DE2148190C3

DE2148190C3 - Variable electrical resistance strain gauges and methods of making them

Info

Publication number: DE2148190C3
Application number: DE19712148190
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dipl.-Chem. Dr.; Menzel Tankred; 2844 Lemförde Reuter
Original assignee: Reuter Maschinen- und Werkzeugbau GmbH, 2844 Lemförde
Filing date: 1971-09-27
Publication date: 1976-01-22

Description

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Die Erfindung betrifft einen Dehnungsmeßstreifen von veränderlichen elektrischem Widerstand zur Messung verhältnismäßig großer Dehnungen im Millimeter- und Zentimeterbereich in Richtung der Kettfaden, dessen Aufbau auf der bekannten Gewebetechnik beruht. The invention relates to a strain gauge of variable electrical resistance for measurement relatively large expansions in the millimeter and centimeter range in the direction of the warp thread, whose structure is based on the known tissue technology.

Es sind bereits Dehnungsmeßstreifen der erwähnten Art in Form eines Streifens aus Gummi bekannt, in welchen Rußteilchen eingelagert sind. Als Stand der Technik sind hier die USA.-Patentschrift 24 92 429 und die britische Patentschrift 7 20 602 zu nennen. Aus der DT-AS 11 80 549 und 12 42 903 sind ferner Dehnungsmeßstreifen bekannt, bei denen ein Widerstandsdraht, der durch Dehnung oder Stauchung eine Änderung seines Widerstandes erfährt, zur Messung der Dehnung dient.There are already strain gauges of the type mentioned in the form of a strip of rubber known in which soot particles are embedded. As prior art here are the USA patents 24 92 429 and British patent 7 20 602 should be mentioned. From the DT-AS 11 80 549 and 12 42 903 are also strain gauges known, in which a resistance wire, which by stretching or compressing a change in its Resistance experiences, is used to measure the elongation.

Bei den bekannten Dehnungsmeßstreifen aus Gemischen von Gummi und Ruß werden Rußketten, welche die elektrische Leitfähigkeit bestimmen, bei einer Dehnung auseinandergerissen bzw. zerstört, so daß bei einer nachfolgenden Entspannung des Dehnungsmeßstreifens kein reproduzierbarer Wert erzielbar ist, wobei noch hinzukommt, daß der Dehnungsmeßstreifen eine irreversible Dehnung aufweist und stark temperaturabhängig ist. Die bekannten Dehnungsmeßstreifen sind daher, wenn überhaupt, nur für einen einzigen Meßvorgang geeignet. Die unter Verwendung von Widerstandsdrähten hergestellten Dehnungsmeßstreifen sind zur Messung verhältnismäßig großer Dehnungen im Millimeter- und Zentimeterbereich ungeeignet. ⁸ De Aufgabe der Erfindung hegt m der Schaffung . _D^_inungsm^R£treifens von veränderlichem widerstand'für verhältnismäßig große Dehnungen in, Millimeter- und Zentimeterbere.ch. wöbe, dieser Dehnungsmeßstreifen innerhalb eines zulassigen Bereichs Reproduzierbare Widerstandswerte aufweist, im wesemlichen temperaturabhängig und fur eine V.elzahl von Meßvorgängen verwendbar ist.In the known strain gauges made from mixtures of rubber and carbon black, soot chains, which determine the electrical conductivity, are torn apart or destroyed when stretched, so that no reproducible value can be achieved when the strain gauge is subsequently relaxed, and the strain gauge is irreversible Has elongation and is highly temperature-dependent. The known strain gauges are therefore only suitable, if at all, for a single measuring process. The strain gauges produced using resistance wires are unsuitable for measuring relatively large strains in the millimeter and centimeter range. ⁸ De object of the invention harbors the creation. _D ^ _{ination m} ^ ration of variable resistance for relatively large expansions in, millimeter and centimeter ranges. wöbe, this strain gauge has reproducible resistance values within a permissible range, is essentially temperature-dependent and can be used for a large number of measuring processes.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen an sich bekannten Aufbau entsprechend einer e astischen Textillitze gelöst, die aus stark dehnbaren, e astischen Kp. fäden sowie hiermit verwebten unelastischen Schüßfden besteht, bei welchem lediglich die Schußfäden mit einer die elektrisch leitenden Teilchen enthaltenen Schicht überzogen sind.According to the invention, this object is achieved by a structure which is known per se and corresponds to an e astic Loosened textile braid made from highly stretchable, elastic Kp. Threads as well as inelastic ones interwoven with them There is weft thread in which only the weft threads are coated with a layer containing the electrically conductive particles.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Dehnungsmeßstreifens gemäß Anspruch 1 besteht erf.ndungsgemaß SS. daß eine fertig vorliegende, kerne elektrisch leitenden Teilchen enthaltende Text.lhtze mit einer die elektrisch leitenden Teilchen sowie ein Bindemittel enthaltenden Dispersion getränkt und wahrend des darauf folgenden Trocknungsvorganges bis zum Erharten des Bindemittels periodisch auf eine bestimmte Länge gedehnt und entspannt wird.A method for producing a strain gauge according to claim 1 consists according to the invention, that a ready-made, core electrically conductive particles containing text.lhtze is soaked with a dispersion containing the electrically conductive particles and a binder and during the subsequent drying process until it hardens Binder is periodically stretched and relaxed to a certain length.

