DE2520373A1

DE2520373A1 - Sensor zum erfassen eines thermischen oder spannungsgefaelles

Info

Publication number: DE2520373A1
Application number: DE19752520373
Authority: DE
Inventors: Allen L Taylor
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1974-05-06
Filing date: 1975-05-05
Publication date: 1975-11-20
Also published as: GB1507707A; JPS50153688A; FR2270559A1; FR2270559B3; JPS587921B2

Description

1 BERLIN 33 8 MÜNCHEN

Augusie-Viktoria-StraBe 65 _n Dl I Q^ W I^ P A DADTMPR PienzenauerstraBe 2

Pat.-Anw. Dr. Ing. Ruschke UT. KU OV^ Π l\fc Ot Γ ΛΚ UN t K Pat.-An». Dipl. Ing.

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Olaf Ruschke ΓΑΙ CIN I A IN VV ft L I C _naa,98 03

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Quadratur Berlin Qudadraiur München

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M 3593

Minnesota Mining and Manufacturing Company, Saint Paul, Minnesota, V.St.A-

Sensor zum Erfassen eines thermischen oder Spannungsgefälles

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Sensor zur Ermittlung des Profils des thermischen oder mechanischen Spannungsgefälles eines Gegenstandes und insbesondere den Einsatz einer gepolten Elektretschicht mit sowohl pyroelektrischen als auch piezoelektrischen Eigenschaften als temperatur- oder spannungsempfindliches Element in einem solchen Sensor.

Es ist bekannt, daß das Temperaturgefälle auf der Außenfläche eines Gegenstandes eine bestehende oder sich entwickelnde Fehlerstelle anzeigen kann. Beispielsweise kann sich ein Defekt in einem Motor als anomale örtliche Erwärmung des Motorblocks in der Nähe der Fehlerstelle bemerkbar machen. Auch kann man karzinogenes Gewebe im menschlichen Körper an seiner Temperatur erkennen, die höher ist als die gesunden Gewebes. Ein Sensor zum Erfassen derartiger Temperaturvariationen und zur Darstellung von deren Muster nach dem Stand der Technik ist in der US-PS 3 114 836

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angegeben. Dort verwendet man ein temperaturempfindliches Flüssigkristall-Material, das Lichtstrahlen selektiv streut und eine farbliche Anzeige des Temperaturprofils eines Gegenstandes, mit dem es in Berührung steht, liefert. Dieses Profil ist jedoch nicht remanent; nimmt man diesen Sensor vom untersuchten Gegenstand ab, verschwindet die Färbung, wenn der Sensor wieder die Umgebungstemperatur annimmt.

Aus dem Stand der [Technik ist eine Anzahl von Elementen zur Messung mechanischer Spannungen bekannt, und auch die Verwendung eines piezoelektrischen Materials in Spannungsmeßvorrichtungen ist nicht neu; vergleiche die US-PS 3 750 12?. Dort ist ein koaxial aufgebauter Spannungssensor offenbart, der einen inneren Leiter, einen äußeren Leiter, der den inneren Leiter im wesentlichem umgibt, und ein piezoelektrisches, die mechanischen Spannungen erfassendes Medium aufweist, das zwischen den beiden Leitern in inniger Berührung mit diesen angeordnet ist. Eine elektronische Schaltung ist an das piezoelektrische Medium angeschlossen und erfaßt die elektrischen Ladungen, die das Medium erzeugt, wenn der Sensor die mechanische Spannung erfährt und sich verformt.

Die vorliegende Erfindung gibt einen Sensor an, der elektrostatisch ein Oberflächenprofil des Wärme- oder Spannungsgefälles eines Gegenstandes abgibt und eine Schicht eines gepolten Elektretmaterials aufweist, die auf einer Seite mit einer thermisch und elektrisch leitfähigen Schicht versehen ist. Der Sensor kann auf die Oberfläche eines Gegenstandes aufgebracht werden, wodurch die Elektretschicht auf ihren ebenen Oberflächen elektrostatische Ladungen entgegengesetzter Polarität entsprechend dem thermischen oder Spannungsgefälle des Gegenstandes erzeugt.

In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Elektretschicht des Sensors um ein einzelnes dünnes Blatt aus polymeren! Material; es ergibt einen verhältnismäßig dünnen Sensor. Dieses Merkmal erlaubt es, daß der Sensor sich eng der Ober-

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flächengestalt des Gegenstandes anpaßt, auf den er aufgebracht wird, und das thermische bzw. Spannungsgefälle dieses Gegenstandes annimmt, ohne als Kühlkörper zu wirken oder die !Temperatur des Gegenstandes sonstwie erheblich zu beeinflussen. Um sehr genaue und präzise Gefälleangaben zu erhalten, kann man die Elektretschicht auch aus zwei Schichten ausbilden, die man mittels einer Bindeschicht flächig aneinanderhält. Dies ergibt eine Ausführungsform, die auf beim Biegen auftretende piezoelektrische Störladungen nicht anspricht.

