messgitter 9 dargestellt,dessen Messgitterleitermaterial aus einer elektrisch leitfähigen kohlenstoffhaltigenDehnungsmessfaser 10 besteht. Diese kohlenstoffhaltigeDehnungsmessfaser 10 ist mäanderförmig auf einer Trägerschicht 11 aufgeklebt.Dabei ist die Trägerschicht 11 auseiner Kunststofffolie wie vorzugsweise einer Polyphylensulfidfoliehergestellt, wie sie auch bei herkömmlichen Dehnungsmessstreifenmit metallischen Dehnungsmessgittern vorgesehen ist. Da sich beiKohlenstofffasern 1 kleine Biegeradien nur bedingt herstellenlassen, sind diese größer alsbei herkömmlichenKonstantanmessgittern.In 3 The drawing is a strain gauge with a meandering measuring grid 9 whose measuring grid conductor material consists of an electrically conductive carbonaceous strain gauge fiber 10 consists. This carbonaceous strain gauge fiber 10 is meandering on a carrier layer 11 glued. In this case, the carrier layer 11 made of a plastic film such as preferably a Polyphylensulfidfolie, as is also provided in conventional strain gauges with metallic strain gauges. As with carbon fibers 1 Small bending radii can be produced only conditionally, these are larger than with conventional Konstantanmessgittern.
    [0035] DieEnden des Messgitters 9 sind vorzugsweise mit einer flachenelektrisch leitfähigenKohlenstofffolie 12 als Kontaktierungselemente verbunden, aufdie die Anschlussleitungen 6 mit elektrisch leitfähigen Klebemittelnaufgeklebt sind. Die Anschlussenden des mäanderförmigen Messgitters 9 ausder Dehnungsmessfaser 1 können aber auch auf eine metallischeAnschlussfolie geklebt sein, auf die dann die Anschlussleitungen 6 auflötbar sind.Ein derartiger Dehnungsmessstreifen kann in Längen und Breiten von einigenMillimetern sowie auch einer Länge bis100 mm hergestellt und mit seiner Trägerschicht sowohl auf metallischeals auch auf Faserverbundverformungskörper 3 aufgeklebtwerden. Dabei kann der Dehnungsmessstreifen zusätzlich noch mit einer Schutzfolie überzogensein, die diesen vor Feuchtigkeit und mechanischer Beeinträchtigungschützt.Bei einer Applizierung auf einem Verformungskörper 3 sind mit derartigenDehnungsmessstreifen Messsignale erzeugbar wie mit herkömmlichenmetallischen Messgittern.The ends of the measuring grid 9 are preferably with a flat electrically conductive carbon film 12 connected as contacting elements to which the connecting cables 6 are glued with electrically conductive adhesives. The connecting ends of the meandering measuring grid 9 from the strain gauge fiber 1 but can also be glued to a metallic connecting foil, on which then the connecting cables 6 are solderable. Such a strain gauge can be made in lengths and widths of a few millimeters as well as a length up to 100 mm and with its support layer on both metallic and fiber composite deformation body 3 glued on. In this case, the strain gauges may be additionally coated with a protective film that protects it from moisture and mechanical damage. When applied to a deformation body 3 can be generated with such strain gauges measurement signals as with conventional metallic measuring grids.
