DE102016219953B4 - Method and device for measuring the pretensioning force of a mechanical connection, in particular a screw connection - Google Patents

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

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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 claim 1. The invention also relates to a device designed to carry out the method.

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 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.So it shows DE 10 2012 020 932 A1 a force measuring plate which has a plate element and a sensor system for detecting forces acting perpendicular to the plate surfaces. The sensor system is formed by at least one strain sensor, which is arranged on a peripheral surface of the plate element. In one embodiment, the force measuring plate is designed as an annular washer, which is inserted between the screw head or the nut and the component during the production of the screw connection. Since the washer slightly deforms when the screw connection is made, the preload force of the screw connection can be measured 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 a system for monitoring a screw connection is known, in which in one embodiment a capacitive pressure sensor is used which is integrated in a washer for the screw connection. The prestressing force of the screw connection can then be determined by detecting the capacitance of the capacitive pressure sensor.

Die DE 198 54 062 C1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung und Protokollierung der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen. Es geht hierbei um eine Protokollierung des Anziehvorgangs und der Einhaltung der Vorspannkraft (beim Anziehvorgang). Zur Messung der Vorspannkraft wird ein kapazitiver Drucksensor eingesetzt, der in eine Unterlegscheibe für die Schraubverbindung integriert ist.The DE 198 54 062 C1 describes a device and a method for determining and logging the prestressing force in screw connections. This involves logging the tightening process and compliance with the pretensioning force (during the tightening process). A capacitive pressure sensor is used to measure the preload, which is integrated in a washer for the screw connection.

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 DE 198 31 372 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Kontrolle kraftschlüssiger Verbindungen, bei der ein Messsystem in einem unterlegscheibenförmigen Element zumindest teilweise integriert ist. Es wird auch auf den Einsatz eines kapazitiven Drucksensors mit einem elastischen Dielektrikum hingewiesen.The DE 198 31 372 A1 shows a device for checking non-positive connections, in which a measuring system is at least partially integrated in a washer-shaped element. Attention is also drawn to the use of a capacitive pressure sensor with an elastic dielectric.

In der DE 101 38 261 A1 ist eine Sensorvorrichtung zur Überwachung der für eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Werkstücken erforderlichen Kraft beschrieben. Hier wird lediglich allgemein auf ein drucksensitives kapazitives Sensorelement verwiesen, das als Unterlegscheibe bei Schraubverbindungen ausgebildet ist.In the DE 101 38 261 A1 describes a sensor device for monitoring the force required for a non-positive connection between workpieces. Here, reference is only generally made to a pressure-sensitive capacitive sensor element which is designed as a washer for screw connections.

Die DE 44 19 009 A1 zeigt einen Vorspannkraft-Messwert¬aufnehmer für Schraubverbindungen, bei dem die Unterlegscheibe mit einer radialen Bohrung versehen ist, deren Verformung über kapazitive Sensoren erfasst wird.The DE 44 19 009 A1 shows a preload force transducer for screw connections, in which the washer is provided with a radial bore, the deformation of which is detected by capacitive sensors.

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 patent 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 exemplary 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 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 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 are explained in more detail below using an exemplary embodiment in conjunction with the drawings. Here show:
  • 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 the 2nd , 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. 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 is explained in more detail below using an exemplary embodiment in conjunction with the drawings. 1 shows a schematic representation of an example of the configuration 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 the illustration there is a top view of this washer sensor 1 shown the corresponding through opening 2nd through which the screw is passed. Around this opening 2nd The pressure-sensitive measuring capacitors are formed around them, which cannot be seen in this illustration. The same applies to the signal processing electronics and the reference capacitor, which are in the lower area in the figure in the washer sensor 1 are integrated. In the present example, the washer sensor consists of two superposed boards, between which a film or layer of a dielectric is embedded. This sandwich construction is schematic in the cross-sectional representation of the lower part of the 1 to recognize the the first board 3rd , the dielectric 4th 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 the screw is tightened, a compressive force corresponding to the prestressing force of the screw is applied to the dielectric 4th exercised. This force changes the geometric strength of the dielectric 4th and thus the distance between the respective metallizations or metallization layers, between which the dielectric is located 4th located. The metallizations are on the two boards 3rd , 5 and each form with the intermediate dielectric 4th the measuring capacitors. The dielectric becomes due to the applied force 4th deformed and thus the capacitance of the respective measuring capacitor changed. This capacity or change in capacity is measured and can be converted into the applied force, for example, using a calibration curve. The washer sensor also enables permanent monitoring of the respective preload.

