DE102004008432B4 - Strain gauges for detecting strains or compressions on deformation bodies - Google Patents

Strain gauges for detecting strains or compressions on deformation bodies Download PDF

Info

Publication number
DE102004008432B4
DE102004008432B4 DE102004008432.7A DE102004008432A DE102004008432B4 DE 102004008432 B4 DE102004008432 B4 DE 102004008432B4 DE 102004008432 A DE102004008432 A DE 102004008432A DE 102004008432 B4 DE102004008432 B4 DE 102004008432B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fiber
strain gauge
plastic fiber
strain gauges
strain
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE102004008432.7A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102004008432A1 (en
Inventor
Dr. Haase Karl-Heinz
Dr. Bauch Wolfgang
Sebastian Klein
Dr. Horoschenkoff Alexander
Albrecht Mayer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Original Assignee
Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH filed Critical Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH
Priority to DE102004008432.7A priority Critical patent/DE102004008432B4/en
Publication of DE102004008432A1 publication Critical patent/DE102004008432A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102004008432B4 publication Critical patent/DE102004008432B4/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges

Abstract

Dehnungsmessstreifen zur Messung von Dehnungen und Stauchungen an Verformungskörpern (3), aus elektrisch leitfähigem kohlenstoffhaltigen Kunststoffmaterial (1, 10, 14), wobei das Kunststoffmaterial als mindestens eine Kunststofffaser ausgebildet ist und wobei die Kunststofffaser an den Enden elektrische Kontaktierungselemente aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kunststofffaser (1, 10, 14) jeweils mit einer elektrischen Isolationsschicht (4) ummantelt ist, dass die mindestens eine Kunststofffaser (1, 10, 14) sich aus mehreren Teilfasern zusammensetzt, dass als Ausgangsmaterial zur Herstellung der Kunststofffaser ein polymerer Faden aus Polyacrylnitril verwendet wird, der durch thermischen Abbau in Inertgasatmosphäre graphitisiert wird, und dass die mindestens eine Kunststofffaser (1, 10, 14) längs der Messrichtung ausgerichtet ist.Strain gauges for measuring strains and compressions on deformation bodies (3), made of electrically conductive carbon-containing plastic material (1, 10, 14), wherein the plastic material is formed as at least one plastic fiber and wherein the plastic fiber has electrical contacting elements at the ends, characterized in that the at least one plastic fiber (1, 10, 14) is encased in each case with an electrical insulation layer (4), that the at least one plastic fiber (1, 10, 14) is composed of a plurality of partial fibers, that as a starting material for producing the plastic fiber, a polymeric thread is used made of polyacrylonitrile, which is graphitized by thermal degradation in an inert gas atmosphere, and that the at least one plastic fiber (1, 10, 14) is aligned along the measuring direction.

Description

Die Erfindung betrifft einen Dehnungamessstreifen zur Messung von Dehnungen und Stauchungen an Verformungskörpern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a strain gauge for measuring strains and compressions on deformation bodies according to the preamble of patent claim 1.

Dehnungsmessstreifen werden in der industriellen Messtechnik vorzugsweise in Aufnehmern zur Kraft-, Gewichts-, Druck- oder Drehmomentmessung eingesetzt. Vielfach benutzt man Dehnungsmessstreifen auch zur Spannungs- oder Dehnungsanalyse, bei der diese unmittelbar an hochbelastbaren Teilen appliziert und so deren Dehnungen oder Stauchungen an diesen Verformungskörpern erfasst werden. Teilweise dienen Dehnungsmessstreifen aber auch dazu, an bestimmten Verformungskörpern langfristige Veränderungen festzustellen, um bestimmte Bauteilbelastungen dauerhaft zu überwachen. Dabei werden die Dehnungsmessstreifen auf besonders vorgesehenen Körpern appliziert, die einen Verformungskörper darstellen und die meist die auf diesen einwirkende Kraft erfassen, die eine Dehnung oder Stauchung bewirkt hat und die der zu erfassenden physikalischen Größe proportional ist.Strain gauges are used in industrial metrology preferably in transducers for force, weight, pressure or torque measurement. In many cases, strain gauges are also used for stress or strain analysis, in which they are applied directly to heavy-duty parts and thus their expansions or compressions on these deformation bodies are detected. In some cases, strain gauges also serve to detect long-term changes in certain deformation bodies in order to permanently monitor certain component loads. In this case, the strain gauges are applied to specially provided bodies that represent a deformation body and usually capture the force acting on them, which has caused an expansion or compression and which is proportional to the physical quantity to be detected.

Ein derartiger Dehnungsmessstreifen ist aus der DE 40 11 314 C2 bekannt. Bei diesem Dehnungsmessstreifen ist auf einer Kunststoffträgerschicht eine Metallfolie aus einem elektrischen Widerstandswerkstoff, vorzugsweise Konstantan, aufgebracht, aus der ein mäanderförmiges Messgitter ausgeätzt ist. Das Messgitter besteht aus einem elektrischen Leitermaterial, an dessen Endpunkte spezielle Kontaktierungselemente vorgesehen sind, auf denen meist die Anschlussdrähte aufgelötet sind.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 on 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 are soldered.

Zum mechanischen Schutz ist das Messgitter zusätzlich noch mit einer Kunststoffdeckschicht versehen, die gleichzeitig auch eine elektrische Isolation bewirkt. Zur Erfassung einer Dehnung oder Stauchung wird das Messgitter in einer vorgesehenen Richtung auf einen Verformungskörper eines Messgrößenaufnehmers appliziert, der eine Widerstandsänderung bei auftretenden Stauchungen oder Dehnungen des Leitermaterials erzeugt. Zur Auswertung der durch die Widerstandsänderung erzeugten Messsignale werden die Dehnungsmessstreifen in der Regel in Wheatstoneschen Brückenschaltungen eingesetzt, die eine sehr gute Auswertung der erfassten physikalischen Größen ermöglichen. Derartige Dehnungsmessstreifen sind nicht nur in Messgrößenaufnehmern zur Erfassung einer Kraft, eines Gewichts eines Drucks oder eines Drehmoments einsetzbar, sondern können zur Spannungsanalyse oder zum Monitoring auch direkt an den vorgesehenen Verformungskörpern appliziert werden. Allerdings ist der Dehnungsbereich derartiger metallischer Messgitter wegen den Materialermüdungserscheinungen auf ca. 0,2% begrenzt. Bei höheren Dehnungswerten ab 0,5% ist die Proportionalität nicht mehr gewährleistet, und es entstehen häufig Risse im mäanderförmigen Leitematerial, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen und die Lebensdauer verringern bzw. zur Zerstörung führen können.For mechanical protection, the measuring grid is additionally provided with a plastic cover layer which at the same time also effects electrical insulation. To detect an expansion or compression, the measuring grid is applied in a predetermined direction to a deformation body of a Meßgrößenaufnehmers, which generates a change in resistance in occurring compressions or strains of the conductor material. To evaluate the measurement signals generated by the resistance change, the strain gauges are usually used in Wheatstone bridge circuits, which allow a very good evaluation of the detected physical quantities. Such strain gauges can be used not only in Meßgrößenaufnehmern for detecting a force, a weight of pressure or torque, but can also be applied to the proposed deformation bodies for stress analysis or monitoring. However, the strain range of such metallic measuring grid is limited to about 0.2% due to the material fatigue phenomena. At higher strain values from 0.5%, the proportionality is no longer guaranteed, and there are often cracks in the meander-shaped conductive material, which affect the accuracy of measurement and reduce the life or can lead to destruction.

