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Die Erfindung betrifft einen Dehnungamessstreifen zur Messung von Dehnungen und Stauchungen an Verformungskörpern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese Aufgabe wird durch einen Dehnungsmessstreifen mit den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, welcher zusätzlich die kennzeichnenden Merkmale aufweist.
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Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung der Seitenansicht einer Dehnungsmessfaser auf einem Verformungskörper;
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2: die schematische Darstellung einer Dehnungsmessfaser, die in einem Verformungskörper aus einem Faserverbundwerkstoff integriert ist;
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3: ein Dehnungsmessstreifen mit mäanderförmigem Messgitter, und
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4: ein Dehnungsmessstreifen mit einem Messgitter aus parallelen Dehnungsmessfasern.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.