Eine vorzugsweise ausgeführte Form der vorliegenden Erfindung soll nun unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben werden.

Pig. 1 ist eine Perspektivdarstellung eines Sensors nach der vorliegenden Erfindung mit einer Elektretschicht, die auf ihrer Unterseite mit einer leitenden Auflage versehen ist;

Fig. 2 ist eine Perspektivdarstellung des Sensors nach Fig. 1, der auf die Außenfläche einer rechteckigen Platte aufgebracht ist;

Fig. 3 ist eine Seitenansicht des Sensors und der Platte der Fig. 2 im gebogenen Zustand;

Fig. 4 ist eine Perspektivdarstellung einer Elektretschicht, die anstelle der beim Sensor der Fig. 1 angewandten Elektretschicht eingesetzt werden kann;

Fig. 5 ist eine Seitenansicht der Schicht nach Fig. 4 im gebogenen Zustand.

Eine bevorzugte Ausführungsform des zweidimensionalen Sensors nach der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 mit 1 bezeichnet. Der Sensor 1 besteht aus einem verhältnismäßig dünnen Blatt 2 aus gleichmäßig gepoltem Elektretmaterial, das auf einer Seite mit einer dünnen, elektrisch leitenden Schicht 3 versehen ist. Das

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Blatt 2 besteht vorzugsweise aus Material wie Polyvinylidenfluorid oder einem anderen derartigen Polymerisatmaterial, das sowohl pyroelektrische als auch piezoelektrische Eigenschaften aufweist. Gepolte piezoelektrische Materialien haben die Eigenschaft, auf ihren ebenen Flächen elektrostatische Ladungen zu entwickeln, wenn man sie bestimmten mechanischen Spannungen oder Verformungen unterwirft, wobei die Ladungen einer Seite denen der anderen entgegengesetzt gepolt sind. Gepolte pyroelektrische Materialien erzeugen gleichermaßen elektrostatische Ladungen, wenn man sie einer Änderung der Umgebungstemperatur unterwirft.

Will man ihn als Spannungssensor einsetzen, kann der Sensor 1 mit der leitenden Schicht 3 zeitweilig flächig auf die ebene Fläche eines mechanischen Spannungen zu unterwerfenden Gegenstandes aufgebracht werden. Beispielsweise ist in Fig. 2 der Sensor 1 auf die Oberfläche einer flachen rechteckigen Platte aufgebracht gezeigt. Der Sensor 1 kann dabei auf der Platte 6 mittels eines Klebers oder eines anderen Mittels festgehalten werden, das eine zeitweilige Aufbringung gestattet. Ist der Sensor 1 fest auf der Platte 6 festgelegt, belastet man die Platte 6, um sie in einen Spannungszustand zu bringen, in dem sie ihre Abmessungen ändert bzw. sich verformt.

Infolge der flächigen Verbindung zwischen der leitenden Schicht 3 des Sensors 1 und der Oberfläche der Platte 6 erfährt auch das Blatt 2 die Änderungen der Abmessungen der Oberflächengestalt desjenigen Teils der Platte 6, auf dem der Sensor 1 sich befind.et. Der Elastizitätskoeffizient des Sensors 1 ist dabei so gewählt, daß das Aufbringen des Sensors 1 auf die Platte 6 die Abmessungsanderungen bzw. die Verformung der Platte 6 nicht erheblich beeinflußt. Stattdessen paßt der Sensor 1 sich der Oberflächengestalt der Platte 6 an und erfährt damit die gleichen Spannungen wie die Platte 6 selbst. Diese mechanischen Spannungen des Sensors 1 rufen elektrostatische Ladungen entgegengesetzter Polarität auf der beschichteten und der unbeschichteten Oberfläche des Blatts 2 hervor. Diese elektrostatischen Ladungen

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treten direkt proportional zur Stärke der Biegung der Platte 6 auf. Das Spannungsprofil der Platte 6 teilt sich also durch Schwankungen der auf den Oberflächen des Blatts 2 sich ansammelnden Ladungsstärke mit. Da das Blatt 2 elektrisch nichtleitend ist, bilden die sich ansammelnden Ladungen auf der unbeschichteten Seite des Blatts 2 ein elektrostatisches latentes Bild, das genau das Spannungsgefälle desjenigen Teiles der Platte 6 wiedergibt, mit dem der Sensor i in Berührung steht.