Bei höheren relativen Dehnungs- oder Stauchungswerten werden in der Praxis meist die Verformungskörper verstärkt oder andere Materialien der Verformungskörper oder des Leitermaterials gewählt, die eine Überlastung der Dehnungsmessstreifen in gewissen Grenzen verhindern können. Eine derartige Vorgehensweise ist aber häufig bei direkt applizierten Dehnungsmessstreifen auf Verformungskörpern zur Spannungsanalyse bzw. zur Bauteilüberwachung nicht möglich, da dort teilweise auch höhere Dehnungswerte zulässig sind oder erfasst werden müssen. Insbesondere werden heute verstärkt hochbelastbare Kohlenfaserverbundwerkstoffe eingesetzt, die vor ihrem Einsatz beispielsweise im Flugzeugbau einer hochbelastbaren Spannungsanalyse unterzogen werden müssen. Derartige Verbundwerkstoffe weisen aber bei zulässigen Belastungen Dehnungen von mindestens 1% auf, ohne dass dies zu Materialschäden führt.In the case of higher relative strain or compression values, in practice usually the deformation bodies are reinforced or other materials of the deformation bodies or of the conductor material are chosen which can prevent an overloading of the strain gages within certain limits. However, such a procedure is often not possible with directly applied strain gauges on deformation bodies for stress analysis or for component monitoring, since sometimes higher elongation values are permissible or must be recorded there. In particular, heavy-duty carbon fiber composite materials are increasingly being used today, which must be subjected to a heavy-duty stress analysis prior to their use, for example in aircraft construction. However, such composite materials have expansions of at least 1% under permissible loads, without this leading to material damage.

Bei herkömmlichen Dehnungsmessstreifen mit einem Messgitter aus Konstantan-Leitungsmaterial fallen diese Dehnungsmessstreifen wegen Überschreitung des zulässigen Dehnungsbereichs schon nach kurzer Betriebszeit aus, oder die Messergebnisse sind fehlerhaft. Dehnungsmessungen mit derartigen herkömmlichen Dehnungsmessstreifen an Kunstfaserverbundwerkstoffen sind deshalb nur an verstärkten oder weniger stark gedehnten Oberflächenteilen möglich oder müssen mit anderen speziellen Aufnehmerelementen durchgeführt werden.In conventional strain gauges with a measuring grid made of constantan cable material, these strain gauges fail after a short operating time due to exceeding the permissible expansion range, or the measurement results are incorrect. Strain measurements with such conventional strain gauges on synthetic fiber composites are therefore possible only on reinforced or less extensively stretched surface portions or must be performed with other special transducer elements.

Aus der DE 40 25 564 C1 ist eine Vorrichtung zur Feststellung von Schlagbeschädigungen an Faserverbundwerkstoffbauteilen bekannt, bei der auf deren Oberfläche eine Vielzahl von piezoelektrischen Folien angeordnet sind. Bei einer Druckeinwirkung auf die Verbundwerkstoffe führt dies bei den piezoelektrischen Folien zu einer Ladungsänderung, die dem Druck proportional ist und beim Überschreiten eines Grenzwertes als Schadensereignis ausgewertet wird. Eine genaue Spannungsanalyse mit hohen zulässigen vorgegebenen Belastungswerten ist aber mit einer derartigen Vorrichtung nicht 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 is 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.

Zur Erfassung von Dehnungen oder Stauchungen an Werkstoffoberflächen sind nach dem Stand der Technik aber auch Halbleiter-Dehnungsmessstreifen bekannt, die in der Regel aus einem dotierten Silizium-Einkristall in einer bestimmten Orientierung als dünne Streifen herausgeschnitten sind. Diese werden meist in eine Folie eingebettet und über bestimmte Kontaktierungselemente mit Anschlussdrähten verbunden. Derartige Halbleiter-Dehnungsmessstreifen werden aber vorzugsweise nur an Verformungskörpern aus Metallen vorgesehen, bei denen die maximalen relativen Dehnungswerte vorherbestimmbar sind. Derartige Dehnungsmessstreifen aus Halbleitermaterialien weisen meist eine schlechtere Linearität und höhere Sprödigkeit auf. Dabei werden insbesondere Silizium-Dehnungsmessstreifen nur bei Dehnungen von höchstens 0,5% 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 connected via certain contacting elements with connecting wires. Such semiconductor Strain gauges are, however, preferably provided only on deformation bodies made of metals, for which the maximum relative elongation values can be predetermined. Such strain gauges made of semiconductor materials usually have a poorer linearity and higher brittleness. In particular, silicon strain gauges are used only at strains of at most 0.5%.

Aus der DE 38 13 150 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung von Dehnungen und Stauchungen an Verformungskörpern bekannt, die mindestens eine Kunststofffaser aufweist, wobei die Kunststofffaser aus elektrisch leitfähigen kohlenstoffhaltigen Kunststoffmaterial besteht. Zusätzlich besitzt die Kunststofffaser an den Enden elektrische Kontaktierungselemente. Da die Vorrichtung in Verbindung mit Kohlenfaserverbundstoffen eingesetzt werden soll, wird vorgeschlagen, die in dem Verbundkörper schon vorhandenen Kohlenstofffasern zur Messung einzusetzen. Da die Abhängigkeit zwischen der Dehnung von Kohlenstofffasern und ihrem elektrischen Widerstand zum Feststellen von Faserbrüchen innerhalb des Verbundstoffes eingesetzt werden soll, ist eine Isolation zwischen den Fasern zur Ausnutzung dieses Effektes nicht vorgesehen. Als weitere mögliche Anwendungen werden neben der fortlaufenden Überwachung auf Faserbrüche z. B. bei Flugzeugflügeln Temperaturüberwachungen und Aufheizungen bzw. Erwärmungen bei der Herstellung von Verbundkörpern angegeben.From the DE 38 13 150 A1 a device for measuring strains and compressions on deformation bodies is known which comprises at least one plastic fiber, wherein the plastic fiber consists of electrically conductive carbon-containing plastic material. In addition, the plastic fiber has electrical contact elements at the ends. Since the device is to be used in conjunction with carbon fiber composites, it is proposed to use the carbon fibers already present in the composite for measurement. Since the dependence between the elongation of carbon fibers and their electrical resistance is to be used to detect fiber breaks within the composite, insulation between the fibers to exploit this effect is not provided. As further possible applications, in addition to the continuous monitoring of fiber breaks z. As in aircraft wings temperature monitoring and heating or heating in the production of composites specified.

