DE2831938C2

DE2831938C2 -

Info

Publication number: DE2831938C2
Application number: DE2831938A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Wien At Krempl; Peter Dipl.-Ing. Claassen; Helmut Dipl.-Ing. Graz At List
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-07-27
Filing date: 1978-07-20
Publication date: 1989-09-28
Also published as: DE2831938A1; GB2001765B; DE2831939A1; GB2086584A; ATA550577A; FR2399014B1; FR2399014A1; GB2086582A; GB2001765A; CH637214A5; CH640346A5; DE2831939B2; GB2086582B; AT375466B; US4413202A; US4216403A; DE2831939C3; GB2086584B; JPS6136166B2; JPS5425778A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßwertaufnehmer mit einem flexiblen Meßelement zur Messung mechanischer Größen, wobei zur Erfassung des Meßwertes als Meßelement ein flexibler piezoelektrischer Film dient, dessen gegenüberliegende Flächen mit elektrisch leitenden Kontaktflächen wenigstens teilweise in Verbindung stehen.

Es sind Meßwertaufnehmer mit flexiblem Meßelement in Form der sogenannten Dehnmeßstreifen bekannt. Sie werden an der Meßstelle mit dem zu vermessenden Körper meist durch Kleben fest verbunden, wobei eine den Körper verformende Kraft eine entsprechende Dehnung im Dehnmeßstreifen bewirkt, die über die Änderung des elektrischen Widerstandes des Dehnmeßstreifens gemessen wird. Diese Dehnmeßstreifen weisen eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften, wie Formflexibilität und geringe Masse, auf. Sie sind für statische Messungen sehr gut geeignet, erfordern jedoch eine Anordnung, welche eine reproduzierbare Vorspannung garantiert. Ist die Vorspannung dieser Dehnmeßstreifen großen Schwankungen unterworfen, deren Ursache sowohl in der Montage, als auch in thermischen Ausdehnungen liegen kann, dann verursacht die Abstimmung der erforderlichen Meßbrücke vor jeder Messung einen zusätzlichen Arbeitsaufwand, der vor allem dann nicht vermieden werden kann, wenn die zu messenden dynamischen Dehnungen in der Größenordnung von 10^-5 und darunter liegen. Diese Schwierigkeiten treten bei allen Dehnmeßstreifen auf, deren physikalische Eigenschaft, über die die Längenänderung erfaßt wird, von Absolutbetrag der Länge abhängt. Sie stellen deshalb keine für einen breiten Anwendungsbereich befriedigende Lösung dar.

Für viele Fälle der Messung mechanischer Größen, wie Druck, Kraft und Beschleunigung, werden häufig piezoelektrische Meßwertaufnehmer verwendet. Diese Meßwertaufnehmerbauart hat vorteilhafte Eigenschaften, wie: direkte Erfassung relativer Abweichungen von einem beliebig vorgegebenen Grundzustand, Kompressionsempfindlichkeit, einfache elektronische Auswertbarkeit, der Ladungssignale. Die bekannten piezoelektrischen Meßwertaufnehmer weisen Plättchen oder Stäbchen aus Einkristallen oder Keramiken als piezoelektrische Sensoren auf, welche durch eine Vorrichtung unter kompressiver Vorspannung gehalten werden. Diese Art der Vorspannung ist zur schlüssigen Übertragung der zu messenden äußeren Kräfte oder Drücke auf den Sensor erforderlich, und muß bei Beschleunigungs- bzw. Schwingungsaufnehmern so groß gewählt werden, daß die seismische Masse innerhalb des gesamten Meßbereiches gegen den Sensor gedrückt ist. Die aufzubringende Vorspannung und das erforderliche, möglichst starre Widerlager bedingen die mit großen Massen behaftete Ausführungsform dieser Meßwertaufnehmer. Die herkömmlichen Druckaufnehmer werden durch eine mit einer Membrane verbundene Druckübertragungsplatte gegen den Meßraum hin abgeschlossen. Dies bedingt Einschränkungen hinsichtlich der Empfindlichkeit und des dynamischen Meßbereiches. Weiters begrenzt die kompakte, fest vorgegebene äußere Ausführungsform dieser Meßwertaufnehmer ihre Einsatzmöglichkeit bei Meßproblemen, wo es auf eine einfache, den jeweiligen geometrischen Verhältnissen leicht anzupassende Montage des Meßwertaufnehmers ankommt. Zusätzlich wirken sich die relativ großen Massen und das damit verbundene, stark begrenzte dynamische Auflösungsvermögen dieser Meßwertaufnehmer oft nachteilig aus.

