5 regras para instalação e montagem de sensores de força piezoelétricos

Sensores de força piezoelétricos oferecem inúmeras vantagens para aplicações em ambientes industriais:

  • Sensores piezoelétricos são compactos;
  • Cadeias de medição piezoelétricas, quando devidamente dispostas, oferecem capacidade extremamente alta de sobrecarga e mínimo deslocamento;
  • Isso resulta em alta rigidez e, portanto, excelentes propriedades dinâmicas.

1 - É necessário uma esforço inicial?

A HBM possui dois modelos diferentes de sensor de força piezoelétrico disponível:

Os anéis de força CFW e os sensores de força CFT.

Os sensores de força CFT são calibrados e entregues com certificados de teste. Como estes sensores de força já são pré-tensionados internamente, são adequados para uso imediato. Uma nova calibração da cadeia de medição não é necessária.

Os anéis de força CFW são mais planos no design e não são pré-tensionados. O pré-tensionamento é necessário durante a montagem.

Estes sensores devem ser calibrados quando estiverem em uma condição de montagem.

O pré-tensionamento do anel de força é necessário para garantir a linearidade e a durabilidade estrutural do sensor.

Este pré-tensionamento significa que outro elemento mecânico está montado em paralelo ao sensor de força.Piezo force transducer

Recomendamos que o anel de força seja pré-tensionado em, pelo menos, 10% de sua força nominal. O próprio anel de força pode ser usado para determinar o esforço inicial.

Uma parte da força medida é agora derivada através do elemento de pré-tensionamento. O pré-esforço e o shunt de força são determinados pela condição de instalação. Por conseguinte, é necessário calibrar os anéis de força após terminar a montagem, isto é, para comparar o sinal de saída do sensor com uma força conhecida. A precisão dos resultados de medição depende aqui, principalmente, da precisão da calibração.

2 - Aumente a qualidade de seu sinal de saída

A saída de carga por um sensor piezoelétrico é convertida em uma tensão diretamente proporcional por meio de um amplificador de carga.

Sensores piezoelétricos são adequados para medições dinâmicas, isto é, não relacionadas ao ponto zero. O desvio gerado pelas cadeias de medição piezoelétricas é tao baixo que não afeta a precisão, mesmo com altas exigências.

Block diagramm of a charge amplifier
Diagrama de blocos de um amplificador de carga

O desvio é um efeito do amplificador de carga. Os próprios sensores não apresentam desvio se a montagem e a conexão são feitas corretamente. O desvio máximo de uma cadeia de medição é de 0,1pC/s ou 25mN/s se o quartzo é usado como material do sensor e de 13mN/s para sensores com material de fosfato de gálio.

Para se atingir o menor desvio, observe os dois pontos a seguir:

1 - Comportamento de funcionamento do amplificador de carga

O amplificador de carga deve funcionar, pelo menos, uma hora antes do início das medições.

2 - Limpeza das conexões 

Se a resistência de isolamento do cabo entre o sensor e o amplificador de carga é muito pequena, a cadeia de medição irá desviar como a carga irá descarregar através da baixa resistência de isolamento. A fim de manter a cadeia de medição piezoelétrica com baixo desvio, todos os conectores e tomadas devem ser mantidos limpos em todos os momentos.

Certifique-se de não tocar em superfícies de contato abertas com as mãos, pois isso reduz a resistência de isolamento necessária.

Também recomendamos que as capas de proteção (inclusas no escopo de fornecimento) sejam deixadas nas tomadas dos sensores e amplificadores de carga até que o sensor ou o amplificador de carga seja conectado. Quando os conectores não estão conectados, as capas de proteção devem ser parafusadas novamente.

Os sensores piezoelétricos devem ser conectados com um amplificador de carga com um cabo coaxial de alta qualidade: a HBM oferece o cabo 1-KAB143/3 para este fim. Este cabo não deve ser reparado; deve ser substituído, se danificado.

Se a cadeia de medição é sempre operada com um cabo conectado e os sensores sempre armazenados com suas capas de proteção, geralmente não acontece a contaminação das superfícies de contato.