Möglichkeiten, welche die Widerstandseigenschaften von Kohlenstofffasern bieten können, werden im Artikel K. Schulte, Ch. Baron: Load and Failure Analysen... Composite Sciences and Technology 1989 S. 63–74 ausführlich beschrieben. Ferner werden Messergebnisse, die mit einer Vorrichtung gemäß der DE 38 13 150 A1 gefundenen wurden, ausführlich erläutert und wissenschaftlich aufbereitete Hintergrunddarstellung des physikalischen Grundprinzips gegeben.Possibilities that can offer the resistance properties of carbon fibers are described in detail in K. Schulte, Ch. Baron: Load and Failure Analyzes ... Composite Sciences and Technology 1989 pp. 63-74. Furthermore, measurement results obtained with a device according to the DE 38 13 150 A1 were found, explained in detail and given a scientifically prepared background presentation of the basic physical principle.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die aus der DE 38 13 150 A1 bekannte Vorrichtung derart weiterzuentwickeln, dass Dehnungen oder Stauchungen an Verformungskörpern sehr präzise ermittelt werden können.The invention is based on the object, from the DE 38 13 150 A1 develop known device such that expansion or compression of deformation bodies can be determined very precisely.

Diese Aufgabe wird durch einen Dehnungsmessstreifen mit den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, welcher zusätzlich die kennzeichnenden Merkmale aufweist.This object is achieved by a strain gauge with the features in the preamble of claim 1, which additionally has the characterizing features.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Further developments and advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Dehnungsmessstreifen durch die elektrisch leitfähigen Kunstfasern als elektrisches Leitermaterial in Messrichtung eine sehr hohe Elastizität und große Haltbarkeit aufweisen, so dass sie auch bei Dehnungen oder Stauchungen bis mindestens 1% einsetzbar sind. Die erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifen besitzen ein hohes ermüdungsfreies Dehnungsvermögen von bis zu mindestens 1,2% und eine hohe Bruchfestigkeit. Sie weisen eine gleichbleibend hohe Messgenauigkeit auch bei maximaler Dehnung und einer Lastzyklenzahl von > 106 auf, sodass mit ihnen auch bei derart maximalen Dehnungswerten eine hohe Lebensdauer von mindestens 106 Lastzyklen erreichbar ist. Durch diese Eigenschaften lassen sich eine Verdoppelung der Dehnungsempfindlichkeit gegenüber von metallischen Messgittern (Konstantan 0,5%) und eine erhebliche Senkung des Reparaturaufwandes insbesondere bei schwer zugänglichen Dehnungsmessstreifen erreichen.The invention has the advantage that the strain gauges have a very high elasticity and high durability by the electrically conductive synthetic fibers as electrical conductor material in the measuring direction, so that they can be used even at strains or compressions to at least 1%. The strain gauges according to the invention have a high fatigue-free elongation capacity of up to at least 1.2% and a high breaking strength. They have a consistently high measuring accuracy even at maximum elongation and a load cycle number of> 10 6 , so that a long service life of at least 10 6 load cycles can be achieved even with such maximum elongation values. These properties make it possible to achieve a doubling of the strain sensitivity compared to metallic measuring grids (constantan 0.5%) and a considerable reduction in the repair effort, especially in the case of strain gauges that are difficult to access.

Da bei den erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifen durch Dehnungen oder Stauchungen des Verformungskörpers in Messrichtung Querschnittsveränderungen in den Messfasern mit einer linearen Widerstandsänderung hervorgerufen werden, die der dehnungsverursachenden physikalischen Größe proportional ist, lassen sich die erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifen auch in Wheatstoneschen Messschaltungen einsetzen; hierdurch lässt sich eine genaue Auswertung von dehnungsbedingten Messgrößen mit herkömmlichen Schaltungen durchführen.Since in the strain gauges according to the invention by strain or compression of the deformation body in the measuring direction cross-sectional changes in the measuring fibers are caused with a linear change in resistance, which is proportional to the strain-causing physical variable, the strain gauges according to the invention can also be used in Wheatstone measurement circuits; This makes it possible to carry out a precise evaluation of strain-related measured variables using conventional circuits.

Zur Herstellung elektrisch leitfähiger Kohlenstoff- oder Grafitfasern sind verschiedene Verfahren bekannt, die zu unterschiedlich elektrisch leitenden Kristallstrukturen aus dem Kohlenstoffatom führen. So werden bei einem Herstellungsverfahren für die Kohlenstofffasern Pechfasern nach dem Grafitviskerverfahren verwendet, um elektrisch leitfähige Dehnungsmessfasern zu schaffen.For the production of electrically conductive carbon or graphite fibers, various processes are known which lead to different electrically conductive crystal structures from the carbon atom. Thus, in a carbon fiber manufacturing process, graphite-viscous pitch fibers are used to provide electrically conductive strain gauges.

In der Erfindung wird aber als Ausgangsmaterial ein polymerer Faden aus Polyacrylnitril verwendet, der durch thermischen Aufbau im Inertgasatmosphäre und Graphitierung zu einer dauerfesten Kristallanordnung der Kohlenstoffatome führt. Dadurch sind Kohlenstofffasern mit vorbestimmbaren spezifischen Widerstandwerten herstellbar, die für Dehnungsmessstreifen mit unterschiedlichsten Einsatzzwecken verwendbar sind.In the invention, however, a polymeric thread of polyacrylonitrile is used as the starting material, which leads by thermal construction in an inert gas atmosphere and graphitization to a durable crystal arrangement of the carbon atoms. As a result, carbon fibers with predeterminable specific resistance values can be produced, which can be used for strain gauges with a wide variety of uses.