Typische Probleme, bei denen piezoelektrische Meßwertaufnehmer keine befriedigende Lösung anbieten, seien als Beispiele angeführt: Dynamische Messung geringer Druckdifferenzen zwischen zwei Meßkammern, Messung des Durchganges von Stoßwellen in Fluids, hochempfindliche Beschleunigungsaufnehmer leichtester Bauart, dynamische Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluids, sowie Messung hochfrequenter Schwingungen zweier Körper relativ zueinander.

Ein Meßwertaufnehmer der eingangs erwähnten Art wurde durch die Zeitschrift "Funkschau" 1977, Heft 4, Seiten 157 bis 160 bekannt, wobei der bekannte Meßwertaufnehmer allerdings im wesentlichen für einen Einsatz als Lautsprecher oder Mikrofon konzipiert ist. Dabei ist nur ein piezoelektrischer Film vorgesehen, wodurch sich der Nachteil einer erheblichen Temperaturdrift ergibt, die mit einem erheblichen Schaltungsaufwand kompensiert werden mußte.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen Meßwertaufnehmer der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, der sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet und praktisch unempfindlich gegen Temperaturänderungen ist. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß ein weiterer piezoelektrischer Film vorgesehen ist, wobei die beiden Filme mit den elektrisch leitenden Schichten so übereinander gelegt sind, daß ihre kristallographischen Z-Achsen antiparallel gerichtet sind.

Ein solcher Meßwertaufnehmer weist einen einfachen Aufbau auf und zeichnet sich durch einen bei Null liegenden Temperaturgradienten aus. Letzteres kann so erklärt werden:

Bildet sich entlang der Z-Achse ein Temperaturgradient aus, so ist bei einem Film, z. B. die Seite der positiven Ladungsabgabe wärmer, hingegen beim zweiten Film die Seite der negativen Temperaturabgabe wärmer. Der Temperaturgradient wird daher von beiden Filmen in entgegengesetzter Richtung "gesehen", so daß alle störenden Auswirkungen diese Temperaturgradienten sich gegenseitig aufheben müssen. Selbstverständlich ist bei einer solchen Anordnung der Filme die piezoelektrische Empfindlichkeit gegenüber Dehnung oder Druck doppelt so hoch. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung liegt in einer erhöhten Unempfindlichkeit gegenüber Vibrationen bzw. reinen Biegeschwingungen. Dieses kombinierte Element besitzt gegenüber Dehnungen, welche auf beide Filme wirken, die doppelte Empfindlichkeit. Störende Vibrationen bewirken jedoch keine Dehnung in beiden Filmen, sondern bewirken, daß ein Film gedehnt wird, während der zweite Film eine Stauchung erfährt. Die Ladungsabgabe beider Filme bei der beispielsweise positiven Elektrode, sind daher entgegengesetzt. Verbindet man diese positiven Elektroden, dann ist das piezoelektrische Element gegenüber diesen störenden Vibrationen praktisch vollkommen kompensiert, d. h. unempfindlich. Will man hingegen nur solche Vibrationen und keine Dehnungen messen, dann muß man jeweils die Elektroden verschiedenen Vorzeichens miteinander verbinden, so daß das dadurch entstehende Meßelement Ladungssignale liefert, welche nur durch die Vibrationen und nicht durch die gemeinsame Dehnung hervorgerufen werden. Diese Anordnung erlaubt somit eine Spezialisierung des Meßelementes für den jeweiligen Meßzweck.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Meßwertaufnehmers werden die vorteilhaften Eigenschaften der Dehnmeßstreifen - wie: Formflexibilität, geringe Masse und daher hohes zeitliches Auflösungsvermögen, Dehnbarkeit und Dehnungsempfindlichkeit - mit den vorteilhaften Eigenschaften der piezoelektrischen Meßelemente - wie: direkte Erfassung relativer Abweichungen von einem beliebig vorgegebenen Grundzustand, Kompressionsempfindlichkeit, einfache elektronische Auswertbarkeit der Ladungssignale - gleichzeitig ausgenutzt, wobei jedoch eine Ausschaltung der genannten Nachteile beider Meßwertaufnehmerprinzipien erreicht wird. Da der vorteilhafterweise nur wenig µ stark gewählte, piezoelektrische Film das Dielektrikum eines Kondensators bildet, dessen Elektroden die elektrisch leitenden Kontaktflächen darstellen, eignet sich dieses Meßelement auch zur kapazitiven Bestimmung von Meßgrößen. Dies ist ein ganz entscheidender Vorteil, da auf kapazitivem Wege auch statische oder niederfrequente Meßgrößen erfaßt werden können, welche - bedingt durch den endlichen Isolationswiderstand - einer piezoelektrischen Messung praktisch nicht zugänglich sind. Die erfindungsgemäße Verwendung eines flexiblen, piezoelektrischen Films als Meßelement in einem Meßwertaufnehmer ermöglicht es, erstmals ein und denselben Meßwertaufnehmer wahlweise zur piezoelektrischen und/oder kapazitiven Erfassung einer Meßgröße zu verwenden. Dadurch ist es möglich, mit diesem Meßwertaufnehmer sowohl statische als auch hochfrequente Messungen durchzuführen, ohne daß ein zusätzlicher Montageaufwand erforderlich ist.

