Para la medición de la fuerza con sensores de fuerza, idealmente se coloca el sensor de modo que la fuerza completa fluya a través del sensor y el sensor de fuerza no se encuentre directamente en el flujo de la fuerza. Lo importante es una transmisión de fuerza céntrica y una superficie de apoyo lo suficientemente rígida.
¿Cómo funciona un sensor de fuerza?
El procesamiento del tamaño mecánico para la señal eléctrica se realiza en tres pasos en los sensores de fuerza basados en galgas extensiométricas. El punto de partida de cada sensor de fuerza con galga extensiométrica es un cuerpo de resorte sobre el que se generan alargamientos en la superficie del material mediante cargas externas.
Mediante cintas de medición aplicadas en la superficie del cuerpo de resorte se capta este alargamiento. Las galgas extensiométricas transforman el alargamiento mecánico en una modificación de la resistencia eléctrica y actúan como convertidor mecánico-eléctrico. Mediante esta modificación de la resistencia se genera una modificación de la tensión proporcional a la fuerza. Con ayuda de la interconexión inteligente de las galgas extensiométricas individuales con un puente de Wheatstone se pueden detectar incluso los alargamientos más pequeños.
Las ventajas decisivas de los sensores de fuerza basados en galgas extensiométricas son:
Galgas extensiométricas como tecnología económica y de eficacia probada para sensores de fuerza
Elevada precisión y excelente comportamiento de linealidad e histéresis
Muy buena compensación de la temperatura mediante la interconexión de la galga extensiométrica con la conexión del puente de Wheatstone
Es posible la medición de cargas estáticas y dinámicas
Elevada resistencia a la carga continua mediante la selección de materiales apropiados del cuerpo del sensor y una elevada resistencia a las vibraciones de la galga extensiométrica
Muy buena estabilidad a largo plazo
Cuerpo de resorte: Mechanical converter
El punto de partida de un sensor de fuerza es el cuerpo de resorte que se deforma debido al efecto de una fuerza. Es decisivo que la deformación sea puramente elástica, lo que significa que la deformación tiene lugar dentro de los límites de elasticidad y tras la carga el cuerpo de resorte vuelve a su forma original con carga cero.
Material del sensor de fuerza
Por lo general, los sensores de fuerza de Baumer están hechos de acero inoxidable (1.4542) muy resistente. Para aplicaciones especiales también son posibles sensores de fuerza de acero mejorado, aluminio u otras aleaciones metálicas.
Dimensionamiento y resistencia a la fatiga El desafío durante el diseño y el dimensionamiento del cuerpo de resorte radica en el conflicto entre una estructura lo más blanda posible para un buen rendimiento de medición y un límite de material limitante. Mediante complejas simulaciones por ordenador de FEM se diseña el cuerpo de resorte con los máximos alargamientos posibles dentro del límite de elasticidad. El objetivo es lograr una zona lo más homogénea posible en la que se pueda aplicar la galga extensiométrica. Con la subsiguiente evaluación de la resistencia según las directrices FKM reconocidas se garantiza la resistencia duradera de los sensores de fuerza. De este modo, los sensores de fuerza de Baumer también se pueden cargar de forma dinámica hasta la fuerza nominal en funcionamiento continuo con más de 1 millón de ciclos de carga.
Formas constructivas Por lo general, los sensores de fuerza de Baumer se diseñan como cuerpos de resorte de membrana. Una ventaja decisiva es su tamaño constructivo muy pequeño, así como su fabricación económica. Adicionalmente, por lo general se pueden sellar herméticamente muy bien los transductores de la carga de membrana y de este modo también se pueden usar en entornos exigentes. Otras posibles formas constructivas son, por ejemplo, los cuerpos de resorte en forma de S, los cuerpos de resorte cilíndricos o las vigas.
Las cintas de medición del alargamiento son la pieza central de los sensores de alargamiento y fuerza de Baumer y sirven para captar los alargamientos en la superficie del material. Por lo general, están compuestos por una lámina portadora (poliimida), una rejilla de medición en forma de meandro de constantán y una capa de revestimiento. Las galgas extensiométricas transforman el alargamiento mecánico en una modificación de la resistencia eléctrica y actúan como convertidor mecánico-eléctrico. La modificación de la resistencia de la galga extensiométrica se realiza de forma proporcional y se denomina factor k.
Formas constructivas
Las cintas de medición del alargamiento metálicas para la construcción del detector están disponibles en diversas formas constructivas. Además de las típicas galgas extensiométricas lineales, otras formas constructivas típicas son galgas extensiométricas en rosetas en T, en rosetas y en tijera:
Conexión de puente de Wheatstone La conexión de puente de Wheatstone es una interconexión especial de resistencias eléctricas con ayuda de las cuales es posible la medición precisa de modificaciones de la resistencia eléctrica. En la conexión de puente completo usada en la construcción de sensores se conectan entre sí cuatro galgas extensiométricas en una disposición determinada. La conexión de puente está compuesta por dos divisores de tensión conectados en paralelo a los que se abastece con una fuente de tensión común con alimentación de puente UB.
