WO2018073031A1 - Connecting element having an integrated sensor - Google Patents

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WO2018073031A1
WO2018073031A1 PCT/EP2017/075600 EP2017075600W WO2018073031A1 WO 2018073031 A1 WO2018073031 A1 WO 2018073031A1 EP 2017075600 W EP2017075600 W EP 2017075600W WO 2018073031 A1 WO2018073031 A1 WO 2018073031A1
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WO
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sensor
signal
sensor element
measuring
connecting element
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PCT/EP2017/075600
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Matthias BRENNEIS
Original Assignee
GLBS Patentverwertungsgesellschaft GbR
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G01L1/162Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices using piezoelectric resonators
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0004Force transducers adapted for mounting in a bore of the force receiving structure
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16BDEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B31/00Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts
    • F16B31/02Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for indicating the attainment of a particular tensile load or limiting tensile load
    • F16B31/025Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for indicating the attainment of a particular tensile load or limiting tensile load with a gauge pin in a longitudinal bore in the body of the bolt

Definitions

  • the present invention relates to a connecting element with a
  • the invention relates to a force measuring bolt, wherein the bolt also acts as a connecting element for components to be joined together.
  • the invention relates to a measuring system with a measuring arrangement and with a connecting element and to a method for measuring a mechanical force acting on a connecting element.
  • Connecting elements with integrated sensor devices, such as force measuring pins are known in the art, such as from
  • Essentially consists of a longitudinally oriented support structure and a sensor unit.
  • a sensor unit For the sensor unit there is the application of strain gauges proposed to a carrier.
  • the sensor unit is designed for detecting mechanical and / or thermal measured variables.
  • the present invention has for its object to provide an improved connection element and an improved measuring system and an improved method for measuring a force acting on a connecting element, by means of which a long-term stable and
  • the connecting element should be characterized by a well reproducible structure.
  • Measuring methods should also be characterized by high precision and a high degree of reproducibility.
  • the elongated connecting body and provided with a sensor.
  • the sensor is arranged in a cavity of the connecting body.
  • the sensor is also firmly connected to the connecting body.
  • the sensor has at least one
  • the sensor element can also be coupled with a measuring arrangement in a signal-transmitting manner.
  • the sensor element is preferably an electrical one
  • the Sensor element which is electrically signal transmitting with the measuring arrangement coupled.
  • the coupling can be wired or wireless.
  • the sensor is typically in a blind hole designed cavity of the connecting body.
  • the cavity can be introduced in particular as an axial bore in the connecting body.
  • Connecting body may in particular have the form of an elongated screw or an elongated cylindrical bolt.
  • the connecting body has at least one
  • the connecting body thus the entire connecting element can be used for example as a connecting screw or as a connecting bolt to connect at least two components together.
  • the load-dependent elastic modulus of the sensor element gives the
  • Sensor element a natural vibration frequency, which varies depending on the prevailing mechanical load. Typically that is
  • a resonant or natural frequency of the at least one sensor element is due to the load-dependent
  • the measuring arrangement is typically the natural vibration frequency of the sensor element, e.g. according to an impedance-reflection measurement method
  • the oscillation natural frequency of the at least one sensor element changes largely exclusively by a change in the mechanical force acting on the sensor element. Over a long period repeated measurements to be performed on the
  • the sensor and its sensor element is located in a cavity of the connecting body and in that the sensor and its sensor element are firmly connected to the connecting body, the sensor element is quasi in the load path of the connecting element, thus in the load path of
  • the sensor element is thus exposed to the same extent as the connecting body itself a mechanical stress or a mechanical force.
  • the feasible with the connecting element measuring method requires the embedding of the at least one sensor element in the load path or in the power flow of the connecting body. In this way, changes in the mechanical force acting on the at least one sensor element can be directly transferred into a change in the natural vibration frequency of the at least one sensor element which can be measured by means of the measuring arrangement.
  • an electrically measurable oscillation natural frequency of the at least one sensor element is a direct quantitative measure of the mechanical force acting on the at least one sensor element and thus also on the connecting body.
  • the senor has a first sensor section and a second sensor section.
  • First and second sensor sections are spaced apart in the longitudinal direction of the connecting body, typically also in the longitudinal direction of the cavity.
  • the first sensor section and the second sensor section are each firmly connected to the connecting body or they are fixed thereto.
  • the first sensor section and the second sensor section can at the same time also represent end sections of the sensor with respect to the longitudinal direction of the connecting body or with corresponding longitudinal ends
  • first and second sensor section coincide.
  • both the first and the second sensor section are spaced apart in the longitudinal direction and are respectively connected directly or indirectly to the connecting body and fixed accordingly to the connecting body, any mechanical stresses acting on the connecting body in the longitudinal direction can be correspondingly transmitted to the sensor.
  • the sensor is, so to speak, in a power flow of the connecting body, while the connecting body itself represents the actual main power flow.
  • a force acting on the connecting body mechanical stress or force in the longitudinal direction is due to the respective connection of the first and second sensor portion with the
  • the at least one sensor element has an electrically measurable natural vibration frequency that is variable as a function of a mechanical force. This property of the sensor element makes use of the measuring arrangement.
  • the at least one sensor element of the sensor can be excited to mechanical vibrations. According to the momentarily acting on the sensor element mechanical force by means of the measuring arrangement, the respective
  • Natural vibration frequency of the sensor element as a characteristic characteristic of the same measurable.
  • the natural vibration frequency is a direct measure of the mechanical force currently acting on the relevant sensor element.
  • the at least one sensor element comprises a piezoelectric crystal or a piezoelectric ceramic.
  • Sensor element may also consist of one or more piezoelectric crystals or of one or more piezoelectric ceramics.
  • this can be, for example, a lead zirconate titanate and / or a lead magnesium Niobate or other, suitable for the production of piezoelectric ceramics materials.
  • piezoelectric crystals or piezoelectric ceramics are far too rigid or inelastic, they still have a load-dependent
  • the at least one sensor element is electrically contacted in the longitudinal direction and for a polarization direction of the piezoelectric crystal or the piezoelectric ceramic to be aligned essentially parallel to the longitudinal direction of the connecting body.
  • the at least one sensor element for measuring and determining is preferably one in the longitudinal direction of the
  • an electrical contact which can be electrically conductively connected to the measuring arrangement is arranged at one longitudinal end of the at least one
  • Sensor element arranged.
  • the electrical contact on, for example, a proximal longitudinal end of the sensor element is connected to the measuring arrangement, while an opposite distal end of the sensor element can be connected, for example, in an electrically conductive manner to the connecting body.
  • Connecting body may represent a ground potential, while the electrical contact at the proximal end of the sensor element is preferably electrically insulated from the connecting body.
  • Vibrations are stimulated.
  • a reaction thus a reflection response of the at least one sensor element with the same electrical contact and transmitted to the measuring device.
  • Connection or coupling between the measuring arrangement and the at least one sensor element is therefore sufficient in principle to carry out a force measurement.
  • the senor has at least two in
  • both sensor elements can be excited simultaneously to vibrations.
  • the electrical contact can also act as a sensor to determine the vibration natural frequencies of the sensor elements.
  • the two sensor elements are due to their respective arrangement and fixation in the cavity of the connecting body widely exposed identical, acting in the longitudinal direction mechanical forces. Your load-dependent
  • Modulus of elasticity consequently alters equally as a result of a change in the external force.
  • the senor is exposed within the cavity of a mechanical compression in the longitudinal direction.
  • the sensor can be biased in the longitudinal direction.
  • Connecting element is subject to the sensor element thus an axial
  • Connecting element act on this axial tensile forces. These counteract the bias of the sensor element.
  • the measure of a measurable through this Displacement of the natural vibration frequency of the at least one sensor element is insofar a direct measure of the force acting on the connecting body mechanical force in the longitudinal direction.
  • Measuring arrangement typically in the form of a measuring device.
  • Measuring arrangement or the measuring device can be signal-transmitting coupled to the at least one sensor element of the sensor of the connecting element.
  • the signal-transmitting coupling can be implemented in particular wired, but also wirelessly.
  • the measuring arrangement is designed to determine the electrically measurable natural vibration frequency of the at least one sensor element of the sensor of the connecting element. From the measurable
  • Natural vibration frequency is then in the longitudinal direction of the
  • the measuring arrangement of the measuring system has at least one electrical signal generator for generating a temporally varying electrical input signal.
  • the electrical input signal is typically an oscillating, possibly periodically oscillating electrical signal.
  • Measuring arrangement further comprises at least a first signal receiver.
  • the first signal receiver and the signal generator are connected to the at least one
  • the first signal receiver and the signal generator are electrically connected to the at least one sensor element.
  • the first signal receiver is further designed to evaluate a response signal of the at least one sensor element in response to the input signal.
  • the signal generator generates a sequence of input signals of different frequency and that the signal receiver determines and determines a signal amplitude of the response signal as a function of the frequency of the respectively associated input signal. In this way are by means of the signal generator and by means of the signal receiver the
  • the sensor element as a component of a
  • Sensor element still have a mounting cap or a functional component.
  • the mounting cap and / or the functional component may be non-positively coupled to the at least one sensor element.
  • the at least one sensor element can axially on at least one of mounting cap and
  • Abut functional component It can also be arranged axially between the mounting cap and the functional component clamping inside the cavity.
  • Mounting cap formed assembly may have a natural vibration frequency in the range between 1 kHz and 500 kHz or e.g. between 10 kHz and 100 kHz. This area is metrologically very good and measurable with inexpensive to implement measuring instruments. Thus, instead of or in addition to determining a natural vibration frequency of the sensor element, the corresponding natural vibration frequency of the assembly of
  • a signal-transmitting coupling between the at least one sensor element and the measuring arrangement typically takes place by means of a signal cable.
  • the signal cable provides a wired signal-transmitting connection between the sensor element and the measuring arrangement.
  • the connection of the signal cable with the sensor element and / or with the measuring arrangement can be designed as a detachable plug connection with a plug and with a socket corresponding thereto.
  • the connection may also have one or more spring contacts and / or a contact plate.
  • Measuring arrangement for performing an impedance reflection measurement is configured.
  • Response signal is transferable via one and the same signal cable between the signal generator, the signal receiver and the sensor element.
  • the use of only a single signal cable proves to be advantageous in terms of assembly technology and manufacturing technology for the connecting element.
  • Signal generator and the first signal receiver are connected in series via an electrical resistor.
  • the first signal receiver is furthermore directly electrically connected to the at least one sensor element.
  • the proportion of the input signal can thereby be reduced or attenuated at the first signal receiver.
  • the proportion of the response signal on the part of the signal generator can be reduced or attenuated.
  • Signal receiver can be switched almost parallel to the signal generator. It can be on the same side of the electrical resistance as the signal generator. By means of the second signal receiver can actually from the
  • the first signal receiver is designed to measure a frequency spectrum of the response signal of the at least one sensor element.
  • the second signal receiver can also be designed to measure a frequency spectrum of the input signal generated by the signal generator. At least one of the first and second signal receiver can be equipped with an evaluation unit or signal-transmitting coupled to an external evaluation unit, which is configured to
  • a method for measuring a force acting on a connecting element comprises the steps of providing a previously described connecting element and electrically connecting the at least one sensor element of the
  • the method further comprises applying the at least one sensor element with a time-varying electrical signal. Typically this will be at least one
  • the method further comprises measuring one of at least one
  • Sensor element reflected response signal and the evaluation of the response signal for determining a force acting in the longitudinal direction of the connecting element or on the sensor element force is in particular carried out computer-aided. In that regard, the steps of loading the at least one sensor element with the time-varying electrical signal, measuring the reflected response signal and evaluating the
  • the measuring arrangement typically has at least one processor, such as a microprocessor or microcontroller and a memory.
  • the measuring arrangement may further comprise a programmable logic controller and / or an FPGA module (Field Programmable Gate Array).
  • the measuring arrangement can be designed as a computer or as a tablet computer.
  • the measuring method described can be carried out in particular with a previously described measuring system, or at least with a connecting element described above. In that regard, all mentioned in relation to the connecting element and the measuring system features, properties and advantages also apply equally to the measuring method; and vice versa.
  • the evaluation of the response signal comprises a spectral analysis of the response signal.
  • Sensor element acting force is a resonance or
  • Natural vibration frequency of the at least one sensor element measured. Due to the load-dependent modulus of elasticity of the at least one sensor element, the resonant or natural vibration frequency of the at least one sensor element is a direct measure of the force acting in the longitudinal direction on the sensor element and on the elongated connecting body.
  • the method may also include a calibration and / or calibration of the connecting element used before the measurement is carried out.
  • any measurable natural vibration frequency can be determined in accordance with a preliminary characterization of the
  • Connecting element to be assigned a mechanical force When using the measuring method, the previously stored for example in a memory
  • FIG. 1 is a schematic representation of a cross section through a connecting element connecting two components, a cross section corresponding to FIG. 1, but with a slightly different configuration of the connecting element, a schematic enlarged representation of the fixation of a sensor in the cavity of the elongated connecting body according to a first embodiment , a further embodiment for fixing the sensor in the cavity, a further embodiment for fixing the sensor in the cavity, a schematic representation of an embodiment of the sensor with two sensor elements,
  • Fig. 7 shows a further embodiment of a sensor with a total of two
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a measuring arrangement to be signal-connected to the sensor
  • FIG. 9 is a diagram of a measurement in the presence of a first force
  • FIG. 10 is a diagram of a force measurement in the presence of a second force
  • 1 1 is a diagram with a total of four plots of measured natural vibration frequencies at different prevailing forces
  • FIG. 12 is a flowchart of the measuring method.
  • FIGS. 1 and 2 A measuring system for measuring and determining a force acting on a connecting element 10 in the axial or longitudinal direction is shown schematically in FIGS. 1 and 2.
  • the measuring system 50 comprises a connecting element 10 with an elongated connecting body 11 and a measuring arrangement 30, which is typically configured in the form of a measuring device.
  • the connecting element 10 is designed as a force measuring pin.
  • the elongated connecting body 1 1 has a helical or bolt-like elongated cylindrical shape.
  • the shaft 17 has, at least in sections, an external thread 25, which is designed in a corresponding thereto
  • the first component 1 has in the present embodiment a
  • the shaft 17 passes through the passage opening 4 of the second component 2.
  • the radially widened head 18 is axially in an abutment position with an opening facing away from the first component opening boundary of the through hole 4.
  • the connecting element 10 can apply a the first and the second component 1966yoggende force. Consequently, by means of the connecting element 10, the second component 2 is clamped between the head 18 and the first component 1.
  • the head 18 Connecting element 10 in the first component 1, the head 18, for example, have a radially outer key surface. Alternatively, and as shown in Fig. 1, an end face of the head 18 a
  • connecting body 1 1 Axially aligned mechanical stress through the connecting body 1 1 accompanied.
  • the connecting body 1 1 undergoes a tensile stress in the longitudinal or axial direction.
  • the connecting body 1 1 has in the present embodiment radially centrally a longitudinally extending cavity 14, which in
  • the cavity may be configured as a kind of axial blind hole in the connecting body 1 1.
  • a sensor 12 is fixed.
  • the sensor 12 has, as shown in more detail in FIGS. 3 to 7, at least one sensor element 22, possibly also two sensor elements 22, 24.