Es sind eine Reihe flexibler Dielektrika in Form von Folien oder Filmen bekannt, von denen ein Großteil als Elektret in dem Sinne angesprochen werden kann, daß sie eine semi-permanente elektrische Polarisation besitzen, deren äußeres Feld durch ebenfalls semi-permanente Oberflächenladungen kompensiert ist. Daß Elektrete piezoelektrische Eigenschaften aufweisen können, wurde zunächst bei Anthrazen und später bei vielen synthetischen Polymeren bestätigt. Es wurde gefunden, daß Elektrete die gleiche piezoelektrische Matrix wie Einkristalle der orthorhombischen Kristallklasse C_2v, oder einer Kristallklasse höherer Symmetrie, wie C_4v, besitzen. Solche Piezoelektrika weisen, wenn man die Achsen gemäß der IRE-Konvention wählt, einen longitudinalen Piezoeffekt in Richtung der Z-Achse, sowie transversale Piezoeffekte bei Spannungen in Richtung der X- bzw. Y-Achse auf. Bekannte piezoelektrische Elektrete sind unter anderem: Polyvinyliden Fluorid (PVDF), Polyvinyl-Fluorid (PVF), Polyvinyl Chlorid (PVC), Polyacrylonitril (PAN), Polymethyl-Methacrylat (PMMA), fluoriniertes Ethylen-Propylen (FEP), Polystren, Polyethylen (PE) und sein Terephthalat, Polycarbonat, Polysulfon und Nylon.

Die erfindungsgemäße Verwendung eines piezoelektrischen Elektrets hat den Vorteil, daß mit ihm sowohl lineare Dehnungen als auch Flächendehnungen piezoelektrisch bzw. kapazitiv erfaßt werden können. Dazu kommt der Vorteil, daß über die elastische Querkontraktion in Z-Richtung eine Verstärkung der piezoelektrischen und der kapazitiven Dehnungsempfindlichkeit erreicht wird. Diese Meßelemente sind somit besonders zur Erfassung von Meßgrößen geeignet, welche durch eine entsprechende Anordnung lineare Dehnungen oder Flächendehnungen im Meßelement hervorrufen, die als Maß für die zu erfassende Größe herangezogen werden können. Weiters können mit dem erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmer über den longitudinalen Piezoeffekt auch Größen erfaßt werden, welche direkt oder über eine Vorrichtung einen Druck auf den piezoelektrischen Film ausüben, der senkrecht zu seiner Oberfläche wirkt. Bei vielen Ausführungsformen eines Meßwertaufnehmers gemäß dieser Erfindung wird der piezoelektrische Film Kräften ausgesetzt sein, welche in ihm sowohl Dehnungen parallel zu seiner Oberfläche als auch einen Druck senkrecht zu seiner Oberfläche bewirken. Diese Kombinationen von Dehnung und Druck bewirkt in vielen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmers eine besonders hohe Empfindlichkeit.

