CN109844478B - 具有集成传感器的连接元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有纵向延伸的连接体(11)并且具有传感器(12)的连接元件(10)，以及一种方法和测量系统，该测量系统配备这样的连接元件(10)。所述连接元件(10)具有纵向延伸的连接体(11)和传感器(12)，该传感器布置在该连接体(11)的空腔(14)内并且固定地与该连接体(11)连接，其中该传感器(12)具有至少一个传感器元件(22、24)，所述传感器元件具有取决于负荷的弹性模数，所述弹性模数根据作用的机械力变化，并且其中所述传感器元件(22、24)能够与测量组件(30)信号传输地耦合。

Description

具有集成传感器的连接元件

本发明涉及一种具有纵向延伸的连接体并且具有传感器的连接元件，该传感器布置在连接体的空腔内并且固定地与连接体连接。本发明尤其涉及力测杆，其中，接线柱同时作为相互要连接的构件的连接元件发挥功能。在另外的方面，本发明涉及一种具有测量组件并且具有连接元件的测量系统以及一种用于测量作用在连接元件上的机械力的方法。

发明背景

具有集成传感器设备的连接元件、例如力测杆在现有技术中，例如从文献WO2013/139464A1已知。在那儿提出一种结构，其基本上由纵向取向的支承结构和传感器单元组成。对于传感器单元，在那儿提出应用在支承件上的应变仪。在此，传感器单元构造用于获取机械的和/或热学的测量参数。

与此相对，本发明基于这样的任务，提供一种改进的连接元件和改进的测量系统以及改进的方法用以测量作用在连接元件上的力，借助它们能够实现长时间稳定地并且特别精确地测量作用在该连接元件上的机械力。在此，所述连接元件的特征在于良好地可再现的结构。此外，所述测量系统和测量方法的特征在于高的精确性和高程度的可再现性。

发明内容

该任务借助本发明所述的连接元件以及借助本发明所述的测量系统并且借助本发明所述的方法被解决。在此，有利的构造分别是典型的或优选的实施方案。

因此，根据一方面，连接元件具有纵向延伸的连接体并且具有传感器。传感器布置在连接体的空腔内。传感器此外固定地与连接体连接。传感器具有至少一个具有取决于负荷的弹性模数的传感器元件。这意味着，传感器元件的材料的弹性模数根据作用在传感器元件上的机械力而改变。

此外，传感器元件能够与测量组件信号传输地耦合。传感器元件优选是电传感器元件，所述电传感器元件能够电信号传输地与测量组件耦合。所述耦合在此可以电缆结合地或者甚至无线地实现。所述传感器典型地位于连接体的盲孔式构造的空腔内。该空腔可以尤其作为轴向孔引入到连接体内。所述连接体可以尤其具有纵向延伸的螺栓形式或者纵向延伸的圆柱形的接线柱形式。

典型地，所述连接体具有至少一个外螺纹部分和/或径向上变宽的顶端部分。所述连接体，即整个连接元件可以例如作为连接螺栓或者作为连接接线柱被应用，以使至少两个构件相互连接。

传感器元件的取决于负荷的弹性模数赋予例如传感器振动固有频率，所述振动固有频率根据各个占主导地位的机械负载而变化。典型地，传感器元件能够借助振荡的电输入信号被激励至作机械振动。至少一个传感器元件的共振或固有频率由于取决于负荷的弹性模数能够根据当前作用在该传感器元件上的机械力而变化。

典型地，借助测量组件能够例如根据阻抗反射测量方法测量技术地确定传感器元件的振动固有频率。由测量出的振动固有频率能够直接推断出当前作用在传感器元件上的机械力。

在此特别有优势的是，至少一个传感器元件的振动固有频率很大程度上仅通过作用在传感器元件上的机械力的改变而改变。因此，在较长的时间段上对作用在传感器元件上的力重复实施测量始终得到同样的结果。用这样的方式和方法能够实现对作用在传感器元件上的机械力的特别长时间稳定并且精确的测量。

通过传感器和它的传感器元件位于连接体的空腔内并且通过传感器和它的传感器元件固定地与连接体连接，传感器元件在一定程度上位于连接元件的负荷线路上，即连接体的负荷线路上。因此，传感器元件在如连接体自身一样的程度上承受机械的张力或者机械的力作用。可借助连接元件实施的测量方法需要至少一个传感器元件嵌入到连接体的负荷线路中或者在力线中。用这样的方式和方法可以使作用在至少一个传感器元件上的机械力的变化直接转变成至少一个传感器元件的可借助测量组件测量的振动固有频率的变化。

