Visualizzazioni: 0 Autore: Editor del sito Orario di pubblicazione: 2026-11-11 Origine: Sito
I sensori di forza piezoelettrici convertono la forza meccanica in un segnale di carica elettrica. La loro elevata rigidità li rende utili per catturare forze di impatto, compressione o tensione rapida e cambiamenti di forza durante i cicli della macchina. Con un adeguato condizionamento del segnale, possono anche misurare forze che cambiano lentamente o che vengono trattenute temporaneamente in una finestra di misurazione definita.
Inizia con l'evento di forza che devi registrare: la sua direzione, il valore di picco, la durata e il più piccolo cambiamento significativo. Un sensore che cattura con precisione un breve impatto potrebbe non essere adatto a monitorare una forza di serraggio costante per ore. Il sensore, la disposizione di montaggio, l'amplificatore e le impostazioni di acquisizione dati devono essere selezionati insieme.
All'interno di un sensore di forza al quarzo, la forza applicata all'elemento sensibile produce carica attraverso l'effetto piezoelettrico diretto. Per una direzione di carico specificata, la relazione ideale è Q = S × F, dove Q è la carica in picocoulomb (pC), S è la sensibilità alla carica in pC/N e F è la forza in newton (N). Il valore di calibrazione del sensore reale deve essere utilizzato quando si converte un segnale registrato in forza.
Un amplificatore di carica converte questo segnale ad alta impedenza in una tensione utilizzabile. Alcuni sensori piezoelettrici contengono invece elettronica integrata e forniscono un segnale IEPE. La forza è la quantità misurata; la carica o tensione è la sua rappresentazione elettrica. Un sensore di forza piezoelettrico non deve pertanto essere confuso con un sensore di pressione del fluido semplicemente perché entrambi utilizzano materiali piezoelettrici.
Un sensore di carica in uscita necessita di un condizionamento di carica compatibile prima che il suo segnale raggiunga un normale ingresso di acquisizione della tensione.
I sensori piezoelettrici sono ottimi candidati quando la misurazione richiede un percorso di carico rigido e l'acquisizione di rapidi cambiamenti di forza. I sensori di forza estensimetrici misurano la deformazione elastica attraverso una variazione della resistenza elettrica e sono spesso la scelta più semplice per carichi statici sostenuti. Entrambe le tecnologie possono misurare le forze che cambiano entro i limiti specificati; la decisione dovrebbe seguire la durata, la risposta e l’incertezza richieste piuttosto che una semplice etichetta di statico-contro-dinamico.
Possono misurare la forza quasi statica quando la catena di misura mantiene il decadimento e la deriva del segnale entro l'errore consentito per il tempo richiesto. Ciò è diverso dal mantenere indefinitamente una lettura accurata di un carico costante. Un riferimento nel catalogo alla calibrazione statica non stabilisce l'idoneità per la pesatura a lungo termine o il monitoraggio continuo della forza di presa.
| del task | del segnale | Controllo della selezione |
|---|---|---|
| Dinamico | Impulso forzato o forma d'onda modificata | Conserva sia le parti veloci che quelle lente. |
| Quasi statico | Rampa lenta o breve attesa | Controlla la deriva e il decadimento durante il test completo. |
| Statico a lungo termine | Carico costante per un periodo prolungato | Preferire un sistema estensimetrico a meno che non sia convalidata l'intera catena. |
La costante di tempo descrive il comportamento a bassa frequenza dell'elettronica di misura. In un sistema ideale del primo ordine, il segnale a gradino decade come V(t) = V0 × exp(-t/τ), dove τ è la costante di tempo. Una costante di tempo più lunga riduce il decadimento durante un mantenimento finito, ma è ancora necessario controllare la deriva correlata alle perdite e gli effetti della temperatura. Kistler distingue queste modalità operative nel suo guida costante di tempo.
Ad esempio, una attesa di 1 secondo in un sistema ideale con una costante di tempo di 100 secondi perde circa l'1% del segnale iniziale solo attraverso questo meccanismo. Questo calcolo esclude rumore, effetti termici, errori di calibrazione e altre derive. Non si tratta di una dichiarazione di prestazione per alcun modello FIBOS . Definire l'errore di forza accettabile e testare la durata completa invece di presumere che un numero universale di secondi si applichi a tutti i sensori piezoelettrici.