Da die elektrisch leitfähigen Messfasern aus Kunstfaserwerkstoff als einzelne Filamente von wenigen μm Dicke herstellbar sind, können damit Dehnungsmessstreifen unterschiedlicher Messgitter gebildet werden, deren Kantenlänge in kompakter Ausführung von wenigen Millimetern Länge ausführbar sind. Mit derartigen Dehnungsmessfasern können auch Dehnungsmessstreifen aus Fasersträngen oder Messgittern mit parallel angeordneten Fasern hergestellt werden, an deren Anfang und Ende metallische Kontaktelementen vorgesehen sind. Diese Dehnungsmessstreifen können auf einfache Weise in Messrichtung appliziert werden. Da derartige elektrisch leitfähige Dehnungsmessfasern überdies auf einfache Weise auf Kunststoffträgerfolien aufklebbar sind, können somit Dehnungsmessstreifen mit geringem Aufwand hergestellt und wie herkömmliche Dehnungsmessstreifen an Verformungskörpern unterschiedlichster Art appliziert werden. Sie sind deshalb sowohl auf speziellen Verformungskörpern in Kraftaufnehmern, Wägezellen, Druck- oder Drehmomentaufnehmern einsetzbar. Zusätzlich können sie aber auch direkt auf belasteten Verformungskörpern aus Faserverbundwerkstoffen wie bei Fahr- oder Flugzeugteilen appliziert und zur Spannungsanalyse oder zum Monitoring ausgewertet werden.Since the electrically conductive measuring fibers made of synthetic fiber material can be produced as individual filaments of a few μm thickness, it is thus possible to form strain gauges of different measuring grids, the edge lengths of which can be executed in a compact design of a few millimeters in length. With such strain gauges can also strain gauges made of fiber strands or measuring grids are made with parallel fibers at the beginning and end of metallic contact elements are provided. These strain gauges can be easily applied in the direction of measurement. Moreover, since such electrically conductive strain gauges can be glued on plastic carrier foils in a simple manner, strain gauges can be produced with little effort and, like conventional strain gauges, applied to deformation bodies of the most varied types. They can therefore be used both on special deformation bodies in force transducers, load cells, pressure or torque transducers. In addition, they can also be applied directly to loaded deformation bodies made of fiber composite materials such as for driving or aircraft parts and evaluated for stress analysis or monitoring.

Weiterhin können besondere Ausführungsarten der erfindungsgemässen Dehnungsmessstreifen auch direkt in derartige Faserverbundwerkstoffe integriert werden, wobei lediglich deren Endbereiche herausgeführt werden. Dies hat zusätzlich den Vorteil, dass dadurch der laminierte Aufbau derartiger Faserverbundstoffe nicht nennenswert verändert wird, so dass dadurch kaum ein Festigkeitsverlust beim Faserverbundbauteil eintritt. Bei elektrisch nicht leitfähigen Verbundwerkstoffen können Dehnungsmessfasern als besondere Ausführungsart eines erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifen auch unmittelbar mit den Verbundschichten verklebt werden, so dass weder ein Trägermaterial noch ein spezieller Verformungskörper zur Applizierung notwendig ist.Furthermore, special embodiments of the strain gauges according to the invention can also be integrated directly into such fiber composite materials, with only their end regions being led out. 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 the case of electrically nonconductive composites, as a special embodiment of a strain gauge according to the invention, strain gauges can also be adhesively bonded directly to the composite layers, so that neither a carrier material nor a special deformation body is necessary for application.

Die Dehnungsmessfasern oder Faserstränge können an ihren Enden als Kontaktelemente mit metallischen Hülsen versehen werden, die mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs oder einer mechanischen Klemmverbindung an der Dehnungsmessfaser als Kontaktierungselement befestigt sind. Derartige Hülsen dienen dann als Lötverbindung für Anschlussleitungen, die die Dehnungsmessstreifen in elektrischen Schaltungen mit den Stromversorgungs- und -verstärkerelementen verbinden. Vorzugsweise werden derartige Kontaktierungselemente mit Gold beschichtet, wodurch Kontaktkorrosionen vermieden werden.The strain gauges or fiber strands may be provided at their ends as contact elements with metallic sleeves secured to the strain gauge fiber as a contacting element by means of an electrically conductive adhesive or a mechanical clamp connection. Such sleeves then serve as a solder joint for leads connecting the strain gauges in electrical circuits to the power supply and amplifier elements. Preferably, such contacting elements are coated with gold, whereby contact corrosion is avoided.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Dehnungsmessstreifen in einfachster Ausführung als langgestreckte Faserstränge ausbildbar sind. Dabei können die Dehnungsmessfasern als einzelne Filamente oder zu sogenannten Rowings und Fasersträngen zusammengefasst als einzelnes Leiterelement verwendet werden. Die Dehnungsmessfasern können andererseits aber auch als Messgitter, insbesondere als mäanderförmiges Messgitter ausgebildet sein und wie herkömmliche Metallmessgitter appliziert werden. Der elektrische Widerstand der Messgitter oder der Faserstränge kann dabei über die Länge und den Querschnitt der Fasern bzw. der Faserstränge eingestellt werden. Durch die Einstellbarkeit der Widerstandswerte sind auch sehr hochohmige Ausführungen der Dehnungsmessstreifen ausführbar, die insbesondere bei Langzeitüberwachungen vorteilhafterweise nur einen geringen Energieverbrauch benötigen.The invention has the advantage that the strain gauges are in the simplest form as elongated fiber strands can be formed. In this case, the strain gauges fibers can be used as single filaments or so-called rowings and fiber strands combined as a single conductor element. On the other hand, however, the strain-measuring fibers can also be designed as measuring gratings, in particular as meandering measuring gratings, and can be applied like conventional metal measuring gratings. The electrical resistance of the measuring grid or the fiber strands can be adjusted over the length and the cross section of the fibers or fiber strands. Due to the adjustability of the resistance values, it is also possible to carry out very high-impedance versions of the strain gauges, which advantageously require only low energy consumption, especially in the case of long-term monitoring.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment which is illustrated in the drawing. Show it:

1: eine schematische Darstellung der Seitenansicht einer Dehnungsmessfaser auf einem Verformungskörper; 1 a schematic representation of the side view of a strain gauge on a deformation body;

2: die schematische Darstellung einer Dehnungsmessfaser, die in einem Verformungskörper aus einem Faserverbundwerkstoff integriert ist; 2 FIG. 2 is a schematic representation of a strain gauge fiber integrated in a fiber composite body; FIG.

3: ein Dehnungsmessstreifen mit mäanderförmigem Messgitter, und 3 : a strain gauge with a meandering measuring grid, and

4: ein Dehnungsmessstreifen mit einem Messgitter aus parallelen Dehnungsmessfasern. 4 : a strain gauge with a measuring grid of parallel strain gauge fibers.

In 1 der Zeichnung ist ein Dehnungsmessstreifen in Seitenansicht schematisch dargestellt, der im wesentlichen aus einer isolierten elektrisch leitfähigen Kunststofffaser 1 mit zwei Kontaktierungselementen 2 besteht, der auf einem Verformungskörper 3 aufgeklebt ist.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.

Die Kunstfaser 1 ist als Dehnungsmessfaser ausgebildet und besteht aus einem kohlenstoffhaltigen Kunstfaserwerkstoff, der aufgrund seines schichtförmigen Aufbaus und des freien Elektrons bei ringförmiger sechseckiger Atomanordnung elektrisch leitfähig ist. Diese Dehnungsmessfaser 1 hat ein elastisches mechanisches Verhalten und zeichnet sich durch hohe Bruchfestigkeit und hohes Dehnungsvermögen bei gutem Ermüdungsverhalten aus.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.

