DE69024201T2

DE69024201T2 - Spannungsmeter für dünne materialien

Info

Publication number: DE69024201T2
Application number: DE69024201T
Authority: DE
Inventors: Israel Taback
Original assignee: Bionetics Corp
Current assignee: Bionetics Corp
Priority date: 1989-04-12
Filing date: 1990-04-11
Publication date: 1996-05-09
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: EP0461204A4; EP0461204A1; DE69024201D1; US5016479A; WO1990012297A1; EP0461204B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der wichtigsten Spannungen in elastischem Material und Bereitstellen bestimmter Information über die Größe und Richtung der wichtigsten Spannungen. Insbesondere erlaubt die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Bestimmung der wichtigsten Spannungen, der wichtigsten Belastungen und der Scherbelastungen in einem elastischen Material wie etwa zur Verwendung für einen Wetterballon.

Hintergrund der Erfindung

Es gibt im Stand der Technik zahlreiche Spannungsmeßgeräte. Jedoch zeigt die überwiegende Mehrheit dieser Meßgeräte nur die Fähigkeit, die durchschnittliche Gesamtspannung in einem elastischen Material zu bestimmen, ohne irgendwelche Information bezüglich der Größe oder Richtung der wichtigsten Spannungen in dem Material anzugeben. Zusätzlich messen viele dieser Spannungsmeßgeräte die Verformung des elastischen Materials zur Ableitung der Spannung. Infolgedessen unterliegen die von diesen Meßgeräten erhaltenen Spannungsmessungen den Dehnungscharakteristiken des jeweiligen elastischen Materials sowie temperaturbedingten Ausdehnungen und Kontraktionen des elastischen Materials.
Typische Spannungsmeßgeräte sind elektrische oder mechanische Dehnungsmeßgeräte, die zur Ableitung der Spannung die elastische Materialverformung messen. Messungen dieser Meßgeräte geben allgemein nur ausreichende Information zur Bestimmung der Spannung in einer Richtung oder der Gesamtspannung in einem elastischen Material. Während einige Ausfführungen verfügbarer elektrischer Dehnungsmeßgeräte, etwa in dem Rosetten-Dehnungsmeßgerät, mehrere Meßgeräte verwenden, um zusätzliche Information über ein elastisches Material zu erhalten, erfordern diese Messungen noch immer Kenntnis von Charakteristiken des jeweiligen elastischen Materials zur Berechnung der erwünschen Information.
Ein Beispiel eines Belastungsmeßgeräts für Folien ist in dem U.S.-Patent Nr. 3,040,595 (Church et al.) offenbart, ausgegeben am 26. Juni 1962. Dieses Meßgerät mißt Resonanz unter induzierter Vibration zur Bestimmung von Belastungen in einer Folie. Obwohl das Patent offenbart, daß es auf die Größe und Richtung von Belastungen in den Folien empfindlich ist, wird es durch bidirektionale Belastungen nachteilig beeinflußt und das Patent gibt keinen Hinweis dahingehend, daß es zur Bestimmung eines Belastungsfelds richtig geeignet sein kann. Ferner ist dieses Meßgerät auf die Masseneigenschaften der zu messenden Folie in gewisser Hinsicht empfindlich.
Das U.S.-Patent Nr. 4,590,808 (Lightfoot et al.), ausgegeben am 27. Mai 1986, offenbart eine Vorrichtung zum Messen der Durchschnittsspannung an Tennisschlägersaiten. Im Prinzip verformt die Vorrichtung die Tennisschlägersaiten aus einer Spannebene und mißt die resultierende Kraft und/oder Ablenkung der Tennisschlägersaiten. Auf diese Weise erhält man die Durchschnittsspannung der Tennisschlägersaiten. Eine vergleichbare Vorrichtung ist in dem U.S.-Patent Nr. 4,794,805 (Carney et al.) offenbart, ausgegeben am 03. Januar 1989.
Auch das U.S.-Patent Nr. 4,103,546 offenbart eine Vorrichtung zum Messen der Durchschnittsspannung in Tennisschlägersaiten.
Wieder verformt die Vorrichtung den Tennisschläger aus einer Spannebene und mißt die resultierende Kraft und/oder Ablenkung der Tennisschlägersaiten zum Erhalt der Durchschnittsspannung der Saiten.
Das U.S.-Patent Nr. 4,756,199 (Merritt), ausgegeben am 12. Juli 1988, offenbart eine Vorrichtung zum Messen der zu einem unter Meßspannung verlagerten Strumpf normalen Spannung. Das Meßgerät verlagert den Strumpf aus einer Spannebene und mißt die resultierende Kraft zum Erhalt der Durchschnittsspannung an einer bestimmten Stelle des Strumpfs.
Das britische Patent Nr. 115,338, ausgegeben am 09. Mai 1918, offenbart eine Vorrichtung zum Messen der Spannung gestreckten Gewebes. Die Vorrichtung umfaßt einen Ring, über dem ein Gewebe durch Spannung gehalten wird. Ein Stößel berührt die Mitte des Gewebernaterials und wird durch die Zugkraft nach oben gedrückt, die beim Strecken des Gewebematerials über den Ringrahmen ausgeübt wird. Die Bewegung des Stößels wird zur Bestimmung der durchschnittlichen Spannung in dem Gewebematerial gemessen.
Das U.S.-Patent Nr. 4,587,855 (Yamada et al.), ausgegeben am 13. Mai 1986, offenbart ein Spannungsmeter des Typs zur Verwendung zur Messung der Spannung eines langgestreckten Gegenstands, wie etwa eines Fadens oder eines Seils. Dieses Spannungsmeßgerät arbeitet entlang einer einzelnen Achse und ist nur für ein Seil oder einen Draht verwendbar.
