JP3482468B2 - Strain measurement sensor - Google Patents

Strain measurement sensor

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JP3482468B2
JP3482468B2 JP2001105971A JP2001105971A JP3482468B2 JP 3482468 B2 JP3482468 B2 JP 3482468B2 JP 2001105971 A JP2001105971 A JP 2001105971A JP 2001105971 A JP2001105971 A JP 2001105971A JP 3482468 B2 JP3482468 B2 JP 3482468B2
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fiber
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composite material
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俊夫 小笠原
隆司 石川
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独立行政法人航空宇宙技術研究所
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  • Recording Measured Values (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、構造物、もしくは
材料のひずみを測定するためのひずみ測定センサーに関
する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a strain measuring sensor for measuring strain of a structure or a material.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の金属箔式ひずみゲージや、光ファ
イバを用いたひずみ測定センサーは、構造物、もしくは
材料にセンサーを貼付、あるいは埋め込んで、特殊な計
測器を用いて、ひずみをリアルタイムで計測するもので
ある。このようなひずみ測定センサーは、過渡的なひず
みの履歴を計測するのに適しており、広く産業に供され
ている。しかしながら、これらのセンサーは、リアルタ
イム計測が基本であり、構造物、もしくは材料が、実際
の使用環境下で受けた最大ひずみの履歴を測定すること
が困難であるという課題があった。また、従来の金属箔
式ひずみゲージや、光ファィバ式ひずみ測定センサー
は、FRPのような材料に埋め込むためには、寸法が大
きく、且つ機械的な特性や、製造加工性を阻害する可能
性があるという問題があった。
2. Description of the Related Art Conventional metal foil strain gauges and strain measurement sensors using optical fibers are used to attach or embed the sensor to a structure or material and use a special measuring instrument to measure strain in real time. It is something to measure. Such a strain measuring sensor is suitable for measuring the history of transient strain, and is widely used in industry. However, these sensors are basically based on real-time measurement, and there is a problem that it is difficult to measure the history of the maximum strain received by the structure or material under the actual use environment. In addition, conventional metal foil strain gauges and optical fiber strain measurement sensors have large dimensions and may impair mechanical properties and manufacturing processability in order to be embedded in materials such as FRP. There was a problem.

【0003】一方、複合材料が、実際の使用環境下で受
けた最大ひずみ履歴を測定するための方法として、例え
ば、繊維強化複合材料における微視的損傷進展に伴う繊
維破断と電気抵抗変化を利用した測定方法に関する研究
が報告されている。(例えば、特開平11−21789
3号公報、N.Mutoetal.,J.Am.Cre
am.Soc.,76[4],875―79(199
3),朴 宰範他、日本機械学会第8回機械材料・材料
加工技術講演会講演論文集 p.2l9―220 等参
照)
On the other hand, as a method for measuring the maximum strain history of the composite material under the actual use environment, for example, fiber breakage and electric resistance change accompanying microscopic damage development in the fiber reinforced composite material are utilized. Studies on the measured methods have been reported. (For example, JP-A-11-21789
No. 3, gazette, N.P. Muto et al. J. Am. Cre
am. Soc. , 76 [4], 875-79 (199
3), Park Sung-Han et al., Proc. Of the 8th Mechanical Material and Material Processing Technology Conference of the Japan Society of Mechanical Engineers p. 21-9-220 etc.)

【0004】これは、応力の増大に伴う炭素繊維の電気
抵抗増大と、繊維の逐次破断に伴う電気抵抗の変化か
ら、ひずみ、もしくは微視的損傷を測定する方法であ
る。ところが、この方法では、炭素繊維間の接触による
導電パス形成により、センサーの測定精度、測定ばらつ
き、再現性、分解能が低く、且つ、電気抵抗と繊維破断
率との関係を決定付けるための理論的な解析が複雑であ
るという問題があった。また、炭素繊維の破断が発生す
るのは、高ひずみ領域であることから、ひずみの測定可
能な範囲が、高ひずみ領域に限定されてしまうという問
題があった。
This is a method of measuring strain or microscopic damage from an increase in electric resistance of carbon fiber due to increase in stress and a change in electric resistance due to successive breakage of fiber. However, in this method, the conductive path is formed by the contact between the carbon fibers, the measurement accuracy of the sensor, the measurement variation, the reproducibility and the resolution are low, and the theoretical value for determining the relationship between the electrical resistance and the fiber breakage rate is used. There was a problem that various analyzes were complicated. Further, since the breakage of the carbon fiber occurs in the high strain region, there is a problem that the measurable range of the strain is limited to the high strain region.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、そのような
状況に鑑みてなされたもので、小型、軽量で、取り扱い
性に優れた高性能なひずみ測定ができ、かつ最大ひずみ
の履歴が測定可能なひずみ測定センサーを提供すること
を目的とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such a situation and is capable of performing a high-performance strain measurement which is small, lightweight and excellent in handleability, and has a maximum strain history measured. The purpose is to provide a possible strain measuring sensor.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明のひずみ測定センサーは、連続繊維を複数束ねた繊維
束を、繊維強化複合材料、樹脂、金属、セラミックスな
どの母材によって一体化、複合化した構造のひずみ測定
センサーであって、前記連続繊維は、各々その表面に絶
縁皮膜層が形成され、前記繊維束中の各繊維間を絶縁し
てなり、ひずみの増大に伴う前記連続繊維の逐次破断
を、電気抵抗の変化により測定することによって、ひず
みを、計測、且つ記憶することを特徴とするものであ
る。
A strain measuring sensor of the present invention which solves the above-mentioned problems is a fiber bundle obtained by bundling a plurality of continuous fibers integrated by a base material such as fiber-reinforced composite material, resin, metal or ceramics. Strain measurement of composite structures
A sensor, wherein each of the continuous fibers is isolated on its surface.
An edge film layer is formed to insulate each fiber in the fiber bundle from each other.
Becomes Te, sequential breaking of the continuous fiber with increasing strain, by measuring the change in electrical resistance, the strain measurement, it is characterized in that and stored.