Zur Herstellung der Grafit- bzw. Kohlenstofffasern 1 kommen verschiedene Verfahren zur Anwendung, die zu unterschiedlich elektrisch leitenden Kristallstrukturen aus dem Kohlenstoffatom führen. Am bekanntesten ist ein Herstellungsverfahren, bei dem als Ausgangspunkt ein polymerer Faden aus Polyacrylnitril verwendet wird, der durch thermischen Abbau in Inertgasatmosphäre und Grafitierung zu einer dauerfesten Kristallanordnung der Kohlenstoffatome führt. Weitere bekannte Herstellungsverfahren für derartige Kohlenstofffasern 1 sind die Verarbeitung von Pechfasern und das Grafit-Whiskerverfahren. Zur Herstellung der Kohlenstofffasern 1 werden einzelne Filamente zu sogenannten Rovings und Fasersträngen zusammengefasst und mit einer Schichte versehen. Dabei kann der elektrische Widerstand der Dehnungsmessfasern 1 über die Länge und den Querschnitt der Kohlenstofffaser eingestellt werden. Dazu kommen einzelne Filamente von wenigen μm sowie dicke Faserstränge von mehreren Millimetern zur Anwendung. Die Länge der Dehnungsmessfaser 1 liegt üblicherweise im Bereich von wenigen Millimetern bis zu ca. 100 Millimetern. Statt einer einzelnen Kohlenstofffaser 1 kann auch ein Faserstrang oder mehrere Faserstränge parallel verwendet werden, die am Anfang und am Ende mit Kontaktierungselementen 2 versehen sind. Der dargestellte Dehnungsmessstreifen ist im einfachsten Fall als rundes langgestrecktes Faserelement ausgebildet, das je nach Empfindlichkeit und Dehnungsverhalten des Verformungskörpers 3 vorzugsweise eine Länge von mindestens 5 mm und höchstens 100 mm aufweist. Diese runde Kohlenstofffaser 1 ist von einer Isolationsschicht 4 umgeben, die vorzugsweise aus einem nicht leitenden polymeren Werkstoff wie Polyimid besteht. Diese Kohlenstofffaser 1 ist direkt mittels einer Kleberschicht 5 auf einem Verformungskörper 3 aufgeklebt. Eine derartige Direktapplizierung bietet sich immer bei Verformungskörpern 3 aus einem Kunstfaserverbundwerkstoff an, der aus einem vergleichbaren Werkstoff wie die Kohlenstofffaser 1 besteht, wobei dann eine sehr geringe Hysteresewirkung durch die Klebeverbindung auftritt. Bei metallischen Verformungskörpern 3 vorzugsweise aus Aluminium oder einer Edelstahllegierungen werden die Kohlenstofffasern 1 vorzugsweise auf einer Trägerfolie aufgeklebt, die ihrerseits auf dem Verformungskörper 3 appliziert wird. Die Faserrichtung gibt dabei die Messrichtung an, so wie dies die axiale Ausrichtung der Widerstandsleiter auf einer Trägerfolie eines herkömmlichen Dehnungsmessstreifens vorsieht. Dabei entsteht quer zur Messrichtung (90°) im Grunde keine Widerstandsbeeinflussung, da hierdurch der Querschnitt und 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 Widerstandsänderung zur besseren Signalauswertung vervielfachen lässt.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 single filaments are combined to so-called rovings and fiber strands and with a Layer provided. 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. 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.

An den Enden der Dehnungsmessfaser 1 sind zur Kontaktierung metallische Hülsen als Kontaktierungselemente 2 angebracht, an die die Anschlussleitung 6 zu einer Messschaltung angelötet werden. Die metallischen Hülsen 2 sind zur Vermeidung von Kontaktkorrosion vorzugsweise vergoldet. Die Hülsen 2 können mit elektrisch leitfähigem Klebstoff mit der Grafit- bzw. Kohlenstofffaser 1 verbunden sein oder mechanisch aufgeklemmt werden. Zur Erzeugung eines Messsignals und zu deren Auswertung können die Dehnungsmessfasern 1 wie bei herkömmlichen Dehnungsmessstreifen mit Metallmessgittern in einer Wheatstone'schen Messbrücke verschaltet werden, da die durch die Dehnung verursachte Widerstandsänderung in der Regel proportional zu der Belastung des Dehnungskörpers ist. Bei der vorgesehenen Dehnungsmessfaser 1 aus einem elektrisch leitfähigen Kohlenstofffaserwerkstoff sind relative Dehnungen von mindestens 1,2% ermüdungsfrei erreichbar.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% can be achieved without fatigue.

Für herkömmliche Dehnungsmessstreifen aus Messgittern aus Konstantan-Widerstandsmaterial sind hingegen meist nur 0,5% relative Dehnung zulässig, nach dessen Überschreitung die Metallgitter meist beschädigt oder zerstört werden und in der Regel auch eine Verkürzung der Lebensdauer auftritt. Durch diese Erhöhung der relativen Widerstandsänderung auf mindestens 1,2% wird gleichzeitig auch die Dehnungsempfindlichkeit gegenüber einem Messgitter aus Konstantan (ΔR/R < 0,5%) mehr als verdoppelt. Deshalb können derartige Dehnungsmessstreifen aus Kohlenstofffasern 1 auch auf Kohlefaserverbundwerkstoffen direkt appliziert werden, die ebenfalls eine zulässige Dehnung von mindestens 1,2% aufweisen. Mit derartigen Messanordnungen können deshalb vorzugsweise Spannungsanalysen oder eine dauerhafte Materialüberwachung durchgeführt werden. Derartige Dehnungsmessstreifen mit Dehnungsmessfasern 1 aus elektrisch leitfähigen Kunststofffasern können andererseits aber auch auf metallischen Verformungskörpern 3 appliziert werden, so wie sie in üblichen Kraftaufnehmern, 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.

In 2 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Dehnungsmessfaser 2 als Dehnungsmessstreifen direkt in einem Verformungskörper 3 aus einem Faserverbundwerkstoff integriert ist. Dabei ist die aus einer Kohlefaser bestehende Dehnungsmessfaser 1 in einem Faserverbundwerkstoff integriert, der ebenfalls aus Kohlefasern 7 (CFK) besteht. Dabei besitzt der Faserverbundwerkstoff (CFK) in Messrichtung eine Fülle von parallel nebeneinander angeordneten kohlenstoffhaltigen Verstärkungsfasern 7, die in ein polymeres Matrixharz 8 eingebettet sind. Die Dehnungsmessfaser 1 ist in den Faserverbundwerkstoff 3 eingelegt, wobei die Enden der Dehnungsmessfaser 1 aus dem Faserverbundwerkstoff 3 herausragen. Zur Kontaktierung sind an diesen Enden vorzugsweise metallische Hülsen 2 angebracht, die an den Kohlefasern angeklemmt oder mit einem elektrisch leitfähigen Kleber angeklebt sind.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 protrude. 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.