3 - Limpe as tomadas contaminadas

Entretanto, se apesar de todos os cuidados, as tomadas estiverem contaminadas, eles podem ser limpas da seguinte forma:

  • Primeiro, retire a tomada;
  • Limpe a seco as superfícies brancas da tomada com uma almofada de limpeza (como a 1-8402.0026 da HBM);
  • Pulverize a tomada com isopropanol puro (como o IPA200 da RS Components);
  • Limpe novamente com uma nova almofada de limpeza.

Os conectores do cabo não devem ser limpos, isto é se o cabo estiver contaminado, deve ser substituído.

O agente de limpeza RMS1, que é usado para limpeza dos pontos de instalação de strain gages, não é adequado para limpeza de sensores piezoelétricos.

4 - Otimize o ambiente para medição de força

Influência da temperatura do sensor na curva característica:

A influência da temperatura na sensibilidade do sensor é muito baixa com 0,2%/10K e é insignificante para a maioria das aplicações.

Mudanças de temperatura levam a tensões térmicas. Além disso, o módulo E dos elementos de pré-tensionamento é dependente da temperatura.

É importante que o sinal de saída só altere em caso de uma mudança de temperatura. Em estados estacionários, uma carga não é gerada e não há influência das mudanças de temperatura na medição.

Os efeitos da temperatura podem ser minimizados se for assegurado que:

  • O sensor é armazenado durante tempo suficiente à temperatura de aplicação;
  • O sensor não é tocado pouco antes da medição, pois o calor das mãos podem esquentar os sensores de forma desigual;
  • Um reset é implementado após cada ciclo de medição.

A influência de um desvio e de mudanças de temperatura são extremamente baixas, com tempos de medição acima da faixa de minutos e forças maiores e, portanto, não levam a imprecisões relevantes na medição.

5 - Observe os limites de carga

Em sensores de força piezoelétricos, o cristal fica no fluxo direto da força. Os elementos de medição (quartzo ou GaPO4) são projetados para cada sensor na força máxima normal recorrente.

Momentos de flexão aplicados podem levar a uma sobrecarga do sensor, uma vez que o cristal está mais carregado de u lado e, em contrapartida, a carga é aliviada no outro lado.

A tensão mecânica máxima é calculada a partir da adição de tensões causadas pelo momento de flexão no cristal e das tensões de carga das forças axiais a serem medidas. A máxima pressão de superfície permitida não deve ser excedida em nenhuma circunstância.

Como o sinal de saída não é dependente da força nominal do sensor em sensores piezoelétricos, é possível selecionar sensores com uma maior força nominal para evitar uma sobrecarga nesses casos. O diagrama a seguir mostra o momento de flexão máximo permissível, dependendo da força do processo. O mais alto momento de flexão permissível pode ser aceito pelo anel de força com 50% da tensão de carga.


Se o momento de flexão é gerado por uma força do lado, também é produzida uma força lateral, reduzindo os valores máximos.

O erro de medição causado pelo momento de flexão é baixo, uma vez que as tensões mais altas de material em um lado do cristal são compensadas pela baixa tensão do outro lado.

Se um anel de força piezoelétrico (1-CFW/50kN) é carregado com um momento de flexão de 100Nm, este produz um sinal de saída de -2,3N. Observe a força lateral máxima conforme o data sheet.

Seleção de componentes

Uma cadeia de medição piezoelétrica consiste de um sensor, um amplificador de carga e o cabo de conexão entre os componentes.

Se a força máxima a ser medida é conhecida, pode ser selecionado um amplificador de carga analógico da série CMA.

Faixas de medição são selecionáveis livremente com o amplificador digital de carga CMD600 da HBM. Além disso, o CMD600 oferece outras funções, como gráfico de linha, armazenamento de valores medidos, valores de referência/valores limite, ensaios automáticos de faixas de medição (“Função Sensorteach”)

O sensor pode ser projetado de acordo com a sobrecarga máxima e requisitos geométricos como sinal de saída não depende da carga nominal.

O CMD600 pode cobrir todas as faixas de medição, não é necessária uma faixa específica.

Saiba mais sobre a tecnologia PACEline de medição de força piezo da HBM

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