Un confronto

 
Differenza fra le due tecnologie, illustrato mediante valori tipici

Usando gli estensimetri, qualsiasi deformazione elastica del corpo di misura viene prima convertita in una variazione della resistenza dell'estensimetro, in modo che possa essere generato un segnale di uscita dal circuito elettrico a ponte di Wheatstone.

Per contro, la base dell'effetto piezoelettrico è che il cristallo soggetto al  carico di compressione genera una carica elettrica che è direttamente proporzionale alla forza applicata.


Fig. 1: Trasduttore ad estensimetri con circuito a ponte

Questa carica viene poi convertita in una tensione di uscita proporzionale con l'aiuto di un amplificatore. Le due tecnologie sono perfettamente complementari l'una con l'altra. Da un canto, con gli estensimetri si ottiene miglior stabilità per misurazioni a lungo termine ed anche linearità più elevata.


Fig. 2: Principio del sensore a cristallo

I sensori piezoelettrici, avendo struttura più piccola e frequenza naturale più alta, sono ideali per applicazioni dinamiche.

Misurando con sensori piezoelettrici, non si ha virtualmente alcun spostamento, essendo lo stesso quarzo a formare un componente meccatronico con un segnale di uscita elettricol. La sensibilità di un sensore piezoelettrico non dipende usualmente dalla sua dimensione o dal volume del quarzo, ma dal materiale impiegato e dalla sua geometria.

Q = q11 · n · F

Q = carica elettrica generata
q11 = costante del materiale, p.es. 4,3 pC/N
n = numero di elementi di quarzo collegati in serie
F = carico meccanico o forza

Con i sensori ad estensimetri, si usa la deformazione elastica in accordo alla  Legge di Hooke, per ottenere la variazione della resistenza dell'estensimetro:

F = E · A · ε

ε = deformazione del corpo di misura
E = modulo elastico del corpo di misura
A = sezione trasversale del corpo di misura
F = carico meccanico o forza

∆R / R = k · ε

∆R = variazione di resistenza sotto il carico
R = resistenza iniziale prima del carico
k = fattore k dell'estensimetro (ER) 

Confrontando il sistemi con tecnologie piezoelettrica e ad estensimetri, si nota una significativa differenza nella sensibilità elettrica:

Caso 1:
Sensore piezo da 5 kN => caratteristica -4,3 pC/N
Sensore ad ER da 5 kN => caratteristica 2 mV/V=> 0,4 µV/N

Caso 2:
Sensore piezo da 140 kN => caratteristica -4,3 pC/N
Sensore ad ER da 140 kN => caratteristica 2 mV/V=> 0,014 µV/N

Con la tecnologia di misura piezoelettrica con un sensore variabile, è possibile implementare un campo di misura addizionale senza perdere in accuratezza o della risoluzione.

La tecnologia ad estensimetri è vantaggiosa per quanto concerne la stabilità a lungo termine, dato che con quella di misura piezoelettrica è praticamente impossibile implementare una configurazione di prova con resistenza di isolamento infinita.

Nella pratica, si ha spesso una deriva di circa 1 N/min, ed è perciò che la misurazione deve essere effettuata entro pochi minuti, a seconda dei requisiti del compito di misura. Per un campo di misura di 50 kN con 215 000 pC, segnale di carica di -4,3 pC / N deriva ammessa dello < 0,05 %, il massimo tempo di misura è di circa 25 minuti.

Con sensori ad estensimetri, il circuito a ponte intero può fornire una eccellente linearità. Ciò evita la compensazione di effetti di disturbo addizionali quali le variazioni di temperatura. Inoltre esso rende i sensori ad estensimetri più adatti a compiti di misura di alta precisione in aree di carico parziali, come i trasduttori di riferimento. Quando lo spazio è poco e l'installazione è limitata, è giocoforza impiegare i sensori piezoelettrici. Con lo stesso campo di misura e caratteristiche di prestazione similari, il trasduttore piezoelettrico ha una struttura fino a trenta volte pù piccola di un paragonabile trasduttore ad estensimetri.


Fig. 3: Catena di misura piezo con processo MP85A-FASTpress 


Nella tecnologia di misura di grandezze meccaniche c'è spazio per ambedue le tecnologie di trasduttori, ad estensimetri o piezoelettrici. Le due sono complementari e, ove cessa la prestazione degli estensimetri, inizia la prestazione dei piezoelettrici. La tecnologia di misura piezoelettrica è stata aggiunta alla linea di produzione HBM, permettendoci di offrire sempre una  soluzione metrologica ottimale.

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