¿Cómo tengo que ajustar la electrónica en función de mi sensor de fuerza?

Los transductores de fuerza, también llamados sensores de fuerza, se diferencian de las células de carga en un aspecto fundamental: mientras que las células de carga se instalan en una báscula antes de calibrar la báscula, los sensores de fuerza se calibran inmediatamente después de fabricarlos y el resultado de la calibración figura en la documentación que acompaña al producto.

Por tanto, cuando se utiliza, un transductor de fuerza debe mantener de manera fiable la sensibilidad que se ha determinado durante la calibración en fábrica. Y, para conseguirlo, hay que montarlo correctamente. Un paso muy importante dentro del procedimiento de puesta en servicio de un sensor de fuerza es el ajuste correcto del amplificador de medida. Este paso, llamado de manera general “ajuste”, garantiza que el amplificador de medida (o el software) interprete correctamente la señal de salida del sensor de fuerza de modo que, al final del proceso, se obtengan valores medidos correctos.

Curva característica de un sensor de fuerza

Junto con el transductor de fuerza se entrega el resultado de las medidas de calibración efectuadas durante la producción. En HBM, a este documento se le llama “informe de ensayo” (test record). En el informe de ensayo figura el valor nominal (símbolo C), medido en mV/V.

¿Qué es el valor nominal (C)?

Los transductores de fuerza de galgas extensométricas son sensores pasivos a los que se suministra una tensión desde un amplificador de medida adaptado. El valor nominal indica la magnitud de la variación en la señal de salida, expresada en mV, cuando la tensión de suministro del transductor que aporta el amplificador es exactamente 1 V y la fuerza aplicada varía desde cero hasta la fuerza nominal del sensor.

Los amplificadores de medida no siempre suministran a los transductores de fuerza exactamente 1 V. En la práctica, se utilizan con frecuencia otras tensiones de alimentación, como 2,5 V o 5 V. En estos casos, la señal de salida es proporcionalmente más alta. Una célula de carga con un valor nominal de 2 mV/V produce una tensión de salida utilizable de 10 mV cuando recibe una alimentación de 5 V, y de 5 mV con una alimentación de 2,5 V.

Para garantizar que el valor nominal sea independiente de la tensión de alimentación y que la sensibilidad especificada sea la misma para cualquier tensión de alimentación, la señal se normaliza a 1 V (de ahí que se exprese en mV/V). Cuando se configura un amplificador de medida de HBK, no importa qué tensión de alimentación se utilice: el valor nominal siempre es el mismo.

En la práctica, se lleva a cabo una puesta a cero antes de iniciar las medidas de calibración, de modo que el amplificador de medida indique inicialmente una lectura de 0 mV/V antes de aplicar carga al transductor de fuerza. Por este motivo, los certificados de calibración y los informes de ensayo siempre tienen un valor de 0 mV/V cuando la fuerza es cero. A continuación, se aplica una fuerza en incrementos, hasta alcanzar la fuerza nominal. Para cada incremento, se mide la señal de salida. El valor nominal es la diferencia entre la señal de salida cuando no se aplica ninguna fuerza y la señal de salida cuando se aplica la fuerza nominal.

Example

La Figura 2 muestra el informe de ensayo de un transductor C15/50kN. La fuerza nominal de este transductor de fuerza es de 50 kN. La cadena de medida se pone a cero antes de iniciar la medida del valor nominal; por tanto, la señal de salida es de 0 mV/V en ausencia de fuerza.

Cuando se aplica la fuerza nominal, es decir, 50 kN, la salida del sensor es de 4,1399 mV/V en el amplificador de medida.

Como ya se ha dicho antes, la tensión de alimentación suele ser superior a 1 V (normalmente, 2,5 V, 5 V o 10 V). La tensión de  salida del transductor de fuerza se incrementa de forma proporcional. El C15 de nuestro ejemplo proporcionaría una tensión de salida 20,6695 mV si se le aplica la fuerza nominal (50 kN) y una tensión de alimentación de 5 V.

La curva característica de un sensor de fuerza no es una línea perfectamente recta, sino que presenta una pequeña desviación con respecto a una recta ideal. Para corregir este error de linealidad se han desarrollado distintas soluciones, a nivel del amplificador o de software (por ejemplo, los sistemas QuantumXPMX systems de HBK para uso en procesos de producción).

Ajuste del amplificador de medida

Una práctica bien establecida consiste en ajustar el amplificador de medida durante los ensayos o en entornos de producción mediante una calibración de dos puntos. La entrada varía de un equipo a otro, pero siempre se introduce la siguiente información:

0 N  corresponde a

valor de puesta a cero, en mV/V

Fuerza nominal  corresponde a

valor nominal C, en mV/V


En nuestro ejemplo anterior, el informe de ensayo contiene los valores siguientes

0 N  corresponde a0 mV/V
50 kN  corresponde a4.1399 mV/V


La relación de tensión, es decir, la normalización a 1 V de los informes de ensayo o de los certificados de calibración, facilita considerablemente el ajuste.

Determinación de la curva característica de un sensor de fuerza activo

Los sensores de fuerza que están permanentemente equipados con un módulo amplificador también se calibran al final del proceso de producción. Al igual que en el caso de los sensores pasivos, la curva característica se determina y se hace constar en los documentos que acompañan al producto.

En HBK, estas cadenas de medida se calibran como un todo. Por tanto, se documenta la relación entre la fuerza aplicada y la señal de salida (tensión o corriente). Este método tiene la ventaja de que el amplificador de medida ya se entrega ajustado. Como se lleva a cabo una calibración de la cadena de medida completa, en lugar de calibrar los componentes individuales, la configuración resulta más sencilla y la exactitud de medida es mayor.

Como ya se ha dicho, la calibración de dos puntos es el procedimiento establecido dentro del mundo de los sensores de galgas extensométricas. Ahora bien, los transductores de fuerza con amplificadores permanentes se conectan a su vez a otros sistemas de adquisición de datos y PLC de distintos tipos. No siempre puede emplearse una calibración de dos puntos para parametrizar los equipos electrónicos situados a continuación.

Por este motivo, HBK proporciona varios tipos de valores nominales para el ajuste de la electrónica situada a continuación en la cadena de medida:

1. Calibración de dos puntos, valores enteros de fuerza

Esta tabla muestra los resultados de la calibración de fábrica, utilizando valores de fuerza enteros. Esta especificación se corresponde con la que también se utiliza para los transductores de fuerza puramente pasivos.

2. Calibración de dos puntos, valores enteros de la señal de salida (corriente o tensión)

Esta tabla describe la misma curva característica que la de la Tabla 1, solo que en este caso los valores enteros corresponden a la señal de salida. Los valores de fuerza ya no son números enteros.

3. La sensibilidad se indica como un gradiente (como es usual en piezotecnología)

Por ejemplo, este valor muestra el cambio en la señal de salida en voltios (o mA) cuando la fuerza cambia en +1 N. Esta información resulta especialmente útil cuando se cambia de un sistema de medida piezoeléctrico a otro de galgas extensométricas, o cuando el resto de la electrónica no permite trabajar con una calibración de dos puntos.

Por supuesto, también figura el valor nominal, o sea, la diferencia entre la señal de salida con fuerza cero y con la fuerza nominal. Este valor es el mismo con independencia de que se calcule a partir de la Tabla 1 o de la 2, ya que ambas tablas describen la misma curva característica.

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