  • the at least one sensor element 22, possibly also both sensor elements 22, 24 have a material with a load-dependent modulus of elasticity.
  • the material of the sensor element 22 changes its elasticity or rigidity depending on the respective prevailing mechanical force.
  • the change in the modulus of elasticity is reflected in particular in the vibration behavior of the
  • Vibration excitation changes depending on the momentarily acting on the sensor element 22, 24 mechanical force or voltage.
  • An oscillation natural frequency of the at least one sensor element 22, 24 can be measured by means of the measuring arrangement 30 and the signal-transmitting electrical coupling formed, for example, by means of a signal cable 36, between the sensor 12 and the measuring arrangement 30.
  • Reflection signal as a response signal is then equally transmitted from the signal cable 36 to the measuring device 30.
  • a tuning through a predetermined frequency band is in this way the
  • Vibration natural frequency of the sensor 12 under mechanical tension can be determined.
  • the construction of the measuring system 50 according to FIG. 2 is analogous to the design of the measuring system 50 according to FIG. 2
  • Substantially completely cylindrical connecting body 1 1 1 which has an external thread 25, 45 at opposite end portions. The side facing away from the first component 1 side of the second component. 2
  • External thread 45 is provided, which with an internal thread 46 a
  • Nut 42 cooperates.
  • the nut 42 has at her
  • the cavity 14 for the sensor 12 is also provided here as a cylindrical blind hole radially centered in the connecting body 1 1 1.
  • Figs. 3 to 5 are different embodiments for fixing and
  • the sensor 12 which is shown in FIGS. 3 to 5 as a monolithic sensor, may have a single sensor element 22, for example in the form of a piezoelectric crystal or in the form of a piezoelectric ceramic. However, the sensor 12 may have two or more sensor elements 22, 24, as shown by way of example in FIGS. 6 and 7.
  • the sensor 12 is electrically contacted with its opposite longitudinal ends. A lower end of the sensor 12, which is located on a bottom 60 of the cavity 14, is directly electrically conductive with the bottom 60 and thus with the typically made of a metal
  • the mounting cap 64 has a first end and a second end.
  • the electrical contact 26 is electrically connected to the measuring arrangement 30 via a signal cable 36.
  • the sensor 12 is fixed within the cavity 14 by means of a mounting cap 64. Between the mounting cap 64, which may also be made of metal and the electrical contact 26, an electrical insulator 66 is further arranged. In this way, the electrical contact 26 is electrically insulated from the metallic connecting body 1 1.
  • the mounting cap 64 has a
  • the electrical insulator 66 likewise has a cable feedthrough 67.
  • the signal cable 36 can be passed through the mounting cap 64 and through the electrical insulation 66.
  • a plastic deformation of the connecting body 1 1 is provided for the mechanical fixation of the sensor 12 within the cavity 14 in the present case.
  • Manufacturing technology can be introduced into an initially hollow cylindrical cavity 14 of the sensor 12 together with the electrical contact 26, 27, the signal cable 36 and the electrical insulator 66 and the mounting cap 64. Then there is a radially inwardly directed deformation of the inner wall 62 of the cavity 14 such that the mounting cap 64 and thus on the entire assembly of mounting cap 64, electrical insulator 66 and sensor 12 exerts a biasing force acting in the axial or longitudinal direction.
  • the sensor 12 in the axial direction or the longitudinal direction of the
  • the inner wall 62 has at least one or more radially inwardly projecting projections 63, which keep the sensor 12 fixed in the cavity 14 under prestress.
  • the sensor 12 is compressed in the axial direction between the bottom 60 and at least one radially inwardly projecting projection 63, which may also be configured annularly.
  • the second sensor section 16, which in the present embodiment with a
  • the first sensor section 15 is so far on the mounting cap 64 and the electrical insulator 66 indirectly fixed to a longitudinally spaced from the bottom 60 of the connecting body 1 1, for example with the
  • Tab 63 connected or fixed thereto.
  • An acting in the longitudinal direction or axial direction of the connecting body 1 1 force, such as a tensile load on the connecting body 1 1 has an immediate effect on the axial
  • Natural oscillation frequency The change in the natural vibration frequency is thus an immediate measure and an indication of a change in the
  • FIG. 5 provides, instead of a cohesive connection, to screw the mounting cap 64 into the cavity 14 and fix it quasi by means of a screw connection mi cavity 14.
  • the mounting cap 64 has on its outer side an external thread 165 which can be brought into engagement with an internal thread 1 66 provided on the inner wall 62.
  • the sensor Similar to the head 18 according to FIG. 1, the sensor also has the same here
  • the mounting body 64 facing away from the end cap 64 has a form-fitting structure for a torque-transmitting coupling with a screwing on.
  • the mounting body 64 can be screwed into the cavity 14 to produce an axial compression acting on the sensor 12.
  • FIGS. 6 and 7 two sensor variants 12 are shown, in which the sensor 12 has two sensor elements 22, 24 connected in series instead of one single sensor element 22.
  • the sensors 12 according to FIGS. 6 and 7 can be fixed under bias in the cavity 14 according to one of the methods described in FIGS. 3 to 5, without this being explained in more detail with reference to FIGS. 6 or 7.
  • a first sensor element 22 As shown in Fig. 6, is located between a first sensor element 22 and a second sensor element 24, the electrical contact 26, which with the
  • Signal cable 36 is electrically connected.
  • the first sensor element 22 on an axial cable gland 23.
  • the mounting cap 64 also causes the sensor 12 with its two sensor elements 22, 24 to be fixed in the cavity 14 under an axial prestress, in particular under an axial compression.
  • the first sensor element 22 and the second sensor element 24 are separated from each other in the longitudinal direction of the connecting body 1 1 and in the longitudinal direction of the cavity 14 by the electrical contact 26.
  • the first sensor element 22 and the second sensor element 24 can be acted upon in an identical manner by an oscillating input signal.
  • the first sensor element 22 and the second sensor element 24 can be acted upon in an identical manner by an oscillating input signal.
  • Sensor element 24 can be recorded with one and the same electrical contact 26 and supplied via the signal cable 36 of the measuring device 30.
  • the electrical contact 26 facing away from the longitudinal ends of the first
  • a further functional component 68 is arranged between the second sensor element 24 and the bottom 60 of the cavity 14.
  • the functional component 68 may have a defined elasticity or rigidity and thus have a far-reaching influence on the overall elasticity of the structure of the sensor 12. From a mechanical point of view and with regard to a tensile or compressive load, the mounting cap 64, the first
  • Geometry can be the type of mechanical coupling between the
  • Connecting body 1 1 and the sensor 12 are adapted to different measurement requirements.
  • a functional component 68 from a number of available functional components with different elastic properties or geometries on the sensitivity of the sensor
  • FIG. 8 schematically shows the structure of the measuring arrangement 30.
  • the measuring arrangement 30 can be coupled with the sensor 12 in a signal-transmitting manner.
  • the measuring arrangement 30 has a
  • Signal generator 32 and a first signal receiver 34 and a second signal receiver 35. Between the first signal receiver 34 and the second signal receiver 35, an ohmic or electrical resistance 38 is arranged, which is essentially for a decoupling of input signals and
  • the second signal receiver 35 is primarily used for monitoring and frequency measurement of the input signals generated by the signal generator 32.
  • the input signals are from the first
  • the first signal receiver 34 is directly connected to the signal cable 36, thus with the output or input of the after
  • Reflection method working measuring device 30 coupled.
  • the response signals which are reflected by the sensor 12 and characterize the natural vibration frequency of the sensor 12, are primarily from the first
  • Signal receiver 34 received. Due to the resistor 38, the reflected response signals of the sensor 12 in the second signal receiver 35 are received only reduced or attenuated.
  • the measuring arrangement 30 and the entire measuring system 50 is
  • the natural vibration frequency as shown in FIG. 10, is at a frequency f2.
  • the frequency f1 is greater than the frequency f2. Consequently, the force acting in total on the sensor 12 is less in the example of FIG. 10 than in FIG. 9.
  • the configuration of FIG. 10 may represent a force F2 which is greater than the force F1 of FIG. 9.
  • the force F1 can represent an unloaded initial situation of the connection arrangement 10, in which the
  • Sensor element 22, 24 or one of sensor element 22, mounting cap 64 and / or functional component 68 formed assembly composite is arranged with an axial bias in the cavity 14 is fixed. One by tightening one
  • Screw connection generated tensile force on the connecting element 10 counteracts the original biasing force.
  • the individual graphs reflect forces or torques from 0 to 60 kN.
  • the dashed diagram corresponds to a connector in the original state, the dashed line represents a measurement at a force of 20 kN.
  • the diamond chart represents a measurement at 40 kN and the solid line represents a measurement with an externally applied force of 60 kN. It is directly apparent from the diagram of FIG. 1 1 that the Vibrational natural frequencies of the individual graphs are shifted. in the
  • the natural vibration frequency fO is about 85 kHz.
  • the natural vibration frequency f20 is about 80 kHz.
  • a mechanical load of 40 kN is the
  • the frequency ranges given here are purely exemplary for a prototype.
  • the natural vibration frequency of the at least one sensor element can also be in a completely different frequency range, for example in a range above 100 kHz or even below 10 kHz. Also, depending on the specific design of the connecting element measurement in different power ranges are conceivable.
  • the basic method for measuring the force acting on a connector 10 is shown schematically.
  • a connecting element 10 is provided and its sensor 12 or its sensor element 22, 24 is electrically signal-transmitting connected to a measuring arrangement 30.
  • the at least one sensor element 22, 24 is acted upon by a time-varying electrical signal, in particular with an input signal generated by the signal generator 32.
  • a further step 104 which can take place at the same time as step 102, the response signal reflected by the sensor element 22, 24 is measured.
  • Steps 102 and 104 are typically performed for an entire frequency spectrum.
  • the natural vibration frequency of the sensor element 22, 24 determined from the measured response signals.
  • the natural vibration frequency can be determined as the frequency at which the amplitude of the response signal for the measured frequency range is maximum.
  • the assignment of the measured natural vibration frequency to a force actually acting on the connecting element then takes place according to a previously performed calibration or calibration.
  • the measuring system may also have, in addition to the already described first measuring arrangement 30, a further, namely a second measuring arrangement 130.
  • the signal cable 35 of the sensor 12 can be selectively coupled or connected to either the first or the second measuring arrangement 30, 130.
  • the first measuring arrangement 30 can be used, while for highly dynamic or particularly sensitive measurements another measuring method according to the second measuring arrangement 130 can be used, e.g. based on a capacitively coupled operational amplifier.
  • Switching between the measuring arrangements can be done by means of eg a switch.

Abstract

The present invention relates to a connecting element (10) having a longitudinally extended connecting body (11) and a sensor (12), and to a method and measuring system provided with such a connecting element (10). The connecting element (10) has a longitudinally extended connecting body (11) and a sensor (12) which is arranged in a hollow space (14) of the connecting body (11) and is firmly connected with the connecting body (11), wherein the sensor (12) has at least one sensor element (22, 24) with a load-dependent modulus of elasticity which changes as a function of an acting mechanical force, and wherein the sensor element (22, 24) can be coupled with a measuring arrangement (30) in a signal-transmitting manner.

Description

Verbindungselement mit integriertem Sensor  Connecting element with integrated sensor
B e s c h r e i b u n g Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungselement mit einem The present invention relates to a connecting element with a
längserstreckten Verbindungskörper und mit einem Sensor, welcher in einem Hohlraum des Verbindungskörpers angeordnet und fest mit dem Verbindungskörper verbunden ist. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Kraftmessbolzen, wobei der Bolzen zugleich als Verbindungselement für miteinander zu verbindende Bauteile fungiert. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Messsystem mit einer Messanordnung und mit einem Verbindungselement sowie ein Verfahren zur Messung einer auf ein Verbindungselement einwirkenden mechanischen Kraft. elongated connecting body and with a sensor which is arranged in a cavity of the connecting body and fixedly connected to the connecting body. In particular, the invention relates to a force measuring bolt, wherein the bolt also acts as a connecting element for components to be joined together. In a further aspect, the invention relates to a measuring system with a measuring arrangement and with a connecting element and to a method for measuring a mechanical force acting on a connecting element.
Hintergrund background
Verbindungselemente mit integrierten Sensoreinrichtungen, wie zum Beispiel Kraftmessbolzen sind im Stand der Technik, so zum Beispiel aus der Connecting elements with integrated sensor devices, such as force measuring pins are known in the art, such as from
WO 2013/139464 A1 bekannt. Dort wird ein Aufbau vorgeschlagen, der im WO 2013/139464 A1. There is proposed a structure that is in the
Wesentlichen aus einer längsorientierten Tragstruktur und einer Sensoreinheit besteht. Für die Sensoreinheit wird dort die Applikation von Dehnmessstreifen auf einem Träger vorgeschlagen. Die Sensoreinheit ist dabei zur Erfassung mechanischer und/oder thermischer Messgrößen ausgebildet. Essentially consists of a longitudinally oriented support structure and a sensor unit. For the sensor unit there is the application of strain gauges proposed to a carrier. The sensor unit is designed for detecting mechanical and / or thermal measured variables.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verbindungselement und ein verbessertes Messsystem sowie ein verbessertes Verfahren zur Messung einer auf einem Verbindungselement einwirkenden Kraft bereitzustellen, mittels welchen eine langzeitstabile und In contrast, the present invention has for its object to provide an improved connection element and an improved measuring system and an improved method for measuring a force acting on a connecting element, by means of which a long-term stable and
besonders präzise Messung einer auf das Verbindungselement einwirkenden mechanischen Kraft erfolgen kann. Das Verbindungselement soll sich dabei durch einen gut reproduzierbaren Aufbau auszeichnen. Das Messsystem und das particularly precise measurement of a force acting on the connecting element mechanical force can take place. The connecting element should be characterized by a well reproducible structure. The measuring system and the
Messverfahren sollen sich zudem durch eine hohe Präzision und durch ein hohes Maß an Reproduzierbarkeit auszeichnen.  Measuring methods should also be characterized by high precision and a high degree of reproducibility.
Vorteilhafte Ausgestaltungen Advantageous embodiments
Diese Aufgabe wird mit einem Verbindungselement gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie mit einem Messsystem nach Anspruch 8 und mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind dabei jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche. This object is achieved with a connecting element according to the independent claim 1 and with a measuring system according to claim 8 and with a method according to claim 14. Advantageous embodiments are each the subject of dependent claims.
Demgemäß ist nach einem Aspekt ein Verbindungselement mit einem Accordingly, according to one aspect, a connecting element with a
längserstreckten Verbindungskörper und mit einem Sensor vorgesehen. Der Sensor ist in einem Hohlraum des Verbindungskörpers angeordnet. Der Sensor ist ferner fest mit dem Verbindungskörper verbunden. Der Sensor weist zumindest ein elongated connecting body and provided with a sensor. The sensor is arranged in a cavity of the connecting body. The sensor is also firmly connected to the connecting body. The sensor has at least one
Sensorelement mit einem belastungsabhängigen Elastizitätsmodul auf. Dies bedeutet, dass sich der Elastizitätsmodul des Materials des Sensorelements in Abhängigkeit einer auf das Sensorelement einwirkenden mechanischen Kraft ändert. Sensor element with a load-dependent modulus of elasticity. This means that the modulus of elasticity of the material of the sensor element changes as a function of a mechanical force acting on the sensor element.