In questo modello ideale del primo ordine, una costante di tempo più lunga riduce il decadimento durante una tenuta finita; le misurazioni effettive devono tenere conto anche della deriva e di altri errori.
I seguenti design sono rappresentati nel catalogo prodotti FIBOS 2026. Questi gruppi descrivono diverse considerazioni sulla selezione: una rondella è una forma meccanica, mentre tensione-compressione e tre assi descrivono le direzioni di misurazione. Non sono classificazioni reciprocamente esclusive.
Una rondella di forza posiziona un elemento sensibile anulare attorno ad un'apertura centrale. Può adattarsi a un assieme compresso in cui un bullone o un albero passa attraverso il centro. FIBOS FE011 è identificato come un sensore piezoelettrico a struttura ad anello e la sua pagina di catalogo specifica il funzionamento passivo con strumentazione di carica. Il suo disegno fornisce le dimensioni necessarie per valutare le superfici di apertura e di appoggio.
La lavatrice deve trovarsi nel percorso di carico previsto; il semplice montaggio attorno a un bullone non significa che misuri l'intera forza congiunta. Controlla come il bullone e le parti circostanti condividono il carico e determina la sensibilità installata. Per problemi più ampi sulla selezione meccanica, consultare la FIBOS guida del sensore di forza a foro passante e a ciambella.
FIBOS FE011 utilizza una struttura ad anello. Valutare insieme l'apertura centrale, le superfici portanti e il percorso del carico installato.
Per un singolo carico assiale, verificare se il sensore è specificato solo per la compressione o sia per tensione che per compressione. La pagina del catalogo FIBOS FE001B elenca un campo di misura da 0 a 1.000 N e una struttura filettata compatta. FE022 fornisce la misurazione bidirezionale, con opzioni di range ±10, ±30, ±50 e ±60 kN elencate nel catalogo. Questi sono esempi di diverse capacità di carico, non di progetti di montaggio intercambiabili.
Un'installazione di tensione-compressione necessita di una connessione di carico che trasmetta entrambe le direzioni senza allentamenti o flessioni involontarie. Confermare la dimensione della filettatura, l'innesto, la direzione di caricamento e la sensibilità di calibrazione per ciascuna direzione. Un intervallo di sola compressione non deve essere trattato come un valore di trazione semplicemente perché l'alloggiamento è dotato di filettature.
FE001B e FE022 illustrano diverse capacità di misurazione assiale. Confermare la direzione del carico e il collegamento meccanico specifico del modello.
Scegli un sensore a tre assi quando il risultato utile include Fx , Fy e Fz anziché una forza assiale. FIBOS FE025 e FE027 sono entrambi descritti come misuratori simultanei di tre componenti di forza reciprocamente perpendicolari. Le pagine del loro catalogo identificano l'output di carica e mostrano specifiche X/Y e Z separate. FE025 utilizza una forma a foro passante; FE027 ha una disposizione di montaggio a blocchi.
Registrare le direzioni delle coordinate del sensore prima del montaggio e assegnare ciascun canale nel software di acquisizione. Richiedere le informazioni sulla diafonia e la calibrazione applicabili per la condizione di carico prevista. Tre canali di forza non stabiliscono la capacità di forza e coppia su sei assi e non si dovrebbe presupporre lo stesso limite di forza per ogni asse.
FE025 e FE027 misurano tre componenti di forza perpendicolari. Verificare la mappatura delle coordinate e le specifiche di ciascun asse prima dell'integrazione.
In un ciclo di pressatura, il segnale utile può essere l'aumento della forza, un picco vicino al posizionamento finale o un cambiamento inaspettato prima che la parte raggiunga la posizione target. Posizionare il sensore nel punto in cui viene trasmessa la forza di processo e sincronizzare la forza con lo spostamento se il criterio di accettazione dipende dalla posizione di inserimento. Allo stesso modo lo stampaggio e altre operazioni di giunzione richiedono una finestra di misurazione definita e una condizione di montaggio ripetibile.
Per un ciclo con una fase di mantenimento, verificare sia il plateau che il picco. Un sistema che identifica correttamente la forza massima può comunque rappresentare in modo errato la forza mantenuta a causa del decadimento del segnale. Impostare il punto di ripristino in modo coerente prima dell'evento di forzatura e al di fuori dell'intervallo utilizzato per l'accettazione.
