应力/张力检测传感器以及用于应力/张力检测的方法

摘要

本发明涉及一种应力/张力检测传感器，用于连续地监控尤其是在拧入的螺杆中的应力/张力状态，本发明还涉及相应的方法。本发明的目的是实现一个装置以及一种相应的方法，可以方便且不复杂地使用该装置以及该方法能够连续地监控应力/张力状态。按照本发明这个目的由此实现，具有一个传感器(1)，该传感器具有一个第一感应线圈(3)和至少一个另外的元件(2)，该元件包括至少一个与压力相关的第一阻抗(5)或一个第二阻抗(5’)和一个第二感应线圈(3’)，其中所述第二阻抗(5’)和/或第二感应线圈(3’)与压力有关，因此在元件(2)的压力负荷变化时使一个由阻抗(5；5’)和感应线圈(3；3’)构成的电磁振荡回路(3，5；3’，5’)的谐振频率变化。

说明书

本发明涉及一种应力/张力检测传感器，用于连续地监控尤其是在拧入的螺杆中的应力/张力状态，本发明还涉及相应的方法。本发明可以用于维修工作中，用于监控应力/张力状态，由此可以通过简单的方法监测和调节拧入的螺杆的起动转矩。

在这种应用范围中由现有技术已知所谓的转矩扳手，它例如通过一个超声波传感器工作。

此外已知张力传感器，其中使用压电材料。在此充分利用公知的压电效应，由此在将作用力施加到压电材料上时通过电位移产生表面电荷。例如在WO99/26046中描述了这样的传感器。

但是问题是，由于机械变形负荷产生的电荷分离只是瞬时出现的，因此不能实现连续地测量。此外通常需要一个电荷放大，如同在WO99/26046中所述的那样，以便将压电产生的电荷转换成与其成比例的电压。

因此本发明的目的是，实现一个应力/张力检测传感器以及一种相应的方法，可以方便且不复杂地使用该传感器以及该方法并且能够连续地监控应力/张力状态。

这个目的通过一个应力/张力检测传感器实现，其特征在于，所述传感器具有一个第一感应线圈和至少一个另外的元件，该元件包括至少一个与压力相关的第一阻抗或一个第二阻抗和一个第二感应线圈，其中所述第二阻抗和/或第二感应线圈与压力有关，因此在元件的压力负荷变化时使一个由阻抗和感应线圈构成的电磁振荡回路的谐振频率变化。

在此重要的是，通过使用与压力相关的电磁元件以及其相对于一个电磁振荡回路的布置充分利用其用于确定应力/张力状态的谐振频率。在此原则上可以使用具有相应的与压力相关特性的互补元件(阻抗，感应线圈等)。在使用一个与压力相关的阻抗的情况下则这个互补元件例如是一个感应线圈并且反之亦然。

与直接测量瞬时发生的电荷分离、如现有技术所进行的那样不同，在这里根据所测量的变化的谐振频率实现连续测量。充分利用简单的与压力相关的电元件提供一个特别简单且有效的测量方法并能够实现灵活的实施例。因此本发明有利地具有一个简单的结构和操作性，因为无需独立的电源。此外仅使用无源的元件。

按照第一实施例所述传感器包括一个第一感应线圈以及另一元件，它具有至少一个与压力相关的第一阻抗。该与压力相关的第一阻抗与第一感应线圈构成一个电磁振荡回路，其谐振频率在对元件施加压力负荷时是变化的。当然所述元件也可以包括其它电磁元件(电阻、感应线圈等)，但是在这里所依据的原理没有改变。

在第一实施例中所述元件完全或部分地由一种介电材料制成是适宜的，其导磁率对于压力负荷是变化的。有利的是，这种材料由于其轻微的重量和微小的尺寸能够很好地集成在现有的装置里面。

按照一个优选的实施例所述传感器的另一元件具有至少一个与压力相关的第二阻抗以及一个第二感应线圈，其中该与压力相关的第二阻抗与第二感应线圈并联地连接并构成一个电磁振荡回路，由此在元件的压力负荷变化时使振荡回路的谐振频率偏移。