Das Sensorelement ist ferner mit einer Messanordnung signalübertragend koppelbar. Bei dem Sensorelement handelt es sich vorzugsweise um ein elektrisches The sensor element can also be coupled with a measuring arrangement in a signal-transmitting manner. The sensor element is preferably an electrical one
Sensorelement, welches elektrisch signalübertragend mit der Messanordnung koppelbar ist. Die Kopplung kann hierbei kabelgebunden oder auch drahtlos erfolgen. Der Sensor befindet sich typischerweise in einem sacklochartig ausgestalteten Hohlraum des Verbindungskörpers. Der Hohlraum kann insbesondere als axiale Bohrung in den Verbindungskörper eingebracht sein. Der Sensor element, which is electrically signal transmitting with the measuring arrangement coupled. The coupling can be wired or wireless. The sensor is typically in a blind hole designed cavity of the connecting body. The cavity can be introduced in particular as an axial bore in the connecting body. Of the
Verbindungskörper kann insbesondere die Form einer längserstreckten Schraube oder eines längserstreckten zylindrischen Bolzens aufweisen. Connecting body may in particular have the form of an elongated screw or an elongated cylindrical bolt.
Typischerweise weist der Verbindungskörper zumindest einen Typically, the connecting body has at least one
Außengewindeabschnitt und/oder einen radial verbreiterten Kopfabschnitt auf. Der Verbindungskörper, mithin das gesamte Verbindungselement kann beispielsweise als Verbindungsschraube oder als Verbindungsbolzen verwendet werden, um zumindest zwei Bauteile miteinander zu verbinden. External thread section and / or a radially widened head portion. The connecting body, thus the entire connecting element can be used for example as a connecting screw or as a connecting bolt to connect at least two components together.
Der belastungsabhängige Elastizitätsmodul des Sensorelements verleiht dem The load-dependent elastic modulus of the sensor element gives the
Sensorelement eine Schwingungseigenfrequenz, die sich in Abhängigkeit der jeweils vorherrschenden mechanischen Belastung ändert. Typischerweise ist das Sensor element a natural vibration frequency, which varies depending on the prevailing mechanical load. Typically that is
Sensorelement mittels eines oszillierenden elektrischen Eingangssignals zu mechanischen Schwingungen anregbar. Eine Resonanz- oder Eigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements ist aufgrund des belastungsabhängigen Sensor element excited by means of an oscillating electrical input signal to mechanical vibrations. A resonant or natural frequency of the at least one sensor element is due to the load-dependent
Elastizitätsmoduls in Abhängigkeit der momentan auf das Sensorelement Modulus of elasticity as a function of the momentarily on the sensor element
einwirkenden mechanischen Kraft veränderbar. modifiable mechanical force.
Mittels der Messanordnung ist typischerweise die Schwingungseigenfrequenz des Sensorelements z.B. nach einem Impedanz-Reflexions-Messverfahren By means of the measuring arrangement is typically the natural vibration frequency of the sensor element, e.g. according to an impedance-reflection measurement method
messtechnisch bestimmbar. Aus einer gemessenen Schwingungseigenfrequenz lassen sich unmittelbare Rückschlüsse über die Höhe der momentan auf das can be determined metrologically. From a measured natural vibration frequency can be directly inferred about the height of the currently on the
Sensorelement einwirkenden mechanischen Kraft ziehen. Pull sensor element acting mechanical force.
Hierbei ist es von besonderem Vorteil, dass sich die Schwingungseigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements weitgehend ausschließlich durch eine Änderung der auf das Sensorelement einwirkenden mechanischen Kraft ändert. Über einen langen Zeitraum wiederholt durchzuführende Messungen einer auf das In this case, it is of particular advantage that the oscillation natural frequency of the at least one sensor element changes largely exclusively by a change in the mechanical force acting on the sensor element. Over a long period repeated measurements to be performed on the
Sensorelement einwirkenden Kraft führen daher stets zu gleichbleibenden Sensor element acting force therefore always lead to consistent
Ergebnissen. Auf diese Art und Weise wird eine besonders langzeitstabile und präzise Messung der auf das Sensorelement einwirkenden mechanischen Kraft ermöglicht. Results. In this way, a particularly long-term stable and precise measurement of the force acting on the sensor element mechanical force allows.
Dadurch dass sich der Sensor und sein Sensorelement in einem Hohlraum des Verbindungskörpers befindet und dadurch dass der Sensor und sein Sensorelement fest mit dem Verbindungskörper verbunden sind, befindet sich das Sensorelement quasi im Lastpfad des Verbindungselements, mithin im Lastpfad des The fact that the sensor and its sensor element is located in a cavity of the connecting body and in that the sensor and its sensor element are firmly connected to the connecting body, the sensor element is quasi in the load path of the connecting element, thus in the load path of
Verbindungskörpers. Das Sensorelement ist folglich im gleichen Maße wie der Verbindungskörper selbst einer mechanischen Spannung oder einer mechanischen Krafteinwirkung ausgesetzt. Das mit dem Verbindungselement durchführbare Messverfahren erfordert die Einbettung des zumindest einen Sensorelements im Lastpfad oder im Kraftfluss des Verbindungskörpers. Auf diese Art und Weise können Veränderungen der auf das zumindest eine Sensorelement einwirkenden mechanischen Kraft unmittelbar in eine Veränderung der mittels der Messanordnung messbaren Schwingungseigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements übertragen werden. Connecting body. The sensor element is thus exposed to the same extent as the connecting body itself a mechanical stress or a mechanical force. The feasible with the connecting element measuring method requires the embedding of the at least one sensor element in the load path or in the power flow of the connecting body. In this way, changes in the mechanical force acting on the at least one sensor element can be directly transferred into a change in the natural vibration frequency of the at least one sensor element which can be measured by means of the measuring arrangement.
Eine entsprechende Eichung oder Kalibrierung vorausgesetzt, ist eine elektrisch messbare Schwingungseigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements ein direktes quantitatives Maß für die auf das zumindest eine Sensorelement und damit auch auf den Verbindungskörper einwirkenden mechanischen Kraft. Given an appropriate calibration or calibration, an electrically measurable oscillation natural frequency of the at least one sensor element is a direct quantitative measure of the mechanical force acting on the at least one sensor element and thus also on the connecting body.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Sensor einen ersten Sensorabschnitt und einen zweiten Sensorabschnitt auf. Erster und zweiter Sensorabschnitt sind in Längsrichtung des Verbindungskörpers, typischerweise auch in Längsrichtung des Hohlraums voneinander beabstandet. Der erste Sensorabschnitt und der zweite Sensorabschnitt sind dabei jeweils fest mit dem Verbindungskörper verbunden oder sie sind hieran fixiert. Der erste Sensorabschnitt und der zweite Sensorabschnitt können zugleich auch Endabschnitte des Sensors bezüglich der Längsrichtung des Verbindungskörpers darstellen oder mit entsprechenden Längsenden According to a further embodiment, the sensor has a first sensor section and a second sensor section. First and second sensor sections are spaced apart in the longitudinal direction of the connecting body, typically also in the longitudinal direction of the cavity. The first sensor section and the second sensor section are each firmly connected to the connecting body or they are fixed thereto. The first sensor section and the second sensor section can at the same time also represent end sections of the sensor with respect to the longitudinal direction of the connecting body or with corresponding longitudinal ends
zusammenfallen. Es ist aber auch denkbar, dass lediglich einer von erstem und zweitem Sensorabschnitt mit einem Längsende des Sensors zusammenfällt. Dadurch dass sowohl der erste als auch der zweite Sensorabschnitt in Längsrichtung voneinander beabstandet und jeweils mit dem Verbindungskörper entweder direkt oder mittelbar verbunden und dementsprechend am Verbindungskörper fixiert ist, können etwaige in Längsrichtung auf den Verbindungskörper einwirkende mechanische Spannungen entsprechend auf den Sensor übertragen werden. Durch diese Art der Anordnung und Fixierung des Sensors im Hohlraum befindet sich der Sensor sozusagen in einem Nebenkraftfluss des Verbindungskörpers, während der Verbindungskörper selbst den eigentlichen Hauptkraftfluss darstellt. Eine auf den Verbindungskörper einwirkende mechanische Spannung oder Kraft in Längsrichtung wird aufgrund der jeweiligen Verbindung von erstem und zweitem Sensorabschnitt mit dem coincide. However, it is also conceivable that only one of the first and second sensor section coincides with a longitudinal end of the sensor. By virtue of the fact that both the first and the second sensor section are spaced apart in the longitudinal direction and are respectively connected directly or indirectly to the connecting body and fixed accordingly to the connecting body, any mechanical stresses acting on the connecting body in the longitudinal direction can be correspondingly transmitted to the sensor. By this type of arrangement and fixation of the sensor in the cavity, the sensor is, so to speak, in a power flow of the connecting body, while the connecting body itself represents the actual main power flow. A force acting on the connecting body mechanical stress or force in the longitudinal direction is due to the respective connection of the first and second sensor portion with the
Verbindungskörper auf die ersten und zweiten Sensorabschnitte entsprechend übertragen. Transfer connecting body to the first and second sensor sections accordingly.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist das zumindest eine Sensorelement eine abhängig von einer mechanischen Krafteinwirkung veränderliche elektrisch messbare Schwingungseigenfrequenz auf. Diese Eigenschaft des Sensorelements macht sich die Messanordnung zunutze. Mittels der Messanordnung kann das zumindest eine Sensorelement des Sensors zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Entsprechend der momentan auf das Sensorelement einwirkenden mechanischen Kraft ist mittels der Messanordnung die jeweilige In accordance with a further embodiment, the at least one sensor element has an electrically measurable natural vibration frequency that is variable as a function of a mechanical force. This property of the sensor element makes use of the measuring arrangement. By means of the measuring arrangement, the at least one sensor element of the sensor can be excited to mechanical vibrations. According to the momentarily acting on the sensor element mechanical force by means of the measuring arrangement, the respective
Schwingungseigenfrequenz des Sensorelements als charakteristische Kenngröße desselben messbar. Die Schwingungseigenfrequenz ist dabei ein direktes Maß für die auf das betreffende Sensorelement derzeit einwirkende mechanische Kraft. Natural vibration frequency of the sensor element as a characteristic characteristic of the same measurable. The natural vibration frequency is a direct measure of the mechanical force currently acting on the relevant sensor element.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist das zumindest eine Sensorelement einen piezoelektrischen Kristall oder eine piezoelektrische Keramik auf. Das According to a further embodiment, the at least one sensor element comprises a piezoelectric crystal or a piezoelectric ceramic. The
Sensorelement kann insoweit auch aus einem oder mehreren piezoelektrischen Kristallen oder aus einer oder mehreren piezoelektrischen Keramiken bestehen. Bei Implementierung des zumindest einen Sensorelements als piezoelektrische Keramik kann diese beispielsweise ein Blei-Zirkonat-Titanat und/oder ein Blei-Magnesium- Niobat oder andere, für die Herstellung von piezoelektrischen Keramiken geeignete Werkstoffe aufweisen. Sensor element may also consist of one or more piezoelectric crystals or of one or more piezoelectric ceramics. When implementing the at least one sensor element as a piezoelectric ceramic, this can be, for example, a lead zirconate titanate and / or a lead magnesium Niobate or other, suitable for the production of piezoelectric ceramics materials.
Obschon piezoelektrische Kristalle oder piezoelektrische Keramiken weitreichend steif oder inelastisch sind, weisen sie dennoch einen belastungsabhängigen Although piezoelectric crystals or piezoelectric ceramics are far too rigid or inelastic, they still have a load-dependent
Elastizitätsmodul auf. Elastic modulus on.
Es ist hierbei insbesondere vorgesehen, dass das zumindest eine Sensorelement in Längsrichtung elektrisch kontaktiert ist und dass eine Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Kristalls bzw. der piezoelektrischen Keramik im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung des Verbindungskörpers ausgerichtet ist. Durch eine derartige Orientierung und Ausrichtung wird erreicht, dass der piezoelektrische Kristall oder die piezoelektrische Keramik des zumindest einen Sensorelements in Longitudinalrichtung, das heißt in Längsrichtung des Verbindungskörpers zu In this case, provision is made in particular for the at least one sensor element to be electrically contacted in the longitudinal direction and for a polarization direction of the piezoelectric crystal or the piezoelectric ceramic to be aligned essentially parallel to the longitudinal direction of the connecting body. By such an orientation and alignment is achieved that the piezoelectric crystal or the piezoelectric ceramic of the at least one sensor element in the longitudinal direction, that is in the longitudinal direction of the connecting body to
Schwingungen gemäß dem piezoelektrischen Längs- oder Longitudinaleffekt anregbar ist. Auf diese Art und Weise ist das zumindest eine Sensorelement zur Messung und Bestimmung vorzugsweise einer in Längsrichtung des Vibrations according to the piezoelectric longitudinal or longitudinal effect can be excited. In this way, the at least one sensor element for measuring and determining is preferably one in the longitudinal direction of the
Verbindungskörpers wirkenden mechanischen Kraft ausgebildet. Nach einer weiteren Ausgestaltung ist ein mit der Messanordnung elektrisch leitend verbindbarer elektrischer Kontakt an einem Längsende des zumindest einen Joint body acting mechanical force trained. According to a further embodiment, an electrical contact which can be electrically conductively connected to the measuring arrangement is arranged at one longitudinal end of the at least one
Sensorelements angeordnet. Der elektrische Kontakt an beispielsweise einem proximalen Längsende des Sensorelements ist mit der Messanordnung verbunden, während ein gegenüberliegendes distales Ende des Sensorelements beispielsweise elektrisch leitend mit dem Verbindungskörper verbunden sein kann. Der Sensor element arranged. The electrical contact on, for example, a proximal longitudinal end of the sensor element is connected to the measuring arrangement, while an opposite distal end of the sensor element can be connected, for example, in an electrically conductive manner to the connecting body. Of the
Verbindungskörper kann hierbei ein Massepotenzial darstellen, während der elektrische Kontakt am proximalen Ende des Sensorelements vorzugsweise gegenüber dem Verbindungskörper elektrisch isoliert ist. Mittels eines einzelnen elektrischen Kontakts kann das Sensorelement zu  Connecting body may represent a ground potential, while the electrical contact at the proximal end of the sensor element is preferably electrically insulated from the connecting body. By means of a single electrical contact, the sensor element to
Schwingungen angeregt werden. Gemäß des in Reflexionsanordnung ausgestalteten Messsystems oder einer entsprechenden Messanordnung kann eine Reaktion, mithin eine Reflexionsantwort des zumindest einen Sensorelements mit demselben elektrischen Kontakt aufgenommen und an die Messanordnung übertragen werden. Ein einziges Signalübertragungskabel oder eine einzige signalübertragende Vibrations are stimulated. According to the measuring system designed in reflection arrangement or a corresponding measuring arrangement, a reaction, thus a reflection response of the at least one sensor element with the same electrical contact and transmitted to the measuring device. A single signal transmission cable or a single signal transmitting
Verbindung bzw. Kopplung zwischen Messanordnung und dem zumindest einen Sensorelement ist folglich für die Durchführung einer Kraftmessung prinzipiell ausreichend. Connection or coupling between the measuring arrangement and the at least one sensor element is therefore sufficient in principle to carry out a force measurement.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Sensor zumindest zwei in According to a further embodiment, the sensor has at least two in
Längsrichtung des Verbindungskörpers voneinander beabstandete Sensorelemente auf, zwischen welchen ein elektrischer Kontakt angeordnet ist. Dieser ist mit beiden Sensorelementen in elektrischem Kontakt. Es handelt sich hierbei quasi um eineLongitudinal direction of the connecting body spaced apart sensor elements, between which an electrical contact is arranged. This is in electrical contact with both sensor elements. It is almost a one
Reihenschaltung zweier Sensorelemente. Mittels des, bezogen auf die Längsrichtung oder Axialrichtung zwischen den Sensorelementen befindlichen elektrischen Series connection of two sensor elements. By means of, based on the longitudinal direction or axial direction between the sensor elements located electrical
Kontakts können beide Sensorelemente gleichzeitig zu Schwingungen angeregt werden. Der elektrische Kontakt kann dabei zugleich als Messaufnehmer fungieren, um die Schwingungseigenfrequenzen der Sensorelemente zu bestimmen. Die beiden Sensorelemente sind aufgrund ihrer jeweiligen Anordnung und Fixierung im Hohlraum des Verbindungskörpers weitreichend identischen, in Längsrichtung wirkenden mechanischen Kräften ausgesetzt. Ihr belastungsabhängiger Contact both sensor elements can be excited simultaneously to vibrations. The electrical contact can also act as a sensor to determine the vibration natural frequencies of the sensor elements. The two sensor elements are due to their respective arrangement and fixation in the cavity of the connecting body widely exposed identical, acting in the longitudinal direction mechanical forces. Your load-dependent
Elastizitätsmodul ändert sich infolge einer Änderung der externen Krafteinwirkung folglich gleichermaßen. Modulus of elasticity consequently alters equally as a result of a change in the external force.
