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Dehnungsmeßeinrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine Dehnungsmeßeinrichtung
mit einem dehnungsempfindlichen, elektrische Widerstandsänderungen erzeugenden Fühlglied,
das Bestandteil einer die Widerstandsänderungen anzeigenden Schaltung ist, und mit
einem das Fühlglied tragenden sattelförmigen Zwischenteil, das am Prüfkörper befestigt
wird.
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Es ist bekannt, einen oder mehrere Dehnungsmeßstreifen, die aus in
Dehnungsrichtung angeordneten Widerstandsdrähten aufgebaut sind, auf einem sattelförmigen
Zwischenglied anzuordnen, das seinerseits am Prüfkörper befestigt ist. Dehnungsmeßstreifen
haben, sofern ihre Verformung innerhalb des elastischen Bereiches liegt, eine lineare
Meßcharakteristik, d. h. ihre Widerstandsänderung ist streng proportional zur einwirkenden
Dehnung, so daß wegen des Hookeschen Gesetzes die Widerstandsänderung auch proportional
zur im Prüfkörper herrschenden Spannung ist. Ein Nachteil der Dehnungsmeßstreifen
liegt aber in der vergleichsweise niedrigen Empfindlichkeit derselben, so daß ein
erheblicher Schaltungsaufwand zur Feststellung kleinster Widerstandsänderungen getrieben
werden muß. Aus diesem Grunde sind schon verschiedene konstruktive Anordnungen entwickelt
worden, die die Empfindlichkeit erhöhen. Diese Anordnungen wirken meist als Dehnungsübersetzungs
einrichtung, so daß eine kleine Prüfkörperdehnung eine große Meßstreifendehnung
hervorruft. Hierzu ist es bekannt, ein bügelförmiges oder sattelförmiges Zwischenglied
vorzusehen, das mit den freien Enden am Prüfkörper befestigt ist und in einem Abstand
vom Prüfkörper aufweisenden Mittelteil einen oder mehrere Dehnungsmeßstreifen trägt.
Die Anordnung der Dehnungsmeßstreifen auf dem Bügel oder Sattel, z. B. auf dessen
gegenüberliegenden Seiten, und die Ausbildung des Sattels selbst sind dabei so gewählt,
daß die Linearität der in Abhängigkeit der Prüfkörperdehnung erfolgenden Widerstandsänderung
erhalten bleibt.
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Es ist auch bekannt, durch die Zwischenschaltung einer Anordnung,
die aus zwei Materialien mit verschiedenen Temperaturkoeffizienten für die Ausdehnung
oder den Elastizitätsmodul aufgebaut ist, den Temperaturgang der Meßeinrichtung
zu kompensieren.
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Ferner ist eine als Dehnungsübersetzungseinrich tung wirkende, gleichfalls
mit Dehnungsmeßstreifen arbeitende Anordnung zur Messung von in Kabeln herrschenden
Zugspannungen bekannt, die zwei zwischengekoppelte Übertragungsglieder mit gegensinnig
nichtlinearer Dehnungsübertragungscharak teristik aufweist, so daß im Effekt die
am Dehnungs-
meßstreifen auftretende Dehnung zur im Kabel herrschenden Zugspannung
wieder linear wird, aber im Vergleich zur Kabeldehnung groß ist.
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Die mit diesen Anordnungen erreichbaren Empfindlichkeiten sind aber
immer noch nicht groß genug, um den erforderlichen Schaltungsaufwand und den konstruktiven
Aufwand auf ein wünschenswert kleines Maß reduzieren zu können.
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Es ist daher außerordentlich wünschenswert, daß Dehnungsmeßeinrichtungen
ausreichende Signalspannungen (etwa 1 bis 5 Volt) erzeugen, so daß z. B.
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Speichereinrichtungen ohne zwischengeschaltete Verstärker betätigt
werden können. Dies kann durch große Dehnungsamplituden (bis zu einer relativen
Dehnung von 10-3) bei Dehnungsmeßeinrichtungen erreicht werden, die als Fühlglieder
dehnungsempfindliche Piezowiderstandselemente aus Halbleitermaterial verwenden.
