Piezoelectric sensors: Which sensor is the right one for my application?

The piezoelectric principle enables force sensors to be designed which have distinctly different characteristics than sensors based on strain gauges. Piezoelectric force sensors consist of slices of monocrystalline crystal that creates an electric charge when subjected to a compressive force. In general, two such slices are used, with an electrode inserted in between. The entire structure is enclosed in a housing. The charge is absorbed by the electrode and the housing and is transmitted to a charge amplifier by a coaxial charge cable.

 

 

The figure shows the typical layout of a piezoelectric force transducer:

 

1. Housing
2. Piezoelectric crystal
3. Electrode

 

 

 

Piezoelectric sensors are dependent on good contact between the crystal and the housing. This requires, on the one hand, precise processing of the crystal and component surfaces that come into contact with the crystal, and, on the other hand, the use of pre-stressed sensors. In practice, at least 10 % pre-stress is used to ensure reliable contact – higher pre-stress enhances the metrological properties. The pre-stress must, of course, not overload neither the pre-stressing elements nor the sensor.

Excursus: What determines a piezoelectric sensor’s output signal?

Applying a force to a piezoelectric crystal results in an output signal in the form of a charge Q, measured in pC (10-12 C). The charge can be calculated using the equation:

Q = qxy*F

Where F is the force and qxy the piezoelectric constant. The latter depends on the type of crystal used and the crystal direction that is being loaded. The most commonly used material is quartz, with a sensitivity of 4.3 pC/N and the temperature limit of 200 °C. HBM uses gallium phosphate as well. Its sensitivity is about twice as high as that of quartz (approximately 8 pC/N). Its temperature limit is 850 °C, which, however, cannot be fully utilized with force transducers, since these have a limit of 300 °C due to thermal stress.

Piezoelectric transducers offer many advantages, strain gauge-based sensors too. How do I decide which sensor to use?

The decision of whether to use piezoelectric force sensors or sensors based on strain gauges depends on the application. Piezoelectric sensors are preferable, particularly when the application has one of the following requirements:

  • Confined space for sensor installation
  • Measurement of small forces with a high initial load
  • Wide measuring range
  • Measurement at extraordinarily high temperatures (up to 300 °C)
  • Extreme overload stability
  • High dynamics

Strain gauge-based sensors, too, offer advantages over piezoelectric force sensors; for instance, they enable tensile force to be measured and often are more economical. In addition, they provide better accuracy, drift-free measurement, and static calibration. When it comes to reference measurements, there is no alternative to strain gauge measurement technology. 

We recommend checking, in any case, which transducer meets the requirements of the measuring task at hand in the best and most cost-effective way. When the decision to use a piezoelectric sensor has been made, there remains the question of which force transducer is the right one. In the following, we will take a closer look at the typical fields of application to enable you to make the right choice.

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: Calibrating a piezoelectric force measurement chain – the reference sensor

We recommend clarifying the requirements to be met by the sensor, before investing in a force sensor that is to be used as a reference for calibrating force measurement chains. A general requirement is that such a force transducer is traceable to a national standard. This means that the reference force transducer must have been calibrated in a DIN EN ISO/IEC 17025 accredited laboratory. These laboratories can prove traceability to the respective national metrology institute (Physikalisch Technische Bundesanstalt, in Germany) and are subject to verifiable guidelines on the methods used and the training of staff.

The video uses the example of the CFW force washer to show how a piezoelectric force measurement chain should be calibrated.

Alongside the suitable transducers, HBM also offers calibration services.

Selection guide for piezoelectric sensors

“Piezoelectric force washers are widely used. Can I use such a sensor in my application as well?”

Most users prefer piezoelectric force washers because they can be integrated with the measurement object or machinery without having to make major mechanical changes. However, these sensors always require mounting with pre-stressing, i.e. an initial load to be applied using screws or pre-stressing sets to prevent damage and ensure sufficient bending moment stability. Please make sure to observe the load-carrying capacity to avoid overloading the sensor or the pre-stressing element (screw). Moreover, calibration is required, since the sensor installation is a decisive factor for the measuring point’s sensitivity. This means that, after mounting, the sensitivity of the measuring point needs to be determined by calibration to enable the force to be measured in Newtons.


“I cannot perform a calibration; however, I would like to use piezoelectric sensors.”

Our recommendation: Type CFT+ force sensors

CFT+ sensors have already been pre-stressed and calibrated at the factory. The mechanical connection is made by flanges. In line with the large measuring range, the force sensors’ sensitivity is specified in three measuring ranges: At nominal (rated) force/capacity, at 10 % of its capacity, and at one percent of its capacity.

The CFT+/25KN is a special version that uses gallium phosphate. This sensor version achieves twice the sensitivity (compared to quartz) and is especially suitable for measuring extremely small forces.

 

“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.


“I cannot calibrate, and space is a constraint in my application.”

Our recommendation: Type CFT force sensors

Like the CFT+, the CFT force sensors have been pre-stressed and calibrated, which makes them ready to use without prior calibration. They are mounted via thread connections and have standard mechanical connections.

Type CFT sensors are small and use gallium phosphate as well. They are ideal for applications in the range of a few Newtons such as the testing of miniature components.


“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.


Do you need to measure shear forces?

Our tip: CSW miniature force washers for shear forces

The CSW force washers measure forces that are applied in parallel to the force washer. The sensors have the same compact dimensions as the CLP series. The miniature force washers need to be calibrated to enable quantitative results to be determined.

Please note: A two-component force sensor can easily be built up using a CLP and a CSW sensor. Typical applications include machine monitoring in milling or turning processes.


“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.


Author: Thomas Kleckers

Product Manager for force sensors at HBM

More technical articles on force measurement can be found in our Force Tips & Tricks

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