Transductores de fuerza piezoeléctricos: un principio sencillo, infinitas posibilidades

Existen diferentes tipos de transductores de fuerza (también se les denomina sensores de fuerza). Los modelos que se utilizan con mayor frecuencia utilizan tecnología de galgas extensométricas; ya hemos hablado con anterioridad de cómo funcionan aquí. Este artículo habla sobre otra tecnología que se emplea para medir fuerzas: los transductores de fuerza piezoeléctricos. Su autor es Thomas Kleckers, director de producto a cargo de transductores de fuerza en HBM e ingeniero físico. No es de extrañar que le guste especialmente el principio de funcionamiento del transductor piezoeléctrico. En sus propias palabras: "El principio es sencillo y las posibilidades, infinitas".

El cristal piezoeléctrico

Para entender cómo funcionan los transductores de fuerza piezoeléctricos, lo primero que hay que hacer es observar su interior. En el corazón del sensor, siempre encontraremos un cristal piezoeléctrico; por ejemplo, de cuarzo. Los materiales piezoeléctricos generan un carga eléctrica cuando se someten a un esfuerzo mecánico. La carga eléctrica que se genera es proporcional al esfuerzo mecánico aplicado; por tanto, el principio es verdaderamente sencillo. Un amplificador puede convertir esta carga en una señal de 0…10 V fácil de medir. Así que, al final, la tensión eléctrica de salida es proporcional al esfuerzo mecánico.

Thomas Kleckers, HBM
Thomas Kleckers, director de producto responsable de sensores de fuerza en HBM
molecular crystal lattice of piezoelectric crystal
A la izquierda podemos ver la red molecular del cristal cuando no está sometido a ningún esfuerzo (en el centro está la carga que, en este caso, está equilibrada). A la derecha, el cristal se ha sometido a un esfuerzo mecánico: los centros de simetría de las cargas se desplazan y se puede medir una carga en la parte superior e inferior del cristal.

Diseño y método de uso de los transductores de fuerza piezoeléctricos

Como hemos dicho, existe una relación proporcional entre el esfuerzo mecánico que se aplica al cristal y el cambio en la carga. Dicho de otro modo, cuanto mayor es el esfuerzo, mayor es la carga. Ese es precisamente el principio que utiliza la tecnología piezoeléctrica de medición de fuerzas. No obstante, para convertir un cristal en un transductor se necesita algo más. "La señal de salida no depende del tamaño del sensor y eso es una ventaja importante", explica Thomas Kleckers.

Por lo general, los sensores contienen dos elementos de cristal y, entre ambos, se coloca un electrodo. Este electrodo recoge la carga que se forma en las cara más cercana de cada uno de los cristales. Un cable conecta el electrodo con el amplificador de carga. Por último, una envolvente metálica alberga los discos de cristal. Esta envolvente no solo protege los cristales, sino que también proporciona un segundo punto de contacto con ellos, ya que está conectada al amplificador de carga a través del blindaje del cable.

"Es esencial que el contacto entre los cristales y el electrodo y entre los cristales y la envolvente sea muy bueno. Para ello, los materiales deben ser de alta calidad, con superficies regulares acabadas con precisión y con una rugosidad insignificante. Para que la transferencia de la carga eléctrica sea óptima es indispensable que el contacto entre las superficies sea excelente". Thomas Kleckers

Principio de un sensor piezoeléctrico: los elementos de cuarzo convierten la fuerza aplicada en una carga que recoge el electrodo situado entre los sensores.

Propiedades de los sensores piezoeléctricos

Una característica especial de los transductores de fuerza piezoeléctricos es que cubren intervalos de medición muy amplios. Dicho de otro modo, el mismo sensor se puede utilizar para medir fuerzas muy pequeñas y muy grandes. Por lo tanto, los transductores de fuerza piezoeléctricos son muy flexibles y se encuentran disponibles en un tamaño miniaturizado de tan solo unos milímetros de espesor. Su elevada rigidez hace que la deformación que sufren cuando se someten a un esfuerzo sea insignificante. En consecuencia, el sensor tiene una influencia excepcionalmente baja sobre la estructura en la que está integrado.

Por otro lado, los transductores son propensos a la deriva: "La carga siempre encuentra el modo de compensarse", señala Thomas Kleckers. Por este motivo, la diferencia en la carga necesaria para la medición no se puede mantener de manera indefinida. Se puede presuponer que se producirá una deriva de 10 N/min como máximo. Una vez que la cadena de medición se “aclimata”, esta cifra se reduce notablemente durante el servicio. Sin embargo, esta deriva es la misma sea cual sea la magnitud de la fuerza medida. Por tanto, la deriva tiene mayores repercusiones cuando se miden fuerzas pequeñas durante un periodo prolongado que cuando se miden grandes fuerzas o se emplean tiempos de medición cortos.

Efecto de la deriva con fuerzas pequeñas y grandes: Cuando se miden 5000 N, se puede emplear un tiempo de medición más prolongado; con fuerzas más pequeñas, el efecto de la deriva es considerable. Por este motivo es preciso restablecer el valor cero en los transductores de fuerza piezoeléctricos con regularidad. También se pueden utilizar filtros de paso alto adaptados para suprimir la deriva.

Aplicaciones de los sensores de fuerza piezoeléctricos

Los transductores de fuerza piezoeléctricos pueden suministrarse con un preesfuerzo aplicado o no, en función de la aplicación prevista. Los sensores precargados ya están calibrados y se pueden utilizar inmediatamente después de la instalación. Los anillos de medida de fuerzas tienen que conservar el preesfuerzo durante el montaje. Normalmente para ello se emplean tornillos o ejes dinamométricos. Esto produce el mejor contacto posible entre las superficies de los distintos materiales, permitiendo así la transferencia de la carga. No obstante, estos componentes adicionales pueden alterar la sensibilidad del punto de medición que, en consecuencia, tiene que ajustarse o calibrarse después del proceso de preesfuerzo.

"Los sensores piezoeléctricos pequeños, concretamente, suelen adaptarse a sistemas ya existentes. Las dimensiones no suelen plantear problemas, pero no hay forma de evitar la calibración". Thomas Kleckers

Es importante asegurarse de que el transductor ofrezca resultados cuantitativamente correctos en su entorno de instalación concreto y en las condiciones ambientales predominantes. El uso de los transductores de fuerza piezoeléctricos resulta especialmente ventajoso en los procesos cíclicos. Un ejemplo es el de dos componentes conectados con una fuerza definida, como ocurre en los procesos de remachado. El transductor y el amplificador de carga miden la fuerza característica del proceso de remachado ha hacen posible un control de calidad extremadamente eficaz. Tras la medición, el transductor se reinicia y vuelve a cero. A continuación se lleva a cabo el siguiente remache. La deriva no tiene ninguna influencia sobre el resultado, porque el tiempo de medición es muy corto. Thomas Kleckers destaca sobre todo su uso en prensas. "Una prensa estampa con una fuerza de 50 toneladas, es decir, 500 kilonewtons. Cuando el proceso se estabiliza, es necesario realizar algunos reajustes de precisión. Hablamos de aproximadamente 100 newtons. Se produce un reinicio entre este primer paso y el segundo, de modo que, durante el segundo paso, la fuerza se puede medir con alta resolución. De esta manera, se explota al máximo el amplio intervalo de medición de los transductores de fuerza piezoeléctricos".

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