In vielen Fällen weicht die Anzeige dieser Fühlglieder bei hohen Dehnungswerten
in störendem Ausmaß von der Linearität ab. Obwohl beispielsweise Dehnungsmeßeinrichtungen
mit p-halbleitendem Material Anzeigewerte besitzen, die bis zu relativen Dehnungen
von 2,410-j bis auf 1 01o linear bleiben, so weichen diese Fühlglieder um 20 O/o
oder mehr von der linearen Charakteristik ab, wenn die relativen Dehnungen auf 5
10-4 erhöht werden.
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Es ist daher Ziel der Erfindung, die Nichtlinearität der Anzeige
dehnungsempfindlicher Piezowiderstands-Halbleiter bei hohen Dehnungsamplituden wesentlich
herabzusetzen bzw. die Linearität der Anzeige zu erweitern.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei Verwendung eines
einen linearen und einen nichtlinearen Kennlinienbereich aufweisenden Piezowiderstands-Halbleiterkörpers
als Fühlglied zur Vergrößerung des linearen Arbeitsbereiches der Meßeinrichtung
das sattelförmige Zwischenteil einen die Nichtlinearität des Halbleiterkörpers kompensierenden
nichtlinearen Bereich in seiner Dehnungsübertragungscharakteristik aufweist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich aus durch eine auf
das Fühlglied einwirkende mechanische Vorspannung durch das sattelförmige Zwischenteil
in dem Sinne, daß der nutzbare Meßbereich des Fühlglieds sich über einen größeren
Teil der linearen Charakteristik erstreckt (Druck bei n-Leitfähigkeit und Zug bei
p-Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers).
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Eine zweite Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich aus durch eine
benachbarte Anordnung von zwei Halbleiterkörpern entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps
auf dem sattelförmigen Zwischenteil und durch Einschaltung der Halbleiterkörper
in benachbarte Zweige einer Brückenschaltung.
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Mit diesen Weiterbildungen erreicht man, wie dies noch im einzelnen
erläutert werden wird, noch zusätzliche Verbesserungen.
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Entsprechend einem eigenen gleichrangigen Vorschlag können auch Maßnahmen
zur weiteren Vergrößerung des Signal-Rausch-Verhältnisses und der Temperaturstabilität
der dehnungsempfindlichen Halbleiter-Fühlglieder durch beispielsweise starkes Dotieren
der Fühlglieder, wie Eindiffusion von Gold oder durch Bestrahlung mit schnellen
Neutronen vorgenommen werden.
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Im folgenden ist die Erfindung an Hand mehrerer in der Zeichnung
dargestellter Ausführungsformen beschrieben. Es zeigt F i g. 1 eine erste Ausführungsform,
F i g. 2 eine zweite Ausführungsform, Fig. 3 A, 3 B und 3 C Kurven, die die kompensierende
Wirkung der Anordnung nach Fig. 2 darstellen, F i g. 4 die Anbringung von zwei Fühlgliedern
auf einem sattelförmigen Zwischenteil, Fig. 5 eine elektrische Schaltung für die
Fühlglieder und F i g. 6 eine Anordnung mit zwei Fühlgliedern, von denen jedes auf
einem eigenen Sattel befestigt ist.
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In F i g. 1 soll die Dehnung eines Prüfkörpers 24 gemessen werden.
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Das dargestellte Teil 10 ist ein dehnungsempfindliches Fühlglied
aus halbleitendem Piezowiderstandsmaterial, beispielsweise aus Silizium oder Germanium.
Anschlußleitungen 8 und 9 sind mit den beiden Enden des Fühlgliedes 10 verbunden.
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Normalerweise sind derartige Fühlglieder dotiert, d. h. sie enthalten
eine Verunreinigung in ausreichender Menge, so daß entsprechend der gewählten Verunreinigung
entweder p- oder n-Leitfähigkeit vorliegt.
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Zwischen dem dehnungsempfindlichen Fühlglied 10 und dem Prüfkörper
24 ist ein Teil 14 angeordnet, das als sattelförmiges Zwischenteil oder kurz als
Sattel bezeichnet werden soll. Das Fühlglied 10 ist mit Hilfe eines festhaftenden
Materials 12 guter elektrischer Isoliereigenschaften, z. B. Epoxyd-Harz, auf dem
Sattel 14 befestigt. Der Sattel 14 ist auf dem Prüfkörper 24 an den Stellen 11 entweder
mittels
Epoxyd-Harz befestigt, oder er kann, wenn beide Teile aus Metall bestehen,
punktgeschweißt oder angelötet werden.