    [0036] In 4 derZeichnung ist ein Dehnungsmessstreifen mit einem Messgitter 13 ausmehreren parallelen Dehnungsmessfasern 14 aus einem elektrischleitfähigemKunststoffmaterial dargestellt. Dabei ist das parallele Messgitter 13 auseinzelnen Stückenvon Kohlenstofffasern 14 als Dehnungsmessfasern aufgebautund durch einen leitfähigenKlebstoff oder in einem Pressvorgang miteinander verbunden. Dazuwerden vorzugsweise rechteckförmigausgebildete Dehnungsmessfasern 14 verwendet, die aus rechteckförmigen Grafitschichtenaufgebaut sind. Die einzelnen Dehnungsmessfaserstücke 14 werdenparallel ausgerichtet und übereine Kontaktierung 15 aus Kohlenstofffasern elektrischmiteinander verbunden. An den Enden der Kontaktierungen 15 sindmetallische Kontaktierungselemente 16 angebracht, über dieAnschlussleitungen anlötbarsind.In 4 The drawing is a strain gauge with a measuring grid 13 made of several parallel strain measuring fibers 14 made of an electrically conductive plastic material. Here is the parallel measuring grid 13 from individual pieces of carbon fibers 14 constructed as strain gauges and connected together by a conductive adhesive or in a pressing process. For this purpose, preferably rectangular shaped strain measuring fibers 14 used, which are constructed of rectangular graphite layers. The individual strain gauge fiber pieces 14 are aligned in parallel and via a contact 15 made of carbon fibers electrically interconnected. At the ends of the contacts 15 are metallic contacting elements 16 attached, are soldered via the connecting cables.
    [0037] Einderartiges paralleles Messgitter 13 kann ebenfalls aufeiner Trägerschichtaus vorzugsweise Polyphenylensulfidfolie aufgeklebt werden. ZurIsolation und zum mechanischen Schutz wird vorzugsweise ebenfallseine Abdeckfolie aufgeklebt, die lediglich die Kontaktierungselementefreilässt.Ein Dehnungsmessstreifen aus einem parallelen Messgitter 13 ist besondersflach ausbildbar und daher wie herkömmliche Dehnungsmessstreifenmit fotolithografisch hergestellten metallischen Messgittern einsetzbar.Solche Dehnungsmessstreifen mit flachen Dehnungsmessfasern 14 sindvorzugsweise auf Verformungskörpern 3 vonKraftaufnehmern, Wägezellen,Druck- oder Drehmomentaufnehmern applizierbar. Wegen des relativgroßenDehnungsbereichs von mindestens 1,2% sind derartige Dehnungsmessstreifenaber auch auf Faserverbundwerkstoffen direkt applizierbar. Bei einerDehnungsbeanspruchung in Längsrichtungder parallelen Dehnungsmessfasern 14 entsteht bei diesenDehnungsmessstreifen in den einzelnen Fasern eine Querschnittsverringerung,die zu einer proportionalen Widerstandserhöhung führt und wodurch ein entsprechendesMesssignal erzeugbar ist.Such a parallel measuring grid 13 can also be adhered to a support layer of preferably polyphenylene sulfide film. For insulation and for mechanical protection, a cover film is preferably also adhered which leaves only the contacting elements free. A strain gauge from a parallel measuring grid 13 is particularly flat ausbildbar and therefore can be used as conventional strain gauges with photolithographically produced metallic measuring grids. Such strain gauges with flat strain gauge fibers 14 are preferably on deformation bodies 3 of force transducers, load cells, pressure or torque transducers can be applied. Because of the relatively large strain range of at least 1.2%, however, such strain gauges can also be applied directly to fiber composite materials. At a strain in the longitudinal direction of the parallel strain gauges 14 arises in these strain gauges in the individual fibers a cross-sectional reduction, which leads to a proportional increase in resistance and whereby a corresponding measurement signal can be generated.