【0007】前記連続繊維を複数束ねた繊維束を一体化
・複合化する方法としては、繊維束を母材となる繊維強
化複合材料、樹脂、金属、セラミックスなどの材料中
に、埋め込むことによって一体化する方法、あるいは前
記繊維束を母材となる繊維強化複合材料、樹脂、金属、
セラミックスなどの材料で挟み込み、ホットプレスによ
り加圧成形することにより一体化・複合化する方法など
が採用できる。また、前記連続繊維の表面に、熱処理、
化学処理、コーティング処理等を施すことによって表面
層を形成し、これを繊維束中に存在する各々の繊維間の
絶縁皮膜とすることにより、繊維接触がなくなり、繊維
破断後の導電パスが形成されることがなくなり、測定精
度の高いひずみ測定センサーを得ることができる。
As a method for integrating and compounding a plurality of fiber bundles obtained by bundling the continuous fibers, the fiber bundle is embedded in a material such as a fiber-reinforced composite material, resin, metal or ceramics which is a base material to be integrated. Method, or a fiber-reinforced composite material, which is a base material of the fiber bundle, resin, metal,
It is possible to adopt a method in which the material is sandwiched between materials such as ceramics and is pressed and molded by hot pressing to integrate and compound. Further, on the surface of the continuous fiber, heat treatment,
By forming a surface layer by applying chemical treatment, coating treatment, etc., and by using this as an insulating film between each fiber present in the fiber bundle, there is no fiber contact and a conductive path after fiber breakage is formed. And a strain measurement sensor with high measurement accuracy can be obtained.

【0008】さらに、前記連続繊維に、熱処理又は化学
処理を施すことによって、単繊維強度分布を調節し、且
つ、該連続繊維を束ねた繊維束を、単数、もしくは複数
組み合わせることによって、全体の連続繊維の強度分布
を制御することができるので望ましい。その際、強度分
布の異なる2種類以上の繊維束を用いることによって、
幅広いひずみ領域で適用可能なひずみ測定センサーを用
いることができる。また、本発明に用いる連続繊維は、
特に限定されないがある程度の導電性を有しているのが
望ましく、炭化ケイ素系繊維等が好適に適用できる。
Further, the continuous fiber is subjected to a heat treatment or a chemical treatment to control the strength distribution of the single fiber, and a single fiber bundle or a plurality of fiber bundles obtained by bundling the continuous fiber are combined to obtain the entire continuous fiber. It is desirable because the strength distribution of the fiber can be controlled. At that time, by using two or more kinds of fiber bundles having different strength distributions,
A strain measurement sensor applicable in a wide strain range can be used. Further, the continuous fiber used in the present invention,
Although it is not particularly limited, it is desirable that it has a certain degree of conductivity, and silicon carbide fibers and the like can be suitably applied.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】本発明のひずみ測定センサーは、
連続繊維を複数束ねた繊維束を、樹脂、金属、セラミッ
クスなどの母材によって一体化、複合化した構造とし、
ひずみの増大に伴う連続繊維の逐次破断を該構造体の電
気抵抗の変化として測定するもので、連続繊維の導電性
を利用するため、繊維としては、ある程度の導電率を有
していることが望ましいが、計測可能な範囲であれば、
導電率の値については、特に限定されない。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The strain measuring sensor of the present invention comprises:
A structure in which a fiber bundle obtained by bundling a plurality of continuous fibers is integrated and compounded by a base material such as resin, metal, or ceramics,
The continuous breakage of continuous fibers due to an increase in strain is measured as a change in the electrical resistance of the structure. Since the conductivity of the continuous fibers is used, the fibers may have a certain degree of conductivity. It is desirable, but within the measurable range,
The value of conductivity is not particularly limited.

【0010】また、繊維の強度分布を利用して、ひずみ
履歴を計測するため、繊維数は、複数であることが必要
であるが、具体的な繊維数についても限定されない。そ
して、本発明では、連続繊維の表面に、熱処理、化学処
理、コーティング処理等を施すことによって表面層を形
成し、これを繊維束中に存在する各々の繊維間の絶縁皮
膜とすることによって、より分解能の高いセンサーを形
成することが可能となる。繊維表面に絶縁皮膜を形成し
ない場合、繊維接触による導電パスが形成され、これら
の導電パスはセンサーの測定精度、測定ばらつき、再現
性、分解能を低下させる要因となるとともに、理論的な
解析が複雑となる。
Further, since the strain history is measured by utilizing the strength distribution of the fibers, the number of fibers needs to be plural, but the specific number of fibers is not limited. Then, in the present invention, the surface of the continuous fiber is subjected to heat treatment, chemical treatment, coating treatment or the like to form a surface layer, which is an insulating film between the respective fibers present in the fiber bundle, It is possible to form a sensor with higher resolution. When the insulating film is not formed on the fiber surface, conductive paths are formed by fiber contact, and these conductive paths reduce the measurement accuracy, measurement variability, reproducibility, and resolution of the sensor, and the theoretical analysis is complicated. Becomes

