DE2800844A1

DE2800844A1 - Kondensator, sowie verfahren zur durchfuehrung einer messung von kraeften

Info

Publication number: DE2800844A1
Application number: DE19782800844
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl Ing Haberl; Josef Kastner
Original assignee: Deutschen Semperit GmbH
Current assignee: Deutschen Semperit GmbH
Priority date: 1977-01-21
Filing date: 1978-01-10
Publication date: 1978-07-27
Also published as: SE437571B; US4370697A; IT1092079B; FR2378271A1; DE2800844B2; JPS53112784A; FR2378271B1; IT7819485A0; CH609774A5; GB1585441A; DE2800844C3; DD134164A1; CA1109285A; SE7800488L; US4266263A

Description

DEUTSCHE SEMPERIT GESELLSCHAFT M.B.H.

Kondensator, sowie Verfahren zur Durchführung einer Messung von Kräften

Angemeldet am: (A /77) Beginn der Patentdauer:

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kondensator mit mindestens zwei jeweils durch ein elastisches Dielektrikum aus Gummi und/oder Kunststoff voneinander getrennten Elektroden zur Messung von auf eine der Elektroden - die sogenannte Meßelektrode - einwirkenden Kräften durch Erfassung der daraus resultierenden Kapazitätsänderung.

Ein bei der Verformung des elastischen Dielektrikums auftretendes grundsätzliches Problem liegt insbesondere bei großflächigen Kondensatoreinheiten in der eingeschränkten

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Querdehnungsmöglichkeit von an Druck- und gegenüberliegender Grundfläche eingespannten Gummikörpern. Die auf die Druckfläche angreifende Kraft wird dabei in zwei Komponenten, nämlich in eine in Verformungsrichtung verlaufende und eine dazu in normaler - also in zu den Elektroden paralleler Richtung - verlaufende zerlegt. Diese in Elektrodenrichtung verlaufende Kraft verursacht die Querdehnung des ela-stischen Dielektrikums und beeinflußt damit die Größe des Verformungsund damit des Meßbereiches.

Aus der DT-OS 1,916.496 (National Research Development Corporation) ist ein entsprechender Kondensator bekannt, bei dem durch in den Elektroden angeordneten Hohlräumen für das Dielektrikum eine günstigere Querdehnungsmöglichkeit erreicht wird. Da in diesem Falle die Hohlräume in den Elektroden zur Aufnahme von verformtem Material des Dielektrikums dienen, muß das Volumen der Hohlräume mindestens gleich groß der bei maximaler Belastung des Kondensators folgenden Verformung sein,; d.h.ydaß entweder der Durchmesser der Hohlräume bei geringer Dicke der Elektroden sehr groß oder die Dicke bei kleinem Lochdurchmesser groß sein muß. Im erstgenannten Fall kommt es jedoch zu einer Schwächung der Elektrodenplatte in bezug auf die Festigkeit, im letzteren zu einer für ein genaues Meßergebnis ungünstig hohen Steifigkeit. Außerdem ist der Kräftefluß im Dielektrikum äußerst ungünstig, da die von der auf den Kondensator einwirkenden Kraft abgeleitete? .in Elektrodenrichtung wirkende Querdehnungskraft im Bereich der Hohlräume noch einmal umgelenkt wird, die nun in zur zu messenden Kraft entgegengesetzter Richtung verläuft.

Eine gewisse Verbesserung dieser genannten Nachteile wurde durch eine noppenförmige Ausgestaltung einer der beiden Elektrodenkontaktflächen des Dielektrikums erreicht (DT-AS 2,448.398 - Uniroyal Inc.). Mit einer Verbesserung des Kräfteflusses im Dielektrikum treten jedoch Nachteile in der

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Stabilität des Dielektrikums in bezug auf die Elektroden einwirkende Schubkräfte auf, d.h., daß jede nicht exakt senkrecht auf die Elektrode auftreffende Kraft durch den in Schubkräfte umgewandelten Verlust nur ungenau gemessen werden kann.

Ein besonderes Problem insbesondere in Hinsicht auf die Messung von dynamischen Kräften liegt in der Nichtlinearität der Druckverformungskennlinie eines gummielastischen Dielektrikums im Anfangsbereich, wobei insbesondere der letzte Teil der Rückverformung in einer relativ längen Zeitdauer erfolgt, so daß die Genauigkeit einer Messung von kurz aufeinanderfolgenden Kräften mit zunehmender Frequenz abnimmt. Zeitlich rasch aufeinanderfolgende, in ihrer Größe etwa gleiche Kraftimpulse werden nur mehr in Form einer durch eine statische Belastung hervorgerufenen gleichmäßigen Kapazitätsänderung wahrgenommen.

Ziel der Erfindung ist, die Gestaltung eines eingangs geschilderten Kondensators zur Messung von Kräften unter Ausschließung aller genannten Nachteile, die die Querdehnung/-möglichkeit betreffen, und eine annähernde Linearisierung der vom Verhältnis des auf den Kondensator aufgebrachten Druckes zur Verformung abhängigen Druckverformungskennlinien zur Optimierung der Meßgenauigkeit nicht nur in bezug auf die Bestimmung des Maximalwertes des einwirkenden Druckes, sondern insbesondere zur exakten Bestimmung des gesamten zeitlichen Kraftverlaufes, sowie ein besonder«? dynamisches Verhalten des Kondensators, welches in einer Zeitdauer von Millisekunden nacheinander auf die Meßelektrode einwirkende Kräfte noch deutlich voneinander unterscheiden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß das Dielektrikum in unbelastetem Zustand vorkomprimiert ist und vorzugsweise mehrere Hohlräume aufweist*

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Durch Vorkomprimierung des Dielektrikums wird der nichtlineare Anteil der Druckverformungskennlinie größtenteils eliminiert, so daß das dynamische Verhalten des Kondensators beträchtlich erhöht wird und jegliche Entstehungsmöglichkeit von die Genauigkeit des Meßergebnisses beeinflußenden Nachschwingungen unterbunden ist.