Als sehr vorteilhaft erweist es sich, wenn in einer Weiterbildung der Erfindung der piezoelektrische Film aus monoaxial-orientiertem Polymer besteht. Diese Polymere weisen eine besonders hohe piezoelektrische Empfindlichkeit auf, sie sind daher als Meßelement im Sinne der Erfindung besonders gut geeignet.

Gemäß der Erfindung kann weiters vorgesehen sein, daß der piezoelektrische Film aus Polyvinyliden Fluorid, vorzugsweise aus monoaxial-orientiertem β-Polyvinyliden Fluorid besteht. Von den genannten piezoelektrischen Polymeren weist Polyvinyliden Fluorid eine besonders hohe piezoelektrische Empfindlichkeit wie auch eine große Dielektrizitätskonstante auf. Gewöhnliches PVDF liegt in einer Mischform von α- und β-PVDF vor. Die α/β-Mischform vom PVDF kann in die monoaxial-orientierte β-Form gebracht werden, indem der PVDF-Film einer inelastischen Dehnung unterworfen wird, wobei die Richtung der Orientierung mit der Richtung der erfolgten Dehnung zusammenfällt. In dem so vorbehandelten PVDF-Film ist die piezoelektrische Dehnungsempfindlichkeit in X-Richtung besonders groß und weist ca. den zehnfachen Wert der Dehnungsempfindlichkeit in Y-Richtung auf. Wegen der hohen piezoelektrischen Empfindlichkeit und der hervorragenden chemischen und physikalischen Beständigkeit ist dieses Material für die Verwendung als piezoelektrisches Meßelement besonders vorteilhaft.

Die piezoelektrischen Eigenschaften dieser Materialgruppen an sich wurden bereits durch die Zeitschrift "Nature" 1975, Vol. 256, Seite 694 in dem Artikel "Piezoelectric polyvinylidene fluoride" beschrieben. Es war jedoch überraschend, daß diese Materialien bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einsatz sich durch einen besonders geringen und kaum feststellbaren Temperaturgradienten des gesamten Aufbaues auszeichnen würden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß die X-Achse des einen Filmes mit der X-Achse des anderen einen Winkel von 90° einschließt. Dabei können zwischen den Filmen noch andere Schichten angeordnet sein. Wird dieses Meßelement einer Dehnung unterworfen, so daß beide Filme in gleicher Weise gedehnt werden, dann erhält man als Summe der an den Elektroden gleicher Polarität abgegebenen Ladungen ein Signal, welches ein Maß für die relative Flächendehnung des Meßelementes darstellt. Durch diese Ausführungsform wird eine etwa vorhandene Richtungsanisotropie des piezoelektrischen Filmes kompensiert, was z. B. zur korrekten Erfassung von Flächendehnungen erforderlich ist. Sie bietet damit den Vorteil, daß zur Erfassung von Flächendehnungen auch monoaxial-orientierte piezoelektrische Filme eingesetzt werden können, deren hohe Empfindlichkeit mit der geforderten Isotropie durch diese Anordnung verbunden wird. Selbstverständlich kann das Meßelement auch aus mehreren Schichten gebildet sein, wobei jede Schicht in oben angeführter Weise zwei piezoelektrische Filme und die zugehörigen Elektroden enthält.