Falls erwünscht, kann man das latente Bild auf dem Blatt 2 zu diesem Zeitpunkt entwickeln, ohne die Spannung von der Platte 6 abzunehmen, indem man die leitende Schicht 3 erdet, um die beschichtete Seite des Blatts 2 zu neutralisieren, und dann das elektrostatische Ladungsbild auf der unbeschichteten Oberfläche des Blatts 2 unter Verwendung eines elektrostatischen Voltmeters, das an eine zweidimensionale Sichtvorrichtung wie einen XY-Schreiber angeschlossen ist, oder Aufbringen eines üblichen Tonerpulvers für die Entwicklung elektrostatischer Bilder sichtbar macht.

In den meisten Fällen ist es jedoch schwierig oder unbequem, das latente Bild auf dem piezoelektrischen Sensor 1 zu entwickeln, während man die Platte 6 im gespannten Zustand hält. Eine Spannungsentlastung wirft jedoch Probleme auf, da das Bild des Spannungsprofils nicht dauerhaft ist. Entspannt man die Platte 6, nimmt sie wieder ihre normale Gestalt an, wobei das Spannungsprofil verschwindet. Es ist daher erwünscht, beide Seiten des Blatts zu neutralisieren, um deren elektrostatische Ladung zu vernichten, bevor man die Platte 6 entspannt.

Die elektrostatischen Ladungen auf der Oberfläche der Schicht 2 kann man neutralisieren, indem man die Schicht 3 erdet. Die Ladungen auf der unbeschichteten Seite des Blattes 2 lassen sich vernichten, indem man die Oberfläche mit einer geerdeten Pluton-Bürste ("Pluton brush") abwischt oder eine Vorrichtung einsetzt, die statische Ladungen mit Alphateilchen vernichtet. Durch ein

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derartiges Neutralisieren der Oberflächen des Blatts 2 wird
dieses in den gleichen elektrostatischen Zustand gebracht, den es inne hatte, bevor die Platte gespannt wurde. Auf den Oberflächen des Blatts 2 befinden sich also keine elektrostatischen Ladungen und das Spannungsgefälle des Blatte 2 entspricht dem
Spannungsgefälle desjenigen !Teils der Platte 6, mit dem der
Sensor 1 in Berührung stand. Dies bedeutet, daß, wenn die Platte 6 entspannt ist, sie und der Sensor 1 ihre normale Gestalt annehmen. Diese Rückkehr zur normalen Gestalt bewirkt jedoch eine Ansammlung elektrostatischer Ladungen auf den Oberflächen des
Blatts 2. Auf der unbeschichteten Oberfläche des Blatts 2 steht dann folglich ein elektrostatisches latentes Ladungsbild des
Spannungsprofils der Platte 6, das dem früheren gegenüber eine umgekehrte Polarität aufweist. Dieses latente Bild läßt sich
ebenso entwickeln, wie es oben angegeben ist, um ein dauerhaftes Abbild zu erzeugen, das auf einfaches Papier übertragen werden kann. Das Blatt 2 kann man dann neutralisieren und erneut verwenden.

Die vorliegende Erfindung schafft also einen mehrfach verwendbaren Spannungssensor, der in Aufbau und Anwendung verhältnismäßig einfach ist, aber sehr schnell das Spannungsprofil einer Vielzahl von Gegenständen liefern kann. Der Sensor 1 ist bei der Anwendung auf mechanische Spannungen nicht auf Gegenstände beschränkt, die eine regelmäßige Oberfläche haben; vielmehr kann man ihn auch bei einer breiten Vielfalt von unregelmäßigen Oberflächen einsetzen. Um ein genaues und präzises Spannungsprofil von Gegenständen mit unregelmäßiger Oberfläche aufzunehmen, sollte das Blatt 2 so ausgebildet sein, daß die piezoelektrischen Ladungen kompensiert werden, die entstehen, wenn der Sensor 1 auf den Gegenstand noch nicht aufgebracht worden ist oder von ihm
abgenommen wird. Die Auswirkungen derartiger piezoelektrisch erzeugter Ladungen lassen sich erheblich reduzieren, wenn man das Medium des Sensors 1 mit einer verhältnismäßig steifen Mittelschicht ausbildet, so daß das Medium, wenn es nicht an einem
Gegenstand angebracht ist und gebogen wird, sich um diese Mittel-

