Sensores piezoelétricos: qual é o ideal para minha aplicação?

O princípio Piezoelétrico permite que sensores de força sejam projetados para que tenham características diferentes dos sensores baseados em strain gages.

Sensores de força piezoelétricos consistem de camadas de cristais piezelétricos que produzem carga elétrica quando sujeitos à forças de compressão. Em geral, duas camadas de cristais são utilizadas, com um eletrodo inserido entre elas. O eletrodo absorve as cargas resultantes. O material do próprio sensor também serve como um eletrodo. A alta qualidade do sensor (linearidade, alta resposta dinâmica) é resultante dos altos requerimentos de qualidade no acabamento da superfície tanto dos cristais quanto do material do corpo do sensor.

A decisão de usar sensores de força piezo ou sensores baseados em strain gages depende da aplicação. Sensores piezoelétricos são mais adequados quando a aplicação possui um dos seguintes requisitos:

  • Espaço confinado para instalação de sensor;
  • Medição de pequenas forças com alta carga inicial;
  • Ampla faixa de medição;
  • Medição a temperaturas muito altas;
  • Estabilidade de sobrecarga extrema;
  • Alta dinâmica.

Quando a decisão de usar um transdutor piezoelétrico foi feita, permanece a questão de qual sensor de fora é o ideal. A seguir, examinaremos mais de perto aos campos de aplicação típicos e forneceremos a você um guia para seleção do sensor ideal.

Thomas Kleckers, HBM

Neste artigo, Thomas Kleckers, Gerente de Produto para Sensores de Força na HBM, explica como selecionar o sensor piezoelétrico ideal para sua aplicação.

Condições de aplicação que indicam que sensores piezoelétricos devem ser usados:

1. Espaço confinado para instalação de sensor

Sensores de força piezo podem ser muito compactos, como por exemplo, a série CLP com alturas de 3mm a 5mm (dependendo capacidade do anél de força). Tais sensores são, portanto, perfeitamente ideais para integração com estruturas existentes. Os sensores vêm com um cabo integrado, uma vez que eles não podem acomodar conectores, devido a sua baixa altura. Os sensores estão disponíveis em todos os tamanhos de roscas, desde M3 até M14. A baixa altura requer que a força na superfície do sensor seja distribuída o mais uniformemente possível.

icon initial load

2. Medição de pequenas forças com alta carga inicial

Sensores piezoelétricos produzem uma carga elétrica quando uma força é aplicada. Entretanto, o sensor está sujeito a forças que vão além da medição da força atual, como por exemplo, durante a instalação. A carga resultante pode ser um curto-circuito, que ajusta o sinal de entrada a zero no amplificador de carga. Isso permite que a faixa de medição seja ajustada em linha com a força atual a ser medida. Alta resolução de medição é, portanto, garantida, mesmo se a razão de carga inicial para a força a ser medida é extremamente desfavorável. Amplificadores de carga com tecnologia de ponta, como o CMD600, permitem um ajuste variável praticamente contínuo da faixa de medição e, portanto, suporta tais aplicações.

icon wide measurement range

3. Ampla faixa de medição

Transdutores de força piezoelétricos mostram seus pontos fortes em processo de vários estágios. Imagine um processo de prensagem em vários estágios: primeiro, altas forças são aplicadas no processo de prensagem atual. A cadeia de medição piezoelétrica  é ajustada em conformidade. O segundo estágio envolve o rastreamento da força, isto é, a medição de pequenas variações de força. Neste exemplo também, aproveitamos a vantagem da característica especial dos sensores piezoelétricos que envolve a eliminação física do sinal na entrada do amplificador de carga. A entrada do amplificador de carga é ajustada a zero novamente e a faixa de medição ode ser ajustada para garantir uma alta resolução.

icon high temperature

4. Temperaturas extremamente altas

Algumas aplicações exigem que a força seja medida em temperaturas muito altas. Nestas aplicações, os sensores de força baseados em strain gages atingem seus limites físicos. Anéis de força piezo da série CHW, entretanto, foram projetados para tais aplicações, e podem ser usadas para medições de até 300°C.

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5 . Estabilidade extrema de sobrecarga

Todos os sensores piezoelétricos, com algumas exceções, possuem a mesma sensibilidade. Isso, por sua vez, significa que o sinal de saída de um sensor de força com capacidade de 20kN a uma dada força é igual ao sinal de saída de um sensor com capacidade de 700kN. Portanto, em termos de resolução e precisão, não importa qual dos dois sensores é usado. A cadeia de medição pode ser configurada para força máxima e ainda permite a medição de pequenas forças.