Die Hohlräume ermöglichen auch im Zentrum des Dielektrikums durch Verformung eine den Randzonen gleiche Querdehnung, wodurch Über den gesamten Bereich des Dielektrikums ein homogener Deformationswiderstand und damit im gesamten Meßflächenbereich produzierbare Ergebnisse erreicht werden können.

Die größere Querdehnungsmöglichkeit führt auch zu einer Erhöhung der Kompressibilität des Dielektrikums, so daß der Meßbereich und damit die Empfindlichkeit erhöht werden kann.

Durch den Unterdruck in den Hohlräumen wird infolge des größeren Außendruckes eine Vorkomprimierung des Dielektrikums im unbelasteten Zustand erreicht, wodurch der Beginn des Meßbereiches - die sogenannte Nullpunktlage - aus dem relativ nicht linearen Anfangsbereich von bis zu 0,5 Deka-

Newton cm in einen linearen Bereich angehoben wird.

Zusätzlich kann durch den Unterdruck jedoch auch der restliche Bereich der Verformungskennlinie insofern positiv beeinflußt werden, als der im Stadium einer fortgeschrittenen Verformung immer größer werdende, durch die Gasverdichtung in den Hohlräumen verursachte Widerstand eliminiert ist.

Ein vorteilhafter Bereich des Unterdruckes in den Hohlräumen liegt vorzugsweise unter etwa 0,8 bar, wobei mit zunehmendem Unterdruck der durch Verschieben der Nullpunktlage eliminierte Anfangsbereich der Druckverformungskennlinie immer größer, sowie

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das dynamische Verhalten optimiert wird. Erfolgt die VerVerbindung des zwischen den Hohlräumen befindlichen Materials des Dielektrikums mit der den Hohlräumen zugewandten Elektrodenoberfläche durch einen Kleber, der frei von leicht flüchtigen Bestandteilen ist, so ist auch für eine längere Gebrauchsdauer gewährleistet, daß der Hohlraumunterdruck konstant bleibt und nicht etwa durch Verdampfen von niedrigsiedenden Bestandteilen verringert wird. Die Verklebung der Elektroden ist besonders für die Verringerung der Hysteresis von Bedeutung, da sie die Haupt Ursache für das - im Querschnitt des Dielektrikums gesehen - ausgeprägte paräbelförmige Kräfteprofil ist, wobei im Bereich der Verklebung die Schubkräfte annähernd null sind und zur Mitte hin ständig zunehmen. Das Schubkraftmaximum in der Mitte wirkt sofort nach Wegfall der Verformungsbelastung als in umgekehrter Richtung wirkende Feder, wobei während der Rückverformung nur intermolekulare Reibung zur Wirkung kommt. Jede die Hysteresis vergrößernde Reibung zwischen Elektrode und dem zwischen den Hohlräumen befindlichen Material des Dielektrikums ist durch die Verbindung ausgeschlossen.

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Durch eine optimale Verbindung des zwischen den Hohlräumen befindlichen Materials des Dielektrikums mit der Elektrode kann die hohe Elastizität der Stahlelektrode insofern ausgenützt werden, als die - im elastischen Bereich - deformierte Elektrode mit dem sogenannten Membraneneffekt das deformierte Dielektrikumsmaterial bei der Rückverformung"infolge der bedeutend kürzeren Rückverformungszeit mitreißt, wodurch die Hysteresis in beträchtlichem Maße verringert werden kann.

Besonders vorteilhaft sowohl in bezug auf die notwendige Gleichmäßigkeit der Klebeschichte als auch in bezug auf die Durchführung der Verklebung ist die Verwendung einer beidseitig klebenden Folie.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ver'bindungsmöglichkeit im Falle der Verwendung von Gummi als zwischen den Hohlräumen befindlichen Materials des Dielektrikums ist auch eine Verbindung mit den Elektroden durch Vulkanisation vorgesehen, wobei das Problem bei gleichmäßiger Klebeschichte zur Gänze wegfällt. Zusätzlich ergibt sich eine deutliche Linearisierung der Verformungskennlinien im Bereich des Belastungsmaximums, wo es bei Verwendung eines Klebers durch dessen Fließen zu einer Krümmung kommt.

Ein vorteilhaftes Merkmal der Erfindung, das die durch den Hohlraumunterdruck erzielten Vorteile noch zusätzlich mit dem Vorteil der Beseitigung des auf die obere Elektrode wirksamen Überdruckes verbindet, ist dadurch gegeben, daß die beiden Elektroden durch in den Hohlräumen - die in zu den Elektroden normaler Richtung verlaufen - angeordnete, unter Zugspannung stehende Stränge aus elektrisch isolierendem Material miteinander verbunden sind. Die Stränge sollen eine sehr geringe Elastizität und eine hohe Flexibilität, wie zum Beispiel Glaskorde oder Polyimidfasern, aufweisen.

