DE102016219953A1 - Method and device for measuring the preload force of a mechanical connection, in particular a screw connection - Google Patents

Method and device for measuring the preload force of a mechanical connection, in particular a screw connection Download PDF

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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.

Figure DE102016219953A1_0000
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.
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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 claim 1. The invention also relates to a trained for performing the method device.

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 DE 10 2012 020 932 A1 eine Kraftmessplatte, die ein Plattenelement und eine Sensorik zur Erfassung von senkrecht zu den Plattenoberflächen wirkenden Kräften aufweist. Die Sensorik ist durch wenigstens einen Dehnungssensor gebildet, der auf einer Umfangsfläche des Plattenelementes angeordnet ist. Die Kraftmessplatte ist in einer Ausgestaltung als ringförmige Unterlegscheibe ausgebildet, die bei der Herstellung der Schraubverbindung zwischen dem Schraubenkopf oder der Mutter und dem Bauteil eingelegt wird. Da sich die Unterlegscheibe bei Herstellung der Schraubverbindung leicht verformt, lässt sich mit dem Dehnungssensor die Vorspannkraft der Schraubverbindung erfassen.That's how it shows DE 10 2012 020 932 A1 a force plate having a plate member and a sensor for detecting forces acting perpendicular to the plate surfaces forces. The sensor is formed by at least one strain sensor which is arranged on a peripheral surface of the plate element. The force measuring plate is designed in one embodiment as an annular washer, which is inserted in the manufacture of the screw connection between the screw head or the nut and the component. Since the washer deforms slightly when the screw connection is made, the tensile force of the screw connection can be detected with the strain sensor.

Aus der DE 10 2009 043 267 A1 ist ein System zur Überwachung einer Verschraubung bekannt, bei dem in einer Ausgestaltung ein kapazitiver Drucksensor eingesetzt wird, der in eine Unterlegscheibe für die Schraubverbindung integriert ist. Über die Erfassung der Kapazität des kapazitiven Drucksensors kann dann die Vorspannkraft der Schraubverbindung bestimmt werden.From the DE 10 2009 043 267 A1 discloses a system for monitoring a screw connection, wherein in one embodiment, a capacitive pressure sensor is used, which is integrated in a washer for the screw connection. About the detection of the capacitance of the capacitive pressure sensor, the biasing force of the screw can then be determined.

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 claims 1 and 9. Advantageous embodiments of the method and the device are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the embodiment.

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 der 2, 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.
The proposed method and the associated device will be explained in more detail using an exemplary embodiment in conjunction with the drawings. Hereby show:
  • 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 the 2 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. 1 zeigt hierzu in schematisierter Darstellung ein Beispiel für die Ausgestaltung der Vorrichtung in Form eines Unterlegscheibensensors, der bei dem vorgeschlagenen Verfahren bspw. zwischen dem Schraubenkopf und dem zu verbindenden Bauteil eingelegt wird. In der oberen Teilabbildung ist hierzu eine Draufsicht auf diesen Unterlegscheibensensor 1 dargestellt, der eine entsprechende Durchgangsöffnung 2 aufweist, durch den die Schraube geführt wird. Um diese Durchgangsöffnung 2 herum sind die drucksensitiven Messkondensatoren ausgebildet, die in dieser Darstellung nicht zu erkennen sind. Das Gleiche gilt für die Signalverarbeitungselektronik und den Referenzkondensator, die in dem in der Abbildung unteren Bereich in den Unterlegscheibensensor 1 integriert sind. Der Unterlegscheibensensor besteht im vorliegenden Beispiel aus zwei übereinanderliegenden Platinen, zwischen denen eine Folie oder Schicht aus einem Dielektrikum eingebettet ist. Diese Sandwichbauweise ist schematisch in der Querschnittdarstellung der unteren Teilabbildung der 1 zu erkennen, die die erste Platine 3, das Dielektrikum 4 sowie die zweite Platine 5 zeigt.The proposed device will be explained in more detail using an exemplary embodiment in conjunction with the drawings. 1 shows a schematic representation of an example of the embodiment of the device in the form of a washer sensor, which is inserted in the proposed method, for example. Between the screw head and the component to be connected. In the upper part of this illustration is a plan view of this washer sensor 1 represented, which has a corresponding passage opening 2 has, through which the screw is guided. Around this passage opening 2 around the pressure-sensitive measuring capacitors are formed, which are not visible in this illustration. The same applies to the signal processing electronics and the reference capacitor, which in the bottom of the figure in the washer sensor 1 are integrated. The washer sensor in the present example consists of two superimposed boards, between which a film or layer of a dielectric is embedded. This sandwich construction is schematically in the cross-sectional view of the lower part of the figure 1 to recognize the first board 3 , the dielectric 4 as well as the second board 5 shows.