Con ayuda de la conexión de puente de Wheatstone se pueden captar de forma precisa incluso las modificaciones de resistencia más pequeñas. La modificación de las resistencias individuales provoca una desintonización del puente UA que se puede medir de forma sencilla. La señal de medición del puente se comporta de forma métrica proporcional y es proporcional a la tensión de alimentación. La señal de medición típica de los sensores de fuerza de galga extensiométrica está entre 0,4 y 3,0 mV/V.
Comportamiento de la temperatura
Las modificaciones de temperatura durante la medición son un desafío para los sensores de fuerza basados en galgas extensiométricas. Una modificación de temperatura de 10 °C genera una modificación de longitud absoluta de 0,012 mm en 100 milímetros de acero. Con la selección de una cinta de medición del alargamiento adecuada, con el correspondiente coeficiente de alargamiento del material, así como con la conexión inteligente de la galga extensiométrica tras la conexión de puente de Wheatstone, se pueden compensar completamente mediante alargamientos inducidos por las modificaciones de temperatura.
Amplificador de puente: Electrical Converter
El amplificador de puente abastece al puente de Wheatstone con una tensión de alimentación estable. La señal de salida del puente que se deriva de ello se ve amplificada y se emite o bien de forma analógica (salida de tensión/salida de corriente) o mediante una interfaz digital (CAN/ IO-Link). Los amplificadores de puente de Baumer están disponibles actualmente como salida de tensión ± 10 V CC y salida de corriente de 4 a 20 mA.
Con ayuda de los amplificadores de puente se pueden tarar de forma sencilla los sensores de fuerza basados en galgas extensiométricas en la aplicación y permiten al cliente eliminar los desplazamientos del punto cero durante el montaje. Otra ventaja de las mediciones con amplificadores de puente es el excelente comportamiento de ruido, incluso en aplicaciones muy dinámicas.
Fundamentos físicos para la medición de la fuerza
¿Qué es la fuerza y cómo se calcula? La fuerza F con la unidad Newton [N] es el producto de la masa m en kg de un cuerpo y de la aceleración de la gravedad g en m/s2.
De este modo, en el caso de una masa de 100 kg se obtiene una fuerza de 1000 N. Como aproximación sencilla, en la práctica se usa g = 10 m/s2 para la aceleración de la gravedad.
¿Qué es el alargamiento y cómo se calcula? En cuanto un cuerpo se somete a una fuerza, experimenta una compresión en el caso de una fuerza de presión y un alargamiento en el caso de una fuerza de tracción. Esta modificación relativa de la longitud se describe como alargamiento ε en [µm/m] y se define como la relación de una modificación de longitud absoluta Δ l respecto a una longitud total l0.
Módulo E
El alargamiento experimentado de un componente siempre depende del material del componente, además de la geometría y la fuerza. El valor característicos es el módulo E (módulo de elasticidad). Describe la relación proporcional entre tensión y alargamiento en la deformación de un cuerpo sólido en el rango elástico lineal. Cuanto más rígido es el material, mayor es también su módulo E. El módulo E para acero inoxidable habitual en la construcción de detectores es E = 200 000 N/mm2 y para el aluminio es 70 000 N/mm2.
De la fuerza al alargamiento Cada componente sometido a una fuerza F también experimenta, como se ha descrito antes, un determinado alargamiento ε simultáneamente. Este alargamiento siempre depende del módulo del material E, de la sección A del material y también de la fuerza. Con ayuda de estos tres parámetros se puede calcular el alargamiento de la siguiente manera:
La correspondiente tensión de los componentes σ se calcula de la siguiente manera:
Factor k
El factor k de una galga extensiométrica describe la sensibilidad de la cinta de medición del alargamiento. Es la relación lineal entre la modificación de resistencia relativa y el alargamiento del material.
Los típicos factores k para cintas de medición del alargamiento son de 2,05 para rejillas de medición de constantán.
Ecuación del puente de Wheatstone Con ayuda del alargamiento y del factor k se puede calcular de forma concluyente la señal de medición esperada en una ecuación de puente de Wheatstone. En una viga típica se calcula la señal de medición de la siguiente manera:
Hay que tener en cuenta que dos galgas extensiométricas reaccionan a la tracción y dos a la presión. Idealmente, la magnitud de los alargamientos en todos los puntos de medición es idéntica.
Delimitación para la medición del peso
Con frecuencia se encarga a los jefes de proyecto o a los ingenieros de desarrollo que realicen mediciones del peso en máquina constructivas o similares. Desde el punto de vista físico no existen diferencias específicas entre los sensores de fuerza y las células de carga. La diferencia respecto a las células de carga calibradas consiste únicamente en la calibración de los sensores. A diferencia de las células de pesaje, los sensores de fuerza se ajustan siempre para una fuerza nominal definida, en vez de para un peso definido en kg. Los sensores de Baumer se ajustan como sensores de fuerza y se usan para la medición de la fuerza.
Normas de los sensores de fuerza
Los parámetros de los sensores de fuerza se definen en la directiva VDI 2638. Las definiciones de la directiva permiten lograr unas líneas de actuación uniformes para sensores de fuerza que permiten la comparación de los datos técnicos. Encontrará más información sobre los parámetros individuales en nuestro Glosario para la medición de la fuerza.
