Trasduttori di forza piezoelettrici: un principio semplice per infinite possibilità

Esistono diversi tipi di trasduttori di forza, noti anche come sensori di forza. I modelli più comuni sono basati sugli estensimetri, che abbiamo già descritto qui. Questo articolo descrive un’altra tecnologia utilizzata per misurare le forze: i trasduttori di forza piezoelettrici. Per la stesura di questo articolo, ci siamo rivolti a Thomas Kleckers che ci ha gentilmente spiegato come funzionano i sensori piezoelettrici. Kleckers è un Product Manager nel settore dei trasduttori di HBM e possiede una laurea in ingegneria fisica. Non c’è da stupirsi, quindi, se apprezza in particolar modo il principio alla base dei trasduttori piezoelettrici. Come ci ha detto, essi impiegano "un principio semplice per infinite possibilità."

Il cristallo piezoelettrico

Per capire come funziona un trasduttore di forza piezoelettrico, dobbiamo prima di tutto guardare al suo interno, dove troveremo sempre un cristallo piezoelettrico, come il quarzo, nel cuore del sensore. I materiali piezoelettrici sono materiali che producono una carica elettrica sotto l’effetto di sollecitazioni meccaniche. Il principio è veramente semplice: la carica elettrica ottenuta è proporzionale alla sollecitazione meccanica applicata. Un amplificatore di carica può convertire questa carica in un segnale 0…10 V facile da misurare. Alla fine, la tensione in uscita è proporzionale alla sollecitazione meccanica.

Design e metodo di funzionamento dei trasduttori di forza piezoelettrici

Il rapporto tra la sollecitazione meccanica applicata al cristallo e la variazione della carica è direttamente proporzionale. In altre parole, maggiore è la sollecitazione, maggiore è la carica. Questo principio viene sfruttato nella tecnologia di misura della forza piezoelettrica; tuttavia, perché il cristallo diventi un trasduttore, questo principio da solo non basta. "Il segnale in uscita non dipende dalle dimensioni del sensore, e questo è un grande vantaggio", afferma Thomas Kleckers.

Di norma, un sensore contiene due elementi cristallini; tra questi cristalli viene posizionato un elettrodo che raccoglie la carica presente sui lati dei cristalli rivolti verso l’interno. L’elettrodo è collegato all’amplificatore di carica tramite un cavo. Inoltre, i dischi di cristallo sono posizionati in un alloggiamento metallico che, oltre a proteggere i cristalli, fornisce anche un secondo punto di contatto con gli stessi, dal momento che è collegato all’amplificatore di carica tramite la schermatura del cavo.

"È fondamentale garantire un ottimo contatto tra i cristalli e l’elettrodo e tra i cristalli e l’alloggiamento. Per questo, le superfici dei materiali devono essere di alta qualità, precise e omogenee, e presentare una ruvidità difficilmente misurabile. Solo con un ottimo contatto tra le superfici è possibile ottenere un buon trasferimento della carica elettrica." Thomas Kleckers

Proprietà dei sensori piezoelettrici

La caratteristica peculiare dei trasduttori di forza piezoelettrici è quella di coprire intervalli di misura molto ampi. In altre parole, è possibile usare lo stesso sensore per misurare forze molto piccole o molto grandi. I trasduttori di forza piezoelettrici sono quindi molto flessibili e disponibili anche in dimensioni molto ridotte, con spessori di pochi millimetri. La deformazione sotto carico è trascurabile, grazie alla loro elevata rigidezza. Di conseguenza, il sensore ha un’influenza estremamente ridotta sulla struttura nella quale è integrato.

D’altro canto, però, i trasduttori tendono alla deviazione: "La carica trova sempre un modo per equilibrarsi," afferma Thomas Kleckers. Per questo motivo, la differenza di carica richiesta per la misurazione non può essere mantenuta per un tempo indefinito. Si può verosimilmente presumere che si verifichi una deviazione massima di 10 N/min. Una volta che la catena di misura è stata rodata, questo dato si riduce notevolmente durante il normale funzionamento, rimanendo tuttavia invariato indipendentemente dalla forza misurata. Ciò significa che la deviazione ha un impatto maggiore quando si misurano forze piccole sul lungo periodo rispetto a quando si misurano forze grandi o i tempi di misurazione sono brevi.

Applicazioni dei sensori di forza piezoelettrici

I trasduttori di forza piezoelettrici possono essere pre-sollecitati o meno, a seconda dell’applicazione a cui sono destinati. I sensori pre-sollecitati sono tarati e possono essere utilizzati immediatamente dopo essere stati installati. Le rondelle di forza invece devono essere pre-sollecitate durante l’assemblaggio. Di solito questa operazione viene eseguita per mezzo di viti o perni di carico, in modo da fornire il miglior contatto possibile tra le superfici in materiali diversi e consentendo quindi il trasferimento della carica. Tuttavia, questi componenti aggiuntivi possono alterare la sensibilità del punto di misura che deve quindi essere regolato, o tarato, dopo il processo di pre-sollecitazione.

"I sensori piezoelettrici piccoli, in particolare, vengono spesso aggiornati nei sistemi esistenti. Le dimensioni in genere non causano problemi, ma la taratura diventa indispensabile." Thomas Kleckers

È importante assicurarsi che il trasduttore fornisca risultati corretti dal punto di vista quantitativo nel suo ambiente di installazione specifico e in tutte le condizioni ambientali prevalenti. I trasduttori di forza piezoelettrici risultano essere particolarmente utili nei processi ciclici, come spiega Thomas Kleckers. Un esempio è quello di due componenti collegati con una forza definita, come nel caso della rivettatura. Il trasduttore e l’amplificatore di carica misurano la forza caratteristica del processo di rivettatura, consentendo un controllo di qualità estremamente efficace. Al termine della misurazione, viene avviato il reset e il trasduttore viene azzerato. Poi si passa al rivetto successivo. La deviazione non ha alcuna influenza sul risultato, poiché i tempi di misurazione sono brevi. Thomas Kleckers ci spiega che secondo lui questo utilizzo nelle presse è molto interessante. "Una pressa opera con una forza di 50 tonnellate, ossia 500 kilonewton. Mano a mano che il processo si stabilizza, è necessario effettuare alcune piccole messe a punto. Parliamo di circa 100 newton. Il RESET viene effettuato tra la prima e la seconda fase, in modo tale che nella seconda fase sia possibile misurare la forza ad alta risoluzione. In questo modo, si sfrutta appieno l’ampio intervallo di misura dei trasduttori di forza piezoelettrici."

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