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Der Sattel 14 in der Ausführung nach F i g. 1 wird üblicherweise
so eingesetzt, daß das Fühlglied 10 eine Vorspannung besitzt, deren Art und Größe
vom Leitfähigkeitstyp des Fühlgliedes 10 und der Art und dem Bereich der zu messenden
Dehnung abhängt, wie im einzelnen später erläutert wird.
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Beispielsweise wird für die Messung von durch Zugspannungen hervorgerufenen
Dehnungen im Prüfkörper 24 bis zu relativen Werten in der Größenordnung von 10-s
oder höher als Fühlglied ein Körper aus n-leitendem Halbleitermaterial verwendet,
der mit Hilfe des Sattels 14 eine durch Druck-Vorspannung hervorgerufene .Vorstauchung«
von etwa 2,5 10-3 besitzt. Zur Erzielung einer solchen Vorstauchung kann ein Unterschied
in den Temperaturausdehnungskoeffizienten von Fühlglied 10 und Sattel 14 ausgenutzt
werden, so daß bei Erhitzung beider Teile auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur
und sicherer Befestigung des Fühlgliedes 10 auf dem Sattel 14, während sich beide
Teile noch auf der hohen Temperatur befinden, durch eine nachfolgende Abkühlung
auf Raumtemperatur die Druckvorspannung des Fühlgliedes 10 in gewünschter Größe
bewirkt wird. Wenn beispielsweise ein Arbeiten nur bei oder in der Nähe der Raumtemperatur
vorgesehen ist, besteht das Fühlglied 10 aus Silizium oder Germanium; der Sattel
14 kann aus Duraluminium (4°/o Kupfer, 96% Aluminium) hergestellt sein, und das
Fühlglied 10 und der Sattel 14 werden vor ihrer Zusammenfügung auf 1250 C erwärmt.
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Wenn jedoch ein Arbeiten bei wesentlich höheren Temperaturen als der
Raumtemperatur vorgesehen ist, kann der Sattel 14 aus Molybdän bestehen, und das
Fühlglied 10 und der Sattel 14 werden vor ihrer Zusammenfügung auf 7800 C erhitzt.
Dann ist ein Arbeiten bis zu mehreren hundert Grad Celsius oberhalb der Raumtemperatur
möglich, ohne daß die Vorspannung im Fühlglied 10 verlorengeht.
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Wenn gemäß einem weiteren Beispiel durch Druckspannungen hervorgerufene
Stauchungen im Prüfkörper 24 bis zu Werten in der Größenordnung von 10-3 oder höher
gemessen werden sollen, wird als Fühlglied ein Halbleiterkörper mit p-Leitfähigkeit
benutzt, das durch den Sattel 14 eine durch Zugvorspannung hervorgerufene Vordehnung,
beispielsweise von etwa 2,5 10-S erhalten hat. Um diese Vorspannung zu erreichen,
kann der Sattel 14 beispielsweise aus Duraluminium bestehen, und das Fühlglied 10
und der Sattel 14 werden vor ihrer Zusammenfügung auf -1000C abgekühlt. Eine darauffolgende
Erwärmung auf Raumtemperatur ergibt eine Zugvorspannung der gewünschten Größe des
Fühlgliedes 10.
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Durch die oben beschriebene Vorspannung wird sowohl der Bereich der
meßbaren Dehnungen als auch der Meßfaktor der Einrichtung im wesentlichen verdoppelt,
während die Abweichung von der Linearität bei hohen Dehnungen wesentlich herabgesetzt
wird, nämlich auf annähernd den halben Wert, der im anderen Fall auftritt.
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Der Meßfaktor ist das Verhältnis der Widerstandsänderung des Fühlgliedes
(die sich aus der Einwirkung der zu messenden Dehnung ergibt) zu dem Produkt des
ursprünglichen Widerstandes des Fühlgliedes (vor Einwirkung der zu messenden Dehnung)
und der Dehnung.
