amplificador celda de carga

Qué es un amplificador de celda de carga y cómo funciona?

Los amplificadores de celda de carga proveen un voltaje de excitación regulado al circuito galgas extensiométricas y convierte los mV/V de la señal de salida en tipo de señal que sea más útil para el usuario. La señal generada por el puente de galgas extensiométricas es una seña débil y podría no funcionar con otros componentes del sistema, como el PLC, el módulo de adquisición de datos (DAQ), los ordenadores o los microprocesadores. Por lo tanto, las funciones del amplificador de señal de celda de carga incluyen el voltaje de excitación, el filtrado y la atenuación del ruido, la amplificación de señal y la conversión de la señal de salida.

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¿Cómo funciona un amplificador celda de carga?

En primer lugar, necesitamos comprender los principios físicos y de la ciencia de materiales detrás de las celdas de carga, que se basan en una galga extensiométrica (también llamada extensómetro algunas veces). Una galga extensiométrica de lámina metálica es un sensor cuya resistencia eléctrica varía con la fuerza aplicada. En otras palabras, convierte (o transforma) una fuerza, presión (es decir, un sensor de presión), tracción, compresión, par de torsión, peso, etc., en un cambio en su resistencia eléctrica, lo que puede ser medido.

Las galgas extensiométricas son conductores eléctricos en forma de zigzag firmemente unidos a una lámina. Cuando la lámina es tensada, ésta – y los conductores - se estira y elonga. Cuando es presionada, se contrae y se acorta. Este cambio de forma provoca que la resistencia eléctrica de los conductores eléctricos cambie igualmente. El esfuerzo aplicado sobre la celda de carga puede ser determinado en base a este principio, ya que la resistencia eléctrica de la galga extensiométrica aumenta con el alargamiento y disminuye con la contracción. El mismo concepto es utilizado en los sensores de peso.

Estructuralmente, un sensor de fuerza está compuesto por un cuerpo metálico (también llamado elemento de muelle) sobre el cual se adhieren varias galgas extensiométricas de lámina. El cuerpo del sensor está hecho de aluminio o acero inoxidable, lo que le otorga dos características importantes: (1) aporta la solidez para soportar grandes cargas y (2) tiene la elasticidad para deformarse mínimamente y volver a su forma original cuando la fuerza es retirada.

Cuando una fuerza (tracción o compresión) se aplica, el cuerpo metálico actúa como un muelle y se deforma ligeramente, y a no ser que se sobrecargue, vuelve a su forma original. A medida que el muelle se deforma, la galga extensiométrica cambia su forma y consecuentemente su resistencia eléctrica, lo que crea un diferencial de tensión a través de un puente de Wheatstone. De este modo, el cambio en el voltaje es proporcional a la fuerza física aplicada al cuerpo metálico, y puede ser calculada a través de la tensión de salida del circuito de la celda de carga.

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Estas galgas extensiométricas están distribuidas en lo que se conoce como un circuito de puente de Wheatstone (también conocido como circuito de celda de carga). Esto significa que las cuatro galgas extensiométricas están interconectadas en circuito cerrado y que la zona de medición de la fuerza que se quiere calcular esta alineada en consecuencia.

Los amplificadores de puente de galgas extensiométricas suministran un voltaje de excitación regulado al circuito de la celda de carga y convierten la señal de salida de mV/V en otro tipo de señal que es más útil para el usuario, por ejemplo, una alida analógica de celda de carga de 4-20 ma o una salida digital USB de la celda de carga. La señal generada por el puente de la galga extensiométrica es una señal débil y podría no funcionar con otros componentes del sistema, como el PLC, los módulos de adquisición de datos (DAQ), los ordenadores o los microprocesadores. Para algunas aplicaciones, sería necesaria una señal local de lectura, también conocida como indicador de celda de carga. Por lo tanto, las funciones del amplificador de señal de la celula de carga incluyen el voltaje de excitación, el filtrado y la atenuación del ruido, la amplificación de señal y la conversión de la señal de salida.

Además, el cambio en la amplificación del voltaje de salida está calibrado para ser linealmente proporcional a la fuerza newtoniana aplicada al cuerpo metálico (calibracion de celdas de carga), que puede ser calculada a través de la ecuación del voltaje del circuito de la celda de carga.

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Un concepto importante relacionado con los transductores de fuerza es la sensibilidad y precisión del sensor. La precisión del sensor de fuerza puede definirse como la menor cantidad fuerza aplicada al cuerpo del sensor que se requiere para crear una variación lineal y repetitiva en la tensión de salida. Cuanto mayor sea la precisión de la celda de carga, mejor, ya que podrá capturar de forma consistente variaciones de fuerza muy sensibles. En aplicaciones como la automatización de fábricas alta precisión, cirugía robótica o la industria aeroespacial, la linealidad de el sensor de carga es fundamental para alimentar al PLC o al sistema control de la adquisición de datos (DAQ) con la medida precisa. Algunas de nuestras celdas de carga universales tipo Pastel presentan una no linealidad de ±0.1% (del rango de salida) y una no repetibilidad de ±0.05% del rango de salida (RO). Consulte todos los tipos de celdas de carga en este link.

¿Cuáles son las funciones de un amplificado de celda de carga?