相应的校准或精调作为前提，至少一个传感器元件的可电测量的振动固有频率是作用在至少一个传感器元件上并且因而也作用在连接体上的机械力的直接的量化值。

根据另外一种构造，传感器具有第一传感器部分和第二传感器部分。第一和第二传感器部分在连接体的纵向方向上，典型地也在空腔的纵向方向上，彼此间隔开。在此，第一传感器部分和第二传感器部分分别固定地与连接体连接或者它们固定在其上。第一传感器部分和第二传感器部分可以同时也是传感器关于连接体的纵向方向的端部部分或者与相应的纵向端部重合。

但也可以考虑，仅第一传感器部分和第二传感器部分中的一个与传感器的纵向端部重合。通过第一和第二传感器部分都在纵向方向上彼此间隔开并且分别与连接体或直接或间接地连接和相应地固定在连接体上，可以使可能在纵向方向上作用在连接体上的机械应力相应地传递到传感器上。通过传感器在空腔内的这种方式的布置和固定，传感器可以说位于连接体的辅助力线中，而连接体自身是原本的主力线。在纵向方向上作用在连接体上的机械张力或力由于第一和第二传感器部分与连接体的各个连接而被相应地传递到第一和第二传感器部分上。

根据另外一种构造，至少一个传感器元件具有取决于机械力作用而变化的、可电测量的振动固有频率。测量组件利用传感器元件的该特征。借助测量组件可以将传感器的至少一个传感器元件激励至机械振动。根据当时作用在传感器元件上的机械力，借助测量组件能够测量传感器元件的各个作为特征性参数的振动固有频率。在此，所述振动固有频率是当时作用在相关的传感器元件上的机械力的直接的量。

根据另外一种构造，至少一个传感器元件具有压电晶体或者压电陶瓷。就这点而言，所述传感器元件也可以由一个或多个压电晶体或者一个或多个压电陶瓷构成。在所述至少一个传感器元件作为压电陶瓷被实施的情况下，它可以例如具有铅-锆酸盐-钛酸盐和/或铅-镁-铌酸盐或者别的，适合于制作压电陶瓷的材料。

虽然压电晶体或者压电陶瓷非常坚硬或无弹性，但它们仍然具有取决于负荷的弹性模数。

在此尤其设置，至少一个传感器元件在纵向方向上电接触并且压电晶体或者压电陶瓷的极化方向基本上平行于连接体的纵向方向地指向。通过这样的取向和指向实现，至少一个传感器元件的压电晶体或者压电陶瓷在纵向方向上，也就是说在连接体的纵向方向上，根据压电的纵向效果能够被激励至振动。用这样的方式和方法，至少一个传感器元件构造用于测量和确定优选在连接体的纵向方向上作用的机械力。

根据另外一种构造，与测量组件可导电地连接的电触点布置在至少一个传感器元件的纵向端部上。所述电触点可以在传感器元件的例如近侧纵向端部上与测量组件连接，而传感器元件的对置的远侧端部可以例如导电地与连接体连接。在此，连接体可以代表地势能，而在传感器元件的近侧端部上的电触点优选相对于连接体电绝缘。

借助各个电触点可以将传感器元件激励至振动。根据构造在反射组件中的测量系统或者相应的测量组件，反向辐射，即至少一个传感器元件的反射回复借助同样的电触点被接收并且被传递到测量组件上。因此，在测量组件和至少一个传感器元件之间的单独的信号传输电缆或者单独的信号传输连接或耦合原则上足够用于实施力测量。

根据另外一种构造，传感器具有至少两个在连接体的纵向方向上彼此间隔开的传感器元件，在它们之间布置有电触点。电触点与两个传感器元件处于电接触中。在此几乎是两个传感器元件串联。借助关于纵向方向或轴向方向位于所述传感器元件之间的电触点可以同时将两个传感器元件激励至振动。该电触点在此可以同样作为测量接收器发挥功能，以确定所述传感器元件的振动固有频率。所述两个传感器元件由于它们各自在连接体的空腔内的布置和固定而承受非常一致地、在纵向方向上作用的机械力。因此，它们的取决于负荷的弹性模数随着外部的力作用的变化而一样地变化。

借助至少两个在纵向方向上彼此间隔开的并且通过电触点彼此分离的传感器元件可以在电触点上测量出更大的信号振幅。敏感度和测量精确性可以由此被提高。

根据另外一种构造，传感器在空腔内部承受在纵向方向上的机械压缩。因此，传感器可以在纵向方向上预紧。所以，在连接元件的原始或输出状态中，传感器元件受到轴向压缩的预应力。在连接元件的常规使用中，轴向拉力作用在其上。这反作用于传感器元件的预应力。至少一个传感器元件的振动固有频率的由此可测量的位移的值就此而言是在纵向方向上作用在连接体上的机械力的直接值。

