Sensori piezoelettrici: qual è il sensore giusto per la mia applicazione?

Il principio piezoelettrico consente di progettare sensori con caratteristiche molto diverse da quelle dei sensori basati su estensimetri. I sensori di forza piezoelettrici sono costituiti da strati sottili di monocristallo che produce una carica elettrica quando è soggetto a una forza di compressione. Solitamente vengono usati due strati di questo tipo con un elettrodo inserito tra gli stessi. L’intera struttura è contenuta in un alloggiamento. La carica viene assorbita dall’elettrodo e dall’alloggiamento e viene trasmessa a un amplificatore di carica per mezzo di un cavo di carica coassiale.

 

 

Nella figura è rappresentato il layout tipico di un trasduttore di forza piezoelettrico:

 

1. Alloggiamento
2. Cristallo piezoelettrico
3. Elettrodo

 

 

 

L’efficacia dei sensori piezoelettrici dipende dalla qualità del contatto tra il cristallo e l’alloggiamento. Ciò richiede, da un lato, una lavorazione precisa del cristallo e delle superfici del componente che entrano in contatto con il cristallo e, dall’altro lato, l’uso di sensori pre-sollecitati. In pratica, per garantire un contatto affidabile si usa una pre-sollecitazione pari ad almeno il 10%, dal momento che più la pre-sollecitazione è alta, più migliorano le proprietà metrologiche. Naturalmente, la pre-sollecitazione non deve sovraccaricare né gli elementi che la provocano né il sensore.

Excursus: Che cosa determina il segnale in uscita da un sensore piezoelettrico?

L’applicazione di una forza a un cristallo piezoelettrico ha come risultato un segnale in uscita sotto forma di carica Q, misurato in pC (10-12 C). Per calcolare la carica, si usa la seguente equazione:

Q = qxy*F

dove F è la forza e qxy la costante piezoelettrica. Quest’ultima dipende dal tipo di cristallo usato e dalla direzione del cristallo in fase di carico. Il materiale usato più comunemente è il quarzo, che ha una sensibilità di 4,3 pC/N e un limite di temperatura di 200 °C. HBM usa anche il fosfato di gallio, la cui sensibilità è circa il doppio di quella del quarzo (circa 8 pC/N). Il suo limite di temperatura è di 850 °C, ma non può essere sfruttato completamente con i trasduttori di forza, poiché essi hanno un limite di 300 °C dovuto alle sollecitazioni termiche.

I trasduttori piezoelettrici offrono molti vantaggi, ma lo stesso vale anche per i sensori basati su estensimetri. Come faccio a decidere quale sensore usare?

La scelta di usare sensori di forza piezoelettrici o sensori basati su estensimetri dipende dall’applicazione. I sensori piezoelettrici sono preferibili, in particolare, quando l’applicazione presenta i seguenti requisiti:

  • Spazio limitato per l’installazione del sensore
  • Misurazione di forze ridotte con carico iniziale elevato
  • Intervallo di misurazione ampio
  • Misurazione a temperature estremamente elevate (fino a 300 °C)
  • Stabilità estrema al sovraccarico
  • Dinamicità elevata

Anche i sensori basati su estensimetri, però, offrono alcuni vantaggi rispetto ai sensori di forza piezometrici: ad esempio, consentono di misurare la forza di trazione e spesso sono più economici. Inoltre, offrono precisione, misurazione non soggetta a deriva e taratura statica migliori. Per le misurazioni di riferimento, non esiste alternativa alla tecnologia di misurazione con estensimetri. 

In ogni caso, vi suggeriamo di verificare quali trasduttori rispondono nel modo migliore e più economico ai requisiti della misurazione da eseguire. Una volta deciso di utilizzare un sensore piezoelettrico, bisogna scegliere il trasduttore di forza giusto. Qui di seguito, analizzeremo nel dettaglio i campi di applicazione tipici per aiutarvi a compiere la scelta giusta.

