Vistas: 0 Autor: Editor del sitio Hora de publicación: 2026-11-11 Origen: Sitio
Los sensores de fuerza piezoeléctricos convierten la fuerza mecánica en una señal de carga eléctrica. Su alta rigidez los hace útiles para capturar fuerzas de impacto, compresión o tensión rápida y cambios de fuerza durante los ciclos de la máquina. Con un acondicionamiento de señal adecuado, también pueden medir fuerzas que cambian lentamente o se mantienen temporalmente en una ventana de medición definida.
Comience con el evento de fuerza que necesita registrar: su dirección, valor máximo, duración y cambio significativo más pequeño. Un sensor que capta con precisión un impacto breve puede no ser adecuado para controlar una fuerza de sujeción constante durante horas. Los ajustes del sensor, la disposición de montaje, el amplificador y la adquisición de datos deben seleccionarse juntos.
Dentro de un sensor de fuerza de cuarzo, la fuerza aplicada al elemento sensor produce carga a través del efecto piezoeléctrico directo. Para una dirección de carga específica, la relación ideal es Q = S × F, donde Q es la carga en picoculombios (pC), S es la sensibilidad de la carga en pC/N y F es la fuerza en newtons (N). El valor de calibración del sensor real debe usarse al convertir una señal registrada en fuerza.
Un amplificador de carga convierte esta señal de alta impedancia en un voltaje utilizable. En cambio, algunos sensores piezoeléctricos contienen componentes electrónicos integrados y proporcionan una señal IEPE. La fuerza es la cantidad medida; la carga o voltaje es su representación eléctrica. Por lo tanto, un sensor de fuerza piezoeléctrico no debe confundirse con un sensor de presión de fluido simplemente porque ambos utilizan materiales piezoeléctricos.
Un sensor de salida de carga necesita un acondicionamiento de carga compatible antes de que su señal alcance una entrada de adquisición de voltaje ordinaria.
Los sensores piezoeléctricos son buenos candidatos cuando la medición requiere una trayectoria de carga rígida y la captura de cambios rápidos de fuerza. Los sensores de fuerza extensímetro miden la deformación elástica mediante un cambio en la resistencia eléctrica y, a menudo, son la opción más sencilla para cargas estáticas sostenidas. Ambas tecnologías pueden medir fuerzas cambiantes dentro de sus límites especificados; la decisión debe seguir la duración, la respuesta y la incertidumbre requeridas en lugar de una simple etiqueta estática versus dinámica.
Pueden medir fuerza cuasiestática cuando la cadena de medición mantiene la caída y deriva de la señal dentro del error permitido durante el tiempo requerido. Esto es diferente a mantener indefinidamente una lectura precisa de una carga constante. Una referencia del catálogo a la calibración estática no establece la idoneidad para el pesaje a largo plazo o el monitoreo continuo de la fuerza de sujeción.
| de tarea | de señal | Comprobación de selección |
|---|---|---|
| Dinámica | Forzar pulso o cambiar forma de onda | Conserva las partes rápidas y lentas. |
| Cuasiestático | Rampa lenta o retención breve | Verifique la deriva y la decadencia durante la prueba completa. |
| estática a largo plazo | Carga constante durante un período prolongado | Prefiera un sistema de galga extensométrica a menos que se valide la cadena completa. |
La constante de tiempo describe el comportamiento de baja frecuencia de la electrónica de medición. En un sistema ideal de primer orden, una señal escalonada decae como V(t) = V0 × exp(-t/τ), donde τ es la constante de tiempo. Una constante de tiempo más larga reduce la descomposición durante una retención finita, pero aún es necesario comprobar los efectos de la temperatura y la deriva relacionados con las fugas. Kistler distingue estos modos de funcionamiento en su guía de constante de tiempo.
A modo de ejemplo, una retención de 1 segundo en un sistema ideal con una constante de tiempo de 100 segundos pierde aproximadamente el 1% de su señal inicial solo a través de este mecanismo. Este cálculo excluye ruido, efectos térmicos, errores de calibración y otras derivas. No es una afirmación de rendimiento para ningún modelo FIBOS . Defina el error de fuerza aceptable y pruebe la duración completa en lugar de asumir que se aplica un número universal de segundos a todos los sensores piezoeléctricos.