根据另外一个方面，设置一种测量系统，其具有至少一个之前描述的连接元件并且其具有至少一个测量组件，典型地测量器具形式的测量组件。所述测量组件或者测量器具能够与所述连接元件的传感器的至少一个传感器元件信号传输地耦合。该信号传输的耦合可以尤其电缆结合地，但也可以无线地实施。所述测量组件构造用于，确定连接元件的传感器的至少一个传感器元件的可电测量的振动固有频率。由该可测量出的振动固有频率然后能够推导出在纵向方向上作用在连接体、因而连接元件上的机械力。

根据一种扩展构造，测量系统的测量组件具有至少一个用于生成随时间变化的电输入信号的电信号发生器。该电输入信号典型地是振荡的、必要时周期振荡的电信号。所述测量组件还具有至少一个第一信号接收器。所述第一信号接收器和所述信号发生器能够与连接元件的传感器的至少一个传感器元件耦合。在测量系统运行时，第一信号接收器和信号发生器与至少一个传感器元件电连接。第一信号接收器此外构造用于在答复输入信号时评估至少一个传感器元件的响应信号。

在此尤其设置，信号发生器生成一系列不同频率的输入信号并且信号接收器根据各个所属的输入信号的频率来查出并且确定响应信号的信号振幅。用这样的方式和方法能够借助信号发生器并且借助信号接收器来确定至少一个传感器元件的振动固有频率。

此外设置，传感器元件构造成装配复合结构的部件。该装配复合结构可以除了传感器元件还具有装配帽或者功能构件。所述装配帽和/或功能构件可以与至少一个传感器元件力锁合地耦合。尤其，所述至少一个传感器元件在轴向上可以贴靠在装配帽和功能构件中的至少一个上。它也可以在轴向上在装配帽和功能构件之间夹紧地布置在空腔的内部。

由传感器元件和功能构件和装配帽中的至少一个构成的装配复合结构可以具有在1kHz和500kHz之间的范围内或者例如在10kHz和100kHz之间的范围内的固有振动频率。所述范围在测量技术上能够特别好地并且借助成本合理的要执行的测量器具被测量。因此，可以相对于确定传感器元件的振动固有频率替代或者补充地，也测量和确定具有功能构件和/或装配帽的传感器元件的装配复合结构的相应的振动固有频率。

在至少一个传感器元件和测量组件之间的信号传输的耦合典型地借助信号电缆来实现。该信号电缆就此来说在传感器元件和测量组件之间提供了电缆结合的信号传输的连接。信号电缆与传感器元件和/或与测量组件的连接可以实施成具有插头并且具有与其对应的插座的可松脱的插入连接。但所述连接也可以具有一个或者多个弹簧触点和/或接触片。

根据另外一种构造，信号发生器和第一信号接收器能够通过共同的信号电缆与至少一个的传感器元件耦合。尤其设置，测量组件构造用于实施阻抗反射测量。用于至少一个传感器元件的振动激励的输入信号和在一定程度上从第一传感元件反射的响应信号能够通过一条并且同一条信号电缆在信号发生器、信号接收器和传感器元件之间传输。仅仅单独一条信号电缆的应用在装配技术的并且在制作技术的方面对于连接元件而言证明是有利的。

根据测量系统的另外一种结构设置，信号发生器和第一信号接收器通过电阻抗串联。在此，第一信号接收器还直接与至少一个传感器元件电连接。信号发生器和至少一个传感器元件之间的电连接路线同样经过所述电阻抗。借助该电阻抗信号发生器和第一信号接收器在一定程度上彼此脱耦。由此，输入信号的份额可以在第一信号接收器上被减少或者削弱。同样地，响应信号的份额在信号发生器那边也被减少或者削弱。

根据另外一种实施方式还设置，测量组件除了第一信号接收器还具有第二信号接收器，所述第二信号接收器构造用于测量由信号发生器生成的输出信号的频率。第二信号接收器可以在一定程度上平行于信号发生器地接通。它可以如信号发生器那样位于电阻抗的同侧。借助第二信号接收器可以精确地测量实际上由信号发生器生成的输入信号的频率。因此，对信号评估而言，仅需要相互比较第一和第二信号接收器的测量信号。

根据另外一种结构，第一信号接收器构造用于测量所述至少一个传感器元件的响应信号的频谱。同样地，第二信号接收器也可以构造用于测量由信号发生器生成的输入信号的频谱。第一和第二信号接收器中的至少一个可以装备有评估单元或者与外部的评估单元信号传输地耦合，评估单元构造用于，量化地查出借助输入信号激励的传感器元件的振动固有频率。