Bei der Nutzung dieses Unterlegscheibensensors wird beim Anziehen der Schraube eine Druckkraft entsprechend der Vorspannkraft der Schraube auf das Dielektrikum 4 ausgeübt. Diese Kraft bewirkt eine Änderung der geometrischen Stärke des Dielektrikums 4 und damit des Abstandes zwischen den jeweiligen Metallisierungen bzw. Metallisierungsschichten, zwischen denen sich das Dielektrikum 4 befindet. Die Metallisierungen befinden sich auf den beiden Platinen 3, 5 und bilden jeweils mit dem zwischenliegenden Dielektrikum 4 die Messkondensatoren. Durch die aufgebrachte Kraft wird das Dielektrikum 4 verformt und damit die Kapazität des jeweiligen Messkondensators geändert. Diese Kapazität oder Kapazitätsänderung wird gemessen und lässt sich bspw. mit Hilfe einer Kalibrierkurve in die anliegende Kraft umrechnen. Der Unterlegscheibensensor ermöglicht dabei auch eine dauerhafte Überwachung der jeweiligen Vorspannkraft. When using this washer sensor when tightening the screw, a compressive force corresponding to the biasing force of the screw on the dielectric 4 exercised. This force causes a change in the geometric strength of the dielectric 4 and thus the distance between the respective metallizations or metallization layers, between which the dielectric 4 located. The metallizations are located on the two boards 3 . 5 and each form with the intervening dielectric 4 the measuring capacitors. The applied force becomes the dielectric 4 deformed and thus changed the capacity of each measuring capacitor. This capacity or capacitance change is measured and can be converted, for example, with the aid of a calibration curve into the applied force. The washer sensor also allows a permanent monitoring of the respective biasing force.

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.

2 zeigt hierzu ein Beispiel für die Ausgestaltung der Metallisierungen der ersten Platine 3 sowie der zweiten Platine 5. Die Figur zeigt hierzu jeweils die zum Dielektrikum 4 gerichteten Seiten dieser Platinen. Die erste Metallisierung 6 der ersten Platine 3 ist dabei in drei Segmente unterteilt. Die zweite Metallisierung 7 der zweiten Platine 5 ist hingegen als geschlossener Ring um die Durchgangsöffnung 2 ausgebildet. Beim Zusammenfügen der beiden Platinen 3, 5 mit einem zwischenliegenden Dielektrikum 4 werden hierdurch drei Messkondensatoren um die Durchgangsöffnung 2 herum gebildet, deren Kapazitäten über eine in dieser Figur nicht dargestellte Signalverarbeitungselektronik gemessen werden. Im unteren Teil der beiden Platinen 3, 5 ist jeweils eine weitere Metallisierung 8 zu erkennen, durch die ein Referenzkondensator für die Messung gebildet wird. Dieser Referenzkondensator befindet sich in einem durch die zu messende Schraubverbindung nicht belasteten Bereich. Hierzu ist zusätzlich in der zweiten Platine 5 ein teilumlaufender Schlitz 9 eingebracht, der das Dielektrikum 4 in diesem Bereich zusätzlich von der mechanischen Belastung durch die Schraubverbindung entkoppelt. 2 shows an example of the design of the metallizations of the first board 3 as well as the second board 5 , The figure shows this in each case to the dielectric 4 directed sides of these boards. The first metallization 6 the first board 3 is divided into three segments. The second metallization 7 the second board 5 is, however, as a closed ring around the passage opening 2 educated. When assembling the two boards 3 . 5 with an intermediate dielectric 4 thereby become three measuring capacitors around the passage opening 2 formed around, whose capacity is measured by a signal processing electronics, not shown in this figure. In the lower part of the two boards 3 . 5 each is another metallization 8th to detect, by which a reference capacitor for the measurement is formed. This reference capacitor is located in an area not stressed by the screw connection to be measured. This is in addition to the second board 5 a partially rotating slot 9 introduced the dielectric 4 In this area additionally decoupled from the mechanical load through the screw.