Das U.S.-Patent Nr. 4,048,850 (Ramberg et al.), ausgegeben am 20. September 1977, offenbart einen Mechanismus zum Messen der Dehnung eines Zugnetzes. Diese Vorrichtung mißt die Netzspannung direkt in einer Richtung durch Aufnehmen einer Last und leidet daher an vielen Fehlerquellen, die durch lokale Belastungsverteiler verursacht sind.
Das U.S.-Patent Nr. 4,674,341 (Koenig), ausgegeben am 23. Juni 1987, offenbart eine Bandspannungswandlervorrichtung zum Messen von Bandspannung entlang einer einzelnen Achse. Die Vorrichtung verwendet eine Rollenkraft zum Messen der Bandspannung und ist daher nur in der Lage, die Spannung entlang einer einzelnen Achse zu messen, wenn das Material gegen ein Band gedrückt wird.
Das U.S.-Patent Nr. 4,024,755 (Queben), ausgegeben am 24. Mai 1977, umfaßt einen Blechflachheitsdetektor, der eine Deflektorrolle zum Messen und Prüfen der Flachheit von unter Zug stehendem Metallblech verwendet. Die Vorrichtung mißt nicht die Spannung des Metallblechs.
Aus der vorstehenden Diskussion ist ersichtlich, daß in der Technik ein Bedarf nach einem Spannungsmeßgerät besteht, das in der Lage ist, bestimmte Information über die Größe und Richtung der wichtigsten Spannungen in einem elastischen Material bereitzustellen. Ferner besteht in der Technik ein Bedarf nach einem Spannungsmeßgerät und einem Verfahren zur Bestimmung der wichtigsten Spannungen für Netze gekreuzter Filamente, in der die Richtung der Spannungen sowie deren Größe erwünscht ist.
Das U.S.-Patent Nr. 1,723,636 (Tuckerman et al.), ausgegeben am 19. Oktober 1926, offenbart ein Spannungsmeßinstrument mit einem elliptischen Rahmen, der einen inneren Hohlraum begrenzt, und ein Saugmittel zum Ansaugen eines elastischen Flachmaterials zu dem Inneren des Hohlraums hin. Unterdruckreguliermittel sind vorgesehen, um das elastische Material um einen vorbestimmten Weg zu bewegen. Durch Messen des regulierten Drucks erhält man Information über die Größe der Oberflächenspannung und Anisotropie.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft in einem Aspekt ein Spannungsmeßgerät für Materialien, das in der Lage ist, Information über die Größe und Richtung der wichtigsten Spannungen in einem elastischen Material bereitzustellen. Eas Spannungsmeßgerät umfaßt eine materialtragende Rahmenstruktur, die um zwei orthogonale Achsen, die den Umfang einer vorbestimmten Testfläche definieren, nicht symmetrisch ist, und die zum Berühren des Materials ausgelegt ist. Das Meßgerät umfaßt auch ein Mittel zum Bewegen oder Niederdrücken des Materials um einen bekannten Weg an der Mitte der Testfläche. Ferner umfaßt die Vorrichtung auch ein Mittel zum Messen der an die Mitte der Testfläche des elastischen Materials angelegten Kraft durch das Bewegungs- oder Niederdrückmittel. Ein Mittel zum Drehen des Meßgeräts oder die Verwendung von zwei oder mehr im wesentlichen identischen asymmetrischen Geräten ermöglicht die Berechnung der Spannungen in dem Material in zwei orthogonalen verschiedenen Achsen und eine Bestimmung von Scherkräften.
Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Spannungsmeßgerät anzugeben, das in der Lage ist, die wichtigsten Spannungen in einer Folie oder einem Netz zu messen sowie bestimmte Information über die Größe und Richtung der wichtigsten Spannungen bereitzustellen.
Ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Berechnung der Scherbelastungen in einer Folie unter Verwendung des Spannungsmeßgeräts der vorliegenden Erfindung anzugeben.
Ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Unterscheidung zwischen den Spannungen und ihrer Richtung in einem Netz anzugeben.
Ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Spannungsmeßgerät zur Messung von Spannungen in einem elastischen Material anzugeben, das die Bestimmung der wichtigsten Spannungen, der durchschnittlichen Spannung und der Größe und Richtung der wichtigsten Spannungen ohne Kenntnis irgendwelcher bestimmter Eigenschaften des elastischen Materials erlaubt.
Ein erfindungsgemäßes Spannungsmeßgerät ist in Anspruch 1 definiert. Verfahren zur Bestimmung der Summe der Spannungen in einem elastischen Flachmaterial mittels dieses Meßgeräts sind in den Ansprüchen 5 und 10 definiert.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden einem üblichen Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine Perspektivansicht einer ersten Ausführung eines Spannungsmeßgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linien 2-2 von Figur 1;
Figur 3 ist eine Drauf sicht einer zweiten Ausführung eines Spannungsmeßgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 4 ist eine Explosionsperspektivansicht eines Anbringungsmittels für ein Spannungsmeßgerät gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 5 ist eine Perspektivansicht einer dritten Ausführung eines Spannungsmeßgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 6 ist eine Querschnittsansicht des Anbringungsmittels für das in Figur 5 dargestellte Spannungsmeßgerät;
Figur 7 ist eine Draufsicht einer vierten Ausführung eines Spannungsmeßgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungen

Einleitend ist anzumerken, daß hierin zwei wesentliche Typen von Meßgeräten gemäß der vorliegenden Erfindung diskutiert werden. In dem in Figuren 1 bis 4 abgebiideten ersten Typ ist das Meßgerät mit dem Material zwischen der Rahmenstruktur und dem Mittel zur Bewegung des Materials angebracht. Leider könnte dies ein Durchstechen des Materials erfordern. Daher sind in einem zweiten und typischerweise vorteilhafteren Typ, der in Figuren 5 bis 7 abgebildet ist, sowohl die Rahmenstruktur als auch das Bewegungsmittel auf derselben Seite des Materials angeordnet. Dies ermöglicht ein leichtes Anbringen des Meßgeräts an dem Material, ohne das Material zu durchstechen.
Zu Figur 1. Hier ist eine erste Ausführung eines Spannungsmeßgeräts 8 gemäß der vorliegenden Ertindung gezeigt. Das Spannungsmeßgerät 8 wird beispielsweise an einer großen elastischen Folie oder einem solchen Material 18 verwendet. Eine vorgeschlagene Anwendung des Spannungsmeßgeräts 8 ist somit für das Material eines Wetterballons für große Höhen, das ein kleines und leichtgewichtiges Meßgerät zum Messen der Oberflächenspannungen darin erfordern würde. Das Meßgerät 8 enthält eine Rahmenstruktur 10, die um zwei orthogonale Achsen asymmetrisch ist, und die in diesem Fall eine elliptische Form hat. Ein Teil des Meßgeräts 8 ist auch ein daran angebrachter Arm oder Ausleger 12 mit einer Kontaktoberfläche 14. Der Ausleger 12 ist am Rahmen 10 mittels geeigneten Mitteln anbringbar (wie etwa in Figur 4 gezeigt). An dem Ausleger 12 ist auch wenigstens ein Dehnungsmeßgerät 16 befestigt, um die Ablenkung des Auslegers 12 zu messen.
In der in Figur 1 gezeigten Ausführung bält die Kontaktoberfläche 14 des Auslegers 12 die elastische Folie oder das Material 18 in Kontakt mit dem Rahmen 10 durch Anlegen einer Zugbelastung an das Material 18 am Mittelpunkt der Rahmenstruktur 10. Die Kontaktoberfläche 14 in dieser Ausführung ist axial symmetrisch, während die Rahmenstruktur 10 um zwei orthogonale Achsen nicht symmetrisch ist.
Nun zu Figur 2. Hier ist eine Querschnittsansicht entlang Linie 2-2 von Figur 1 gezeigt. In Figur 2 ist ersichtlich, daß die Folie 18 durch die Kontaktoberf läche 14 um einen Weg h niedergedrückt wird. Die Spannung in dem elastischen Material 18 wird durch die Kraft auf den Ausleger 12 ausgeglichen und durch das an dem Ausleger 12 befestigte Dehnungsmeßgerät 16 gemessen.
Bei Betrieb ist der Ausleger 12 an einer Stelle an der Rahmenstruktur 10 angebracht und eine Kraft wird angelegt, um die Mitte des elastischen Materials 18 um einen bekannten Weg h zu bewegen oder niederzudrücken. Die Kraft auf den Ausleger 12 wird durch das Dehnungsmeßgerät 16 gemessen, was ein Indiz der Gesamtspannungen in dem elastischen Material 18 gibt. Der Rahmen 10 wird dann gedreht und es wird eine zweite Messung durchgeführt. Bevorzugt wird die zweite Messung bei 90º zu der ersten durchgeführt. Eine dritte Messung wird mit dem Meßgerät 8 bei 45º zu seiner Anfangsstellung durchgeführt.
Aus zwei mit 90º zueinander angeordneten Messungen kann die Summe aller Folienspannungen und die Differenz zwischen orthogonalen Folienspannungen abgeleitet werden. Mit der dritten Messung, die bei einem 45º-Winkel zu den ersten zwei Messungen geführt wird, können auch der Winkel zu den wichtigstens Spannungsachsen und die wichtigsten Spannungen und Scherkräfte in dem elastischen Material 18 abgeleitet werden.
Das grundlegende Konzept des Meßgeräts 8 der vorliegenden Erfindung besteht in der Verwendung entweder einer Rahmenstruktur 10 oder einer Kontaktoberfläche 14, die um zwei orthogonale Achsen nicht symmetrisch ist. Beispielsweise, wie in Figur 1 gezeigt, ist die Rahmenstruktur 10 ein elliptischer Ring. Das elastische Material wird über die Rahmenstruktur 10 gestreckt und die Mitte des gestreckten MaLerials 18 wird durch die Kontaktoberfläche 14 niedergedrückt, um die Gesamtkraft zu bestimmen, die zum Niederdrücken eines bekannten elastischen Materials erforderlich ist. Diese Gesamtkraftmessung stellt die Summe aller Spannungskräfte in dem elastischen Material 18 dar. Weil jedoch entweder die Rahmenstruktur 