根据另外一个方面，此外设置用于测量作用在连接元件上的力的方法。该方法包括提供之前描述的连接元件以及使连接元件的至少一个传感器元件与测量组件，典型地与属于之前描述的测量系统的测量组件，电连接的步骤。该方法还包括给至少一个传感器元件加载随时间变化的电信号。典型地，给至少一个传感器元件加载频率可变的振荡的电输入信号。

该方法还包括测量由至少一个传感器元件反射的响应信号以及评估响应信号以确定在纵向方向上作用在连接元件或者说在它的传感器元件上的力。该方法尤其能够计算机支持地被实施。就此而言，至少一个传感器元件加载随时间变化的电信号、测量反射的响应信号以及评估响应信号的这些步骤可以计算机执行地，尤其软件执行地安排。

所述测量组件典型地具有至少一个处理器，比方说微型处理器或者微型控制器以及存储器。所述测量组件还可以具有可编程的(speicherprogrammierbare)控制器和/或FPGA-模块(现场可编程门阵列)。所述测量组件可以构造成计算机或者平板电脑。

所描述的测量方法尤其能够借助之前描述的测量系统、至少借助之前描述的连接元件被实施。就此而言，所有的关于所述连接元件和所述测量系统提到的特征、性能和优点也同样适用于所述测量方法；并且反之亦然。

根据所述测量方法的另外一种构造，响应信号的评估包括响应信号的频谱分析。为了确定在纵向方向上作用在连接元件或者说作用在至少一个传感器元件上的力，测量至少一个传感器元件的共振或振动固有频率。至少一个传感器元件的共振或振动固有频率由于至少一个传感器元件的取决于负荷的弹性模数是在纵向方向上作用在传感器元件和作用在纵向延伸的连接体的力的直接值。

当然，所述方法可以在实施测量前也包括精调和/或校准发生应用的连接元件。用这样的方式和方法，每个可测量的振动固有频率可以根据连接元件的之前实施的特性对应一个机械力。在应用所述测量方法的情况下，之前例如存放在存储器内的、振动固有频率的对应和与其分别伴随的机械力仅仅在测量振动固有频率后才能被读出。

附图说明

在接下来的对实施例的说明中参照附图解释所述连接元件、测量系统以及用此可实施的测量方法的其它的优点、特征以及有利的性能。附图示出：

图1穿过将两个构件相互连接的连接元件的横截面的示意图，

图2连接元件的根据图1的横截面，但构型具有轻微的偏差，

图3根据第一实施方式传感器在纵向延伸的连接体的空腔内的固定的示意放大图，

图4用于传感器在空腔内的固定的另外一种实施方式，

图5用于传感器在空腔内的固定的另外一种实施方式，

图6具有两个传感器元件的传感器的构造的示意图，

图7具有总共两个传感器元件的传感器的构造的另外一种实施方式，

图8要与传感器信号传输地连接的测量组件的示意图，

图9在第一力存在的情况下测量的图，

图10在第二力存在的情况下力测量的图，

图11具有在各种不同的力存在的情况下测量出的振动固有频率的总共四个图形的图表，

图12测量方法的流程图。

具体实施方式

图1和图2中示意性示出用于测量和确定在轴向或纵向方向上作用在连接元件10的力的测量系统。测量系统50包括具有纵向延伸的连接体11的连接元件10以及典型的以测量器具的形式构造的测量组件30。连接元件10构造成力测杆。纵向延伸的连接体11具有螺杆式或接线柱式纵向延伸的圆柱形的形状。

在图1的实施例中，连接体11具有纵向延伸的杆17，所述杆带有布置在上面的杆端部上的在径向上变宽的顶端18。杆17至少部分地具有外螺纹25，其拧入到或者能够拧入到第一构件1的与之对应地构造的内螺纹29内。第一构件1在目前实施例中具有通孔3，所述通孔构造为与第二构件的通孔4齐平。杆17贯穿第二构件2的通孔4。在径向上变宽的顶端18与通孔4的背离第一构件的开口边缘在轴向上处于贴靠位置中。

通过拧紧连接体11，连接元件10可以施加使第一和第二构件拼合的力。由此，借助连接元件10将第二构件2夹紧地保持在顶端18和第一构件1之间。为了将连接元件10拧入到第一构件1内，顶端18可以例如具有径向外置的扳手面。

替换地并且如图1所示，顶端18的端面可以具有接收部28，所述接收部设有与螺旋工具对应的形状锁合结构27，或者设有扳手面。连接元件10的拧入和拧紧扭矩的施加伴随着在纵向方向上或者在轴向方向上指向的、穿过连接体11的机械应力。通过连接元件10的拧入和拧紧，连接体11承受在纵向或轴向方向上的拉伸应力。

