DE2800844C3

DE2800844C3 - Kondensator zur Mesung von Kräften

Info

Publication number: DE2800844C3
Application number: DE2800844A
Authority: DE
Inventors: Josef Wien Kastner
Original assignee: Deutschen Semperit GmbH
Current assignee: Deutschen Semperit GmbH
Priority date: 1977-01-21
Filing date: 1978-01-10
Publication date: 1981-11-05
Also published as: US4266263A; CH609774A5; JPS53112784A; GB1585441A; DE2800844B2; SE7800488L; FR2378271A1; US4370697A; DD134164A1; SE437571B; IT1092079B; CA1109285A; FR2378271B1; DE2800844A1; IT7819485A0

Description

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 Erfassen der daraus resultierenden Kapazitätsänderung und mit mehreren Hohlräumen im Dielektrikum.

Ein bei der Verformung des elastischen Dielektrikums auftretendes grundsätzliches Problem liegt insbesondere bei großflächigen Kondensatoreinheiten in der eingeschränkten 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 elastischen Dielektrikums und beeinflußt damit der Größe des Verformungs- und damit des Meßbereiches.

Aus der DE-OS 19 16 496 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., daß 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 messenden Kraft entgegengesetzter Richtung verläuft.

Eine gewisse Verbesserung dieser genannten Nachteile wurde durch eine noppenförmige Ausgestaltung einer der beiden Elektrodenkontaktflächen des Dielektrikums erreicht (DE-AS 24 48 398). Mit einer Verbesserung des Kräfteflusses im Dielektrikum treten jedoch

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Nachteile in der Stabilität des Dielektrikums bezüglich auf die Elektroden einwirkender Schubkräfte auf, d. Iu daß jede nicht exakt senkrecht auf die Elektrode auftreffende Kraft durch den in Schubkräfte umgewandelten Verlust nur ungenau gemessen wenien 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 Ruckverfornmng in einer relativ langen Zeitdauer erfolgt, so daß die Genauigkeit einer Messung von kurz aufeinander folgenden 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.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Gestaltung eines eingangs geschilderten Kondensators zur Messung von Kräften unter Ausschließung aller genannten Nachteile, die die Querdehnungsmöglichkeit betreffen, 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 insbesondere ein 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 in diesen Hohlräumen ein im Vergleich zum Normaldruck geringerer Druck herrscht.

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

Die Unterdruck aufweisenden 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 reproduzierbare 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 ist.

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 bis zu 5 · 10⁴ Pa reichenden relativ nicht linearem Anfangsbereich 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.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beträgt der Druck in den Hohlräumen weniger als 0,9 bar, wobei mit zunehmendem Unterdruck der durch Verschieben der Nullpunktlage eliminierte Anfangsbereich der Druckverformungskennlinie immer größer, sowie das dynamische Verhalten optimiert wird. Besonders zweckmäßig ist es in diesem Zusammenhang, wenn der Druck in den Hohlräumen weniger als 0,8 bar beträgt
1st das zwischen den Hohlräumen befindliche

ίο Material des Dielektrikums und/oder die den Hohlräumen zugewandte Elektrodenoberfläche im wesentlichen frei von leicht flüchtigen Bestandteilen, so ist auch für eine längere Gebrauchsdauer gewährleistet, daß der Hohlraumunterdruck konstant bleibt und nicht etwa durch Verdampfen von niedrigsiedenden Bestandteilen verringert wird. Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor, daß das zwischen den Hohlräumen befindliche Material des Dielektrikums durch einen Kleber mit den Elektroden verbunden ist, der frei von leicht flüchtigen Bestandteilen ist Eine gute Verbindung der Elektroden mit dem Dielektrikummaterial ist auch für eine Verringerung der Hysterese von Bedeutung, da diese Verbindung mitbestimmend für das — im Querschnitt des Dielektrikums gesehen — ausgeprägt parabelförmige Kräfteprofil ist, wobei im Bereich der Verbindung 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 Hysterese vergrößernde Reibung zwischen Elektrode und dem zwischen den Hohlräumen befindlichen Material des Dielektrikums soll durch die Verbindung ausgeschlossen werden.