Zur Vermeidung von elektrischem Kontakt zwischen den Dehnungsmessfasern 1 und den ebenfalls elektrisch leitfähigen Verstärkungsfasern 7 ist um die Dehnungsmessfaser 1 eine Isolationsschicht 5 angeordnet. Diese Isolationsschicht 5 besteht vorzugsweise aus dem selben polymeren Matrixharz 8 wie er in dem Faserverbundwerkstoff 3 selbst verwendet wird. Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass die Isolationsschicht 5 zwar das selbe polymere Matrixharz 8 wie der Faserverbundwerkstoff 3 besitzt, jedoch zusätzlich mit nicht leitfähigen Fasern 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.

Wird nun der Faserverbundwerkstoff 3 durch eine Kraft gedehnt oder gestaucht, so wird die Dehnung oder Stauchung direkt auf die Kohlenstofffaser 1 ubertragen, wodurch eine Querschnittsveränderung und dadurch eine Änderung des elektrischen Widerstands in dieser Dehnungsmessfaser 1 eintritt. Eine derartige Integration der Dehnungsmessfaser 1 bzw. des Dehnungsmessstreifens innerhalb eines Verformungskörpers 3 bietet sich insbesondere bei Fahrzeug- und Flugzeugteilen aus Verbundfaserwerkstoffen an, die starken Belastungen ausgesetzt sind und zur Spannungsanalyse oder Belastungsüberwachung verwandt werden sollen. Es ist aber auch denkbar für Kraftaufnehmer, Wägezellen oder Drehmomentaufnehmer spezielle Verformungskorper 3 aus Kohlenfaserverbundwerkstoffen zu schaffen, in die die vorgesehenen Dehnungsmessfasern 1 als Dehnungsmessstreifen integriert sind. Insbesondere sind dabei auch die innerhalb der Verbundmaterialien auftretenden Scherkräfte zwischen den 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 bodies 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.

In 3 der Zeichnung ist ein Dehnungsmessstreifen mit mäanderförmigem Messgitter 9 dargestellt, dessen Messgitterleitermaterial aus einer elektrisch leitfähigen kohlenstoffhaltigen Dehnungsmessfaser 10 besteht. Diese kohlenstoffhaltige Dehnungsmessfaser 10 ist mäanderförmig auf einer Trägerschicht 11 aufgeklebt. Dabei ist die Trägerschicht 11 aus einer Kunststofffolie wie vorzugsweise einer Polyphylensulfidfolie hergestellt, wie sie auch bei herkömmlichen Dehnungsmessstreifen mit metallischen Dehnungsmessgittern vorgesehen ist. Da sich bei Kohlenstofffasern 1 kleine Biegeradien nur bedingt herstellen lassen, sind diese größer als bei herkömmlichen Konstantanmessgittern.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.

Die Enden des Messgitters 9 sind vorzugsweise mit einer flachen elektrisch leitfähigen Kohlenstofffolie 12 als Kontaktierungselemente verbunden, auf die die Anschlussleitungen 6 mit elektrisch leitfähigen Klebemitteln aufgeklebt sind. Die Anschlussenden des mäanderförmigen Messgitters 9 aus der Dehnungsmessfaser 1 können aber auch auf eine metallische Anschlussfolie geklebt sein, auf die dann die Anschlussleitungen 6 auflötbar sind. Ein derartiger Dehnungsmessstreifen kann in Längen und Breiten von einigen Millimetern sowie auch einer Länge bis 100 mm hergestellt und mit seiner Trägerschicht sowohl auf metallische als auch auf Faserverbundverformungskörper 3 aufgeklebt werden. Dabei kann der Dehnungsmessstreifen zusätzlich noch mit einer Schutzfolie überzogen sein, die diesen vor Feuchtigkeit und mechanischer Beeinträchtigung schützt. Bei einer Applizierung auf einem Verformungskörper 3 sind mit derartigen Dehnungsmessstreifen Messsignale erzeugbar wie mit herkömmlichen metallischen 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.

In 4 der Zeichnung ist ein Dehnungsmessstreifen mit einem Messgitter 13 aus mehreren parallelen Dehnungsmessfasern 14 aus einem elektrisch leitfähigem Kunststoffmaterial dargestellt. Dabei ist das parallele Messgitter 13 aus einzelnen Stücken von Kohlenstofffasern 14 als Dehnungsmessfasern aufgebaut und durch einen leitfähigen Klebstoff oder in einem Pressvorgang miteinander verbunden. Dazu werden vorzugsweise rechteckförmig ausgebildete Dehnungsmessfasern 14 verwendet, die aus rechteckförmigen Grafitschichten aufgebaut sind. Die einzelnen Dehnungsmessfaserstücke 14 werden parallel ausgerichtet und über eine Kontaktierung 15 aus Kohlenstofffasern elektrisch miteinander verbunden. An den Enden der Kontaktierungen 15 sind metallische Kontaktierungselemente 16 angebracht, über die Anschlussleitungen anlötbar sind.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.

Ein derartiges paralleles Messgitter 13 kann ebenfalls auf einer Trägerschicht aus vorzugsweise Polyphenylensulfidfolie aufgeklebt werden. Zur Isolation und zum mechanischen Schutz wird vorzugsweise ebenfalls eine Abdeckfolie aufgeklebt, die lediglich die Kontaktierungselemente freilässt. Ein Dehnungsmessstreifen aus einem parallelen Messgitter 13 ist besonders flach ausbildbar und daher wie herkömmliche Dehnungsmessstreifen mit fotolithografisch hergestellten metallischen Messgittern einsetzbar. Solche Dehnungsmessstreifen mit flachen Dehnungsmessfasern 14 sind vorzugsweise auf Verformungskörpern 3 von Kraftaufnehmern, Wägezellen, Druck- oder Drehmomentaufnehmern applizierbar. Wegen des relativ großen Dehnungsbereichs von mindestens 1,2% sind derartige Dehnungsmessstreifen aber auch auf Faserverbundwerkstoffen direkt applizierbar. Bei einer Dehnungsbeanspruchung in Längsrichtung der parallelen Dehnungsmessfasern 14 entsteht bei diesen Dehnungsmessstreifen in den einzelnen Fasern eine Querschnittsverringerung, die zu einer proportionalen Widerstandserhöhung führt und wodurch ein entsprechendes Messsignal 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.