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Um eine Anzeige für die Größe der Dehnung zu erhalten, sind die zu
den entgegengesetzten Enden des Fühlgliedes 10 führenden Leitungen 8 und 9 mit einer
Schaltung verbunden, die wenigstens eine elektrische Energiequelle und eine Anzeigeeinrichtung,
z. B. ein Voltmeter, enthält, so daß Widerstandsänderungen des Fühlgliedes eine
Änderung des Ablesewertes der Anzeigeeinrichtung erzeugen.
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Obwohl eine einfache Reihenschaltung, wie oben beschrieben, für viele
Zwecke geeignet und ausreichend ist, wird es üblicherweise für vorteilhaft gehalten,
eine Brückenschaltung zu benutzen, bei der das Fühlglied in einem Zweig der Brücke
liegt. Eine bevorzugte Schaltung dieser Art ist in schematischer Form in F i g.
5 gezeigt. Sie weist eine Brückenschaltung mit vier je einen Widerstand aufweisenden
Zweigen 44, 46, 48 und 50 auf. Einer von diesen, z. B. der Widerstand 50, stellt
den Widerstand des Fühlgliedes, beispielsweise des Fühlgliedes 10 der Fig. 1, dar.
Die anderen Widerstände der Brücke werden so eingestellt, daß die Brücke abgeglichen
ist, wenn keine Dehnung im Prüfkörper 24 vorhanden ist. Eine in Reihe mit einem
Widerstand 42 geschaltete elektrische Energiequelle 40 liegt an einer Diagonale
der obenerwähnten Brücke, und ein Anzeigeinstrument 54, beispielsweise ein Voltmeter,
dem vorzugsweise ein Widerstand 52 parallel geschaltet ist, liegt an der anderen
Diagonale der Brücke.
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Wenn jedoch eine im Prüfkörper 24 der Fig. 1 vorhandene Dehnung über
den Sattel 14 auf das Fühlglied 10 übertragen wird, ändert sich dessen Widerstand
in Abhängigkeit der Dehnung, so daß die Brücke gemäß F i g. 5 verstimmt wird und
der Ausschlag am Anzeigeinstrument 54 ein Maß für die Größe der Dehnung ist.
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Einer oder beide Widerstände 42 und 52 können aus einem Material
bestehen, dessen Eigenschaften sich mit der Temperatur so ändern, daß infolge Temperaturänderungen
auftretende Empfindlichkeitsänderungen der Schaltung kompensiert werden.
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In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform eines sattelförmigen Zwischenteiles
16 für das Fühlglied 10 gezeigt. Es weicht von dem der F i g. 1 dahingehend ab,
daß der Sattel 16 gebogen ist und das Fühlglied 10 bei Raumtemperatur fest mit dem
Sattel 16 verbunden ist, so daß das Fühlglied 10 keine Vorspannung besitzt. Die
Wirkung der Krümmung besteht darin, daß die Dehnung im Sattel 16 bei kleinen Werten
im wesentlichen linear ist, aber bei größeren Werten mehr und mehr auf eine solche
Art von der Linearität abweicht, daß sie die nichtlinearen Eigenschaften des Fühlgliedes
10 kompensiert. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der Sattel 16 so angeordnet
werden, daß er dem Fühlglied 10 ebenfalls eine definierte Vorspannung erteilt, ähnlich
wie für Fig. 1 beschrieben.
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In den Fig. 3A, 3B und 3C stellt die Kurve18 der Fig. 3 A eine typische
Kennlinie eines Fühlgliedes im Vergleich zu einer völlig linearen, gestrichelt gezeichneten
Kennlinie 26 dar. Die Kurve 20 der Fig. 3 B stellt eine typische Kennlinie (Ende
rung der Dehnung mit der Spannung) des Mittelteiles eines gebogenen sattelförmigen
Teiles, wie des Sattels 16 der Fig. 2, im Vergleich zu der völlig linearen, gestrichelt
gezeichneten Kennlinie 26 dar.
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Durch Kombinieren der durch die Kurven 18 und 20 der F i g. 3 A und
3 B dargestellten Kennlinien erhält
man die im wesentlichen lineare Kennlinie 22
der F i g. 3 C. Auf diese Weise ergibt sich, daß man durch geeignete Ausbildung
und Formung des gebogenen Sattels 16 der F i g. 2 eine lineare Kennlinie erreichen
kann, wenn das Fühlglied 10 der F i g. 2 im Zweig in einer Brückenschaltung, beispielsweise
im Zweig 50 der F i g. 5, angeordnet wird.
