Introduzione ai sensori di forza piezoelettrici

I sensori di forza al quarzo sono consigliati per applicazioni di forza dinamica. Non sono utilizzati come "celle di carico" per applicazioni statiche. Le misure di forze dinamiche oscillanti, di compressione/tensione ad alta velocità in condizioni variabili possono richiedere sensori con capacità speciali. La rapidità di risposta, la robustezza, la rigidità paragonabile a quella dell'acciaio massiccio, i campi estesi e la capacità di misurare anche forze quasi statiche sono caratteristiche standard associate ai sensori di forza al quarzo PCB.

Le informazioni che seguono presentano alcune delle caratteristiche progettuali e operative dei sensori di forza PCB per aiutarvi a comprendere meglio il loro funzionamento, che a sua volta vi "aiuterà a effettuare misure dinamiche migliori".

La Figura 1 illustra la sezione trasversale di un tipico sensore di forza al quarzo. Questo sensore in particolare è un modello di compressione/tensione della serie 208 per uso generale con elettronica incorporata.

Figura 1: Serie 208 a compressione-tensione-impatto

Quando si applica una forza a questo sensore, i cristalli di quarzo generano una carica elettrostatica proporzionale alla forza in ingresso. L'uscita viene raccolta sugli elettrodi interposti tra i cristalli ed è quindi indirizzata direttamente a un amplificatore di carica esterno o convertita in un segnale di tensione a bassa impedenza all'interno del sensore. Entrambe le modalità di funzionamento saranno esaminate nelle sezioni seguenti.

Un sensore di forza piezoelettrico a carica, quando viene sollecitato, genera un'elevata carica elettrostatica dai cristalli. Questa carica ad alta impedenza deve essere convogliata attraverso uno speciale cavo a "basso rumore" a un amplificatore di conversione dell'impedenza, come un amplificatore di carica da laboratorio o un inseguitore di sorgente per scopi di registrazione. Il collegamento del sensore direttamente a un dispositivo di lettura come un oscilloscopio è possibile per l'indicazione dell'impatto ad alta frequenza, ma non è adatto per la maggior parte delle misure di forza quantitative.

La funzione principale dell'amplificatore di carica o di tensione è quella di convertire l'uscita di carica ad alta impedenza in un segnale di tensione a bassa impedenza utilizzabile per la registrazione. Gli amplificatori di carica da laboratorio offrono una maggiore versatilità per la normalizzazione del segnale, l'intervallo e il filtraggio. Gli amplificatori di carica "elettrostatici" di PCB dispongono di regolazioni d'ingresso aggiuntive per misure quasi statiche, calibrazione statica e funzionamento dinamico senza deriva. Gli amplificatori in linea miniaturizzati sono generalmente a portata e frequenza fissa.

I sensori di forza al quarzo in modalità di carica con isolatori caduti possono essere utilizzati a temperature operative fino a 400°F (204°C).

Quando si considera l'uso di sistemi a modalità di carica, occorre ricordare che l'uscita dai cristalli è una carica elettrostatica pura. I componenti interni del sensore di forza e il connettore elettrico esterno mantengono una resistenza di isolamento molto elevata (in genere 10el3 ohm), in modo che la carica elettrostatica generata dai cristalli non "fuoriesca". Di conseguenza, anche i connettori, i cavi o gli amplificatori utilizzati devono avere una resistenza di isolamento molto elevata per mantenere l'integrità del segnale. I contaminanti ambientali come l'umidità, la sporcizia, l'olio o il grasso possono contribuire a ridurre l'isolamento, con conseguente deriva del segnale e risultati incoerenti.

Con i sensori di forza a carica è necessario utilizzare un cavo speciale a "basso rumore". I cavi standard a due fili o coassiali, quando si flettono, generano una carica elettrostatica tra i conduttori. Questo fenomeno viene definito "rumore triboelettrico" e non può essere distinto dall'uscita elettrostatica del cristallo del sensore. I cavi "a basso rumore" hanno uno speciale lubrificante di grafite tra lo schermo dielettrico che riduce al minimo l'effetto triboelettrico.