【0011】繊維表面に絶縁皮膜を形成することで、セ
ンサーの性能を著しく向上させることが可能となる。絶
縁皮膜の形成方法としては、例えば、炭化ケイ素系セラ
ミックス繊維であれば、表面の熱酸化、ゾルゲル法やC
VD法などによる絶縁皮膜層の形成が、そして、炭素繊
維であれば、表面の炭化珪素化と熱酸化の複合処理、表
面の炭化硼素化と熱酸化の複合処理、ゾルゲル法やCV
D法などによる絶縁皮膜膚の形成など様々な方法が考え
られるが、具体的な方法については特定されない。
By forming an insulating film on the fiber surface, the performance of the sensor can be remarkably improved. As the method for forming the insulating film, for example, in the case of silicon carbide ceramic fibers, the surface is thermally oxidized, the sol-gel method or C
If the insulating film layer is formed by the VD method or the like, and if it is carbon fiber, the combined treatment of surface silicon carbide and thermal oxidation, the combined treatment of surface boron carbide and thermal oxidation, sol-gel method and CV
Various methods are conceivable, such as forming an insulating film skin by the D method, but the specific method is not specified.

【0012】本発明では、上述したように、連続繊維
が、ひずみが大きくなるのにつれて逐次破断する現象
を、電気伝導度の変化によって測定している。そのた
め、測定可能なひずみ範囲は、センサーの中に含まれる
繊維の体積率、および繊維の単繊維強度分布によって決
定される。連続繊維の単繊維強度分布は、繊維に、例え
ば、熱処理や化学処理等を施すことによって制御するこ
とが可能である。また、このようにして制御された繊維
束を複数組み合わせることによって、繊維の強度分布を
高度に制御することも可能である。これによって、広い
ひずみ領域に対応したセンサーや、狭いひずみ領域で高
感度なセンサーなど、様々な仕様を有するセンサーを設
計することが可能となる。
In the present invention, as described above, the phenomenon that continuous fibers are successively broken as the strain increases is measured by the change in electrical conductivity. Therefore, the measurable strain range is determined by the volume fraction of the fibers contained in the sensor and the single fiber strength distribution of the fibers. The single fiber strength distribution of continuous fibers can be controlled by subjecting the fibers to, for example, heat treatment or chemical treatment. Further, it is possible to highly control the strength distribution of the fibers by combining a plurality of fiber bundles controlled in this way. This makes it possible to design sensors having various specifications such as a sensor compatible with a wide strain range and a sensor having high sensitivity in a narrow strain range.

【0013】[0013]

【実施例】以下、本発明のひずみ測定センサーを実施例
に基づきより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施
例に限定されるものではない。表1は、本発明の実施例
1〜7及び比較例に係るひずみ測定センサーの諸特性を
示す。
EXAMPLES Hereinafter, the strain measuring sensor of the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to these examples. Table 1 shows various characteristics of the strain measurement sensors according to Examples 1 to 7 and Comparative Example of the present invention.

【0014】(実施例1〜6、比較例) 実施例1〜6及び比較例に係るひずみ測定センサーは、
構造物、もしくは材料に貼付して使用することを前提と
したフィルム型センサーに関し、その構成は図1の概念
図に示す通りとなっている。図中、1はひずみ測定セン
サーを示し、2は連続繊維を複数平板状に並べた繊維束
で、3は絶縁ベース、4は平板状繊維束2の両端にスパ
ッタリング等により設けられた電極である。これらの実
施例において連続繊維としては、微量のTiを含むSi
−C−O組成を有するセラミック繊維(宇部興産(株)
製、商品名チラノLox−Mグレード、直径約11μ
m)を使用した。また、絶縁ベースとなる母材として
は、ポリイミド樹脂を採用してある。
(Examples 1 to 6 and Comparative Example ) The strain measuring sensors according to Examples 1 to 6 and Comparative Example are
The film-type sensor, which is intended to be used by being attached to a structure or material, has a configuration as shown in the conceptual diagram of FIG. In the figure, 1 is a strain measurement sensor, 2 is a fiber bundle in which a plurality of continuous fibers are arranged in a flat plate shape, 3 is an insulating base, and 4 is electrodes provided on both ends of the flat plate fiber bundle 2 by sputtering or the like. . As continuous fibers in these examples, Si containing a trace amount of Ti is used.
-C-O ceramic fiber (Ube Industries, Ltd.)
Made, product name Tyranno Lox-M grade, diameter about 11μ
m) was used. A polyimide resin is used as the base material that serves as an insulating base.