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schicht biegt. Diese Biegung steht in Einklang mit dem allgemeinen Prinzip, daß die Biegung eines Laminats mit einer verhältnismäßig steifen Mittelschicht und zwei gleichermaßen nachgiebigen Außenschichten um die hittelschicht des steifsten Elementes des Laminats erfolgt·

Wie in Pig. 4- dargestellt, kann man nun eine laminierte Anordnung 9 auf einfache V/eise so herstellen, daß sich diese Biegewirkung ergibt, indem man zwei der Elektretblätter 2 flächig mit einer Bindeschicht 10 verklebt, bei der es sich beispielsweise um einen Epoxykleber oder dergleichen handeln kann. Die Bindeschicht 10 dient dabei als verhältnismäßig steife Mittelschicht, um die herum die beiden Blätter 2 sich biegen, wenn man die Anordnung einer Biegespannung aussetzt. V/ie in der Fig. 5 dargestellt, bewirkt eine derartige Biegung ein Zusammenpressen des oberen Blatts 2 und eine Längung des unteren Blatts 2; die Abmessungen der Mittelebene der Mittelschicht 10 bleiben im wesentlichen konstant. Wie weiterhin durch die Pfeile 11 und 12 im oberen bzw. unteren Blatt 2 angedeutet, sind die Elektretblätter 2 gleichgepolt. Ein Zusammendrücken des oberen Blatts 2 erzeugt auf der oberen und der unteren Seite des oberen Blatts 2 positive bzw. negative Ladungen, während die Längung des unteren Blatts auf der oberen und der unteren Seite des unteren Blatts 2 negative bzw. positive Ladungen hervorruft. Die positiven Ladungen auf der oberen Seite des oberen Blatts 2 sind etwa gleichstark wie die positiven Ladungen auf der unteren Seite des unteren Blatts 2. Folglich liegt zwischen der oberen und der unteren Fläche der Anordnung 9 im wesentlichen keine Potentialdifferenz vor. Die piezoelektrisch erzeugten Ladungen, die bei einer Verformung des Sensors 1 auftreten, wenn dieser nicht auf einen Gegenstand aufgebracht ist, haben folglich im wesentlichen keine Auswirkung auf das Spannungsprofil bei belastetem Gegenstand. Man erreicht also durch Ersetzen des einzelnen Blatts 2 durch die Schichtung 10 einen Sensor, der hochgenaue Profile des Spannungsgefälles auch bei unregelmäßig geformten Gegenständen zu liefern imstande ist.

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Zum Einsatz als Temperaturfühlelement kann man den Sensor 1 mit der leitenden Schicht zeitweilig in flächige Berührung mit der ebenen Fläche eines Gegenstandes mit einem Temperaturgefälle bringen, das erfaßt und bildlich dargestellt werden soll - beispielsweise die Platte 6 der Fig· 2. Der Sensor 1 ist sehr anpassungsfähig und kann leicht auf gleich- und ungleichmäßig geformte Gegenstände aufgebracht werden.

Das Blatt 2 und die leitende Schicht 3 sind gegenüber der Größe der Platte 6 dünn, um zu gewährleisten, daß die Umgebungstemperatur des Blatts 2 und der Schicht 3 nicht als Wärmesenke wirkt, die die Temperatur der Platte 6 erheblich beeinflußt. Stattdessen bewirkt der flächige Kontakt zwischen der leitenden Schicht 3 und der Platte 6, daß die Temperatur des Blatts 2 sich entsprechend dem thermischen Gefälle desjenigen Teils der Platte 6 ändert, mit dem der Sensor 1 in Berührung steht. Die Temperaturänderungen des Blatts 2 bewirken, daß auf der beschichteten und der unbeschichteten Seite des Blatts 2 elektrostatische Ladungen entgegengesetzter Polarität auftreten, und zwar in Proportion zum pyroelektrischen Koeffizienten des Blatts 2 und zum Grad der Temperaturänderung des Blatts 2 infolge des thermischen Gradienten in der Platte 6. Das Temperaturgefälle der Platte 6 teilt sich also als unterschiedlich starke Ansammlung elektrostatischer Ladungen auf den ebenen Flächen des Blatts 2 mit. Da das Blatt elektrisch nicht leitet, bilden die angesammelten Ladungen auf der unbeschichteten Seite des Blatts 2 ein elektrostatisches latentes Bild aus, das genau das Temperaturprofil desjenigen Teiles der Platte 6 wiedergibt, der in Berührung mit dem Sensor 1 steht.

