En muchas aplicaciones prácticas se da el caso de que es preciso medir fuerzas muy pequeñas empleando transductores de fuerza que se encuentran sometidos a cargas iniciales elevadas (precargas). La fuerza que se desea medir se superpone a la fuerza de carga inicial.

Ejemplos típicos de aplicaciones:

  • Anillos piezoeléctricos de medida de fuerzas, a los que un tornillo aplica un preesfuerzo, y que deben medir fuerzas extremadamente bajas.
  • Sensores fijados a una estructura con una fuerza considerable, que deben detectar variaciones mínimas en la aplicación de fuerza con fines de monitorización.

Este artículo describe las ventajas de los sensores piezoeléctricos y los sensores de galgas extensométricas en determinadas aplicaciones..

Ventajas de la tecnología piezoeléctrica

Principio de un sensor piezoeléctrico: cuando se aplica una fuerza, los centros de las cargas eléctricas se desplazan y se puede medir una carga eléctrica proporcional a la fuerza en las superficies del cristal.

Los sensores piezoeléctricos generan una carga eléctrica cuando se les aplica una fuerza. El diagrama de más arriba ilustra el principio de funcionamiento.

Los sensores que utilizan cuarzo como material piezoeléctrico tienen una sensibilidad en torno a 4,3 pC/N. Eso significa que si se aplica al sensor una fuerza de 1 Newton, se genera una carga de 4,3 pC. Los sensores como el nuevo CFT/25kN utilizan fosfato de galio como cristal piezoeléctrico. Este material tiene la ventaja de es más sensible y genera el doble de carga que el cuarzo. Por lo tanto, aplicando la misma fuerza se genera mucha más carga. Esta carga eléctrica se conduce a un amplificador de carga, que la convierte en una señal de 0...10 V.

Una de las ventajas de esta tecnología radica en que la sensibilidad del sensor es la misma independientemente de la fuerza nominal (para un mismo material). Así, se puede utilizar un sensor de gran capacidad para medir fuerzas muy pequeñas. Otra ventaja de esta tecnología es que se puede hacer una puesta a cero física de las cargas. Por ejemplo, se puede utilizar un cortocircuito para producir una carga de 0 pC en la entrada cuando el sensor está cargado con una fuerza (en nuestro caso, una carga inicial).

De este modo, se puede aprovechar toda la sensibilidad del amplificador de carga, adaptando el rango de medición a la magnitud de la fuerza que se desea medir. La carga inicial es irrelevante. Un sensor piezoeléctrico puede trabajar con o sin carga inicial, sin que ello afecte ni a la resolución ni a la precisión de la medida. Siempre se puede poner a cero la entrada del amplificador de carga con la función RESET.

Sensor piezoeléctrico sometido a una carga inicial. Una vez que se aplica la carga inicial, la cadena de medición se reinicia y se pone a cero. De este modo, el amplificador de carga trabaja en un rango de medición más pequeño y bien ajustado.

Ejemplo:

Se instala un anillo de medida de fuerza bajo un tornillo. Se desea medir fuerzas de tensión en el tornillo. En primer lugar se aplica la carga inicial (que, por cierto, también se puede medir con el propio anillo piezoeléctrico). A continuación, se activa un RESET en el amplificador de carga para poner a cero la cadena de medición. Con ello, no hay carga en la entrada y el amplificador de carga puede ajustarse a cualquier rango de medición. De este modo, se pueden medir con fiabilidad incluso fuerzas muy pequeñas.

Atención:

  • Esta medición resulta especialmente sencilla utilizando amplificadores de carga digitales como el CMD600, que pueden ajustarse a cualquier rango de medición.
  • En el ejemplo que se muestra, se trata de una medición por derivación de fuerzas. Antes de poder medir fuerzas de forma cuantitativa es preciso llevar a cabo una calibración de la instalación. Para más información, véase el artículo "Instalación de transductores de fuerza".
  • Los sensores piezoeléctricos siempre tienen una deriva. Es preciso ponerlos a cero periódicamente o utilizar un filtro de paso alto. Si no es posible hacer ninguna de estas dos cosas, es preferible utilizar sensores de galgas extensométricas.

