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 exensométricas.

En sensor de fuerza piezoeléctrico consiste en varias secciones de un cristal piezoeléctrico que, cuando se someten a una carga de compresión, generan una carga. En general, se utilizan dos secciones de cristal, con un electrodo insertado entre medias, que se encarga de absorber las cargas resultantes. El cuerpo envolvente también funciona como electrodo. El cristal y el cuerpo deben cumplir unos requisitos de calidad superficial muy estrictos, que son esenciales para las características (linealidad, comportamiento de la respuesta) de los sensores de fuerza.

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:

  • Instalación del sensor en un espacio confinado
  • Medición de fuerzas pequeñas con una carga inicial elevada
  • Amplio rango de medida
  • Mediciones a temperaturas muy altas
  • Estabilidad extrema a las sobrecargas
  • Mediciones muy dinámicas

Una vez que se toma la decisión de utilizar un transductor piezoeléctricos, surge otra cuestión: ¿cuál es el transductor de fuerza correcto? A continuación examinamos en detalle los campos de aplicación típicos y proporcionamos una guía de selección para elegir el sensor más adecuado.

Thomas Kleckers, HBM

En este artículo, Thomas Kleckers, Director de Producto a cargo de Sensores de Fuerza en HBM, explica cómo seleccionar el sensor piezoeléctrico correcto para su aplicación.

Condiciones de la 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. Por ello, este tipo de sensores son perfectos para integrarse en estructuras confinadas ya existentes. Estos sensores 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

icon initial load

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 puede estar sometido a fuerzas distintas de la que se desea medir; por ejemplo, durante la instalación. La carga resultante puede cortocircuitarse, con lo cual se pone a cero la señal de entrada al amplificador de carga. 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.

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3. Amplio rango de medida

Los transductores de fuerza piezoeléctricos también resultan muy robustos en los procesos multietapa. Consideremos como ejemplo 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, eliminan 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.

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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.

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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.

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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 la electrónica. 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.

¿Cuál es el mejor sensor?

Si su aplicación cumple alguna de las condiciones anteriores, deberá utilizar un transductor piezoeléctrico para sus medidas de fuerza. ¿Cuál es el más adecuado? Hemos creado una guía de selección basada en los casos de uso más típicos.


“Los anillos piezoeléctricos de medida de fuerzas se utilizan 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 maquinaria que se desea medir sin necesidad de hacer cambios mecánicos 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. 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 garantizar resultados de alta calidad.


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

Nuestra recomendación: sensores de fuerza tipo CFT

Para este tipo de situaciones existen sensores que ya se suministran calibrados y con un preesfuerzo aplicado. Por ejemplo, los sensores de fuerza tipo CFT, que están listos para medir inmediatamente. El suministro incluye un informe de pruebas que especifica su sensibilidad.


“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 de la serie CFW

Los anillos de medida de fuerzas CFW tienen una altura total relativamente alta, 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 disponen de un conector y resultan muy flexibles. Así, es posible conectar distintos cables, como el KAB145, un cable de carga muy robusto, con 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 de la serie PACEline 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 de la capacidad 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.


“No me cabe un anillo de medida de fuerzas, pero tampoco un sensor de galgas extensométricas o un transductor CFT, porque también requieren demasiado espacio”.

El sensor más adecuado: transductores de deformación piezoeléctricos de la 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 e esos componentes. Estos transductores requieren calibración. Los transductores de deformación de la serie CST son muy sensibles y pueden emplearse con estructuras muy rígidas. La precisión de la medida depende en gran medida del material sobre el que se monte el sensor.

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