DE102016219953B4 - Method and device for measuring the pretensioning force of a mechanical connection, in particular a screw connection - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Messung und/oder Überwachung der Vorspannkraft einer mechanischen Verbindung, 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, und wobei auch die Kapazität eines Referenzkondensators (CR1) erfasst wird, der in einem nicht durch die mechanische Verbindung belasteten Bereich des Unterlegelementes (1) angeordnet ist.Method for measuring and / or monitoring the pretensioning force of a mechanical connection that is established between a component and an object or other component via at least one connecting element that is subjected to tensile stress, in which the pretensioning force is measured with a capacitive pressure sensor that is placed in a flat base element ( 1) is integrated with a through opening (2) for the connecting element, the flat underlay element (1) being inserted during the production of 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 through opening (2), capacities of the capacitors (CS1, CS2, CS3) which are established after the mechanical connection has been established for measuring the pretensioning force, and also the Capacitance of a reference capacitor s (CR1) is detected, which is arranged in an area of the base element (1) that is not loaded by the mechanical connection.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application area
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 pretensioning 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 have to be mechanically connected to one another or to, for example, fixed objects. Screw connections are frequently used for this purpose, in which the screw is loaded as a connecting element in tension. Monitoring of the mechanical connection over time is especially necessary for safety-relevant connections. For example, when building structures, neighboring components are often joined together by screws. These have to be loaded with a pre-tensioning force, which can be achieved by using torque wrenches when making the screw connection. If the screw jams when tightening, the set torque does not correspond to the preload force in the screw. The screw can also come loose 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.Up to now, the preload force for screw connections has in most cases only been set using a torque wrench. However, techniques are also known for measuring the pretensioning force during or after the screw connection has been produced using suitable sensors.
So zeigt die
Aus der
Die
Die WO 2006/ 136 182 A1 beschreibt einen Drucksensor, der nicht nach dem kapazitiven sondern nach dem piezoelektrischen Prinzip arbeitet und eine Vielzahl piezoelektrischer Wandlerelemente aufweist.WO 2006/136 182 A1 describes a pressure sensor which does not work according to the capacitive but according to the piezoelectric principle and has a large number of piezoelectric transducer elements.
Die
In der
Die
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 previously available solutions for measuring the preload force of a screw connection do not enable sufficiently cost-effective production to be produced and used in large quantities. Checking the preload is also often unreliable, as incorrect measurements can occur due to the screws becoming jammed.
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 pretensioning force of a mechanical connection via a connecting element which is subjected to tension, which can be implemented inexpensively and enable reliable detection of the pretensioning force even over a longer period of time.
Darstellung der Erfindung Presentation 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 with 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 prestressing force is measured with a capacitive pressure sensor, which is integrated in a flat base element with a through opening for the connecting element, which is inserted between a head or counterpart of the connecting element and the component during the production of the mechanical connection, in particular a screw connection . When a screw connection is produced, the screw thus represents the connecting element, the underlay element being inserted between the screw head and the component or between a nut as a counterpart of the screw and the component. Of course, one or more washers can also be present as intermediate elements. In the method and the proposed device, the through opening can represent an opening (hole) which is completely enclosed by the underlay element, but can be open towards a narrow side of the through element, that is to say form a slot in the underlay element which is open on one side. In this embodiment, the washer element is thus designed as a fork washer, which has an outer shape similar to a fork cable lug. With this configuration, it is possible to insert the support element laterally over the connecting element only after the connecting element has been loosely connected to the counterpart (e.g. screw with nut). The proposed method is characterized in that a capacitive pressure sensor is used to measure the pretensioning force, which has at least three pressure-sensitive capacitors around the through-opening, capacities of the at least three pressure-sensitive capacitors that arise after the mechanical connection has been established, directly or indirectly, for example via the frequency of an oscillating circuit formed with these capacitors.
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.By using a capacitive pressure sensor with at least three pressure-sensitive capacitors around the through-opening, the proposed method enables a more reliable measurement of the pretensioning force, since a tilting of the connecting element can be recognized immediately. In the case of a uniform connection, for example uniform tightening of a screw connection, the at least three pressure-sensitive capacitors are loaded to the same extent, whereas tilting is present when the load is different. By integrating the capacitive pressure sensor into a flat base element that remains between the head or counterpart of the connecting element and the component, the pretensioning force of the mechanical connection can also be measured or monitored over a longer period of time. In this way it can be determined whether the pretensioning force has decreased immediately after the connection has been made 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 device proposed for carrying out the method is correspondingly designed as a flat base element with a through opening for the connecting element and has the capacitive pressure sensor. The underlay element can also be composed of several parts. The capacitive pressure sensor has at least three pressure-sensitive capacitors around the through opening and electrical connections via which the respective capacitors of the capacitors can be detected.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren 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 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 the proposed method and the associated device, the underlay element is designed in such a way that it also has an area that is not loaded by the mechanical connection and is not influenced by the pretensioning force of the mechanical connection. In this unloaded area, another capacitor is arranged as a reference capacitor, the capacitance of which is also detected. Capacitance changes can be compensated for by forming the ratio of the 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 correspondingly measured size that are not caused by the mechanical connection. This applies in particular to the compensation of temperature effects. The unloaded area is preferably additionally mechanically decoupled from the loaded area by a suitable partially circumferential slot in the underlay element or at least one of the carrier plates of the underlay element (when using the above sandwich structure). The slot encloses the unloaded area with the reference capacitor by at least 180 °.
