Trasduttori di forza basati su estensimetri

Metodi di funzionamento

Per spiegare come funziona un trasduttore di forza, è necessario innanzitutto spiegare come funziona un estensimetro, dal momento che la maggior parte dei trasduttori di forza impiega degli estensimetri.

 

Passiamo per un attimo ad analizzare gli estensimetri: si tratta di conduttori elettrici ancorati a una pellicola in un motivo a griglia. Quando la pellicola viene tirata, si allunga e con essa anche i conduttori. Quando si contrae, si accorcia. Ciò provoca un cambiamento nella resistenza dei conduttori elettrici, sulla base della quale è possibile determinare la tensione, in quanto la resistenza aumenta all’aumentare della tensione e diminuisce quando avviene una contrazione.

Per realizzare un trasduttore di forza, oltre agli estensimetri, è necessario anche disporre di un elemento a molla, ad esempio realizzato in acciaio. L’estensimetro (ossia una serie di conduttori elettrici su pellicola) è collegato in maniera sicura all’elemento a molla.

L’elemento a molla più semplice da immaginare è un cilindro in acciaio che si allunga o si contrae sotto l’effetto di una forza. Le altre forze, come quelle laterali, possono essere ignorate in questa sede. La forza che agisce sull’acciaio produce una sollecitazione meccanica nel materiale che provoca tensione. Tensione significa anche contrazione, poiché da un punto di vista fisico si tratta di tensione negativa.

In questo articolo, Thomas Kleckers, Product Manager dei Sensori di Forza in HBM, spiega come funziona un trasduttore di forza.

"Quando vengono tirati, i materiali non solo si allungano, ma diventano anche più sottili. Il coefficiente di Poisson indica il coefficiente di tensione trasversale in rapporto alla tensione assiale. Possiamo paragonare questo fenomeno a un elastico di gomma, che diventa sempre più sottile mano a mano che si allunga." – Thomas Kleckers

Se un estensimetro si contrae, la sua resistenza elettrica (Ω) diminuisce, se viene tirato, la resistenza aumenta.
Se un estensimetro si contrae, la sua resistenza elettrica (Ω) diminuisce, se viene tirato, la resistenza aumenta.
Il grafico illustra come appare un circuito a ponte di Wheatstone: nell’immagine si vedono quattro estensimetri collegati “ad anello”.

Se il cilindro in acciaio si contrae, non solo si accorcia, ma diventa anche più spesso. Quando lo si tira per tutta la sua lunghezza, diventa un po’ più sottile. L’aumento o la diminuzione del suo spessore dipendono dalla massa di base dell’acciaio. È evidente che se il corpo in acciaio è molto spesso, per contrarlo fino a una dimensione prefissata sono necessarie forze maggiori rispetto a quelle necessarie per un corpo più sottile. Questo fattore deve essere tenuto in considerazione nella costruzione di trasduttori di forza per scopi diversi: con forze nominali più basse si utilizzano trasduttori di dimensioni minori, mentre per forze nominali più alte si utilizzano trasduttori di dimensioni maggiori. In questo caso la forza nominale determina il carico massimo desiderato del sensore.

Torniamo ora all’estensimetro. Un trasduttore di forza contiene in genere quattro estensimetri, collegati in un “anello” all’interno di un circuito a ponte di Wheatstone. In questo articolo non entreremo nel dettaglio della spiegazione relativa (per saperne di più, si rimanda al testo di riferimento "Introduzione all’analisi delle sollecitazioni e alla progettazione di trasduttori con estensimetri"). È molto importante che gli estensimetri siano fissati in maniera salda all’acciaio del trasduttore e che siano quindi sottoposti alle sue stesse deformazioni. Quando l’acciaio subisce una deformazione, la resistenza dell’estensimetro varia, come descritto in precedenza. Il segnale in uscita dal ponte, quindi, fornisce informazioni relative all’entità della deformazione che permettono di calcolare la forza che agisce sull’estensimetro. Ecco quindi spiegato il funzionamento del trasduttore di forza.