Condizioni dell’applicazione che suggeriscono quali sensori piezoelettrici usare:

1. Spazi ridotti per l’installazione del sensore

I sensori di forza piezoelettrici possono essere molto compatti — ad es. quelli della serie CLP con altezze tra 3 e 5 mm (a seconda della capacità delle rondelle di forza). Questi sensori sono quindi perfetti per l’integrazione con le strutture esistenti. I sensori hanno un cavo integrato, in quanto non possono avere spine, vista la loro ridotta altezza. I sensori sono disponibili con filetti di qualsiasi formato da M3 a M14. L’altezza ridotta della costruzione richiede che la forza sulla superficie del sensore sia distribuita nel modo più uniforme possibile.

2. Misurazione delle piccole forze con carico iniziale elevato

I sensori piezoelettrici producono una carica elettrica quando si applica la forza. Tuttavia, il sensore è sottoposto a forze che vanno oltre la misurazione di forza effettiva, ad esempio durante l’installazione. La carica risultante può essere cortocircuitata, il che imposta il segnale sull’amplificatore di carica a zero. Ciò consente di regolare l’intervallo di misura in linea con l’effettiva forza da misurare. È dunque garantita un’elevata risoluzione di misurazione, anche se il rapporto del carico iniziale rispetto alla forza da misurare è estremamente svantaggioso. Gli amplificatori di misura più avanzati, come il CMD600 consentono di effettuare misurazioni praticamente continue dell’intervallo di misura, quindi supportano queste applicazioni.

3. Intervallo di misura ampio

I trasduttori di forza piezoelettrici dimostrano i loro punti di forza anche nei processi a fasi multiple. Immaginando un processo di pressatura a più fasi, prima si applicano forze elevate nell’effettivo processo di pressatura. La catena di misura piezoelettrica viene regolata di conseguenza. La seconda fase implica il tracciamento della forza, ovvero la misurazione delle variazioni di forza minori. Anche in questo esempio approfittiamo della funzione speciale dei sensori piezoelettrici, che comporta l’eliminazione fisica del segnale all’ingresso dell’amplificatore di carica. L’impulso dell’amplificatore di carica è nuovamente azzerato e l’intervallo di misura può essere regolato per garantire una risoluzione elevata.

4. Temperature eccezionalmente elevate

Alcune applicazioni richiedono la misurazione della forza a temperature altissime. In queste applicazioni, i trasduttori di forza basati su estensimetri raggiungono i loro limiti fisici. Le rondelle di forza piezoelettriche della serie CHW, tuttavia, sono state progettate appositamente per queste applicazioni e possono essere usate per misurazioni fino a 300 °C.

5. Stabilità estrema al sovraccarico

Tutti i sensori piezoelettrici, con poche eccezioni, hanno la stessa sensibilità. Ciò significa che il segnale di uscita di un sensore di forza con capacità 20 kN ad una determinata forza equivale al segnale di uscita di un sensore con capacità di 700 kN. Pertanto, in termini di risoluzione e precisione, non è importante quale dei due sensori sia utilizzato. La catena di misura può essere impostata per la forza massima, ma può continuare a misurare le forze di piccola entità.

6. Elevato dinamismo

I sensori piezoelettrici hanno uno spostamento minimo, quindi hanno un’elevata rigidità — questo li rende perfetti per l’uso in applicazioni dinamiche. Ad ogni modo l’intera catena di misura incide sulle proprietà dinamiche. Anche la rigidità dei collegamenti e dell’elettronica deve essere considerata. Le catene di misura piezoelettriche in generale sono perfette per la misurazione altamente dinamica delle piccole forze. I trasduttori di forza basati su estensimetri, invece sono la scelta migliore per la misurazione dinamica di grandi forze.

Qual è il sensore giusto?

Se nella vostra applicazione è presente uno degli aspetti delineati sopra, allora avete bisogno di un trasduttore piezoelettrico per la misurazione della forza. Qual è il sensore giusto? Qui troverete una guida alla scelta che abbiamo redatto sulla base dei tipici casi di utilizzo.