Per un test di impatto, stimare l'impulso di forza e il relativo tempo di salita prima di scegliere la portata del sensore e le impostazioni di acquisizione. Un piccolo oggetto caduto non produce necessariamente un piccolo picco di forza: la distanza di arresto e la rigidità del contatto influenzano l'evento. Ispezionare l'apparecchiatura e la forma d'onda registrata per individuare eventuali squilli, ritagli e contatti ripetuti. Il caricamento dinamico ripetuto richiede anche la conferma della cronologia dei carichi consentiti; il valore di sovraccarico sicuro da solo non è una valutazione della durata a fatica.
Una misurazione a tre assi può aiutare a separare i componenti della forza in un esperimento di taglio o in un dispositivo di ricerca. Definire se il risultato richiesto è un singolo componente, una forza risultante o una modifica relativa ad una linea di base precaricata. Un sensore montato sotto un dispositivo non isola automaticamente la forza di contatto desiderata: l'inerzia del dispositivo, il movimento strutturale e altri percorsi di carico possono contribuire.
Annotare i carichi meccanici più alti e più bassi sul sensore, inclusi il precarico e i picchi transitori. L'azzeramento elettrico modifica la lettura di riferimento; non rimuove il precarico né ripristina la capacità meccanica. Come esempio di contabilità semplificata, un precarico di compressione di 2 kN più un evento di compressione aggiuntivo di 3 kN fa passare 5 kN attraverso il sensore se entrambi i carichi seguono lo stesso percorso. I gruppi di rondelle effettivi possono condividere quel carico aggiuntivo con un bullone o una struttura circostante.
Per la tensione misurata attraverso un gruppo precaricato, controllare quanta compressione rimane allo scarico massimo e seguire il metodo di montaggio specificato. Non scegliere una percentuale di precarico universale né utilizzare il limite di sovraccarico di sicurezza come intervallo operativo normale. Invia la cronologia dei carichi previsti e il disegno di assieme per la revisione specifica del modello.
Specifica il cambiamento più piccolo che potrebbe influenzare la tua decisione. Ad esempio, distinguere una differenza di forza di assemblaggio di 5 N è un compito diverso dal semplice rilevamento di un picco di 1 kN . Chiedere se l'errore dichiarato è relativo al fondo scala o alla lettura e valutare il rumore di base e la deriva nelle unità di forza. L'aumento del guadagno dell'amplificatore aumenta la variazione di tensione, ma non elimina gli errori meccanici né stabilisce un limite di misurazione garantito più piccolo.
Costruisci la valutazione dell'incertezza attorno alla catena installata: calibrazione, ripetibilità, allineamento, condivisione della forza, elettronica e durata della misurazione. Per il lavoro a tre assi, includere l'influenza dei carichi sugli altri canali. La figura di linearità di un catalogo di per sé non è l'incertezza della macchina finita.
Controllare il disegno del modello per le superfici di carico previste e i dettagli di montaggio. Le parti accoppiate dovrebbero supportare l'area del cuscinetto specificata e trasmettere la forza nella direzione prevista. Sporco, contatto irregolare e carico sui bordi possono far sì che un test nominalmente assiale introduca flessione o stress locale. Verificare che gli adattatori non entrino in contatto con il connettore e che i cavi abbiano spazio libero lungo la corsa della macchina.
Durante la messa in servizio, confrontare cicli ripetuti senza modificare l'apparecchio. Se un piccolo riposizionamento modifica sostanzialmente il picco misurato, esaminare il percorso di montaggio e di carico prima di regolare la scala del software. Per le prove dinamiche, verificare anche se un adattatore aggiunto modifica la risposta dell'apparecchio assemblato.
Il precarico mantiene impegnate le superfici di contatto previste. In un'installazione con rondella imbullonata, tuttavia, anche il bullone forma un percorso di carico parallelo. Parte di una variazione di forza esterna può passare attraverso quel percorso, quindi la sensibilità del gruppo installato può differire dal valore di calibrazione del sensore. Kistler discute questa distinzione nel suo manuale di installazione del trasduttore di forza ad anello.