En este modelo ideal de primer orden, una constante de tiempo más larga reduce la decadencia durante una retención finita; Las mediciones reales también deben tener en cuenta la deriva y otros errores.
Los siguientes diseños están representados en el catálogo de productos FIBOS 2026. Estos grupos describen diferentes consideraciones de selección: una arandela es una forma mecánica, mientras que tensión-compresión y tres ejes describen direcciones de medición. No son clasificaciones mutuamente excluyentes.
Una arandela de fuerza coloca un elemento sensor anular alrededor de una abertura central. Puede adaptarse a un conjunto comprimido donde un perno o eje pasa por el centro. FIBOS FE011 se identifica como un sensor piezoeléctrico de estructura de anillo y su página de catálogo especifica el funcionamiento pasivo con instrumentación de carga. Su plano proporciona las dimensiones necesarias para evaluar las superficies de apertura y apoyo.
La lavadora debe ubicarse en la ruta de carga prevista; simplemente encajar alrededor de un perno no significa que mida toda la fuerza de la articulación. Verifique cómo el perno y las piezas circundantes comparten la carga y determine la sensibilidad instalada. Para cuestiones más amplias de selección mecánica, consulte el FIBOS Guía del sensor de fuerza con orificio pasante y donut..
FIBOS FE011 utiliza una estructura de anillo. Evalúe juntos la abertura central, las superficies de apoyo y la trayectoria de carga instalada.
Para una carga axial única, verifique si el sensor está especificado solo para compresión o para tensión y compresión. La página del catálogo FIBOS FE001B enumera un rango de medición de 0 a 1000 N y una estructura roscada compacta. FE022 proporciona medición bidireccional, con opciones de rango ±10, ±30, ±50 y ±60 kN enumeradas en el catálogo. Estos son ejemplos de diferentes capacidades de carga, no diseños de montaje intercambiables.
Una instalación de tensión-compresión necesita una conexión de carga que transmita ambas direcciones sin holgura ni flexión involuntaria. Confirme el tamaño de la rosca, el compromiso, la dirección de carga y la sensibilidad de calibración para cada dirección. Un rango de sólo compresión no debe tratarse como un índice de tracción simplemente porque la carcasa tiene roscas.
FE001B y FE022 ilustran diferentes capacidades de medición axial. Confirme la dirección de carga y la conexión mecánica específica del modelo.
Elija un sensor de tres ejes cuando el resultado útil incluya Fx , Fy y Fz en lugar de una fuerza axial. FIBOS Se describe que FE025 y FE027 miden simultáneamente tres componentes de fuerza mutuamente perpendiculares. Sus páginas de catálogo identifican la salida de carga y muestran especificaciones X/Y y Z separadas. FE025 utiliza una forma de orificio pasante; FE027 tiene una disposición de montaje estilo bloque.
Registre las direcciones de coordenadas del sensor antes del montaje y asigne cada canal en el software de adquisición. Solicite la información de calibración y diafonía aplicable para la condición de carga prevista. Tres canales de fuerza no establecen la capacidad de fuerza y torsión de seis ejes, y no se debe asumir el mismo límite de fuerza para cada eje.
FE025 y FE027 miden tres componentes de fuerza perpendiculares. Verifique el mapeo de coordenadas y la especificación de cada eje antes de la integración.
En un ciclo de ajuste a presión, la señal útil puede ser el aumento de la fuerza, un pico cerca del asiento final o un cambio inesperado antes de que la pieza alcance su posición objetivo. Coloque el sensor donde se transmite esa fuerza del proceso y sincronice la fuerza con el desplazamiento si el criterio de aceptación depende de la posición de inserción. De manera similar, el estampado y otras operaciones de unión requieren una ventana de medición definida y una condición de montaje repetible.