在此所述元件由压电的或磁致伸缩的材料制成是优选的。此外可以使用那些能够根据负荷或压力影响到电机械地结合的物质。这些材料或物质由于其轻微的重量和微小的尺寸能够很好地集成在现有的装置里面。

按照一个特别优选的实施例所述传感器主要由薄膜构成，在其上设置第一感应线圈和用于接通另一元件的接触面。这种薄膜式结构也由于其轻微的重量以及微小的尺寸是特别有利的。

在此特别有利的是，所述薄膜式传感器至少局部地在接触面处包围所述元件。通过所述薄膜式传感器的弯曲或折叠可以毫无问题地并以多种方式实现与其它元件的接触。

此外有利的是，所述薄膜式传感器的配有第一感应线圈的截段位于另一元件上面，这将易于与测量仪或检测仪耦联。

特别有利的是，所述第一感应线圈不仅作为耦入元件而且作为耦出元件，由此使这个第一感应线圈一方面用于激励那个电磁振荡回路而另一方面用于测量那个电磁回路的谐振频率。通过这种方式不仅在激励电磁振荡回路时而且在询问应力/张力状态时都能够实现无接触地耦联。

为了询问应力/张力状态优选的是，使用一个收发器作为检测仪，该收发器可以通过第一感应线圈耦联到传感器上。

按照一个特别优选的实施例所述另一元件集成在一个垫片里面，该垫片可以安置在一个固定机构与一个与其连接的结构之间。在这个实施例中有利的是，所述另一元件例如通过一个薄膜式截段接通，并且使薄膜式传感器的配有第一感应线圈的截段位于垫片上面，由此可以方便地耦联一个检测仪。

按照另一实施例优选的是，一个第二元件作为互补元件集成在垫片里面。其优点是，在确定应力/张力状态时可以补偿温度或老化效应，因为仅需获得谐振频率的变化。

此外上述目的通过一种用于应力/张力检测的方法得以实现，按照本发明该方法的特征是，一个传感器的至少一个由压电的或磁致伸缩的材料制成的具有第一感应线圈的元件这样设置在一个固定机构与一个与该固定机构连接的结构之间，使得在所述元件的应力负荷变化时使一个由阻抗和感应线圈构成的电磁振荡回路的谐振频率改变，其中该元件包括至少一个与压力相关的第一阻抗或一个第二阻抗和一个第二感应线圈，其中所述第二阻抗和/或第二感应线圈与压力有关。

在此优选的是，所述元件在压力负荷下压缩而在压力负荷减小时卸载，并且所述电磁回路通过第一感应线圈激励。

此外有利的是，所述电磁回路谐振频率的测量通过与第一感应线圈无接触地耦联实现。

按照另一实施例适宜的是，借助于第二元件实现用于温度或老化效应补偿的比较测量，因为仅需获得应力/张力状态或谐振频率的变化。

本发明例如用于调整拧入的螺杆的起动转矩并因此替换已知的转矩扳手。本发明例如可以用于飞机、起重螺旋或其它交通用具的维修工作。

下面借助于附图详细描述本发明。附图中：

图1示出一个按照本发明的传感器的示意图，该传感器用于确定一个拧入的螺杆的应力/张力状态；

图2示出一个薄膜式结构传感器的俯视图；

图3示出一个薄膜式结构传感器的侧视图；

图4，4a-c示出按照不同实施例的传感器等效电路图；

图5示出在不同的应力负荷下谐振频率的曲线图；

图6示出谐振频率与应力负荷的函数关系。

图1示出一个按照本发明的传感器的示意图，该传感器用于确定一个拧入的螺杆的应力/张力状态。该传感器在图1中以标记符号1表示并集成在一个垫片10里面。具有集成传感器1的垫片10在下面也称为改型垫片，该垫片设置在一个螺杆11与一个与其连接的结构12之间。此外将一个检测仪13(例如一个收发器)无接触地耦联在传感器1上，这一点在下面还要详细描述。通过一个数据导线14将收发器获得的数据传送到一个(未示出的)评价单元。

所述传感器1包括一个介电的、压电的或电磁的元件2，该元件在图1中仅示意地示出。原理上可以使用所有具有与负荷或与压力有关的电机械耦联。在图1中所述元件2这样集成在垫片10里面，使该元件的表面基本垂直于压力负荷方向F设置。该元件2通过传感器1的一个薄膜式截段接通，如同图2和3可以看到的那样。