Le figure 2 e 3 mostrano lo schema di un tipico sistema di amplificatore di carica che comprende: sensore, cavo a basso rumore e amplificatore di carica.

Figura 2: Schema del sistema in modalità di carica



Figura 3: Sistema in modalità di carica

I sensori di forza ICP® incorporano un amplificatore microelettronico MOSFET per convertire l'uscita di carica ad alta impedenza in un segnale di tensione a bassa impedenza per la registrazione. I sensori ICP, alimentati da una sorgente di corrente costante separata, funzionano su lunghi cavi coassiali o a nastro senza degradazione del segnale. Il segnale di tensione a bassa impedenza non è influenzato da disturbi o contaminanti del cavo triboelettrico.

Figura 4: Schema del sistema di sensori ICP

L'alimentazione per il funzionamento dei sensori ICP è generalmente costituita da un'alimentazione a basso costo, 24-27 VCC, 2-20 mA a corrente costante. La Figura 4 illustra schematicamente un tipico sistema di sensori ICP. PCB offre una serie di condizionatori di potenza/segnale alimentati in CA o a batteria, singoli o multicanale, con o senza capacità di guadagno per l'uso con i sensori di forza. (Inoltre, molti sistemi di acquisizione dati incorporano oggi un'alimentazione a corrente costante per alimentare direttamente i sensori ICP. Poiché spesso è richiesta una calibrazione statica o una risposta quasi statica di breve durata, che può durare fino a pochi secondi, PCB produce condizionatori di segnale che forniscono un accoppiamento in corrente continua.

La Figura 5 riassume una configurazione completa del sistema ICP a 2 fili.

Figura 5: Sistema tipico di sensori ICP

Oltre alla facilità di funzionamento, i sensori di forza ICP offrono vantaggi significativi rispetto ai tipi a carica. Grazie all'uscita a bassa impedenza e alla costruzione ermetica a stato solido, i sensori di forza ICP sono adatti al monitoraggio continuo e non presidiato della forza in ambienti industriali difficili. Inoltre, il costo del sensore ICP per canale è sostanzialmente inferiore, poiché funziona attraverso un cavo coassiale standard a basso costo e non richiede costosi amplificatori di carica.

La polarità della tensione di uscita dei sensori di forza ICP è positiva per le misure di forza di compressione e negativa per quelle di tensione. La polarità dei sensori di forza in modalità di carica su PCB è esattamente opposta: negativa per la compressione e positiva per la tensione. Ciò è dovuto al fatto che i sensori con uscita a carica sono solitamente utilizzati con amplificatori di carica esterni che presentano una caratteristica invertente. Pertanto, la polarità di uscita del sistema di amplificatori di carica è positiva per la compressione e negativa per la tensione, come nel caso di un sistema di sensori ICP. (Sono disponibili anche sensori a polarità inversa).

I cristalli di quarzo di un sensore di forza piezoelettrico generano una carica elettrostatica solo quando la forza viene applicata o rimossa da essi. Tuttavia, anche se la resistenza di isolamento elettrico è piuttosto grande, la carica elettrostatica finirà per perdere a zero attraverso il percorso a più bassa resistenza. In effetti, se si applica una forza statica a un sensore di forza piezoelettrico, l'uscita di carica elettrostatica inizialmente generata finirà per perdere a zero.

La velocità con cui la carica torna a zero dipende dal percorso di resistenza di isolamento più basso nel sensore, dal cavo e dalla resistenza/capacità elettrica dell'amplificatore utilizzato.

In un sensore di forza in modalità di carica, la velocità di perdita è solitamente fissata dai valori di capacità e resistenza del cavo a basso rumore e dell'amplificatore esterno di carica o source follower utilizzato.

In un sensore di forza con elettronica ICP incorporata, la resistenza e la capacità dell'elettronica ICP incorporata determinano normalmente il tasso di perdita.