Der kapazitive Drucksensor kann auch weitere Schichten aufweisen, beispielsweise zur Abschirmung gegen Störeinflüsse. So könnte der kapazitive Drucksensor beispielsweise folgende Schichtung aufweisen:

  1. 1. Kupferfläche (Schirm),
  2. 2. Platinenmaterial,
  3. 3. segmentierte Kupferflächen (erste metallische Schicht bzw. Platte der Messkondensatoren),
  4. 4. Dielektrikum verformbar,
  5. 5. Kupferfläche (zweite gemeinsame metallische Schicht bzw. Platte der Messkondensatoren),
  6. 6. Platinenmaterial,
  7. 7. Kupferfläche (Schirm, kann entfallen).
Die Kupferflächen sind alle mit der GND (Masse) verbunden, die segmentierten Flächen sind Signalführend. Die beiden äußeren Kupferflächen dienen bei diesem Beispiel lediglich als Abschirmung gegen Störeinflüsse.The capacitive pressure sensor can also have further layers, for example for shielding against interference. For example, the capacitive pressure sensor could have the following stratification:
  1. 1. copper surface (screen),
  2. 2. board material,
  3. 3. Segmented copper surfaces (first metallic layer or plate of the measuring capacitors),
  4. 4. Dielectric deformable,
  5. 5. Copper surface (second common metallic layer or plate of the measuring capacitors),
  6. 6. board material,
  7. 7. Copper surface (screen, can be omitted).
The copper surfaces are all connected to the GND (ground), the segmented surfaces are signal leading. The two outer copper surfaces serve in this example only as a shield against interference.

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. 1. Kupferfläche (Schirm),
  2. 2. Platinenmaterial,
  3. 3. segmentierte Kupferflächen (erste metallische Schicht bzw. Platte der Messkondensatoren, 1. Schicht),
  4. 4. Dielektrikum verformbar,
  5. 5. Kupferfläche (zweite gemeinsame metallische Schicht bzw. Platte der Messkondensatoren, 1. Schicht),
  6. 6. Platinenmaterial,
  7. 7. segmentierte Kupferfläche, (erste metallische Schicht bzw. Platte der Messkondensatoren, 2. Schicht),
  8. 8. Dielektrikum verformbar,
  9. 9. Kupferfläche (zweite gemeinsame metallische Schicht bzw. Platte der Messkondensatoren, 2. Schicht),
  10. 10. Platinenmaterial,
  11. 11. Kupferfläche (Schirm, kann entfallen).
Die Kupferflächen sind wieder alle mit GND (Masse) verbunden. Die jeweils übereinanderliegenden Kupfersegmente werden miteinander verbunden (Parallelschaltung der Kondensatoren). Dadurch ergibt sich für die vier Kondensatoren eine doppelte Kapazität.It is also possible to stack a plurality of such capacitive structures of first and second metallic layer with interposed dielectric in order to achieve higher capacitances. In this stacking, however, the pressure sensor should no longer be assembled from individual parts but formed integrally, wherein electrical connections between the layers in the unloaded part of the sensor are generated via vias. An example of a double layering according to this system:
  1. 1. copper surface (screen),
  2. 2. board material,
  3. 3. segmented copper surfaces (first metallic layer or plate of the measuring capacitors, 1st layer),
  4. 4. Dielectric deformable,
  5. 5. Copper surface (second common metallic layer or plate of the measuring capacitors, 1st layer),
  6. 6. board material,
  7. 7. segmented copper surface, (first metallic layer or plate of the measuring capacitors, 2nd layer),
  8. 8. Dielectric deformable,
  9. 9. Copper surface (second common metallic layer or plate of the measuring capacitors, 2nd layer),
  10. 10. board material,
  11. 11. Copper surface (screen, can be omitted).
The copper surfaces are again all connected to GND (ground). The superimposed copper segments are connected to each other (parallel connection of the capacitors). This results in a double capacity for the four capacitors.