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Auf diese Weise kann ähnlich der Verwendung eines Hohlraum— Unterdruckes eine Vorkomprimierung des Dielektrikums im unbelasteten Zustand erzielt werden, indem die zwischen den Elektroden angeordnete Länge der gestreckten Stränge um das Maß der gewünschten Vorkomprimierung kürzer als die Dicke des elastischen Dielektrikums im unbelasteten Zustand ist. Der Vorteil besteht darin, daß der im Falle des in den Hohlräumen vorherrschenden Unterdruckes der die Rückverformung behindernde, auf die obere Elektrode wirksame Überdruck wegfällt, so daß die Hysteresis auf ein vernachlässigbares Minimum von wenigen Prozenten reduziert werden kann. Durch entsprechende Erhöhung der Biegesteifigkeit der Stränge kann noch zusätzlich die Rückverformung durch deren Federwirkung im gebogenen Zustand unterstützt werden, wobei allerdings die Verformung des Dielektrikums und Biegung der Stränge um einen entsprechenden V/ert erhöht wird,

Für das Maß der Verformung des Dielektrikums und damit auch zur Erzielung eines exakten Meßergebnisses von besonderer Bedeutung ist das Verhältnis der mit den Elektroden in Berührung stehenden Oberfläche des Dielektrikums zur Mantelfläche der Hohlräume. Dieses als Formfaktor bezeichnete Verhältnis sollte insbesondere bei Verwendung auf dem Gebiet der Biomechanik, wo die Deformation des Dielektrikums gering ist, etwa 0,2 bis etwa 0,7* vorzugsweise etwa 0,3 bis etwa 0,5 betragen. Ein Formfaktor über 0,7 würde bedeuten, daß der Verformungsweg und damit der Meßbereich sehr klein sind, wodurch auch die Genauigkeit des Meßergebnisses beeinträchtigt ist. Außerdem ist eine Linearisierung der Verformungskennlinien nur sehr schwer in den Griff zu bekommen.

Eine Überschreitung der unteren Grenze von etwa 0,3 würde zwar eine weitere Vergrößerung des Meßbereiches zur Folge haben, es ist dabei jedoch das Verhältnis von Steghöhe zu Stegbreite der zwischen den Hohlräumen befindlichen Stege derart ungünstig, daß es bei Verformung zu Knickungen und

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damit zu Unregelmäßigkeiten in der Druckverformungskennlinie kommen kann. Es ist deshalb von Vorteil, wenn die kleine Stegbreite zwischen zwei Hohlräumen etwa gleich ist wie die Steghöhe.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung bezieht sich auf die Verringerung der bei Verformung im Dielektrikum auftretenden Querdehnungskräfte und besteht darin, daß das zwischen den Hohlräumen befindliche Material des Dielektrikums zellige Struktur aufweist- Das hat zur Folge, daß sich zusätzlich zu den Hohlräumen die vorzugsweise offenen Zellen ebenfalls komprimieren lassen, so daß bei gleichbleibendem Formfaktor der Verformungsweg beträchtlich erhöht werden kann.

Durch konvexe Wölbung der Zylindermantelfläche der Hohlräume lassen sich die insbesondere im unmittelbaren Verformungsbereich der Mantelfläche auftretenden Schub- und Zugspannungen verringern, wodurch sich die Druckverformungskennlinie besonders im Endbereich linearsieren läßt.

Eine RUckprallelastizität des zwischen den Hohlräumen befindlichen Materials des Dielektrikums von über etwa 70 %, vorzugsweise über etwa 80 % (gemessen nach DIN 535. 512 vom Juli 1976) ist insbesondere für die Minimierung der Hysteresis unerläßlich. Ebenso ist ein Druckverformungsrest - gemessen nach DIN 53»517 vom Jänner 1972 - von weniger als etwa 5 %, vorzugsweise weniger als etwa 3 % insbesondere für eine geringe Ermüdungserscheinung des Dielektrikums von Vorteil.

Die durch die spezielle Formgebung des Dielektrikums erzielbare Optimierung der Meßgenauigkeit kann durch Verwendung eines ungeeigneten Elektrodenmaterials ungünstig beeinflußt werden. Aus diesem Grund soll insbesondere bei relativ geringen Drücken die durch die zu" messende Kraft beaufschlagte Meßelektrode aus hochelastischem Stahl mit einer Streckgrenze

von über etwa 900 Newton pro mm und einer Dicke von etwa 0,1 bis etwa 0,8 mm bestehen. Dadurch kann bei die Flexibili-

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erhöhender, geringer Dicke - die außerdem durch die geringere Masse die Rückverformungszeit verkürzt - infolge der hohen Streckgrenze trotzdem eine bleibende Verformung ausgeschlossen werden. Die sehr kurze RUckverformungszeit von hochelastischem Stahl bewirkt außerdem"durch den bereits genannten Membraneneffekt eine Reduzierung der Hysteresis.

Durch gitterförmige Ausbildung der Elektroden ist deren Auflagefläche beträchtlich vermindert, so daß einer Abstandsänderung der Elektroden zueinander ein geringerer Widerstand durch das zwischen den Hohlräumen befindliche Material des Dielektrikums geleistet wird, das heißt, daß die Empfindlichkeit beträchtlich erhöht werden kann.

Besonders für die Biegung des erfindungsgemäßen Kondensators zur Messung von auf eine gekrümmte Ebene auftreffenden Kräften ist eine - im Querschnitt gesehen - wellenförmige Ausbildung des Kondensators vorteilhaft.

Zur Verringerung des Abstandes der beiden Elektroden zueinander können diese in das Dielektrikum hineinragende Profilierungen aufweisen, wodurch dickere Dielektrika zur Erhöhung des Meßbereiches verwendet werden können, ohne dafür eine nachteilige, minimale Kapazitätsänderung in Kauf nehmen zu müssen.

Gegebenenfalls können die Elektroden aus elektrisch leitendem Gummi oder Kunststoff bestehen, so daß sowohl Elektroden als auch Dielektrikum in ihren chemischen und vor allem mechanischen Eigenschaften nahezu identisch sind und sich Flächen höherer Ordnung ohne Schwierigkeiten formen lassen. Die Verbindung von Elektrode und Dielektrikum ist homogen und erfolgt ohne Zuhilfenahme eines Klebers, so daß das Problem des Kleberfließens besonders im Belastungsmaximum dadurch eliminiert ist.

