Comparativa


Diferencias entre estas dos tecnologías, ilustradas con valores típicos

Cuando se utilizan galgas extensométricas, cualquier deformación elástica del cuerpo de medición se convierte primero en un cambio en la resistencia de la galga extensométrica que, a su vez, genera una señal de salida eléctrica en un circuito tipo puente Wheatstone.

En cambio, el principio del efecto piezoeléctrico se basa en el hecho de que los cristales sometidos a una carga de compresión generan una señal eléctrica directamente proporcional a la fuerza aplicada.


Fig. 1: Transductor de galga extensométrica con circuito tipo puente

Esta carga se convierte después en una tensión de salida proporcional, con la ayuda de un amplificador. Las dos tecnologías se complementan a la perfección. Por un lado, las galgas extensométricas ofrecen una estabilidad muy superior en mediciones a largo plazo, así como una mayor linealidad.


Fig. 2: Principio del sensor piezoeléctrico cristalino

 

Los sensores piezoeléctricos tienen una estructura mucho más pequeña y su alta frecuencia natural los hace idóneos para las aplicaciones dinámicas.

Cuando se utilizan sensores piezoeléctricos en las mediciones, prácticamente no hay ningún desplazamiento, dado que el cuarzo ya aporta el componente mecatrónico, con una señal de salida eléctrica. La sensibilidad de un sensor piezoeléctrico normalmente no depende de su tamaño ni del volumen del elemento de cuarzo, sino del material empleado y de su geometría

Q = q11 · n · F

Q = carga eléctrica generada
q11 = constante del material; por ejemplo, 4.3 pC/N
n = número de elementos de cuarzo conectados en serie
F = carga mecánica o fuerza

En los sensores de galga extensométrica, la deformación elástica se utiliza según la ley de Hooke para obtener un cambio en la resistencia de la galga extensométrica. La expresión siguiente describe el cambio en la resistencia:

F = E · A · ε

ε = deformación del cuerpo de medición
E = constante elástica del cuerpo de medición
A = sección del cuerpo de medición
F = carga mecánica o fuerza

∆R / R = k · ε

∆R = cambio en la resistencia al aplicar la carga
R = resistencia en ausencia de carga
k = factor característico de la galga extensométrica

Al comparar las tecnologías piezoeléctrica y de galgas extensométricas se observa una diferencia importante en la sensibilidad eléctrica:

Caso 1:
Sensor piezo 5 kN => característica -4.3 pC/N
Sensor de galga extensométrica 5 kN => característica 2 mV/V=> 0,4 µV/N

Caso 2:
Sensor piezo 140 kN => característica -4,3 pC/N
Sensor de galga extensométrica 140 kN => característica 2 mV/V=> 0,014 µV/N

La tecnología de medición piezoeléctrica con una variable de sensor permite utilizar un intervalo de medición más amplio sin pérdida de precisión o resolución.

La tecnología de galgas extensométricas ofrece ventajas en términos de estabilidad a largo plazo, ya que con la tecnología de medición piezoeléctrica es prácticamente imposible crear una instalación de pruebas con una resistencia de aislamiento  infinita.

En la práctica, con frecuencia existe una deriva de aproximadamente 1 N/min. Por este motivo, las mediciones tienen que limitarse a unos pocos minutos, en función de los requisitos del trabajo de medición. Para un intervalo de medición de 50 kN con 215.000 pC, una señal de carga de -4,3 pC/N y un requisito de deriva <0,05%, el tiempo de medición máximo es de aproximadamente 25 minutos.

Con los sensores basados en tecnología de galgas extensométricas, el circuito de puente completo permite obtener una linealidad excelente. Esto evita la necesidad de compensar efectos de interferencia adicionales; por ejemplo, las variaciones de temperatura. Además esto hace los sensores de galga extensométrica más adecuados para los trabajos de medición de alta precisión en bandas de carga parcial; por ejemplo, en el caso de los transductores de referencia. Cuando se dispone de poco espacio y existen restricciones de instalación, los sensores piezoeléctricos resultan especialmente prácticos. Un transductor piezoeléctrico es hasta treinta veces más pequeño que un transductor de galga extensométrica comparable, para un mismo intervalo de medición y con prestaciones similares.


Fig. 3: Cadena de medición piezoeléctrica con controlador de procesos MP85A-FASTpress


En definitiva, en la medición de magnitudes mecánicas hay cabida para ambas tecnologías: los transductores de galgas extensométricas y los piezoeléctricos. De hecho, son dos tecnologías son complementarias. Las aplicaciones de los sensores piezoeléctricos empiezan donde terminan las de los de galgas extensométricas. HBM ha incorporado la tecnología de medición piezoeléctrica a su gama de productos, con el fin de ofrecer la solución metrológica óptima en cualquier circunstancia.

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