Quando si applica una forza dinamica rapida a un sensore di forza piezoelettrico, la carica elettrostatica viene generata rapidamente e, con una costante di tempo di scarica adeguata, non perde a zero. Tuttavia, esiste un punto in cui una forza dinamica a bassa velocità diventa quasi statica e la perdita è più veloce della velocità di variazione della forza. Qual è il punto in cui la forza è troppo lenta perché il sensore di forza piezoelettrico possa effettuare la misurazione? Per la risposta si veda la sezione successiva sulla Costante di tempo di scarica.

La DTC è definita come il tempo necessario a un sensore o a un sistema di misura per scaricare il segnale al 37% del valore originale dopo una variazione graduale del misurando. Questo vale per qualsiasi sensore piezoelettrico, sia che si tratti di monitoraggio della forza, della pressione o delle vibrazioni. Il DTC di un sistema è direttamente correlato alle capacità di monitoraggio a bassa frequenza di un sistema e, nel caso del monitoraggio della forza, diventa molto importante poiché spesso si desidera eseguire misure quasi statiche.

In un sistema in modalità di carica, i sensori non contengono amplificatori incorporati, pertanto il DTC è solitamente determinato dalle impostazioni di un amplificatore di carica esterno. La costante di tempo è determinata da un resistore di retroazione e da un condensatore sull'amplificatore operazionale. Gli amplificatori di carica PCB Series 460 sono dotati di un interruttore per la costante di tempo breve, media e lunga, da cui è possibile selezionare il DTC. Si presume che la resistenza di isolamento elettrico del sensore di forza e del cavo di collegamento all'amplificatore di carica sia maggiore di quella della resistenza di retroazione nell'amplificatore di carica; in caso contrario, si verificherà una deriva. Pertanto, per garantire ciò, il punto di connessione del sensore di forza e il cavo devono essere mantenuti puliti e asciutti.

Con i sensori ICP, quando si effettuano misure a bassa frequenza è necessario tenere conto di due fattori. Questi sono:

1.) La costante di tempo di scarica caratteristica del sensore di forza.
2.) La costante di tempo di scarica del circuito di accoppiamento CA utilizzato nel condizionatore di segnale. (Se si utilizza l'accoppiamento in c.c., è necessario considerare solo il punto (1)).

È importante che entrambi i fattori siano facilmente comprensibili dall'utente per garantire misure accurate a bassa frequenza.

Figura 6: Curva DTC standard

Il prodotto di R e C rappresenta il DTC (in secondi) del sensore. Le costanti di tempo dei sensori variano da pochi secondi a >2000 secondi per i sensori standard. Costanti di tempo speciali possono essere fornite modificando il valore della resistenza, R, nell'amplificatore microelettronico incorporato del sensore.

La maggior parte degli strumenti di lettura ha un'alta impedenza di ingresso, >1 Megohm. Per questi sistemi, il DTC del sensore, come discusso in precedenza, diventa il valore dominante e può essere utilizzato per determinare la velocità di scarica del segnale. Tuttavia, per i segnali accoppiati a dispositivi di lettura a bassa impedenza, generalmente <1 Megohm, è necessario determinare la costante di tempo del sistema. Questo aspetto verrà spiegato ulteriormente nella sezione seguente.

Anche l'alimentazione esterna utilizzata con un sensore di forza ICP può avere un DTC associato. In alcuni condizionatori di segnale ICP, dotati di amplificatori tampone o amplificatori di guadagno interni, la costante di tempo è fissata da vari componenti interni e può essere più breve o più lunga del DTC del sensore. Nei condizionatori di segnale con uscite ad accoppiamento capacitivo, il DTC non è fisso. In questo caso, un condensatore utilizzato per disaccoppiare la tensione di polarizzazione del sensore di forza ICP agisce con l'impedenza di ingresso del dispositivo di lettura per creare un'altra costante di tempo.