图2示出一个薄膜式传感器1的俯视图，其中不能看出所述元件2。在该薄膜式传感器上蜿蜒地敷设一个第一感应线圈3并与现有的接触面4和7连接。这些接触面4，7用于接通元件2。为此所述薄膜式传感器按照图2在虚线所示的折叠或折弯处弯曲，以使元件2如图3所示那样接通。在此配有第一感应线圈3的薄膜式传感器1的截段通常位于元件2上面，以便易于与检测仪(参见图1)耦联。如上所述，在图3中所示的传感器结构集成在垫片10里面。当然也可以将该传感器结构集成在其它间隔体或中间体里面。

图4示出所述传感器1的不同实施例的等效电路图。在此所述电元件以及第一感应线圈以与上述附图中相同的标记符号表示。此外在图4中以标记符号6表示电阻。当然在等效电路图中也可以考虑使用其它的电元件，但是不应对本发明的基本原理产生影响。

所述电元件2可以不同地构成。按照第一实施例(图4a)所述元件2具有一个电容，它具有与应力有关的阻抗并在下面以标记符号5表示。这一点例如通过一个介电元件起作用，该元件的导磁率在应力负荷下变化。与压力相关的阻抗5与第一感应线圈3一起构成一个电磁LC振荡回路，其谐振频率在应力负荷下变化。

按照第二实施例(图4b)所述元件2表示包括至少一个阻抗以及一个与其并联连接的感应线圈，它们在图4b中类似地以标记符号5’以及3’表示。实际上这一点例如通过使用压电的和/或电磁的元件2实现。在这个实施例中所述电磁回路通过阻抗5’和感应线圈3’构成，该电磁回路的谐振频率在压力负荷下变化。在此所述阻抗5’和感应线圈3’与应力有关。当然在这个实施例中也可以考虑其它并联或串联连接的元件，它们对工作原理没有影响。

按照一个特别优选的实施例(图4c)所述元件2由一种压电材料制成。已经公知，一种压电元件具有基于自身主体的一个机械谐振以及一个固有电容，并可以通过在图4c中所示的等效电路表示。所以在这里与按照图4b的第二实施例类似，该电磁LC振荡回路由一个同样以5’和3’表示的阻抗和感应线圈构成，由此通过阻抗5’的与压力相关性在压电元件2的压力负荷下实现谐振频率的偏移。所述压电元件2在压力负荷下产生一个压缩，这导致一个相应的电荷移动(压电效应)并因此根据由材料给定的导磁率与压力相关性导致谐振频率的偏移。

在上述实施例中所述元件2在压力负荷下产生一个压缩而在减小压力负荷时产生相应地卸载。如上所述，这一点同样导致一个可测量的谐振频率偏移，因此可以通过简单的方法连续地监控“螺杆张紧”或“螺杆未张紧”的状态。

如图5和图6所示，所述元件2的压力负荷起到使谐振频率偏移到更高频率的作用。当该元件2的压力负荷又下降时，则该谐振频率相应地偏移到更低的频率。当然也可以选择一个布置，其中上述特性是相反的。

此外要指出，各电磁振荡回路的激励通过第一感应线圈3实现，因此该感应线圈可以作为耦入元件。这一点可以无接触地实现(例如电容式)。但是该第一感应线圈3同时作为用于测量谐振频率的天线或耦出元件。在这里测量最好也无接触地实现。

按照另一实施例(未示出)在所述垫片10里面设置一个第二元件(例如由介电的、压电的或磁致伸缩的材料制成)，该元件用于比较测量。为此由一个机械加载的和一个无机械加载的元件2构成一个测量技术上的桥路，由此可以获得谐振频率的相对偏移。这种结构或比较测量能够实现例如温度效应、老化效应或类似情况的补偿。

最后要指出，原则上可以设想由一系列电磁元件的不同结构方法构成相应的电磁振荡回路，它们能够实现按照上述原理进行的压力/张力检测。上述实施例仅提供示例性的结构并且不局限于本发明的内容。