Medindo pequenas forças com carga inicial elevada

Sensores piezoelétricos geram uma carga elétrica quando uma força é aplicada. O diagrama acima ilustra o princípio de funcionamento.

Cargas são geradas de forma proporcional à força. A unidade de medida para uma carga é  pC (10^-12 Coulombs, o que equivale a uma carga de 3,12 * 10^-6 cargas elementares).

Sensores que usam quartz como matéria do sensor piezoelétrico possuem uma sensibilidade de aproximadamente 4,3 pC/N. Isso significa que, se uma força de 1N é aplicada no sensor, uma carga de 4,3 pC é produzida. Alguns sensores usam gálio fosfato como cristal piezoelétrico. A vantagem é que uma sensibilidade duas vezes maior pode ser conseguida desta forma. Duas vezes mais carga é produzida com a mesma força. As cargas são direcionadas para um amplificador de carga, o qual converte em sinal de 0...10 V.

A vantagem desta tecnologia é que a sensibilidade do sensor permanece a mesma, independentemente da força nominal (razão), assumindo o mesmo tipo de material. Um sensor bem maior também pode ser usado para medir uma força muito pequena. Outra razão para se preferir esta tecnologia é que cargas podem ser fisicamente convertidas para zero. Um curto-circuito pode ser usado para produzir uma carga de 0 pC na entrada, quando o sensor é carregado por uma força (em nosso exemplo de pré-deformação).

 Nesta situação, o amplificador de carga pode ser ajustado para uma maior sensibilidade, de modo que a faixa de medição corresponda à força a ser medida.  A pré-deformação não é relevante. Não faz diferença para a resolução e para a precisão da medição se um sensor piezoelétrico é usado sob uma carga inicial ou sem nada. É sempre possível trazer a entrada do amplificador de carga para zero usando a função RESET.

Sensor piezoelétrico trabalhando com uma carga inicial: Após a carga inicial ser aplicada, a cadeia de medição é zerada por um reset. Agora, o amplificador de carga pode operar em uma (pequena) gama de medição muito bem ajustada.

Exemplo:

Uma arrula de força é instalada sob um parafuso. O objetivo é medir uma força de tensão atuando na conexão da rosca. Primeiro, a força de pré-deformação é aplicada. Esta força também pode ser determinada medindo-a com a própria arruela de força. Um valor "zero" pode ser aplicado à cadeia de medição pressionando-se o botão RESET no amplificador de carga. Então, não há carga na entrada. Agora, o amplificador de carga pode ser configurado para qualquer taxa de medição. Até mesmo forças muito pequenas podem, agora, ser medidas de uma forma confiável.

Observe que:

• Este tipo de medição é bem simples com os modernos amplificadores de carga digital como o CMD600, que pode ser configurado para qualquer faixa de medição..
• No exemplo mostrado, a medição é na força de derivação. É necessário uma calibração em sua instalação para que as forças possam ser medidas quantativamente. Para mais informações, leia o artigo "Instalação de sensores de força", em inglês.
• Sensores piezoelétricos estão sempre sujeitos à desvios (drift).Isso é necessário para trazê-los para zero ou usando um filtro high-pass. Se nenhuma das opções estiver disponível, sensores com tecnologia strain gage devem ser usados.

Sensores baseados em strain gages (SG) trabalham de acordo com o seguinte princípio:

• Uma força é aplicada a uma mola de modo que este elemento é minimamente deformado.
• Strain gages são colados em pontos apropriados para converter a deformação em uma mudança na resistência elétrica.
• Com um wiring (um circuito de ponte Wheatstone) e uma fonte de alimentação, esta mudança na resistência pode ser, finalmente, convertida em uma tensão mensurável. 

A vantagem de sensores SG é que eles podem ser calibrados eletricamente com muitas grandezas diferentes, como coeficiente de temperatura zero ponto e sensibilidade, efeito do momento de flexão e também linearidade. Dependendo da necessidade, uma precisão sem igual pode ser atingida por esta tecnologia.

O sinal de saída de um sensor deste tipo é uma voltagem. Esta voltagem sempre depende de tensão de excitação que abastecem o sensor. Sem levar em conta os sinais de saída resultantes de fatores de erro (temperaturas, cargar parasitárias, etc), ainda há dois parâmetros para se determinar o sinal geral:

• O "erro de sinal  zero relativo" descreve o sinal de saída de um sensor sem carga.
• A força aplicada no sensor é convertida para um sinal de saída elétrica mensurável, como descrito acima.

Se um sinal de peso zero é detectado pelo software ou em um amplificador de ponte de medição, sempre haverá a adição ou subtração de duas voltagens, conforme descrito acima. Isso geralmente pode ser feito por meio de cálculo a partir do amplificador ou software. A voltagem de saída da cadeia de medição permanece sem alteração. A amplitude de medição do sensor deve ser selecionada para corresponder à toda força para que a pré-deformação aplicada e a força possam ser medidas.

No exemplo acima, no monitoramento de um cabo de aço de uma linha elétrica, as mudanças na força de tensão são muito pequenas se comparadas à tensão de base. Uma vez que uma pequena alteração numa ampla gama de medição tem de ser feita, é compreensível que uma resolução muito alta é, por conseqüência, necessária para o sinal de medição. Os erros na cadeia de medição de força também devem ser significativamente menores do que as mudanças na força que estão sendo medidas.

Grandezas de influência, especialmente àquelas relacionadas a uma escala de valores completa em observações incertas de medição, desempenham um papel importante aqui. Para mais detalhes, leia o artigo "Alta precisão é alta eficiência: por que sensores de força particularmente precisos permitem novas áreas de aplicação?" (em inglês). Um pequeno efeito da temperatura em sinais zero, um pequeno erro de linearidade e uma baixa deformação são muito importantes para resultados confiáveis de medição. Ao contrário da medição de forças muito pequenas usando sensores com uma alta força nominal (taxa), o coeficiente de temperatura à sensibilidade é um importante fator nesta aplicação. Como explicado acima, o sensor carregado gera uma voltagem de saída, mesmo que não seja exibida por conta do amplificador ter sido zerado. Se a sensibilidade do sensor mudar devido ao efeito da temperatura, isso impacta diretamente no sinal de saída. Este impacto aumenta, enquanto a carga inicial aplicada constantemente aumenta - no nosso exemplo, no cabo de alta tensão.

Observe que:

• Sensores de força com simetria radial são muito precisos e robustos, revelando-se eficazes em muitos casos, especialmente se a medição é realizada em temperaturas variáveis. Sensores deste tipo exibem muito pouca deformação (250 ppm em 30 minutos) e, especialmente, erros de temperatura muito pequenos. O novo sensor de força de compressão C10 tem uma dependência de temperatura a ponto zero de apenas 75 ppm/10K. O sensor de força U10M atinge excelente valores característicos bem próximos.
• Sensores de força em forma de S (S2M, S9M) devem ser considerados para pequenas forças. Eles também trabalham com muita precisão. Ao contrário de sensores com simetria radial, restrições no comportamento dinâmico devem ser aceitas.
• Como os sensores SG não estão sujeitos à deriva (drift), não há alternativa para tecnologia baseada em strain gages se também não foi possível um ciclo de RESET ou o uso de filtros high-pass.