No caso de uma medição de força com sensores de força, o sensor de força é idealmente colocado de tal maneira que a força total flua através do sensor e o sensor de força esteja localizado diretamente no fluxo de força. Uma aplicação de força central e uma superfície de contacto suficientemente rígida são importantes.
Como é que funciona um sensor de força?
O tamanho mecânico do sinal elétrico é processado em três etapas em sensores de força baseados em extensómetros. O ponto de partida de qualquer sensor de força com extensómetros é um corpo de mola no qual são criadas dilatações na superfície do material devido a cargas externas.
Esta dilatação é medida por meio de medidores de tensão aplicados à superfície do corpo da mola. Para tal, os extensómetros convertem a expansão mecânica numa alteração de resistência elétrica e atuam como um conversor mecânico-elétrico. Através desta alteração de resistência, eles geram uma alteração de tensão proporcional à força. Com a ajuda da ligação inteligente dos extensómetros individuais a uma ponte de medição Wheatstone, até as menores dilatações podem ser registadas.
As vantagens decisivas dos sensores de força baseados em extensómetros são:
DMS como uma tecnologia comprovada e económica para sensores de força
Elevada precisão e excelente comportamento de linearidade e histerese
Compensação de temperatura muito boa através da ligação dos extensómetros à ponte Wheatstone
Possível medição de cargas estáticas e dinâmicas
Elevada resistência permanente à carga através da seleção de materiais adequados do corpo do sensor e elevada resistência à vibração dos extensómetros
Muito boa estabilidade a longo prazo
Corpo da mola - Conversor mecânico
O ponto de partida de qualquer sensor de força é o corpo da mola, que é deformado devido a uma aplicação de força. É crucial que a deformação seja puramente elástica, o que significa que a deformação ocorre dentro do limite elástico e o corpo da mola volta à sua forma original após o carregamento com carga zero.
Material do sensor de força
Os sensores de força Baumer são geralmente feitos de aço inoxidável (1.4542) com elevada resistência. Sensores de força feitos de aço temperado, alumínio ou outras ligas metálicas também são possíveis para aplicações especiais.
Design e resistência à fadiga O desafio no design e na conceção do corpo da mola está no conflito entre uma estrutura o mais suave possível para um bom desempenho de medição e um limite de material limitador. Utilizando simulações complexas de MEF auxiliadas por computador, o corpo da mola é concebido para as dilatações mais altas possíveis dentro do limite elástico. O objetivo é criar uma zona o mais homogénea possível, na qual o extensómetro possa ser aplicado. A resistência à fadiga dos sensores de força é garantida com a avaliação de força subsequente, de acordo com a reconhecida diretiva da FKM. Os sensores de força da Baumer podem ser carregados dinamicamente até à força nominal, mesmo em operação contínua com mais de 1 milhão de ciclos de carga.
Modelos Os sensores de força da Baumer geralmente são implementados como corpos de mola de diafragma. Uma vantagem decisiva é o tamanho muito pequeno, bem como a produção económica. Além disso, os transdutores de força da membrana geralmente podem ser hermeticamente selados e, portanto, também podem ser utilizados em ambientes exigentes. Outros modelos possíveis são, por exemplo, corpos de mola em forma de S, corpos de mola cilíndricos ou vigas de flexão.
DMS - Conversor mecânico-elétrico
Os extensómetros são o coração dos sensores de força e de tração da Baumer e são utilizados para medir as dilatações na superfície do material. Geralmente consistem numa película transportadora (poliamida), uma grelha de medição sinuosa feita de constantan e uma camada de cobertura. Os extensómetros convertem a expansão mecânica numa alteração de resistência elétrica e atuam como um conversor mecânico-elétrico. A alteração na resistência do extensómetro é proporcional e é chamada de fator k.
Modelos
Os extensómetros metálicos para a construção do transdutor estão disponíveis em vários modelos. Além dos extensómetros lineares típicos, os extensómetros de rosetas em T, os extensómetros de roseta e os extensómetros Scher são outros modelos típicos:
Ligação de ponte de Wheatstone A ligação de ponte de Wheatstone é uma ligação especial de resistores elétricos, com a ajuda da qual é possível a medição precisa das alterações de resistência elétricas. Na ligação de ponte completa utilizado na construção do sensor, quatro extensómetros estão sempre interligados num arranjo específico. A ligação de ponte consiste em dois divisores de tensão ligados em paralelo, que são fornecidos por uma fonte de tensão comum com a fonte da ponte UB.