【0015】比較例は、炭化ケイ素系繊維を、そのまま
使用したもので、実施例は、繊維に対して、空気中、
1000℃で、1時間の酸化処理を行い、表面に酸化物
皮膜を形成した例である。また、実施例2〜5は、空気
中、1000℃で、1時間の酸化処理を行った後、更
に、アルゴンガス中で熱処理温度・熱処理時間を変えて
熱処理を行って、表面を酸化させずに繊維の強度を制御
した例である。表1中に、各実施例における繊維の強度
分布をゲージ長さ5mmの場合における繊維のワイブル
係数(尺度母数、形状母数)で示しているが、これらの
熱処理によって、繊維の強度分布を詳細に制御すること
が可能となることが分かる。実施例は、表1中の実施
および実施例で作成した繊維を、同比率で使用
し、一体化してセンサーとしたものである。
In the comparative example , the silicon carbide type fiber is used as it is. In the example 1 , the fiber is used in air.
This is an example in which an oxide film is formed on the surface by performing an oxidation treatment at 1000 ° C. for 1 hour. In addition, in Examples 2 to 5 , after performing an oxidation treatment at 1000 ° C. for 1 hour in the air, a heat treatment was further performed in argon gas at different heat treatment temperatures and heat treatment times to prevent the surface from being oxidized. This is an example in which the strength of the fiber is controlled. In Table 1, the fiber strength distribution in each of the examples is shown by the Weibull coefficient (scale parameter, shape parameter) of the fiber when the gauge length is 5 mm. It can be seen that detailed control is possible. In Example 6 , the fibers prepared in Examples 2 and 5 in Table 1 were used in the same ratio and integrated to form a sensor.

【0016】[0016]

【表1】 [Table 1]

【0017】このようにして得られた繊維束(本数80
0本)を一方向に配列し、これを絶縁材料である熱可塑
性ポリイミドフィルムで挟み込んだ後、370℃に加熱
したホットプレスを用いて加圧成形した。このようにし
て作られた炭化ケイ素系繊維/ポリイミド複合材の繊維
体積率は10%である。そして、得られた一方向の複合
材を、幅2mm、長さ5mmに切断し、スパッタリング
による電極4を施して、図1に示すようなひずみ測定セ
ンサー1を試作した。得られたひずみ測定センサーの弾
性率は、約22GPaであった。
The fiber bundle thus obtained (80 fibers)
(0 pieces) were arranged in one direction, sandwiched by a thermoplastic polyimide film as an insulating material, and then pressure-molded using a hot press heated to 370 ° C. The silicon carbide fiber / polyimide composite material thus produced has a fiber volume ratio of 10%. Then, the obtained unidirectional composite material was cut into a piece having a width of 2 mm and a length of 5 mm, and the electrode 4 was formed by sputtering to fabricate a strain measurement sensor 1 as shown in FIG. The elastic modulus of the obtained strain measurement sensor was about 22 GPa.

【0018】以上のようにして得られたひずみ測定セン
サーの特性を、以下の方法によって評価した。試作した
ひずみ測定センサー、および比較のため市販の金属箔式
ひずみゲージを、シアノアクリレート系接着剤を用い
て、幅10mm、厚さ4mm、長さ200mmのステン
レス(SUS304)製引張り試験片に接着し、油圧サ
ーボ式材料試験機を用いて、引張り試験片に対して引張
り荷重を印加しながら、実施例及び比較例のひずみ測定
センサーの電極間の電気抵抗を、デジタルマルチメータ
を用いて計測した。
The characteristics of the strain measuring sensor obtained as described above were evaluated by the following methods. A trial strain measurement sensor and a commercially available metal foil strain gauge for comparison were adhered to a stainless steel (SUS304) tensile test piece with a width of 10 mm, a thickness of 4 mm and a length of 200 mm using a cyanoacrylate adhesive. The electrical resistance between the electrodes of the strain measurement sensors of the examples and comparative examples was measured using a digital multimeter while applying a tensile load to the tensile test piece using a hydraulic servo type material testing machine.

【0019】その結果、実施例1〜3及び比較例に係る
ひずみ測定センサーにおいて得られたひずみ(%)と電
気抵抗変化率の関係は、図2に示すような特性を示し
た。ここで、電気抵抗変化率とは、初期値の電気抵抗値
(R0)に対する計測時のひずみ状態における電気抵抗
値(R)の比(R/R0)である。炭化ケイ素系繊維
は、破断前にも、ひずみの増大とともに電気抵抗が大き
くなり、低ひずみ領域で、緩やかな電気抵抗変化率の増
加が認められるが、繊維破断が開始すると、電気抵抗変
化率は著しく増大する。
As a result, the relationship between the strain (%) obtained in the strain measurement sensors according to Examples 1 to 3 and the comparative example and the rate of change in electrical resistance showed the characteristics shown in FIG. Here, the electrical resistance change rate is the ratio (R / R0) of the electrical resistance value (R) in the strain state at the time of measurement to the electrical resistance value (R0) of the initial value. Even before breaking, the silicon carbide fiber has a large electric resistance with an increase in strain, and in the low strain region, a gradual increase in the electric resistance change rate is recognized, but when the fiber breakage starts, the electric resistance change rate is Increase significantly.

【0020】比較例では、繊維が完全に破断しても電気
抵抗変化率は、3〜4程度であり、センサーとしての測
定感度が低い。また、繊維破断に伴う抵抗変化も少な
く、分解能も低い。それは繊維が完全に破断しても繊維
間の接触による導電パスが形成されてしまうためであ
る。このように、繊維間の導電パス形成は、センサーの
測定精度、測定ばらつき、再現性、分解能が低下する原
因となる。
In the comparative example , the rate of change in electric resistance is about 3 to 4 even if the fiber is completely broken, and the measurement sensitivity as a sensor is low. In addition, the resistance change due to fiber breakage is small and the resolution is low. This is because even if the fibers are completely broken, a conductive path is formed due to the contact between the fibers. As described above, the formation of the conductive path between the fibers causes a decrease in the measurement accuracy, measurement variation, reproducibility, and resolution of the sensor.

