DE102016219953A1 - Method and device for measuring the preload force of a mechanical connection, in particular a screw connection - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Messung der Vorspannkraft einer mechanischen Verbindung, insbesondere einer Schraubverbindung, die zwischen einem Bauteil und einem Objekt oder weiterem Bauteil über wenigstens ein auf Zug belastetes Verbindungselement hergestellt wird. Bei dem Verfahren wird die Vorspannkraft mit einem kapazitiven Drucksensor gemessen, der in ein flaches Unterlegelement mit einer Durchgangsöffnung für das Verbindungselement integriert ist. Das Unterlegelement wird bei Herstellung der mechanischen Verbindung zwischen einem Kopf oder Gegenstück des Verbindungselementes und dem Bauteil eingelegt. Bei dem Verfahren und der Vorrichtung wird ein kapazitiver Drucksensor eingesetzt, der wenigstens drei drucksensitive Kondensatoren um die Durchgangsöffnung herum aufweist, wobei sich nach der Herstellung der mechanischen Verbindung einstellende Kapazitäten der Kondensatoren erfasst werden. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung lässt sich die Vorspannkraft zuverlässig bestimmen und auch über einen längeren Zeitraum überwachen. Die Vorrichtung lässt sich dabei kostengünstig herstellen. The present invention relates to a method and a device for measuring the prestressing force of a mechanical connection, in particular a screw connection, which is produced between a component and an object or further component via at least one tensioned connection element. In the method, the biasing force is measured with a capacitive pressure sensor, which is integrated in a flat shim with a through hole for the connecting element. The shim is inserted in making the mechanical connection between a head or counterpart of the connecting element and the component. In the method and the device, a capacitive pressure sensor is used, which has at least three pressure-sensitive capacitors around the passage opening, wherein after the production of the mechanical connection adjusting capacitors of the capacitors are detected. With the method and the device, the preload force can be reliably determined and monitored over a longer period of time. The device can be produced inexpensively.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung und/oder Überwachung der Vorspannkraft einer mechanischen Verbindung, insbesondere einer Schraubverbindung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Die Erfindung betrifft auch eine zur Durchführung des Verfahrens ausgebildete Vorrichtung.The present invention relates to a method for measuring and / or monitoring the biasing force of a mechanical connection, in particular a screw connection, according to the preamble of
Auf vielen technischen Gebieten müssen einzelne Bauteile miteinander oder mit bspw. feststehenden Objekten mechanisch verbunden werden. Häufig werden hierzu Schraubverbindungen eingesetzt, bei denen die Schraube als Verbindungselement auf Zug belastet wird. Vor allem bei sicherheitsrelevanten Verbindungen ist auch eine Überwachung der mechanischen Verbindung über die Zeit erforderlich. So werden bspw. bei der Konstruktion von Bauwerken benachbarte Bauteile häufig durch Schrauben zusammengefügt. Diese müssen mit einer festgelegten Vorspannkraft beaufschlagt werden, was durch die Nutzung von Drehmomentschlüsseln bei der Herstellung der Schraubverbindung erreicht werden kann. Falls die Schraube beim Anziehen verkantet, entspricht das eingestellte Drehmoment jedoch nicht der Vorspannkraft in der Schraube. Weiterhin kann sich die Schraube auch im Laufe der Zeit lösen.In many technical fields, individual components must be mechanically connected to each other or to, for example, fixed objects. Often this purpose screw connections are used, in which the screw is loaded as a connecting element to train. Especially with safety-relevant connections, it is also necessary to monitor the mechanical connection over time. For example, in the construction of structures adjacent components are often joined together by screws. These must be acted upon with a specified biasing force, which can be achieved by the use of torque wrenches in the manufacture of the screw. However, if the bolt tilts when tightened, the adjusted torque will not match the preload force in the bolt. Furthermore, the screw can loosen over time.
Stand der TechnikState of the art
Bisher wird die Vorspannkraft bei Schraubverbindungen in den meisten Fällen lediglich über Drehmomentschlüssel eingestellt. Es sind jedoch auch Techniken bekannt, die Vorspannkraft während oder nach dem Herstellen der Schraubverbindung über geeignete Sensoren zu messen.So far, the preload force in screw connections in most cases is set only by torque wrench. However, techniques are also known for measuring the preload force during or after making the screw connection via suitable sensors.