Im Beispiel der 1 und 2 wird die Kapazität der jeweiligen Kondensatoren über eine Signalverarbeitungselektronik 10 in eine Frequenz umgewandelt, um kapazitive Einflüsse für die weitere Signalverarbeitung auszuschließen. Diese Signalverarbeitungselektronik 10 ist in diesem Beispiel in die erste Platine 3 integriert, wie dies in 3 schematisch angedeutet ist. 3 zeigt hierzu eine Draufsicht auf die dem Dielektrikum 4 abgewandte Seite der ersten Platine 3. Der Bereich der integrierten Signalverarbeitungselektronik 10 ist hier nur schematisch angedeutet. Weiterhin sind in dieser Darstellung elektrische Anschlussflächen 11 für die Stromversorgung, das Ausgangssignal der Signalverarbeitungselektronik 10 sowie die Ansteuerung des Sensors zu erkennen. In the example of 1 and 2 The capacitance of the respective capacitors via a signal processing electronics 10 converted into a frequency to exclude capacitive influences for further signal processing. This signal processing electronics 10 is in this example in the first board 3 integrated, like this in 3 is indicated schematically. 3 shows a plan view of the dielectric 4 opposite side of the first board 3 , The field of integrated signal processing electronics 10 is indicated here only schematically. Furthermore, in this illustration electrical connection surfaces 11 for the power supply, the output signal of the signal processing electronics 10 as well as to detect the activation of the sensor.

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. 4 zeigt hierzu ein Beispiel für eine derartige Signalverarbeitungselektronik 10. Diese Signalverarbeitungselektronik weist im vorliegenden Beispiel einen Spannungsregler 13 zur Spannungsversorgung der einzelnen Komponenten auf, der über einen Stromversorgungseingang 12 gespeist wird. Die Kapazitäten der Messkondensatoren CS1, CS2 und CS3 sowie des Referenzkondensators CR1 werden über den Analogmultiplexer 14 zeitlich nacheinander gemessen. Der Analogmultiplexer 14 wird wiederum über externe Binärschalter angesteuert, die über entsprechende Steuereingänge 15 mit der Signalverarbeitungselektronik verbunden werden. Die jeweils gemessenen Kapazitäten werden über einen Schmitt-Trigger 16 in Frequenzen umgewandelt, die am Frequenzausgang 17 der Signalverarbeitungselektronik des Unterlegscheibensensors bereitgestellt werden. In dem Schaltbild der 4 stellen C1 bis C6 Kapazitäten, R1 bis R5 Widerstände und L ein induktives Filterelement dar. Das jeweilige Ausgangssignal entspricht einer Frequenz, die mit zunehmendem Druck auf das Dielektrikum abnimmt. Aus der Frequenz lässt sich über eine Kalibrierkurve die entsprechende Vorspannkraft bestimmen.The measurement or signal processing of the capacitances of the individual capacitors takes place in this example with the aid of a multiplexer with which the capacitances of the capacitors are detected in chronological order. 4 shows an example of such a signal processing electronics 10 , This signal processing electronics has in the present example a voltage regulator 13 to power the individual components, via a power supply input 12 is fed. The capacitances of the measuring capacitors CS1, CS2 and CS3 and of the reference capacitor CR1 are transmitted via the analog multiplexer 14 measured consecutively. The analog multiplexer 14 In turn, it is controlled by external binary switches, which are controlled via corresponding control inputs 15 be connected to the signal processing electronics. The respective measured capacitances are via a Schmitt trigger 16 converted into frequencies that are at the frequency output 17 be provided to the signal processing electronics of the washer sensor. In the diagram of the 4 represent C1 to C6 capacitances, R1 to R5 resistors and L an inductive filter element. The respective output signal corresponds to a frequency which decreases with increasing pressure on the dielectric. From the frequency, the corresponding preload force can be determined via a calibration curve.