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.

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. 2nd shows an example of the design of the metallizations of the first board 3rd and the second board 5 . The figure shows the dielectric 4th facing sides of these boards. The first metallization 6 the first board 3rd is divided into three segments. The second metallization 7 the second board 5 is, however, as a closed ring around the through opening 2nd educated. When joining the two boards 3rd , 5 with an intermediate dielectric 4th are three measuring capacitors around the through opening 2nd formed around, whose capacities are measured via a signal processing electronics, not shown in this figure. In the lower part of the two boards 3rd , 5 is another metallization 8th to recognize by which a reference capacitor is formed for the measurement. This reference capacitor is located in an area that is not stressed by the screw connection to be measured. This is in addition in the second board 5 a partially circumferential slot 9 introduced the dielectric 4th additionally decoupled from the mechanical load by the screw connection in this area.

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).
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. circuit 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. circuit board material,
  7. 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. 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).
It is also possible to stack a plurality of such capacitive structures of first and second metallic layers with an interposed dielectric in order to achieve higher capacities. With this stacking, however, the pressure sensor should no longer be composed of individual parts but are formed in one piece, whereby 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. circuit board material,
  3. 3. segmented copper surfaces (first metallic layer or plate of the measuring capacitors, first layer),
  4. 4. dielectric deformable,
  5. 5. copper surface (second common metallic layer or plate of the measuring capacitors, first layer),
  6. 6. circuit board material,
  7. 7. segmented copper surface, (first metallic layer or plate of the measuring capacitors, second layer),
  8. 8. dielectric deformable,
  9. 9. copper surface (second common metallic layer or plate of the measuring capacitors, second layer),
  10. 10. circuit board material,
  11. 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 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 the 1 and 2nd is the capacitance of the respective capacitors via signal processing electronics 10th converted to a frequency to exclude capacitive influences for further signal processing. This signal processing electronics 10th is in the first board in this example 3rd integrated like this into 3rd is indicated schematically. 3rd shows a top view of the dielectric 4th opposite side of the first board 3rd . The area of integrated signal processing electronics 10th is only indicated schematically here. Electrical connection surfaces are also shown in this illustration 11 for the power supply, the output signal of the signal processing electronics 10th as well as 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.In this example, the capacitance of the individual capacitors is measured or signal processed with the aid of a multiplexer, with which the capacitance of the capacitors is recorded in chronological order. 4th shows an example of such signal processing electronics 10th . In the present example, this signal processing electronics has a voltage regulator 13 for the voltage supply of the individual components via a power supply input 12th is fed. The capacitances of the measuring capacitors CS1, CS2 and CS3 as well as the reference capacitor CR1 are via the analog multiplexer 14 measured sequentially in time. The analog multiplexer 14 is in turn controlled via external binary switches, via the corresponding control inputs 15 be connected to the signal processing electronics. The capacities measured in each case are via a Schmitt trigger 16 converted to frequencies at the frequency output 17th the signal processing electronics of the washer sensor are provided. In the circuit diagram of the 4th C1 to C6 capacitances, R1 to R5 resistors and L represent an inductive filter element. The respective output signal corresponds to a frequency which decreases with increasing pressure on the dielectric. The corresponding preload can be determined from the frequency using 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 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.