Bei einem Meßwertaufnehmer mit einem flexiblen Meßelement zur Messung mechanischer Größen, wobei zur Erfassung des Meßwertes als Meßelement ein flexibler piezoelektrischer Film dient, dessen gegenüberliegende Flächen mit elektrisch leitenden Kontaktflächen wenigstens teilweise in Verbindung stehen, kann nach einem weiteren Merkmal vorgesehen sein, daß der Meßwertaufnehmer mit einer trägen Masse zur Beschleunigungs- oder Schwingungsmessung versehen ist, die mit dem piezoelektrischen Film in Wirkverbindung steht und die bei einer Beschleunigung des Meßwertaufnehmers eine Dehnung und Druckbeaufschlagung dieses piezoelektrischen Films bewirkt. Auf diese Weise ergibt sich ein Beschleunigungs- oder Schwingungsaufnehmer einfachster Bauweise mit hohem Auflösungsvermögen, insbesondere, wenn die träge Masse zwischen zwei Streifen des piezoelektrischen Films angeordnet ist, daß diese Streifen mit Elektroden versehen sind und die Elektroden des einen Streifens mit den Elektroden des anderen Streifens, die entgegengesetzte Polarität besitzen, verbunden sind.

Weitere Merkmale und Vorteile werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Meßelement in schematischer Darstellung,

Fig. 2 und 3 je eine Ausführungsform gemäß der Erfindung im Schnitt,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung, teilweise in Ansicht,

Fig. 5 einen Querschnitt gemäß der Linie V-V in Fig. 4,

Fig. 6 einen Beschleunigungsaufnehmer nach der Erfindung im Schnitt, die

Fig. 7 eine Haltevorrichtung für ein erfindungsgemäßes Meßelement,

Fig. 8 einen Schnitt gemäß der Linie VIII-VIII in Fig. 7 und

Fig. 9 die Anordnung zweier Meßwertaufnehmer gemäß Fig. 7 und 8 in Form einer Meßstrecke zur Erfassung der Geschwindigkeit eines Projektils,

Fig. 10 einen anderen erfindungsgemäßen Meßwertaufnehmer in gestreckter Darstellung,

Fig. 11 den Meßwertaufnehmer nach Fig. 10 an einem Rohr montiert.

Fig. 12 einen weiteren Meßwertaufnehmer gemäß der Erfindung,

Fig. 13 ein Anwendungsbeispiel für den Meßwertaufnehmer nach Fig. 12,

Fig. 14 ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung im Querschnitt und

Fig. 15 einen Schnitt nach der Linie XV-XV in Fig. 14.

Bei dem in Fig. 1 vergrößerten und schematisch dargestellten Ausschnitt aus einem das Meßelement bildenden piezoelektrischen Film 1 sind die Kontaktflächen mit 2 und 3 und die kristallographischen Achsen des Meßelementes mit X, Y und Z bezeichnet. Mit X′ ist die Richtung der Vorspannung bezeichnet, die mit der Richtung X der maximalen Empfindlichkeit den Winkel α einschließt. Dieser Winkel soll nach Möglichkeit Null oder wenigstens kleiner als 45° sein. Die Kontaktflächen 2 und 3 des piezoelektrischen Filmes sind je mit einer elektrisch leitenden Schicht 4 bzw. 5 versehen, die aus aufgedampftem Metall oder auch aus einem leitfähigen Lack bestehen können. Wenigstens eine der elektrisch leitenden Kontaktflächen kann mit einer nicht dargestellten isoliert geführten elektrischen Verbindung zu einem Ladungsabnahmekontakt oder direkt zu einer elektrischen Meßkette versehen sein.

Der in Fig. 2 dargestellte Meßwertaufnehmer zur Messung von Druckdifferenzen zwischen zwei Räumen weist einen piezoelektrischen Film 6 auf, der mit einer Vorrichtung über eine etwa kreisförmige Öffnung 13 gespannt ist, welche die beiden Räume 14 und 15, deren Druckdifferenz erfaßt werden soll, gegeneinander abdichtet. Die Vorrichtung ist von einem ringförmigen, in die Trennwand 16 zwischen den beiden Räumen eingesetzten Gehäuse 7 gebildet, das mittels der zentralen Mutter 8 auf der Trennwand befestigt ist. Der Dichtring 9 sorgt an dieser Stelle für eine Abdichtung. Der piezoelektrische Film 6 ist in eine abgestufte Erweiterung der Öffnung 13 eingelegt und wird mittels des Schraubringes 10 über den Ring 11 aus elektrisch isolierendem Material und den Ring 12 aus elektrisch leitendem Material festgehalten. Der Ring 12 dient zur Ableitung der elektrischen Ladung von der oberen Seite des Films 6 über die Leitung 17. Von der unteren Seite des Filmes 6 wird die Ladung über die Masse des Gehäuses 7 abgeleitet.