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.

5 zeigt in Draufsicht und im Querschnitt ein Beispiel für eine Realisierung des vorgeschlagenen Unterlegscheibensensors, bei der die Sensorplatine 18 mit dem Referenz- und den Messkondensatoren von einem Schutzgehäuse umgeben wird. Dieses Gehäuse wird durch ein oberes Gehäuseteil 19 und ein unteres Gehäuseteil 20 gebildet, zwischen denen die Sensorplatine 18 mit dem integrierten, verformbaren Dielektrikum eingelegt wird. Die Gehäuseteile sind als speziell geformte Unterlegscheiben ausgebildet und mit einer Verdrehsicherung 21 gegen ein Verdrehen beim Anziehen gesichert. Im vorliegenden Beispiel weist das obere Gehäuseteil 19 als Verdrehsicherung 21 die beiden in der Figur erkennbaren Nasen auf, die in entsprechende Aufnahmen am unteren Gehäuseteil 20 eingreifen. 5 shows in plan view and in cross section an example of an implementation of the proposed washer sensor, in which the sensor board 18 surrounded by the reference and the measuring capacitors of a protective housing. This housing is characterized by an upper housing part 19 and a lower housing part 20 formed between which the sensor board 18 is inserted with the integrated, deformable dielectric. The housing parts are designed as specially shaped washers and with a rotation 21 secured against twisting when tightening. In the present example, the upper housing part 19 as anti-twist device 21 the two recognizable in the figure noses, which in corresponding receptacles on the lower housing part 20 intervention.

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]

Claims (17)