Durch diesen Vorgang wird erreicht, daß das getrocknete oder erhärtete Bindemittel zusammen nut deTeXisch leitfähigen Teilchen (z. B. Ruß) von den stark dehnbaren, elastischen Kettfäden Gummifaden) infolge deren periodischer Dehnung und Entspannung abfällt, während das Bindemittel zusammen mit dem elektrisch leitfähigen Teilchen auf den praktisch nicht dehnbaren Schußfäden unter Bildung eines elektrisch leitfähigen Filmes haftet. Diese beschichteten Schußfaden liefen parallel zu einander und berühren sich, wodurch ein solches Band den elektrischen Strom gut leitet. Bei Dehnung der elastischen Kettfäden werden die miteinander in Linienberührung befindlichen Schußfaden mehr oder weniger voneinander getrennt, so daU sich eine Widerstandszunahme ergibt.This process ensures that the dried or hardened binders together with deTeXically conductive particles (e.g. carbon black) from the highly stretchable, elastic warp threads rubber thread) as a result of their periodic stretching and relaxation falls off while the binder along with the electrically conductive particles on the practically inextensible weft threads to form an electrically conductive film adheres. These coated weft threads run parallel to each other and touch each other, whereby such a band conducts the electric current well. When the elastic warp threads are stretched, the weft threads in line contact with one another are more or less separated from one another, so daU there is an increase in resistance.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß diese Widerstandszunahme in einem weiten Bereich genau proportional der Dehnung ist und selbst nach einer Vielzahl von Dehnungen und Entspannungen reproduzierbare Werte liefert.Surprisingly, it has been found that this increase in resistance is accurate over a wide range is proportional to the elongation and is reproducible even after a large number of elongations and relaxations Delivers values.

Das Prinzip der Dehnungsmeßstreifen beruht somit letzten Endes darauf, daß weder in einem Kunststoff oder Gummi die Rußteilchen eine elektrisch leitende Kette bilden, die bei Dehnung leicht »zerrissen« werden kann noch darauf, daß ein metallisches Widersiandselement gedehnt oder gestaucht wird, sondern, daß man sich berührende Schußfäden, die einen elektrisch leitfähigen Überzug aufweisen, mehr oder weniger voneinander trennt und dadurch eine Widerstandsänderung erreicht.The principle of the strain gauges is ultimately based on the fact that neither in a plastic or rubber, the soot particles form an electrically conductive chain that is easily "torn" when stretched can still point out that a metallic resistance element is stretched or compressed, but rather that one touching weft thread, one electrically Have conductive coating, more or less separates from each other and thereby a change in resistance achieved.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to the drawing. It shows

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Dehnungsmeß-Streifens im entspannten Zustand (ausgezogene Linienführung) bzw. im gespannten Zustand (gestrichelte Linienführung), jeweils in perspektivischer Draufsicht,F i g. 1 shows an embodiment of a strain gauge strip in the relaxed state (solid lines) or in the tensioned state (dashed lines), each in a perspective top view,

F i g. 2 einen Ausschnitt aus dem Dehnungsmeßstreifen gemäß F i g. 1 in stark vergrößerter Draufsicht,F i g. 2 shows a section from the strain gauge according to FIG. 1 in a greatly enlarged plan view,

Fig.3 die Kennlinie des Dehnungsmeßstreifens gemäß F i g. 1 in Schaubilddarstellung bei einer Streifenlänge von 80 mm und einer Streifenbreite von 12 mm. Der in F i g. 1 veranschaulichte Dehnungsmeßstrei-3 shows the characteristic of the strain gauge according to F i g. 1 in a diagram with a strip length of 80 mm and a strip width of 12 mm. The in F i g. 1 illustrated strain gauge