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Zumindest eine der Elektroden kann entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung zur Optimierung der Druckverformung und der dazu entsprechenden Kapazitätsänderung im Bereich des zwischen den Hohlräumen befindlichen Materials des Dielektrikums Löcher aufweisen, die für das deformierte Material des Dielektrikums eine weitere Ausdehnungsmöglichkeit schaffen.

Eine elektrische Abschirmung des Kondensators vor störenden Einflüssen unter Vermeidung einer Beeinflussung der durch die Anwendung von Hohlräumen, Unterdruck und dergleichen erreichten Linearität der Druckverformungskennliruen kann durch leitende Verbindung einer die Bezugselektrode umschließenden Metallfolie mit der Meßelektrode erzielt werden.

Ein vorteilhafter Kondensator zum Messen und Orten von auf eine relativ kleine Fläche wirkenden Drücken einer relativ großen Meßfläche besteht darin, daß zumindest eine Elektrode in mehrere voneinander unabhängige Elektrodenplatten unterteilt ist, wobei der Kräfteverlauf durch voneinander getrenntes Erfassen der Kapazitätsänderung der einzelnen Kondensatoren in einem Koordinatensystem genau lokalisiert werden kann. Bestehen beide Elektroden aus einzelnen Teilelektroden, so können auch entsprechend dem Grad der gegenseitigen Verschiebung in Elektrodenrichtung Schubkräfte gemessen werden.

Im Falle der Verwendung von Hohlräumen ist es vorteilhaft, wenn diese luftdicht voneinander getrennt sind, wodurch das im Bereich der deformierten Stelle der Meßelektrode in den Hohlräumen befindliche Gas nicht in die übrigen Hohlräume verdrängt und dort durch Druckaufbau den Elektrodenabstand vergrößert und damit das Meßergebnis verfehlt.

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Verfahren zur Messung von zeitlich - sowie innerhalb einer vorgegebenen Fläche örtlich - zufällig auftretenden Kräften werden unter anderem zur Messung von Achslasten bzw. der Fahrzeugfrequenz auf Straßen, der Kräfteinwirkung eines Bewegungsablaufes oder dergleichen herangezogen. Während im erstgenannten Anwendungsfall nur das Maximum der Verformung - welches dem Gewicht des Fahrzeuges bzw. dem Achsdruck entspricht - von Interesse ist, wird bei der Frequenzmessung nur ein durch die Belastung des Kondensators hervorgerufener Impuls gezählt. Bei sämtlichen Meßdurchführungen ist es notwendig, daß nach Wegfall der einwirkenden Kraftkomponente sofort wieder die Ausgangsstellung die sogenannte Nullpunktlage - vorliegt, um auch eine der ersten Kraftkomponente unmittelbar folgende weitere und in ihrer Größe kleinere Kraftkomponente messen zu können. Aus diesem Grund werden bekannte Kraftmeßvorrichtungen, bei denen eine absolut starre Meßplatte an ihren Eckpunkten auf Quarzkristallen in Form einer starren Brückenkonstruktion gelagert ist und deren auf die Meßplatte einwirkenden Kräfte aufgrund des piezoelektrischen Effekts gemessen werden, in ihrer Meßfläche relativ klein dimensioniert, wodurch einerseits die die Dynamik der Meßvorgänge beeinträchtigende Massenträgheit der Meßplatte für die bereits erwähnte Erfassung von Maximalwerten bei einem für diesen Zweck zu akzeptierenden Meßfehler von einigen Prozenten noch unbedeutend ist und andererseits auch die nach Entlastung der Meßplatte eintretenden Nachschwingungen noch kontrollierbar und ohne besonderen Einfluß auf das Meßergebnis sind.

Die Konsequenzen, die sich aus der kleinen Dimensionierung der Meßfläche ergeben, liegen insbesondere auf dem Gebiet der Sporttechnik, Biomechanik, Orthopädie, Ergonomie etc. in der vorgegebenen räumlichen Einschränkung des zu überprüfenden Bewegungsablaufes und der daraus resultierenden Abweichungen vom natürlichen Bewegungsablauf.

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Ziel des Verfahrens zur Messung von zeitlich - sowie innerhalb einer vorgegebenen Fläche örtlich - zufällig auftretenden Kräften ist es, insbesondere Bewegungsabläufe ohne zeitliche und räumliche Einschränkung in bezug auf die Meßmethode zu gestatten und eine hohe Meßempfindlichkeit sowie einen großen Meßbereich zur exakten Erfassung der auf den Kondensator einwirkenden Kraftkomponenten sowie ein besonders dynamisches Meßverfahren zu erzielen.

Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, daß die Kräfte auf eine der vorgegebenen Fläche entsprechende Meßelektrode eines Kondensators einwirken gelassen werden, der ein gummielastisches Dielektrikum enthält, und daß der zeitliche Verlauf der der Krafteinwirkung entsprechenden Kapazitätsänderung des Kondensators aufgezeichnet wird.

Durch Verwendung eines gummielastischen Dielektrikums ist eine über die gesamte Meßfläche gleichmäßige Auflagestelle für die Meßplatte - die Meßelektrode - gegeben, so daß ohne Rücksicht auf eine hohe Steifigkeit der Meßelektrode diese im Querschnitt kleiner und bei gleichbleibender Masse entsprechend großflächiger ausgebildet werden kann.

Durch die exakte Aufzeichnung des dem gesamten, auf den Kondensator einwirkenden Kraftimpulsverlauf entsprechenden Kraft-Zeit-Verhältnisses in Form der Kapazitätsänderung über die Zeit lassen sich Diagnoseuntersuchungen sowie Therapiekontrollen bei motorischen Schaden, Untersuchungen über eine optimale Arbeitsplatzgestaltung durch individuell angepaßte Arbeitsbedingungen und dergleichen durchführen, wobei aufgrund der hohen Meßempfindlichkeit, eines großen Meßbereiches von einigen g/cm bis 70 kg/cm und eines relativ geringen Meßfehlers von wenigen Prozenten schon zwischen geringfügigen Änderungen in der Intensität von mehreren Kraftkomponenten unterschieden werden kann.