10 oder die Kontaktoberfläche 14 um zwei orthogonale Achsen nicht symmetrisch ist, wird die relative Empfindlichkeit zu der Spannung der langen Achse und der Spannung der kurzen Achse in dem elastischen Material 18 unterschiedlich sein. Beispielsweise in der Vorrichtung in Figur 1 ist die Empfindlichkeit auf Spannung der langen Achse und auf Spannung der kurzen Achse durch das Verhältnis der langen und kurzen Achsen der elliptischen Rahmenstruktur 10 festgelegt. Danach ist es zur Bestimmung der Spannungen in drei Richtungen des elastischen Materials eine einfache Sache, die wichtigsten Belastungen und ihre Winkelanordnung abzuleiten. Die Berechnung der abgeleiteten Winkelstellung wird nachfolgend erläutert. Diese Gleichungen ähneln den bei elektrischen Dehnungsmeßgeräten verwendeten, sind aber mit diesen nicht identisch. In letzterem Fall müssen die Materialeigenschaften zur Ableitung der Spannungen bekannt sein.
Eines der wichtigen Merkmale der vorliegenden Erfindung ist, daß sie ein Verfahren zum Extrahieren der Querachsenempfindlichkeit aus zwei Messungen des Spannungsmeßgerätes der vorliegenden Erfindung angibt. Insbesondere ist die Kraft, die zum Ablenken des Materials 18 um einen bekannten Weg an der Mitte der elastischen Rahmenstruktur 10 erforderlich ist, die Summe der Ty und Tx Spannungen, multipliziert mit geeigneten Wichtungsfaktoren. Somit ist es angemessen anzunehmen, daß F = KXTX + KYTY, wobei die Ellipse so orientiert ist, daß durch Definition KX viel größer als KY wird. In anderen Worten, die kleinere Achse der Ellipse ist in der X-Richtung. Dann werden zwei Messungen von F durchgeführt, eine in Richtung der X-Achse und eine in Richtung der Y-Achse. Auf diese Weise erhält man die folgenden zwei Gleichungen: (1) FX = KXTX + KYTY (2) FY = KXTY + KYTX
Aus diesen zwei Gleichungen ist es leicht, zwei Formeln für TX und TY abzuleiten und die wichtigsten Spannungen in den X- und Y-Richtungen zu bestimmen. Ferner erweist sich die Summe der wichtigsten Spannungen als die Summe der gemessenen Kräfte multipliziert mit einem Korrekturfaktor gleich 1/(KX + KY) Diese Summe ist an jedem orthogonalen Paar von Messungen die gleiche.
Zusätzlich zum Vorstehenden kann die Richtung der wichtigsten Achsen XPT und YPT aus einem Satz dreier Messungen bestimmt werden, die an dem in Figur 1 gezeigten Meßgerät mit Winkeln von 0, 45 und 90º von einer willkürlichen Achse an einer uniaxial oder biaxial belasteten Folie durchgeführt sind. Insbesondere stellte sich heraus, daß der Winkel der wichtigsten Spannung in dem elastischen Material 18 aus der Nullwinkel-Meßgerätstellung (der Anfangsstellung bei Durchführung der ersten Messung) bestimmt werden kann, und bestimmt werden kann aus der Gleichung:
(TX + TY)&sub0;/(TX - TY)&sub0;&sbplus;&sub4;&sub5; = 1/tan 2θ
Es sind keine Näherungen erforderlich, um diese Werte oder die sie begleitenden Scherwerte zu erhalten.
Bei Betrieb wird das Meßgerät 8 von Figur 1 zusammengebaut durch Anordnen der Rahmenstruktur 10 auf einer flachen Oberfläche, Strecken des elastischen Materials 18 über die Rahmenstruktur 10 und dessen Halten in Position durch Ausüben von Spannungen, wie etwa durch Klemmen oder Befestigen eines Auslegers 12 auf der Rahmenstruktur 10 durch irgendein geeignetes Mittel (wie nachfolgend diskutiert). Das gesamte Meßgerät wird um 90º gedreht, und es wird eine zweite Messung in der gleichen Weise durchgeführt. Aus diesen zwei Messungen kann die Gesamtsumme der Spannungen in dem elastischen Material 18 bestimmt werden. Wenn eine zusätzliche Winkelinformation erforderlich ist, wird das Meßgerät wieder um 45º gedreht zu einer Stelle mittig zwischen dem Ort der ersten Messung und dem Ort der zweiten Messung, und es wird eine dritte Messung durchgeführt. Aus diesen drei Messungen ist es eine einfache Sache, Größen wie die Richtung der wichtigsten Spannung, die wichtigsten Spannungen und Scherspannungen in dem elastischen Material zu erhalten.
