Sensores piezoeléctricos: ¿cuál es el más adecuado para mi aplicación?

El principio piezoeléctrico permite construir sensores de fuerza con características muy distintas a las de los sensores basados en galgas extensométricas. Un sensor de fuerza piezoeléctrico consiste en varias secciones de un cristal monocristalino que, cuando se someten a una fuerza de compresión, generan una corriente eléctrica. En general, se utilizan dos secciones de cristal, con un electrodo insertado entre ambas. Toda la estructura está alojada en una carcasa. El electrodo y la carcasa absorben la corriente eléctrica y la transmiten a un amplificador de carga a través de un cable de carga coaxial.

 

 

La figura muestra el diseño típico de un transductor de fuerza piezoeléctrico:

 

1. Carcasa
2. Cristal piezoeléctrico
3. Electrodo

 

 

 

Los sensores piezoeléctricos requieren que exista un buen contacto entre el cristal y la carcasa. Para ello, a su vez, se necesita un procesamiento preciso tanto del cristal como de las superficies de los componentes que están en contacto con el cristal. Además, es preciso utilizar sensores precargados. En la práctica se utilizan precargas (o preesfuerzos) de, como mínimo, el 10% para garantizar un contacto fiable. Si la precarga es mayor, las propiedades metrológicas son mejores. Por supuesto, esta precarga no debe sobrecargar ni los elementos de preesfuerzo ni el sensor en sí.

¿Qué determina la señal de salida de un sensor piezoeléctrico?

Cuando se aplica una fuerza a un cristal piezoeléctrico se genera una señal de salida en forma de una carga Q del orden de picocoulombios (pC, 10-12 C). La carga puede calcularse con la ecuación:

Q = qxy*F

Donde F es la fuerza y qxy la constante piezoeléctrica, que depende del tipo de cristal utilizado y de la dirección en la que se le aplique la carga. El material que se emplea más habitualmente es el cuarzo, que tiene una sensibilidad de 4,3 pC/N y un límite de temperatura de 200 °C. HBM también usa fosfato de galio, cuya sensibilidad es casi el doble que la del cuarzo (8 pC/N, aproximadamente). Su límite de temperatura es de 850 °C, aunque no es posible explotarlo por completo con los transductores de fuerza que, debido a la tensión térmica, tienen un límite de 300 °C.

Los transductores piezoeléctricos ofrecen muchas ventajas, pero los de galgas extensométricas también. ¿Cómo decido cuál utilizar?

La decisión de utilizar sensores de fuerza piezoeléctricos o de galgas extensométricas depende de la aplicación. Los sensores piezoeléctricos son más adecuados si la aplicación cumple alguna de estas características:

  • Confined space for sensor installation
  • Instalación del sensor en un espacio confinado
  • Medición de fuerzas pequeñas con una carga inicial elevada
  • Amplio rango de medida
  • Medición a temperaturas excepcionalmente altas (hasta 300 °C)
  • Estabilidad extrema a las sobrecargas
  • Mediciones muy dinámicas

Los sensores de galgas extensométricas también presentan ventajas con respecto a los piezoeléctricos. Por ejemplo, permiten medir fuerzas de tracción y suelen ser más económicos. Por otro lado, ofrecen una mayor exactitud, menor deriva y calibraciones estáticas muy precisas. Cuando se desea realizar mediciones de referencia, no existe alternativa a la tecnología de galgas extensométricas. 

Nosotros recomendamos verificar en cada caso qué transductor se adapta a los requisitos de la tarea de medida de la forma más idónea y rentable. Una vez que se toma la decisión de utilizar un sensor piezoeléctrico, surge otra cuestión: ¿cuál es el transductor de fuerza correcto? A continuación examinamos en detalle los campos de aplicación típicos, con el fin de facilitar la elección.

Conceptos básicos: condiciones de aplicación que hacen aconsejable el uso de sensores piezoeléctricos

1. Instalación del sensor en un espacio confinado

Los sensores piezoeléctricos pueden ser muy compactos. Por ejemplo, la serie CLP tiene alturas de entre 3 y 5 mm dependiendo de la capacidad del anillo de medida de fuerzas. Eso los hace muy idóneos para integrarlos en estructuras confinadas ya existentes.

2. Medición de fuerzas pequeñas con una carga inicial elevada

Los sensores piezoeléctricos generan una carga eléctrica cuando se les aplica una fuerza. Sin embargo, el sensor se somete a fuerzas más altas que la que se desea medir; por ejemplo, durante la instalación. Esta carga resultante puede cortocircuitarse, con el fin de poner a cero la señal de entrada al amplificador. De este modo, el rango de medida puede ajustarse en función de la fuerza que se desea medir. Eso permite garantizar una alta resolución de medida, incluso aunque el cociente entre la carga inicial y la fuerza que se desea medir resulte muy desfavorable. Los amplificadores de carga más avanzados, como el CMD600, admiten un ajuste variable prácticamente en continuo del rango de medida y son idóneos para este tipo de aplicaciones.

