Traductoare de forță piezoelectrice sau bazate pe tensiometre

1. Principii tehnice de bază

Traductoarele de forță bazate pe tensometrie conțin un element elastic căruia când i se aplică o forță apare deformare a elementului elastic. Astfel, prin extinderea elementului lipit pe piesa care vibrează duce la o modificare a rezistenței electrice. Când sunt conectate patru astfel de elemente într-un circuit în punte Wheatstone, atunci când această punte de măsurare este alimentată cu tensiune, tensiunea de ieșire rezultată este proporțională cu forța aplicată.

Senzorii piezoelectrici cuprind două discuri de cristal piezoelectric între care este montată o folie electrod. Atunci când se aplică o forță, se produce o sarcină electrică care poate fi măsurată cu ajutorul unui amplificator de sarcină. Sarcina este proporțională cu forța aplicată.

2. Utilizarea în aplicații practice

Sarcini de monitorizare statică

Senzorii pe bază de tensiometre nu prezintă aproape nicio derivă și, prin urmare, sunt deosebit de potriviți pentru sarcinile de monitorizare pe termen lung. Așa-numitul creep (fluaj) – modificarea în funcție de timp, dar totuși reversibilă a semnalului de ieșire sub o forță aplicată în mod constant – este extrem de mic, deoarece poate fi minimizat prin selectarea atentă a dispunerii tensiometrelor. Senzorii moderni ating valori ale fluajului mai mici de 200 ppm raportat la valoarea măsurată – o eroare care este neglijabilă în multe aplicații.

Măsurarea forței dinamice

Senzorii piezoelectrici prezintă o deformare foarte mică atunci când este aplicată o forță – oferă o rigiditate ridicată. Acest lucru duce la o frecvență de rezonanță ridicată, care îi face foarte utili în aplicațiile dinamice. Cu toate acestea, întregul lanț de măsurare este esențial pentru proprietățile dinamice. În acest caz, este important faptul că piesele de montare utilizate pentru instalarea senzorului au o masă suplimentară, care, desigur, are un impact asupra masei totale a sistemului și, prin urmare, asupra frecvenței de rezonanță. În plus, multe amplificatoare de sarcină au o lățime de bandă care depinde de sarcină și, astfel, de forța care este măsurată. Forțele mari au ca rezultat sarcini electrice mari care, la rândul lor, limitează lățimea de bandă. Sistemele bazate pe tensiometre obțin frecvențe de tăiere mai mari atunci când sunt utilizate traductoare cu forțe nominale mai mari. În principiu, traductoarele de forță pentru forțe mici sunt elemente elastice moi – frecvența de rezonanță a traductoarelor este în consecință scăzută. Cu toate acestea, este esențial să se consulte fișa tehnică în fiecare caz: Senzorii piezoelectrici sunt prima alegere pentru măsurătorile rapide ale forțelor mici, în timp ce traductoarele de forță bazate pe tensiometre sunt adesea superioare atunci când sunt implicate forțe mari.

Sarcini de calibrare

Circuitul utilizat pentru conectarea extensiometrelor permite compensarea multor efecte de eroare. În plus față de efectele temperaturii asupra punctului zero și a sensibilității, acestea includ liniaritatea traductoarelor sau efectul momentului de încovoiere. În plus, senzorii de măsurare a tensiunii permit o calibrare statică foarte precisă. În plus, elementele elastice pot fi proiectate pentru a obține o reproductibilitate optimă. Ca urmare, traductoarele de forță bazate pe tensiometre sunt utilizate exclusiv în domeniul măsurării forței de referință.

Sarcină inițială ridicată

Atunci când este aplicată o forță, senzorii piezoelectrici produc o sarcină electrică care poate fi scurtcircuitată, dacă este necesar. Starea intrării amplificatorului de sarcină este atunci egală cu starea la forța „zero”. Ca urmare, domeniul de intrare al amplificatorului de sarcină nu este afectat nici măcar de sarcini inițiale ridicate. Prin urmare, tehnologia traductorului piezoelectric permite măsurători la rezoluție maximă chiar și în condiții nefavorabile.

În medii dificile

Unele traductoare pe bază de tensiometre oferă un grad de protecție IP68. Carcasele închise ermetic protejează tensiometrele sensibile. Acest lucru permite utilizarea acestor traductoare în medii nefavorabile. Sunt disponibile cabluri de încărcare pentru traductoare piezoelectrice care utilizează o garnitură specială pentru a asigura că conexiunea la carcasa senzorului este închisă ermetic și garantează astfel o siguranță operațională ridicată.

Cu cerințe ridicate de precizie

Traductoarele de forță moderne ating o precizie foarte ridicată; aceasta se referă, în special, la traductoarele pe bază de tensiometre care oferă erori individuale excelente de 200 ppm. Acest lucru este valabil pentru produsele industriale standard; traductoarele de forță pentru sarcini de calibrare (de ex. HBM TOP-Transfe) ating în mod constant erori individuale mai mici. Senzorii piezoelectrici au o eroare de liniaritate ușor mai mare, în general de 0,5% în raport cu scala completă. De asemenea, aceștia sunt limitați de deriva lor ridicată. Calibrarea în domeniul de forță în care urmează să se efectueze măsurătorile ulterior permite obținerea unei precizii semnificativ mai mari.

Atunci când spațiul este o constrângere

Senzorii piezoelectrici de forță pot fi foarte compacți – de exemplu, seria CLP cu înălțimi mai mici de 4 mm. Astfel de senzori sunt soluția optimă atunci când este necesară integrarea în sistemele existente. Trebuie făcute compromisuri în ceea ce privește precizia care poate fi obținută, cu toate acestea, cerința de dimensiuni foarte mici este primordială în multe aplicații.