连接体11在目前的实施例中在径向上居中地具有在纵向方向上走向的空腔14，所述空腔在轴向方向上向上一直通到顶端18的端面中。该空腔可以构造成在连接体11内的轴向盲孔的式样。在空腔14内固定地布置传感器12。传感器12，如图3至7中详细地表明地那样，具有至少一个传感器元件22，必要时甚至两个传感器元件22、24。所述至少一个传感器元件22，必要时甚至两个传感器元件22、24，具有一种具有取决于负荷的弹性模数的材料。

传感器元件22的材料根据各个占主导地位的机械力改变它的弹性或刚性。弹性模数的改变尤其在传感器元件22、24的振动特征中反应出来。传感器元件22、24在例如电动或者机电的振动激励中的振动频率根据当时作用在传感器元件22、24上的机械力或者应力而改变。至少一个传感器元件22、24的振动固有频率能够借助测量组件30和例如借助信号电缆36形成的传输信号的、在传感器12和测量组件30之间的电耦合来测量。

为了确定所述至少一个传感器元件22、24的振动固有频率，设置阻抗反射测量的实施。也就是说，通过信号导线36将至少一个传感器元件22、24激励至作机械振动。反射信号作为响应信号随后同样地从信号电缆36传输到测量组件30。借助经过预给定的频带的调谐来用这样的方式和方法能够确定处于机械应力下的传感器12的振动固有频率。

测量系统50的根据图2的构造类似于测量系统的根据图1的构造。但在这里区别于根据图1的构造，代替设有顶端的连接体11，设有基本上完全圆柱形的连接体111，所述连接体在对置的端部部分分别具有外螺纹25、45。连接体111的从第二构件2的背离第一构件1的那侧伸出的端部目前设有外螺纹45，所述外螺纹与螺母42的内螺纹46共同作用。螺母42在它的外周上具有形状锁合结构47，借助所述形状锁合结构在合适的螺旋工具的辅助下能够在螺母42上施加转矩。

在此，传感器12的空腔14也设置成在连接体111内径向上居中的圆柱形盲孔。

图3至5中示出不同的用于固定和保持在空腔14内部的传感器12的实施方式。传感器12，其在图3至5中作为整体的传感器示出，可以具有单个的、例如压电晶体形式或者压电陶瓷形式的传感器元件22。但传感器12也可以具有两个或者多个传感器元件22、24，如它们在图6和7中示例地示出的那样。

传感器12在电方面用它的对置的纵向端部接触。传感器12的下端部，其位于空腔14的底部60上，直接电传导地与底部60并且因此与典型地由金属制作的连接体11接触。传感器12的对置的端部与电触点26处于连接中。电触点26通过信号电缆36与测量组件30电连接。

传感器12在空腔14的内部借助装配帽64固定。在装配帽64，其也可以由金属制作，和电触点26之间此外布置电绝缘体66。用这样的方式和方法，电触点26与金属的连接体11电绝缘。装配帽64具有电缆套管65。电绝缘体66同样具有电缆套管67。因此，信号电缆36可以穿过装配帽64并且穿过电绝缘体66通过去。

为了将传感器12机械地固定在空腔14的内部，目前设置了连接体11的塑性变形。在制作技术上可以将传感器12和电触点26、27、信号电缆36以及和电绝缘体66和装配帽64一起导入到先是空心圆柱形的空腔14内。然后，空腔14的内壁62这样地实现向着径向内部的变形，使得装配帽64并且因此在装配帽64、电绝缘体66和传感器12的整个组件上也被施加以在轴向或纵向方向上作用的预应力。换句话说，使传感器12在连接体11的轴向方向或者纵向方向上被压缩。内壁62在塑性变形完成后具有至少一个或者多个径向向内突出的突出部63，所述突出部使传感器12在处于预紧的状况下固定地保持在空腔14内。

在机械方面，传感器12在底部60和至少一个径向向内突出的突出部63之间在轴向方向上被压缩，该突出部也可以构造成环形。由此，关于连接体11的纵向方向而言彼此间隔开的第一传感器部分15和第二传感器部分16分别分开地与连接体11连接或者固定在其上。在目前的实施例中与传感器12的纵向端部重合的第二传感器部分16处于与空腔14的底部60的直接贴靠位置上。与传感器12的对置的纵向端部重合的第一传感器部分15处于相对于电绝缘体66或者相对于装配帽64的直接贴靠位置中。

就此而言，第一传感器部分15通过装配帽64并且通过电绝缘体66间接地固定地与连接体11的在纵向方向上与底部60间隔开的区域、例如与突出部63连接或者固定在其上。在纵向方向上或在轴向方向上作用在连接体11上的力，例如在连接体11上的拉力负荷对传感器12的轴向压缩产生直接影响。在连接体11上的拉力负荷尤其反作用于传感器12的预应力。这毫无疑问造成作用在传感器12上的轴向和在纵向方向上生效的机械力的改变。因此，传感器12或者它的传感器元件22、24改变它的可电测量的振动固有频率。振动固有频率的改变因而是作用在连接体11上的拉伸应力发生变化的直接的度量和指数。