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Die im Vergleich zur gesamten Kondensatorfläche nur geringe, etwa der doppelten bis etwa der dreifachen Kraftauflagefläche entsprechende Verformungsfläche des Kondensators bewirkt infolge der entsprechend geringen Elektrodenmasse eine flinke Rückstellung des deformierten Bereiches in die Nullpunktlage, so daß selbst im Zeitablauf sich schnell ändernde Kraftkomponenten deutlich in Erscheinung treten und einen Bewegungsablauf präzise analysieren lassen, indem die der Deformation des Kondensators entsprechende Kapazitätsänderung in Form eines den Bewegungsablauf kennzeichnenden Kraft-Zeit-Verhältnisses erfaßt und aufgezeichnet wird.

Die partielle Verformung des Kondensators mit den daraus resultierenden Vorteilen macht die erfindungsgemäße Meßmethode unabhängig von der Größe der Meßfläche, wodurch sätmliche das Meßergebnis beeinträchtigende Einschränkungen zeitlicher, räumlicher und psychologischer Natur eliminiert sind.

So kann entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise bei einem Weitsprung der gesamte Kräfteverlauf vom Beginn des Anlaufes bis zum Absprung erfaßt und analysiert werden, wenn der genannte Anlauf auf einem entsprechend lang ausgebildeten Kondensator erfolgt.

Für die Auswertung des exakten Kräfteverlaufes ist eine hohe Empfindlichkeit von großer Bedeutung, die entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren durch den aus der partiellen Verformung resultierenden geringeren Verformungswi-derstand des gummielastischen Dielektrikums erzielt wird.

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Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert:

Es zeigen Pig. 1, 2, 4, 5 und 18 jeweils eine Ansicht des Kondensators, die Fig. 3, 7, 8 und 17 jeweils einen Querschnitt, Fig. 6 die Aufsicht eine Dielektrikums, die Fig. bis 14 jeweils eine Druckverforraungskennlinie eines elastischen Probekörpers, Fig. 15 eine vorteilhafte elektronische Meßanordnung zur Erfassung der zu der Kapazitätsänderung analogen Signale sowie Fig. 16 den Kraftverlauf eines Balles.

Das an Ober- und Unterseite von den Elektroden 2 und 3 bedeckte Dielektrikum 4 weist entsprechend einer bevorzugten Ausführung zylinderförmige Hohlräume 5 auf, die zur Verkleinerung des Formfaktors und damit zur Erhöhung der Kompressiblität des Dielektrikums 4 führen. Dies hat nicht nur eine Erhöhung des Meßbereiches, sondern auch eine weitestgehende Linearisierung der Druckverformungskennlinie zur Folge. Insbesondere der Beginn dieser Druckverformungskennlinie läßt

\ be ispielswe3.se

sich\durch teilweise Evakuierung des in den gasdicht abgeschlossenen Hohlräumen befindlichen gasförmigen Mediums noch zusätzlich linearisieren. Der dabei auftretende Unterdruck liegt vorzugsweise zwischen etwa 0,3 bis etwa 0,7 bar. Durch den Unterdruck wird eine Vorkomprimierung des Dielektrikums in unbelastetem Zustand der Elektroden 2, 3 erreicht, so daß in bezug auf die Linearität des Kraft - Verformungsverhältnisses besonders kritische Anfangsbereich der Druckverformungskennlinie in das Ergebnis überhaupt nicht eingeht und eine dynamische Kraftmessung exakt durchgeführt werden kann.

Eine weitere Möglichkeit der Vorkomprimierung des Dielektrikums 4 in unbelastetem Zustand des Kondensators kann durch die in Fig. 7 dargestellte Verbindung der beiden Elektroden 2,

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durch elektrisch isolierende, eine äußerst hohe Zugfestigkeit und eine geringe Biegefestigkeit aufweisende Stränge 7 erfolgen, die in gestrecktem Zustand die beiden Elektroden 2 und 3 in einem Abstand zueinander halten, der um das Maß der gewünschten, sowohl vom Material des Dielektrikums als auch von der gewünschten Genauigkeit des Meßergebnisses im Bereich relativ geringerer Drücke abhängigen Vorkompriraierung kleiner ist als die Dicke des Dielektrikums in nicht komprimiertem Zustand. Um eine Verfälschung des angestrebten exakten Meßergebnisses zu vermeiden, darf der Widerstand der Stränge 7 gegen eine Durchbiegung nur unwesentlich hoch sein.

Der rechte Teil der Fig. 7 zeigt einen Kondensatorquerschnitt in durch die Kraft F komprimiertem Zustand,.wobei der Querschnitt der Stränge 7 zur unbehinderten Durchbiegung kleiner sein muß als der Hohlraumquerschnitt.

Eine weitere Möglichkeit der Vorkomprimierung des Dielektrikums ergibt sich durch die in Fig. 17 gezeigte Verwendung eines elektrisch nicht leitenden Rahmens 25, die mit der Bezugselektrode 3 fix verbunden ist und dessen Höhe H kleiner ist als die Dicke des Kondensators 1 im unbelasteten Zustand.

Um etwa bei verschieden hohen Standorten des erfindungsgemäßen Kondensators das Meßergebnis nicht durch einen verschieden hohen Luftdruck zu verfälschen, kann ein von der Meßfläche getrennter Kondensator derart in die Schaltungsanordnung integriert sein, daß Luftdruckschwankungen automatisch kompensiert werden.

Die in den Fig. 2 und 3 gezeigten verschlenen Möglichkeiten der Querschnittgestaltung sowohl der durch das Dielektrikum hindurch verlaufenden Hohlräume 5 a, als auch des gesamten Kondensatorquer schnittes (Fig. 3) ist sowohl material- wie anwendungsabhängig.