Falls erwünscht, kann man das latente Bild auf der pyroelektrischen Schicht 3 entwickeln, ohne den Sensor 1 von der Platte abzunehmen. Hierzu endet man die leitende Schicht, um die beschichtete Oberfläche des Blatts 2 zu neutralisieren, und hält dann das elektrostatische Ladungsmuster, das auf der unbeschichteten Seite des Blatts 2 zurückbleibt, fest - beispielsweise so,

wie es oben beschrieben wurde·

In den meisten Fällen ist es jedoch schwierig oder unbequem, das latente Bild auf dem Sensor 1 zu entwickeln, während dieser noch auf der Platte 6 haftet. Ein Abnehmen des Sensors 1 von der Platte 6 zu diesem Zeitpunkt wirft jedoch Probleme auf, da der Sensor 1 mit der Zeit seine Umgebungstemperatur wieder annimmt, wobei das elektrostatische Abbild verschwindet. Es ist daher erwünscht, beide Flächen des Blatts 2 vollständig zu neutralisieren, um die elektrostatischen Ladungen zu vernichten, bevor man den Sensor 1 von der Platte 6 trennt·

Durch Neutralisieren der Oberflächen des Blatts 2 erteilt man dem Blatt 2 den gleichen elektrostatischen Zustand, in dem es sich befand, bevor man seine Temperatur durch Aufbringen auf die Platte 6 änderte. Zu diesem Zeitpunkt befinden sich auf der Oberfläche des Blatts 2 keine elektrostatischen Ladungen, und das Wärmeprofil des Blatts 2 entspricht dem Gefälle desjenigen Teils der Platte 6, mit dem der Sensor 1 in Berührung steht. Hat man den Sensor 1 von der Platte 6 abgenommen, nimmt das Blatt 2 wieder die normale Umgebungstemperatur an, und infolge dieser Temperaturänderung treten auf der Oberfläche des Blatts 2 wieder elektrostatische Ladungen auf. Es bildet sich dabei ein elektrostatisches latentes Abbild des Wärmegefälles der Platte 6 aus, das dem vorigen gegenüber entgegengesetzt gepolt ist. Dieses latente Bild kann man entwickeln, wie es oben ausgeführt ist, um ein dauerhaftes Bild zu erhalten, das sich dann leicht auf einfaches Papier übertragen läßt. Beide Oberflächen des Blatts 2 kann man dann wiederum neutralisieren, um den Sensor 1 zur erneuten Benutzung vorzubereiten.

Die vorliegende Erfindung schafft also einen mehrfach verwendbaren Temperaturgefällesensor, der in Aufbau und Anwendung verhältnismäßig einfach ist, es jedoch gestattet, das Wärmeprofil verschiedener Gegenstände schnell aufzunehmen.

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Der Sensor 1 ist nicht auf den Einsatz auf Gegenständen mit nur ebenen Oberflächen beschränkt, sondern läßt sich auch auf eine Vielfalt unregelmäßiger Oberflächen aufbringen. Will man mit dem Sensor 1 jedoch sehr genau und präzise Profile des Wärmegradienten von Gegenständen mit unregelmäßiger Oberfläche erhalten, sollte das pyroelektrische Blatt 2 so ausgebildet sein, daß piezoelektrisch erzeugte elektrostatische Ladungen infolge von Biegungen kompensiert werden, wie es oben beschrieben ist, indem man zwei Blätter 2 miteinander verklebt.

Patentansprüche

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Claims

Pat entanspräche

1./Sensor zum Aufbringen in flächiger Berührung mit einem Gegenstand zwecks Erfassung des Wärme- oder Spannungsgefälles desselben, gekennzeichnet durch eine Schicht (2) aus gepoltem Elektretmaterial und eine auf einer ebenen Oberfläche der Schicht (2) aufgebrachte, elektrisch und thermisch leitfähige Schicht (3), die Fläche auf Fläche in Berührung mit mindestens einem Teil des Gegenstandes (6) gebracht werden soll, wobei die Elektretschicht (2) auf ihren Oberflächen ein elektrostatisches Ladungsmuster entwickelt, das dem Wärmeoder Spannungsgefälle auf demjenigen Teil des Gegenstandes (6) entspricht, mit dem die leitende Schicht (3) in Berührung steht.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektretschichtung (9) aus zwei gleichgepolten Blättern (2) aus Elektretmaterial besteht, die miteinander flächig verklebt sind, um eine verhältnismäßig steife Mittelschicht auszubilden, um die herum die Blätter (2) der Schichtung (9) sich biegen.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektretblätter (2) der Schichtung (9) in der gleichen Richtung gepolt sind.

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