Controllare le specifiche del condizionatore di segnale per determinare se ha un DTC interno fisso, che imposta la risposta a bassa frequenza, o se ha un'uscita ad accoppiamento capacitivo. Se l'uscita è ad accoppiamento capacitivo, la costante di tempo, quando alimentata all'ingresso del lettore, può essere calcolata come segue:

DTC = impedenza d'ingresso del lettore x valore del condensatore di accoppiamento dell'alimentazione.

Si noti che l'uscita di alcuni condizionatori di potenza ICP ad accoppiamento capacitivo è dotata di una resistenza shunt che annulla gli effetti della resistenza d'ingresso del dispositivo di lettura se è pari o superiore a 1 Megaohm.

Anche l'accoppiamento CA nel dispositivo di lettura è un altro tipo di DTC. Verificare le specifiche dei condizionatori di potenza e dello strumento di lettura per assicurarsi che siano adatti alla particolare misura dinamica. Se nel sistema sono presenti più DTC, di solito prevale una costante di tempo significativamente più breve delle altre. La determinazione del DTC del sistema per ingressi oscillanti e transitori può essere calcolata da queste equazioni:

Il TCr, o costante di tempo di scarica del lettore, è calcolato dal prodotto del condensatore di accoppiamento dell'alimentatore ICP e dell'impedenza di ingresso del lettore, in secondi. Per evitare potenziali problemi, si raccomanda di mantenere la costante di tempo di accoppiamento almeno 10 volte superiore alla costante di tempo del sensore. La costante di tempo di scarica del sensore ICP determina la risposta a bassa frequenza del sistema. È analoga a un filtro RC passa-alto del primo ordine. La frequenza di taglio teorica dell'angolo inferiore (fc) è illustrata nella seguente Fig. 7 e può essere calcolata in base alle seguenti relazioni:

3 dB in meno: fc = 0,16/DTC
10% di riduzione: fc = 0,34/DTC
5% di riduzione: fc = 0,5/DTC

Figura 7: Caratteristiche di trasferimento di un sensore ICP

Spesso si desidera misurare un impulso di ingresso della durata di alcuni secondi. Ciò è particolarmente vero per le applicazioni dei sensori di forza in cui si effettuano calibrazioni statiche o misure quasi statiche. (Prima di eseguire test di questo tipo, è importante accoppiare in CC l'intero sistema di monitoraggio per evitare una rapida perdita di segnale). I condizionatori di segnale della serie PCB 484 hanno una modalità di funzionamento CA/CC e sono progettati per queste applicazioni).

La regola generale per queste misure è che la perdita del segnale di uscita e il tempo trascorso sul primo 10% di un DTC hanno una relazione di uno a uno. Se un sensore ha un DTC di 500 secondi, nei primi 50 secondi sarà decaduto il 10% del segnale di ingresso originale. Per un'accuratezza dell'1%, i dati devono essere rilevati nel primo 1% del DTC. Se è accettabile un'accuratezza dell'8%, la misura deve essere effettuata entro l'8% del DTC, e così via. La Figura 8 mostra graficamente questo evento.

Figura 8: Risposta della funzione passo-passo

Lasciato invariato, il segnale decadrà naturalmente verso lo zero. Questo processo richiede circa 5 DTC. Si noterà che dopo la rimozione del segnale impulsivo a gradino originale, il segnale di uscita scende al di sotto del punto di riferimento della linea di base (t0+.01 TC). Questo valore negativo è lo stesso che è decaduto dall'impulso originale. Un'ulteriore osservazione rivelerà che il segnale, lasciato inalterato, decadrà verso l'alto, verso lo zero, fino a quando non si osserverà l'equilibrio del sistema.

A differenza della risposta a bassa frequenza del sensore, determinata elettricamente attraverso l'equazione DTC = RC, la risposta ad alta frequenza è determinata meccanicamente dai componenti del sensore. Ogni sensore di forza ha una specifica di frequenza di risonanza a vuoto che deve essere rispettata quando si determinano i limiti lineari superiori di funzionamento. La risposta lineare dei sensori di forza è generalmente considerata pari al 20% di questo valore di frequenza risonante.