So zeigt die
Aus der
Viele der bisher verfügbaren Lösungen zur Messung der Vorspannkraft einer Schraubverbindung ermöglichen jedoch keine ausreichend kostengünstige Herstellung, um in großen Stückzahlen produziert und eingesetzt zu werden. Die Prüfung der Vorspannkraft ist zudem häufig unzuverlässig, da Fehlmessungen aufgrund einer Verkantung der Schrauben auftreten können.However, many of the hitherto available solutions for measuring the preload force of a screw connection do not allow sufficiently cost-effective production in order to be produced and used in large quantities. In addition, the testing of the preload force is often unreliable, since incorrect measurements can occur due to a tilting of the screws.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Messung der Vorspannkraft einer mechanischen Verbindung über ein auf Zug belastetes Verbindungselement anzugeben, die sich kostengünstig umsetzen lassen und eine zuverlässige Erfassung der Vorspannkraft auch über einen längeren Zeitraum ermöglichen.The object of the present invention is to provide a method and a device for measuring the preload force of a mechanical connection via a loaded on train connecting element, which can be implemented inexpensively and allow reliable detection of the biasing force over a longer period.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.The object is achieved by the method and the device according to
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Vorspannkraft mit einem kapazitiven Drucksensor gemessen, der in ein flaches Unterlegelement mit einer Durchgangsöffnung für das Verbindungselement integriert ist, das bei Herstellung der mechanischen Verbindung, insbesondere einer Schraubverbindung, zwischen einem Kopf oder Gegenstück des Verbindungelementes und dem Bauteil eingelegt wird. Bei Herstellung einer Schraubverbindung stellt die Schraube somit das Verbindungselement dar, wobei das Unterlegelement zwischen dem Schraubenkopf und dem Bauteil oder zwischen einer Mutter als Gegenstück der Schraube und dem Bauteil eingelegt wird. Selbstverständlich können hierbei auch noch zusätzlich ein oder mehrere Unterlegscheiben als Zwischenelemente vorhanden sein. Die Durchgangsöffnung kann bei dem Verfahren und der vorgeschlagenen Vorrichtung eine vollständig vom Unterlegelement umschlossene Öffnung (Loch) darstellen, kann aber zu einer Schmalseite des Durchgangselementes hin offen sein, also einen nach einer Seite offenen Schlitz im Unterlegelement bilden. In dieser Ausgestaltung ist das Unterlegelement somit als Gabelunterlegscheibe ausgebildet, die eine äußere Form ähnlich eines Gabelkabelschuhs aufweist. Bei dieser Ausgestaltung besteht die Möglichkeit, das Unterlegelement erst nach lockerer Verbindung des Verbindungselementes mit dem Gegenstück (z.B. Schraube mit Mutter) seitlich über das Verbindungselement zu stecken. Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zur Messung der Vorspannkraft ein kapazitiver Drucksensor eingesetzt wird, der wenigstens drei drucksensitive Kondensatoren um die Durchgangsöffnung herum aufweist, wobei sich nach der Herstellung der mechanischen Verbindung einstellende Kapazitäten der wenigstens drei drucksensitiven Kondensatoren direkt oder indirekt, bspw. über die Frequenz eines mit diesen Kondensatoren gebildeten Schwingkreises, erfasst werden.In the proposed method, the biasing force is measured with a capacitive pressure sensor, which is integrated in a flat shim with a through hole for the connecting element, which is inserted in producing the mechanical connection, in particular a screw, between a head or counterpart of the connecting element and the component , When producing a screw, the screw thus represents the connecting element, wherein the shim is inserted between the screw head and the component or between a nut as a counterpart of the screw and the component. Of course, in this case also one or more washers may additionally be present as intermediate elements. In the method and the proposed device, the passage opening may represent an opening (hole) completely enclosed by the base element, but may be open towards a narrow side of the passage element, ie form a slot open in one side in the base element. In this embodiment, the shim is thus formed as a fork washer having an outer shape similar to a fork cable lug. In this embodiment, it is possible, the shim only after loosely connecting the Insert connecting element with the counterpart (eg screw with nut) laterally over the connecting element. The proposed method is characterized in that for measuring the biasing force, a capacitive pressure sensor is used which has at least three pressure-sensitive capacitors around the passage opening, wherein after the preparation of the mechanical connection adjusting capacity of at least three pressure-sensitive capacitors directly or indirectly, eg ., About the frequency of a resonant circuit formed with these capacitors, are detected.