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

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sowohl in bezug auf die notwendige Gleichmäßigkeit der Klebeschicht als auch in bezug auf die Durchführung der Verklebung sieht vor, daß das zwischen den Hohlräumen befindliche Material des Dielektrikums mit den Elektroden durch eine beidseitig klebende Folie verbunden ist.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann im Falle der Vei Wendung von Gummi als zwischen den Hohlräumen befindlichen Materials des Dielektrikums dieser mit den Elektroden durch Vulkanisation verbunden sein. Dabei fällt das Problem einer gleichmäßigen Klebeschicht zur Gänze weg. 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.

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. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor, daß dieses

Verhältnis der mit den Elektroden in Berührung stehenden Oberfläche des Dielektrikums zur Mantelfläche der Hohlräume — als Formfaktor bezeichnet — etwa 0,2 bis etwa 0,7 beträgt. Ein Formfaktor über 0,7 würde bedeuten, daß der Verformungsweg und damit der Meßbereich sehr klein sind, wodurch die Genauigkeit der MeC'fTgebnisse in der Biomechanik, wo die Deformation des Dielektrikums gering ist, beeinträchtigt ist. Außerdem ist eine Linearisierung der Verformungskennlinien bei einem Formfaktor über 0,7 nur ι ο 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 damit zu Unregelmäßigkeiten in den Druckverformungskennlinien kommen kann. Eine Weiterbildung der Erfindung für biomechanische Messungen sieht daher sogar vor, daß der Formfaktor etwa 0,3 bis etwa 0,5 beträgt. Um den kontinuierlichen Verlauf der Verformungskennlinie zu sichern, kann gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung die kleinste Stegbreite zwischen zwei Hohlräumen etwa gleich wie die Steghöhe sein. Dadurch ist eine unerwünschte Knickung der Stege hinangehalten.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung 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 J5 gleichbleibendem Formfaktor der Verformungsweg beträchtlich erhöht werden kann.

Durch konvexe Wölbung der Mantelfläche der zylinderförmigen Hohlräume lassen sich gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung die insbesondere im unmittelbaren Verformungsbereich der Mantelfläche auftretenden Schub- und Zugspannungen verringern, wodurch sich die Druckverformungskennlinie besonders im Endbereich linearisieren läßt.

Eine Rückprallelastizität des zwischen den Hohlräumen befindlichen Materials des Dielektrikums von über etwa 70%. vorzugsweise über etwa 80% — gemessen nach DlN 53 512 — ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung insbesondere für die Minimierung der Hysterese vorteilhaft. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn so das zwischen den Hohlräumen befindliche Material des Dielektrikums einen Druckverformungsrest von weniger als etwa 5%, vorzugsweise weniger als 3% — gemessen nach DIN 53 517 — aufweist, wobei das Ermüdungsverhalten des Dielektrikums günstig beeinflußt wird.

Die durch die spezielle Formgebung des Dielektrikums erzielbare Optimierung der Meßgenauigkeit kann durch Verwendung eines wenig geeigneten Elektrodenmaterials ungünstig beeinflußt werden. Aus diesem W) 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 N/mm² und einer Dicke von etwa 0,1 bis etwa 0,8 mm bestehen. Dadurch t>5 kann bei die Flexibilität erhöhender, geringer Dicke — die außerdem durch die geringe Masse die Rückverformungszeit verkürzt — infolge der hohen Streckgrenze trotzdem eine bleibende Verformung ausgeschlossen werden. Die sehr kurze Rückverformungszeit von hochelastischem Stahl bewirkt außerdem durch den bereits genannten Membraneneffekt eine Reduzierung der Hysterese.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung kann wenigstens eine Elektrode 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 zu Dielektrikum kann homogen und ohne Zuhilfenahme eines Klebers durch Vulkanisation erfolgen, so daß das Problem des Kleberfließens besonders im Belastungsmaximum wegfällt.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Hohlräume luftdicht voneinander getrennt sind, wodurch das im Bereich der deformierten Stellen der Meßelektrode in den Hohlräumen befindliche Gas nicht in die übrigen Hohlräume verdrängt und dort durch Druckaufbau den Elektrodenabstand vergrößern und damit das Meßergebnis beeinflussen kann.