Die Fig. 3 zeigt einen Druckdifferenzaufnehmer im Schnitt, wobei die beiden Räume 18 und 19 durch eine gewölbte Membran 20, die den piezoelektrischen Film 21 stützt, gegeneinander abgedichtet sind. Die Membran 20 und der Film 21 sind mittels einer Spannschraube 22 unter Zwischenlegung einer Isolierschicht 23 an der Trennwand 24 befestigt. Die Ladungsabnahme erfolgt über den Kontaktring 25, wogegen die andere Elektrode des Films über die Membran 20 und den Auflage- und -dichtungsring 26 mit der auf Masse liegenden Trennwand elektrisch verbunden ist.

In den Fig. 4 und 5 ist ein piezoelektrischer Meßwertaufnehmer dargestellt, der als Strömungsaufnehmer für elektrisch nicht leitende Fluide ausgebildet ist. Er enthält einen quer zu der durch die Pfeile 27 angedeuteten Strömungsrichtung über einen Ring 28 gespannten, durchlöcherten, piezoelektrischen Film 29, dessen gegenüberliegende Flächen elektrisch leitend beschichtet sind und durch dessen Öffnungen 29′ das Fluid hindurchströmen kann. Dabei ist der Film 29 durch das Fluid einer Dehnung unterworfen, die ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids darstellt. Ist das Fluid eine elektrisch leitende Flüssigkeit, so muß wenigstens eine der leitenden Kontaktflächen des Films durch eine zusätzliche Beschichtung gegen das Fluid elektrisch isoliert sein. Der Film 29 ist über die aus den beiden Halteringen 30 und 28 bestehende Vorrichtung zwischen zwei Rohrflanschen 31 und 32 eingespannt. Die Ladungsableitung erfolgt einerseits über den elektrischen Kontaktring 33 und die Leitung 34 und andererseits über Masse, wie in der Zeichnung angedeutet.

Bei dem in Fig. 6 dargestellten Beschleunigungsaufnehmer ist die seismische Masse 35 zwischen zwei piezoelektrischen Filmen 36 und 37 eingespannt, welche die seismische Masse 35 und einen Ladungsabnahmekontakt 38 mit ihren Elektroden entgegengesetzter Polarität berühren. Die der seismischen Masse abgewendeten Elektroden, welche in Tragplatten 52 und 53 gelagert sind, können über das eine Bodenplatte 39′ aufweisende Gehäuse 39 geerdet sein. Bei Beschleunigung wird einer der Filme 36, 37 gedehnt, während sich der andere elastisch zusammenzieht, so daß die Summe der im Kontakt 38 abgegebenen Ladungen ein Maß für die Richtung und die Größe der Beschleunigung darstellt. Eventuell kann die seismische Masse 35 noch durch Federn 40, 41 gestützt werden, so daß durch geeignete Auswahl der Federstärken die Eigenfrequenz und der Meßbereich des Aufnehmers optimiert werden können. Die Ladungsableitung erfolgt einerseits über einen Kontaktstreifen 38 und andererseits über Masse, wie in der Zeichnung angedeutet.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Spannvorrichtung 42 für einen piezoelektrischen Film 43, der über isolierende Zwischenlagen 44, 45 in den Spannbügel 46 eingespannt ist. Die Ladungsabnahme erfolgt einerseits über den Kontaktstreifen 47 und andererseits über Masse, wie in der Zeichnung angedeutet.

Die Fig. 9 zeigt die Anordnung zweier Meßwertaufnehmer gemäß Fig. 7 und 8 in einem definierten Abstand zueinander, wodurch eine Meßstrecke 48 gebildet wird. Beim Durchgang des zu vermessenden Geschosses 49 bzw. dessen Druckwellen 51 durch das Meßelement 50 wird eine Zeitmessung ausgelöst, die beim Durchgang des Geschosses bzw. der von ihm erzeugten Druckwelle durch das zweite Meßelement 42 abgeschlossen wird. Aus der damit gemessenen Zeit und der bekannten Meßstrecke 48 kann die Geschwindigkeit des Geschosses bestimmt werden. Weiters kann das von der Druckwelle 51 erzeugte Ladungssignal auch zur Triggerung anderer elektronischer oder photographischer Einrichtungen dienen.