Para un ciclo con una etapa de mantenimiento, verifique tanto la meseta como el pico. Un sistema que identifique correctamente la fuerza máxima aún puede tergiversar la fuerza mantenida debido a la decadencia de la señal. Establezca el punto de reinicio de manera consistente antes del evento de fuerza y fuera del intervalo utilizado para la aceptación.
Para una prueba de impacto, estime el pulso de fuerza y su tiempo de aumento antes de elegir el rango del sensor y la configuración de adquisición. La caída de un objeto pequeño no necesariamente produce una fuerza máxima pequeña: la distancia de frenado y la rigidez del contacto afectan el evento. Inspeccione el dispositivo y la forma de onda registrada en busca de zumbidos, recortes y contactos repetidos. La carga dinámica repetida también requiere confirmación del historial de carga permitido; una cifra de sobrecarga segura por sí sola no es una clasificación de vida útil.
Una medición de tres ejes puede ayudar a separar los componentes de la fuerza en un experimento de corte o en un dispositivo de investigación. Defina si el resultado requerido es un componente individual, una fuerza resultante o un cambio relativo a una línea base precargada. Un sensor montado debajo de un dispositivo no aísla automáticamente la fuerza de contacto deseada: la inercia del dispositivo, el movimiento estructural y otras rutas de carga pueden contribuir.
Anote las cargas mecánicas más altas y más bajas en el sensor, incluidas la precarga y los picos transitorios. La puesta a cero eléctrica cambia la lectura de referencia; no elimina la precarga ni restablece la capacidad mecánica. Como ejemplo de contabilidad simplificado, una precarga de compresión de 2 kN más un evento de compresión adicional de 3 kN coloca 5 kN a través del sensor si ambas cargas siguen el mismo camino. Los conjuntos de arandelas reales pueden compartir esa carga adicional con un perno o una estructura circundante.
Para la tensión medida a través de un conjunto precargado, verifique cuánta compresión queda en la descarga máxima y siga el método de montaje especificado. No elija un porcentaje de precarga universal ni utilice el límite de sobrecarga segura como rango de funcionamiento normal. Envíe el historial de carga esperado y el plano de ensamblaje para una revisión específica del modelo.
Especifique el cambio más pequeño que afectaría su decisión. Por ejemplo, distinguir una diferencia de fuerza de ensamblaje de 5 N es una tarea diferente a simplemente detectar un pico de 1 kN . Pregunte si el error indicado es relativo a la escala completa o a la lectura, y evalúe el ruido de referencia y la deriva en unidades de fuerza. El aumento de la ganancia del amplificador hace que el cambio de voltaje sea mayor, pero no elimina los errores mecánicos ni establece un límite de medición garantizado más pequeño.
Cree la evaluación de incertidumbre en torno a la cadena instalada: calibración, repetibilidad, alineación, reparto de fuerzas, electrónica y duración de la medición. Para trabajos en tres ejes, incluya la influencia de las cargas en los otros canales. Una cifra de linealidad de catálogo por sí sola no es la incertidumbre de la máquina terminada.
Consulte el dibujo del modelo para conocer las superficies de carga previstas y los detalles de montaje. Las piezas acopladas deben soportar el área de rodamiento especificada y transmitir fuerza en la dirección prevista. La suciedad, el contacto desigual y la carga en los bordes pueden hacer que una prueba nominalmente axial introduzca flexión o tensión local. Confirme que los adaptadores no entren en contacto con el conector y que los cables tengan espacio libre a lo largo de la carrera de la máquina.
Durante la puesta en servicio, compare los ciclos repetidos sin cambiar el dispositivo. Si un pequeño reposicionamiento cambia sustancialmente el pico medido, investigue el montaje y la ruta de carga antes de ajustar la escala del software. Para pruebas dinámicas, verifique también si un adaptador agregado cambia la respuesta del dispositivo ensamblado.
La precarga mantiene las superficies de contacto previstas enganchadas. Sin embargo, en una instalación de arandela atornillada, el perno también forma una trayectoria de carga paralela. Parte de un cambio de fuerza externa puede pasar por ese camino, por lo que la sensibilidad del conjunto instalado puede diferir del valor de calibración del sensor. Kistler analiza esta distinción en su manual de instalación del transductor de fuerza de anillo.