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 one first metallic layer is separated into a plurality of regions, so that the plurality of pressure-sensitive capacitors, hereinafter also referred to as, through the two metallic layers with the intermediate dielectric Measuring capacitors referred to be formed around the through hole. The dielectric applied to the capacitors is deformed by the force applied when the mechanical connection is established, and the capacitance of the capacitors is thus changed. The respective capacitance or a change in the capacitance can be recorded and evaluated via the electrical connections. For example, the recorded capacitance can be converted into the applied force, ie the pretensioning force, using a calibration curve. There is also the possibility of forming a stack of several of these capacitive structures made of first and second metallic layers with an interposed dielectric in order to achieve higher capacitances by connecting the measuring capacitors one above the other in parallel. The capacitive structures are separated from one another in the stack by an intermediate insulation 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 in a ring around the through opening. The first metallic layer is preferably separated into at least three ring segments, through which the individual measuring capacitors are formed in connection with the second metallic layer and the dielectric. When using the stack described above, this separation into ring segments accordingly 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 interposed dielectric enables the proposed device to be produced very inexpensively. In this way, the two metallic layers can each be produced on separate carrier plates or boards, between which the dielectric is then inserted during the final assembly of the sensor. The entire underlay element is preferably formed in the form of a sandwich structure from the two carrier plates or boards with the dielectric in between. The non-segmented metallic layer can also be realized by a metallic housing part into which the circuit board with the segmented metallic layer is inserted. There is also the possibility of realizing the non-segmented metallic layer with a spring washer 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-layer to multilayer board in which the carrier material forms the dielectric and the copper surfaces and segmented copper surfaces form the capacitor plates. Furthermore, there is the possibility of already applying signal processing electronics to one or both carrier plates or circuit boards or to the single-layer or multi-layer circuit board, hereinafter also referred to as sensor board, by means of which the respective capacitors of the capacitors are detected and provided in a suitable form at an output connection. This can be done, for example, by embedding a chip with a microcontroller in the sensor board. The microcontroller can also contain a temperature sensor, which can be used to carry out an accurate temperature measurement for a fine calibration of the pressure sensor, if required. There is also the option of making the transmission of the corresponding measurement signals contactless, for example by using 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 multi-layer board. Alternatively, the above microcontroller can also have an RFID function. Automatic capacitor switching, phantom power or other techniques for operating the pressure sensor can also be implemented in order to minimize the number of connecting 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 in such a way that they each convert the detected capacitances into a frequency. This advantageously eliminates capacitive influences for further signal processing.
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 pretensioning force in the production of screw connections. However, there is also the possibility of using the method and the device for other types of mechanical connections which are produced via a connecting element which is subjected to tension. An example of this is rivet or pin connections.
FigurenlisteFigure list
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 device designed as a washer according to the present invention; -
2nd an example of the design of the two metallization layers on two boards from which the proposed device is assembled; -
3rd an example of one side of one of the two boards of the2nd , on which the electronic circuit for signal processing and the electrical connections are integrated; -
4th an example of an electronic circuit for converting the capacities into frequencies; and -
5 an example of a realization of the proposed washer sensor with housing.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying 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, as a result of which several measuring capacitors are formed. If tightened evenly, the respective segments or capacitors are equally loaded, whereas if they are loaded differently, they tilt.
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. circuit 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. circuit board material,
- 7. Copper surface (screen, can be omitted).
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 copper surfaces are all connected to the GND (ground), the segmented surfaces carry the signal. In this example, the two outer copper surfaces only serve as shielding 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. 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. circuit board material,
- 3. segmented copper surfaces (first metallic layer or plate of the measuring capacitors, first layer),
- 4. dielectric deformable,
- 5. copper surface (second common metallic layer or plate of the measuring capacitors, first layer),
- 6. circuit board material,
- 7. segmented copper surface, (first metallic layer or plate of the measuring capacitors, second layer),
- 8. dielectric deformable,
- 9. copper surface (second common metallic layer or plate of the measuring capacitors, second layer),
- 10. circuit board material,
- 11. Copper surface (screen, can be omitted).
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.The copper surfaces are again connected to GND (ground). The copper segments lying one above the other are connected to each other (parallel connection of the capacitors). This results in double capacitance for the four capacitors.
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 also significantly less. 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.
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- UnterlegscheibensensorWasher sensor
- 22nd
- DurchgangsöffnungThrough opening
- 33rd
- erste Platinefirst board
- 44th
- Dielektrikumdielectric
- 55
- zweite Platinesecond board
- 66
- erste Metallisierungfirst metallization
- 77
- zweite Metallisierungsecond metallization
- 88th
- Metallisierung für ReferenzkondensatorMetallization for reference capacitor
- 99
- Schlitzslot
- 1010th
- SignalverarbeitungselektronikSignal processing electronics
- 1111
- elektrische Anschlussflächenelectrical connection pads
- 1212th
- StromversorgungseingangPower input
- 1313
- SpannungsreglerVoltage regulator
- 1414
- AnalogmultiplexerAnalog multiplexer
- 1515
- Steuereingänge für externe BinärschalterControl inputs for external binary switches
- 1616
- Schmitt-TriggerSchmitt trigger
- 1717th
- FrequenzausgangFrequency output
- 1818th
- SensorplatineSensor board
- 1919th
- Oberes GehäuseteilUpper part of the housing
- 2020
- Unteres GehäuseteilLower part of the housing
- 2121
- VerdrehsicherungAnti-twist device
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-
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