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 Krafteinwirkung eines Bewegungsablaufes oder dergleichen herangezogen. Während im erstgenannten Anwendungsfall nur das Maximum der Verformung — welches dem Gewicht des Fahrzeuges bzw. dem Achsdnick 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 Meßplalte an ihren Eckpunkten auf Quarzkristallen in Form einer starren Brückenkonstruktion gelagert ist und deren auf die Meßplatte einwirkenden Kräfte aufgrund des piezoelektrischen Effektes 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 Abweichung vom natürlichen Bewegungsabiauf.

Eine Messung mit einem erfindungsgemäßen Kondensator kann erfolgen, indem die zu messenden Kräfte auf eine der vorgegebenen Fläche entsprechende Meßelektrode des Kondensators einwirken gelassen

werden, wobei der zeitliche Verlauf der der Kraftein wirkung entsprechenden Kapazitätsänderung des Kondensators aufgezeichnet wird.

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 Schäden, Untersuchungen über eine optimale Arbeitsplatzgestaltung durch individuell angepaßte Arbeitsbedingungen und dergleichen durchführen, wobei aufgrund der hohen Meßempfindlichkeit, eines großen Meßbereiches von einigen N/cm² bis 700 N/cm² und eines relativ geringen Meßfehlers von wenigen Prozenten schon zwischen geringfügigen Änderungen in der Intensität von mehreren Kraftkomponenten unterschieden werden kann.

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 Meßmethode unabhängig von der Größe der Meßfläche, wodurch sämtliche das Meßergebnis beeinträchtigende Einschränkungen zeitlicher, räumlicher und psychologischer Natur eliminiert sind.

So kann 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.

Andere Einsatzmöglichkeiten der Erfindung sind beispielsweise auf dem Gebiet der Ergonomie zur Verbesserung der Arbeitsplatzbedingungen, die Optimierung von Strömung verursachenden Formen, Zustandsüberwachung von Bauwerken, insbesondere Brücken. Messung von Achslasten oder dergleichen zu finden.

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

Es zeigen Fig. 1, 2 und 13 jeweils eine Ansicht des Kondensators. F i g. 4 einen Querschnitt. F i g. 3 die Aufsicht eines Dielektrikums, die Fig. 5 bis ΊΟ jeweils eine Druckverformungskennlinie eines elastischen Probekörpers. F i g. 12 eine vorteilhafte elektronische Meßanordnung zur Erfassung der zu der Kapazitätsänderung analogen Signale sowie Fig. 11 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 Kompressibilität des Dielektrikums 4 führen. Dies hat nicht nur eine Erhöhung des Meßbereiches zur Folge, sondern trägt auch zur Linearisierung der Druckverformungskennlinie bei. Insbesondere der Beginn dieser Druckverformungskennlinie ist durch teilweise Evakuierung des in den gasdicht abgeschlossenen Hohlräumen befindlichen gasförmigen Mediums noch zusätzlich weitgehend linearisiert. Der dabei auftretende Unterdruck liegt vorzugsweise zwischen 0,3 bis etwa 0,7 bar. Durch den ■-> Unterdruck wird eine Vorkomprimierung des Dielektrikums 4 in unbelastetem Zustand der Elektroden 2, 3 erreicht, so daß in bezug auf die Linearität des Kraft-Verformungsverhältnisses der besonders kritische Anfangsbereich der Druckverformungskennlinie in

κι das Ergebnis überhaupt nicht eingeht und eine dynamische Kraftmessung exakt durchgeführt werden kann.