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In F i g. 4 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform gezeigt.
Sie besteht aus zwei dehnungsempfindlichen Piezowiderstands - Halbleiterfühlgliedem
30 und 34, die nebeneinander fest auf dem Sattel 16 angeordnet sind. Das eine Fühlglied,
beispielsweise das Glied 30, besitzt p-Leitfähigkeit und das andere, beispielsweise
das Glied 34, besitzt n-Leitfähigkeit. Jedes ist mit zwei Leitungen 8, 9 und 8',
9' verbunden, die, wie gezeigt, je an entgegengesetzte Enden der Fühlglieder führen.
Wenn die Fühlglieder 30 und 34 in die Brückenschaltung nach F i g. 5 eingefügt werden,
sollten sie in benachbarten Zweigen der Brücke liegen, z. B. in den Zweigen 50 und
48. In diesem Fall werden die Abweichungen von der Linearität des Fühlgliedes 30
für hohe Dehnungswerte teilweise durch entgegengesetzt gerichtete ähnliche Abweichungen
von der Linearität des Fühlgliedes 34 kompensiert. So wird die durch den Sattel
16 vermittelte notwendige Korrektur, wie oben in Verbindung mit Fig.2 und den Fig.
3A, 3B und 3C beschrieben, wesentlich herabgesetzt.
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In F i g. 6 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
gezeigt. Hier wird eine abgeänderte Ausführung verwendet. Zwei Fühlglieder 10 sind
auf Sätteln 16 und 14, die ihrerseits auf der Ober- bzw.
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Unterseite eines biegsamen Arms 64 angebracht sind, befestigt. An
dem Prüfkörper 60, dessen Druckspannung über die hierdurch erzeugte Stauchung gemessen
werden soll, ist das linke Ende des Armes 64 und das linke Ende eines starren, L-förmigen
Kontaktarmes 62 in einem gewissen Abstand oberhalb der Befestigungsstelle des Armes
64 befestigt. Das rechte Ende des Kontaktarmes 62 berührt das rechte Ende des biegsamen
Armes 64, so daß im Prüfkörper 60 vorhandene Stauchungen durch den Arm 62 übertragen
werden und den Arm 64 nach unten biegen.
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Hierdurch entsteht im Sattel 16 eine Zugspannung und dadurch eine
Dehnung im oberen Fühlglied 10 und eine Druckspannung im Sattel 14 und dadurch eine
Stauchung im unteren Fühlglied 10.
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Wie in Verbindung mit F i g. 2 beschrieben, ist der gebogene Sattel
16 so ausgebildet, daß er die Nichtlinearität des oberen Fühlgliedes 10 bei hohen
Dehnungswerten kompensiert.
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Wie in Verbindung mit F i g. 1 beschrieben, prägt der nicht gebogen
ausgeführte Sattel 14 dem unteren Fühlglied eine Zugvorspannung auf, die den Bereich
der im wesentlichen linearen Anzeige vergrößert.
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Weiterhin wird durch Einfügung der beiden Fühlglieder in benachbarte
Zweige der Brückenschaltung gemäß F i g. 5 eine weitere Kompensation der nichtlinearen
Anzeige bei hohen Dehnungswerten erreicht.
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Außerdem kann auch ein Fühlglied 10 p-Leitfähigkeit und das andere
n-Leitfähigkeit besitzen, um eine noch weitere Kompensation der nichtlinearen Anzeige
bei höheren Dehnungswerten zu bewirken.
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Die Anordnung gemäß F i g. 6 ist auch zur Messung im Prüfkörper 60
herrschender Zugspannungen dann geeignet, wenn der biegsame Arm 64 dichter am L-Arm
62 angeordnet wird, so daß schon im spannungsfreien Zustand des Prüfkörpers 60 der
Arm 64
um einen vorbestimmten Wert nach unten gebogen wird. Wenn
der Prüfkörper 60 einer Zugspannung unterworfen wird, wird der flexible Arm 64 versuchen,
in die ungebogene Lage zurückzukehren. Bei einer solchen Anordnung ist die zugeordnete
Brückenschaltung nach Fig. 5 dann abgeglichen, wenn der Arm 64 in eine Lage gebogen
ist, die der Dehnung Null des Prüfkörpers 60 entspricht.