Conozca las funcionalidades y capacidades de varias Celulas de carga, también conocidas como sensores de fuerza, en esta completa guía.
Las Celdas de Carga producidas en Estados Unidos por FUTEK Advanced Sensor Technology (FUTEK), fabricante líder de una gran selección de transductores de fuerza, se fabrican haciendo uso de una de las más avanzadas tecnologías en la industria de los sensores: la tecnología de las galgas extensiométricas de lámina metálica. Una celula de carga se define como un transductor que convierte una señal de entrada mecánica de carga, peso, tracción, compresión o presión, en una señal eléctrica de salida (definición de celula de carga). Los sensores de fuerza son también conocidos comúnmente como transductores de fuerza. Existen varios tipos de células de carga en función de su dimensión, geometría y capacidad.
Por definición, una celda de carga es un tipo de transductor, específicamente un transductor de fuerza. Éste convierte una fuerza mecánica de entrada como una carga, peso, tracción, compresión o presión en otra variable física, en este caso, en una señal eléctrica de salida que puede ser medida, transformada o normalizada. A medida que la fuerza aplicada al sensor de fuerza aumenta, la señal eléctrica cambia proporcionalmente.
Los transductores de fuerza se han convertido en un elemento esencial en varias industrias como la automoción, el mecanizado de alta precisión, la industria aeroespacial y de la defensa, la automatización industrial, la industria médica y farmacéutica y la robótica, donde las mediciones fiables y de alta precisión son fundamentales. Recientemente, debido a los avances en la robótica colaborativa (Cobots) y en la cirugía robótica, están emergiendo muchas aplicaciones novedosas de la medición de fuerzas.
En primer lugar, necesitamos comprender los principios físicos y de la ciencia de materiales detrás del principio de funcionamiento de la medida de esfuerzos a través de galgas extensiométricas (también llamadas extensómetros 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, 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.
Estructuralmente, una célula de carga 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, 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.
<Estas galgas extensiométricas están distribuidas en lo que se conoce como un circuito de puente de Wheatstone (vea el diagrama animado). Esto significa que las cuatro galgas extensiométricas están interconectadas en circuito cerrado (circuito de célula de carga) y que la zona de medición de la fuerza que se quiere calcular esta alineada en consecuencia.
Los amplificadores de puente de galgas extensiométricas (o acondicionador de señal de la célula de carga) suministran una tensión de excitación regulada 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. La señal generada por el puente de galgas extensiométricas es una señal débil que no debe interferir con otros componentes del sistema, como el controlador lógico programable (PLC), el módulo de adquisición de datos (DAQ), ordenadores o microprocesadores. De este modo, los acondicionadores de señales del sensor de fuerza incluyen funciones como el control del voltaje de excitación, el filtrado o atenuación de ruido, la amplificación de señal y la conversión de la señal de salida.
Además, el cambio en la amplificación de la tensión de salida está calibrado para ser linealmente proporcional a la fuerza newtoniana aplicada al cuerpo metálico, que puede ser calculada a través de la ecuación del voltaje del circuito de la célula de carga.
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 célula 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 la celda 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 Células 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).
Las celdas de carga basados en galgas extensiométricas de lámina metálica son la tecnología más común debido a su alta precisión, fiabilidad a largo plazo, variedad de formas y geometrías del sensor y rentabilidad cuando se comparan con otras tecnologías de medición. Además, las galgas extensiométricas se ven menos afectadas por las variaciones de temperatura.
Aunque hay muchas tecnologías de celdas de carga para medir fuerza, nos centraremos en el tipo más común de células de carga: las galgas extensiométricas de lámina metálica. Dentro de los tipos de celda de carga, existe una variedad de formas del cuerpo y geometría de las células de carga disponibles en el mercado, atendiendo cada una de ellas a distintas aplicaciones. Conózcalas si quiere adquirir una célula de carga:
Comprendemos que elegir el transductor de carga correcto es una tarea abrumadora, ya que no existe ningún estándar en la industria real sobre cómo debe ser seleccionado. Existen además algunos retos a los que se podría enfrentar, incluyendo el encontrar el amplificador o el acondicionador de señal compatible o la necesidad de un producto personalizado que aumentaría el plazo de entrega.
Para ayudarle a seleccionar su sensor de fuerza, FUTEK ha desarrollado una “Guía de 5 pasos” fácil de seguir. Aquí tiene un vistazo para ayudarle a acotar su selección. Para más información, consulte nuestra guía completa “Consideraciones importantes para la selección de un sensor de medida de fuerza”.