3. Amplio rango de medida

Los transductores de fuerza piezoeléctricos también resultan muy robustos en los procesos multietapa. Pensemos por ejemplo en un proceso de prensado en varias etapas. En primer lugar, se aplican fuerzas elevadas durante la fase de prensado. La cadena de medida piezoeléctrica se ajusta de forma proporcional. La segunda etapa implica un seguimiento (o tracking) de la fuerza; es decir, se miden pequeñas variaciones de fuerza. En este ejemplo, nos beneficiamos de una característica especial de los sensores piezoeléctricos: como ya hemos dicho, se puede eliminar físicamente la señal de entrada al amplificador de carga. De este modo, el amplificador de carga se pone a cero de nuevo y el rango de medida puede reajustarse para garantizar una alta resolución.

4. Temperaturas excepcionalmente altas

Algunas aplicaciones exigen medir fuerzas a temperaturas muy altas. En ellas, los transductores de fuerza de galgas extensométricas alcanzan enseguida sus límites físicos. En cambio, los anillos piezoeléctricos de medida de fuerzas de la serie CHW se adaptan perfectamente a esas aplicaciones y pueden emplearse para medir a temperaturas de hasta 300 ºC.

5. Estabilidad extrema a las sobrecargas

Todos los sensores piezoeléctricos, con unas pocas excepciones, tienen la misma sensibilidad. Eso, a su vez, significa que, para un nivel de fuerza dado, la señal de salida de un sensor de fuerza con capacidad nominal de 20 kN es igual a la de otro sensor con 700 kN de capacidad. En términos de resolución y precisión, da igual utilizar uno u otro sensor. La cadena de medida se puede configurar para medir la fuerza máxima, pero sigue siendo capaz de medir fuerzas pequeñas.

6. Mediciones muy dinámicas

Los sensores piezoeléctricos tienen desplazamientos muy pequeños y una rigidez proporcionalmente alta, lo cual los hace perfectos para las aplicaciones dinámicas. Sin embargo, en las propiedades dinámicas influye toda la cadena de medida. Por tanto, también se debe tener en cuenta la rigidez de las uniones y de los componentes electrónicos. En general, las cadenas de medida piezoeléctricas son muy adecuadas para medir fuerzas pequeñas muy dinámicas. En cambio, los transductores de fuerza de galgas extensométricas son la mejor opción para hacer mediciones dinámicas de grandes fuerzas.

Si su aplicación cumple alguna de las condiciones anteriores, deberá utilizar un transductor piezoeléctrico para medir la fuerza. Ahora bien, ¿cuál es el más adecuado?

Calibración de una cadena de medida de fuerza piezoeléctrica: el sensor de referencia

Antes de invertir en un sensor de fuerza con la idea de utilizarlo como referencia para calibrar cadenas de medida de fuerza, le recomendamos que analice los requisitos que debe cumplir. Un requisito general es que el sensor de referencia debe ser trazable hasta un patrón nacional. Eso significa que el transductor de fuerza de referencia debe haber sido calibrado en un laboratorio con acreditación DIN EN ISO/IEC 17025. Estos laboratorios proporcionan trazabilidad con respecto al instituto nacional de metrología correspondiente (Centro Español de Metrología en el caso de España) y disponen de procedimientos verificables sobre los métodos empleados y la formación del personal.

Este vídeo muestra cómo se calibra una cadena de medida de fuerza, utilizando como ejemplo un anillo de medida de fuerzas CFW.

Aparte de suministrar transductores, HBM también presta servicios de calibración.

Guía de selección de sensores piezoeléctricos

“Los anillos piezoeléctricos de medida de fuerzas se usan mucho. ¿Puedo utilizar uno en mi aplicación?”

A muchos usuarios les gustan los anillos piezoeléctricos de medida de fuerzas porque pueden integrarse en el objeto o máquina que se desea medir sin necesidad de hacer modificaciones mecánicas importantes. Sin embargo, estos sensores siempre deben montarse con un preesfuerzo; es decir, se les debe aplicar una carga inicial mediante tornillos o elementos de preesfuerzo, con el fin de evitar daños y garantizar una estabilidad suficiente del momento de flexión. Tenga siempre en cuenta la capacidad de carga para evitar sobrecargas en el sensor o en el elemento de preesfuerzo (tornillo). Además se requiere una calibración, porque la instalación del sensor afecta de manera decisiva a la sensibilidad del punto de medición. Eso significa que, después del montaje, es preciso determinar la sensibilidad del punto de medición mediante una calibración, para que la fuerza pueda medirse en newtons.


“No puedo hacer una calibración pero me gustaría utilizar sensores piezoeléctricos”

Nuestra recomendación: Sensores de fuerza CFTplus

Los sensores CFTplus se suministran precargados y calibrados de fábrica. La conexión mecánica se realiza mediante bridas. Teniendo en cuenta la amplitud del rango de medición, la sensibilidad de los sensores se especifica para tres rangos de medida: para la fuerza/capacidad nominal, para el 10% de la capacidad y para el 1% de la capacidad.