在根据图4的实施例中，替代空腔14的内壁62的塑性变形，设置了传感器12、电绝缘体66和装配帽64的组件的力锁合的保持。替代用于制造内壁62的径向向内突出的突出部63的塑性变形，按照根据图4的实施例设置了装配帽64和内壁62的材料锁合的连接。这可以例如借助焊接和在构成焊接处163的情况下实现。装配帽64和内壁62的材料锁合的连接在这里也在传感器12的轴向压缩的状况下实现。

另外的根据图5的实施例为替代材料锁合的连接设置了，将装配帽64拧入到空腔14内并且在一定程度上借助螺纹连接使它固定在空腔14内。为此，装配帽64在它的外侧面具有外螺纹165，其可以被带至与设置在内壁62上的内螺纹166配合中。类似于根据图1的顶端18，在这里装配帽64的背离所述传感器的端面也具有用于与螺旋工具传递转矩而耦合的形状锁合结构。因此，装配体64可以在产生作用在传感器12的轴向压缩的状况下被拧入到空腔14内。

在根据图6和7的实施例中，两个传感器变体12被示出，在其中替代单个的传感器22，传感器12具有两个电串联的传感器元件22、24。根据图6和7的传感器12可以根据图3至5中描述的方法之一处于预紧的状况下地固定在空腔14内，而不需要参照图6或7详细地解释它。

如图6中所示，电触点26位于第一传感器元件22和第二传感器元件24之间，该电触点与信号电缆36电连接。在此，第一传感器元件22具有轴向的电缆套管23。类似于对图3至5解释的那样，在这里装配帽64也造成，传感器12通过它的两个传感器元件22、24在轴向预紧、尤其在轴向压缩的状况下固定在空腔14内。第一传感器元件22和第二传感器元件24在连接体11的纵向方向上也在空腔14的纵向方向上通过电触点26彼此分离。

通过与电触点26同时进行电接触，第一传感器元件22和第二传感器元件24可以一样地地被加载以振荡的输入信号。由于第一和第二传感器元件22、24的机械串联和这样的事实：第一和第二传感器元件22、24借助装配帽64在轴向上彼此邻接地位于空腔14内地被轴向地预紧，所以它们也承受非常相同的在纵向方向上的机械压力载荷。因此，传感器元件22、24的反应也非常一致，从而第一和第二传感器元件22、24的振动固有频率能够借助一个并且同一个电触点26被接收并且通过测量组件30的信号电缆36被输送。

第一传感器元件22和第二传感器元件24的背离电触点26的纵向端部导电地与装配帽64并且与空腔14的底部60连接。也就是说，它们两个都可以位于地势能上。

在另外的根据图7的构造中，相对于根据图6的结构补充地，是在第二传感器元件24和空腔14的底部60之间布置另外的功能构件68。功能构件68可以具有限定的弹性或刚性并且因此非常大地影响传感器12的结构的整体弹性。在机械方面并且鉴于拉伸或压力负荷，装配帽64、第一传感器元件22、电触点26、第二传感器元件24和功能构件68在某种程度上串联。

通过合适地选择具有可变的弹性或者几何形状的功能构件68可以使连接体11和传感器12之间的机械配合的式样与各种不同的测量要求相匹配。尤其可以通过从一系列供以使用的、具有各种不同的弹性特征或几何形状的功能构件选择功能构件68而使传感器的敏感度与连接体11的机械张力和机械负荷的变化可变地匹配。

图8中最后示意示出测量组件30的结构。在出口侧并且通过信号电缆36，测量组件30能够与传感器12信号传输地耦合。测量组件30具有信号发生器32以及第一信号接收器34和第二信号接收器35。第一信号接收器34和第二信号接收器35之间布置有欧姆的或电阻抗38，其基本上用于输入信号和响应信号的脱耦。第二信号接收器35主要用于由信号发生器32生成的输入信号的监测和频率测量。由于阻抗38，所述输入信号被第一信号接收器34仅消减地或削弱地测量。反之，第一信号接收器34直接与信号电缆36，因而与根据反射方法工作的测量组件30的出口或入口耦合。

由传感器12反射的并且具有传感器12的振动固有频率特征的响应信号主要由第一信号接收器34接收。由于阻抗38，传感器12的反射的响应信号仅消减地或削弱地接收在第二信号接收器35中。

