DE10360309A1

DE10360309A1 - Resistiver Dehnungssensor

Info

Publication number: DE10360309A1
Application number: DE2003160309
Authority: DE
Inventors: Horst Dr. Ahlers; Wolfgang Dr. Scheibner
Original assignee: Textilforschungsinstitut Thueringen Vogtland TITV eV
Current assignee: Ahlers Horst Dr De
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: DE10360309B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen resitiven Dehnungssensor aus Gummifäden, die mit Ruß oder anderen leitfähigen Materialien gefüllt sind. Die Einstellung einer gewünschten Widerstands-Dehnungs-Kennlinie, wie sie unterschiedlichste Anwendungen, z. B. bei Körperbewegungen oder Bewegungen von Erdmassen notwendig werden lassen, erfolgt dadurch, daß eine geometrische Variation mittels textiltypischer Verfahren des leitfähigen Gummifadens, eines optinal beigefügten nichtleitfähigen Gummifadens und/oder in einem textilen Flächengebilde erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft aus Sensorfäden aufgebaute resistive Dehnungssensoren zur Erfassung von Kräften und Dehnungszuständen mit Hilfe einer Änderung des elektrischen Widerstandes der Sensorfäden. Anwendungsfälle erfordern Sensorfäden mit elektrischer Widerstandsänderung, welche hohe Dehnungen bei kleinen Kräften zulassen und deren Widerstands-Dehnungs-Kennlinie eine ausreichende Form und Empfindlichkeit liefert. Außerdem soll sie bei wiederholter Dehnung und Entlastung stabil bleiben. Die Kontaktierung von elektrischen Zu- und Ableitungen soll weitgehend mit standardisierten Verbindungselementen vorgenommen werden. Denkbar sind Druckknöpfe und Steckverbinder sowie andere textilkompatible Verbindungen wie etwa Reißverschlüsse oder Klettverschlüsse. Von ausschlaggebender Bedeutung ist die textiltechnische Verarbeitbarkeit der Sensorfäden unter Einsatz von herkömmlichen Textilmaschinen.

Bekannt sind Dehnungssensoren unter Verwendung von Dehnungsmeßstreifen ( DE 3421963 C2 , EP 534226 B1 ), kapazitiven ( EP 1113252 A4 ) oder piezoelektrischen (WO 1999026046 A1) Aufnehmern. Diese sind für die Integration in textile Materialien wenig geeignet. Eine Alternative sind fadenförmige Gebilde in Form von Lichtwellenleitern, die sich für den Einsatz als Dehnungssensoren eignen ( DE 8915071 U1 , DE 3942556 C2 ). Allerdings zeichnen sich die Lichtwellenleiter durch wenig textiltypisches Verhalten bei der Verarbeitung und im Gebrauch aus.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dehnungssensor zu schaffen, der textiltypische Eigenschaften aufweist und mit dem die im Gebrauch textiler Erzeugnisse auftretenden Dehnungen mit einer einstellbaren Widerstands-Dehnungs-Kennlinie detektierbar sind.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche aufgeführten Maßnahmen gelöst. Im wesentlichen werden dabei elektrisch leitfähige Gummifäden so mit sich selbst und/oder elastischen und/oder dehnbaren textilen Materialien verknüpft, daß durch die Überlagerung der Federkennlinien neue Dehnungseigenschaften entstehen, da bei diesen vorrangig die Änderung des elektrischen Widerstandes aber nicht die elastischen Eigenschaften einstellbar sind. Durch die noch zu beschreibende Geometrie der Anordnung der elektrisch leitfähigen Gummifäden auf bzw. in Textilien sind die Widerstandskennlinien der resistiven Dehnungssensoren in weiten Grenzen variierbar. Hierbei kann insbesondere auf textile Arbeitstechniken wie Flechten, Klöppeln, Sticken oder Jacquardweben zurückgegriffen werden, die sich durch filigrane Mustermöglichkeiten auszeichnen und herkömmlicherweise im Schmucktextilienbereich eingesetzt werden.