Determinare il fattore di conversione con il bullone finale, i distanziatori, le parti di supporto e le condizioni di precarico in atto. Registrare tali condizioni con i risultati della calibrazione. La modifica di un distanziale o di un bullone può modificare la condivisione della forza anche quando il sensore e l'amplificatore rimangono invariati. Utilizzare le istruzioni specifiche del sensore per stabilire il precarico; una regola di un altro modello non è sufficiente.
Un bullone di precarico modifica il percorso del carico installato. Stabilire la sensibilità con il bullone finale, i supporti e la condizione di precarico in atto.
Un sensore di carica in uscita normalmente si collega a un amplificatore di carica o a un ingresso DAQ appositamente progettato per segnali di carica. Un normale ingresso di tensione o un amplificatore a ponte estensimetrico non è un sostituto. Un sensore IEPE utilizza un'alimentazione a corrente costante compatibile e una disposizione di lettura della tensione. Il solo montaggio del connettore non stabilisce la compatibilità elettrica. PCB spiega la carica e il condizionamento del segnale dell'elettronica integrata.
Gli esempi FIBOS in questo articolo si basano sulle informazioni del catalogo delle modalità di addebito. FE011 richiede esplicitamente la strumentazione di carica e FE025/FE027 specifica l'uscita di carica. Selezionare l'ingresso per l'uscita di addebito specificata; non dare per scontato che questi modelli contengano elettronica IEPE. FE8101 è un amplificatore di carica FIBOS , non un altro sensore di forza.
FE8101 è un amplificatore di carica. Abbinare la configurazione fornita al segnale di carica del sensore, all'ingresso di acquisizione e alla finestra di misurazione.
Calcolare la carica prevista prima di impostare il guadagno dell'amplificatore. Utilizzando la sensibilità nominale FE001B di 4 pC/N dal catalogo 2026, una variazione di forza di 500 N produce un valore nominale di 2.000 pC. Con un'impostazione illustrativa dell'amplificatore di 1 mV/pC, la variazione dell'uscita è di 2 V. A 10 mV/pC, lo stesso evento richiederebbe 20 V e limiterebbe un amplificatore a ±10 V. Questo è un esempio di ridimensionamento, non la verifica di una particolare configurazione sensore-amplificatore.
A parità di segnale di carica nominale, aumentando il guadagno da 1 a 10 mV/pC si aumenta l'uscita richiesta da 2 a 20 V; uno stadio di uscita di ±10 V si disconnetterebbe.
Controllare insieme il limite di ingresso della carica, l'oscillazione dell'uscita, l'impostazione del guadagno e la modalità di misurazione. Una finestra di misurazione lunga richiede anche un'adeguata risposta alle basse frequenze e prestazioni di deriva. Il catalogo FE8101 elenca il guadagno regolabile e un'uscita di tensione, ma non stabilisce una durata di mantenimento garantita per il tuo apparecchio. Confermare l'esatta configurazione fornita e la finestra di misurazione richiesta. Kistler riassume il concetto più ampio criteri di selezione dell'amplificatore di carica.
Collegare l'uscita condizionata a un ingresso DAQ o PLC con l'intervallo di tensione, la disposizione di messa a terra e la velocità di acquisizione corretti. Non dare per scontato che un amplificatore di carica fornisca 4–20 mA o un bus di campo digitale a meno che tale uscita non sia specificata. Per un evento veloce, controllare la velocità di aggiornamento e il filtraggio dell'ingresso analogico, nonché il ciclo del programma PLC. Se il sistema di controllo non è in grado di preservare la forma d'onda, utilizzare un canale di acquisizione adeguato e trasmettere un risultato convalidato al controller.
Scegli il campionamento e il filtraggio anti-alias per il segnale che desideri conservare; l'aumento della frequenza di campionamento non corregge un filtro analogico inadatto. Fissare i cavi in modalità di carica in modo che il movimento della macchina non li fletta inutilmente, utilizzare il cavo a basso rumore specificato e mantenere puliti e asciutti i collegamenti ad alta impedenza. Documentare la scala e la polarità del canale con il file di dati in modo che un altro tecnico possa ricostruire la forza dalla tensione registrata.
Un certificato del sensore descrive le condizioni di calibrazione specificate. La messa in servizio deve inoltre stabilire in che modo l'assemblaggio finale converte la forza applicata nel risultato registrato. Laddove esiste uno shunt di forza, confrontare il sistema installato con un riferimento calibrato adeguato attraverso il percorso di carico previsto. Utilizzare più punti di forza e cicli di carico ripetuti adeguati all'intervallo di lavoro e mantenere ciascuna lettura all'interno di una finestra di misurazione convalidata.
Salvare il numero di serie del sensore, lo strumento di riferimento, le condizioni di montaggio, il precarico, le impostazioni dell'amplificatore, la scala DAQ e i tempi del test. Ricontrollare dopo modifiche che possono influenzare la condivisione o la conversione della forza, incluso un nuovo sensore, un dispositivo modificato, un guadagno dell'amplificatore modificato o una scala software modificata. L'iniezione di carica elettrica può controllare l'elettronica, ma non può verificare da sola il percorso del carico meccanico.
Prima di accettare l'installazione, definire criteri di superamento misurabili: la variazione della linea di base consentita durante il ciclo, l'errore consentito durante un'attesa e la variazione accettabile nei picchi ripetuti. Controllare il comportamento di base con l'attrezzatura meccanicamente stabile, quindi applicare un carico di riferimento controllato utilizzando la stessa sequenza di ripristino e acquisizione pianificata per il funzionamento. Un test di mantenimento da solo non è in grado di distinguere il vero rilassamento del carico dal decadimento elettrico senza un riferimento indipendente.
Per la verifica dinamica, ispezionare i dati grezzi per individuare eventuali clip e squilli, confrontare i risultati con impostazioni di filtro appropriate e verificare la risposta dell'apparecchiatura assemblata con un metodo adeguato. Impostare i limiti di accettazione prima di confrontare i sensori candidati. Quando si richiede una revisione del modello FIBOS , fornire la cronologia del carico, il disegno di montaggio, la variazione di forza più piccola, la durata della misurazione e i dettagli dell'amplificatore o del DAQ esistente. Per i progetti di sostituzione, includere il modello originale e le informazioni sulla calibrazione; la sola corrispondenza della capacità nominale non stabilisce la compatibilità.
Un elemento di rilevamento passivo con uscita di carica genera carica senza eccitazione del ponte, ma il suo amplificatore di carica e l'elettronica di acquisizione necessitano di alimentazione. Anche i sensori IEPE necessitano dell'alimentazione di corrente costante specificata per la loro elettronica integrata. Controllare il tipo di segnale effettivo prima di collegare l'alimentazione; un ingresso di carica passivo non è una connessione di alimentazione IEPE.
Potenzialmente, se il sensore rimane entro i suoi limiti meccanici e la catena completa risolve la forza incrementale richiesta. Stabilire una nuova linea di base elettrica sotto precarico può consentire all'elettronica adeguata di concentrarsi sul cambiamento successivo. Controllare l'intervallo di carica, il rumore, la deriva e la condivisione della forza; l'azzeramento non rimuove il precarico né garantisce una risoluzione particolare.
No. La frequenza di risonanza descrive una risonanza meccanica, mentre la larghezza di banda utilizzabile è l'intervallo di frequenza in cui il sistema installato soddisfa la tolleranza di risposta richiesta. La massa aggiunta e la rigidità del dispositivo influiscono sulla risposta meccanica; anche l'amplificatore e i filtri vincolano il risultato. Non utilizzare un valore di risonanza del catalogo come larghezza di banda di misurazione piatta garantita. PCB illustra la risposta in frequenza e l'installazione del sensore di forza.
Solo dopo aver controllato il tipo di segnale, la sensibilità, l'intervallo di carica, la polarità, il cablaggio del connettore e la modalità di misurazione richiesta. Anche l'adattamento meccanico e la direzione del carico devono corrispondere all'applicazione. Aggiorna le impostazioni di conversione e verifica la catena installata con un carico di riferimento. Lo stesso intervallo di forza nominale non stabilisce una sostituzione diretta o prestazioni equivalenti.
Il movimento di un cavo di ricarica ad alta impedenza può generare una carica elettrica indesiderata, spesso chiamata rumore triboelettrico. Innanzitutto verificare che il movimento non applichi anche una forza reale al sensore o al connettore. Con il carico meccanico stabile, confrontare il segnale prima e dopo aver fissato il cavo a basso rumore specificato. Ispezionare la pulizia e la messa a terra della connessione prima di considerare ogni picco come una forza di processo.