Wie in Figur 3 zu sehen, ist es schließlich auch möglich, eine andere alternative Ausführung des Spannungsmeßgeräts 8' zu verwenden, das dem in Figur 1 gezeigten ähnelt, außer daß die Rahmenstruktur 10' um zwei orthogonale Achsen symmetrisch ist und die Kontaktoberfläche 14' axial nicht symmetrisch ist. Bei dieser Ausführung bleibt entweder die Rahmenstruktur 10' in derselben Stellung, während die Kontaktoberfläche 14' um 45 bzw. 90º unter Verwendung einer geeigneten Verbindung 15 gedreht wird, um verschiedene Messungen zu erhalten, oder die Rahmenstruktur wird zusammen mit dem Ausleger 12' um 45 und 90º zum Erhalt verschiedener Messungen gedreht.
Es ist auch vorstellbar und manchmal bevorzugt, drei getrennte, aber identische Meßgeräte Seite an Seite zu verwenden. Es ist dann nur erforderlich, die Rahmenstruktur 10' oder Kontaktoberfläche 14' lediglich in Abhängigkeit davon, welche um zwei orthogonale Achsen nicht symmetrisch ist, in drei getrennten Meßgeräten unterschiedlich zu orientieren, um die drei Messungen zu erhalten, die für ein bestimmtes elastisches Material erforderlich sind.
Wie unten gezeigt, können die wichtigsten Spannungen und ihre Richtung aus einem Satz von drei Messungen bestimmt werden, die an elliptischen Meßgeräten mit Winkeln von 0, 45 und 90º von einer willkürlichen Achse auf einer biaxial gespannten Folie bestimmt werden. Die einzige Annahme in dar Ableitung ist, daß der Meßgerätausgang eine lineare Funktion der zu den Meßgerätachsen orthogonalen Spannungen ist.
In der folgenden Ableitung ist:
O = Meßgerätausgang
T = Folienspannung
x,y = Indizes der Meßgerätachse
1,2 = Indizes der wichtigsten Achsen
Ox = KxTx + KyTy (ausgerichtet zu θ = 0º)
Ox = KxTy + KyTx (ausgerichtet zu θ = 90º)
Wie in den Gleichungen 4 und 5 gezeigt, können die Summen und Differenzen der Spannungen einfach erhalten werden durch Verwendung der Summen und Differenzen der Empfindlichkeitsfaktoren.
Aus das Mohr-Diagramm behandelnden Referenzen (das sind Applied Elasticity von Chi-Teh Wang, 1953) ist gezeigt, daß Tx + Ty = T&sub1; + T&sub2; , und
(Tx - Ty)/2 = [T&sub1; - T&sub2;) cos 2θ]/2
Bei Verwendung der 45º-Messung:
so daß der Winkel der wichtigsten Spannung so bestimmt wird, wie aus der Nullwinkel-Meßgerätstellung gemessen.
Insgesamt ist folgendes ohne Näherung möglich:
(a) Bestimmen der Summe der orthogonalen Spannungen ohne Querachsenprobleme; (b) Bestimmen der Differenz der orthogonalen Spannungen ohne Querachsenprobleme; und (c) Bestimmen der Richtung der wichtigsten Achsen und somit der wichtigsten Spannungen. Es sind keine Annäherungen erforderlich, um diese Werte oder die diese begleitenden Scherwerte abzuleiten.
In Figur 4 ist ein geeignetes Anbringungsmittel 20 zum Anbringen des Auslegers 12 an der Rahmenstruktur 10 abgebildet, das eine Drehung sowohl der Rahmenstruktur 10 als auch des Auslegers 12 ermöglicht, um nach Wunsch Spannungsmessungen bei 0, 45 und 90º zu erhalten. Das Anbringungsmittel 20 umfaßt eine Verstärkung 22, die in geeigneter Weise mit dem Material 18 verbunden ist und in der eine Öffnung 24 vorgesehen ist. Eine entsprechende Öffnung ist auch in dem Material 18 vorgesehen, so daß die Verstärkung 22 verhindert, daß sich diese Öffnung spreizt oder einen Riß in dem Material 18 verursacht. Von dem Ausleger 12 hängt ein rechteckiger oder quadratischer Stift 26 herab, der durch die Öffnung 24 hindurchtritt. Der Stift 26 ist in einem entsprechend geformten Loch 28, das in der Rahmenstruktur 10 vorgesehen ist, reibschlüssig aufgenommen.
Um das Spannungsmeßgerät 8 an dem Material 18 anzubringen, wird ein Stift 26 in das Loch 28 unter Druck eingesetzt, bis der Boden des Stifts 26 am Boden des Lochs 28 anliegt. Wenn dies geschieht, ist der Ausleger 12 sicher an der Rahmenstruktur 10 angebracht, und die Kontaktoberfläche 14 drückt die Folie 18 um den gewünschten und bekannten Weg nieder.. Das Meßgerät 8 wird dann einfach in geeigneter Weise in die 0, 45 und 900 Stellungen nach Wunsch orientiert, wobei die Öffnung 24 als Schwenkpunkt dient. Es wird angemerkt, daß das Spannungsmeßgerät 8' in ähnlicher Weise angebracht werden kann.