Ventajas de la tecnología de galgas extensométricas

Izquierda: elemento de resorte; Centro: la fuerza aplicada produce deformaciones, que las galgas extensométricas convierten en una variación en la resistencia; Derecha: el circuito del puente de Wheatstone convierte las variaciones en la resistencia en

Los sensores de galgas extensométricas trabajan según el principio siguiente::

  • Se aplica una fuerza a un elemento de resorte de una manera que produce una pequeña deformación.
  • Las galgas extensométricas, que están adheridas a puntos adecuados, convierten la deformación en un cambio en la resistencia eléctrica.
  • Con un cableado adaptado (un circuito en puente de Wheatstone) y una alimentación adecuada, este cambio en la resistencia se convierte en una tensión eléctrica medible

La ventaja de los sensores de galgas extensométricas es que se pueden calibrar eléctricamente teniendo en cuenta numerosas magnitudes características, como la sensibilidad o la deriva del punto cero con la temperatura, el efecto del momento de flexión o la linealidad. Dependiendo de los requisitos, esta tecnología permite ofrecer una precisión insuperable.

La señal de salida de un sensor de este tipo es una tensión eléctrica. Esa tensión depende a su vez de la tensión de alimentación que se suministre al sensor. Si no se tienen en cuenta las fuentes de error (temperaturas, cargas parásitas, etc.), la señal de salida depende esencialmente de dos factores:

  • El “error relativo del cero”; es decir, la señal de salida generada por un transductor que no está sometido a ninguna carga.
  • La fuerza aplicada al sensor, que se convierte en una señal de salida eléctrica medible utilizando el principio descrito más arriba.

La compensación del cero consiste siempre en sumar o restar las dos tensiones anteriores. Esta operación se efectúa a través de software o se lleva a cabo en el amplificador. La tensión de salida de la cadena de medición permanece inalterada. Debe seleccionarse un rango de medición del sensor correspondiente a la fuerza total; es decir, a la carga inicial más la fuerza que se desea medir.

En el ejemplo de la fotografía de más arriba, la aplicación consiste en monitorizar un cable de acero que sostiene una línea eléctrica. En este caso, los cambios en la fuerza de tensión son muy pequeños en comparación con la carga inicial. Por ello, se requiere una resolución muy alta para la señal de medición. Los errores acumulados en la cadena de medición de fuerza deben ser mucho más pequeños que los cambios en la fuerza que se miden.

Hay una serie de parámetros de influencia, sobre todo relacionados con el valor del fondo de escala, que afectan de forma sensible a la incertidumbre de medición. Para más información, véase el artículo "Alta precisión es igual a alta eficiencia: Los transductores de fuerza de alta precisión abre la puerta a nuevos campos de aplicación"Un pequeño efecto de la temperatura sobre el punto cero, un pequeño error de linealidad o una leve fluencia pueden afectar de forma importante a la fiabilidad de los resultados. A diferencia de la medición de fuerzas muy pequeñas con sensores de alta capacidad nominal, el coeficiente de sensibilidad asociado a la temperatura tiene una gran importancia en este caso. Como ya se ha dicho, el sensor sometido a una carga genera una tensión de salida (aunque esta no se muestre si el amplificador la ha puesto a cero). Si la sensibilidad del sensor cambia por la acción de la temperatura, entonces la temperatura afecta directamente a la señal de salida. El efecto es tanto mayor cuanto mayor sea la carga inicial que se aplica constantemente (en nuestro ejemplo, una alta tensión en un cable).

Atención:

  • Los transductores de fuerza de cizallamiento con simetría radial son muy robustos y precisos, y han demostrado ser efectivos en muchos casos, especialmente si se producen cambios de temperatura durante la medición. Los sensores de este tipo exhiben muy baja fluencia (250 ppm en 30 minutos) y, sobre todo, muy baja deriva por temperatura. El nuevo transductor de fureza de compresión C10 presenta una deriva del punto cero con la temperatura de tan solo 75 ppm/10 K. El transductor de fuerza  U10M por su parte, tiene valores característicos similares, igualmente excelentes.
  • Los transductores de fuerza en forma de S (S2M, S9M) son una buena elección para medir fuerzas pequeñas. También funcionan con gran precisión. Sin embargo, y a diferencia de los transductores de fuerzas de cizallamiento con simetría radial, presentan restricciones en su comportamiento dinámico.
  • Puesto que los sensores de galgas extensométricas sufren menos deriva, son la mejor alternativa cuando no es posible efectuar un RESET periódico o si no se dispone de filtros de paso alto.

Conclusión

La medición de pequeñas fuerzas —o de pequeñas variaciones de fuerza— plantea a los sensores grandes exigencias en términos de precisión.

El principio piezoeléctrico tiene la ventaja de que permite seleccionar en el amplificador un rango de medición adaptado de forma precisa a las pequeñas fuerzas que interesa medir.

Hoy día existen sensores de galgas extensométricas de muy alta precisión. Por su escasa dependencia con la temperatura, su baja desviación de la linealidad y su notable ausencia de deriva, son la mejor elección para todos los procesos en los que no es posible efectuar una puesta a cero periódica.

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