Mittels zumindest zwei in Längsrichtung voneinander beabstandeten und durch einen elektrischen Kontakt voneinander separierten Sensorelementen können größere Signalamplituden am elektrischen Kontakt gemessen werden. Die Sensitivität und Messgenauigkeit kann hierdurch gesteigert werden. By means of at least two sensor elements spaced apart from one another in the longitudinal direction and separated from one another by an electrical contact, larger signal amplitudes at the electrical contact can be measured. The sensitivity and measuring accuracy can be increased thereby.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Sensor innerhalb des Hohlraums einer mechanischen Kompression in Längsrichtung ausgesetzt. Mithin kann der Sensor in Längsrichtung vorgespannt sein. In einem Ur- oder Ausgangszustand des According to a further embodiment, the sensor is exposed within the cavity of a mechanical compression in the longitudinal direction. Thus, the sensor can be biased in the longitudinal direction. In a primal or initial state of the
Verbindungselements unterliegt das Sensorelement folglich einer axial Connecting element is subject to the sensor element thus an axial
komprimierenden Vorspannung. Bei bestimmungsgemäßem Einsatz des compressive bias. When used as intended
Verbindungselements wirken auf dieses axiale Zugkräfte ein. Diese wirken der Vorspannung des Sensorelements entgegen. Das Maß einer hierdurch messbaren Verschiebung der Schwingungseigenfrequenz des zumindest eines Sensorelements ist insoweit ein direktes Maß für die auf den Verbindungskörper einwirkenden mechanischen Kraft in Längsrichtung. Nach einem weiteren Aspekt ist ein Messsystem vorgesehen, welches zumindest ein zuvor beschriebenes Verbindungselement und welches zumindest eine Connecting element act on this axial tensile forces. These counteract the bias of the sensor element. The measure of a measurable through this Displacement of the natural vibration frequency of the at least one sensor element is insofar a direct measure of the force acting on the connecting body mechanical force in the longitudinal direction. According to a further aspect, a measuring system is provided which has at least one previously described connecting element and which at least one
Messanordnung, typischerweise in Form eines Messgeräts aufweist. Die Measuring arrangement, typically in the form of a measuring device. The
Messanordnung bzw. das Messgerät ist mit dem zumindest einen Sensorelement des Sensors des Verbindungselements signalübertragend koppelbar. Die Measuring arrangement or the measuring device can be signal-transmitting coupled to the at least one sensor element of the sensor of the connecting element. The
signalübertragende Kopplung kann insbesondere kabelgebunden, aber auch drahtlos implementiert sein. Die Messanordnung ist dazu ausgestaltet, die elektrisch messbare Schwingungseigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements des Sensors des Verbindungselements zu bestimmen. Aus der messbaren signal-transmitting coupling can be implemented in particular wired, but also wirelessly. The measuring arrangement is designed to determine the electrically measurable natural vibration frequency of the at least one sensor element of the sensor of the connecting element. From the measurable
Schwingungseigenfrequenz ist alsdann eine in Längsrichtung auf den Natural vibration frequency is then in the longitudinal direction of the
Verbindungskörper, mithin auf das Verbindungselement einwirkende mechanische Kraft ableitbar. Connecting body, thus acting on the connecting element mechanical force derivable.
Nach einer Weiterbildung weist die Messanordnung des Messsystems zumindest einen elektrischen Signalerzeuger zur Erzeugung eines zeitlich variierenden elektrischen Eingangssignals auf. Das elektrische Eingangssignal ist typischerweise ein oszillierendes, ggf. periodisch oszillierendes elektrisches Signal. Die According to a development, the measuring arrangement of the measuring system has at least one electrical signal generator for generating a temporally varying electrical input signal. The electrical input signal is typically an oscillating, possibly periodically oscillating electrical signal. The
Messanordnung weist ferner zumindest einen ersten Signalempfänger auf. Der erste Signalempfänger und der Signalerzeuger sind mit dem zumindest einen Measuring arrangement further comprises at least a first signal receiver. The first signal receiver and the signal generator are connected to the at least one
Sensorelement des Sensors des Verbindungselements koppelbar. Im Betrieb des Messsystems sind der erste Signalempfänger und der Signalerzeuger mit dem zumindest einem Sensorelement elektrisch verbunden. Der erste Signalempfänger ist ferner zur Auswertung eines Antwortsignals des zumindest eines Sensorelements in Erwiderung auf das Eingangssignal ausgebildet. Es ist hierbei insbesondere vorgesehen, dass der Signalerzeuger eine Sequenz von Eingangssignalen unterschiedlicher Frequenz erzeugt und dass der Signalempfänger eine Signalamplitude des Antwortsignals in Abhängigkeit der Frequenz des jeweils zugehörigen Eingangssignals ermittelt und bestimmt. Auf diese Art und Weise sind mittels des Signalerzeugers und mittels des Signalempfängers die Sensor element of the sensor of the connecting element coupled. During operation of the measuring system, the first signal receiver and the signal generator are electrically connected to the at least one sensor element. The first signal receiver is further designed to evaluate a response signal of the at least one sensor element in response to the input signal. In this case, it is provided in particular that the signal generator generates a sequence of input signals of different frequency and that the signal receiver determines and determines a signal amplitude of the response signal as a function of the frequency of the respectively associated input signal. In this way are by means of the signal generator and by means of the signal receiver the
Schwingungseigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements bestimmbar. Oscillation natural frequency of the at least one sensor element determinable.
Es ist ferner vorgesehen, dass das Sensorelement als Komponente eines It is further provided that the sensor element as a component of a
Montageverbunds ausgestaltet ist. Der Montageverbund kann neben dem Assembly composite is configured. The Montageverbund can next to the
Sensorelement noch eine Montagekappe oder ein Funktionsbauteil aufweisen. Die Montagekappe und/oder das Funktionsbauteil können mit dem zumindest einen Sensorelement kraftschlüssig gekoppelt sein. Insbesondere kann das zumindest einen Sensorelement axial an zumindest einem von Montagekappe und  Sensor element still have a mounting cap or a functional component. The mounting cap and / or the functional component may be non-positively coupled to the at least one sensor element. In particular, the at least one sensor element can axially on at least one of mounting cap and
Funktionsbauteil anliegen. Es kann auch axial zwischen der Montagekappe und dem Funktionsbauteil klemmende im Inneren des Hohlraums angeordnet sein. Abut functional component. It can also be arranged axially between the mounting cap and the functional component clamping inside the cavity.
Der von dem Sensorelement und zumindest einem von Funktionsbauteil und That of the sensor element and at least one of functional component and
Montagekappe gebildete Montageverbund kann eine Eigenschwingungsfrequenz im Bereich zwischen 1 kHz und 500 kHz oder z.B. zwischen 10 kHz und 100 kHz aufweisen. Dieser Bereich ist messtechnisch besonders gut und mit kostengünstig zu implementierenden Messgeräten messbar. So kann anstelle oder ergänzend zur Bestimmung einer Schwingungseigenfrequenz des Sensorelements auch die entsprechende Schwingungseigenfrequenz des Montageverbunds von Mounting cap formed assembly may have a natural vibration frequency in the range between 1 kHz and 500 kHz or e.g. between 10 kHz and 100 kHz. This area is metrologically very good and measurable with inexpensive to implement measuring instruments. Thus, instead of or in addition to determining a natural vibration frequency of the sensor element, the corresponding natural vibration frequency of the assembly of
Sensorelement mit dem Funktionsbauteil und/oder mit der Montagekappe gemessen und bestimmt werden. Sensor element with the functional component and / or measured with the mounting cap and determined.
Eine signalübertragende Kopplung zwischen dem zumindest einen Sensorelement und der Messanordnung erfolgt typischerweise mittels eines Signalkabels. Das Signalkabel stellt insoweit eine kabelgebundene signalübertragende Verbindung zwischen dem Sensorelement und der Messanordnung bereit. Die Verbindung des Signalkabels mit dem Sensorelement und/oder mit der Messanordnung kann als lösbare Steckverbindung mit einem Stecker und mit einer hierzu korrespondierenden Steckbuchse ausgeführt sein. Die Verbindung kann aber auch einen oder mehrere Federkontakte und/oder eine Kontaktplatte aufweisen. A signal-transmitting coupling between the at least one sensor element and the measuring arrangement typically takes place by means of a signal cable. In this respect, the signal cable provides a wired signal-transmitting connection between the sensor element and the measuring arrangement. The connection of the signal cable with the sensor element and / or with the measuring arrangement can be designed as a detachable plug connection with a plug and with a socket corresponding thereto. The connection may also have one or more spring contacts and / or a contact plate.
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind der Signalerzeuger und der erste According to a further embodiment, the signal generator and the first
Signalempfänger über ein gemeinsames Signalkabel mit dem zumindest einen Sensorelement koppelbar. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Signal receiver via a common signal cable with the at least one Coupled sensor element. It is specifically intended that the
Messanordnung zur Durchführung einer Impedanz-Reflexionsmessung ausgestaltet ist. Das Eingangssignal zur Schwingungsanregung des zumindest einen Measuring arrangement for performing an impedance reflection measurement is configured. The input signal for vibration excitation of at least one
Sensorelements als auch ein quasi vom ersten Sensorelement reflektiertes Sensor element as well as a quasi-reflected from the first sensor element
Antwortsignal ist über ein und dasselbe Signalkabel zwischen dem Signalerzeuger, dem Signalempfänger und dem Sensorelement übertragbar. Die Verwendung lediglich eines einzigen Signalkabels erweist sich in montagetechnischer und fertigungstechnischer Hinsicht für das Verbindungselement als vorteilhaft. Nach einer weiteren Ausgestaltung des Messsystems ist vorgesehen, dass derResponse signal is transferable via one and the same signal cable between the signal generator, the signal receiver and the sensor element. The use of only a single signal cable proves to be advantageous in terms of assembly technology and manufacturing technology for the connecting element. According to a further embodiment of the measuring system is provided that the
Signalerzeuger und der erste Signalempfänger über einen elektrischen Widerstand in Reihe geschaltet sind. Der erste Signalempfänger ist dabei ferner unmittelbar mit dem zumindest einen Sensorelement elektrisch verbunden. Ein elektrischer Signal generator and the first signal receiver are connected in series via an electrical resistor. The first signal receiver is furthermore directly electrically connected to the at least one sensor element. An electrical
Verbindungspfad zwischen dem Signalerzeuger und dem zumindest einen Connection path between the signal generator and the at least one
Sensorelement verläuft gleichermaßen durch den elektrischen Widerstand. Mittels des elektrischen Widerstands sind der Signalerzeuger und der erste Sensor element runs equally through the electrical resistance. By means of the electrical resistance are the signal generator and the first
Signalempfänger quasi voneinander entkoppelbar. Der Anteil des Eingangssignals kann hierdurch am ersten Signalempfänger gemindert oder abgeschwächt werden. Gleichermaßen kann der Anteil des Antwortsignals aufseiten des Signalerzeugers gemindert oder abgeschwächt werden. Signal receiver virtually decoupled from each other. The proportion of the input signal can thereby be reduced or attenuated at the first signal receiver. Similarly, the proportion of the response signal on the part of the signal generator can be reduced or attenuated.
Es ist nach einer weiteren Ausführungsform ferner vorgesehen, dass die It is further provided according to a further embodiment that the
Messanordnung neben dem ersten Signalempfänger noch einen zweiten Measuring arrangement next to the first signal receiver nor a second
Signalempfänger aufweist, welcher zur Messung einer Frequenz des vom Signal receiver, which for measuring a frequency of the
Signalerzeuger erzeugten Ausgangssignals ausgebildet ist. Der zweite Signal generator generated output signal is formed. The second
Signalempfänger kann quasi parallel zum Signalerzeuger geschaltet sein. Er kann sich auf derselben Seite des elektrischen Widerstands wie der Signalerzeuger befinden. Mittels des zweiten Signalempfängers kann die tatsächlich vom  Signal receiver can be switched almost parallel to the signal generator. It can be on the same side of the electrical resistance as the signal generator. By means of the second signal receiver can actually from the
Signalerzeuger erzeugte Frequenz des Eingangssignals präzise gemessen werden. Für eine Signalauswertung sind folglich lediglich die Messsignale von erstem und zweitem Signalempfänger miteinander zu vergleichen. Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der erste Signalempfänger zur Messung eines Frequenzspektrums des Antwortsignals des zumindest einen Sensorelements ausgebildet. Gleichermaßen kann auch der zweite Signalempfänger zur Messung eines Frequenzspektrums des von dem Signalerzeuger erzeugten Eingangssignals ausgebildet sein. Zumindest einer von erstem und zweitem Signalempfänger kann mit einer Auswerteeinheit ausgestattet oder mit einer externen Auswerteeinheit signalübertragend gekoppelt sein, die dazu ausgestaltet ist, die Signal Generator generated frequency of the input signal can be measured precisely. Consequently, only the measurement signals of the first and second signal receivers are to be compared with one another for signal evaluation. According to a further embodiment, the first signal receiver is designed to measure a frequency spectrum of the response signal of the at least one sensor element. Likewise, the second signal receiver can also be designed to measure a frequency spectrum of the input signal generated by the signal generator. At least one of the first and second signal receiver can be equipped with an evaluation unit or signal-transmitting coupled to an external evaluation unit, which is configured to
Schwingungseigenfrequenz des mit dem Eingangssignal angeregten Natural vibration frequency of the excited with the input signal
Sensorelements quantitativ zu ermitteln. Quantify sensor element.