Um etwa bei verschieden hohen Standorten des Kondensators das Meßergebnis nicht durch einen

Γι verschieden hohen Luftdruck zu verfälschen, kann ein von der Meßfläche getrennter Kondensator derart in die Schaltungsanordnung integriert sein, daß Luftschwankungen automatisch kompensiert werden.
Die in F i g. 2 gezeigte Möglichkeit der Querschnitts-

2i) gestaltung der durch das Dielektrikum hindurch verlaufenden Hohlräume 5a ist sowohl material- wie anwendungsabhängig.

So ist beispielsweise die Anordnung der Hohlräume in zu den Elektroden 2, 3 paralleler Richtung (Fig. 2)

2Ί vorteilhafter für die Erfassung von Maximalwerten, während die zu den Elektroden normale Richtung der Hohlräume für die Beobachtung des gesamten Kraft-Zeitverhältnisses, sowie die Vorkomprimicrung des Dielektrikums geeigneter ist.

κι In Fig. 3 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

Ji der einen Hohlraum unmittelbar umgebenden Hohlräume sowohl zueinander, als auch in bezug auf den geschlossenen Hohlraum ist stets gleich, wodurch auch die zwischen den Hohlräumen befindliche, minimale Stegbreite Simmer konstant ist.

4(i Die einer Deformation widcrstandsleistende Druckfläche D — die um die Hohlraumfläche verminderte Fläche des Dielektrikums — errechnet sich demnach wie folgt:

D =

S)¹- R² -.ι

Diese Druckfläche Dim Verhältnis zur Mantelfläche

— 2/?.tH (Dicke des Dielektrikums) — wird als

-,o Formfaktor bezeichnet und ist neben dem. von der Druckfläche D abhängigen Deformationswiderstand des Dielektrikums auch ein Maß für den im wesentlichen

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VUIl UCl LS!\-!VC UUl IdI I£ IgCI I IVICUUCI CICU.

Die Messung der Kapazitätsänderung störende ν-, Einflüsse können durch Ausbildung eines Faradayschen Käfigs eliminiert werden. Eine bevorzugte Ausführungsform besteht gemäß Fig.4 darin, daß um die Bezugselektrode 3 eine mit der oberen, von der zu messenden Kraft beaufschlagten Meßelektrode 2 _bo leitend 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 _b5 Versteifung des Kondensators erforderlichen Unterlage 9 erreicht werden.

Die Unterlage 9 besteht zweckmäßigerweise aus in Kunstharz eingegossenen gitterförmig angeordneten

Profilen aus Kunststoff, 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 großflächigen 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 F i g. 5 bis 9 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 Ordinate zeigt die Höhe des aufgewendeten Druckes in daN/cm².

Die Proben der in den Fig.5 bis 7 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 Formfaktor, der in F i g. 5 0,5, in den weiteren Figuren 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.

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-Zeitverlaufs zu vergleichenden Beobachtungen auf dem Gebiet der Biomechanik sehr nachteiligen 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 Hysterese liegen in der aus ineinander verknäulten Kettenmolekülen bestehenden Struktur der Kautschuke und Elastomere und sind daher von dieser Seite aus nicht zu eliminieren. Durch Änderung des Formfaktors, verschiedenartigste Formung der das Dielektrikum durchsetzenden Hohlräume, durch teilweise Evakuierung der Luft aus den gasdicht abgeschlossenen Hohlräumen und dergleichen kann das zur Verformungsrichtung verlaufende Querdehnungsverhahen derart beeinflußt werden, daß eine weitestgehende Linearisierung sowohl der Ver- als auch der Entformungskurve erreicht ist.

Wie die Kennlinien der Fig. 5 bis 7 deutlich zeigen, ^r> 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.

κι durch eine sinnvolle Kombination beider Merkmale.