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6. Dinâmicas elevadas

Piezoelectric sensors have very small displacements and provide correspondingly high stiffness — this makes them the perfect choice for use in dynamic applications. However, the entire measuring chain has an influence on dynamic properties. The stiffness of the attachments and subsequent electronics need to be taken into account as well. Piezoelectric measurement chains in general are perfectly suited to highly dynamic measurement of small forces. Force transducers based on strain gauges, on the other hand, are the first choice when it comes to dynamic measurement of large forces.

Qual sensor é o ideal?

Se um dos aspectos mencionados acima for condizente para sua aplicação, você precisa de um sensor piezo para sua medição de força. Entretanto, qual sensor é o ideal? Aqui está um guia de seleção que organizamos com base em casos típicos de uso.


“Anéis de força piezo são amplamente usados. Posso usar um sensor deste em minhas aplicações também?”

A maioria dos usuários preferem os anéis de força piezoelétricos porque podem ser integrados com o objeto ou máquina a ser medida sem a necessidade de realizar grandes modificações mecânicas. Entretanto, estes sensores sempre necessitam montagem com pré-tensionamento, ou seja, uma carga inicial deve ser aplicada usando parafusos ou configurações pré-tensionadas para prevenir danos e garantir estabilidade suficiente do momento de flexão. Além disso, a calibração é necessária, uma vez que instalação do sensor também é decisiva para a sensibilidade do ponto de medição. Isso significa que, após a montagem, a sensibilidade do ponto de medição precisa ser determinada pela calibração para garantir resultados de alta qualidade.


“Não consigo executar uma calibração; entretanto, gostaria de usar sensores piezoelétricos”.

Nossa recomendação: Sensores de força tipo CFT

Sensores que já foram pré-tensionados e calibrados estão disponíveis para tais aplicações, como por exemplo, os sensores de força tipo CFT que estão prontos para medição. Em sua entrega, inclui um registro de teste que especifica sua sensibilidade.


“Quero um sensor que possa ser facilmente integrado; entretanto, minha aplicação necessita de um conector”. / “Pontos de carga podem ocorrer”. / “Preciso levar em conta forças muito altas”.

Nossa dica: Anéis compactos de força da série CFW

A altura da construção dos anéis de força CFW é relativamente alta, o que significa que existe mais material entre a parte que recebe a aplicação de força e o elemento de medição. O CFW/700KN é o maior anél de força da série, com um diâmetro interno de 36mm. Como resultado, é menos afetado pelas condições desfavoráveis de montagem. Os anéis de força da série CFW vêm com um conector e, portanto, são muito flexíveis. Diferentes cabos podem ser conectados, como o cabo robusto de carga KAB145, que possui um conector no revestimento do sensor que é selado com um O-ring. É ideal par uso em ambientes agressivos.


“Preciso medir força em temperaturas extremamente altas”.

Nossa recomendação: Anéis de força da série PACEline CHW

Os anéis de força da série CHW foram projetados para uso em temperaturas extremamente altas. O modelo CHW-2 pode ser usado em temperaturas de até 200°C e o CHW-3, em temperaturas de até 300°C. Estes anéis de força também necessitam ser calibrados. Sua sensibilidade a baixa temperatura permite calibração a temperatura ambiente.


“O espaço é restrito em minha aplicação, e a altura do sensor é um fator decisivo”.

Nossa dica: Anel de força em miniatura CLP

A série CLP é perfeitamente adequada para tais aplicações, porque a altura do sensor é de apenas 3mm a 5mm, dependendo do anel de força. Além disso, os sensores vêm com um cabo integrado, uma vez que os conectores não podem ser acomodados devido à baixa altura do sensor. Os sensores estão disponíveis em todos os tamanhos de rosca, desde M3 até M14. A baixa altura necessita que a força na superfície do sensor seja distribuída o mais uniformemente possível.


“Não consigo acomodar um anel de carga e um sensor baseado em strain gages ou um transdutor CFT também necessita de muito espaço”.

O sensor ideal: Transdutores de deformação piezoelétricos da série CST

Sensores de deformação da série CST são muito pequenos e pode ser

Sensores de deformação da série CST são muito pequenos e podem ser fixados com um parafuso. Funcionam de acordo com o seguinte princípio: quando a força é aplicada em uma estrutura, isso resulta em uma deformação, que geralmente é proporcional á força aplicada. O sensor mede a deformação. O CST pode ser montado, por exemplo, em pistolas de soldagem ou ferramentas de pressão. Ele mede a deformação de forma confiável nestes componentes. Estes transdutores também precisam ser calibrados. Os sensores de deformação da série CST possuem uma sensibilidade muito alta e podem, portanto, também serem usados em estruturas muito rígidas. A precisão da medição depende, particularmente, do material aonde o sensor é montado.

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