Nach einem weiteren Aspekt ist ferner ein Verfahren zur Messung einer auf ein Verbindungselement einwirkenden Kraft vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellen eines zuvor beschriebenen Verbindungselements sowie das elektrische Verbinden des zumindest einen Sensorelements des According to a further aspect, a method for measuring a force acting on a connecting element is further provided. The method comprises the steps of providing a previously described connecting element and electrically connecting the at least one sensor element of the
Verbindungselements mit einer Messanordnung, typischerweise mit einer dem zuvor beschriebenen Messsystem zugehörigen Messanordnung. Das Verfahren umfasst ferner das Beaufschlagen des zumindest einen Sensorelements mit einem zeitlich veränderlichen elektrischen Signal. Typischerweise wird das zumindest eine Connecting element with a measuring arrangement, typically with a measurement arrangement associated with the measuring system described above. The method further comprises applying the at least one sensor element with a time-varying electrical signal. Typically this will be at least one
Sensorelement mit einem oszillierenden elektrischen Eingangssignal variabler Frequenz beaufschlagt. Sensor element subjected to an oscillating electrical input signal of variable frequency.
Das Verfahren umfasst ferner ein Messen eines von zumindest einem The method further comprises measuring one of at least one
Sensorelement reflektierten Antwortsignals sowie das Auswerten des Antwortsignals zur Bestimmung einer in Längsrichtung auf das Verbindungselement bzw. auf dessen Sensorelement einwirkenden Kraft. Das Verfahren ist insbesondere rechnergestützt durchführbar. Insoweit können die Schritte des Beaufschlagens des zumindest einen Sensorelements mit dem zeitlich veränderlichen elektrischen Signal, das Messen des reflektierten Antwortsignals sowie das Auswerten des Sensor element reflected response signal and the evaluation of the response signal for determining a force acting in the longitudinal direction of the connecting element or on the sensor element force. The method is in particular carried out computer-aided. In that regard, the steps of loading the at least one sensor element with the time-varying electrical signal, measuring the reflected response signal and evaluating the
Antwortsignals rechnerimplementiert, insbesondere softwareimplementiert Response signal computer implemented, in particular software implemented
ausgestaltet sein. be designed.
Die Messanordnung weist typischerweise zumindest einen Prozessor, etwa einen Mikroprozessor oder MikroController sowie einen Speicher auf. Die Messanordnung kann ferner einen speicherprogrammierbare Steuerung und/oder einen FPGA- Baustein (Field Programmable Gate Array) aufweisen. Die Messanordnung kann als Computer oder als Tablet Computer ausgestaltet sein. Das beschriebene Messverfahren ist insbesondere mit einem zuvor beschriebenen Messsystem, zumindest aber mit einem zuvor beschriebenen Verbindungselement durchführbar. Insoweit gelten sämtliche in Bezug auf das Verbindungselement und auf das Messsystem genannten Merkmale, Eigenschaften und Vorteile auch gleichermaßen für das Messverfahren; und umgekehrt. The measuring arrangement typically has at least one processor, such as a microprocessor or microcontroller and a memory. The measuring arrangement may further comprise a programmable logic controller and / or an FPGA module (Field Programmable Gate Array). The measuring arrangement can be designed as a computer or as a tablet computer. The measuring method described can be carried out in particular with a previously described measuring system, or at least with a connecting element described above. In that regard, all mentioned in relation to the connecting element and the measuring system features, properties and advantages also apply equally to the measuring method; and vice versa.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Messverfahrens umfasst das Auswerten des Antwortsignals eine Spektralanalyse des Antwortsignals. Zur Bestimmung der in Längsrichtung auf das Verbindungselement bzw. auf das zumindest eine According to a further embodiment of the measuring method, the evaluation of the response signal comprises a spectral analysis of the response signal. To determine the longitudinal direction of the connecting element or on the at least one
Sensorelement einwirkenden Kraft wird eine Resonanz- oder Sensor element acting force is a resonance or
Schwingungseigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements gemessen. Die Resonanz- oder Schwingungseigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements ist aufgrund des belastungsabhängigen Elastizitätsmoduls des zumindest einen Sensorelements ein direktes Maß für die in Längsrichtung auf das Sensorelement und auf den längserstreckten Verbindungskörper einwirkenden Kraft. Natural vibration frequency of the at least one sensor element measured. Due to the load-dependent modulus of elasticity of the at least one sensor element, the resonant or natural vibration frequency of the at least one sensor element is a direct measure of the force acting in the longitudinal direction on the sensor element and on the elongated connecting body.
Das Verfahren kann vor Durchführung der Messung natürlich auch eine Kalibrierung und/oder Eichung des zur Anwendung kommenden Verbindungselements umfassen. Auf diese Art und Weise kann jeder messbaren Schwingungseigenfrequenz entsprechend einer vorab durchgeführten Charakterisierung des Of course, the method may also include a calibration and / or calibration of the connecting element used before the measurement is carried out. In this way, any measurable natural vibration frequency can be determined in accordance with a preliminary characterization of the
Verbindungselements eine mechanische Kraft zugeordnet sein. Bei Anwendung des Messverfahrens sind die zuvor beispielsweise in einem Speicher hinterlegten Connecting element to be assigned a mechanical force. When using the measuring method, the previously stored for example in a memory
Zuordnungen von Schwingungseigenfrequenzen und hiermit jeweils einhergehenden mechanischen Kräften lediglich nach Messung einer Schwingungseigenfrequenz auszulesen. To read assignments of natural vibration frequencies and hereby associated mechanical forces only after measuring a natural vibration frequency.
Kurzbeschreibung der Figuren Weitere Vorteile, Merkmale sowie vorteilhafte Eigenschaften des Brief description of the figures Further advantages, features and advantageous properties of
Verbindungselements, des Messsystems sowie des hiermit durchführbaren Connecting element, the measuring system and the hereby feasible
Messverfahrens werden in der nachfolgenden Beschreibung von Measuring method are described in the following description of
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen: Embodiments explained with reference to the figures. Hereby show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein zwei Bauteile miteinander verbindenden Verbindungselements, einen der Fig. 1 entsprechenden Querschnitt, jedoch mit einer geringfügig abweichenden Ausgestaltung des Verbindungselements, eine schematische vergrößerte Darstellung der Fixierung eines Sensors im Hohlraum des längserstreckten Verbindungskörpers nach einer ersten Ausführungsform, eine weitere Ausführungsform zur Fixierung des Sensors im Hohlraum, eine weitere Ausführungsform zur Fixierung des Sensors im Hohlraum, eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung des Sensors mit zwei Sensorelementen, 1 is a schematic representation of a cross section through a connecting element connecting two components, a cross section corresponding to FIG. 1, but with a slightly different configuration of the connecting element, a schematic enlarged representation of the fixation of a sensor in the cavity of the elongated connecting body according to a first embodiment , a further embodiment for fixing the sensor in the cavity, a further embodiment for fixing the sensor in the cavity, a schematic representation of an embodiment of the sensor with two sensor elements,
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform eines Sensors mit insgesamt zwei Fig. 7 shows a further embodiment of a sensor with a total of two
Sensorelementen,  Sensor elements,
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer mit dem Sensor signalübertragend zu verbindenden Messanordnung, 8 shows a schematic representation of a measuring arrangement to be signal-connected to the sensor,
Fig. 9 ein Diagramm einer Messung bei Vorliegen einer ersten Kraft, 9 is a diagram of a measurement in the presence of a first force,
Fig. 10 ein Diagramm einer Kraftmessung bei Vorliegen einer zweiten Kraft, Fig. 1 1 ein Diagramm mit insgesamt vier grafischen Darstellungen von gemessenen Schwingungseigenfrequenzen bei unterschiedlichen vorherrschenden Kräften und Fig. 12 ein Flussdiagramm des Messverfahrens. 10 is a diagram of a force measurement in the presence of a second force, 1 1 is a diagram with a total of four plots of measured natural vibration frequencies at different prevailing forces, and FIG. 12 is a flowchart of the measuring method.
Detaillierte Beschreibung Detailed description
In den Fig. 1 und 2 ist ein Messsystem zur Messung und Bestimmung einer in Axialoder Längsrichtung auf ein Verbindungselement 10 einwirkenden Kraft schematisch gezeigt. Das Messsystem 50 umfasst ein Verbindungselement 10 mit einem längserstreckten Verbindungskörper 1 1 sowie eine, typischerweise in Form eines Messgeräts ausgestaltete Messanordnung 30. Das Verbindungselement 10 ist als Kraftmessbolzen ausgestaltet. Der längserstreckte Verbindungskörper 1 1 weist eine schrauben- oder bolzenartige längserstreckte zylindrische Gestalt auf. A measuring system for measuring and determining a force acting on a connecting element 10 in the axial or longitudinal direction is shown schematically in FIGS. 1 and 2. The measuring system 50 comprises a connecting element 10 with an elongated connecting body 11 and a measuring arrangement 30, which is typically configured in the form of a measuring device. The connecting element 10 is designed as a force measuring pin. The elongated connecting body 1 1 has a helical or bolt-like elongated cylindrical shape.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 weist der Verbindungskörper 1 1 einen In the embodiment of Fig. 1, the connecting body 1 1 a
längserstreckten Schaft 17 mit einem an einem oberen Schaftende angeordneten radial verbreiterten Kopf 18 auf. Der Schaft 17 weist zumindest abschnittsweise ein Außengewinde 25 auf, welches in ein hierzu korrespondierend ausgestaltetes elongate shaft 17 with a arranged on an upper shaft end radially widened head 18. The shaft 17 has, at least in sections, an external thread 25, which is designed in a corresponding thereto
Innengewinde 29 eines ersten Bauteils 1 eingeschraubt bzw. in dieses einschraubbar ist. Das erste Bauteil 1 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Internal thread 29 of a first component 1 is screwed or screwed into this. The first component 1 has in the present embodiment a
Durchgangsöffnung 3 auf, die fluchtend zu einer Durchgangsöffnung 4 eines zweiten Bauteils angeordnet ist. Der Schaft 17 durchsetzt die Durchgangsöffnung 4 des zweiten Bauteils 2. Der radial verbreiterte Kopf 18 ist mit einer dem ersten Bauteil abgewandten Öffnungsberandung der Durchgangsöffnung 4 axial in Anlagestellung. Through opening 3, which is arranged in alignment with a passage opening 4 of a second component. The shaft 17 passes through the passage opening 4 of the second component 2. The radially widened head 18 is axially in an abutment position with an opening facing away from the first component opening boundary of the through hole 4.
Durch ein Verschrauben des Verbindungskörpers 1 1 kann das Verbindungselement 10 eine das erste und das zweite Bauteil zusammenfügende Kraft aufbringen. Mithin wird mittels des Verbindungselements 10 das zweite Bauteil 2 zwischen dem Kopf 18 und dem ersten Bauteil 1 klemmend gehalten. Zum Einschrauben des By screwing the connecting body 1 1, the connecting element 10 can apply a the first and the second component zusammenfügende force. Consequently, by means of the connecting element 10, the second component 2 is clamped between the head 18 and the first component 1. To screw in the
Verbindungselements 10 in das erste Bauteil 1 kann der Kopf 18 z.B. eine radial außenliegende Schlüsselfläche aufweisen. Alternativ und wie in Fig. 1 gezeigt, kann eine Stirnfläche des Kopfs 18 eine Connecting element 10 in the first component 1, the head 18, for example, have a radially outer key surface. Alternatively, and as shown in Fig. 1, an end face of the head 18 a
Aufnahme 28 aufweisen, die mit einer mit einem Schraubwerkzeug Receiving 28, with one with a screwing
korrespondierenden Formschlussstruktur 27, bzw. mit einer Schlüsselfläche versehen ist. Das Einschrauben des Verbindungselements 10 und das Aufbringen eines Anzugsmoments geht mit der Erzeugung einer in Längsrichtung oder corresponding positive locking structure 27, or provided with a key surface. The screwing of the connecting element 10 and the application of a tightening torque is with the generation of a longitudinal or
Axialrichtung ausgerichteten mechanischen Spannung durch den Verbindungskörper 1 1 einher. Durch das Ein- und Festschrauben des Verbindungselements 10 erfährt der Verbindungskörper 1 1 eine Zugspannung in Längs- oder Axialrichtung. Axially aligned mechanical stress through the connecting body 1 1 accompanied. By screwing and screwing the connecting element 10, the connecting body 1 1 undergoes a tensile stress in the longitudinal or axial direction.
Der Verbindungskörper 1 1 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel radial zentrisch einen in Längsrichtung verlaufenden Hohlraum 14 auf, welcher in The connecting body 1 1 has in the present embodiment radially centrally a longitudinally extending cavity 14, which in
Axialrichtung nach oben bis in die Stirnfläche des Kopfs 18 mündet. Der Hohlraum kann als eine Art axiale Sacklochbohrung im Verbindungskörper 1 1 ausgestaltet sein. In dem Hohlraum 14 ist ein Sensor 12 fest angeordnet. Der Sensor 12 weist, wie in den Fig. 3 bis 7 näher verdeutlicht, zumindest ein Sensorelement 22, ggf. auch zwei Sensorelemente 22, 24 auf. Das zumindest eine Sensorelement 22, ggf. auch beide Sensorelemente 22, 24 weisen ein Material mit einem belastungsabhängigen Elastizitätsmodul auf. Axial direction up to the end face of the head 18 opens. The cavity may be configured as a kind of axial blind hole in the connecting body 1 1. In the cavity 14, a sensor 12 is fixed. The sensor 12 has, as shown in more detail in FIGS. 3 to 7, at least one sensor element 22, possibly also two sensor elements 22, 24. The at least one sensor element 22, possibly also both sensor elements 22, 24 have a material with a load-dependent modulus of elasticity.
Das Material des Sensorelements 22 ändert seine Elastizität oder Steifigkeit in Abhängigkeit der jeweils vorherrschenden mechanischen Kraft. Die Änderung des Elastizitätsmoduls schlägt sich insbesondere im Schwingungsverhalten des The material of the sensor element 22 changes its elasticity or rigidity depending on the respective prevailing mechanical force. The change in the modulus of elasticity is reflected in particular in the vibration behavior of the
Sensorelements 22, 24 nieder. Die Schwingungseigenfrequenz des Sensorelements 22, 24 bei einer zum Beispiel elektrischen oder elektromechanischen Sensor element 22, 24 down. The natural vibration frequency of the sensor element 22, 24 at an electrical or electromechanical, for example
Schwingungsanregung ändert sich in Abhängigkeit von der momentan auf das Sensorelement 22, 24 einwirkenden mechanischen Kraft oder Spannung. Eine Schwingungseigenfrequenz des zumindest eines Sensorelements 22, 24 ist mittels der Messanordnung 30 und der zum Beispiel mittels eines Signalkabels 36 gebildeten signalübertragenden elektrischen Kopplung zwischen dem Sensor 12 und der Messanordnung 30 messbar. Zur Bestimmung der Schwingungseigenfrequenz des zumindest einen Vibration excitation changes depending on the momentarily acting on the sensor element 22, 24 mechanical force or voltage. An oscillation natural frequency of the at least one sensor element 22, 24 can be measured by means of the measuring arrangement 30 and the signal-transmitting electrical coupling formed, for example, by means of a signal cable 36, between the sensor 12 and the measuring arrangement 30. For determining the natural vibration frequency of the at least one
Sensorelements 22, 24 ist die Durchführung einer Impedanz-Reflexionsmessung vorgesehen. Das heißt über die Signalleitung 36 wird das zumindest eine Sensor element 22, 24, the implementation of an impedance reflection measurement is provided. That is, via the signal line 36, the at least one
Sensorelement 22, 24 zu mechanischen Schwingungen angeregt. Ein Sensor element 22, 24 excited to mechanical vibrations. One
Reflexionssignal als Antwortsignal wird alsdann gleichermaßen vom Signalkabel 36 an die Messanordnung 30 übertragen. Mittels eines Durchstimmens durch ein vorgegebenes Frequenzband ist auf diese Art und Weise die Reflection signal as a response signal is then equally transmitted from the signal cable 36 to the measuring device 30. By means of a tuning through a predetermined frequency band is in this way the
Schwingungseigenfrequenz des unter mechanischer Spannung stehenden Sensors 12 bestimmbar. Vibration natural frequency of the sensor 12 under mechanical tension can be determined.