【0021】これに対して、実施例に示すように、繊
維表面に絶縁皮膜を形成することで、ひずみの増大に伴
う電気抵抗率変化は著しく大きくなり、結果として、セ
ンサーの感度と分解能を著しく向上させることが可能と
なる。実施例では、絶縁皮膜の形成方法として熱酸化
処理を行っているが、当然のことながら、表面絶縁被膜
の形成方法としては、これに限定されるものではなく、
ゾルゲル法やCVD法などによる酸化物コーティングな
ど様々な方法を適用することができる。
On the other hand, as shown in Example 1 , by forming an insulating film on the fiber surface, the change in electrical resistivity accompanying an increase in strain becomes significantly large, and as a result, the sensitivity and resolution of the sensor are increased. It is possible to improve remarkably. In Example 1 , the thermal oxidation treatment is performed as the method for forming the insulating film, but it goes without saying that the method for forming the surface insulating film is not limited to this.
Various methods such as sol-gel method and oxide coating such as CVD method can be applied.

【0022】電気抵抗の増大が、繊維破断のみによって
引き起こされると考えると、電気抵抗変化率の逆数(R
0/R)と、対象とするゲージ長さに対する繊維の累積
破断確率F(σ)の間には、以下の関係が成り立つ。 F(σ)=1−R0/R 多くの炭素繊維、およびセラミックス繊維では、対象と
するゲージ長さ(L)に対する繊維の累積破断確率F
(σ)は、2母数のワイブル分布によって表すことがで
きる。このとき、繊維の累積破断確率F(σ)は、繊維
のワイブル係数(尺度母数:σ0、形状母数:m)を用
いて、数式1で表すことができる。
Considering that the increase of the electric resistance is caused only by the fiber breakage, the reciprocal of the electric resistance change rate (R
0 / R) and the cumulative breaking probability F (σ) of the fiber with respect to the target gauge length, the following relationship is established. F (σ) = 1−R0 / R For many carbon fibers and ceramic fibers, the cumulative fiber breakage probability F with respect to the target gauge length (L)
(Σ) can be represented by a Weibull distribution with two parameters. At this time, the cumulative breakage probability F (σ) of the fiber can be expressed by Equation 1 using the Weibull coefficient of the fiber (scale parameter: σ0, shape parameter: m).

【0023】[0023]

【数1】 [Equation 1]

【0024】図3は、以上の観点から、実施例1〜5及
び比較例に係るひずみ測定センサーにより得られたひず
み(%)と(1−R0/R)の関係を、プロットした図
である。なお、図3では、破断前に生じるひずみの増大
に伴う繊維の電気抵抗の変化については差し引いて示し
てある。この図からも明らかなように、(1−R0/
R)の値が、0.05以下、および0.95以上では、
ひずみの変化に伴う(1−R0/R)の値の変化が小さ
く、センサーの精度が低下する。そのため、ここで試作
したセンサーについては、(1−R0/R)の値が、
0.05〜0.95の範囲を、センサーの保証範囲とし
た。
From the above viewpoint, FIG. 3 shows Examples 1 to 5 and
It is the figure which plotted the relationship of the strain (%) and (1-R0 / R) obtained by the strain measurement sensor concerning the comparative example . Note that, in FIG. 3, the change in the electrical resistance of the fiber due to the increase in strain that occurs before breakage is shown by subtraction. As is clear from this figure, (1-R0 /
When the value of R) is 0.05 or less and 0.95 or more,
The change in the value of (1-R0 / R) due to the change in strain is small, and the accuracy of the sensor decreases. Therefore, for the sensor prototyped here, the value of (1-R0 / R) is
The range of 0.05 to 0.95 was set as the guaranteed range of the sensor.

【0025】繊維破断検出型のセンサーでは、繊維の強
度分布が、センサーの測定範囲を決定する。そのため、
市販の炭化ケイ素系繊維を、そのまま使用した場合で
は、ひずみ測定範囲が、高ひずみ領域で、且つ狭い範囲
に限定される欠点がある。この欠点を解消するため、実
施例は、表面に酸化皮膜を形成した炭化ケイ素系
繊維に対して、更に、アルゴンガス中で高温熱処理を行
うことにより、繊維の強度を制御しながら低下させてセ
ンサー化したものであり、これによってセンサーの測定
ひずみ範囲が制御可能となり、広範囲のひずみ測定が可
能なひずみ測定センサーを得ることができた。
In the fiber breakage detection type sensor, the strength distribution of the fiber determines the measuring range of the sensor. for that reason,
If the commercially available silicon carbide fiber is used as it is, there is a drawback that the strain measurement range is limited to a high strain range and a narrow range. In order to eliminate this drawback, in Examples 2 to 5 , the silicon carbide fibers having an oxide film formed on the surface were further subjected to a high temperature heat treatment in an argon gas to reduce the strength of the fibers while controlling the strength. This made it possible to obtain a strain measurement sensor capable of controlling the strain measurement range of the sensor, and capable of measuring strain over a wide range.