Determine el factor de conversión con el perno final, los espaciadores, las piezas de soporte y la condición de precarga en su lugar. Registre esas condiciones con los resultados de la calibración. Cambiar un espaciador o perno puede cambiar la distribución de fuerza incluso cuando el sensor y el amplificador no cambian. Utilice las instrucciones específicas del sensor para establecer la precarga; una regla de otro modelo no es suficiente.
Un perno de precarga cambia la ruta de carga instalada. Establezca la sensibilidad con el perno final, los soportes y la condición de precarga en su lugar.
Un sensor de salida de carga normalmente se conecta a un amplificador de carga o una entrada DAQ diseñada específicamente para señales de carga. Una entrada de voltaje normal o un amplificador de puente con galgas extensométricas no son un sustituto. Un sensor IEPE utiliza una disposición compatible de lectura de voltaje y suministro de corriente constante. El ajuste del conector por sí solo no establece la compatibilidad eléctrica. PCB explica la carga y el acondicionamiento de señales electrónicas integradas.
Los ejemplos FIBOS de este artículo se basan en información del catálogo del modo de carga. FE011 solicita explícitamente instrumentación de carga y FE025/FE027 especifican la salida de carga. Seleccione la entrada para la salida de carga especificada; No asuma que estos modelos contienen componentes electrónicos IEPE. FE8101 es un amplificador de carga FIBOS , no otro sensor de fuerza.
FE8101 es un amplificador de carga. Haga coincidir la configuración suministrada con la señal de carga del sensor, la entrada de adquisición y la ventana de medición.
Calcule la carga esperada antes de configurar la ganancia del amplificador. Utilizando la sensibilidad nominal FE001B de 4 pC/N del catálogo 2026, un cambio de fuerza de 500 N produce 2000 pC nominales. Con una configuración de amplificador ilustrativa de 1 mV/pC, el cambio de salida es de 2 V. A 10 mV/pC, el mismo evento demandaría 20 V y recortaría un amplificador limitado a ±10 V. Este es un ejemplo de escalado, no una verificación de una configuración particular de sensor-amplificador.
Para la misma señal de carga nominal, aumentar la ganancia de 1 a 10 mV/pC aumenta la salida solicitada de 2 a 20 V; una etapa de salida de ±10 V se recortaría.
Verifique el límite de entrada de carga, la oscilación de salida, la configuración de ganancia y el modo de medición juntos. Una ventana de medición larga también necesita una respuesta de baja frecuencia y un rendimiento de deriva adecuados. El catálogo FE8101 enumera una ganancia ajustable y una salida de voltaje, pero no establece una duración de retención garantizada para su dispositivo. Confirme la configuración suministrada exacta y la ventana de medición requerida. Kistler resume el más amplio Criterios de selección del amplificador de carga..
Conecte la salida acondicionada a una entrada DAQ o PLC con el rango de voltaje, disposición de conexión a tierra y velocidad de adquisición correctos. No asuma que un amplificador de carga proporciona 4–20 mA o un bus de campo digital a menos que se especifique esa salida. Para un evento rápido, verifique la velocidad de actualización y el filtrado de la entrada analógica, así como el ciclo del programa del PLC. Si el sistema de control no puede preservar la forma de onda, utilice un canal de adquisición adecuado y pase un resultado validado al controlador.
Elija muestreo y filtrado anti-alias para la señal que necesita retener; aumentar la frecuencia de muestreo no corrige un filtro analógico inadecuado. Asegure los cables del modo de carga para que el movimiento de la máquina no los flexione innecesariamente, utilice el cable de bajo ruido especificado y mantenga las conexiones de alta impedancia limpias y secas. Documente la escala y la polaridad del canal con el archivo de datos para que otro ingeniero pueda reconstruir la fuerza a partir del voltaje registrado.
Un certificado de sensor describe condiciones de calibración específicas. La puesta en servicio también debe establecer cómo el ensamblaje final convierte la fuerza aplicada en el resultado registrado. Cuando exista una derivación de fuerza, compare el sistema instalado con una referencia calibrada adecuada a través de la ruta de carga prevista. Utilice múltiples puntos de fuerza y ciclos de carga repetidos apropiados para el rango de trabajo y mantenga cada lectura dentro de una ventana de medición validada.
Guarde el número de serie del sensor, el instrumento de referencia, la condición de montaje, la precarga, la configuración del amplificador, la escala DAQ y el tiempo de prueba. Vuelva a verificar después de cambios que puedan afectar el intercambio o la conversión de fuerza, incluido un nuevo sensor, un dispositivo modificado, una ganancia de amplificador modificada o una escala de software revisada. La inyección de carga eléctrica puede verificar la electrónica, pero por sí sola no puede verificar la trayectoria de la carga mecánica.
Antes de aceptar la instalación, defina criterios de aprobación mensurables: el cambio de referencia permitido durante el ciclo, el error permitido durante una retención y la variación aceptable en picos repetidos. Verifique el comportamiento de referencia con el dispositivo mecánicamente estable, luego aplique una carga de referencia controlada usando la misma secuencia de reinicio y adquisición planificada para la operación. Una prueba de retención por sí sola no puede distinguir la verdadera relajación de la carga del deterioro eléctrico sin una referencia independiente.
Para la verificación dinámica, inspeccione los datos sin procesar para detectar recortes y timbres, compare los resultados con la configuración de filtro adecuada y verifique la respuesta del dispositivo ensamblado con un método adecuado. Establezca límites de aceptación antes de comparar sensores candidatos. Cuando solicite una revisión del modelo FIBOS , proporcione el historial de carga, el plano de montaje, el cambio de fuerza más pequeño, la duración de la medición y los detalles del amplificador o DAQ existente. Para proyectos de reemplazo, incluya el modelo original y la información de calibración; igualar la capacidad nominal por sí sola no establece compatibilidad.
Un elemento sensor pasivo de salida de carga genera carga sin excitación del puente, pero su amplificador de carga y su electrónica de adquisición necesitan energía. Los sensores IEPE también necesitan la alimentación de corriente constante especificada para su electrónica integrada. Verifique el tipo de señal real antes de conectar la alimentación; una entrada de carga pasiva no es una conexión de suministro IEPE.
Potencialmente, si el sensor permanece dentro de sus límites mecánicos y la cadena completa resuelve la fuerza incremental requerida. Establecer una nueva línea de base eléctrica bajo precarga puede permitir que la electrónica adecuada se centre en el cambio posterior. Verifique el rango de carga, el ruido, la deriva y el reparto de fuerzas; La puesta a cero no elimina la precarga ni garantiza una resolución particular.
No. La frecuencia de resonancia describe una resonancia mecánica, mientras que el ancho de banda utilizable es el intervalo de frecuencia en el que el sistema instalado cumple con la tolerancia de respuesta requerida. La masa adicional y la rigidez del accesorio afectan la respuesta mecánica; el amplificador y los filtros también limitan el resultado. No utilice un valor de resonancia del catálogo como ancho de banda de medición plano garantizado. PCB analiza la respuesta de frecuencia y la instalación del sensor de fuerza.
Sólo después de verificar el tipo de señal, la sensibilidad, el rango de carga, la polaridad, el cableado del conector y el modo de medición requerido. El ajuste mecánico y la dirección de la carga también deben coincidir con la aplicación. Actualice la configuración de conversión y verifique la cadena instalada con una carga de referencia. Un mismo rango de fuerza nominal no establece reemplazo directo ni desempeño equivalente.
El movimiento de un cable de carga de alta impedancia puede generar una carga eléctrica no deseada, a menudo denominada ruido triboeléctrico. Primero verifique que el movimiento no esté aplicando también una fuerza real al sensor o al conector. Con la carga mecánica estable, compare la señal antes y después de fijar el cable de bajo ruido especificado. Inspeccione la limpieza de la conexión y la conexión a tierra antes de tratar cada pico como una fuerza del proceso.