Der Aufbau des Messsystems 50 gemäß Fig. 2 ist analog dem Aufbau des The construction of the measuring system 50 according to FIG. 2 is analogous to the design of the
Messsystems nach Fig. 1 . Hier jedoch im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß Fig. 1 anstelle eines mit einem Kopf versehenen Verbindungskörpers 1 1 ein im Measuring system according to FIG. 1. Here, however, in contrast to the embodiment of FIG. 1 instead of a provided with a head connector body 1 1 a in
Wesentlichen vollständig zylindrischer Verbindungskörper 1 1 1 vorgesehen, der an gegenüberliegenden Endabschnitten jeweils ein Außengewinde 25, 45 aufweist. Das von einer dem ersten Bauteil 1 abgewandten Seite des zweiten Bauteils 2 Substantially completely cylindrical connecting body 1 1 1 is provided which has an external thread 25, 45 at opposite end portions. The side facing away from the first component 1 side of the second component. 2
hervorstehende Ende des Verbindungskörpers 1 1 1 ist vorliegend mit einem projecting end of the connecting body 1 1 1 is present with a
Außengewinde 45 versehen, welches mit einem Innengewinde 46 einer External thread 45 is provided, which with an internal thread 46 a
Schraubenmutter 42 zusammenwirkt. Die Schraubenmutter 42 weist an ihrem Nut 42 cooperates. The nut 42 has at her
Außenumfang eine Formschlussstruktur 47 auf, mittels derer unter Zuhilfenahme eines geeigneten Schraubwerkzeugs ein Drehmoment auf die Schraubenmutter 42 aufbringbar ist. Outer circumference of a positive locking structure 47, by means of which, with the aid of a suitable screwing a torque on the nut 42 can be applied.
Der Hohlraum 14 für den Sensor 12 ist auch hier als zylindrische Sacklochbohrung radial zentrisch in dem Verbindungskörper 1 1 1 vorgesehen. The cavity 14 for the sensor 12 is also provided here as a cylindrical blind hole radially centered in the connecting body 1 1 1.
In den Fig. 3 bis 5 sind verschiedene Ausführungsformen zur Fixierung und In Figs. 3 to 5 are different embodiments for fixing and
Halterung des Sensors 12 innerhalb des Hohlraums 14 gezeigt. Der Sensor 12, welcher in den Fig. 3 bis 5 als monolithischer Sensor dargestellt ist, kann ein einziges Sensorelement 22, etwa in Form eines piezoelektrischen Kristalls oder in Form einer piezoelektrischen Keramik aufweisen. Der Sensor 12 kann aber zwei oder mehrere Sensorelemente 22, 24 aufweisen, wie dies in den Fig. 6 und 7 exemplarisch gezeigt ist. Der Sensor 12 ist in elektrischer Hinsicht mit seinen gegenüberliegenden Längsenden kontaktiert. Ein unteres Ende des Sensors 12, welches auf einem Boden 60 des Hohlraums 14 steht, ist unmittelbar elektrisch leitend mit dem Boden 60 und damit mit dem typischerweise aus einem Metall gefertigten Holder of the sensor 12 shown within the cavity 14. The sensor 12, which is shown in FIGS. 3 to 5 as a monolithic sensor, may have a single sensor element 22, for example in the form of a piezoelectric crystal or in the form of a piezoelectric ceramic. However, the sensor 12 may have two or more sensor elements 22, 24, as shown by way of example in FIGS. 6 and 7. The sensor 12 is electrically contacted with its opposite longitudinal ends. A lower end of the sensor 12, which is located on a bottom 60 of the cavity 14, is directly electrically conductive with the bottom 60 and thus with the typically made of a metal
Verbindungskörper 1 1 kontaktiert. Ein gegenüberliegendes Ende des Sensors 12 steht mit einem elektrischen Kontakt 26 in Verbindung. Der elektrische Kontakt 26 ist über ein Signalkabel 36 mit der Messanordnung 30 elektrisch verbunden. Der Sensor 12 ist innerhalb des Hohlraums 14 mit Hilfe einer Montagekappe 64 fixiert. Zwischen der Montagekappe 64, welche ebenfalls aus Metall gefertigt sein kann und dem elektrischen Kontakt 26 ist ferner ein elektrischer Isolator 66 angeordnet. Auf diese Art und Weise ist der elektrische Kontakt 26 vom metallischen Verbindungskörper 1 1 elektrisch isoliert. Die Montagekappe 64 weist eine  Connecting body 1 1 contacted. An opposite end of the sensor 12 communicates with an electrical contact 26. The electrical contact 26 is electrically connected to the measuring arrangement 30 via a signal cable 36. The sensor 12 is fixed within the cavity 14 by means of a mounting cap 64. Between the mounting cap 64, which may also be made of metal and the electrical contact 26, an electrical insulator 66 is further arranged. In this way, the electrical contact 26 is electrically insulated from the metallic connecting body 1 1. The mounting cap 64 has a
Kabeldurchführung 65 auf. Der elektrische Isolator 66 weist gleichermaßen eine Kabeldurchführung 67 auf. Somit kann das Signalkabel 36 durch die Montagekappe 64 und durch die elektrische Isolierung 66 hindurchgeführt werden. Cable gland 65 on. The electrical insulator 66 likewise has a cable feedthrough 67. Thus, the signal cable 36 can be passed through the mounting cap 64 and through the electrical insulation 66.
Für die mechanische Fixierung des Sensors 12 innerhalb des Hohlraums 14 ist vorliegend eine plastische Deformation des Verbindungskörpers 1 1 vorgesehen. Fertigungstechnisch kann in einen zunächst hohlzylindrischen Hohlraum 14 der Sensor 12 zusammen mit dem elektrischen Kontakt 26, 27, dem Signalkabel 36 sowie mit dem elektrischen Isolator 66 und der Montagekappe 64 eingeführt werden. Alsdann erfolgt ein radial nach innen gerichtetes Verformen der Innenwand 62 des Hohlraums 14 derart, dass auch die Montagekappe 64 und somit auf die gesamte Anordnung von Montagekappe 64, elektrischer Isolator 66 und Sensor 12 eine in Axial- oder Längsrichtung wirkende Vorspannkraft ausgeübt wird. Mit anderen Worten wird der Sensor 12 in Axialrichtung oder Längsrichtung des For the mechanical fixation of the sensor 12 within the cavity 14 in the present case a plastic deformation of the connecting body 1 1 is provided. Manufacturing technology can be introduced into an initially hollow cylindrical cavity 14 of the sensor 12 together with the electrical contact 26, 27, the signal cable 36 and the electrical insulator 66 and the mounting cap 64. Then there is a radially inwardly directed deformation of the inner wall 62 of the cavity 14 such that the mounting cap 64 and thus on the entire assembly of mounting cap 64, electrical insulator 66 and sensor 12 exerts a biasing force acting in the axial or longitudinal direction. In other words, the sensor 12 in the axial direction or the longitudinal direction of the
Verbindungskörpers 1 1 komprimiert. Die Innenwand 62 weist nach der erfolgten plastischen Deformation zumindest einen oder mehrere radial nach innen ragende Vorsprünge 63 auf, die den Sensor 12 unter Vorspannung stehend in den Hohlraum 14 fixiert halten. In mechanischer Hinsicht wird der Sensors 12 zwischen dem Boden 60 und zumindest einem radial nach innen ragenden Vorsprung 63, welcher auch ringförmig ausgestaltet sein kann, in Axialrichtung komprimiert. Infolgedessen sind ein erster Sensorabschnitt 15 und ein zweiter Sensorabschnitt 1 6, welche bezogen auf die Längsrichtung des Verbindungskörpers 1 1 voneinander beabstandet sind, jeweils gesondert mit dem Verbindungskörper 1 1 verbunden bzw. hieran fixiert. Der zweite Sensorabschnitt 16, welcher im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem Connecting body 1 1 compressed. After the plastic deformation has taken place, the inner wall 62 has at least one or more radially inwardly projecting projections 63, which keep the sensor 12 fixed in the cavity 14 under prestress. In mechanical terms, the sensor 12 is compressed in the axial direction between the bottom 60 and at least one radially inwardly projecting projection 63, which may also be configured annularly. As a result, a first sensor portion 15 and a second sensor portion 1 6, which are spaced from each other with respect to the longitudinal direction of the connecting body 1 1, respectively separately connected to the connecting body 1 1 and fixed thereto. The second sensor section 16, which in the present embodiment with a
Längsende des Sensors 12 zusammenfällt, befindet sich in unmittelbarer Longitudinal end of the sensor 12 coincides, is located in the immediate
Anlagestellung mit dem Boden 60 des Hohlraums 14. Der erste Sensorabschnitt 15, welcher mit dem gegenüberliegenden Längsende des Sensors 12 zusammenfällt, befindet sich in unmittelbarer Anlagestellung zum elektrischen Isolator 66 oder zur Montagekappe 64. Anlagestellung with the bottom 60 of the cavity 14. The first sensor section 15, which coincides with the opposite longitudinal end of the sensor 12, is located in immediate abutment position to the electrical insulator 66 or the mounting cap 64th
Der erste Sensorabschnitt 15 ist insoweit über die Montagekappe 64 und über den elektrischen Isolator 66 mittelbar fest mit einem in Längsrichtung vom Boden 60 beabstandeten Bereich des Verbindungskörpers 1 1 , beispielsweise mit dem The first sensor section 15 is so far on the mounting cap 64 and the electrical insulator 66 indirectly fixed to a longitudinally spaced from the bottom 60 of the connecting body 1 1, for example with the
Vorsprung 63 verbunden oder hieran fixiert. Eine in Längsrichtung oder Axialrichtung auf den Verbindungskörper 1 1 einwirkende Kraft, beispielsweise eine Zugbelastung auf den Verbindungskörper 1 1 hat unmittelbare Auswirkungen auf die axiale Tab 63 connected or fixed thereto. An acting in the longitudinal direction or axial direction of the connecting body 1 1 force, such as a tensile load on the connecting body 1 1 has an immediate effect on the axial
Kompression des Sensors 12. Eine Zugbelastung auf den Verbindungskörper 1 1 wirkt insbesondere der Vorspannung des Sensors 12 entgegen. Dies führt unweigerlich zu einer Veränderung der auf den Sensor 12 einwirkenden axialen und in Längsrichtung wirkenden mechanischen Kraft. Demzufolge ändert der Sensor 12 bzw. sein Sensorelement 22, 24 seine elektrisch messbare Compression of the sensor 12. A tensile load on the connecting body 1 1 counteracts in particular the bias of the sensor 12. This inevitably leads to a change in the axial and longitudinal mechanical force acting on the sensor 12. As a result, the sensor 12 or its sensor element 22, 24 changes its electrically measurable
Schwingungseigenfrequenz. Die Veränderung der Schwingungseigenfrequenz ist somit ein unmittelbares Maß und Indiz für eine Veränderung der auf den Natural oscillation frequency. The change in the natural vibration frequency is thus an immediate measure and an indication of a change in the
Verbindungskörper 1 1 einwirkenden Zugbeanspruchung. Connecting body 1 1 acting tensile stress.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist anstelle einer plastischen Deformation der Innenwand 62 des Hohlraums 14 ein kraftschlüssiges Halten der Anordnung von Sensor 12, elektrischem Isolator 66 und Montagekappe 64 vorgesehen. Anstelle einer plastischen Deformation zur Erzeugung eines radial nach innen ragenden Vorsprungs 63 von der Innenwand 62 ist nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 eine stoffschlüssige Verbindung der Montagekappe 64 und der Innenwand 62 vorgesehen. Diese kann beispielsweise mittels Verschweißen und unter Bildung von Schweißstellen 1 63 erfolgen. Die stoffschlüssige Verbindung von Montagekappe 64 und Innenwand 62 erfolgt auch hier unter axialer Kompression des Sensors 12. In the embodiment according to FIG. 4, instead of a plastic deformation of the inner wall 62 of the cavity 14, a frictional holding of the arrangement of sensor 12, electrical insulator 66 and mounting cap 64 is provided. Instead of a plastic deformation for generating a radially inwardly projecting projection 63 of the inner wall 62 is according to the embodiment of FIG. 4 a cohesive connection of the mounting cap 64 and the inner wall 62 is provided. This can be done for example by welding and to form welds 1 63. The cohesive connection of mounting cap 64 and inner wall 62 also takes place here under axial compression of the sensor 12.
Das weitere Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 sieht anstelle einer stoffschlüssigen Verbindung vor, die Montagekappe 64 in den Hohlraum 14 einzuschrauben und diese quasi mittels einer Schraubverbindung mi Hohlraum 14 zu fixieren. Hierzu weist die Montagekappe 64 an ihrer Außenseite ein Außengewinde 165 auf, welches mit einem an der Innenwand 62 vorgesehenen Innengewinde 1 66 in Eingriff bringbar ist. Ähnlich wie der Kopf 18 gemäß Fig. 1 weist auch hier die dem Sensor The further embodiment of FIG. 5 provides, instead of a cohesive connection, to screw the mounting cap 64 into the cavity 14 and fix it quasi by means of a screw connection mi cavity 14. For this purpose, the mounting cap 64 has on its outer side an external thread 165 which can be brought into engagement with an internal thread 1 66 provided on the inner wall 62. Similar to the head 18 according to FIG. 1, the sensor also has the same here
abgewandte Stirnseite der Montagekappe 64 eine Formschlussstruktur für eine drehmomentübertragende Kopplung mit einem Schraubwerkzeug auf. Hiermit kann dem Montagekörper 64 unter Erzeugung einer auf den Sensor 12 einwirkenden axialen Kompression in den Hohlraum 14 eingeschraubt werden. facing away from the end cap 64 has a form-fitting structure for a torque-transmitting coupling with a screwing on. Hereby, the mounting body 64 can be screwed into the cavity 14 to produce an axial compression acting on the sensor 12.