【0026】実施例では、強度分布の異なる2種類の
繊維束を用いることにより、幅広いひずみ領域で適用可
能なひずみ測定センサーとしたものである。図4に、実
施例7に係るひずみ測定センサーにより得られたひずみ
(%)と電気抵抗変化率(R/R0)の特性を示してい
る。この実施例のような繊維強度分布の異なるk種類の
繊維束を用いたセンサーにおける繊維の累積破断確率
は、次の数式2で表すことができる。
In Example 6 , two types of fiber bundles having different strength distributions are used to provide a strain measuring sensor applicable in a wide strain range. FIG. 4 shows the characteristics of strain (%) and electric resistance change rate (R / R0) obtained by the strain measurement sensor according to the seventh embodiment. The cumulative breakage probability of fibers in a sensor using k kinds of fiber bundles having different fiber strength distributions as in this example can be expressed by the following mathematical formula 2.

【0027】[0027]

【数2】 この関係式を用いることで、ひずみ測定範囲の異なるセ
ンサーを設計することができる。
[Equation 2] By using this relational expression, it is possible to design sensors with different strain measurement ranges.

【0028】(実施例) 図5は、本発明の実施例8を模式的に示したものであ
り、ひずみ測定センサーを埋込型センサーとして適用し
た場合を示す。本実施例に係るひずみ測定センサー5
は、該測定センサーを構成する繊維束9を構造物、もし
くは材料に埋め込んで使用する埋込型センサーに関し、
図中6は、センサーとしての連続繊維を複数束ねた繊維
束9が埋め込まれた材料であり、本例では炭素繊維強化
複合材料(東レT800H/3631)の積層板で構成
されている。複合材料の積層構成は、(0°/90°/
0°)の対称積層であり、図5に示すように、中央の9
0°層8に、本例では実施例1〜7と同様、炭化ケイ素
系繊維からなる連続繊維を複数束ねた繊維束9を埋め込
み、両端に電極10を形成してひずみ測定センサー5と
した。なお、複合材料の両側の積層7は、0°層であ
る。作成した実施例のひずみ測定センサーの仕様は、
表1に記載した通りである。
(Embodiment 7 ) FIG. 5 schematically shows Embodiment 8 of the present invention, in which a strain measuring sensor is applied as an embedded sensor. Strain measuring sensor 5 according to the present embodiment
Relates to an embedded sensor in which the fiber bundle 9 constituting the measurement sensor is embedded in a structure or a material and used.
In the figure, 6 is a material in which a fiber bundle 9 in which a plurality of continuous fibers are bundled is embedded, and in the present example, it is composed of a laminated plate of carbon fiber reinforced composite material (Toray T800H / 3631). The laminated structure of the composite material is (0 ° / 90 ° /
0 °) symmetrical stacking, as shown in FIG.
In this example, a fiber bundle 9 obtained by bundling a plurality of continuous fibers made of silicon carbide based fibers was embedded in the 0 ° layer 8 as in Examples 1 to 7, and electrodes 10 were formed at both ends to obtain a strain measurement sensor 5. The laminate 7 on both sides of the composite material is a 0 ° layer. The specifications of the strain measurement sensor of Example 7 created are as follows.
As described in Table 1.

【0029】実施例のひずみ測定センサーは、表1に
示す他のひずみ測定センサーと異なり、このひずみ測定
センサーにおけるゲージ長さは、後述する引張り試験に
おいては、100mmとなり、これに対応して同じ熱処
理条件の繊維と比較すると、体積効果により平均強度
(ワイブル尺度母数)が小さくなっている。また、ひず
み測定センサーの繊維体積率は、ひずみ測定センサーの
弾性率が、複合材90°層の弾性率に近い値となるよう
に、2%とした。
The strain measuring sensor of Example 7 was different from the other strain measuring sensors shown in Table 1, and the gauge length of this strain measuring sensor was 100 mm in the tensile test described later, and correspondingly the same. The average strength (Weibull scale parameter) is smaller due to the volume effect as compared with the fiber under the heat treatment condition. The fiber volume fraction of the strain measuring sensor was set to 2% so that the elastic modulus of the strain measuring sensor was close to the elastic modulus of the 90 ° composite layer.

【0030】炭化ケイ素系繊維を埋め込んだ複合材か
ら、厚さ2mm、幅12.5mm、長さ200mmの引
張り試験片を得た。この試験片の両端50mmの位置に
ガラス繊維複合材料のタブを接着し、この部分を油圧チ
ャックで固定して引張り試験を実施した。そのため、試
験片の平行部長さ、すなわちひずみ測定センサーのゲー
ジ長さは100mmとなる。
A tensile test piece having a thickness of 2 mm, a width of 12.5 mm and a length of 200 mm was obtained from the composite material in which the silicon carbide fiber was embedded. A glass fiber composite material tab was adhered to both ends of the test piece at a position of 50 mm, and this portion was fixed by a hydraulic chuck to perform a tensile test. Therefore, the parallel length of the test piece, that is, the gauge length of the strain measuring sensor is 100 mm.

