Transdutores de força piezoelétricos: o princípio é simples - as possibilidades são infinitas

Existem diferentes tipos de transdutores de força, também conhecidos como sensores de força. Os modelos mais comuns são baseados em strain gauges, que já apresentamos aqui. Este artigo trata de outra tecnologia usada para medir forças: transdutores de força piezoelétricos. Para este artigo, Thomas Kleckers gentilmente explicou como funcionam os sensores piezoelétricos. Ele é Gerente de Produto para transdutores de força na HBM, com graduação em Engenharia Física. Portanto, não é de admirar que ele goste especialmente do princípio por trás do transdutor piezoelétrico. Para citá-lo: "O princípio é simples - as possibilidades são infinitas".

O cristal piezoelétrico

Para entender como um transdutor de força piezoelétrico funciona, primeiro temos que dar uma olhada dentro dele. Aqui, sempre encontraremos um cristal piezoelétrico, como o quartzo, no coração do sensor. Materiais piezoelétricos são materiais que produzem uma carga elétrica sob estresse mecânico. O princípio é realmente simples: a carga elétrica obtida é proporcional ao estresse mecânico aplicado. Um amplificador de carga pode converter essa carga em um sinal de 0 a 10 V fácil de medir. No final, a tensão de saída é proporcional à tensão mecânica.

Projeto e método de operação de transdutores de força piezoelétricos

A relação entre o estresse mecânico aplicado ao cristal e a mudança na carga é proporcional. Em outras palavras, quanto maior o estresse, maior a carga. Este princípio é explorado na tecnologia de medição de força piezoelétrica. Para o cristal se tornar um transdutor, no entanto, ele precisa de algo mais. "O sinal de saída não depende do tamanho do sensor, e isso é uma vantagem particular", diz Thomas Kleckers.

Como regra geral, um sensor contém dois elementos de cristal. Um eletrodo está situado entre esses cristais. Este eletrodo pega a carga nos lados voltados para dentro dos cristais. Um cabo conecta o eletrodo ao amplificador de carga. Além disso, os discos de cristal são alojados em um gabinete de metal. Isto não apenas protege os cristais, mas também fornece um segundo ponto de contato com eles, já que está conectado ao amplificador de carga através da blindagem do cabo.

"É essencial ter um contato muito bom entre os cristais e o eletrodo, e entre os cristais e o invólucro. Portanto, os materiais devem ter superfícies de alta qualidade, precisas e uniformes e com rugosidade dificilmente mensurável. Uma boa transferência da carga elétrica só pode ser alcançada se as superfícies tiverem um excelente contato". Thomas Kleckers

Propriedades dos Sensores Piezo

A propriedade especial dos transdutores de força piezoelétricos é que eles cobrem faixas de medição muito grandes. Em outras palavras, o mesmo sensor pode ser usado para medir forças muito pequenas e muito grandes. Os transdutores de força piezoelétricos são, portanto, muito flexíveis - e estão disponíveis em tamanho miniatura com apenas alguns milímetros de espessura. Sua deformação sob carga é insignificante devido à sua alta rigidez. Consequentemente, o sensor tem uma influência excepcionalmente baixa sobre a estrutura na qual está integrado.

Por outro lado, os transdutores são propensos a desviar: "A carga sempre encontra um caminho ou outro para se equilibrar", diz Thomas Kleckers. Por este motivo, a diferença na carga necessária para a medição não pode ser mantida indefinidamente. Pode-se supor que ocorrerá um desvio de 10 N/min no máximo. Uma vez que a cadeia de medição foi quebrada, este número fica muito menor durante a operação. Permanece o mesmo, independentemente da força medida, no entanto. Isto significa que a deriva tem mais impacto se você medir forças baixas durante um longo período de tempo do que se medir forças grandes ou usar tempos de medição curtos.

Aplicações do Sensor de Força Piezo

Transdutores de força piezoelétricos podem ser pré-tensionados ou não, dependendo da aplicação pretendida. Os sensores pré-tensionados são calibrados e podem ser usados imediatamente após a instalação. As arruelas de força ainda precisam ser pré-tensionadas durante a montagem. Isto geralmente é feito usando parafusos ou pinos de carga. Isto produz o melhor contato possível entre as diferentes superfícies do material, permitindo que a carga seja transferida. No entanto, estes componentes adicionais podem alterar a sensibilidade do ponto de medição, que, portanto, precisa ser ajustado ou calibrado após o processo de pré-tensionamento.

"Pequenos sensores piezoelétricos, em particular, são frequentemente adaptados em sistemas existentes. Portanto, as dimensões não são problema, mas não há como fugir da calibração". Thomas Kleckers

É importante garantir que o transdutor forneça resultados quantitativamente corretos em seu ambiente de instalação específico e em todas as condições ambientais predominantes. Transdutores de força piezoelétricos são especialmente benéficos em processos cíclicos, como explica Thomas Kleckers. Um exemplo é quando dois componentes estão conectados com uma força definida, como no caso da rebitagem. O transdutor e o amplificador de carga medem a característica de força do processo de rebitagem, permitindo um controle de qualidade extremamente eficaz. Após a medição, um reset é iniciado e o transdutor retorna a zero. Então vem o próximo rebite. A deriva não tem influência alguma sobre o resultado, pois o tempo de medição é curto. Thomas Kleckers nos diz que ele considera seu uso em prensas particularmente notável. "Uma prensa trabalha com uma força de 50 toneladas, que é de 500 kilonewtons. Com o processo atingindo a estabilidade, alguns ajustes precisos precisam ser feitos. Aqui estamos falando de aproximadamente 100 newtons. Um 'RESET' ocorre entre este primeiro e o segundo passo, de modo que durante o passo dois a força pode ser medida em alta resolução. Desta forma, a grande faixa de medição dos transdutores de força piezoelétricos é aproveitada ao máximo."

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