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht durch die Nutzung eines kapazitiven Drucksensors mit wenigstens drei drucksensitiven Kondensatoren um die Durchgangsöffnung herum eine zuverlässigere Messung der Vorspannkraft, da eine Verkantung des Verbindungselementes unmittelbar erkannt werden kann. Bei gleichmäßiger Verbindung, bspw. gleichmäßigem Anziehen einer Schraubverbindung, werden die wenigstens drei drucksensitiven Kondensatoren gleich stark belastet, wohingegen bei unterschiedlicher Belastung eine Verkantung vorliegt. Durch die Integration des kapazitiven Drucksensors in ein flaches Unterlegelement, das zwischen dem Kopf oder Gegenstück des Verbindungselementes und dem Bauteil verbleibt, lässt sich die Vorspannkraft der mechanischen Verbindung auch über einen längeren Zeitraum hinweg messen bzw. überwachen. So kann festgestellt werden, ob sich die Vorspannkraft unmittelbar nach Herstellung der Verbindung verringert hat oder sich im Laufe der Zeit verringert.The proposed method allows by using a capacitive pressure sensor with at least three pressure-sensitive capacitors around the passage opening around a more reliable measurement of the biasing force, since a tilting of the connecting element can be detected immediately. For a uniform connection, for example. Even tightening a screw, the at least three pressure-sensitive capacitors are equally heavily loaded, whereas there is a tilting at different load. By integrating the capacitive pressure sensor in a flat shim that remains between the head or counterpart of the connecting element and the component, the biasing force of the mechanical connection can be measured or monitored over a longer period of time. Thus, it can be determined whether the preload force has decreased immediately after the connection has been established or has decreased over time.
Die zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagene Vorrichtung ist entsprechend als flaches Unterlegelement mit einer Durchgangsöffnung für das Verbindungselement ausgebildet und weist den kapazitiven Drucksensor auf. Das Unterlegelement kann auch aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein. Der kapazitive Drucksensor verfügt dabei wenigstens über drei drucksensitive Kondensatoren um die Durchgangsöffnung herum sowie elektrische Anschlüsse, über die die jeweiligen Kapazitäten der Kondensatoren erfasst werden können.The proposed device for carrying out the method is accordingly designed as a flat shim with a through hole for the connecting element and has the capacitive pressure sensor. The shim may also be composed of several parts. In this case, the capacitive pressure sensor has at least three pressure-sensitive capacitors around the through-opening and electrical connections via which the respective capacitances of the capacitors can be detected.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der kapazitive Drucksensor durch ein Dielektrikum zwischen zwei metallischen Schichten gebildet, von denen wenigstens eine erste metallische Schicht in mehrere Bereiche aufgetrennt ist, so dass durch die beiden metallischen Schichten mit dem zwischenliegenden Dielektrikum die mehreren drucksensitiven Kondensatoren, im Folgenden auch als Messkondensatoren bezeichnet, um die Durchgangsöffnung herum gebildet werden. Durch die bei Herstellung der mechanischen Verbindung aufgebrachte Kraft wird das Dielektrikum der Kondensatoren verformt und damit die Kapazität der Kondensatoren geändert. Über die elektrischen Anschlüsse kann die jeweilige Kapazität oder auch eine Änderung der Kapazität erfasst und ausgewertet werden. So lässt sich die erfasste Kapazität bspw. mit Hilfe einer Kalibrierkurve in die anliegende Kraft, d. h. die Vorspannkraft, umrechnen. Es