Durch Anwendung dieser erfindungsgemäßen Lösung lassen sich Sensorkennlinien so einstellen, daß Dehnungen dem Anwendungsfall entsprechend technisch und preislich vorteilhaft erhalten werden können. Es braucht im wesentlichen nur eine Herstellungsgröße des elektrisch leitfähigen Gummifadens durch Rußeinlagerung oder Einlagerung geeigneter anderer leitfähiger Materialien erzeugt werden. Die Einstellung der Widerstands-Dehnungs-Kennlinie erfolgt durch erfindungsgemäße textiltypische geometrische Formen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
1 zeigt einen resistiven Dehnungssensor in Form eines Rundgeflechtes, Rundgestrickes oder geschlagenen Seiles.
2 zeigt einen resistiven Dehnungssensor in Form eines gewebten Bandes oder einer geflochtenen Litze.
3 zeigt Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße textiltypische geometrische Formen zur Einstellung gewünschter Widerstands-Dehnungs-Kennlinien.
4 zeigt das Ausführungsbeispiel eines Bandes mit integriertem Dehnungssensor.
5 zeigt die Beobachtung der Atembewegung.
6 zeigt die Überwachung der Körperhaltung.
7 zeigt einen Deichquerschnitt.
Gemäß 1 und 2 werden elektrisch leitfähige Gummifäden (1) unter Einsatz verschiedenartiger textiler Fertigungsverfahren zusammen mit herkömmlichen Gummifäden (2) und weiteren textile Fäden (3) aus natürlichen und/oder synthetischen und/oder metallischen Materialien zu textilen Flächen- und Körpergebilden unterschiedlicher Geometrien verknüpft. Die elektrisch leitfähigen Gummifäden (1) reagieren auf Dehnung des Gesamtsystems mit einer Änderung des elektrischen Widerstandes und liefern so ein elektrisches Meßsignal für den Dehnungszustand. Mit Hilfe der Gummifäden (2) aus üblicherweise in elastischen Textilien eingesetzten Materialien wie Naturkautschuk oder Polyurethan werden die durch den Anwendungsfall bestimmten elastischen Eigenschaften des resistiven Dehnungssensors eingestellt. Über die aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Fäden oder Flächengebilde (3) werden die elektrisch leitfähigen Gummifäden (1) und die herkömmlichen Gummifäden (2) in üblicher Weise zu funktionsfähigen Gebilden verknüpft. Hierbei entsteht beispielsweise das in 1 dargestellte Rundgeflecht, bei dem elektrisch leitfähige Gummifäden (1) als Seele eingearbeitet sind. Die zur Einstellung der elastischen Eigenschaften dienenden Gummifäden (2) sind konzentrisch um die Seele des Rundgeflechtes angeordnet. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist der in 2 dargestellte resistive Dehnungssensor in Form eines flach gewebten oder geflochtenen Bandes, bei dem die elektrisch leitfähigen Gummifäden (1) teilweise als Kettfäden bzw. als Mittelendfäden eingearbeitet sind. Die Dehnungseigenschaften des Bandes werden durch die Gummifäden (2) mitbestimmt. Die jeweils in unmittelbarer Nähe zu den Bandkanten eingebundenen elektrisch leitfähigen Gummifäden (1) ermöglichen eine Aussage über die Gleichmäßigkeit der Dehnung des Bandes, da unterschiedlich starke Dehnung der Bandkanten zu Differenzen zwischen den Widerstandswerten der elektrisch leitfähigen Gummifäden führt. Auf diese Weise sind Krümmungen und seitliche Verzüge bestimmbar.
Bei den in 3 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung sind aus elektrisch leitfähigen Gummifäden (1) bestehende Sensorelemente mit unterschiedlicher geometrischer Anordnung auf oder in einem textilen Flächengebilde (3) verankert. Durch die geometrische Variation a) bis f) der elektrisch leitfähigen Gummifäden und/oder herkömmlichen Gummifäden lassen sich weitgehend gewünschte Widerstands-Dehnungs-Kennlinien nur durch geometrische Variation der textilen Anordnung herstellen. Dabei kann der elektrisch leit fähige Gummifaden immer der gleiche sein und erfordert keinen zusätzlichen Entwicklungs- und Produktionsaufwand zur Einstellung gewünschter Widerstands-Dehnungs-Kennlinien.
Als Anwendungsbeispiel zeigt 4 ein elastisches Band als Sensorgürtel mit einem aus elektrisch leitfähigen Gummifäden bestehenden Sensorelement (4). Die elektrische Kontaktierung der leitfähigen Gummifäden erfolgt mit textiltypischen Verbindungselementen (5) in Form von Nieten oder Druckknöpfen an den Signalleitungen (6). Zur Positionierung des resistiven Dehnungssensors am Ort der Anwendung, z. B. am menschlichen Körper, sind Bauteile wie Schnallen, Haken oder Steckverbinder vorgesehen. Anwendungen für den in 4 gezeigten Sensorgürtel sind die Verfolgung von Bewegungsabläufen in der Sport- und Arbeitsmedizin, die Beobachtung von Atembewegungen, die Überwachung der Körperhaltung und Körperbewegungen oder die Bestimmung der Wehenstärke. Als Beispiel werden Diagramme gezeigt, die bei Messung der Atmung (5) und der Körperhaltung (6) dadurch gewonnen wurden, daß die Federkennlinien durch Kombination von rußgefüllten, elektrisch leitfähigen Gummifäden mit elektrisch nicht leitfähigen, elastischen Gummifäden in einen detektierbaren und gut auswertbaren Widerstandsbereich um 220 bis 260 Kiloohm und der Bewegungsamplitude durch die erfindungsgemäße Lösung gebracht sind.
Als weiteres Anwendungsbeispiel lassen sich technische Lastwechsel z. B. in Laufriemen oder Spannbändern detektieren. Weiterhin wurde gefunden, daß die Bewegung verschiedenster Erdmassen durch die textiltechnisch mit der erfindungsgemäßen Lösung jetzt leicht einstellbaren Widerstands-Dehnungs-Kennlinie anpaßbar und detektierbar geworden ist. Das betrifft solch unterschiedliche Vorgänge wie Erdbeben, Erdrutsche und Deichbrüche. In 7 ist ein Deichquerschnitt (7) gezeigt, in welchem die Fäden (1) und (2) in einem textilen Flächengebilde (3) nach einer in 3 angedeuteten textilen Strukturvariation in Zick-Zack-Form (8) im Deichkörper verlegt sind.