Gemäß der Erfindung können die Meßwertaufnehmer auch zur kapazitiven Meßwerterfassung verwendet werden. Besonders die in Fig. 2, 3 und 4, 5 dargestellten Ausführungen eignen sich dafür, da bei diesen Anwendungsfällen meist zeitlich langsam veränderliche Meßgrößen zu erfassen sind. Da der endliche Isolationswiderstand des Films statische Messungen auf piezoelektrischem Wege verhindert, ist für die genannten Anwendungsfälle als besonderer Vorteil der Erfindung die Möglichkeit der kapazitiven Messung hervorzuheben.

In Fig. 10 ist ein Meßstreifen 59 dargestellt, bei dem ein aus einem flexiblen piezoelektrischen Film 54 bestehendes Meßelement auf einem elektrisch isolierenden Band 55 befestigt ist. Zur Ladungsableitung sind Drähte oder aufgedruckte Leiterbahnen 56 und 57 direkt mit den leitenden nicht dargestellten Kontaktschichten des Filmes 54 verbunden. Fig. 11 zeigt die Anordnung eines Meßstreifens 59 gemäß Fig. 10 an einem Rohr 58, wobei die Ladungsabnahmeleitungen 56 und 57 nur schematisch freiliegend angedeutet sind. Der Meßstreifen 59 umschlingt das Rohr 58 zur Gänze. Dieser Meßwertaufnehmer kann z. B. zur Registrierung des Pulses bei Menschen und Tieren verwendet werden.

Fig. 12 zeigt ein Meßelement 60, bei welchem der flexible Film 61 durch Kraftschluß oder elektrisch leitende Verklebung mit elektrisch leitenden Kontaktschichten 62 und 63 verbunden ist. Die Kontaktschichten 62 und 63 können vorzugsweise ähnlich einer gedruckten Schaltung aus kupferkaschierten flexiblen Laminaten 64 und 65 hergestellt werden. Das Meßsignal wird an den Polen 66 und 67 abgenommen. Zur leichten Montage des Meßelements am Meßobjekt dient eine selbstklebende Folie 68.

Fig. 13 zeigt als Anwendungsbeispiel ein in Fig. 12 dargestelltes Meßelement 60, welches an der Stirnseite eines Rohres 69 angebracht ist, um z. B. Ausströmvorgänge aus dem Rohr meßbar zu machen. Insbesondere läßt sich auf diese Weise sehr leicht der Austrittszeitpunkt einer aus dem Rohr austretenden instationären Überschallströmung ermitteln.

Fig. 14 und 15 zeigen ein Anwendungsbeispiel eines Meßwertaufnehmers, bei dem mehrere Einzelaufnehmer zu einer Einheit integriert sind. Als Anwendungen kommen Meßaufgaben in Frage, bei denen z. B. der Druck oder Druckverlauf in einem Rohr 70, das Bohrungen 71 zwischen seiner Innen- und Außenseite aufweist. Dieses Meßelement kann ebenso zur zeitlichen Druckregistrierung an Hohlkörpern dienen, deren Körperform sich durch im Körper wirksame Kräfte zeitlich ändert, wie dies z. B. bei deformierenden oder abbrennenden Explosivstoffen der Fall ist.