在测量组件30和整个测量系统50的运行中设置，在预给定的频率范围内调谐输入信号的频率，以使找到那些振动频率，在其中传感器12具有它的共振或者它的振动固有频率。

在图9和10中的两个简图的图示中示出用于两个不同的、作用在连接元件10上的轴向力F1和F2的信号的振幅A。在力F1的情况下，传感器12或者它的传感器元件22、24的振动固有频率位于频率f1中。在力F2作用的情况下，所述振动固有频率根据图10的图示位于频率f2中。频率f1大于频率f2。因此，总地作用在传感器12上的力在图10的例子中小于在图9中的力。

鉴于，从外部作用在连接元件10上的或者外部施加的力，结果通过连接元件10要传递到构件1、2上的拉力反向于传感器12的预应力，根据图10的形态可以表示力F2，其大于根据图9的力F1。由此，力F1可以表示连接组件10的未负荷的输出状态，在其中传感器元件22、24或者由传感器元件22、装配帽64和/或功能构件68构成的装配复合结构借助轴向预应力固定地布置在空腔14内。比方说通过螺纹连接制造的作用于连接元件10上的拉力反作用于初始的预应力。作用在传感器元件22和/或装配复合结构上的总地负荷因此被减少。由此导致，振动固有频率从f1降低到f2。这样的关联尤其可以在弹性模数与施加的力的累进的关联中被观察到。在弹性模数与施加的力的累减的关联中，所述频率在之前描述的场景中升高。

在根据图11的图表中总共示出在施加到连接元件的力各个不同的情况下进行的四次测量。各个曲线再现了从0到60kN的力或者拧紧力矩。虚线图符合在初始状态中的连接元件，虚线表达了力为20kN的情况下的测量。设有菱形的图表达了40kN的情况下的测量并且直线代表了外部施加的力为60kN的情况下的测量。从根据图11的图表直接可以看出，各个曲线的振动固有频率被移动。在未负荷的状态中，即在0kN的情况下，振动固有频率f0为大约85kHz。在拉力负荷是20kN的情况下，振动固有频率f20大约是80kHz。在机械负荷是40kN的情况下，振动固有频率f40大约是76kHz并且在负荷是60kN的情况下，振动固有频率f60大约是71kHz。

试验表明了，所述测量能够任意多次地并且在不同时间被重复，并且在此分别得到同样的测量结果。因此，借助这里描述的测量系统能够确定长时间稳定的并且非常精确的、轴向上作用在连接元件上的机械力的测量。

这里给出的频率区域纯粹用于范例的举例。所述至少一个传感器元件的振动固有频率也可以位于完全不同的频率范围内，例如在100kHz以上的范围内或者也可以在10kHz以下的范围内。视所述连接元件的具体结构形式而定，也可以考虑在各个不同的力范围内进行测量。

在根据图12的流程图中示意地示出用于测量作用在连接元件10上的力的方法。在第一步骤100中提供连接元件10并且使它的传感器12或者它的传感器元件22、24与测量组件30电信号传输地连接。在另外的步骤102中给至少一个传感器元件22、24加载随时间可变化的电信号，尤其由信号发生器32生成的输入信号。在另外的步骤104中，该步骤可以相对于步骤102同步进行，测量由传感器元件22、24反射的响应信号。

典型地对整个频谱实施步骤102和104。在频谱被分析过后，在最后的步骤106中，从测量出的响应信号查出传感器元件22、24的振动固有频率。所述振动固有频率可以作为这样的频率被确定，在其中，所述响应信号的振幅对于测量出的频率范围而言是最大的。

测量出的振动固有频率与实际上作用在连接元件上的力的对应于是根据之前实施的精调或者校准来实现。

如另外在图2中表明的那样，所述测量系统也可以除了已经描述的第一测量组件30还具有另外的、即第二测量组件130。在此，传感器12的信号电缆35能够可选地或者与第一或者与第二测量组件30、130耦合或者连接。由此得到这样的优势：可以在不变换传感器的情况下转换信号评估。从而可以例如，为长时间稳定的测量而应用第一测量组件30，而为高动力的或者特别敏感的测量可以使用根据第二测量组件130的另外的测量方法，例如基于电容反向连接的运算放大器。所述测量组件之间的转换可以借助例如开关实现。

附图标记列表

1 构件

2 构件

3 通孔

4 通孔

10 连接元件

11 连接体

12 传感器

14 空腔

15 传感器部分

16 传感器部分

17 杆

18 顶端

22 传感器元件

23 电缆套管

24 传感器元件

25 外螺纹

26 电触点

27 形状锁合结构

28 接收部

29 内螺纹

30 测量组件

32 信号发生器

34 信号接收器

35 信号接收器

36 信号电缆

38 阻抗

42 螺母

45 外螺纹

46 内螺纹

47 形状锁合结构

50 测量系统

60 底部

62 内壁

63 突出部

64 装配帽

65 电缆套管

66 电绝缘

67 电缆套管

68 功能构件

111 连接体

130 测量组件

163 焊接处

165 外螺纹

166 内螺纹

Claims (15)