El sensor CFTplus/25KN es una versión especial que utiliza fosfato de galio. Esta versión ofrece una sensibilidad que duplica la de los sensores de cuarzo y es especialmente idónea para medir fuerzas extremadamente pequeñas.

 


“No puedo hacer una calibración y el espacio es un condicionante de mi aplicación”

Nuestra recomendaciónSensores de fuerza CFT

Al igual que los CFTplus, los sensores de fuerza de la serie CFT se suministran precargados y calibrados, listos para utilizar sin necesidad de que el usuario los calibre. Se montan mediante conexiones roscadas y sus conexiones mecánicas son estándar.

Los sensores CFT son de tamaño reducido y también se encuentran disponibles en versiones de fosfato de galio. Son ideales para aplicaciones del orden de unos pocos newtons, como los ensayos de componentes miniaturizados.


“Quiero un sensor que se pueda integrar fácilmente, pero mi aplicación requiere un conector” / “Pueden aparecer cargas puntuales” / “Necesito tener en cuenta fuerzas muy altas”

Nuestra sugerencia:Anillos de medida de fuerzas serie CFW

Los anillos de medida de fuerzas CFW tienen una altura ligeramente mayor que los de la serie CLP, lo que significa que hay más material entre el elemento de introducción de fuerza y el elemento de medida. El anillo de medida de fuerzas más grande de la serie es el CFW/700 KN, con un diámetro interno de 36 mm. Por tanto, se ve menos afectado por unas condiciones de montaje desfavorables. Los productos de la serie CFW se suministran provistos de un conector. Permiten conectar distintos cables, como el KAB145, un cable de carga muy robusto que tiene la conexión al alojamiento del sensor sellada con una junta tórica. ¡Es ideal para entornos extremos!


“Necesito medir fuerzas a temperaturas muy altas”.

Nuestra recomendación:Anillos de medida de fuerzas PACEline serie CHW

Los anillos de medida de fuerzas de la serie CHW están diseñados para trabajar a temperaturas extraordinariamente altas. El modelo CHW-2 admite temperaturas de hasta 200 ºC, y el CHW-3 puede alcanzar 300 ºC. Estos anillos de medida de fuerzas requieren calibración. Su baja sensibilidad a la temperatura permite calibrarlos a temperatura ambiente.


“Mi aplicación tiene limitaciones de espacio y la altura total es el factor decisivo”.

Nuestra sugerencia: Anillos piezoeléctricos de medida en miniatura CLP

La serie CLP se adapta idealmente a este tipo de aplicaciones, porque son sensores con una altura total de entre 3 y 5 mm, dependiendo del tamaño del anillo de medida de fuerzas. Además, llevan un cable integrado, ya que debido a su baja altura de construcción no tienen espacio para acomodar conectores. Existen sensores para todos los tamaños de rosca desde M3 a M14. El bajo perfil exige distribuir la fuerza lo más uniformemente posible sobre la superficie del sensor.


¿Necesita medir fuerzas de cizalla?

Nuestra sugerencia: Anillos de medida de fuerzas en miniatura CSW para fuerzas de cizalla

Los anillos CSW miden fuerzas aplicadas en paralelo a la superficie del anillo. Estos sensores tienen las mismas dimensiones compactas que las de la serie CLP. Para obtener resultados cuantitativos, es preciso calibrar los anillos de medida de fuerzas en miniatura.

Atención: Se puede construir fácilmente un sensor de fuerza de dos componentes combinando un sensor CLP con uno CSW. Estos montajes se utilizan en aplicaciones típicas tales como la monitorización de máquinas en procesos de fresado y torneado.


“No me cabe un anillo de medida de fuerzas pero tampoco un sensor de galgas extensométricas, porque requiere demasiado espacio”

El sensor más adecuado:Transductores de deformación piezoeléctricos serie CST

Los transductores de deformación de la serie CST son muy pequeños y pueden sujetarse con un tornillo. Funcionan según el principio siguiente: cuando se aplica fuerza a una estructura, se produce una deformación que, en muchos casos, es proporcional a la fuerza aplicada. El sensor mide la deformación. Los transductores CST se pueden montar, por ejemplo, en sopletes de soldadura y en herramientas de prensado, y miden de forma fiable la deformación de esos componentes. Estos transductores requieren calibración. Los transductores de deformación de la serie CST son muy sensibles y pueden emplearse con estructuras muy rígidas (es decir, con niveles de deformación muy bajos). La precisión depende en gran medida del material sobre el que se monte el sensor.


Autor: Thomas Kleckers

Director de Producto a cargo de Sensores de fuerza en HBM

Consulte otros artículos técnicos sobre medición de fuerza en nuestra sección de Consejos y trucos sobre fuerzas

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