Das Meßelement hat prinzipiell denselben Aufbau wie jenes nach Fig. 12. Eine selbstklebende Folie 72 verschließt die Bohrungen 71 und trägt gleichzeitig je ein kupferkaschiertes flexibles Laminat 73. Die Kupferschichte 74 ist durchgehend und bildet einen Pol des von einem flexiblen Film 75 gebildeten Meßelements. Der Anschluß dieses Pols an eine Meßleitung erfolgt über das freie Ende 76 der Kupferschichte 74. Der flexible Film 75 steht einerseits mit der Kupferschichte 74 und andererseits mit den elektrisch leitenden Kontaktflächen 77 in Verbindung. Um den örtlichen und zeitlichen Druckverlauf registrieren zu können, erfolgt die Meßsignalabnahme an mehreren Kontaktflächen 77, die in Richtung des Rohres 70 in Abständen hintereinander angeordnet sind. Diese Kontaktflächen 77 können z. B. ähnlich einer gedruckten Schaltung aus kupferkaschierten flexiblen Laminaten 78 hergestellt werden, wobei die Trägerschicht zugleich als Schutz für das Meßelement dient. Die Meßsignale der einzelnen durch die Kontaktflächen 77 erfaßten Meßelemente können am freien Ende 76 der Kupferschichte 74 abgenommen werden.

Claims

1. Meßwertaufnehmer mit einem flexiblen Meßelement zur Messung mechanischer Größen, wobei zur Erfassung des Meßwertes als Meßelement ein flexibler piezoelektrischer Film dient, dessen gegenüberliegende Flächen mit elektrisch leitenden Kontaktflächen wenigstens teilweise in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer piezoelektrischer Film vorgesehen ist, wobei die beiden Filme mit den elektrisch leitenden Schichten so übereinander gelegt sind, daß ihre kristallographischen Z-Achsen antiparallel gerichtet sind.

2. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die X-Achse des einen Filmes mit der X-Achse des anderen einen Winkel von 90° einschließt.

3. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Filme aus monoaxial-orientiertem Polymer bestehen.

4. Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Filme aus Polyvinyliden-Fluorid, insbesondere aus monoaxial-orientiertem β-Polyvinyliden-Fluorid, bestehen.

5. Meßwertaufnehmer mit einem flexiblen Meßelement zur Messung mechanischer Größen, wobei zur Erfassung des Meßwertes als Meßelement ein flexibler piezoelektrischer Film, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4 dient, dessen gegenüberliegende Flächen mit elektrisch leitenden Kontaktflächen wenigstens teilweise in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer mit einer trägen Masse (35) zur Beschleunigungs- oder Schwingungsmessung versehen ist, die mit dem piezoelektrischen Film (36; 37) in Wirkverbindung steht und die bei einer Beschleunigung des Meßwertaufnehmers eine Dehnung und Druckbeaufschlagung dieses piezoelektrischen Films (36; 37) bewirkt.

6. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die träge Masse (35) zwischen zwei Streifen (36, 37) des piezoelektrischen Films angeordnet ist, daß diese Streifen (36, 37) mit Elektroden versehen sind und die Elektroden des einen Streifens (36; 37) mit den Elektroden des anderen Streifens (37; 36), die entgegengesetzte Polarität besitzen, verbunden sind.

7. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein mit der trägen Masse (35) zusammenwirkendes federndes Element (40; 41) vorgesehen ist, wobei der piezoelektrische Film (36; 37) jeweils zwischen der trägen Masse (35) und dem federnden Element (40; 41) angeordnet ist.

8. Meßwertaufnehmer mit einem flexiblen Meßelement zur Messung mechanischer Größen, wobei zur Erfassung des Meßwertes als Meßelement ein flexibler piezoelektrischer Film, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4 dient, dessen gegenüberliegende Flächen mit elektrisch leitenden Kontaktflächen wenigstens teilweise in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Film als Filmstreifen (54) ausgebildet ist und auf einen, den Filmstreifen (54) allseitig überragenden bandförmigen Trägerstreifen (55) aufgebracht ist, wobei die elektrisch leitenden Kontaktflächen über auf dem Trägerstreifen (55) aufgebrachte Drähte bzw. auf den Trägerstreifen (54) aufgedruckte Leiterbahnen (56, 57) zur Potentialableitung versehen sind.

9. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 8 zur Messung mechanischer Größen an einer rohrförmig ausgebildeten Meßstelle, dadurch gekennzeichnet, daß das bandförmige Meßelement (59) mit dem den Filmstreifen (54) tragenden Trägerstreifen (55) und den Ableitungen (56, 57) die rohrförmig ausgebildete Meßstelle (58) mindestens einmal umschlingt.