Excursus: taratura di una catena di misurazione della forza. Il sensore di riferimento.

Suggeriamo di avere ben chiari i requisiti a cui deve rispondere il sensore, prima di investire in un sensore di forza da utilizzare come riferimento per la taratura di catene di misura della forza. Un requisito generale è che un trasduttore di forza usato per questo scopo sia riconducibile a una norma, ovvero che sia stato tarato in un laboratorio accreditato EN ISO/IEC 17025. Questi laboratori sono in grado di dimostrare la riconducibilità al proprio istituto di metrologia nazionale (Physikalisch Technische Bundesanstalt, in Germania, ad esempio) e sono soggetti a linee guida verificabili relativamente ai metodi utilizzati e alla formazione del personale.

Il video porta l’esempio della rondella di forza CFW per mostrare in che modo deve essere tarata una catena di misurazione della forza piezoelettrica.

Insieme ai trasduttori adatti, HBM offre anche i servizi di taratura.

Guida alla scelta dei sensori piezoelettrici

“Le rondelle di forza piezoelettriche sono molto diffuse. Posso usarle anche nella mia applicazione?”

La maggior parte degli utenti preferiscono le rondelle di forza perché possono essere integrate nell’oggetto o macchinario di misura senza necessità di effettuare modifiche meccaniche sostanziali. Tuttavia, questi sensori richiedono un montaggio senza pre-sollecitazione, ad esempio tramite l’applicazione di un carico iniziale per mezzo di viti o set di pre-sollecitazione al fine di evitare danni e garantire una stabilità adeguata del momento flettente. Si raccomanda di assicurarsi di rispettare la capacità di carico per evitare di sovraccaricare il sensore o l’elemento di pre-sollecitazione (vite). È inoltre necessario procedere alla taratura, poiché l’installazione del sensore è un fattore decisivo per la sensibilità del punto di misura. Ciò significa che, dopo il montaggio, è necessario definire la sensibilità del punto di misura tramite taratura per fare in modo che la forza sia misurata in Newton.


“Non posso procedere alla taratura, ma vorrei comunque utilizzare i sensori piezoelettrici.”

Il nostro consiglio: Sensori di forza di tipo CFT+

I sensori di forza di tipo CFT+ sono già stati pre-sollecitati e tarati in fabbrica. Il collegamento meccanico viene effettuato tramite flange. In linea con l’intervallo di misura molto ampio, la sensibilità dei sensori di forza viene indicata in tre intervalli di misura: forza/capacità nominale, 10% della capacità e uno per cento della capacità.

Il tipo CFT+/25KN è una versione speciale che impiega il fosfato di gallio. Questa versione del sensore raggiunge una sensibilità doppia di quella del quarzo ed è adatta in particolar modo alla misurazione di forze estremamente ridotte.

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“Le rondelle di forza piezoelettriche sono ampiamente utilizzate. Posso usare un sensore di questo tipo anche nella mia applicazione?”

La maggior parte degli utenti preferiscono le rondelle di forza piezoelettriche perché possono essere integrate nell’oggetto da misurare o nel macchinario senza dover effettuare modifiche meccaniche di grande entità. Tuttavia, questi sensori richiedono sempre un montaggio con pre-sollecitazione, ovvero l’applicazione di un carico iniziale con viti o set di pre-sollecitazione per evitare danni e garantire una stabilità sufficiente del momento flettente. Inoltre è necessaria la taratura, perché anche l’installazione del sensore è decisiva per la sensibilità del punto di misura. Ciò significa che, dopo il montaggio, la sensibilità del punto di misura deve essere determinata dalla taratura per garantire risultati di alta qualità.


“Non posso procedere alla taratura e la mia applicazione presenta limiti di spazio.”

Il nostro consiglio: Sensori di forza di tipo CFT

Come i CFT+, i sensori di forza CFT sono già stati pre-sollecitati e tarati e possono quindi essere utilizzati senza taratura previa. Sono montati con collegamenti a filo e hanno collegamenti meccanici standard.