【0031】本実施例に係るひずみ測定センサーの引張
り荷重を負荷した際の、複合材の公称ひずみ(%)と、
ひずみ測定センサーによるひずみ測定値(%)の関係を
図6に示す。この図に示すように、ひずみ測定センサー
の特性を反映して、ひずみ0.1%前後から、ひずみ測
定センサーを形成する炭化ケイ素系繊維の破断が始ま
り、電気抵抗の増大が認められた。そして、図に示され
るように、ひずみ測定センサーで測定されるひずみは、
途中までは複合材の公称ひずみと一致するが、ひずみが
0.55%を越えると、ひずみ測定センサーで測定され
たひずみ値が、公称ひずみよりも著しく大きくなる。こ
れは、複合材の90°層に発生したマトリクスクラック
の開口による部分的なひずみ増大により、炭化ケイ素系
繊維の破断数が増大したことによる。このように、本実
施例に係るひずみ測定センサーは、単なるひずみ測定セ
ンサーとしての機能に加えて、損傷センシングセンサー
としての機能も有している。
Nominal strain (%) of the composite material when a tensile load is applied to the strain measuring sensor according to this embodiment,
FIG. 6 shows the relationship between the strain measurement values (%) measured by the strain measurement sensor. As shown in this figure, reflecting the characteristics of the strain measurement sensor, the fracture of the silicon carbide fiber forming the strain measurement sensor started at a strain of about 0.1%, and an increase in electrical resistance was observed. And, as shown in the figure, the strain measured by the strain measurement sensor is
Although it coincides with the nominal strain of the composite material up to the middle, when the strain exceeds 0.55%, the strain value measured by the strain measuring sensor becomes significantly larger than the nominal strain. This is because the number of fractures of the silicon carbide fiber increased due to the partial strain increase due to the opening of the matrix cracks generated in the 90 ° layer of the composite material. As described above, the strain measurement sensor according to the present embodiment has a function as a damage sensing sensor in addition to a function as a simple strain measurement sensor.

【0032】また、実施例では、センサー化したもの
を複合材中に埋め込んでいるが、ひずみ測定センサーの
繊維を直接複合材中に埋め込んで一体成形することも可
能である。この場合には、ひずみ測定センサーによる機
械的特性への影響がほとんど無視できるため、損傷セン
シング、もしくはひずみ測定機能を有するスマート複合
材料を実現することが可能となる。
In the seventh embodiment, the sensor material is embedded in the composite material, but the fiber of the strain measuring sensor may be directly embedded in the composite material and integrally molded. In this case, since the influence of the strain measuring sensor on the mechanical properties can be almost ignored, it becomes possible to realize a smart composite material having a damage sensing or strain measuring function.

【0033】[0033]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
連続繊維を複数束ねた繊維束を、樹脂、金属、セラミッ
クスなどの母材によって一体化、複合化した構造とし、
ひずみの増大に伴う繊維の逐次破断を電気抵抗の変化を
測定することによって、ひずみを計測且つ記憶させるこ
とが可能な、小型・軽量で取り扱い性に優れたひずみ測
定センサーを得ることができる。また、本発明に係わる
ひずみ測定センサーは、連続繊維を複数束ねた繊維束
を、一体化、複合化する際に、繊維強化複合材料、樹
脂、金属、セラミックスなどの材料中に、これらの連続
繊維を埋め込むことによって一体化し、これらの繊維に
ひずみ測定センサーとしての機能をもたせることもでき
る。
As described above, according to the present invention,
A structure in which a fiber bundle obtained by bundling a plurality of continuous fibers is integrated and compounded by a base material such as resin, metal, or ceramics,
It is possible to obtain a small and lightweight strain measurement sensor which is capable of measuring and storing the strain by measuring the change in the electrical resistance of the sequential breakage of the fiber due to the increase of the strain and which is excellent in handleability. In addition, the strain measurement sensor according to the present invention is a fiber reinforced composite material, a resin, a metal, a ceramics, or the like, which is used to integrate and combine a continuous fiber bundle into a fiber bundle. It is also possible to integrate these by embedding them and have these fibers function as a strain measuring sensor.

【0034】更に、本発明に係わるひずみ測定センサー
は、連続繊維の表面に、熱処理、化学処理、コーティン
グ処理等を用いることによって表面層を形成し、これを
繊維束中に存在する各々の繊維間の絶縁皮膜とすること
によって、繊維間の導電パスの形成を防ぎ、より分解能
の高いひずみ測定センサーを形成することができる。更
に、本発明に係わるひずみ測定センサーは、連続繊維に
熱処理や化学処理等を施すことによって単繊維強度分布
を調節し、且つこれらの繊維束を単数、もしくは複数組
み合わせることによって、繊維の強度分布を高度に制御
することで、広いひずみ領域に適用可能なひずみ測定セ
ンサーなど、様々な仕様を有するひずみ測定センサーを
任意に設計することが可能となる。
Further, in the strain measuring sensor according to the present invention, a surface layer is formed on the surface of the continuous fiber by using heat treatment, chemical treatment, coating treatment or the like, and the surface layer is formed between the fibers present in the fiber bundle. The use of this insulating film prevents the formation of conductive paths between fibers and enables the formation of a strain measuring sensor with higher resolution. Further, the strain measuring sensor according to the present invention adjusts the single fiber strength distribution by subjecting continuous fibers to heat treatment or chemical treatment, and by combining these fiber bundles singly or in combination, the fiber strength distribution can be determined. By highly controlling, it becomes possible to arbitrarily design a strain measurement sensor having various specifications such as a strain measurement sensor applicable to a wide strain region.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例1〜6及び比較例に係るひずみ
測定センサーの構成を説明するための概念図である。
FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining a configuration of strain measurement sensors according to Examples 1 to 6 and a comparative example of the present invention.

【図2】本発明の実施例1〜3及び比較例に係るひずみ
測定センサーにより得られたひずみ(%)と電気抵抗変
化率の特性を示す線図である。
FIG. 2 is a diagram showing the characteristics of strain (%) and electric resistance change rate obtained by the strain measurement sensors according to Examples 1 to 3 and Comparative Example of the present invention.