besteht auch die Möglichkeit, einen Stapel aus mehreren dieser kapazitiven Strukturen aus erster und zweiter metallischer Schicht mit zwischenliegendem Dielektrikum zu bilden, um durch Parallelschaltung der jeweils übereinander liegenden Messkondensatoren höhere Kapazitäten zu erzielen. Die kapazitiven Strukturen sind dabei im Stapel jeweils durch eine zwischenliegende Isolationsschicht voneinander getrennt.In a preferred embodiment, the capacitive pressure sensor is formed by a dielectric between two metallic layers, of which at least a first metallic layer is separated into several areas, so that the plurality of pressure-sensitive capacitors, hereinafter also referred to as the two metallic layers with the intermediate dielectric Measuring capacitors referred to are formed around the through hole. Due to the force applied during the production of the mechanical connection, the dielectric of the capacitors is deformed and thus the capacitance of the capacitors is changed. About the electrical connections, the respective capacity or a change in capacity can be detected and evaluated. Thus, the detected capacitance can, for example. With the aid of a calibration curve in the applied force, d. H. the preload force, convert. It is also possible to form a stack of several of these capacitive structures comprising first and second metallic layers with an intermediate dielectric in order to achieve higher capacitances by connecting the measuring capacitors lying one above the other in parallel. The capacitive structures are separated from each other in the stack by an intermediate insulating layer.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die metallischen Schichten des kapazitiven Drucksensors ringförmig um die Durchgangsöffnung herum ausgebildet. Dabei ist vorzugsweise die erste metallische Schicht in wenigstens drei Ringsegmente aufgetrennt, durch die in Verbindung mit der zweiten metallischen Schicht und dem Dielektrikum die einzelnen Messkondensatoren gebildet werden. Bei Nutzung des oben beschriebenen Stapels betrifft diese Auftrennung in Ringsegmente entsprechend alle ersten metallischen Schichten der jeweiligen kapazitiven Strukturen.In a preferred embodiment, the metallic layers of the capacitive pressure sensor are formed annularly around the passage opening. In this case, the first metallic layer is preferably separated into at least three ring segments, through which the individual measuring capacitors are formed in conjunction with the second metallic layer and the dielectric. When using the stack described above, this separation into ring segments correspondingly affects all the first metallic layers of the respective capacitive structures.
Die Ausgestaltung des kapazitiven Drucksensors mit den beiden metallischen Schichten und dem zwischenliegenden Dielektrikum ermöglicht eine sehr kostengünstige Herstellung der vorgeschlagenen Vorrichtung. So lassen sich die beiden metallischen Schichten jeweils auf getrennten Trägerplatten oder Platinen erzeugen, zwischen die dann bei der Endmontage des Sensors das Dielektrikum eingebracht wird. Das gesamte Unterlegelement ist dabei vorzugsweise in Form einer Sandwichstruktur aus den beiden Trägerplatten oder Platinen mit dem zwischenliegenden Dielektrikum gebildet. Die nicht segmentierte metallische Schicht kann auch durch ein metallisches Gehäuseteil realisiert werden, in das die Platine mit der segmentierten metallischen Schicht eingelegt wird. Es besteht auch die Möglichkeit die nicht segmentierte metallische Schicht durch eine Spannscheibe oder Federscheibe zu realisieren.The design of the capacitive pressure sensor with the two metallic layers and the intermediate dielectric allows a very cost-effective production of the proposed device. In this way, the two metallic layers can each be produced on separate carrier plates or boards, between which the dielectric is then introduced during the final assembly of the sensor. The entire shim is preferably formed in the form of a sandwich structure of the two carrier plates or boards with the intermediate dielectric. The non-segmented metallic layer can also be realized by a metallic housing part, in which the board with the segmented metallic layer is inserted. It is also possible to realize the non-segmented metallic layer by a clamping disk or spring washer.