fen ist für verhältnismäßig große Dehnungen im Millimeter- und Zentimeterbereich ausgelegt und umfaßt eine elastische Textiüitze 1, die in nachfolgend noch zu beschreibender Weise mit elektriscn leitenden Teilchen, insbesondere in Form von Ruß oder Graphit oder aus Edelmetallen, mit Edelmetallen beschichteten anderen Metallen oder anderen Materialien, behandelt ist, sowie an bei Jan Enden je eine Elektrode 2,3. Die Elektroden 2, 3 sind als Klemmen zur festen mechanischen Verankerung von die Textillitze bildenden Kett- und Schußfäden ausgebildet. Die Elektroden 2, 3 sind an ihren äußeren Enden mit je einem Ansatz 4 bzw. 5 versehen, um einen Anschluß in einem Meßstromkreis herstellen zu können. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 2, 3 mittels Nieten 6, 7 mit dem Textilband 1 verbunden, wobei durch die Niete 6,7 gleichzeitig ein Dehnungsbegrenzerfaden 8 aus im wesentlichen unelastischem Material eingespannt gehalten ist. Dieser Dehnungsbegrenzerfaden 8 ist bei in, ausgezogener Linienführung veranschaulichtem entspannten Zustand der Textillitze 1 in einem schlaff, bei einer maximalen zulässigen Dehnung der Textillitze 1 hingegen in einem straff gespannten Zustand. Im entspannten Zustand der Textillitze 1 hat der Dehnungsmeßstreifen einen Widerstandswert R 1, während sich bei i?> der Dehnung entsprechend einem maximalen Dehnungswert S ein dementsprechend höherer Widerstandswert R 2 einstellt.fen is designed for relatively large expansions in the millimeter and centimeter range and comprises an elastic textile cord 1, which in a manner to be described below with electrically conductive particles, in particular in the form of carbon black or graphite or made of precious metals, other metals or other materials coated with precious metals , is treated, as well as one electrode 2,3 each at Jan ends. The electrodes 2, 3 are designed as clamps for the firm mechanical anchoring of the warp and weft threads forming the textile braid. The electrodes 2, 3 are provided at their outer ends with a projection 4 and 5, respectively, in order to be able to establish a connection in a measuring circuit. In the present exemplary embodiment, the electrodes 2, 3 are connected to the textile strip 1 by means of rivets 6, 7, with a strain limiter thread 8 made of essentially inelastic material being held in place by the rivets 6, 7 at the same time. This strain limiter thread 8 is in a slack condition when the textile cord 1 is relaxed, as illustrated in the solid lines, but in a taut condition when the textile cord 1 is at a maximum permissible elongation. In the relaxed state of the textile braid 1, the strain gauge has a resistance value R 1, while with i?> The elongation corresponding to a maximum elongation value S, a correspondingly higher resistance value R 2 is established.

Aus F i g. 2 ergibt sich der an sich bekannte Aufbau der Textillitze 1 aus Kettfäden 8 und Schußfäden 9. wobei in F i g. 2 eine Köperbindung veranschaulicht ist. Die Kettfäden bestehen vorzugsweise aus monofilen hochelastischen Silicon- oder Polyurethanfäden, während die Schußfäden 9 aus einem gegenüber den Kettfäden 8 praktisch unelastischem Material bestehen. Lediglich die Schußfäden 9 sind mit einer Rußteilchen enthaltenden leitenden Schicht überzogen, was in F i g. 2 durch eine dunkle Tönung der Schußfäden 9 angedeutet ist. Die Kettfaden können auch aus qualitativ hochwertigem Gummi sein.From Fig. 2 results in the structure known per se of the textile cord 1 made of warp threads 8 and weft threads 9. FIG. Figure 2 illustrates a twill weave. The warp threads are preferably made of monofilament, highly elastic silicone or polyurethane threads, while the weft threads 9 consist of a material which is practically inelastic in relation to the warp threads 8. Only the weft threads 9 are coated with a conductive layer containing carbon black particles, which is shown in FIG. 2 is indicated by a dark tint of the weft threads 9. The warp threads can also be made of high quality Be rubber.

F i g. 2 zeigt den Zustand des Textilbandes 1 im gedehnten Zustand der Kettfäden 8, wobei in diesem gedehnten Zustand die Schußfäden 9, welche im entspannten Zustand in Linienberührung gegeneinander anlagen, leicht gelockert auf den Kettfaden 8 liegen und die Linienberührung zwischen den Schußfäden mehr oder minder aufgehoben ist.F i g. 2 shows the state of the textile tape 1 in the stretched state of the warp threads 8, with the warp threads being stretched in this State of the weft threads 9, which in the relaxed state are in line contact with one another systems, lie slightly loosened on the warp thread 8 and the line contact between the weft threads is more or less canceled.

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Dehnungsmeßstreifens können zwei unterschiedliche Verfahren angewendet werden.Two different methods can be used to produce a strain gauge according to the invention be applied.

Das erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens geht von den Rohstoffen, d. h. den Kettfäden 8 sowie den Schußfäden 9. aus. Die Schußfäden 9 werden vor dem Verweben mit den Kettfaden 8 mit einer die Rußteilchen sowie ein Bindemittel enthaltenden Dispersion behandelt und getrocknet. Die auf diese Weise mit einer Rußschicht versehenen Schußfäden 9 werden alsdann mit den Kettfäden 8 verwebt.The first embodiment of a method according to the invention is based on the raw materials, i. H. the Warp threads 8 and the weft threads 9. The weft threads 9 are woven with the warp threads 8 treated with a dispersion containing the carbon black particles and a binder and dried. The on Weft threads 9 provided with a carbon black layer in this way are then interwoven with the warp threads 8.

Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfmdungsgemäßen Verfahrens geht man von einer fertig vorliegenden Textillitze (im allgemeinen Sprachgebrauch auch mit Gummiband bezeichnet) aus, welche mit einer Rußteilchen enthaltenden Dispersion getränkt wird. Während des darauffolgenden Trocknungsvorganges bis zum Erhärten des Bindemittels wird die Textillitze periodisch auf eine bestimmte Länge gedehnt und entspannt, wobei die Dehnungs- und Entspannungsperiode jeweils etwa drei Sekunden beträgt. Dies führt bei dem Trocknungsvorgang zum Abplatzen des Bindemittels nebst den darin enthaltenen Rußteilchen von den Kettfaden 8, da diese einer dauernden Dehnung und Entspannung unterworfen werden, während sich auf den Schußfäden 9 eine Rußschicht ausbilden kann, und zwar derart, daß ein Verkleben benachbarter Schußfäden 9 zuverlässig verhindert wird. Zur Behandlung der Textillitze 1 verwendet man bevorzugt eine mit Rußteilchen versetzte wäßrige Kunststoffdispersion, deren Viskosität weniger als 50Centipoise ist und die man beispielsweise aus einer im Handel erhältlichen wäßrigen 25%igen Rußdispersion und einer wäßrigen 50%igen Kunststoffdispersion auf Basis eines Mischpolymerisats aus Butylacrylat, Vinylacetat und Acrylsäure herstellt. Vorzugsweise beträgt die Viskosität einer solchen Dispersion 20 Centipoise. According to the second embodiment of an inventive The procedure is based on a ready-made textile strand (in common parlance also referred to as a rubber band), which is impregnated with a dispersion containing carbon black particles will. During the subsequent drying process until the binding agent hardens the textile cord is periodically stretched and relaxed to a certain length, with the stretching and Relaxation period is about three seconds each. This leads to flaking during the drying process of the binder together with the soot particles contained therein from the warp thread 8, since this one are subjected to constant stretching and relaxation, while on the weft threads 9 a layer of soot can form, in such a way that a sticking of adjacent weft threads 9 reliably prevented will. To treat the textile braid 1, preference is given to using an aqueous solution to which carbon black particles have been added Plastic dispersion whose viscosity is less than 50 centipoise and which can be obtained, for example, from a commercially available aqueous 25% carbon black dispersion and an aqueous 50% plastic dispersion based on a copolymer of butyl acrylate, vinyl acetate and acrylic acid. Preferably is the viscosity of such a dispersion is 20 centipoise.

F i g. 3 gibt die Widerstandscharakteristik für eine Textillitze von 80 mm Länge und 12 mm Breite wieder, wobei der elektrische Dehnungswiderstand in Kilo-Ohm als Funktion des Dehnungsweges in Millimeter angegeben ist. Innerhalb eines Bereiches von etwa 20 Kilo-Ohm erhält man hierbei einen nahezu streng linearen Kennlinienbereich, während bei zusätzlicher Dehnung der Dehnungswiderstand einem Grenzwert zustrebt.F i g. 3 shows the resistance characteristics for a textile strand 80 mm long and 12 mm wide, where the electrical resistance to expansion in kilo-ohms as a function of the expansion path in millimeters is specified. Within a range of around 20 kilo-ohms, you get an almost strict one linear range of characteristics, while with additional stretching, the stretching resistance is a limit value strives towards.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. strain of variable electrical resistance to measure proportionate ^s excessively large elongation in the millimeter and centimeter range in the direction of the warp, the structure of which is based on the known tissue engineering, characterized by a known structure in accordance with an elastic ic Textillitze (1) from the elastic warp threads (8) consisting of the highly extensible material and inelastic weft threads (9) woven therewith, in which only the weft threads (9) are covered with a layer containing the electrically conductive particles.

2. A method for producing a strain gauge according to claim I _1, characterized in that a ready-made, no electrically conductive particles containing textile braid (1) impregnated with a dispersion containing the electrically conductive particles and a binder and during the subsequent drying process until the hardening Binder is periodically stretched and relaxed to a certain length.

3. The method according to claim 2, characterized in that the period of oscillation of an expansion and relaxation period is three seconds.

4. The method according to claim 2 and / or 3, characterized in that the dispersion has a the electrically conductive particles mixed with aqueous plastic dispersion, in particular such The basis of a mixed polymer of butyl acrylate, vinyl acetate and acrylic acid is.