1.一种具有纵向延伸的连接体(11)并且具有传感器(12)的连接元件(10)，其中该纵向延伸的连接体(11)包括带螺纹的纵向延伸的杆(17)以及其中该传感器(12)布置在该带螺纹的杆(17)的空腔(14)内并且固定地与该连接体(11)连接，其中该传感器(12)具有至少一个电传感器元件(22、24)，所述电传感器元件布置在所述空腔(14)内且所述电传感器元件具有取决于负荷的弹性模数，所述弹性模数根据作用的机械力变化，其中所述电传感器元件(22、24)能够与测量组件(30)信号传输地电耦合，并且其中所述传感器(12)在所述空腔(14)内部承受在纵向方向上的机械压缩。

2.根据权利要求1所述的连接元件(10)，其中，所述传感器(12)具有第一传感器部分(15)和第二传感器部分(16)，该第一传感器部分和该第二传感器部分在所述连接体(11)的纵向方向上彼此间隔开，其中该第一传感器部分(15)和该第二传感器部分(16)分别固定地与所述连接体(11)连接或者固定在其上。

3.根据权利要求1或2所述的连接元件，其中，所述至少一个电传感器元件(22、24)具有取决于机械力作用而变化的、可电测量的振动固有频率。

4.根据权利要求1或2所述的连接元件，其中，所述至少一个电传感器元件(22、24)具有压电晶体或者压电陶瓷。

5.根据权利要求4所述的连接元件，其中，所述压电晶体或者压电陶瓷的极化方向基本上平行于所述连接元件的纵向方向延伸。

6.根据权利要求1或2所述的连接元件，其中，与所述测量组件(30)可导电地连接的电触点(26)布置在所述至少一个电传感器元件(22、24)的纵向端部上。

7.根据权利要求1或2所述的连接元件，其中，所述传感器(12)具有至少两个在所述连接体(11)的纵向方向上彼此间隔开的电传感器元件(22、24)，在所述电传感器元件之间布置有电触点(26)，所述电触点与两个电传感器元件(22、24)处于电接触中。

8.根据权利要求1或2所述的连接元件，其中，所述传感器(12)的一个纵向端部与所述连接体(11)电连接，并且其中所述传感器(12)的一个对置的纵向端部与电触点(26)电连接，其中所述电触点(26)能连接至所述测量组件(30)。

9.具有至少一个根据以上权利要求之一所述的连接元件(10)并且具有至少一个测量组件(30)的测量系统，所述测量组件能够与所述连接元件(10)的传感器(12)的至少一个电传感器元件(22、24)信号传输地耦合其中，所述测量组件(30):

-具有至少一个用于生成随时间变化的电输入信号的电信号发生器(32)，

-并且具有至少一个第一信号接收器(34)，

-其中所述第一信号接收器(34)和所述信号发生器(32)能够与所述至少一个电传感器元件(22、24)电耦合，并且其中所述第一信号接收器(34)构造用于评估所述至少一个电传感器元件(22、24)的响应信号。

10.根据权利要求9所述的测量系统，其中，所述信号发生器(32)和所述第一信号接收器(34)能够通过共同的信号电缆(36)与所述至少一个电传感器元件(22、24)耦合。

11.根据权利要求9或10所述的测量系统，其中，所述信号发生器(32)和所述第一信号接收器(34)通过电阻抗(38)串联。

12.根据权利要求9或10所述的测量系统，还具有第二信号接收器(35)，所述第二信号接收器构造用于测量由所述信号发生器(32)生成的输出信号的频率。

13.根据权利要求9或10所述的测量系统，其中，所述第一信号接收器(34)构造用于测量所述至少一个电传感器元件(22、24)的响应信号的频谱。

14.用于测量作用在连接元件上的力的方法，具有这些步骤：

-提供根据以上权利要求1至8之一所述的连接元件(10)，

-所述至少一个电传感器元件(22、24)与测量组件(30)进行电连接，

-给所述至少一个电传感器元件(22、24)加载随时间变化的电信号，

-测量由所述电传感器元件(22、24)反射的响应信号，以及

-评估响应信号以确定在纵向方向上作用在所述连接元件(10)上的力。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，响应信号的评估包括响应信号的频谱分析，并且其中为了确定在纵向方向上作用在所述连接元件(10)上的力，测量所述至少一个电传感器元件(22、24)的共振或固有频率。

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