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So ist beispielsweise die Anordnung der Hohlräume in zu den Elektroden 2, 3 paralleler Richtung (Fig. 2) vorteilhafter für die Erfassung von Maximalwerten, während die zu den Elektroden normale Richtung der Hohlräume für die Beobachtung des gesamten Kraft-Zeitverhältnisses, sowie die Vorkomprimierung des Dielektrikums geeigneter ist.

Zur Erzielung einer hohen Flexibilität des Kondensators bei möglichst geringen Schubkräften im Bereich der Verbindung zwischen Elektroden und Dielektrikum wird durch die in Fig. gezeigte gitterförmige Ausbildung der Elektroden 2 und 3 erreicht. Außerdem kommt es infolge der geringen Auflagefläche der Elektroden zu einer Verringerung des Einformwiderstandes in das Dielektrikum und damit zu einer Erhöhung der Empfindlichkeit. Zum Schutz der Elektroden von Beschädigungen verschiedenster Art können diese auch im Dielektrikum eingebettet, d.h. allseits vom Dielektrikum umgeben sein.

Werden die Elektroden 2, 3 - wie in Fig. 5 - in mehrere kleinere Elektroden 2.1, 2.2, 2.3 usw. unterteilt, so können bei getrennter Erfassung der einzelnen Elektrodenpaare punktförmig auf die Meßfläche einwirkende Kräfte, deren Kontaktstelle mit der erfindungsgemäßen Meßanlage nicht genau vorausbestimmt werden kann, durch entsprechende Überdimensionierung der Elektrodenfläche einerseits genau gemessen und andererseits auch in ihrer Lage genau geortet, sowie Schubkräfte entsprechend dem Grad der gegenseitigen Verschiebung der gegenüberliegenden Elektrodenabschnitte 2.1, 2.2, 2.3, gemessen werden.

Eine derartige Maßanordnung wäre beispielsweise für einen entsprechend modifizierten Tennisschläger zur Messung der Aufschlagskraft, sowie zur Ortung des Ballaufschlages und der daraus möglichen Optimierung des Aufschlages sowie der ständigen Überwachung der Ballführung denkbar.

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In Fig. 6 ist eine für die Erzielung eines über den gesamten Querschnitt des Dielektrikums homogenen Deformationswiderstandes optimale Verteilung der zu den Elektroden 2, 3 in normaler Richtung verlaufenden, gleich großen Hohlräumen 5 dargestellt. Der Abstand der einen Hohlraum unmittelbar umgebenden Hohlräume sowohl zueinander, als auch in bezug auf den umschlossenen Hohlraum ist stets gleich, wodurch auch die zwischen den Hohlräumen befindliche, minimale Stegbreite S auch immer konstant ist.

Die einer Deformation widerstandleistende Druckfläche D die um die Hohlraumfläche verminderte Fläche des Dielektrikums - errechnet sich demnach wie folgt:

—ι hi '. »ρ ρ
— J/ς- ^n + ü j — η Ji

Diese Druckfläche D im Verhältnis zur Mantelfläche - 2RJTH (Dicke des Dielektrikums) - wird als Formfaktor bezeichnet und ist neben dem, von der Druckfläche D abhängigen Deformationswider st and des Dielektrikums auch ein Maß für den im wesentlichen von der Dicke abhängigen Meßbereich.

Die Messung der Kapazitätsänderung störende Einflüsse können durch Ausbildung eines Faraday'sehen Käfigs eliminiert werden. Eine bevorzugte Ausführungsform besteht nun darin, daß um die Bezugselektrode 5 eine mit der oberen, von der zu messenden Kraft beaufschlagten Meßelektrode 2 leitende verbundene, geerdete Metallfolie 8 geführt ist. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses muß zwischen unterer Elektrode 3> und der Metallfolie 8 eine elektrische Isolierung vorgenommen werden. Vorteilhafterweise kann dies durch Anordnung der für die Versteifung des Kondensators erforderlichen Unterlage 9 erreicht werden.

Die Unterlage 9 besteht zweckmäßigerweise aus in Kunstharz eingegossenen gitterförmig angeordneten Profilen aus Kunststoff

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wodurch einerseits ein möglichst geringes Gewicht und andererseits eine sehr hohe Biegesteifigkeit erzielt werden. Die Biegesteifigkeit ist insofern von besonderer Bedeutung, als zur Schonung der Verbindung von Elektrode und Dielektrikum, die bei einer etwa durch händischen Transport einer großflächen Meßeinheit folgenden Durchbiegung besonderer Beanspruchung unterworfen wird, Schubspannungen in Richtung der Elektroden 2, 3 unbedingt vermieden werden müssen.

Eine weitere Möglichkeit einer besonders biegesteifen Platte für diesen Zweck wäre beispielsweise eine glasfaserverstärkte Polyesterplatte.

Die in den Fig. 9 bis 13 gezeigten Druckverformungskennlinien ein und derselben Naturkautschukmischung unterscheiden sich ganz beträchtlich durch verschiedenste Einflüsse, wie Formfaktor, Verklebung oder dergleichen.

Die Diagramme zeigen an der Abszisse die Verformung in Prozenten bezogen auf die ursprüngliche Dicke der Probekörper, die Ordi-

p nate zeigt die Höhe des aufgewendeten Druckes in Deka-Newton/cm

Die Proben der in den Fig. 9 bis 11 gezeigten Druckverformungskennlinien sind jeweils 10 mm dick, zwischen zwei Elektrodenplatten, die jedoch nicht mit dem Probekörper verklebt sind, eingespannt und weisen keine Hohlräume auf. Der Unterschied liegt im vom Verhältnis Druckfläche zur dazu normalen Fläche des Probekörpers abhängigen Formfaktorjder in Fig.9 o,5,in den weiteren Fig. 0,75 und 1,0 beträgt.