Una corretta installazione dei sensori è essenziale per ottenere misure dinamiche accurate. Sebbene i robusti sensori di forza al quarzo per circuiti stampati siano in parte indulgenti, è necessario seguire alcune procedure di base.

Poiché la maggior parte dei sensori di forza PCB sono progettati con piastre di compressione al quarzo per misurare forze applicate in direzione assiale, l'allineamento del sensore e delle superfici di contatto per evitare il carico sui bordi o i momenti di flessione del sensore produrrà misure dinamiche migliori.

Il parallelismo tra le superfici di contatto del sensore e della struttura di prova riduce al minimo i momenti flettenti e il carico sui bordi. Anche la planarità delle superfici di montaggio influisce sulla qualità della misura. L'uso di un sottile strato di lubrificante sulle superfici di montaggio durante l'installazione crea un contatto migliore tra il sensore e la superficie di montaggio.

Le superfici di montaggio dei sensori di forza per circuiti stampati sono lappate durante la produzione per garantire che siano piatte, parallele e lisce. I sensori di forza ad anello sono forniti con rondelle antifrizione per ridurre al minimo il carico di taglio sulla superficie del sensore durante il serraggio tra due superfici.

Anche il carico sull'intera superficie di rilevamento del sensore di forza è importante per ottenere buone misure. Tuttavia, ciò può essere difficile se la superficie a contatto con il sensore di forza è piatta ma non parallela alla superficie di montaggio del sensore. In questo caso, una superficie curva intermedia può ridurre gli effetti del carico sui bordi. (Vedere Figura 9)

Figura 9: Carico sui bordi vs. carico centrale

I sensori di forza PCB Serie 208 vengono forniti con una calotta d'urto convessa e curva che aiuta a distribuire le forze sull'intera superficie del sensore di forza.

Un'altra considerazione da fare quando si montano i sensori di forza è cercare di ridurre al minimo gli urti meccanici ad alta frequenza non necessari per i sensori. L'alta frequenza degli impatti diretti metallo-metallo può spesso creare sovraccarichi di breve durata e con un elevato "g" nelle strutture e nei sensori. Questo problema può essere minimizzato utilizzando un sottile strato di smorzamento di un materiale più morbido sulla superficie di interfaccia tra la struttura e il sensore colpito. (Si dovrebbe considerare in anticipo se il leggero smorzamento dell'urto ad alta frequenza sia critico per i requisiti di misurazione della forza). La superficie d'impatto della Serie 200 e le calotte d'impatto dei sensori di forza della Serie 208 sono dotate di sottili strati di materiale smorzante.

I sensori di forza ad anello PCB sono generalmente installati tra due parti di una struttura di prova con un bullone o perno elastico in rame berillio. Questo perno tiene insieme la struttura e applica il precarico all'anello di forza. In questo tipo di installazione, parte della forza tra le due strutture viene deviata attraverso il perno di montaggio. Questa può essere fino al 5% per il perno in rame berillio fornito con lo strumento e fino al 50% per i perni in acciaio. Se si utilizza un perno diverso da quello in rame berillio, è fondamentale che i sensori ad anello siano calibrati in uno stato di precarico per garantire letture accurate e linearità nell'intero campo di lavoro del sensore.

La procedura di calibrazione interna al PCB richiede l'installazione di un anello di forza con perno in BeCu in serie con un anello di prova tracciabile NIST. Prima della registrazione dei dati di misura, viene applicato un precarico del 20% (fondo scala dell'anello di forza), ma non inferiore a 10 libbre. Prima della calibrazione, lasciare che la componente statica del segnale si scarichi.

La caratteristica di uscita dei sensori piezoelettrici è quella di un sistema accoppiato in corrente alternata, in cui i segnali ripetitivi decadono fino a quando non vi è un'area uguale sopra e sotto la linea di base originale. Quando i livelli di magnitudo dell'evento monitorato fluttuano, l'uscita si stabilizza intorno alla linea di base, con le aree positive e negative della curva che rimangono uguali. La Figura 10 rappresenta un segnale CA che segue questa curva. (L'uscita dei sensori che operano in modalità CC segue lo stesso andamento, ma per un periodo di tempo più lungo associato ai valori della costante di tempo del sensore).