In Figur 5 ist eine dritte Alternative Ausführung eines Spannungsmeßgeräts 30 gemäß der vorliegenden Erfindung abgebildet. Das Spannungsmeßgerät 30 ähnelt dem Spannungsmeßgerät 8 darin, daß eine elliptische Rahmenstruktur 32 denjenigen Teil des Meßgeräts ergibt, der um zwei orthogonale Achsen nicht symmetrisch ist. Obwohl weitgehend ähnlich, sollte angemerkt werden, daß mit dem Spannungsmeßgerät :30 Folienmaterial 38 gegen die von dem Ausleger 34 abgewandte Seite der Rahmenstruktur 32 gezogen wird, während bei den Spannungsmeßgeräten 8 und 8' das Folienmaterial gegen die dem Ausleger nahe Seite der Rahmenstruktur niedergedrückt wird. Natürlich könnte auch das Meßgerät 30 dem Spannungsmeßgerät 8' ähneln. Das Spannungsmeßgerät 30 enthält auch einen Ausleger 34 mit einem daran angebrachten Spannungsmeßgerät 36.
In dieser Ausführung ist das Spannungsmeßgerät 30 zur vollständigen Anbringung an einer Seite des Materials 38 ausgebildet. Um dies zu erreichen, enthält das Spannungsmeßgerät 30 eine Kontaktoberfläche 40 in Form eines kleinen Flickens 42, der klebend oder in anderer Weise geeignet mit dem Material 38 verbunden ist. Der Flicken 42 ist bevorzugt kreisförmig oder quadratisch (jedoch bei einer dem Spannungsmeßgerät 8' ähnelnden Ausführung wäre der Flicken elliptisch) . Der Flicken 42 ist mit dem Ausleger 34 durch ein Halteseilmittel 44 verbunden. Das Halteseilmittel 44 ist in dem Weg enthalten, um den das Material 38 während einer Messung bewegt oder niedergedrückt werden soll. Das Halteseilmittel 44 enthält bevorzugt eine Schwenkhalterung 46. In dieser Ausführung ist die Schwenkhalterung 46 einfach eine Kugel 48, von deren entgegengesetzten Seiten Schnüre 50 abstehen. Die Schnüre 5) sind in der Kugel 48 an Ankern 52 angebracht und mit ihren enLgegengesetzten Enden an dem Ausleger 34 bzw. dem Flicken 42. Durch Verwendung der Schwenkhalterung 46 wird angenommen, daß das Spannungsmeßgerät 30 einfach und leicht relativ zu dem Material 38 gedreht werden kann, um das Spannungsmeßgerät 30 nach Wunsch an den 0, 45 und 90º Winkeln zu positionieren.
Anzumerken ist, daß die Schwenkhalterung 46 weggelassen werden kann und zwischen dem Ausleger 34 und dem Flicken 42 einfach eine Schnur vorgesehen sein kann. Wenn die Schnur ausreichend biegsam ist und das Verdrehen der Schnur über 90º keine signifikante Längenänderung mit sich bringt, würde die Schnur selbst die erforderliche Drehung des Meßgeräts ermöglichen. Alternativ und insbesondere zur Verwendung an schwer zu erreichenden Stellen könnten zwei andere ähnliche Spannungsmeßgeräte 30 nahe diesem verwendet und mit den anderen 0, 45 und 90º Winkeln orientiert werden.
In Figur 7 ist ein Spannungsmeßgerät 30 abgebildet, das dem in Figur 3 abgebildeten Spannungsmeßgerät 8' ähnelt. Jedoch enthält in dieser Ausführung das Spannungsmeßgerät 60 eine quadratische Rahmenstruktur 62. Die Rahmenstruktur 62 enthält auch einen Ausleger 64 mit einer rechteckigen Kontaktoberfläche 66. Anzumerken ist, daß auch andere verschiedene symmetrische Formen für die Rahmenstrukturen und die Kontaktoberflächen der verschiedenen Ausführungen möglich sind.
Zusätzlich zu der Fähigkeit, die Richtungsinformation unter Verwendung von Kraft und Ablenkungsmeßvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung zu sichern, wird angenommen, daß die im U.S.-Patent Nr. 3,040,595 (Church) gezeigte Vorrichtung durch eine ähnliche Anwendung derselben Gleichungen verbessert werden kann. Durch Formen des Tragblocks der oszillierenden Masse derart, daß eine unähnliche Empfindlichkeit in zwei orthogonale Richtungen gesichert ist, ist es möglich, dieselben Techniken und Gleichungen, wie hierin abgeleitet, zu verwenden, um die Richtung und Größen der wichtigsten Spannungen zu messen. Die vorliegenden Erfindung ist daher eine Verbesserung des Church- Patents für alle Anwendungen, in denen Spannungen in zwei Richtungen in dem Material existieren.
Die vorstehenden Ausführungen der vorliegenden Erfindung wurden nur zum Zweck der Illustration und Beschreibung dargestellt, und ein normaler Fachmann wird aus der obigen Lehre viele Modifikationen und Änderungen ersehen. Demzufolge ist der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche zu bestimmen.