La función de un circuito amplificador para celula de carga es capturar la seña de la celda de carga o sensor de par y convertirla en una señal eléctrica de mayor nivel. Estos dispositivos electrónicos son conocidos también como acondicionadores de señal de la celda de carga, dado que convierten y modulan señales eléctricas. Para hacer esto, la señal de salida de baja amplitud de mV/V de la celda de carga pasa a través de diferentes pasos de acondicionamiento de señal:

Voltaje de excitación:

Las celdas de carga de puente completo o sensores de par necesitan un voltaje de excitación desde el puente amplificador de Wheatstone para alimentar al puente de galga extensiométricas y genera una señal de salida proporcional al voltaje de excitación de entrada. Por lo tanto, usted necesitará determinar si su DAQ o PLC pueden admitir los requerimientos de voltaje de entrada o voltaje de excitación del sensor. De manera simple, un voltaje de excitación de entrada inestable provoca una señal de salida inestable de la celula de carga. En el caso de que usted necesite un módulo amplificador para celda de carga de galgas extensiométricas para un PLC o DAQ y estos no suministren un voltaje de excitación de salida estable, el amplificador celula de carga funcionará como la fuente de voltaje de excitación que asegura que el sensor suministra una señal de salida fiable y consistente. Por ejemplo, la familia de acondicionadores de señal digital FUTEK pueden suministrar un voltaje de excitación para sensores amplificados, hasta 24 VCC, desde USB 2.0 5 VCC.

Filtrado:

Los sensores analógicos de señal son susceptibles al ruido eléctrico y/o al voltaje residual de rizo, que puede distorsionar o desviar las medidas. El ruido necesita ser filtrado antes de que se pueda capturar una señal precisa. Los DAQs y PLCs diseñados para conectarse directamente con sensores de puente completo incluyen medidas de acondicionamiento de señal, como filtros paso de banda u otros tipos de filtros. En un acondicionador de señal de celda de carga de bajo ruido, los filtros electrónicos eliminan algunos efectos con precisión mediante la eliminación del ruido eléctrico y el voltaje residual de rizo con niveles por encima y por debajo del rango de la señal del sensor analógico, dando como resultado una baja relación señal/ruido. Por ejemplo, los acondicionadores de señal de celda de carga FUTEK tienen una herramienta de selección de ancho de banda, usada para fijar el ancho de banda desde 100 Hz a 50.000 Hz permitiendo un filtrado del ruido acorde con la aplicación de la celda de carga o del sensor de par.

Amplificación:

Un sensor de galga extensiométrica de puente completo puede dar una señal de salida en el rango de los nanovoltios a los milivoltios. Cuando su DAQ o PLC esté limitado a medidas de voltios, usted necesitará un amplificador de galga extensiométrica para convertir los milivoltios en una señal mayor. Algunos PLC y DAQs se suministran con amplificadores incorporados; otros necesitarán un amplificador externo. ¿Qué ocurre si su DAQ o PLC no incorpora un amplificador, un acondicionador de señal y una fuente de alimentación estable para excitar los sensores? En este caso, usted necesitará un amplificador para cubrir las deficiencias de su equipo, dando apoyo al sensor de puente completo. Para sensores multieje, como el sensor de fuerza de torsión 6DoF, se necesitar un circuito amplificador de celda de carga multicanal capa de procesar las señales de salida de mV/V de todos los canales.

Acondicionamiento de señal:

TLa mayoría de las celdas de carga de puente completo y los sensores de medida de fuerza o transductores generan una señal analógica en el rango mV/V. Por lo tanto, el procesamiento señales es tradicionalmente de tipo analógico. Así que, si su PLC o DQA requiere una amplificación analógica (por ejemplo: una amplificador de celda de carga 4-20 mA, 0-10 VCC) o una señal digital de salida (Bus SPI), la celda de carga o sensor de par necesitará un módulo de acondicionamiento de señal para convertir la señal de mV/V en la señal requerida de salida. Normalmente, se requiere una pantalla portátil de celda de carga o un indicador de celda de cargapara una indicación local (lectura de celda de carga) del valor de carga medido.

Algunas aplicaciones requieren una salida digital, la cual requiere un módulo de acondicionamiento de señal con un conversor analógico digital (ADC). Para estas aplicaciones, se deben tener cuenta dos parámetros críticos a la hora de seleccionar un amplificador de instrumentacion para celda de carga digital: la resolución sin ruido y la frecuencia de muestreo. En relación con esto, FUTEK posee un amplio rango de kits USB de señal de salida de celda de carga (amplificadores USB de sensores de fuerza) que suministran un acondicionamiento de la señal de celda de carga procesada con una alta resolución interna (24 bits), capaces de ofrecer hasta 21 ENOB y hasta 19 bits de resolución sin ruido. Nuestra línea completa de amplificadores USB de celdas de carga tiene un valor FSR de ± 0.005% de precisión y no linealidad.

SAlgunas aplicaciones requieren una frecuencia de muestreo agresiva, en las que un máximo de miles de muestras por segundo simplemente no es suficiente. Los USBs de FUTEK ofrecen frecuencias de muestreo excelentes, con rangos desde 5 hasta 15k muestras por segundo. Por favor, tenga en cuenta que la resolución puede variar a medida que se aumente la frecuencia de muestreo.

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