Com a ajuda da ligação de ponte de Wheatstone, as menores alterações na resistência podem ser detetadas com precisão. As alterações nas resistências individuais levam a uma perturbação na ponte UA, que pode ser medida facilmente. O sinal de medição da ponte é métrico e proporcional à tensão de alimentação. O sinal de medição típico dos sensores de força do extensómetro está entre 0,4 e 3,0 mV/V.
Comportamento da temperatura
As mudanças de temperatura durante a medição são um desafio para os sensores de força baseados em extensómetros. Uma mudança de temperatura de 10 °C já gera uma mudança absoluta no comprimento de 0,012 mm em aço de 100 milímetros. Com a seleção de um extensómetro adequado, com o coeficiente de expansão do material correspondente, bem como uma ligação inteligente dos extensómetros após a ligação de ponte Wheatstone, as dilatações induzidas por mudanças de temperatura podem ser totalmente compensadas.
Amplificador de ponte - Conversor elétrico
O amplificador de ponte fornece à ponte Wheatstone uma tensão de alimentação estável. O sinal de saída resultante da ponte é amplificado e emitido de forma analógica (saída de tensão/saída de corrente) ou através de uma interface digital (CAN/IO-Link). Atualmente, os amplificadores de ponte Baumer estão disponíveis com uma saída de tensão de ± 10 VCC e uma saída de corrente de 4…20 mA.
Com a ajuda de amplificadores de ponte, os sensores de força baseados em extensómetros podem ser facilmente tarados na aplicação e, assim, permitir que os clientes eliminem deslocações do ponto zero durante a montagem. Outra vantagem das medições com amplificadores de ponte é o excelente comportamento de ruído, mesmo em aplicações altamente dinâmicas.
Fundamentos físicos para a medição de força
O que é força e como é calculada? A força F com a unidade Newton [N] é o produto da massa m em kg de um corpo e da aceleração gravitacional g em m/s2.
Assim, uma massa de 100 kg resulta numa força de 1000 N. Na prática, é utilizada uma aproximação simples para a aceleração gravitacional g = 10 m/s2.
O que é dilatação e como é calculada? Assim que um corpo é sujeito a uma força, ele experimenta uma compressão quando é pressionado e uma dilatação quando é puxado. Esta mudança relativa no comprimento é descrita como dilatação ε em [µm/m] e é definida como a razão entre uma mudança absoluta no comprimento Δl e o comprimento total l0.
Módulo E
Além da geometria e da força, a dilatação sentida por um componente depende sempre do material do componente. O parâmetro decisivo é o módulo E (módulo de elasticidade). Ele descreve a relação proporcional entre tensão e dilatação durante a deformação de um corpo sólido na área elástica linear. Aplica-se o seguinte: quanto mais rígido for o material, maior será o seu módulo de elasticidade. O módulo de elasticidade para o aço inoxidável comumente utilizado na construção do transdutor é E = 200.000 N/mm2 e para o alumínio 70.000 N/mm2.
Da força à dilatação Como já descrito, cada componente carregado com uma força F também experimenta uma certa dilatação ε ao mesmo tempo. Esta dilatação é sempre dependente do módulo de elasticidade do material, da secção transversal A do material e da força. Com a ajuda destes três parâmetros, a dilatação pode ser calculada da seguinte maneira:
A tensão correspondente do componente σ é calculada da seguinte forma:
Fator k
O fator k de um extensómetro descreve a sensibilidade deste. É a relação linear entre a alteração relativa na resistência e a dilatação de um material.
Os fatores k típicos para os extensómetros nas grelhas de medição de constantan são de 2,05.
Equação da ponte Wheatstone Com a ajuda da dilatação e do fator k, o sinal de medição esperado pode finalmente ser calculado numa equação da ponte de Wheatstone. Com uma viga de flexão típica, o sinal de medição é calculado da seguinte forma:
Note-se que dois extensómetros reagem à tensão e dois extensómetros à pressão. Idealmente, a quantidade de dilatação é idêntica em todos os pontos de medição.
Diferenciação da medição de peso
Repetidas vezes, os gestores de projeto ou engenheiros de desenvolvimento são contratados para realizar medições de peso em máquinas de construção ou similares. Fisicamente, não há diferenças específicas entre sensores de força e células de carga. A única diferença relativamente às células de carga calibradas é a calibração dos sensores. Ao contrário das células de carga, os sensores de força são sempre ajustados para uma força nominal definida em N, em vez de um peso definido em kg. Os sensores Baumer são calibrados como sensores de força e usados para medição de força.
Normas de sensores de força
Os parâmetros dos sensores de força são definidas na diretiva VDI 2638. As definições na diretiva permitem criar uma regulação uniforme da linguagem para sensores de força, o que permite a comparação de dados técnicos. Também pode encontrar mais informações sobre os parâmetros individuais no nosso Glossário da medição de força.