Para más detalles sobre nuestra “Guía de 5 pasos”, por favor visite nuestro enlace “Cómo seleccionar un sensor de media de fuerza” para consultar las instrucciones completas.
La calibracion de celda de carga es un ajuste o un conjunto de correcciones que son realizadas sobre un sensor o instrumento (amplificador para celula de carga), para asegurar que el sensor opera de la forma más precisa posible, o sin error.
Todos los transductores de fuerza son propensos a los errores de medida. Estas incertidumbres estructurales son simplemente las diferencias algebraicas entre el valor indicado por la salida del sensor y el valor real de la variable medida, o las fuerzas de referencia conocidas. Los errores de medida pueden deberse a varios factores:
Anulación de offset (o compensación del cero del sensor de fuerza): un offset (o compensación) significa que la salida del sensor para una fuerza nula (cero real) es mayor o menor que la salida ideal. Adicionalmente, la estabilidad del cero está relacionada con el grado en el que el transductor mantiene la compensación del cero con las condiciones de entorno y otras variables que se mantienen constantes.
Linealidad (o no-linealidad): pocos sensores tiente una curva característica completamente lineal, es decir, que la sensibilidad de la señal de salida (pendiente) cambia a una tasa distinta a lo largo del rango de medida. Algunos sensores son suficientemente lineales dentro del rango evaluado y no se desvían de una línea recta (teórica), pero otros sensores requieren cálculos más complejos para linealizar la salida. Por lo tanto, la no-linealidad de un sensor de fuerza es la máxima desviación de la curva real de calibración frente a una línea recta ideal dibujada entre el valor de la salida para una fuerza nula y el valor de salida para la fuerza evaluada, expresada como un porcentaje del valor salida.
Histéresis: es la máxima diferencia entre las distintas lecturas de la salida del transductor para una misma fuerza aplicada; una lectura se obtiene incrementando la fuerza desde cero y otra se obtiene reduciendo la fuerza desde el valor evaluado. Habitualmente se mide a la mitad del valor de medida evaluado y se expresa como un porcentaje del dicho valor. Las medidas han de ser tomadas lo más rápido posible para minimizar el efecto de la fluencia.
Repetibilidad: es la máxima diferencia entre las lecturas de salida del transductor para entrada repetitivas bajo fuerzas y condiciones de entorno idénticas. Se traduce en la habilidad del transductor de fuerza de mantener una salida de forma consistente cuando unas fuerzas idénticas se aplican continuamente.
Rango de cambio de temperatura y cero: es el cambio en la salida y en la compensación del cero, respectivamente, debido a los cambios de temperatura en el transductor.
Cada sensor de fuerza tiene una “curva característica” o “curva de calibración” que define la respuesta del sensor ante una entrada. Durante una calibración regular usando una máquina de calibración para transductores de fuerza, se comprueba la compensación del cero del sensor y la linealidad mediante comparación de la salida del sensor con unas fuerzas de referencia y ajustando la respuesta a una salida linear ideal. El equipo de calibración de celda de carga comprueba además la histéresis, repetibilidad y cambios de temperatura cuando los clientes lo solicitan para aplicaciones críticas de medidas de fuerza.
Para más información sobre la calibración, por favor consulte nuestra página de Preguntas frecuentes sobre la calibración de sensores.
Si tiene más preguntas sobre los términos y definiciones de la calibración, por favor diríjase a nuestro Glosario de Términos del Sensor de calibración.
¿Quiere conocer los servicios de calibración que ofrecemos para su sensor o sistema?
¡ Contáctenos para saber más !
Ya que los sensores de fuerza de galgas extensiométrica están expuestos a un uso continuo, envejecimiento, cambios en la señal de salida o sobrecargas de uso inadecuadas, FUTEK recomienda encarecidamente un intervalo anual de recalibración. Una recalibración frecuente ayuda a confirmar que el sensor mantiene su precisión a lo largo del tiempo y otorga un certificado de calibración de la célula de carga para demostrar que el sensor todavía cumple con las especificaciones.
Sin embargo, cuando el sensor sea utilizado en aplicaciones críticas y entornos agresivos, los sensores de fuerza podrían necesitar calibraciones con mayor frecuencia. Por favor, consulte los intervalos de calibración apropiados con nuestro equipo de soporte técnico, quien le ayudará a evaluar el intervalo de servicios de calibración económico para su transductor de fuerza.