Jedes Diagramm weist zwei Linien auf, von denen die mit a bezeichneten den Druckverformungsverlauf während der Verformung, jene mit b bezeichneten den genannten Verlauf während der Rückverformung des Probekörpers aufzeigt. Die Differenz der beiden dazu integrierten Flächen wird als Hystereseverlust oder auch als Dämpfung bezeichnet.

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Die Kennlinien zeigen grundsätzlich das Problem der Nichtlinearität insbesondere im Anfangsbereich und der daraus resultierenden, für ein exaktes Meßergebnis und insbesondere für die Erfassung des gesamten Kraft-Zeitverlaufes zu vergleichenden Beobachtung auf dem Gebiet der Biomechanik sehr nachteilige Nichtproportionalität des Verhältnisses der Kraft zur jeweils dazu auftretenden Kapazitätsänderung. Von in der Tragweite noch größerem Nachteil ist die bedeutend höhere Abweichung der Entformungslinie b von der Linearität und insbesondere von der Verformungslinie a.

Die Gründe dieses nicht linearen Verlaufes der Druckverformungskennlinien und der Hysteresis liegen in der aus ineinander verknäulten Kettenmolekülen bestehenden Struktur der Kautschuke und Elastomere und sind daher von dieser Seite aus nicht zu eliminieren. Entsprechend dem Ziel der Erfindung wird nun versucht, durch Änderung des Formfaktors, der verschiedenartigsten Formung der das Dielektrikum durchsetzenden Hohlräume, durch teilweise Evakuierung der Luft auf den gasdicht abgeschlossenen Hohlräumen und dergleichen die normal zur Verformungsrichtung verlaufende Querdehnungsmöglichkeiten derart zu beeinflussen, um eine weitestgehende Linearisierung sowohl der Ver-, als auch der Entformungskurve zu erreichen.

Wie die Kennlinien der Fig. 9 bis 11 deutlich zeigen, verbessert sich die Linearität ganz beträchtlich allein durch Verkleinerung des Formfaktors, d.h. entweder bei gleichbleibender Dicke des Dielektrikums durch Verkleinerung der Druckfläche oder bei gleichbleibender Druckfläche durch Vergrößerung der Dicke, bzw. durch eine sinnvolle Kombination beider Merkmale.

Die Verformungskennlinien der Fig· 12 und 1? sind schon nahe einer Linearisierung, die insbesondere durch Lochung des Probekörpers erreicht wird· Dabei kann eine Optimierung insbesondere im Anfangsbereich durch Verklebung des Dielektrikums mit den Elektroden (FIg· IJ) erwartet werden.

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Eine «eitere Optimierung ist erzielbar> durcii teilweise Evakuierung der im den Hohlräumen befindlichen Gase, so daß ein tßiterdraek: - In Hg. 14 Q*5 bar - entsteht.

Eine bevorzugte «ad optimale PSeSanordnung zur Erfassung, AtEfzeichnamg und Speicherung der von der Kapazitätsänderung abgeleiteten Analogsignale ist Ibl FIg:. I5 dargestellt.

Me ¹SOEL der zu erfasseoden, aaif die MeBelektrode . 2 einwirkendes Kraft abhängige Kapazitätsänderung ruft auf der TrägerfrequeEizIiriSEEker TS" eine» unabgegliehenen Zustand hervor. Das Ausgangssignal kann entweder sofort ant Oszllloskop «Hd/csier a» Schreiber aufgezeichnet werden. Eine weitere Möglichkeit, die insbesondere für die Blomeehanlk -«ron Bedeutxmg 1st* besteht ,In. der Spelelierung der Im Änalog-BIgltal-Wandler &/Ώ umgewandelten Digitalsignale. Auf diese Meise Ist eine Dehnung und damit eine präzise Auswertung der Kraft-Zelt-iQirve möglich. Der Mikroprozessor CPlT dient als Steuerung und kann das Meßergebnis verschiedensten Verwendungszwecken des Kondensators entsprechend modifizieren.

Flg. 16 ist der durch Aufschlagen eines etwa 0*5 kg; schweren Balles auf üeaa, erfindungsgeaäaen Kondensator verursachte Kräfteverlauf gegenüber der Zelt . dargestellt. BIe Aufschlaggeschwindigkelt des Balles betrug 44,8 lm/k_M die Dauer der Einwirkung auf den. Kondensator etna; β Püllsekuoden, wobei der syBaaetrisebe Verlauf eier Kurve — erreicht Ib wesentlichen durch SUnlnlerang des nicht-linearen Anfjangsberelches der Beiasturigsfeesmllnle sowie tiurch Ilnearlslerwig der Entlastungskennlinie vost besonderer Bedeutung 1st. Besonders erwähnenswert 1st auch die äußerst kurze Krholungszelt von etwa 4 Mlllsekunden, wonach fast zur Ganze die Verformung abgebaut 1st« Biese kurze Erholuaogs- bzw. Hückverförawngszelt 1st Insbesondere durch die

uod den, gesami&en Merabraneneffekt erzielbar.

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Ein insbesoßdere bei Sportlern geschätzter Vorteil der Bioraeehanik liegt in der Tralningsmogiiehkeit eines als optimal erkannten Bewegungsablaufes» der durch ständige Beobachtung des Kraftzeitverhältnisses *m Qszilloskap erlerat werden kann«

Andere EinsatzmcSgliehlceiteii der Erfindung sind beispielsweise auf de« Gebiet der Ergonomie zur Verbesserung der ArbeitsplatzbedingungeBt, die Optimierung von- Strömung verursachenden Formen., ZustandsOberwachiing von Bauwerken, insbesondere Brücken, von Achslasten oder dgl. zu finden.