    [0038] Beieiner besonderen Ausführungder Messgitter nach 3 und 4 könnten dieseauch mit Hilfe eines fotolithografischen Ätzverfahrens aus dem Basiswerkstoffder Kohlenstofffaser Polyacrylnitril (PAN) oder Pech hergestelltwerden. Dabei wird die Form der Messgitter vor der Carbonisierungund Graphitisierung des Basiswerkstoffs wie bei herkömmlichenMessgittern fotolitografisch auf den Basiswerkstoff übertragenund nachfolgend mit Hilfe eines Ätzverfahrensder übrigeBasiswerkstoffanteil entfernt. Dadurch sind auch sehr kleine Biegeradien undMessgitter mit großenLeiterlängenauf kleinster Flächeherstellbar. Erst nach dem Ätzvorgangerhält danndas aus dem Basiswerkstoff geätzteMessgitter seine nachträglicheCarbonisierung und Graphitisierung, um die typischen Eigenschaftender elektrisch leitfähigenKohlenstofffasern zu erhalten.For a special version of the measuring grid after 3 and 4 These could also be prepared by means of a photolithographic etching process of the base material of the carbon fiber polyacrylonitrile (PAN) or pitch. The shape of the measuring grid before the carbonization and graphitization of the base material as in conventional measuring grids photolithographically transferred to the base material and subsequently using an etching process, the remaining base material content away. As a result, even very small bending radii and measuring grids with large conductor lengths can be produced on the smallest surface. It is only after the etching process that the measuring grid etched from the base material then receives its subsequent carbonization and graphitization in order to obtain the typical properties of the electrically conductive carbon fibers.
    权利要求:
    Claims (11)
    [1]
    Dehnungsmessstreifen zur Messung von Dehnungenund Stauchungen an Verformungskörpern (3),der aus einem dünnenelektrischen Leitermaterial gebildet ist, an dessen Endbereichenelektrische Kontaktierungselemente (2, 12, 16)vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitermaterial auseinem elektrisch leitfähigenKunstfaserwerkstoff (1, 10, 14) besteht.Strain gauges for measuring strains and compressions on deformation bodies ( 3 ), which is formed from a thin electrical conductor material, at the end regions electrical contacting elements ( 2 . 12 . 16 ) are provided, characterized in that the conductor material made of an electrically conductive synthetic fiber material ( 1 . 10 . 14 ) consists.
    [2]
    Dehnungsmessstreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das Leitermaterial aus einer oder mehreren kohlenstoffhaltigenDehnungsmessfasern (1, 10, 14) beseht.Strain gauge according to claim 1, characterized in that the conductor material consists of one or more carbonaceous strain-measuring fibers ( 1 . 10 . 14 ).
    [3]
    Dehnungsmessstreifen nach Anspruch 1 oder 2, dadurchgekennzeichnet, dass die Dehnungsmessfaser (1, 10, 14)in axialer Richtung einen vorgegebenen weitgehend konstanten rundenoder eckigen Querschnitt aufweist, wobei die Dehnungsmessfaser (1, 10, 14)dehnungselastisch ist und in ihrem elektrischen Widerstandswertdehnungsbedingt bis mindestens 1 % veränderbar ist.Strain gauge according to claim 1 or 2, characterized in that the strain gauge fiber ( 1 . 10 . 14 ) in the axial direction has a predetermined substantially constant round or rectangular cross-section, wherein the strain-measuring fiber ( 1 . 10 . 14 ) is stretch-elastic and can be changed in its electrical resistance by stretching to at least 1%.
    [4]
    Dehnungsmessstreifen nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus einem langgestreckten geraden, mehrerengeraden parallelen oder einem mäanderförmigen Dehnungsmessfaserabschnittbesteht, und als einzelne Dehnungsmessfaser (1) oder alsDehnungsmessgitter (9, 13) ausgebildet ist.Strain gauge according to one of the preceding claims, characterized in that it consists of an elongated straight, a plurality of straight parallel or a meandering strain gauge fiber section, and as a single strain gauge fiber ( 1 ) or as a strain gauge ( 9 . 13 ) is trained.
    [5]
    Dehnungsmessstreifen nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die einzelne Dehnungsmessfasern (1, 10, 14) oderdas Dehnungsmessgitter (9, 13) längs zur Messrichtungin oder auf dem Verformungskörper(3) befestigt ist.Strain gauge according to one of the preceding claims, characterized in that the individual strain gauges ( 1 . 10 . 14 ) or the strain gauge ( 9 . 13 ) along the measuring direction in or on the deformation body ( 3 ) is attached.