Claims

1. Spannungsmeßgerät, das in der Lage ist, Information über die Größe und Richtung der wichtigsten Spannungen in einem elastischen Material (18; 38) bereitzustellen, umfassend: eine Rahmenstruktur (10; 10'; 32; 62) in Kontakt mit einer Seite des elastischen Materials entlang dem Umfang einer vorbestimmten Testfläche,

Streckmittel (12, 14; 12', 14'; 34, 40; 64, 66) zum Verlagern des elastischen Materials der Testfläche zu der Seite des elastischen Materials hin, die mit der Rahmenstruktur in Kontakt ist, wobei die Mitte der Testfläche um einen bekannten Weg (h) verlagert wird, und Meßmittel (16; 36) zum Messen der Kraft, die durch die Streckmittel an das elastische Material angelegt wird, dadurch gekennzeichnet,

daß die Streckmittel umfassen: (a) einen Ausleger (12; 12'; 34; 64), der mit einem Ende an der Rahmenstruktur (10; 10'; 32; 62) fest angebracht ist und zu der Mitte der Testfläche absteht, und (b) eine Kontaktoberfläche (14; 14'; 40; 66), die zum Kontaktieren des elastischen Materials in der Mitte der Testfläche an dem Ausleger angebracht ist, wodurch die Kraft von den Streckmitteln an die Mitte der Testfläche angelegt wird, und daß entweder die Rahmenstruktur oder die Kontaktoberfläche um zwei orthogonale Achsen (x, y) nicht symmetrisch ist.

2. Spannungsmeßgerät nach Anspruch 1, in dem die Rahmenstruktur (10'; 62) eine kreisförmige oder quadratische Form hat, während die Kontaktoberfläche (14'; 66) eine elliptische oder rechteckige Form hat.

3. Spannungsmeßgerät nach Anspruch 1, in dem die Rahmenstruktur (10; 32) eine elliptische oder rechteckige Form hat, während die Kontaktoberfläche (14; 40) eine kreisförmige oder quadratische Form hat.

4. Spannungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner ein Drehmittel (20; 46) enthält, das eine Drehung der Rahmenstruktur (10; 32) in einer zu dem elastischen Material (18; 38) parallelen Ebene erlaubt.