- Patentansprüche -

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BAD ORiQjf-iÄL

L e e r s e

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Claims

Patentansprüche

1.) Kondensator mit mindestens zwei jeweils· durch ein elastisches Dielektrikum aus Gummi und/oder Kunststoff voneinander getrennten Elektroden zur Messung von auf eine der Elektroden - die sogenannte Meßelektrode - einwirkenden Kräften durch Erfassen der daraus resultierenden Kapazitätsänderung, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (4) in unbelastetem Zustand vorkomprimiert ist und vorzugsweise mehrere Hohlräume (5) aufweist.

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hohlräumen(5) ein im Vergleich zum Normaldruck geringerer Druck herrscht. ^:r^:v^-"·'-

j5. Kondensator.nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck weniger als 0,9* vorzugsweise weniger als 0,8 bar beträgt.

4«. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den Hohlräumen (5) befindliche Material des Dielektrikums (4) und/oder die den Hohlräumen (5) zugewandte Elektrodenoberfläche im wesentlichen frei von leicht flüchtigen Bestandteilen sind.

5. Kondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, "daß das zwischen den Hohlräumen (5) befindliche Material des Dielektrikums (4) durch einen Kleber mit den Elektroden (2, 5) verbunden ist, der frei von leicht flüchtigen Bestandteilen ist.

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SL

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6. Kondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den Hohlräumen (5) befindliche Material des Dielektrikums (4) mit den Elektroden (2, 3) durch eine beidseitig klebende Folie verbunden ist.

7· Kondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den Hohlräumen (5) befindliche Material des Dielektrikums (4) mit den Elektroden (2, 3) durch Vulkanisation verbunden ist,

8. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit zu den Elektroden in normaler Richtung verlaufenden Hohlräumen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (2, 3) durch in den Hohlräumen (5) angeordnete, unter Zugspannung stehende Stränge (7) aus elektrisch isolierendem Material miteinander verbunden sind.

9. Kondensator"nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit der der Meßelektrode (2) gegenüberliegenden Elektrode (3) - der sogenannten Bezugselektrode - randseitig ein elektrisch nicht leitender Rahmen (25) verbunden ist, der die starre Meßelektrode

(2) randseitig Übergreift, wobei die Höhe (H) des Rahmens (25) kleiner ist als die Dicke des Kondensators in unbelastetem Zustand.

10. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der mit den Elektroden (2, J) in Berührung stehenden Oberfläche des Dielektrikums (4) zur Mantelfläche der Hohlräume (5) als Formfaktor bezeichnet - etwa 0,2 bis etwa 0,7» vorzugsweise etwa 0,3 bis etwa 0,5 beträgt.

11. Kondensator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinste Stegbreite (S) zwischen zwei Hohlräumen (5) etwa gleich ist wie die Steghöhe.

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12. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den Hohlräumen (5) befindliche Material des Dielektrikums (4) zellige Struktur aufweist.

13. Kondensator nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche der zylinderförmigen Hohlräume (5) konvex gewölbt ist.

14. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den Hohlräumen (5) befindliche Material des Dielektrikums (4) eine Rückprallelastizität von über etwa 70 %_t vorzugsweise über etwa 80 % - gemessen nach DIN 55*512 - aufweist.

15· Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den Hohlräumen (5) befindliche-Material des Dielektrikums (4) einen Druckverformungsrest von weniger als etwa 5 %, vorzugsweise weniger als etwa 5 % - gemessen nach DIN 55.517 - aufweist.

16. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (2) aus hochelastischem Stahl mit einer Streckgrenze von über etwa

900 Newton/mm und einer Dicke von etwa 0,1 bis etwa 0,8 mm, vorzugsweise etwa 0,5 bis etwa 0,7 mm besteht.

17. Kondensator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrode (2, 5) gitterförmig ist.

Ιδ. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er - im Querschnitt gesehen wellenförmig (Pig. 5) ausgebildet ist.

19. Kondensator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrode in das Dielektrikum hineinragende Profilierungen aufweist.

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20. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrode aus elektrisch leitendem Gummi oder Kunststoff besteht.

21. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrode (2. ) im Bereich des zwischen den Hohlräumen (5) befindlichen Materials des Dielektrikums (4) Löcher (U) aufweist.

22. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine elektrische Abschirmung aufweist, deren Abstand zur Bezugselektrode (j5) wenigstens 5 mal, vorzugsweise 10 mal so groß ist wie die Dicke des Kondensators.

25· Kondenstor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (2) mit einer die Bezugselektrode (j5) umschließenden, geerdeten Metallfolie (8) leitend verbunden ist.

24. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (5) luftdicht voneinander getrennt sind.

25. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Messen und Orten von auf eine relativ kleine Fläche einwirkenden Kräften einer relativ großen Meßfläche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Elektrode (2) in mehrere voneinander unabhängige Elektrodenplatten (2.1, 2.-2, 2.3, ..·) unterteilt ist.

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26. Verfahren zur Messung von zeitlich - sowie innerhalb einer vorgegebenen Fläche örtlich - zufällig auftretenden Kräften, dadurch gekennzeichnet, daß die Kräfte auf eine der vorgegebenen Fläche entsprechende Meßelektrode eines Kondensators einwirken gelassen werden, der ein gummielastisches Dielektrikum enthält, und daß der zeitliche Verlauf der der Krafteinwirkung entsprechenden Kapazitätsänderung des Kondensators aufgezeichnet wird.

27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Vergleich zur gesamten Kondensatorfläche relativ kleiner Bereich der Meßelektrode und des Dielektrikums deformiert wird und die Bezugselektrode ihre im unbelasteten Zustand des Kondensators vorherrschende Lage während der Krafteinwirkung auf die Meßelektrode unverändert beibehält.

DEUTSCHE SEMPERIT GESELLSCHAFT M.B.H.

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