Es ist auch möglich, eine Ein- bis Mehrlagenplatine zu fertigen, bei der das Trägermaterial das Dielektrikum und die Kupferflächen und segmentierten Kupferflächen die Kondensatorplatten bilden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, auf eine oder beide Trägerplatten oder Platinen oder auf die Ein- oder Mehrlagenplatine, im Folgenden auch als Sensorplatine bezeichnet, bereits eine Signalverarbeitungselektronik aufzubringen, über die die jeweiligen Kapazitäten der Kondensatoren erfasst und in geeigneter Form an einem Ausgangsanschluss bereitgestellt werden. Dies kann beispielsweise durch Einbettung eines Chips mit einem Mikrocontroller in die Sensorplatine erfolgen. Der Mikrocontroller kann auch einen Temperatursensor enthalten, mit dem bei Bedarf eine genaue Temperaturmessung für eine Feinkalibrierung des Drucksensors erfolgen kann. Es besteht auch die Möglichkeit, die Übertragung der entsprechenden Messsignale berührungslos zu gestalten, bspw. durch Nutzung der RFID-Technik. Hierzu ist dann eine entsprechende RFID-Einheit auf einer oder beiden Trägerplatten oder Platinen oder auf der Ein- oder Mehrlagenplatine aufgebracht oder integriert. Alternativ kann auch der obige Mikrocontroller eine RFID-Funktion aufweisen. Auch eine automatische Kondensatorumschaltung, eine Phantomspeisung oder andere Techniken für den Betrieb des Drucksensors können implementiert werden, um die Anzahl der Verbindungsleitungen zum Drucksensor zu minimieren.It is also possible to manufacture a single- or multi-layer board in which the carrier material, the dielectric and the copper surfaces and segmented copper surfaces form the capacitor plates. Furthermore, it is possible to apply signal processing electronics to one or both carrier plates or boards or to the single-layer or multilayer board, also referred to below as a sensor board, via which the respective capacitances of the capacitors are detected and provided in an appropriate form at an output terminal. This can be done, for example, by embedding a chip with a microcontroller in the Sensor board done. The microcontroller may also include a temperature sensor that can be used to make an accurate temperature measurement for fine calibration of the pressure sensor as needed. It is also possible to design the transmission of the corresponding measurement signals without contact, for example by using the RFID technology. For this purpose, a corresponding RFID unit is then applied or integrated on one or both carrier plates or boards or on the single or multilayer board. Alternatively, the above microcontroller may also have an RFID function. Automatic capacitor switching, phantom power, or other techniques for operating the pressure sensor may also be implemented to minimize the number of connection lines to the pressure sensor.
Die Signalverarbeitungselektronik ist vorzugsweise derart ausgeführt, dass sie die erfassten Kapazitäten jeweils in eine Frequenz umwandelt. Damit entfallen vorteilhaft kapazitive Einflüsse für die weitere Signalverarbeitung.The signal processing electronics are preferably designed such that they convert the detected capacitances in each case into a frequency. This eliminates advantageous capacitive influences for further signal processing.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens sowie der zugehörigen Vorrichtung wird das Unterlegelement so ausgebildet, dass es auch einen von der mechanischen Verbindung unbelasteten Bereich aufweist, der nicht durch die Vorspannkraft der mechanischen Verbindung beeinflusst ist. In diesem unbelasteten Bereich ist bei dieser Ausgestaltung ein weiterer Kondensator als Referenzkondensator angeordnet, dessen Kapazität ebenfalls erfasst wird. Durch Verhältnisbildung der jeweils erfassten Kapazitäten der Kondensatoren im belasteten Bereich, im Folgenden auch als Messkondensatoren bezeichnet, bzw. der zur Erfassung der Kapazitäten gemessenen Größen, insbesondere Frequenzen, und der Kapazität des Referenzkondensators im unbelasteten Bereich bzw. der entsprechend gemessenen Größe können Kapazitätsänderungen kompensiert werden, die nicht durch die mechanische Verbindung verursacht sind. Dies betrifft insbesondere die Kompensation von Temperatureffekten. Vorzugsweise ist der unbelastete Bereich durch einen geeigneten teilumlaufenden Schlitz im Unterlegelement oder wenigstens einem der Trägerplatten des Unterlegelements (bei Nutzung der obigen Sandwichstruktur) zusätzlich mechanisch vom belasteten Bereich entkoppelt. Der Schlitz umschließt dabei den unbelasteten Bereich mit dem Referenzkondensator um mindestens 180°.In an advantageous embodiment of the proposed method and the associated device, the shim is formed so that it also has an unloaded from the mechanical connection area that is not affected by the biasing force of the mechanical connection. In this unloaded region, a further capacitor is arranged as a reference capacitor, whose capacitance is also detected in this embodiment. Capacitance changes can be compensated for by forming the ratio of the respectively measured capacitances of the capacitors in the loaded area, hereinafter also referred to as measuring capacitors, or the quantities, in particular frequencies, measured to detect the capacitances and the capacitance of the reference capacitor in the unloaded area or the corresponding measured variable that are not caused by the mechanical connection. This concerns in particular the compensation of temperature effects. Preferably, the unloaded area is additionally decoupled mechanically from the loaded area by means of a suitable partially circumferential slot in the shim or at least one of the shims of the shim (using the above sandwich structure). The slot encloses the unloaded area with the reference capacitor by at least 180 °.
Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung lassen sich besonders vorteilhaft zur Überprüfung und/oder Überwachung der Vorspannkraft bei der Herstellung von Schraubverbindungen einsetzen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, das Verfahren und die Vorrichtung für andere Arten von mechanischen Verbindungen einzusetzen, die über ein auf Zug belastetes Verbindungselement hergestellt werden. Ein Beispiel hierfür sind Niet- oder Stiftverbindungen.The proposed method and the proposed device can be used particularly advantageously for checking and / or monitoring the prestressing force in the production of screwed connections. However, it is also possible to use the method and apparatus for other types of mechanical connections that are made via a tensioned connector. An example of this are rivet or pin connections.
Figurenlistelist of figures
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer als Unterlegscheibe ausgebildeten Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; -
2 ein Beispiel für die Ausgestaltung der beiden Metallisierungsschichten auf zwei Platinen, aus denen die vorgeschlagene Vorrichtung zusammengesetzt wird; -
3 ein Beispiel für eine Seite einer der beiden Platinen der2 , auf der die elektronische Schaltung zur Signalverarbeitung sowie die elektrischen Anschlüsse integriert sind; -
4 ein Beispiel für eine elektronische Schaltung zur Umsetzung der Kapazitäten in Frequenzen; und -
5 ein Beispiel für eine Realisierung des vorgeschlagenen Unterlegscheibensensors mit Gehäuse.
-
1 a schematic representation of a washer designed as a device according to the present invention; -
2 an example of the design of the two metallization layers on two boards, from which the proposed device is assembled; -
3 an example of one side of one of the two boards of the2 on which the electronic circuit for signal processing and the electrical connections are integrated; -
4 an example of an electronic circuit for the conversion of the capacities in frequencies; and -
5 an example of an implementation of the proposed Unterlegscheensensors with housing.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Die vorgeschlagene Vorrichtung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert.
Bei der Nutzung dieses Unterlegscheibensensors wird beim Anziehen der Schraube eine Druckkraft entsprechend der Vorspannkraft der Schraube auf das Dielektrikum
Zur Feststellung einer Verkantung der Schraube ist wenigstens eine der Metallisierungen in mehrere Bereiche oder Segmente aufgeteilt, wodurch mehrere Messkondensatoren gebildet werden. Bei gleichmäßigem Anziehen werden die jeweiligen Segmente bzw. Kondensatoren gleich belastet, wohingegen bei unterschiedlicher Belastung eine Verkantung vorliegt.To determine a tilting of the screw at least one of the metallizations is divided into several areas or segments, whereby a plurality of measuring capacitors are formed. With uniform tightening the respective segments or capacitors are charged equally, whereas at different load there is a tilting.
Der kapazitive Drucksensor kann auch weitere Schichten aufweisen, beispielsweise zur Abschirmung gegen Störeinflüsse. So könnte der kapazitive Drucksensor beispielsweise folgende Schichtung aufweisen:
- 1. Kupferfläche (Schirm),
- 2. Platinenmaterial,
- 3. segmentierte Kupferflächen (erste metallische Schicht bzw. Platte der Messkondensatoren),
- 4. Dielektrikum verformbar,
- 5. Kupferfläche (zweite gemeinsame metallische Schicht bzw. Platte der Messkondensatoren),
- 6. Platinenmaterial,
- 7. Kupferfläche (Schirm, kann entfallen).
- 1. copper surface (screen),
- 2. board material,
- 3. Segmented copper surfaces (first metallic layer or plate of the measuring capacitors),
- 4. Dielectric deformable,
- 5. Copper surface (second common metallic layer or plate of the measuring capacitors),
- 6. board material,
- 7. Copper surface (screen, can be omitted).