Da un punto di vista matematico, è interessante notare che il trasduttore di forza funziona solamente secondo il principio delle relazioni lineari. La forza è quindi proporzionale alla sollecitazione meccanica (σ=sigma minuscolo), σ è proporzionale alla tensione. La variazione relativa della resistenza dipende proporzionalmente dalla tensione. Infine, il segnale in uscita dal ponte di Wheatstone è direttamente proporzionale alla variazione relativa della resistenza dell’estensimetro.

Qual è la differenza effettiva tra un trasduttore di forza e una cella di carico?

In principio, sembrano essere molto simili: la cella di carico misura la massa o il peso e il trasduttore di forza misura la forza (N or Newton). Sono dunque praticamente interscambiabili? Basta inserire 100 grammi di peso per ogni Newton e il trasduttore di forza diventa una cella di carico!

La realtà non è però così semplice.

Differenza 1:

La cella di carico misura la massa e solamente in un’unica direzione, dato che la massa è sempre maggiore di 0. Se si mette un contenitore su una cella di carico, questo non potrà sollevarsi improvvisamente e produrre un peso negativo. Il trasduttore di forza, invece, misura forze positive e negative e forze di trazione e di compressione.

Differenza 2:

La cella di carico viene costruita e installata presso la sede dell’utente e successivamente tarata in sito. I trasduttori di forza vengono tarati in fabbrica immediatamente al momento della produzione e devono sempre effettuare le stesse misure, anche nel caso in cui vengano rimossi e reinstallati più volte. Il trasduttore di forza presenta quindi una costruzione più robusta rispetto alla maggior parte delle celle di carico, poiché deve garantire la riproducibilità dei valori misurati anche al variare delle condizioni.

Differenza 3:

La cella di carico deve soddisfare determinati requisiti legali, relativi, ad esempio alla capacità approvata per il commercio. Il trasduttore di forza è conforme a diversi regolamenti e norme, come VDI 2635 o ISO 376. A differenza di quanto avviene per la cella di carico, ad esempio, la riproducibilità di cui sopra costituisce un fattore importante.

Trasduttore di forza U10M
Cella di carico a trave in flessione Z6

Campi di applicazione

"Per quanto sia difficile da immaginare, i trasduttori di forza sono utilizzati praticamente in tutti i campi. Personalmente, sono rimasto particolarmente colpito da un utilizzo su banco di prova in cui la forza veniva misurata attraverso un traferro. In altre parole, la misurazione veniva effettuata anche se il trasduttore di forza non toccava la piattaforma. Ancora oggi trovo incredibile che funzioni" – Thomas Kleckers

Per finire, diamo un’occhiata ad alcuni campi in cui vengono utilizzati i trasduttori di forza.

  • Test su oggetti che verificano quanta forza agisce su di essi. Esempio: l’impatto sul casco per motocicletta in caso di incidente.
  • Misurazioni di riferimento, utilizzate per effettuare confronti a livello nazionale e internazionale tra i valori misurati. Gli istituti di metrologia di tutto il mondo, ad esempio, utilizzano speciali trasduttori di forza di precisione per effettuare le prove sui sistemi. Questi istituti forniscono in seguito valori di riferimento validi per l’economia nazionale e internazionale.
  • Sui banchi prova, i trasduttori di forza spesso garantiscono che un determinato carico di materiale venga controllato in maniera precisa: ad esempio, quando l’ala di un aeromobile viene spinta avanti e indietro con l’aiuto di una macchina per simulare condizioni di volo reali.
  • Le macchine e i sistemi industriali necessitano dei trasduttori di forza per misurare le forze, ad esempio all’interno di presse, linee di assemblaggio o per test di fine linea. Esempio: con quanta forza deve essere premuto il tappino di una penna per restare fermo?
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