5. Verfahren zum Bestimmen der Summe der Spannungen in einem elastischen Flachmaterial (18; 38) mittels eines Spannungsmeßgeräts (8; 8'; 30; 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend die Schritte:

(a) Halten des Umfangs der Testfläche des elastischen Flachmaterials in Kontakt mit der Rahmenstruktur (10; 10'; 32; 62) des Spannungsmeßgeräts;

(b) Verlagern des elastischen Materials der Testfläche zu der Seite des elastischen Materials hin, die die Rahmenstruktur kontaktiert, mittels des Auslegers (12; 12' ; 34; 64) und der Kontaktoberfläche (14; 14'; 40; 66) des Spannungsmeßgeräts, wobei die Mitte der Testfläche um einen bekannten Weg (h) verlagert wird;

(c) Messen der Kraft, die zum Verlagern des elastischen Materials um den bekannten Weg an der Mitte der Testfläche erforderlich ist, wobei entweder die Rahmenstruktur oder die Kontaktoberfläche um zwei orthogonale, zu dem elastischen Flachmaterial parallele Achsen (x, y) nicht symmetrisch ist;

(d) Drehen entweder der Kontaktoberfläche oder der Rahmenstruktur relativ zu dem elastischen Flachmaterial;

(e) Wiederholen der Schritte (a) bis (c) ; und

(f) Berechnen der Summe der Spannungen in dem elatischen Material aus den zwei erhaltenen Kraftmessungen.

6. Verfahren zum Bestimmen der Summe der Spannungen nach Anspruch 5, in dem die Rahmenstruktur (10; 32) elliptisch oder rechteckig ist und in dem Drehschritt um 90º gedreht wird.

7. Verfahren zum Bestimmen der Summe der Spannungen nach Anspruch 5, in dem die Kontaktcoberfläche (14'; 66) elliptisch oder rechteckig ist und in dem Drehschritt um 90º gedreht wird.

8. Verfahren zur Bestimmung der Summe der Spannungen nach einem der Ansprüche 5 bis 7, in dem die Kontaktoberf läche und die Rahmenstruktur des Spannungsmeßgeräts beide um jede einzelne der orthogonalen Achsen (x, y) symmetrisch sind.

9. Verfahren zur Bestimmung der Summe der Spannungen nach einem der Ansprüche 5 bis 8, das ferner einen zweiten Drehschritt und einen zweiten Wiedeaiolungsschritt vor dem Berechnungsschritt umfaßt.

10. Verfahren zur Bestimmung der Summe der Spannungen in einem elastischen Flachmaterial (18; 38 mittels zweier im wesentlichen identischer Spannungsmeßgeräte (8; 8'; 30; 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend die Schritte:

Halten der Umfänge zweier benachbarter Testflächen des elastischen Materials in Kontakt mit den jeweiligen Rahmenstrukturen (10; 10'; 32; 62) der Spannungsmeßgeräte; Verlagern des elastischen Materials jeder der Testflächen zu der Seite des elastischen Materials hin, die mit der jeweiligen Rahmenstruktur in Kontakt ist, mittels des Auslegers (12; 12'; 34; 64) und der Kontaktoberfläche (14; 14'; 40; 66) des jeweiligen Spannungsmeßgeräts, wobei die Mitte jeder Testfläche um einen bekannten Weg (h) verlagert wird; Messen der jeweiligen Kräfte, die zum Verlagern des elastischen Materials der jeweiligen Testflächen um den bekannten Weg an den Mitten der jeweiligen Testflächen erforderlich ist, wobei entweder die Rahmenstruktur oder die Kontaktoberfläche jedes Spannungsmeßgeräts um ein jeweiliges Paar orthogonaler, zu dem elastischen Flachmaterial paralleler Achsen nicht symmetrisch ist, und wobei beiden Spannungsmeßgeräten jeweils entsprechende Paare orthogonaler Achsen unterschiedliche, zu dem elastischen Flachmaterial parallele Orientierungen haben; und Berechnen der Summe der Spannungen in dem elastischen Material aus den zwei erhaltenen Kraftmessungen.

11. Verfahren zur Bestimmung der Summe der Spannungen nach Anspruch 10, in dem die beiden Spannungsmeßgeräten entsprechenden Paare orthogonaler Achsen relativ zueinander um 90º gedreht werden.

12. Verfahren zur Bestimmung der Summe der Spannungen nach Anspruch 10 oder 11, in dem die Kontaktoberfläche und die Rahmenstruktur jedes Spannungsmeßgeräts um jeweilige Einzelachsen des entsprechenden Paars orthogonaler Achsen jeweils symmetrisch sind.

13. Verfahren zur Bestimmung der Summe der Spannungen nach einem der Ansprüche 10 bis 12, in dein ein im wesentlichen identisches drittes Spannungsmeßgerät vorgesehen ist; und das ferner die Schritte des Verlagerns und Messens mit dem dritten Spannungsmeßgerät umfaßt, um eine zusätzliche Kraftmessung für den Berechnungsschritt und zur weiteren Berechnung der wichtigsten Spannungen bereitzustellen.