Auch eine Stapelung mehrerer derartiger kapazitiver Strukturen aus erster und zweiter metallischer Schicht mit zwischenliegendem Dielektrikum ist möglich, um höhere Kapazitäten zu erzielen. Bei dieser Stapelung sollte der Drucksensor allerdings nicht mehr aus Einzelteilen zusammengesetzt sondern einstückig ausgebildet werden, wobei elektrische Verbindungen zwischen den Schichten in dem unbelasteten Teil des Sensors über Vias erzeugt werden. Ein Beispiel für eine zweifache Schichtung nach diesem System:
- 1. Kupferfläche (Schirm),
- 2. Platinenmaterial,
- 3. segmentierte Kupferflächen (erste metallische Schicht bzw. Platte der Messkondensatoren, 1. Schicht),
- 4. Dielektrikum verformbar,
- 5. Kupferfläche (zweite gemeinsame metallische Schicht bzw. Platte der Messkondensatoren, 1. Schicht),
- 6. Platinenmaterial,
- 7. segmentierte Kupferfläche, (erste metallische Schicht bzw. Platte der Messkondensatoren, 2. Schicht),
- 8. Dielektrikum verformbar,
- 9. Kupferfläche (zweite gemeinsame metallische Schicht bzw. Platte der Messkondensatoren, 2. Schicht),
- 10. Platinenmaterial,
- 11. Kupferfläche (Schirm, kann entfallen).
- 1. copper surface (screen),
- 2. board material,
- 3. segmented copper surfaces (first metallic layer or plate of the measuring capacitors, 1st layer),
- 4. Dielectric deformable,
- 5. Copper surface (second common metallic layer or plate of the measuring capacitors, 1st layer),
- 6. board material,
- 7. segmented copper surface, (first metallic layer or plate of the measuring capacitors, 2nd layer),
- 8. Dielectric deformable,
- 9. Copper surface (second common metallic layer or plate of the measuring capacitors, 2nd layer),
- 10. board material,
- 11. Copper surface (screen, can be omitted).
Im Beispiel der
Die Messung bzw. Signalverarbeitung der Kapazitäten der einzelnen Kondensatoren erfolgt in diesem Beispiel mit Hilfe eines Multiplexers, mit dem die Kapazitäten der Kondensatoren in zeitlicher Abfolge erfasst werden.
Der in diesem Beispiel beschriebene Unterlegscheibensensor kann bspw. mit einer Dicke von lediglich ca. 1 mm und auch deutlich darunter realisiert werden. Je nach eingesetztem Dielektrikum und Fläche der Metallisierungen kann die Kapazität für den Referenzkondensator und die Messkondensatoren im unbelasteten Zustand beispielsweise im Bereich zwischen 10 und 100 pF liegen.The washer sensor described in this example can be realized, for example, with a thickness of only about 1 mm and well below. Depending on the dielectric used and the area of the metallizations, the capacitance for the reference capacitor and the measuring capacitors in the unloaded state can be, for example, in the range between 10 and 100 pF.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- UnterlegscheibensensorUnterlegscheibensensor
- 22
- DurchgangsöffnungThrough opening
- 33
- erste Platinefirst board
- 44
- Dielektrikumdielectric
- 55
- zweite Platinesecond board
- 66
- erste Metallisierungfirst metallization
- 77
- zweite Metallisierungsecond metallization
- 88th
- Metallisierung für ReferenzkondensatorMetallization for reference capacitor
- 99
- Schlitzslot
- 1010
- SignalverarbeitungselektronikSignal processing electronics
- 1111
- elektrische Anschlussflächenelectrical connection surfaces
- 1212
- StromversorgungseingangPower Input
- 1313
- Spannungsreglervoltage regulators
- 1414
- Analogmultiplexeranalog multiplexer
- 1515
- Steuereingänge für externe BinärschalterControl inputs for external binary switches
- 1616
- Schmitt-TriggerSchmitt trigger
- 1717
- Frequenzausgangfrequency output
- 1818
- Sensorplatinesensor board
- 1919
- Oberes GehäuseteilUpper housing part
- 2020
- Unteres GehäuseteilLower housing part
- 2121
- Verdrehsicherungtwist
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102012020932 A1 [0004]DE 102012020932 A1 [0004]
- DE 102009043267 A1 [0005]DE 102009043267 A1 [0005]
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