En la actualidad hay dos principios fundamentales de medición de fuerzas: los sensores piezoeléctricos y los transductores de fuerza con galgas extensométricas. ¿Cuál es más adecuado para cada ocasión?

1. Fundamentos técnicos

Los transductores de fuerza con galgas extensométricas contienen siempre un cuerpo elástico sobre el que se aplica la fuerza. La fuerza produce una pequeña deformación del cuerpo elástico. Las galgas extensométricas, instaladas en los puntos apropiados, sufren una elongación y un cambio de resistencia. Para formar un puente de Wheatstone se requieren al menos cuatro galgas extensométricas. Cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través de este puente de medición, la tensión de salida resultante es proporcional a la fuerza aplicada.

Principio de funcionamiento de un sensor con galgas extensométricas. El tamaño del cuerpo elástico determina el rango de medición.

Los sensores piezoeléctricos consisten en dos discos de cristal con un electrodo  situado entre ellos. Cuando se aplica una fuerza, se produce una carga eléctrica que se puede medir con ayuda de un amplificador de carga. Dicha carga eléctrica es proporcional a la fuerza aplicada.

Diseño de un sensor piezoeléctrico. Los discos de cristal (en verde) convierten la fuerza aplicada en una carga que recoge el electrodo situado entre los sensores.

2. ¿Qué principio es mejor para cada aplicación?

Monitorización estática

Los sensores basados en galgas extensométricas apenas tienen deriva. Por ello, son especialmente apropiados para tareas de monitorización a largo plazo. Además, la fluencia —es decir, el cambio reversible y dependiente del tiempo que se produce en la señal de salida cuando se aplica una fuerza constante— es extremadamente baja y puede minimizarse mediante una selección cuidadosa de la disposición de las galgas extensométricas. Los modernos sensores de HBM, por ejemplo el S2M, ofrecen valores de fluencia de menos de 200 ppm del valor medido; un error despreciable en numerosas aplicaciones.

Debido a su principio de funcionamiento, los sensores de fuerza piezoeléctricos tienen una deriva estimada de alrededor de 1 N/min., con la que hay que contar una vez que la cadena de medición entra en funcionamiento. Dado que este valor permanece invariable con independencia de la fuerza medida, el error de medición relativo resultante de la deriva es especialmente desfavorable en aplicaciones de medición de fuerzas pequeñas durante largos periodos de tiempo.

Efecto de deriva con fuerzas pequeñas y grandes. Los periodos de medición pueden ser más largos a partir de 5000 N; con fuerzas más débiles, el efecto de la deriva es significativo. Resulta obvio que el periodo de medición depende de la precisión r
Mediciones de fuerzas dinámicas

Los sensores piezoeléctricos muestran una deformación muy pequeña cuando se les aplica una fuerza. En otras palabras, son muy rígidos. Por ello, poseen una alta frecuencia de resonancia que, en principio, resulta muy favorable en las aplicaciones dinámicas. Ahora bien, en el estudio de las propiedades dinámicas, toda la cadena de medición es crítica. Las piezas de montaje utilizadas para instalar el sensor aportan una masa adicional que, por supuesto, se suma a la masa total del sistema y, por tanto, influye en la frecuencia de corte. Además, muchos amplificadores de carga tienen un ancho de banda que depende de la carga y, por lo tanto, de la fuerza a medir. Las fuerzas de gran magnitud producen cargas eléctricas elevadas que, a su vez, limitan el ancho de banda.

Los sistemas basados en galgas extensométricas permiten trabajar con frecuencias de corte más altas y son más adecuados cuando se desea medir fuerzas nominales de mayor intensidad. En principio, los transductores de fuerza para fuerzas débiles tienen cuerpos de medida sensibles, por lo que la frecuencia de resonancia del transductor es a su vez baja. Siempre se debe consultar la hoja de datos. Los sensores piezoeléctricos son la mejor elección para mediciones rápidas de pequeñas fuerzas, mientras que los transductores de fuerza basados en galgas extensométricas son en general superiores cuando intervienen grandes esfuerzos.

Tareas de calibración

El circuito que se utiliza para conectar las galgas extensométricas permite compensar muchas fuentes de error. Además de los efectos de la temperatura sobre el punto cero y la sensibilidad, también compensa la falta de linealidad de los transductores o el efecto del momento de flexión. Por otro lado, los sensores de galgas extensométricas permiten realizar calibraciones estáticas muy precisas. Los cuerpos elásticos pueden diseñarse para obtener una reproducibilidad óptima. Como resultado, los transductores de fuerza con galgas extensométricas son los únicos que se utilizan como Patrones de referencia.

Medición con cargas iniciales altas

Cuando se aplica una fuerza a un sensor piezoeléctrico, este produce una carga eléctrica que se puede cortocircuitar si es necesario. Con ello, el estado de la entrada del amplificador de carga es igual al de una fuerza “nula”. En consecuencia, el rango de entrada del amplificador de carga no se ve afectado por las cargas de trabajo iniciales elevadas. La tecnología piezoeléctrica permite, por tanto, hacer mediciones a la máxima resolución incluso en condiciones desfavorables.

Entornos difíciles

Algunos transductores de galgas extensométricas tienen un grado de protección IP68 (por ejemplo, el S9M y el U10M con opción de cable). Los encapsulados son estancos y protegen las galgas extensométricas, que son muy sensibles. De este modo, es posible utilizar estos transductores en entornos desfavorables.

Existen cables para transductores piezoeléctricos con una junta especial que garantiza una perfecta estanqueidad del alojamiento del sensor y una alta seguridad de funcionamiento (referencia del cable: KAB145-3)

Mediciones de alta precisión

Los transductores de fuerza modernos tienen una precisión muy alta; sobre todo los transductores basados en galgas extensométricas, que miden con un error individual inferior a 200 ppm. Los sensores piezoeléctricos tienen un error de linealidad ligeramente mayor, en general del 0,5% del fondo de escala. Su deriva es relativamente alta, lo cual limita su uso. Para mejorar la precisión de forma significativa, se puede calibrar el sensor en el intervalo de fuerza en el que se desea medir.

Cuando hay restricciones de espacio

Los sensores de fuerza piezoeléctricos pueden ser muy compactos. Por ejemplo, la serie CLP tiene una altura inferior a 4 mm. Estos sensores son la solución ideal cuando se requiere integración en sistemas ya existentes.  En estos casos, puede ser preciso hacer concesiones en términos de precisión. Sin embargo, la necesidad de dimensiones muy pequeñas es primordial en muchas aplicaciones.

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