In den Ausführungsbeispielen gemäß der Fig. 6 und 7 sind zwei Sensorvarianten 12 gezeigt, bei welchen der Sensor 12 anstelle eines einzigen Sensorelements 22 zwei elektrisch in Reihe geschaltete Sensorelemente 22, 24 aufweist. Die Sensoren 12 gemäß der Fig. 6 und 7 können nach einem der in den Fig. 3 bis 5 beschriebenen Verfahren unter Vorspannung stehend im Hohlraum 14 fixiert sein, ohne dass dies unter Bezugnahme auf die Fig. 6 oder 7 näher zu erläutern wäre. In the exemplary embodiments according to FIGS. 6 and 7, two sensor variants 12 are shown, in which the sensor 12 has two sensor elements 22, 24 connected in series instead of one single sensor element 22. The sensors 12 according to FIGS. 6 and 7 can be fixed under bias in the cavity 14 according to one of the methods described in FIGS. 3 to 5, without this being explained in more detail with reference to FIGS. 6 or 7.
Wie in Fig. 6 dargestellt, befindet sich zwischen einem ersten Sensorelement 22 und einem zweiten Sensorelement 24 der elektrische Kontakt 26, welcher mit demAs shown in Fig. 6, is located between a first sensor element 22 and a second sensor element 24, the electrical contact 26, which with the
Signalkabel 36 elektrisch verbunden ist. Insoweit weist das erste Sensorelement 22 eine axiale Kabeldurchführung 23 auf. Ähnlich wie zu den Fig. 3 bis 5 erläutert, bewirkt auch hier die Montagekappe 64, dass der Sensor 12 mit seinen beiden Sensorelementen 22, 24 unter einer axialen Vorspannung, insbesondere unter einer axialen Kompression im Hohlraum 14 fixiert ist. Das erste Sensorelement 22 und das zweite Sensorelement 24 sind in Längsrichtung des Verbindungskörpers 1 1 als auch in Längsrichtung des Hohlraums 14 durch den elektrischen Kontakt 26 voneinander separiert. Durch die gleichzeitige elektrische Kontaktierung mit dem elektrischen Kontakt 26 können das erste Sensorelement 22 und das zweite Sensorelement 24 gleichartig mit einem oszillierenden Eingangssignal beaufschlagt werden. Infolge der Signal cable 36 is electrically connected. In that regard, the first sensor element 22 on an axial cable gland 23. Similar to FIGS. 3 to 5, the mounting cap 64 also causes the sensor 12 with its two sensor elements 22, 24 to be fixed in the cavity 14 under an axial prestress, in particular under an axial compression. The first sensor element 22 and the second sensor element 24 are separated from each other in the longitudinal direction of the connecting body 1 1 and in the longitudinal direction of the cavity 14 by the electrical contact 26. As a result of the simultaneous electrical contacting with the electrical contact 26, the first sensor element 22 and the second sensor element 24 can be acted upon in an identical manner by an oscillating input signal. As a result of
mechanischen Reihenschaltung von erstem und zweitem Sensorelement 22, 24 und der Tatsache, dass das erste und das zweite Sensorelement 22, 24 mittels der Montagekappe 64 axial aneinander angrenzend im Hohlraum 14 befindlich axial vorgespannt sind, unterliegen diese auch weitreichend gleichen mechanischen Druckbeanspruchungen in Längsrichtung. Folglich ist auch die Antwort der mechanical series connection of first and second sensor element 22, 24 and the fact that the first and the second sensor element 22, 24 axially axially adjacent to each other in the cavity 14 are axially biased by the mounting cap 64, they are also far-reaching same mechanical compressive stresses in the longitudinal direction. Consequently, the answer is also the
Sensorelemente 22, 24 weitreichend identisch, sodass die Sensor elements 22, 24 far-reaching identical, so that the
Schwingungseigenfrequenzen von erstem Sensorelement 22 und zweitem  Vibration eigenfrequencies of first sensor element 22 and second
Sensorelement 24 mit ein und demselben elektrischen Kontakt 26 aufgenommen und über das Signalkabel 36 der Messanordnung 30 zugeführt werden können. Die dem elektrischen Kontakt 26 abgewandten Längsenden von erstem Sensor element 24 can be recorded with one and the same electrical contact 26 and supplied via the signal cable 36 of the measuring device 30. The electrical contact 26 facing away from the longitudinal ends of the first
Sensorelement 22 und zweitem Sensorelement 24 sind elektrisch mit der Sensor element 22 and second sensor element 24 are electrically connected to the
Montagekappe 64 und mit dem Boden 60 des Hohlraums 14 verbunden. Sie können beide sozusagen auf Massepotenzial liegen. In der weiteren Ausgestaltung gemäß Fig. 7 ist ergänzend zum Aufbau gemäß Fig. 6 noch ein weiteres Funktionsbauteil 68 zwischen dem zweiten Sensorelement 24 und dem Boden 60 des Hohlraums 14 angeordnet. Das Funktionsbauteil 68 kann eine definierte Elastizität oder Steifigkeit aufweisen und somit die Gesamtelastizität des Aufbaus des Sensors 12 weitreichend beeinflussen. In mechanischer Hinsicht und im Hinblick auf eine Zug- oder Druckbelastung sind die Montagekappe 64, das ersteMounting cap 64 and connected to the bottom 60 of the cavity 14. They can both be at ground potential, so to speak. In the further embodiment according to FIG. 7, in addition to the construction according to FIG. 6, a further functional component 68 is arranged between the second sensor element 24 and the bottom 60 of the cavity 14. The functional component 68 may have a defined elasticity or rigidity and thus have a far-reaching influence on the overall elasticity of the structure of the sensor 12. From a mechanical point of view and with regard to a tensile or compressive load, the mounting cap 64, the first
Sensorelement 22, der elektrische Kontakt 26, das zweite Sensorelement 24 und das Funktionsbauteil 68 quasi in Reihe geschaltet. Sensor element 22, the electrical contact 26, the second sensor element 24 and the functional component 68 quasi connected in series.
Durch geeignete Wahl eines Funktionsbauteils 68 mit variabler Elastizität bzw. By suitable choice of a functional component 68 with variable elasticity or
Geometrie kann die Art der mechanischen Kopplung zwischen dem Geometry can be the type of mechanical coupling between the
Verbindungskörper 1 1 und dem Sensor 12 an unterschiedliche Messanforderungen angepasst werden. Insbesondere kann durch Wahl eines Funktionsbauteils 68 aus einer Reihe zur Verfügung stehender Funktionsbauteile mit unterschiedlichen elastischen Eigenschaften oder Geometrien die Sensitivität des Sensors auf Connecting body 1 1 and the sensor 12 are adapted to different measurement requirements. In particular, by selecting a functional component 68 from a number of available functional components with different elastic properties or geometries on the sensitivity of the sensor
Veränderung mechanischer Spannungen und mechanischer Belastungen des Verbindungskörpers 1 1 variabel angepasst werden. In Fig. 8 ist schließlich schematisch der Aufbau der Messanordnung 30 gezeigt. Ausgangsseitig und über ein Signalkabel 36 ist die Messanordnung 30 mit dem Sensor 12 signalübertragend koppelbar. Die Messanordnung 30 weist einen Modification of mechanical stresses and mechanical loads of the connecting body 1 1 are variably adjusted. Finally, FIG. 8 schematically shows the structure of the measuring arrangement 30. On the output side and via a signal cable 36, the measuring arrangement 30 can be coupled with the sensor 12 in a signal-transmitting manner. The measuring arrangement 30 has a
Signalerzeuger 32 sowie einen ersten Signalempfänger 34 und einen zweiten Signalempfänger 35 auf. Zwischen dem ersten Signalempfänger 34 und dem zweiten Signalempfänger 35 ist ein ohmscher oder elektrischer Widerstand 38 angeordnet, der im Wesentlichen für eine Entkopplung von Eingangssignalen und Signal generator 32 and a first signal receiver 34 and a second signal receiver 35. Between the first signal receiver 34 and the second signal receiver 35, an ohmic or electrical resistance 38 is arranged, which is essentially for a decoupling of input signals and
Antwortsignalen sorgt. Der zweite Signalempfänger 35 dient vornehmlich einer Überwachung und einer Frequenzmessung der von dem Signalerzeuger 32 generierten Eingangssignale. Die Eingangssignale werden vom ersten Provides response signals. The second signal receiver 35 is primarily used for monitoring and frequency measurement of the input signals generated by the signal generator 32. The input signals are from the first
Signalempfänger 34 aufgrund des Widerstands 38 nur vermindert oder Signal receiver 34 due to the resistor 38 only reduced or
abgeschwächt gemessen. Der erste Signalempfänger 34 ist hingegen direkt mit dem Signalkabel 36, mithin mit dem Ausgang bzw. Eingang der nach dem measured with attenuation. The first signal receiver 34, however, is directly connected to the signal cable 36, thus with the output or input of the after
Reflexionsverfahren arbeitenden Messanordnung 30 gekoppelt. Die vom Sensor 12 reflektierten und die Schwingungseigenfrequenz des Sensors 12 charakterisierenden Antwortsignale werden vornehmlich vom ersten Reflection method working measuring device 30 coupled. The response signals, which are reflected by the sensor 12 and characterize the natural vibration frequency of the sensor 12, are primarily from the first
Signalempfänger 34 empfangen. Aufgrund des Widerstands 38 werden die reflektierten Antwortsignale des Sensors 12 im zweiten Signalempfänger 35 nur vermindert oder abgeschwächt empfangen. Signal receiver 34 received. Due to the resistor 38, the reflected response signals of the sensor 12 in the second signal receiver 35 are received only reduced or attenuated.
Im Betrieb der Messanordnung 30 und des gesamten Messsystems 50 ist In operation, the measuring arrangement 30 and the entire measuring system 50 is
vorgesehen, die Frequenz des Eingangssignals über einen vorgegebenen provided, the frequency of the input signal over a predetermined
Frequenzbereich durchzustimmen, um diejenige Schwingungsfrequenz ausfindig zu machen, bei welcher der Sensor 12 seine Resonanz oder seine Frequency range to tune to find that vibration frequency at which the sensor 12 its resonance or his
Schwingungseigenfrequenz aufweist. Having natural vibration frequency.
In der Darstellung zweier Diagramme in den Fig. 9 und 10 ist die Amplitude A eines Signals für zwei unterschiedliche auf das Verbindungselement 10 einwirkenden axialen Kräfte F1 und F2 gezeigt. Bei der Kraft F1 liegt die In the illustration of two diagrams in FIGS. 9 and 10, the amplitude A of a signal for two different elements acting on the connecting element 10 is shown axial forces F1 and F2 shown. At the force F1 is the
Schwingungseigenfrequenz des Sensors 12 bzw. seines Sensorelements 22, 24 bei einer Frequenz f1 . Bei Einwirkung einer Kraft F2 liegt die Schwingungseigenfrequenz gemäß der Darstellung nach Fig. 10 bei einer Frequenz f2. Die Frequenz f1 ist größer als die Frequenz f2. Folglich ist die in Summe auf den Sensor 12 einwirkende Kraft im Beispiel der Fig. 10 geringer als in Fig. 9.  Vibration natural frequency of the sensor 12 and its sensor element 22, 24 at a frequency f1. When a force F2 is applied, the natural vibration frequency, as shown in FIG. 10, is at a frequency f2. The frequency f1 is greater than the frequency f2. Consequently, the force acting in total on the sensor 12 is less in the example of FIG. 10 than in FIG. 9.
Im Hinblick darauf, dass die von extern auf das Verbindungselement 10 einwirkende oder extern aufgebrachte Kraft, mithin die über das Verbindungselement 10 auf die Bauteile 1 , 2 zu übertragende Zugkraft der Vorspannung des Sensors 12 In view of the fact that the external force acting on the connecting element 10 or externally applied force, and thus the via the connecting element 10 to the components 1, 2 to be transmitted tensile force of the bias of the sensor 12th
entgegengerichtet ist, kann die Konfiguration gemäß Fig. 10 eine Kraft F2 darstellen, die größer ist als die Kraft F1 gemäß Fig. 9 ist. So kann die Kraft F1 eine unbelastete Ausgangssituation der Verbindungsanordnung 10 darstellen, in welcher das is opposite, the configuration of FIG. 10 may represent a force F2 which is greater than the force F1 of FIG. 9. Thus, the force F1 can represent an unloaded initial situation of the connection arrangement 10, in which the
Sensorelement 22, 24 bzw. ein von Sensorelement 22, Montagekappe 64 und/oder Funktionsbauteil 68 gebildeter Montageverbund mit einer axialen Vorspannung im Hohlraum 14 angeordnet ist fixiert ist. Eine etwa durch Anziehen einer Sensor element 22, 24 or one of sensor element 22, mounting cap 64 and / or functional component 68 formed assembly composite is arranged with an axial bias in the cavity 14 is fixed. One by tightening one
Schraubverbindung erzeugte Zugkraft auf das Verbindungselement 10 wirkt der ursprünglichen Vorspannkraft entgegen. Die Gesamtbelastung auf das Screw connection generated tensile force on the connecting element 10 counteracts the original biasing force. The total burden on the
Sensorelement 22 und/oder auf den Montageverbund wird hierdurch reduziert. Als Folge hiervon verringert sich die Schwingungseigenfrequenz von f1 auf f2. Eine solche Abhängigkeit ist insbesondere bei einer progressiven Abhängigkeit des Elastizitätsmoduls von einer aufgebrachten Kraft zu beobachten. Bei einer degressiven Abhängigkeit des Elastizitätsmoduls von einer aufgebrachten Kraft würde die Frequenz bei dem zuvor geschilderten Szenario steigen. Sensor element 22 and / or on the assembly composite is thereby reduced. As a result, the natural vibration frequency decreases from f1 to f2. Such a dependency can be observed in particular with a progressive dependence of the modulus of elasticity on an applied force. With a degressive dependence of the modulus of elasticity on an applied force, the frequency would increase in the previously described scenario.
Im Diagramm gemäß der Fig. 1 1 sind insgesamt vier Messungen bei In the diagram according to FIG. 11, a total of four measurements are included
unterschiedlichen auf das Verbindungselement aufgebrachten Kräften dargestellt. Die einzelnen Graphen geben Kräfte oder Anzugsmomente von 0 bis 60 kN wieder. Das gestrichelte Diagramm entspricht einem Verbindungselement im Urzustand, die gestrichelte Linie stellt eine Messung bei einer Kraft von 20 kN dar. Das mit Rauten versehene Diagramm stellt eine Messung bei 40 kN dar und die durchgezogene Linie steht für eine Messung bei einer extern aufgebrachten Kraft von 60 kN. Es ist unmittelbar aus dem Diagramm gemäß Fig. 1 1 ersichtlich, dass die Schwingungseigenfrequenzen der einzelnen Graphen verschoben sind. Im represented different forces applied to the connecting element. The individual graphs reflect forces or torques from 0 to 60 kN. The dashed diagram corresponds to a connector in the original state, the dashed line represents a measurement at a force of 20 kN. The diamond chart represents a measurement at 40 kN and the solid line represents a measurement with an externally applied force of 60 kN. It is directly apparent from the diagram of FIG. 1 1 that the Vibrational natural frequencies of the individual graphs are shifted. in the
unbelasteten Zustand, das heißt bei 0 kN beträgt die Schwingungseigenfrequenz fO etwa 85 kHz. Bei einer Zugbelastung von 20 kN liegt die Schwingungseigenfrequenz f20 bei etwa 80 kHz. Bei einer mechanischen Last von 40 kN liegt die unloaded state, that is at 0 kN, the natural vibration frequency fO is about 85 kHz. At a tensile load of 20 kN, the natural vibration frequency f20 is about 80 kHz. With a mechanical load of 40 kN is the
Schwingungseigenfrequenz f40 bei etwa 76 kHz und bei einer Belastung von 60 kN beträgt die Schwingungseigenfrequenz f60 etwa 71 kHz. Natural vibration frequency f40 at about 76 kHz and at a load of 60 kN, the natural vibration frequency f60 is about 71 kHz.