Verfahren zur Messung und/oder Überwachung der Vorspannkraft einer mechanischen Verbindung, insbesondere einer Schraubverbindung, die zwischen einem Bauteil und einem Objekt oder weiteren Bauteil über wenigstens ein auf Zug belastetes Verbindungselement hergestellt wird, bei dem die Vorspannkraft mit einem kapazitiven Drucksensor gemessen wird, der in ein flaches Unterlegelement (1) mit einer Durchgangsöffnung (2) für das Verbindungselement integriert ist, wobei das flache Unterlegelement (1) bei Herstellung der mechanischen Verbindung zwischen einem Kopf oder Gegenstück des Verbindungselementes und dem Bauteil eingelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein kapazitiver Drucksensor eingesetzt wird, der wenigstens drei drucksensitive Kondensatoren (CS1, CS2, CS3) um die Durchgangsöffnung (2) herum aufweist, wobei sich nach der Herstellung der mechanischen Verbindung einstellende Kapazitäten der Kondensatoren (CS1, CS2, CS3) zur Messung der Vorspannkraft erfasst werden.Method for measuring and / or monitoring the pretensioning 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 which the pretensioning force is measured with a capacitive pressure sensor which is in a flat shim (1) with a through hole (2) is integrated for the connecting element, wherein the flat shim (1) is inserted in establishing the mechanical connection between a head or counterpart of the connecting element and the component, characterized in that a capacitive pressure sensor is used, which has at least three pressure-sensitive capacitors (CS1, CS2, CS3) around the passage opening (2) around, which adjusts after the preparation of the mechanical connection adjusting capacitors of the capacitors (CS1, CS2, CS3) for measuring the biasing force. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Drucksensor eine kapazitive Struktur aus einem Dielektrikum (4) zwischen zwei metallischen Schichten (6, 7) aufweist, das sich durch Herstellung der mechanischen Verbindung verformt, wobei wenigstens eine erste (6) der metallischen Schichten in mehrere Bereiche aufgetrennt ist, um durch die beiden metallischen Schichten (6, 7) mit dem zwischenliegenden Dielektrikum (4) die mehreren drucksensitiven Kondensatoren (CS1, CS2, CS3) um die Durchgangsöffnung (2) herum zu bilden.Method according to Claim 1 characterized in that the capacitive pressure sensor comprises a capacitive structure of a dielectric (4) between two metallic layers (6, 7) which deforms by making the mechanical connection, at least a first (6) of the metallic layers forming multiple regions separated by the two metallic layers (6, 7) with the intermediate dielectric (4) to form the plurality of pressure-sensitive capacitors (CS1, CS2, CS3) around the passage opening (2) around. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Drucksensor einen Stapel aus mehreren der kapazitiven Strukturen aufweist, in dem jeweils übereinander liegende drucksensitive Kondensatoren parallel verschaltet sind.Method according to Claim 2 , characterized in that the capacitive pressure sensor comprises a stack of a plurality of the capacitive structures, in which in each case superimposed pressure-sensitive capacitors are connected in parallel. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Kapazität eines Referenzkondensators (CR1) erfasst wird, der in einem nicht durch die mechanische Verbindung belasteten Bereich des Unterlegelementes (1) angeordnet ist.Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that also the capacitance of a reference capacitor (CR1) is detected, which is arranged in a not loaded by the mechanical connection region of the shim (1). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitäten der Kondensatoren (CS1, CS2, CS3, CR1) über eine elektrische Schaltung (10) in Frequenzen umgewandelt werden.Method according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the capacitances of the capacitors (CS1, CS2, CS3, CR1) are converted into frequencies via an electrical circuit (10). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannkraft über eine Kalibrierkurve aus den erfassten Kapazitäten oder daraus abgeleiteten Größen bestimmt wird.Method according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the biasing force is determined via a calibration curve from the detected capacitances or variables derived therefrom. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannkraft nach Herstellung der mechanischen Verbindung kontinuierlich oder wiederholt gemessen wird.Method according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that the biasing force is measured continuously or repeatedly after production of the mechanical connection. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch Vergleich der Kapazitäten der mehreren Kondensatoren (CS1, CS2, CS3) oder daraus abgeleiteter Größen geprüft wird, ob eine Verkantung des Verbindungselementes vorliegt.Method according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that it is checked by comparing the capacitances of the plurality of capacitors (CS1, CS2, CS3) or variables derived therefrom, whether a tilting of the connecting element is present. Vorrichtung zur Messung und/oder Überwachung der Vorspannkraft einer mechanischen Verbindung, insbesondere einer Schraubverbindung, die zwischen einem Bauteil und einem Objekt oder weiteren Bauteil über wenigstens ein auf Zug belastetes Verbindungselement hergestellt wird, wobei die Vorrichtung als flaches Unterlegelement (1) mit einer Durchgangsöffnung (2) für das Verbindungselement ausgebildet ist und einen kapazitiven Drucksensor aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Drucksensor wenigstens drei drucksensitive Kondensatoren (CS1, CS2, CS3) um die Durchgangsöffnung (2) herum und elektrische Anschlüsse aufweist, über die Kapazitäten der Kondensatoren (CS1, CS2, CS3) erfasst werden können.Device for measuring and / or monitoring 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, wherein the device is designed as a flat lower element (1) with a passage opening (1). 2) is designed for the connecting element and has a capacitive pressure sensor, characterized in that the capacitive pressure sensor has at least three pressure-sensitive capacitors (CS1, CS2, CS3) around the passage opening (2) and electrical connections over the capacitances of the capacitors (CS1 , CS2, CS3) can be detected. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Drucksensor eine kapazitive Struktur aus einem Dielektrikum (4) zwischen zwei metallischen Schichten (6, 7) aufweist, von denen wenigstens eine erste (6) in mehrere Bereiche aufgetrennt ist, um durch die beiden metallischen Schichten (6, 7) mit dem zwischenliegenden Dielektrikum (4) die mehreren drucksensitiven Kondensatoren (CS1, CS2, CS3) um die Durchgangsöffnung (2) herum zu bilden.Device after Claim 9 , characterized in that the capacitive pressure sensor comprises a capacitive structure of a dielectric (4) between two metallic layers (6, 7), of which at least one first (6) is separated into a plurality of areas to pass through the two metallic layers (6 , 7) with the intermediate dielectric (4) to form the plurality of pressure-sensitive capacitors (CS1, CS2, CS3) around the passage opening (2). Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Drucksensor einen Stapel aus mehreren der kapazitiven Strukturen aufweist, in dem jeweils übereinander liegende drucksensitive Kondensatoren parallel verschaltet sind.Device after Claim 10 , characterized in that the capacitive pressure sensor comprises a stack of a plurality of the capacitive structures, in which in each case superimposed pressure-sensitive capacitors are connected in parallel. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Schichten (6, 7) ringförmig um die Durchgangsöffnung (2) herum ausgebildet sind.Device after Claim 10 or 11 , characterized in that the metallic layers (6, 7) are formed annularly around the passage opening (2). Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste metallische Schicht (6) in wenigstens drei Ringsegmente aufgetrennt ist.Device after Claim 12 , characterized in that the first metallic layer (6) is separated into at least three ring segments. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterlegelement (1) in Sandwichbauweise aus zwei Trägerplatten (3, 5) mit dem zwischenliegenden Dielektrikum (4) gebildet ist, wobei die zwei metallischen Schichten (6, 7) auf den beiden Trägerplatten (3, 5) ausgebildet sind.Device according to one of Claims 10 to 13 , characterized in that the shim (1) in sandwich construction of two support plates (3, 5) with the intermediate dielectric (4) is formed, wherein the two metallic Layers (6, 7) on the two support plates (3, 5) are formed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterlegelement (1) aus einer Ein- oder Mehrlagenplatine gefertigt ist, die ein Trägermaterial und Kupferflächen aufweist, wobei das Trägermaterial das Dielektrikum (4) und die Kupferflächen die metallischen Schichten (6, 7) für die Kondensatoren (CS1, CS2, CS3) bilden.Device according to one of Claims 10 to 13 , characterized in that the shim (1) is made of a single- or multilayer board, which has a carrier material and copper surfaces, wherein the carrier material, the dielectric (4) and the copper surfaces, the metallic layers (6, 7) for the capacitors (CS1 Form, CS2, CS3). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterlegelement (1) einen belastungsfreien Bereich aufweist, der bei Einlegen des Unterlegelementes (1) zwischen einem Kopf oder Gegenstück des Verbindungselementes und dem Bauteil nicht durch die mechanische Verbindung belastet wird, wobei in dem unbelasteten Bereich ein Referenzkondensator (CR1) für die Messung angeordnet ist.Device according to one of Claims 9 to 15 , characterized in that the shim (1) has a load-free area, which is not loaded by the mechanical connection when inserting the shim (1) between a head or counterpart of the connecting element and the component, wherein in the unloaded area, a reference capacitor (CR1 ) is arranged for the measurement. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Schaltung (10) zur Erfassung der Kapazitäten der Kondensatoren (CS1, CS2, CS3, CR1) auf dem Unterlegelement (1) angeordnet oder in das Unterlegelement (1) integriert ist.Device according to one of Claims 9 to 16 , characterized in that an electrical circuit (10) for detecting the capacitances of the capacitors (CS1, CS2, CS3, CR1) arranged on the shim (1) or in the shim (1) is integrated.
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