Die Verformungskennlinien der F i g. 8 und 9 sind die eines mit Hohlräumen versehenen Probekörpers. Man kann eine gewisse Linearisierungstendenz bereits nur durch das Vorsehen geeigneter Hohlräume erreichen.

π Um einen in der Praxis ausreichenden Effekt zu erzielen, ist jedoch — wie gemäß Fi g. 10 — eine teilweise Evakuierung des in den Hohlräumen befindlichen Gases erforderlich, so daß ein Unterdruck von z. B. 0,5 bar entsteht.

Eine bevorzugte Meßanordnung zur Erfassung, Aufzeichnung und Speicherung der von der Kapazitätsänderung abgeleiteten Analogsignale ist in Fig. 12 dargestellt.

Die von der zu erfassenden, auf die Meßelektrode 2

2^r> einwirkenden Kraft abhängige Kapazitätsänderung ruft auf der Trägerfrequenzbrücke TF einen unabgeglichenen Zustand hervor. Das Ausgangssignal kann entweder sofort am Oszilloskop und/oder am Schreiber aufgezeichnet werden. Eiine weitere Möglichkeit, die insbe-

K) sondere für die Biomechanik von Bedeutung ist, besteht in der Speicherung der im Analog-Digital-Wandler A/D umgewandelten Digitalsignale. Auf diese Weise ist eine Dehnung und "damit eine präzise Auswertung der Kraft-Zeit-Kurve möglich. Der Mikroprozessor CPU

r, dient als Steuerung und kann das Meßergebnis verschiedensten Verwendungszwecken des Kondensators entsprechend modifizieren.

In F i g. 11 ist der durch Aufschlagen eines Balles mit einer Masse von etwa 0,5 kg auf den erfindungsgemä-Ben Kondensator verursachte Kräfteverlauf gegenüber der Zeit dargestellt. Die Aufschlaggeschwindigkeit des Balles betrug 44,8 km/h, die Dauer der Einwirkung auf den Kondensator etwa 8 Millisek„ wobei der symmetrische Verlauf der Kurve — erreicht im wesentlichen durch Eliminierung des nicht linearen Anfangsbereiches der Belastungskennlinie sowie durch Linearisierung der Entlastungskennlinie — von besonderer Bedeutung ist.

Besonders erwähnenswert ist auch die äußerst kurze Erholungszeit von etwa 4 Millisekunden, wonach fast zur Gänze die Verformung abgebaut ist. Diese kurze Erholungs- bzw. Rückverformungszeit ist insbesondere durch die Vorkomprimierung und den genannten Membraneneffekt erzieibar.

Ein insbesondere bei Sportlern geschätzter Vorteil der Biomechanik liegt in der Trainingsmöglichkeit eines als optimal erkannten Bewegungsablaufes, der durch ständige Beobachtung des Kraft-Zeit-Verhältnisses am Oszilloskop erlernt werden kann.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

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 und mit mehreren Hohlräumen im Dielektrikum, dadurch gekennzeichnet, daß in diesen Hohlräumen (5) ein im Vergleich zum Normaldruck geringerer Druck herrscht

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck weniger als 0,9 bar beträgt.

3. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck 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 (2,3) verbunden ist, der frei von leicht flüchtigen Bestandteilen ist.

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, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der mit den Elektroden (2, 3) in Berührung stehenden Oberfläche des Dielektrikums (4) zur Mantelfläche der Hohlräume (5) — als Formfaktor bezeichnet — etwa 0,2 bis etwa 0,7 beträgt.

9. Kondensator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Formfaktor etwa 0,3 bis etwa 0,5 beträgt.

10. Kondensator nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinste Stegbreite (S) zwischen zwei Hohlräumen (5) etwa gleich ist wie die Steghöhe.

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

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

13. 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% — gemessen nach DIN 53 512 — aufweist.

14. Kondensator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückprallelastizität über etwa 80% beträgt.

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% — gemessen nach DlN 53 517 — aufweist

16. Kondensator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckverformungsrest weniger als etwa 3% beträgt

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

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