    [6]
    Dehnungsmessstreifen nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessfasern (1, 10, 1.4)oder das Dehnungsmessgitter (9, 13) in einem Faserverbundmaterialintegriert ist, wobei die Endbereiche mit ihren Kontaktierungselementen(2, 16, 12) aus dem Verbundmaterial (3)herausgeführtsind.Strain gauge according to one of the preceding claims, characterized in that the strain gauges ( 1 . 10 . 1.4 ) or the strain gauge ( 9 . 13 ) is integrated in a fiber composite material, wherein the end regions with their contacting elements ( 2 . 16 . 12 ) from the composite material ( 3 ) are led out.
    [7]
    Dehnungsmessstreifen nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessfasern (1, 10, 14)oder das Dehnungsmessgitter (9, 13) auf der Oberfläche eines Verformungskörpers (3)aus Metall oder einem Faserverbundmaterial appliziert ist.Strain gauge according to one of the preceding claims, characterized in that the strain gauges ( 1 . 10 . 14 ) or the strain gauge ( 9 . 13 ) on the surface of a deformation body ( 3 ) is applied from metal or a fiber composite material.
    [8]
    Dehnungsmessstreifen nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessfasern (1, 10, 14)oder das Dehnungsmessgitter (9, 13) auf einerisolierten Trägerschicht(11) aufgebracht ist, die auf einem Verformungskörper (3)applizierbar ist.Strain gauge according to one of the preceding claims, characterized in that the strain gauges ( 1 . 10 . 14 ) or the strain gauge ( 9 . 13 ) on an insulated carrier layer ( 11 ) is applied, which on a deformation body ( 3 ) is applicable.
    [9]
    Dehnungsmessstreifen nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Endbereiche der Dehnungsmessfasern(1, 10, 14) oder des Dehnungsmessgitters(9, 13) mit metallischen Kontaktierungselementen(2, 12, 16) verbunden sind.Strain gauge according to one of the preceding claims, characterized in that the end regions of the strain gauges ( 1 . 10 . 14 ) or the strain gauge ( 9 . 13 ) with metallic contacting elements ( 2 . 12 . 16 ) are connected.
    [10]
    Dehnungsmessstreifen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,dass die metallischen Kontaktierungselemente (2) hülsenförmig ausgebildet sindund mit den Endbereichen der Dehnungsmessfasern (1) elektrischleitfähigverklebt oder verklemmt sind.Strain gauge according to claim 9, characterized in that the metallic contacting elements ( 2 ) are sleeve-shaped and with the end portions of the strain-measuring fibers ( 1 ) are glued or clamped electrically conductive.
    [11]
    Dehnungsmessstreifen nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessfasern (1, 10, 14)oder die Dehnungsmessgitter (9, 13) mit einerIsolationsschicht (4) ummantelt oder abgedeckt sind.Strain gauge according to one of the preceding claims, characterized in that the strain gauges ( 1 . 10 . 14 ) or the strain gauges ( 9 . 13 ) with an insulation layer ( 4 ) are covered or covered.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    2016-03-01| R020| Patent grant now final|
    2020-12-08| R081| Change of applicant/patentee|Owner name: HOTTINGER BRUEEL & KJAER GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: HOTTINGER BALDWIN MESSTECHNIK GMBH, 64293 DARMSTADT, DE |
    2020-12-08| R082| Change of representative|Representative=s name: SCHWEIZER, JOACHIM, DIPL.-ING., DE |
    2021-09-01| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE102004008432.7A|DE102004008432B4|2004-02-19|2004-02-19|Strain gauges for detecting strains or compressions on deformation bodies|DE102004008432.7A| DE102004008432B4|2004-02-19|2004-02-19|Strain gauges for detecting strains or compressions on deformation bodies|
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