Figura 10: Segnale CA

Esempio: Supponiamo che un segnale di uscita da 0 a 4 volt sia generato da un'applicazione di forza accoppiata in CA con una frequenza di impulsi allo stato stazionario di un secondo e un secondo tra gli impulsi. La frequenza rimane costante, ma il segnale decade rapidamente in modo negativo fino a centrare la linea di base originale (dove l'area A = area B). L'uscita da picco a picco rimane invariata.

In molte applicazioni di monitoraggio della forza si desidera monitorare una serie di impulsi ripetitivi da zero a picco che possono verificarsi in un breve intervallo di tempo l'uno dall'altro. Questo segnale di uscita viene spesso definito "treno di impulsi". Come già discusso in precedenza, il segnale di uscita accoppiato in CA dei sensori piezoelettrici decade verso uno stato di equilibrio, facendo sembrare che la forza positiva stia diminuendo e rendendo difficile il monitoraggio accurato di un segnale di uscita continuo da zero a picco, come nel caso delle applicazioni di stampaggio o di pressa a colonna. Con l'uso di speciali apparecchiature di condizionamento del segnale ICP, è possibile posizionare un segnale di uscita positivo al di sopra dello zero a terra. Funzionante in modalità CA senza deriva, il modello 484B02 di PCB fornisce l'eccitazione di tensione a corrente costante ai sensori di forza ICP e dispone di un circuito di bloccaggio basato sullo zero che azzera elettronicamente ogni impulso. Come illustrato nella Figura 11, questo circuito speciale impedisce all'uscita di subire una deriva negativa, fornendo un segnale continuo di polarità positiva.

Figura 11: Polarità positiva, uscita CA basata su zero

PCB fornisce servizi di calibrazione e test tracciabili NIST (National Institute of Standards and Technology) per tutti i sensori di forza. Le procedure di calibrazione seguono le linee guida accettate e raccomandate dall'ANSI (American National Standards Institute) e dall'ISA (Instrument Society of America). La calibrazione dei sensori di forza presso il PCB è conforme a ISA-37-10 e a MIL-STD-45662A. Questi standard prevedono la creazione e la gestione di sistemi di calibrazione completi, controllando così l'accuratezza delle specifiche di un sensore attraverso il controllo dell'accuratezza delle apparecchiature di misura e di prova.

Ogni sensore di forza calibrato individualmente viene fornito con un certificato tracciabile NIST che indica la sensibilità calibrata. La determinazione della sensibilità dei sensori con campi operativi da 5.000 a 100.000 libbre (da 22,24 a 444,8 kN) si esegue collocando il sensore di forza in un cavalletto per pressa idraulica. In serie con il sensore è presente un anello di prova Morehouse standard di forza di riferimento selezionato per il campo operativo del sensore. Gli anelli di prova di riferimento vengono calibrati e certificati ogni sei mesi per verificare il valore calibrato. Per i sensori di portata inferiore si utilizza un banco di prova ridimensionato. I modelli miniaturizzati ad alta sensibilità vengono calibrati applicando una massa leggera nota, lasciando che il segnale si azzeri e poi rimuovendo rapidamente la massa. L'uscita registrata è la sensibilità del sensore. I sensori con modalità di carica e con costante di tempo più lunga vengono calibrati applicando staticamente una forza nota e registrando i dati di uscita.

In ogni procedura di calibrazione, vengono tracciati punti di dati a intervalli del 20% dell'intervallo operativo del sensore. Ogni punto rappresenta la media di tre misurazioni separate effettuate in quell'intervallo. Questi punti medi vengono tracciati graficamente e viene tracciata la migliore linea retta passante per lo zero. Se i punti calibrati non rientrano nella linearità specificata, come previsto dalle specifiche pubblicate, l'unità non supera la calibrazione e viene scartata.