Bei einer besonderen Ausführung der Messgitter nach 3 und 4 könnten diese auch mit Hilfe eines fotolithografischen Ätzverfahrens aus dem Basiswerkstoff der Kohlenstofffaser Polyacrylritril (PAN) oder Pech hergestellt werden. Dabei wird die Form der Messgitter vor der Carbonisierung und Graphitisierung des Basiswerkstoffs wie bei herkömmlichen Messgittern fotolitografisch auf den Basiswerkstoff übertragen und nachfolgend mit Hilfe eines Ätzverfahrens der übrige Basiswerkstoffanteil entfernt. Dadurch sind auch sehr kleine Biegeradien und Messgitter mit großen Leiterlängen auf kleinster Fläche herstellbar. Erst nach dem Ätzvorgang erhält dann das aus dem Basiswerkstoff geätzte Messgitter seine nachträgliche Carbonisierung und Graphitisierung, um die typischen Eigenschaften der elektrisch leitfähigen Kohlenstofffasern 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 polyacrylitrile (PAN) or pitch. In this case, the form 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 removed by means of an etching process, the remaining base material content. 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.

Claims (7)

Dehnungsmessstreifen zur Messung von Dehnungen und Stauchungen an Verformungskörpern (3), aus elektrisch leitfähigem kohlenstoffhaltigen Kunststoffmaterial (1, 10, 14), wobei das Kunststoffmaterial als mindestens eine Kunststofffaser ausgebildet ist und wobei die Kunststofffaser an den Enden elektrische Kontaktierungselemente aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kunststofffaser (1, 10, 14) jeweils mit einer elektrischen Isolationsschicht (4) ummantelt ist, dass die mindestens eine Kunststofffaser (1, 10, 14) sich aus mehreren Teilfasern zusammensetzt, dass als Ausgangsmaterial zur Herstellung der Kunststofffaser ein polymerer Faden aus Polyacrylnitril verwendet wird, der durch thermischen Abbau in Inertgasatmosphäre graphitisiert wird, und dass die mindestens eine Kunststofffaser (1, 10, 14) längs der Messrichtung ausgerichtet ist.Strain gauges for measuring strains and compressions on deformation bodies ( 3 ), of electrically conductive carbonaceous plastic material ( 1 . 10 . 14 ), wherein the plastic material is formed as at least one plastic fiber and wherein the plastic fiber has at the ends of electrical contacting elements, characterized in that the at least one plastic fiber ( 1 . 10 . 14 ) each with an electrical insulation layer ( 4 ) is jacketed that the at least one plastic fiber ( 1 . 10 . 14 ) is composed of a plurality of sub-fibers, that as a starting material for the production of the plastic fiber, a polymeric thread of polyacrylonitrile is used, which is graphitized by thermal degradation in an inert gas atmosphere, and that the at least one plastic fiber ( 1 . 10 . 14 ) is aligned along the measuring direction. Dehnungsmessstreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (4) aus nichtleitendem polymeren Werkstoff besteht.Strain gauge according to claim 1, characterized in that the insulating layer ( 4 ) consists of non-conductive polymeric material. Dehnungsmessstreifen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kunststofffaser (1, 10, 14) in einem Faserverbundmaterial integriert ist, wobei die Endbereiche mit ihren Kontaktierungselementen (2, 16, 12) aus dem Verbundmaterial (3) herausgeführt sind.Strain gauge according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one plastic fiber ( 1 . 10 . 14 ) 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. Dehnungsmessstreifen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, die Isolationsschicht (4) aus dem gleichen polymeren Matrixharz wie im Faserverbundmaterial verwendet besteht.Strain gauge according to claim 3, characterized in that the insulating layer ( 4 ) of the same polymeric matrix resin as used in the fiber composite material. Dehnungsmessstreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (4) zur Verstärkung nichtleitfähige Fasern, Glasfasern oder Aramidfasern enthält.Strain gauge according to one of claims 1 to 4, characterized in that the insulating layer ( 4 ) contains non-conductive fibers, glass fibers or aramid fibers for reinforcement. Dehnungsmessstreifen einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontaktierungselemente (2) als metallische Hülsen ausgebildet sind und mit den Endbereichen der mindestens einen Kunststofffaser (1) elektrisch leitfähig verklebt oder verklemmt sind.Strain gauge according to one of claims 1 to 5, characterized in that the electrical contacting elements ( 2 ) are formed as metallic sleeves and with the end regions of the at least one plastic fiber ( 1 ) are glued or clamped electrically conductive. Dehnungsmessstreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kunststofffaser als mäanderförmiges Dehnungsmessgitter (9, 13) ausgebildet ist.Strain gauge according to one of claims 1 to 6, characterized in that the at least one plastic fiber as a meandering strain gauge ( 9 . 13 ) is trained.
DE102004008432.7A 2004-02-19 2004-02-19 Strain gauges for detecting strains or compressions on deformation bodies Expired - Fee Related DE102004008432B4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004008432.7A DE102004008432B4 (en) 2004-02-19 2004-02-19 Strain gauges for detecting strains or compressions on deformation bodies

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004008432.7A DE102004008432B4 (en) 2004-02-19 2004-02-19 Strain gauges for detecting strains or compressions on deformation bodies

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102004008432A1 DE102004008432A1 (en) 2005-09-15
DE102004008432B4 true DE102004008432B4 (en) 2015-05-28

Family

ID=34853575

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102004008432.7A Expired - Fee Related DE102004008432B4 (en) 2004-02-19 2004-02-19 Strain gauges for detecting strains or compressions on deformation bodies

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102004008432B4 (en)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1987945A1 (en) * 2007-05-04 2008-11-05 Sgl Carbon Ag Semifinished product for the manufacture of structural parts from fiber-reinforced composites
DE102008018752A1 (en) * 2008-04-14 2009-10-22 Universität Bremen Semifinished textile stacks or preforms, useful in fiber-reinforced composites, contain superimposed textile sheets with fiber position and/or condition indicating elements for quality control
DE102010023033A1 (en) * 2010-06-08 2011-12-08 Siemens Aktiengesellschaft Medical table with a couch board
DE102010049564A1 (en) * 2010-10-25 2012-04-26 Daimler Ag Device for detecting a mechanical damage of a component
DE102013213219B4 (en) 2013-07-05 2021-12-23 Siemens Healthcare Gmbh Device for determining deformation information for a board loaded with a load
CN105136355B (en) * 2015-09-10 2017-10-20 江苏大学 A kind of sensor based on flexible carbon fiber wire
DE102016202769B4 (en) * 2016-02-23 2022-09-15 Technische Universität Dresden Sensor for the integral or spatially resolved measurement of strains based on pre-damaged carbon fibers
CN106052544A (en) * 2016-05-18 2016-10-26 郑州大学 Flexible wearable strain sensor and preparation method thereof
CN108692846A (en) * 2018-05-09 2018-10-23 中南大学 A kind of hot-press solidifying composite product and mold interface stress monitoring system
DE102018218773A1 (en) * 2018-11-02 2020-05-07 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Cast component with sensor for detecting mechanical loads and / or deformations and device for detecting mechanical loads and / or deformations in a cast component
DE102019204177B4 (en) * 2019-03-26 2022-08-04 Zf Friedrichshafen Ag Sensor device for measuring an instantaneous load on a component and component and/or chassis component with such a sensor device
DE102022124636A1 (en) * 2022-09-26 2024-03-28 Audi Aktiengesellschaft Sensor device for a composite component, underrun protection with such a sensor device and method for its production