1: elektrisch leitfähige Gummifäden
2: Gummifäden
3: textile Fäden oder Flächengebilde
4: Sensorelement
5: textiltypische Verbindungselemente
6: Signalleitungen
7: Deichquerschnitt
8: Zick-Zack-Form

Claims

Resistiver Dehnungssensor, dadurch gekennzeichnet, daß er aus elektrisch leitenden Gummifäden (1) besteht und optional mit einem nichtleitenden Gummifaden (2) in einem textilen Flächengebilde (3) eingebettet ist und/oder die geometrische Anordnung durch textiltypische und/oder andere Verlegungstechniken in Dehnungsrichtung variiert ist.
Resistiver Dehnungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die elektrisch leitfähigen Gummifäden (1) nur über einen Teil des aus elastischen Fäden (2) und weiteren Fäden (3) bestehenden textilen Flächen- und Körpergebildes erstrecken und dort partiell Sensorelemente (4) zur Bestimmung der Dehnung ausbilden.
Resistiver Dehnungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähigen Gummifäden (1) durch textiltypische Verbindungselemente (5) mit den Signalleitungen (6) in Kontakt gebracht sind.
Resistiver Dehnungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähigen Gummifäden (1) aus einem mit Ruß oder mit einem anderen leitfähigen Material gefüllten elastischen Material bestehen.
Resistiver Dehnungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Widerstandskennlinien einzelner Sensorelemente (4) sowohl durch Auswahl der eingesetzten elastischen Fäden (2) und weiteren Fäden (3) als auch durch die Variation der geometrischen Anordnung im Verbund so eingestellt ist, daß Dehnungen elektrisch mit ausreichender Amplitude detektierbar sind.
Resistiver Dehnungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anwendung in Erdbebengebieten, Erdrutschgebieten oder Deichen mit Adaption an die zu erwartenden Dehnungen optional durch Variation der geometrischen Anordnung der Verlegung und/oder der textilen Anordnung erfolgt.