【図3】本発明の実施例1〜5及び比較例に係るひずみ
測定センサーにより得られたひずみ(%)と(1−R0
/R)の関係を示す線図である。
FIG. 3 shows strains (%) and (1-R0) obtained by strain measurement sensors according to Examples 1 to 5 and Comparative Example of the present invention.
It is a diagram which shows the relationship of / R).

【図4】本発明の実施例に係るひずみ測定センサーに
より得られたひずみ(%)と電気抵抗変化率(R/R
0)の特性を示す線図である。
FIG. 4 is a diagram showing the strain (%) and the electrical resistance change rate (R / R) obtained by the strain measurement sensor according to Example 6 of the present invention.
It is a diagram which shows the characteristic of 0).

【図5】本発明の実施例に係るひずみ測定センサーの
構成を説明するための概念図である。
FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining the configuration of a strain measurement sensor according to a seventh embodiment of the present invention.

【図6】本発明の実施例に係るひずみ測定センサーの
引張り荷重を負荷した際の、複合材の公称ひずみ(%)
と、ひずみ測定センサーによるひずみ測定値(%)の関
係を示す線図である
FIG. 6 is a nominal strain (%) of a composite material when a tensile load of a strain measurement sensor according to Example 7 of the present invention is applied.
And a strain measurement value (%) measured by the strain measurement sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、5 ひずみ測定センサー 2、9 連続繊維束(炭化ケイ素系繊維等) 3 絶縁ベース 4、10 電極 6 炭素繊維強化複合材料 7 炭素繊維強化複合材料の0°層 8 炭素繊維強化複合材料の90°層 1, 5 strain measurement sensor 2,9 Continuous fiber bundles (silicon carbide fibers, etc.) 3 insulation base 4, 10 electrodes 6 Carbon fiber reinforced composite material 7 0 ° layer of carbon fiber reinforced composite material 8 90 ° layer of carbon fiber reinforced composite material

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平7−72023(JP,A) 特開 平11−223565(JP,A) 特開 平9−5175(JP,A) 特開 平10−122985(JP,A) 特開 平7−201374(JP,A) 特開 平10−9905(JP,A) 特開 平8−178765(JP,A) 特開2000−55748(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 7/16 G01L 1/20 Continuation of the front page (56) Reference JP-A-7-72023 (JP, A) JP-A-11-223565 (JP, A) JP-A-9-5175 (JP, A) JP-A-10-122985 (JP , A) JP 7-201374 (JP, A) JP 10-9905 (JP, A) JP 8-178765 (JP, A) JP 2000-55748 (JP, A) (58) Survey Fields (Int.Cl. 7 , DB name) G01B 7/16 G01L 1/20

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 連続繊維を複数束ねた繊維束を、繊維強
化複合材料、樹脂、金属、セラミックスなどの母材によ
って一体化、複合化した構造のひずみ測定センサーであ
って、前記連続繊維は、各々その表面に絶縁皮膜層が形
成され、前記繊維束中の各繊維間を絶縁してなり、ひず
みの増大に伴う前記連続繊維の逐次破断を、電気抵抗の
変化により測定することによって、ひずみを、計測、且
つ記憶することを特徴とするひずみ測定センサー。
1. A strain measuring sensor having a structure in which a fiber bundle obtained by bundling a plurality of continuous fibers is integrated and compounded by a base material such as a fiber-reinforced composite material, resin, metal or ceramics.
Each of the continuous fibers has an insulating film layer on its surface.
It is formed by insulating between each fiber in the fiber bundle, the sequential breakage of the continuous fiber with the increase of strain, by measuring the strain, by measuring the strain, Characteristic strain measurement sensor.
【請求項2】 前記繊維束を母材となる繊維強化複合材
料、樹脂、金属、セラミックスなどの材料中に、埋め込
むことによって一体化したことを特徴とする請求項1記
載のひずみ測定センサー。
2. The strain measuring sensor according to claim 1, wherein the fiber bundle is integrated by being embedded in a material such as a fiber-reinforced composite material, resin, metal, or ceramics which is a base material.
【請求項3】 前記繊維束を母材となる繊維強化複合材
料、樹脂、金属、セラミックスなどの材料で挟み込み、
ホットプレスにより成形することにより一体化、複合化
した特徴とする請求項1記載のひずみ測定センサー。
3. The fiber bundle is sandwiched by a material such as a fiber-reinforced composite material as a base material, resin, metal, or ceramics,
The strain measuring sensor according to claim 1, wherein the strain measuring sensor is integrated and compounded by molding by hot pressing.
【請求項4】 前記連続繊維に、熱処理又は化学処理を
施すことによって、短繊維の絶縁被覆及び繊維束の強度
分布を調節し、且つ、該連続繊維を束ねた繊維束を、単
数、もしくは複数組み合わせることによって、全体の連
続繊維の強度分布を制御することを特徴とする請求項1
何れか記載のひずみ測定センサー。
4. A heat treatment or a chemical treatment is applied to the continuous fibers to adjust the insulation coating of the short fibers and the strength distribution of the fiber bundles, and the single or plural fiber bundles obtained by bundling the continuous fibers. The combination is controlled to control the strength distribution of the entire continuous fiber.
The strain measuring sensor according to any one of 3 to 4 .
【請求項5】 前記連続繊維が炭化ケイ素系繊維である
請求項1〜何れか記載のひずみ測定センサー。
5. A strain measurement sensor of the continuous fibers according to claim 1-4, wherein either a silicon carbide fiber.
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