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE832689C (en) * 1950-07-16 1952-02-28 Werkstaette Fuer Elektroakusti Coiled strain gauge
GB720602A (en) * 1952-02-21 1954-12-22 Dunlop Rubber Co Electric resistance elements
DE2148190A1 (en) * 1971-09-27 1973-04-12 Reuter Maschinen EXTENSION MEASURES OF VARIABLE ELECTRICAL RESISTANCE AND THE METHOD OF MANUFACTURING IT
DE2550669A1 (en) * 1975-11-12 1977-05-26 Daimler Benz Ag EXTENSION MEASUREMENT STRIPS
DE2842190C2 (en) * 1978-09-28 1985-01-24 Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart Strain gauges in thick film technology
US4748433A (en) * 1985-01-29 1988-05-31 University Of Strathclyde Electro-conductive elastomeric devices
DE3813150A1 (en) * 1988-04-20 1989-11-09 Deutsche Forsch Luft Raumfahrt FORM PIECE REINFORCED WITH CARBON FIBERS
EP0205044B1 (en) * 1985-06-10 1990-02-14 INTERATOM Gesellschaft mit beschränkter Haftung High temperature resistant ceramic material extensometering systems
US5095756A (en) * 1988-05-19 1992-03-17 Edwards Eric F R Linear movement sensors
DE3877170T2 (en) * 1987-12-14 1993-04-29 Medex Inc PRESSURE SENSOR WITH MEASURING BRIDGE IN CONDUCTIVE POLYMER.
DE69219088T2 (en) * 1991-12-17 1997-07-24 Thomson Csf Mechanical probe with polymer membrane
JP2003247802A (en) * 2002-02-25 2003-09-05 Toyoaki Kimura Strain sensor by conductive particle-polymer

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE832689C (en) * 1950-07-16 1952-02-28 Werkstaette Fuer Elektroakusti Coiled strain gauge
GB720602A (en) * 1952-02-21 1954-12-22 Dunlop Rubber Co Electric resistance elements
DE2148190A1 (en) * 1971-09-27 1973-04-12 Reuter Maschinen EXTENSION MEASURES OF VARIABLE ELECTRICAL RESISTANCE AND THE METHOD OF MANUFACTURING IT
DE2550669A1 (en) * 1975-11-12 1977-05-26 Daimler Benz Ag EXTENSION MEASUREMENT STRIPS
DE2842190C2 (en) * 1978-09-28 1985-01-24 Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart Strain gauges in thick film technology
US4748433A (en) * 1985-01-29 1988-05-31 University Of Strathclyde Electro-conductive elastomeric devices
EP0205044B1 (en) * 1985-06-10 1990-02-14 INTERATOM Gesellschaft mit beschränkter Haftung High temperature resistant ceramic material extensometering systems
DE3877170T2 (en) * 1987-12-14 1993-04-29 Medex Inc PRESSURE SENSOR WITH MEASURING BRIDGE IN CONDUCTIVE POLYMER.
DE3813150A1 (en) * 1988-04-20 1989-11-09 Deutsche Forsch Luft Raumfahrt FORM PIECE REINFORCED WITH CARBON FIBERS
US5095756A (en) * 1988-05-19 1992-03-17 Edwards Eric F R Linear movement sensors
DE69219088T2 (en) * 1991-12-17 1997-07-24 Thomson Csf Mechanical probe with polymer membrane
JP2003247802A (en) * 2002-02-25 2003-09-05 Toyoaki Kimura Strain sensor by conductive particle-polymer

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Brockhaus - Die Enzyklopädie: in vierundzwanzig Bänden. Vierter Band. 20. überarbeitete und aktualisierte Auflage. Leipzig, Mannheim : Brockhaus, 1997. 433. - ISBN 3-7653-3104-X *
Schulte, K.; Baron, Ch.: Load and Failure Analyses of CFRP Laminates by Means of Electrical Resistivity Measurements. In: Composites Science and Technology, 36, 1989, 63 - 76. *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102004008432A1 (en) 2005-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102004008432B4 (en) Strain gauges for detecting strains or compressions on deformation bodies
DE102007008464B4 (en) Optical strain gauge
EP1460398B1 (en) Strain sensor with resistive and piezoelectric strain-sensitive elements
DE112014004544B4 (en) FBG sensor for measuring maximum elongation, manufacturing process and method of use
DE102006040316B4 (en) Piezoceramic Flächenaktuator and method for producing such
EP0237598B1 (en) Piezoresistive force-measuring element and its use in determining the forces acting upon a construction
WO2007124924A2 (en) Connector component with temperature-resistant sensor element
DE102016202769B4 (en) Sensor for the integral or spatially resolved measurement of strains based on pre-damaged carbon fibers
AT503664A4 (en) PIEZOELECTRIC PRESSURE SENSOR
WO2009059754A1 (en) Force-moment sensor
DE112019004158T5 (en) STRAIN SENSOR RESISTANCE
CH711008A1 (en) Contact force testing apparatus, use of such a contact force testing apparatus, and a method of manufacturing such a contact force testing apparatus.
EP3065968B1 (en) Device for monitoring wear on contact lines
EP0205044A1 (en) High temperature resistant ceramic material extensometering systems
DE102007026827A1 (en) Single-axis force-torque-sensor for robot-supported manipulation and assembling processes, has extension measuring structure for detecting deformation, realized as part of metal lamination of printed circuit board in deformable area
DE102011015081B4 (en) Sensor fiber and sensor fiber arrangement
CH711007A1 (en) Contact force testing apparatus, use of such a contact force testing apparatus, and a method of manufacturing such a contact force testing apparatus.
DE102010008397A1 (en) Sensor system for the determination of fatigue on metallic components
DE102015204976A1 (en) Measuring device and use of a measuring device
EP0383974A1 (en) Plate shaped sensor element as well as pressure, force or acceleration sensor provided with it
WO2007062813A1 (en) Strain gauge
DE102019204177B4 (en) Sensor device for measuring an instantaneous load on a component and component and/or chassis component with such a sensor device
DE102022130427B3 (en) Device for holding, storing and/or guiding a rod-shaped element made of a magnetic shape memory alloy
DE102019106425A1 (en) Measuring device and method for measuring moisture
DE3126676C2 (en)

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R082 Change of representative

Representative=s name: SCHWEIZER, JOACHIM, DIPL.-ING., DE

R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final
R081 Change of applicant/patentee

Owner name: HOTTINGER BRUEEL & KJAER GMBH, DE

Free format text: FORMER OWNER: HOTTINGER BALDWIN MESSTECHNIK GMBH, 64293 DARMSTADT, DE

R082 Change of representative

Representative=s name: SCHWEIZER, JOACHIM, DIPL.-ING., DE

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee