Visualizações: 0 Autor: Editor do site Horário de publicação: 05/11/2026 Origem: Site
Um sensor de força através do orifício, também chamado de célula de carga donut ou arruela de carga, é um transdutor de força em forma de anel com uma abertura central para um parafuso, haste ou eixo. Ele mede a força axial, mais frequentemente a compressão, em montagens onde uma célula de carga sólida bloquearia o mecanismo. A abertura por si só não determina como o sensor deve ser carregado: as superfícies de carga e de suporte especificadas definem o caminho de medição.
Para equipamentos e instalações de pesquisa OEM , comece com três perguntas: qual força deve ser medida, para onde essa força se desloca e como toda a cadeia de medição a capturará? Este guia compara projetos de extensômetros e piezoelétricos e, em seguida, aborda dimensionamento de diâmetro e capacidade, instalação, conexão PLC ou DAQ e calibração instalada. Para ver formatos típicos, navegue no FIBOS faixa do sensor de força donut.
O furo passante descreve uma abertura que passa pelo sensor. Donut descreve seu formato de anel. A arruela de carga geralmente enfatiza a instalação em torno de um fixador ou dentro de uma pilha comprimida. Os fornecedores usam esses nomes com alguma sobreposição, portanto compare os desenhos e as instruções de instalação em vez de tratar os nomes como especificações intercambiáveis. FUTEK A categoria de célula de carga através do furo ilustra esta terminologia.
Estes são sensores de força, não sensores de pressão de fluido. A força é expressa em newtons ou quilonewtons. A pressão de contato também depende da área de contato efetiva e de sua distribuição; uma leitura de força não fornece automaticamente essa distribuição.
Um sensor de anel de eixo único típico mede um componente de força axial transferido através da estrutura de detecção pretendida. Em uma junta aparafusada, o sensor pode ser comprimido sob a porca enquanto o parafuso está tensionado. Em uma montagem com flange, a carga pode entrar através de um recurso anular interno e sair através de um flange de montagem externo. Esses arranjos requerem ferramentas diferentes.
Um furo central não faz do sensor um transdutor de torque, força radial ou multieixo. Nem significa que um eixo giratório possa tocar o furo. Confirme a direção nominal de medição e forneça espaço para as peças móveis.
Em um projeto de extensômetro, a força deforma levemente um elemento elástico. Medidores ligados alteram a resistência e um circuito em ponte converte essa alteração em um pequeno sinal elétrico. Com excitação estável e condicionamento de sinal adequado, esta abordagem suporta cargas sustentadas, bem como cargas variáveis. O desempenho dinâmico ainda depende da estrutura montada e da eletrônica.
Para uma ponte classificada em 2 mV/V com excitação de 5 V, a saída nominal em escala total é de 10 mV. Este é um cálculo ilustrativo, não uma especificação de modelo FIBOS . Tal sinal geralmente precisa de uma entrada de ponte ou de um amplificador de instrumentação antes que uma entrada analógica convencional do CLP possa lê-lo de forma confiável.
Uma arruela de força piezoelétrica gera carga elétrica quando seu material sensor é carregado mecanicamente. Um amplificador de carga converte este sinal em uma tensão utilizável. A abordagem é útil para mudanças rápidas de força, enquanto o decaimento do sinal suficientemente lento e o desvio controlado também podem permitir medições ao longo de um intervalo quase estático definido. Não se deve presumir que mantém uma leitura absoluta estável indefinidamente.
Kistler explica que a medição quase estática depende do isolamento e do comportamento de baixa frequência do amplificador de carga. Para um teste de retenção longo, compare o desvio aceitável e a duração da medição com a especificação completa do sistema antes de selecionar um sensor piezoelétrico.
FIBOS Imagem do produto do catálogo FE011. O sensor de saída de carga requer instrumentação de carga compatível.
Uma arruela de carga se ajusta a um caminho de carga comprimido, geralmente ao redor de um fixador. Sua instalação pode exigir arruelas de introdução de carga específicas, acabamentos superficiais ou pré-carga mecânica. Confirme a área de contato do rolamento, não apenas o tamanho nominal do parafuso. Interface descreve seu Arruela de carga LW como produto de furo passante para medição de tensão de fixadores; essa descrição da aplicação não estabelece compatibilidade com todas as juntas.
Dentro do intervalo FIBOS , o A célula de carga com arruela de parafuso FA1339 é listada com compressão como direção de carga e uma saída nominal de 1–2 mV/V , o que a coloca na cadeia de medição de saída da ponte. Verifique seu desenho quanto ao furo, área de rolamento e ferramentas de suporte necessárias antes de combiná-lo com uma junta específica.
Alguns sensores de anel separam a conexão de carga do flange de montagem. A abertura central acomoda uma haste ou eixo, enquanto as características anulares usinadas e os padrões dos parafusos estabelecem como a força passa entre a máquina e o elemento elástico. FUTEK A descrição do LTH500 , por exemplo, distingue recursos de carregamento interno e suporte externo. Não transfira essa geometria de instalação para outro modelo sem verificar o seu desenho.
O catálogo FIBOS FA128 mostra uma passagem de eixo central, uma extremidade de carga anular e fixação de flange a um assento fixo. É um exemplo útil ao avaliar um layout de máquina que necessita de uma abertura central. Comece com o Página do produto FA128 e, em seguida, confirme o desenho atual e o arranjo de montagem para a versão selecionada. O catálogo identifica a compressão como sua direção de carregamento; o furo não implica capacidade de tensão.
FIBOS Imagem do produto do catálogo FA128 e diagrama de direção de compressão. Confirme o desenho do modelo para as interfaces de carregamento e suporte.
A geometria de montagem e a tecnologia de detecção são escolhas distintas. Um sensor em forma de arruela pode usar extensômetros ou material piezoelétrico. O catálogo FIBOS FE011, por exemplo, mostra um sensor de quartzo em forma de anel destinado a trabalhar com instrumentação de carga. Esta é uma cadeia de medição elétrica diferente da saída da ponte do FA128.
A tabela abaixo resume como as duas tecnologias de detecção diferem quando são incorporadas em um formato passante. Use-o para selecionar uma tecnologia e, em seguida, confirme as especificações do modelo selecionado.
| Ponto de comparação | Sensor de furo passante do extensômetro | Arruela de força piezoelétrica |
|---|---|---|
| Saída de sinal | mV/V sinal de ponte | Carga elétrica (pC) |
| Eletrônica necessária | Excitação mais amplificador de ponte ou entrada DAQ de ponte | Amplificador de carga e cabo de baixo ruído especificado |
| Cargas estáticas ou retidas | Adequado para leituras sustentadas | Limitado por desvio e constante de tempo; quase estático apenas em um intervalo definido |
| Transientes rápidos | Limitado pela estrutura montada e largura de banda condicionada | Normalmente adequado para mudanças rápidas de força |
| Conexão direta ao CLP | Somente através de um módulo ponte ou amplificador | Nunca diretamente; use um amplificador de carga primeiro |
| Usos típicos | Força de fixação, monitoramento de pressão, retenção de pré-carga | Eventos de teste de impacto, corte e alta dinâmica |
Um sensor sob a cabeça de uma porca ou parafuso pode ajudar a medir a reação compressiva associada à pré-carga do parafuso, desde que a força de contato pretendida passe através dele. Isto suporta testes de desenvolvimento de juntas, ajuste de braçadeiras e comparação de métodos de aperto. O torque de aperto por si só não é a mesma quantidade que a tensão do parafuso: o atrito e as condições da junta afetam sua relação.
Indique se o objetivo é a pré-carga inicial, sua alteração durante a operação ou a força externa aplicada à montagem. Após o aperto, uma mudança na carga da arruela não precisa ser igual a toda a força externa porque a junta e o fixador compartilham a carga de acordo com sua rigidez e estado de contato.
Uma abertura central pode preservar a passagem de uma ferramenta ou atuador enquanto um sensor mede a força de reação axial. Em uma impressora, isso pode suportar monitoramento de força versus tempo ou força versus posição. Decida onde o sensor fica em relação às guias, rolamentos e ferramenta: o atrito ou outro caminho de suporte entre o sensor e a peça de trabalho pode fazer com que a reação medida seja diferente da força real do processo.
Cabeçote de carregamento e fixação inferior ajustável em equipamentos de prensa.
Para laboratórios universitários e de desenvolvimento, um sensor de anel pode deixar espaço para uma haste de amostra, parafuso de ajuste ou acessório coaxial. Defina o menor incremento de força útil, pré-carga esperada, duração do teste e sincronização necessária com deslocamento ou outros canais. Uma pequena abertura ou um corpo discreto não garantem, por si só, uma resolução útil para pequenas forças.
Verifique o maior diâmetro de passagem, incluindo cristas de rosca, tolerâncias, excentricidade e acesso à montagem. Em seguida, verifique o diâmetro externo, as dimensões do anel de carregamento, os furos de montagem, a saída do cabo, o acesso ao conector e o espaço necessário para arruelas ou adaptadores. A altura instalada inclui todas as peças necessárias para introdução de carga, não apenas o corpo do sensor.
Pergunte se a junta permanece suficientemente rígida e se a parte móvel permanece livre durante todo o seu curso. Para um sensor de substituição, compare a pilha completa e a geometria de transferência de carga com a instalação original. Um furo correspondente é apenas uma verificação de compatibilidade.
Geometria de seleção, apenas esquemático: verifique a abertura, o envelope externo, a altura total da pilha e a folga do cabo ou conector juntos.
Dimensione o sensor para a maior carga mecânica que realmente o atinge. Se uma pré-carga de 2 kN e um incremento de processo de 3 kN atuarem na mesma direção de compressão, o sensor poderá carregar 5 kN mesmo após o display ter sido zerado. Este exemplo assume um caminho de carga aditivo direto; uma junta pré-carregada com caminhos elásticos paralelos necessita de sua própria análise de compartilhamento de carga.
Inclui aceleração, impacto, ciclos anormais e cargas de instalação. Consulte os limites combinados de carga e sobrecarga do fabricante, quando relevante. Sobrecarga admissível é um limite de sobrevivência sob condições determinadas, não uma faixa de trabalho extra calibrada. Para ciclos repetidos, solicite informações sobre fadiga aplicáveis ao espectro de carga real.
Carga aditiva ilustrativa: 2 kN pré-carga mais um incremento de processo de 3 kN dá 5 kN carga mecânica. Zerar não remove a pré-carga.
Leia a base de cada especificação de erro: porcentagem do fundo da escala, porcentagem da leitura ou outra definição. Um componente ilustrativo de erro de escala total de 0,2% em um sensor de 10 kN corresponde a 20 N. Em uma leitura de 200 N, esse componente sozinho é igual a 10% da leitura. Não é a incerteza total, que também inclui outros efeitos de sensores, montagem e eletrônicos.
Para pequenas alterações de força em uma pré-carga grande, compare ruído, desvio, histerese, fluência e repetibilidade ao longo do ciclo real. Os dígitos de exibição e a contagem de bits ADC não estabelecem o menor incremento de força confiável. Solicite evidências sobre as cargas de trabalho e largura de banda exigidas.
A frequência natural não é a largura de banda de medição utilizável. Massa adicionada, rigidez de montagem, filtros amplificadores e configurações de aquisição afetam a resposta instalada. Selecione amostragem e filtragem anti-alias para o recurso mais rápido que importa e verifique se a varredura do PLC ou a atualização das comunicações podem preservá-lo.
Distinguir a temperatura operacional da faixa de temperatura compensada. Considere gradientes térmicos de ferramentas ou motores, refrigeração, flexão de cabos e vedação de conectores. Uma classificação IP aborda condições de entrada específicas; não estabelece compatibilidade química nem elimina erros de medição térmica.
Antes de solicitar um orçamento ou amostra, faça as verificações abaixo. Cada linha emparelha o parâmetro para confirmar com o erro que mais frequentemente causa uma incompatibilidade entre a folha de dados e o resultado instalado.
| Parâmetro | O que confirmar | Erro comum |
|---|---|---|
| Diâmetro do furo | Maior peça de passagem, tolerâncias e desvio | Correspondendo apenas ao tamanho nominal do parafuso |
| Altura do envelope e da pilha | Diâmetro externo, adaptadores, saída de cabo e acesso ao conector | Ignorando peças de introdução de carga |
| Capacidade | Pré-carga mais força de trabalho mais picos no sensor | Dimensionamento da força após zerar |
| Direção de carregamento | Compressão nominal, tensão ou ambas | Supondo que um buraco permita tensão |
| Base de precisão | Erro nos níveis de força realmente medidos | Leitura% F.S. como% da leitura |
| Cadeia de sinal | mV/V ou saída de carga e entrada do controlador | Conectando um sinal bruto a uma entrada analógica PLC padrão |
| Ambiente | Faixa de temperatura compensada, entrada e roteamento de cabos | Tratar uma classificação IP como resistência química |
| Calibração instalada | Força de referência aplicada através do caminho de carga real | Confiar apenas na calibração do shunt |
Traça a força do componente móvel, através da superfície de carga pretendida e do elemento elástico, até o suporte da máquina. Marque cada contato no desenho de montagem. O contato com um diafragma protegido, prensa-cabo ou superfície sem carga pode produzir erros ou danos. Não prenda toda a face do sensor, a menos que o desenho de instalação do fabricante permita.
Mantenha os eixos e parafusos afastados do furo quando necessário, inclusive sob deflexão. O contato com o furo pode introduzir cargas laterais ou um caminho de força não intencional. Passe e prenda o cabo de modo que o movimento da máquina não puxe o sensor nem esfregue o isolamento.
Use arruelas endurecidas ou peças de contato usinadas especificadas, com superfícies de rolamento limpas, planas e paralelas. Uma porca inclinada, rebarba, placa mole ou flange irregular pode concentrar o contato e entortar o sensor. Aperte os fixadores de montagem na sequência especificada e nos valores especificados. Não existe um torque de aperto universal para todos os sensores donut.
Alinhe o eixo de força com o eixo de detecção pretendido e verifique os deslocamentos da ferramenta. A resistência à carga excêntrica é específica do modelo. Um sensor que sobrevive a uma carga fora do eixo ainda pode produzir erros de medição inaceitáveis sob essa carga.
A pré-carga mecânica pode estabelecer contato e manter um elemento sensível à compressão acoplado. Siga os requisitos de pré-carga do modelo selecionado. A zeragem elétrica altera a leitura de referência; não remove a pré-carga, não restaura a capacidade mecânica nem prova que o conjunto se assentou.
Uma derivação de força é um caminho elástico paralelo que transporta parte de um incremento de carga ao redor do elemento sensor. Em uma montagem linear simplificada com o mesmo deslocamento incremental, o sensor carrega ΔFs = ks/(ks + kb) × ΔF, onde ks é a rigidez do caminho de detecção e kb é a rigidez do caminho de desvio. Este modelo ilustra o compartilhamento de carga; não é uma equação universal para todas as juntas aparafusadas.
Modelo linear simplificado de caminho paralelo com deslocamento final comum. O compartilhamento real de carga conjunta deve ser avaliado quanto às suas condições reais de contorno e contato.
A discussão de HBK sobre a medição de derivação de força explica por que a sensibilidade instalada pode diferir da sensibilidade independente do sensor. Estabeleça a relação montada com uma força de referência conhecida. Se os suportes, a pré-carga ou as condições de contato mudarem, reavalie essa relação em vez de reutilizar automaticamente um fator de correção antigo.
Para um sensor de saída em ponte, confirme a tensão de excitação, a resistência da ponte, a saída nominal, a polaridade do sinal e a atribuição real dos pinos. Não deduza a fiação apenas pela cor do cabo. Um módulo DAQ em ponte pode fornecer excitação e ler o sinal diferencial; caso contrário, use um amplificador compatível para produzir a tensão, corrente ou interface digital exigida pelo controlador. FIBOS listas amplificadores de células de carga para esta etapa de condicionamento; combine sua faixa de entrada e tipo de saída com o sensor e o controlador.
Verifique a faixa de entrada do amplificador antes da tara, escala de saída, requisitos de alimentação, aterramento e terminação de blindagem. Mantenha a fiação de sinal de baixo nível longe dos acionamentos do motor e dos cabos de alimentação de comutação. Confirme o comportamento em sobrecarga, desconexão do sensor e inicialização para que o controlador não confunda um sinal de falha com um valor de força válido.
Fiação do sensor e um indicador digital em uma estação de trabalho de teste FIBOS .
Um sensor de saída de carga precisa de um amplificador de carga compatível e do cabo de baixo ruído especificado. Mantenha os conectores limpos, secos e mecanicamente seguros. O elemento sensor do sensor pode não exigir excitação de ponte, mas seu amplificador ainda precisa de energia. Não conecte uma saída de carga diretamente a uma entrada analógica padrão do CLP.
Selecione a faixa de carga e as configurações de sensibilidade para o sensor instalado e, em seguida, escolha uma constante de tempo apropriada à duração do evento e ao decaimento aceitável. Reinicialize o amplificador de carga em uma condição de ciclo definida e documente o que essa referência significa. Kistler O guia de tecnologia do amplificador de carga mostra como diferentes configurações de constante de tempo alteram a forma de onda medida.
Duas cadeias de medição: sensores de saída em ponte precisam de excitação e condicionamento de ponte adequados; sensores de saída de carga precisam de um amplificador de carga compatível.
Registre o sensor, os componentes eletrônicos, a configuração de montagem, a condição de pré-carga, a temperatura e as configurações do filtro. Após o aquecimento e o estabelecimento mecânico, verifique o zero no estado de referência definido. Aplique forças conhecidas em vários pontos relevantes na faixa de trabalho, incluindo carga e descarga quando for prático, e repita o ciclo para expor histerese ou assentamento inadequado.
Um resistor de calibração shunt em uma ponte de extensômetro verifica uma resposta elétrica. Ele não aplica força mecânica e não pode verificar a transferência de carga, a qualidade do contato ou a rigidez da montagem. Da mesma forma, um zero estável é útil, mas não prova que a sensibilidade esteja correta.
Onde a montagem criar compartilhamento de carga, calibre o sistema montado em relação a um transdutor de referência adequado no caminho de força pretendido. HBKs O procedimento de calibração do CFW distingue a determinação da sensibilidade após a montagem, configuração do amplificador e verificação. Use os próprios requisitos do sensor selecionado para planejar o procedimento.
Em seguida, verifique a tarefa de medição real: um teste de retenção para fluência ou deriva, ciclos de máquina repetidos para repetibilidade e carga transitória representativa para picos e temporização. Uma verificação de referência estática por si só não estabelece uma resposta dinâmica. Defina limites de aceitação do processo ou experimento e verifique novamente após remontagem, sobrecarga ou alteração significativa no caminho da força.
Para solicite uma revisão de seleção FIBOS , forneça um esboço de montagem, o diâmetro da peça passante, espaço disponível, superfícies de carga e suporte, pré-carga e ciclo de força, duração da medição, ambiente e entrada do controlador. Se estiver substituindo uma unidade existente, inclua seu modelo completo, desenho e informações de calibração. Se nenhum furo ou envelope padrão couber, esses detalhes também apoiam a discussão de um sensor personalizado não padrão antes de se comprometer com uma amostra.
Sim, em uma montagem adequada pode-se inferir a tensão do parafuso a partir da reação compressiva transmitida através do sensor sob a porca ou cabeça. O próprio sensor pode permanecer apenas de compressão. Verifique se há caminhos de contato alternativos e diferencie a pré-carga inicial do parafuso das alterações causadas por uma carga externa; a rigidez da junta determina como essas mudanças são compartilhadas.
Somente se suas direções de carregamento e acessórios nominais suportarem ambos. Alguns modelos medem apenas a compressão. Um sensor de compressão pré-carregado pode medir uma redução na compressão, mas isso não é permissão para colocar seu elemento sensor em tensão. Verifique a compressão restante mínima e a carga máxima ao longo do ciclo.
Não. Zerar altera a referência exibida ou gravada. O sensor continua a transportar a pré-carga, que ainda conta para a capacidade mecânica. Mantenha um registro da pré-carga física e verifique se a entrada do amplificador possui alcance adequado mesmo quando sua saída estiver tarada.
Não presuma isso. A espessura do sensor, a área de contato, a rigidez, as peças de introdução de carga necessárias e o engate do fixador podem alterar a junta. Avalie a retenção de pré-carga, a folga disponível e o caminho de carga revisado e, em seguida, verifique o conjunto mecanicamente e metrologicamente antes de tratá-lo como equivalente.
Essas duas partidas são insuficientes. Compare superfícies de carga, furos de montagem, altura, rigidez, classificações de direção, limites de sobrecarga, saída, excitação, fiação, limites ambientais e calibração. Trate o novo modelo como um candidato substituto até que os testes de instalação e medição confirmem a adequação à sua aplicação.
