Sensori piezoelettrici: qual è quello giusto per la mia applicazione?

Il principio piezoelettrico consente una configurazione dei sensori di forza con caratteristiche diverse rispetto ai sensori basati su estensimetri.

Sensori di forza piezoelettrici

sono costituiti da strati di cristallo piezoelettrico che producono una carica quando sono sottoposti alla forza compressiva. Di norma si utilizzano due di questi strati, con un elettrodo in mezzo, che assorbe le cariche risultanti. L’alloggiamento serve anche come elettrodo. I requisiti della qualità superficiale del cristallo e dell’alloggiamento sono molto elevati e determinanti nel decidere la qualità (linearità, risposta) dei sensori di forza.

La scelta tra sensori di forza piezoelettrici e sensori basati su estensimetri dipende dall’applicazione. I sensori piezoelettrici sono da preferire soprattutto quando l’applicazione ha uno dei seguenti requisiti:

  • Spazi ridotti per l’installazione del sensore
  • Misurazione di piccole forze con carico iniziale elevato
  • Intervallo di misura ampio
  • Misurazione a temperature molto elevate
  • Stabilità estrema al sovraccarico
  • Elevato dinamismo

Quando si sceglie di usare un trasduttore piezoelettrico, rimane da decidere quale trasduttore di forza è il più adatto. Qui di seguito daremo un’occhiata ai campi di applicazione tipici e vi forniremo una guida per la selezione del sensore giusto

Thomas Kleckers, HBM

In questo articolo, Thomas Kleckers, Product Manager per i sensori di forza ad HBM, spiega come scegliere il sensore piezoelettrico più adatto in base all’applicazione.

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.

icon initial load

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.

icon wide measurement range

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.

icon high temperature

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.

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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.

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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.


“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 eseguire una taratura, ma vorrei usare comunque i sensori piezoelettrici”

La nostra raccomandazione: Sensori di forza del tipo CFT

Per queste applicazioni sono disponibili sensori già pre-sollecitati e tarati, ad esempio i sensori di forza del tipo CFT, già pronti per la misurazione. Nella consegna è compreso un registro dei test che ne specifica la sensibilità.


“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.


“Non posso usare una rondella di forza e un sensore basato su estensimetro o un trasduttore CFT richiedono 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.

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