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 a realization of the proposed washer sensor, in which the sensor board 18th with the reference and the measuring capacitors is surrounded by a protective housing. This housing is through an upper housing part 19th and a lower housing part 20 formed between which the sensor board 18th with the integrated, deformable dielectric. The housing parts are designed as specially shaped washers and with an anti-rotation device 21 secured against twisting when tightening. In the present example, the upper part of the housing 19th as an anti-twist device 21 the two lugs recognizable in the figure, which in corresponding receptacles on the lower housing part 20 intervention.

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

Claims (16)

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 tension, in which the pretensioning force is measured with a capacitive pressure sensor that is inserted into 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 Capacity of a reference capacitor rs (CR1) is detected, which is arranged in a region of the base element (1) that is not loaded by the mechanical connection. 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.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the capacitive pressure sensor has a capacitive structure made of a dielectric (4) between two metallic layers (6, 7), which deforms due to the production of the mechanical connection, wherein at least a first (6) of the metallic layers into several areas is separated in order to form the plurality of pressure-sensitive capacitors (CS1, CS2, CS3) around the through-opening (2) through the two metallic layers (6, 7) with the interposed dielectric (4). 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.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the capacitive pressure sensor has a stack of several of the capacitive structures, in which pressure-sensitive capacitors lying one above the other are connected in parallel. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitäten der Kondensatoren (CS1, CS2, CS3, CR1) über eine elektrische Schaltung (10) in Frequenzen umgewandelt werden.Procedure according to one of the Claims 1 to 3rd , 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 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannkraft über eine Kalibrierkurve aus den erfassten Kapazitäten oder daraus abgeleiteten Größen bestimmt wird.Procedure according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the pretensioning force is determined via a calibration curve from the capacities detected or from the quantities derived therefrom. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannkraft nach Herstellung der mechanischen Verbindung kontinuierlich oder wiederholt gemessen wird.Procedure according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the prestressing force is measured continuously or repeatedly after the mechanical connection has been established. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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.Procedure according to one of the Claims 1 to 6 , characterized in that by comparing the capacitances of the several capacitors (CS1, CS2, CS3) or variables derived therefrom it is checked whether the connecting element is tilted. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Messung und/oder Überwachung der Vorspannkraft einer Schraubverbindung.Procedure according to one of the Claims 1 to 7 for measuring and / or monitoring the preload force of a screw connection. Vorrichtung 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, 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, und 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 for measuring and / or monitoring the pretensioning force of a mechanical connection which is produced between a component and an object or further component via at least one connecting element which is subjected to tension, the device being a flat underlay element (1) with a through opening (2) for the Connection element is formed 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, via the capacitors (CS1, CS2, CS3) ) can be detected, and the base element (1) has a load-free area that is not loaded by the mechanical connection between the head or counterpart of the connecting element and the component when the base element (1) is inserted, a reference capacitor () in the unloaded area CR1) for the measurement is arranged. 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 has a capacitive structure made of a dielectric (4) between two metallic layers (6, 7), at least a first one (6) of which is divided into a plurality of regions in order 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 has a stack of several of the capacitive structures, in which pressure-sensitive capacitors lying one above the other 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 ring-shaped around the through 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 the Claims 10 to 13 , characterized in that the underlay element (1) is formed in a sandwich construction from two carrier plates (3, 5) with the intermediate dielectric (4), the two metallic layers (6, 7) being formed on the two carrier plates (3, 5) are. 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 the Claims 10 to 13 , characterized in that the base element (1) is made of a single or multilayer board which has a carrier material and copper surfaces, the carrier material the dielectric (4) and the copper surfaces the metallic layers (6, 7) for the capacitors (CS1 , CS2, CS3) form. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, 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 the Claims 9 to 15 , characterized in that an electrical circuit (10) for detecting the capacitances of the capacitors (CS1, CS2, CS3, CR1) is arranged on the base element (1) or is integrated in the base element (1).
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