Sotto l''azione di una forza, i sensori piezoelettrici generano una carica elettrica. Il diagramma soprastante ne illustra il principio di funzionamento.
Le cariche generate sono proporzionali alla forza applicata. L'unità di misura della carica è il pC (10-12 Coulomb o picoCoulomb, che equivale a 3,12 * 10-6 cariche elementari).
I trasduttori che utilizzano il quarzo come materiale sensore piezoelettrico, hanno una sensibilità di circa 4,3 pC/N. Ciò significa che applicando una forza di 1 Newton al sensore, viene prodotta una carica di 4,3 pC. Alcuni sensori usano il fosfato di gallio quale cristallo piezoelettrico e ciò consente di ottenere una sensibilità doppia, cioè doppia carica a parità di forza. Le cariche vengono inviate ad un amplificatore di carica, che le converte in un segnale normalizzato di 0...10 V.
Il vantaggio di questa tecnologia è che, presumendo lo stesso materiale, la sensibilità del sensore rimane la stessa indipendentemente dal campo nominale della forza: si può perciò utilizzare un sensore di alta portata anche per misurare forze molto piccole. Un'altra ragione per preferire questa tecnologia è che le cariche possono essere portate fisicamente a zero. Quando il sensore è sotto carico (nel nostro esempio il precarico), è sufficiente cortocircuitarlo per ottenere 0 pC all'ingresso dell'amplificatore.
In tale situazione. si può aumentare il guadagno dell'amplificatore di carica per far corrispondere il campo di misura alla forza da misurare. L'entità del precarico non è rilevante. Che il sensore operi con forte carico iniziale o del tutto senza precarico, non influisce in alcun modo sulla risoluzione e sull'accuratezza di misura. È sempre possibile portare a zero l'ingresso dell'amplificatore di carica usando la funzione RESET.
Sensore piezoelettrico soggetto a carico iniziale: dopo aver applicato il precarico, la catena di misura viene azzerata mediante un reset. Ora l'amplificatore di carica può operare con un campo di misura perfettamente aggiustato (minore).
Esempio:
Rondella di forza installata sotto la testa di un bullone. Si vuole misurare la forza di trazione agente sulla connessione a vite. Innanzi tutto applicare la forza di precarico, che può essere determinata misurandola con la stessa rondella di forza. Il bilanciamento a zero si effettua azionando il RESET dell'amplificatore di carica. All'ingresso non appare nessun cambiamento. Ora si può impostare l'amplificatore di carica su qualsiasi campo di misura. Infine si possono misurare in modo affidabile anche le forze più piccole.
Notare che:
- la misurazione risulta particolarmente semplice con l'impiego dei moderni amplificatori digitali di carica come il CMD600, i quali consentono di selezionare qualsiasi campo di misura,
- l'esempio descritto mostra la misurazione in una derivazione (shunt) di forza. Prima di poter misurare le forze in modo quantitivo, questo tipo d'installazione richiede la taratura. Per ulteriori informazioni, leggere l'articolo 'Installazione dei trasduttori di forza',
- i sensori piezoelettrici sono sempre soggetti ad una deriva, quindi è necessario riportarli ciclicamente a zero con l'impiego di un filtro passa-alto. Se nessuna di queste due opzioni è possibile o disponibile, si devono forzatamente usare sensori basati sugli estensimetri.