Versuche haben gezeigt, dass die Messungen beliebig oft und zu verschiedenen Zeiten wiederholbar sind und dabei jeweils gleichbleibende Messergebnisse liefern. Mithin ist mit dem hier beschriebenen Messsystem eine langzeitstabile und überaus präzise Messung einer axial auf ein Verbindungselement einwirkenden Experiments have shown that the measurements can be repeated any number of times and at different times, and in each case deliver consistent measurement results. Thus, with the measuring system described here, a long-term stable and extremely precise measurement of an axially acting on a connecting element
mechanischen Kraft bestimmbar. mechanical force determinable.
Die hier angegebenen Frequenzbereiche sind rein beispielhaft für einen Prototypen. Die Schwingungseigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements kann auch in einem gänzliche anderen Frequenzbereich, bspw. in einem Bereich oberhalb von 100 kHz oder auch unterhalb von 10 kHz liegen. Auch sind je nach konkreter Bauart des Verbindungselements Messung in unterschiedlichen Kraftbereichen denkbar. Im Flussdiagramm gemäß Fig. 12 ist das grundlegende Verfahren zur Messung der auf ein Verbindungselement 10 einwirkenden Kraft schematisch gezeigt. In einem ersten Schritt 100 wird ein Verbindungselement 10 bereitgestellt und sein Sensor 12 bzw. dessen Sensorelement 22, 24 wird mit einer Messanordnung 30 elektrisch signalübertragend verbunden. In einem weiteren Schritt 102 wird das zumindest eine Sensorelement 22, 24 mit einem zeitlich veränderlichen elektrischen Signal, insbesondere mit einem vom Signalerzeuger 32 erzeugten Eingangssignal beaufschlagt. In einem weiteren Schritt 104, welcher zeitgleich zum Schritt 102 ablaufen kann, wird das vom Sensorelement 22, 24 reflektierte Antwortsignal gemessen. The frequency ranges given here are purely exemplary for a prototype. The natural vibration frequency of the at least one sensor element can also be in a completely different frequency range, for example in a range above 100 kHz or even below 10 kHz. Also, depending on the specific design of the connecting element measurement in different power ranges are conceivable. In the flowchart of FIG. 12, the basic method for measuring the force acting on a connector 10 is shown schematically. In a first step 100, a connecting element 10 is provided and its sensor 12 or its sensor element 22, 24 is electrically signal-transmitting connected to a measuring arrangement 30. In a further step 102, the at least one sensor element 22, 24 is acted upon by a time-varying electrical signal, in particular with an input signal generated by the signal generator 32. In a further step 104, which can take place at the same time as step 102, the response signal reflected by the sensor element 22, 24 is measured.
Die Schritte 102 und 104 werden typischerweise für ein ganzes Frequenzspektrum durchgeführt. Nachdem ein Frequenzspektrum analysiert wurde, wird in einem abschließenden Schritt 106 die Schwingungseigenfrequenz des Sensorelements 22, 24 aus den gemessenen Antwortsignalen ermittelt. Die Schwingungseigenfrequenz kann als diejenige Frequenz bestimmt werden, bei welcher die Amplitude des Antwortsignals für den gemessen Frequenzbereich maximal ist. Die Zuordnung der gemessenen Schwingungseigenfrequenz zu einer tatsächlich auf das Verbindungselement einwirkenden Kraft erfolgt dann gemäß einer vorab durchgeführten Kalibrierung oder Eichung. Steps 102 and 104 are typically performed for an entire frequency spectrum. After a frequency spectrum has been analyzed, in a concluding step 106, the natural vibration frequency of the sensor element 22, 24 determined from the measured response signals. The natural vibration frequency can be determined as the frequency at which the amplitude of the response signal for the measured frequency range is maximum. The assignment of the measured natural vibration frequency to a force actually acting on the connecting element then takes place according to a previously performed calibration or calibration.
Wie ferner in Fig. 2 angedeutet kann das Messsystem auch neben der bereits beschriebenen ersten Messanordnung 30 noch eine weitere, nämlich eine zweite Messanordnung 130 aufweisen. Das Signalkabel 35 des Sensors 12 ist dabei wahlweise mit entweder der ersten oder mit der zweiten Messanordnung 30, 130 koppelbar bzw. verbindbar. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine As further indicated in FIG. 2, the measuring system may also have, in addition to the already described first measuring arrangement 30, a further, namely a second measuring arrangement 130. The signal cable 35 of the sensor 12 can be selectively coupled or connected to either the first or the second measuring arrangement 30, 130. This has the advantage that a
Signalauswertung ohne Wechsel des Sensors umgeschaltet werden kann. So kann z.B. für langzeitstabile Messungen die erste Messanordnung 30 verwendet werden, während für hochdynamische oder besonders sensitive Messungen ein anderes Messverfahren gemäß der zweiten Messanordnung 130 eingesetzt werden kann, z.B. auf Basis eines kapazitiv gegengekoppelten Operationsverstärkers. Ein Signal evaluation can be switched without changing the sensor. Thus, e.g. for long-term stable measurements, the first measuring arrangement 30 can be used, while for highly dynamic or particularly sensitive measurements another measuring method according to the second measuring arrangement 130 can be used, e.g. based on a capacitively coupled operational amplifier. One
Umschalten zwischen den Messanordnungen kann mittels z.B. eines Schalters erfolgen. Switching between the measuring arrangements can be done by means of eg a switch.
Bezu gszei che n l i ste Significant l iest
1 Bauteil 1 component
2 Bauteil  2 component
3 Durchgangsöffnung  3 passage opening
4 Durchgangsöffnung  4 passage opening
10 Verbindungselement  10 connecting element
11 Verbindungskörper  11 connecting body
12 Sensor  12 sensor
14 Hohlraum  14 cavity
15 Sensorabschnitt  15 sensor section
16 Sensorabschnitt  16 sensor section
17 Schaft  17 shaft
18 Kopf  18 head
22 Sensorelement  22 sensor element
23 Kabeldurchführung  23 cable feedthrough
24 Sensorelement  24 sensor element
25 Außengewinde  25 external thread
26 elektrischer Kontakt  26 electrical contact
27 Formschlussstruktur  27 positive locking structure
28 Aufnahme  28 recording
29 Innengewinde  29 internal thread
30 Messanordnung  30 measuring arrangement
32 Signalerzeuger  32 signal generators
34 Signalempfänger  34 signal receiver
35 Signalempfänger  35 signal receiver
36 Signalkabel  36 signal cables
38 Widerstand  38 resistance
42 Schraubenmutter  42 nut
45 Außengewinde  45 external thread
46 Innengewinde  46 internal thread
47 Formschlussstruktur Messsystem47 positive locking structure measuring system
Boden ground
Innenwand  inner wall
Vorsprung  head Start
Montagekappe mounting cap
Kabeldurchführung elektrische IsolationCable bushing electrical insulation
KabeldurchführungGrommet
Funktionsbauteilfunctional component
Verbindungskörperconnecting body
Messanordnungmeasuring arrangement
Schweißstelleweld
Außengewindeexternal thread
Innengewinde inner thread

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e P a n t a n s p r e c h e
Verbindungselement (10) mit einem längserstreckten Verbindungskörper (1 1 ) und mit einem Sensor (12), welcher in einem Hohlraum (14) des Connecting element (10) with an elongate connecting body (1 1) and with a sensor (12) which in a cavity (14) of the
Verbindungskörpers (1 1 ) angeordnet und fest mit dem Verbindungskörper (1 1 ) verbunden ist, wobei der Sensor (12) zumindest ein Sensorelement (22, 24) mit einem belastungsabhängigen Elastizitätsmodul aufweist, welcher sich in Abhängigkeit einer einwirkenden mechanischen Kraft ändert und wobei das Sensorelement (22, 24) mit einer Messanordnung (30) signalübertragend koppelbar ist. Connection body (1 1) arranged and fixed to the connecting body (1 1) is connected, wherein the sensor (12) has at least one sensor element (22, 24) with a load-dependent modulus of elasticity, which changes depending on an applied mechanical force and wherein the Sensor element (22, 24) with a measuring arrangement (30) signal-transmitting coupled.
Verbindungselement (10) nach Anspruch 1 , wobei der Sensor (12) einen ersten Sensorabschnitt (15) und einen zweiten Sensorabschnitt (1 6) aufweist, die in Längsrichtung des Verbindungskörpers (1 1 ) voneinander beabstandet sind und wobei der erste Sensorabschnitt (15) und der zweite Sensorabschnitt (1 6) jeweils fest mit dem Verbindungskörper (1 1 ) verbunden oder hieran fixiert sind. Connecting element (10) according to claim 1, wherein the sensor (12) has a first sensor section (15) and a second sensor section (1 6), which are spaced apart in the longitudinal direction of the connecting body (1 1) and wherein the first sensor section (15). and the second sensor portion (1 6) in each case fixedly connected to the connecting body (1 1) or are fixed thereto.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Sensorelement (22, 24) eine abhängig von einer Connecting element according to one of the preceding claims, wherein the at least one sensor element (22, 24) depending on a
mechanischen Krafteinwirkung veränderliche elektrisch messbare mechanical force variable electrical measurable
Schwingungseigenfrequenz aufweist. Having natural vibration frequency.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Sensorelement (22, 24) einen piezoelektrischen Kristall oder eine piezoelektrische Keramik aufweist. Connecting element according to one of the preceding claims, wherein the at least one sensor element (22, 24) comprises a piezoelectric crystal or a piezoelectric ceramic.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein mit der Messanordnung (30) elektrisch leitend verbindbarer elektrischer Kontakt (26) an einem Längsende des zumindest einen Sensorelements (22, 24) angeordnet ist. Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (12) zumindest zwei in Längsrichtung des Verbindungskörpers (1 1 ) voneinander beabstandete Sensorelemente (22, 24) aufweist, zwischen welchen ein elektrischer Kontakt (26) angeordnet ist, welcher mit beiden Sensorelementen (22, 24) in elektrischem Kontakt steht. Connecting element according to one of the preceding claims, wherein one with the measuring arrangement (30) electrically conductively connectable electrical contact (26) at one longitudinal end of the at least one sensor element (22, 24) is arranged. Connecting element according to one of the preceding claims, wherein the sensor (12) at least two in the longitudinal direction of the connecting body (1 1) spaced sensor elements (22, 24), between which an electrical contact (26) is arranged, which with both sensor elements (22 , 24) is in electrical contact.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (12) innerhalb des Hohlraums (14) einer mechanischen Kompression in Längsrichtung ausgesetzt ist. A connector as claimed in any one of the preceding claims, wherein the sensor (12) within the cavity (14) is subjected to longitudinal mechanical compression.
Messsystem mit zumindest einem Verbindungselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit zumindest einer Messanordnung (30), welche mit dem zumindest einen Sensorelement (22, 24) des Sensors (12) des Verbindungselements (10) signalübertragend koppelbar ist. Measuring system with at least one connecting element (10) according to one of the preceding claims and with at least one measuring arrangement (30) which can be coupled in signal-transmitting manner with the at least one sensor element (22, 24) of the sensor (12) of the connecting element (10).
Messsystem nach Anspruch 8, wobei die Messanordnung (30): zumindest einen elektrischen Signalerzeuger (32) zur Erzeugung eines zeitlich variierenden elektrischen Eingangssignals aufweist, und zumindest einen ersten Signalempfänger (34) aufweist, wobei der erste Signalempfänger (34) und der Signalerzeuger (32) mit dem zumindest einen Sensorelement (22, 24) elektrisch koppelbar sind und wobei der erste Signalempfänger (34) zur Auswertung eines Antwortsignals des zumindest einen Sensorelements (22, 24) ausgebildet ist. Measuring system according to claim 8, wherein the measuring arrangement (30) comprises: at least one electrical signal generator (32) for generating a temporally varying electrical input signal, and at least one first signal receiver (34), wherein the first signal receiver (34) and the signal generator (32 ) are electrically coupled to the at least one sensor element (22, 24) and wherein the first signal receiver (34) for evaluating a response signal of the at least one sensor element (22, 24) is formed.
0. Messsystem nach Anspruch 9, wobei der Signalerzeuger (32) und der erste Signalempfänger (34) über ein gemeinsames Signalkabel (36) mit dem zumindest einen Sensorelement (22, 24) koppelbar sind. Messsystem nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Signalerzeuger (32) und der erste Signalempfänger (34) über einen elektrischen Widerstand (38) in Reihe geschaltet sind. 0. Measuring system according to claim 9, wherein the signal generator (32) and the first signal receiver (34) via a common signal cable (36) with the at least one sensor element (22, 24) are coupled. Measuring system according to claim 9 or 10, wherein the signal generator (32) and the first signal receiver (34) are connected in series via an electrical resistor (38).
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem zweiten Signalempfänger (35), welcher zur Messung einer Frequenz des vom Signalerzeuger (32) erzeugten Ausgangssignals ausgebildet ist. Measuring system according to one of the preceding claims, further comprising a second signal receiver (35) which is designed to measure a frequency of the output signal generated by the signal generator (32).
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Signalempfänger (34) zur Messung eines Frequenzspektrums des Measuring system according to one of the preceding claims, wherein the first signal receiver (34) for measuring a frequency spectrum of the
Antwortsignals des zumindest einen Sensorelements (22, 24) ausgebildet ist.  Response signal of the at least one sensor element (22, 24) is formed.
Verfahren zur Messung einer auf ein Verbindungselement einwirkenden Kraft, mit den Schritten: Method for measuring a force acting on a connecting element, with the steps:
Bereitstellen eines Verbindungselements (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, elektrisches Verbinden des zumindest einen Sensorelement (22, 24) mit einer Messanordnung (30), Providing a connecting element (10) according to one of the preceding claims 1 to 7, electrically connecting the at least one sensor element (22, 24) to a measuring arrangement (30),
Beaufschlagen des zumindest einen Sensorelements (22, 24) mit einem zeitlich veränderlichen elektrischen Signals, Applying the at least one sensor element (22, 24) to a time-varying electrical signal,
Messen eines vom Sensorelement (22, 24) reflektierten Antwortsignals und Measuring a response signal reflected by the sensor element (22, 24) and
Auswerten des Antwortsignals zur Bestimmung einer in Längsrichtung auf das Verbindungselement (10) einwirkenden Kraft. Evaluating the response signal to determine a force acting on the connecting element (10) in the longitudinal direction.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Auswerten des Antwortsignals eine Spektralanalyse des Antwortsignals umfasst und wobei zur Bestimmung der in Längsrichtung auf das Verbindungselement (10) einwirkenden Kraft eine Resonanz- oder Eigenfrequenz des zumindest einen Sensorelements (22, 24) gemessen wird. 15. The method of claim 14, wherein the evaluating the response signal comprises a spectral analysis of the response signal and wherein for determining the longitudinal force on the connecting element (10) acting force Resonant or natural frequency of the at least one sensor element (22, 24) is measured.
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