I sensori di tipo CFT sono piccoli e usano anch’essi il fosfato di gallio. Sono la soluzione ideale per le applicazioni con forze di pochi Newton, come ad esempio i test su componenti in miniatura.


“Vorrei un sensore facile da integrare; la mia applicazione richiede però un collegamento a spina”/ “Potrebbero verificarsi carichi puntuali”/ “Devo tenere conto di forze altissime”

Il nostro consiglio:Rondelle di forza compatte della serie CFW

L’altezza di costruzione delle rondelle di forza CFW è relativamente elevata, il che significa che è presente più materiale tra la parte di applicazione della forza e l’elemento di misura. CFW/700 KN è la rondella di forza più grande della serie, con un diametro interno di 36 mm. Di conseguenza, è meno soggetto a condizioni di montaggio sfavorevoli. Le rondelle di forza della serie CFW sono dotate di collegamento a spina, quindi sono molto flessibili. È possibile collegare diversi cavi, come il robusto cavo di carica KAB145, che è dotato di un collegamento con l’alloggiamento del sensore con guarnizione O-ring. È l’ideale per gli ambienti più ostili!


“Devo misurare la forza a temperature elevatissime”

La nostra raccomandazione:Rondelle di forza della serie PACEline CHW

Le rondelle di forza della serie CHW sono state progettate per l’uso a temperature altissime. Il modello CHW-2 può essere usato a temperature fino a 200 °C, CHW-3 fino a 300 °C. Anche queste rondelle di forza devono essere tarate. La loro sensibilità alla bassa temperatura consente una taratura a temperatura ambiente.


“Nella mia applicazione lo spazio disponibile è ridotto, quindi l’altezza è un fattore decisivo"

Il nostro consiglio: Rondelle di forza in miniatura CLP

La serie CLP è perfetta per queste applicazioni, perché l’altezza dei sensori è di soli 3 - 5 mm, a seconda delle dimensioni della rondella di forza. Inoltre, i sensori hanno un cavo integrato, in quanto non possono avere spine, vista la loro altezza ridotta. I sensori sono disponibili con filetti di qualsiasi formato da M3 a M14. L’altezza ridotta della costruzione richiede che la forza sulla superficie del sensore sia distribuita nel modo più uniforme possibile.


È necessario misurare le forze di taglio?

Il nostro consiglio: Rondelle di forza in  miniatura CSW per forze di taglio

Le rondelle di forza CSW misurano forze applicate in parallelo alla rondella di forza. I sensori hanno le stesse dimensioni compatte di quelli della serie CLP. Le rondelle di forza in miniatura devono essere tarate per poter determinare risultati di tipo quantitativo.

Nota importante: Usando un sensore CLP e un sensore CSW è possibile realizzare facilmente un sensore di forza a due componenti. Le applicazioni tipiche di un sensore di questo tipo includono il monitoraggio dei macchinari nei processi di fresatura e tornitura.


“Non posso usare una rondella di forza e un sensore basato su estensimetro richiede comunque troppo spazio”

Il sensore giusto:Trasduttori di deformazione piezoelettrici della serie CST

I trasduttori di deformazione della serie CST sono molto piccoli e possono essere fissati con una vite. Funzionano sulla base del seguente principio: quando si applica una forza alla struttura, ne consegue una deformazione, che spesso è proporzionale alla forza applicata. Il sensore misura la deformazione. CST può essere montato, ad esempio, su pistole di saldatura o utensili di pressatura. Misura con affidabilità la deformazione in questi componenti. Anche questi trasduttori vanno tarati. I trasduttori di deformazione CST hanno una sensibilità altissima, quindi possono anche essere usati con strutture molto rigide. La precisione di misura dipende in particolare dal materiale su cui è montato il sensore.


Autore: Thomas Kleckers

Product Manager per i sensori di forza in HBM

Per ulteriori articoli tecnici sulla misurazione della forza, si rimanda a Forza: consigli e suggerimenti

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