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 a4,3 pC/N. Eso significa que si se aplica al sensor una fuerza de 1 Newton, se genera una carga de 4,3 pC. Algunos sensores 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.