Diseño y Evaluación de un Sistema Electromecánico de Bajo Costo para Probar el Rendimiento Dinámico de Sensores de Fuerza a Bajas Frecuencias
Autores: Esposito, Daniele; Centracchio, Jessica; Andreozzi, Emilio; Bifulco, Paolo; Gargiulo, Gaetano D.
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2022
Acceso abierto
Artículo científico
2022
Diseño y Evaluación de un Sistema Electromecánico de Bajo Costo para Probar el Rendimiento Dinámico de Sensores de Fuerza a Bajas Frecuencias
Categoría
Tecnología de Equipos y Accesorios
Subcategoría
Diseño de equipos y herramientas
Palabras clave
Sensores piezoresistivos
Piezoeléctricos
Sensores de fuerza
Celdas de carga
Calibración
Mediciones
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 15
Citaciones: Sin citaciones
Los sensores de fuerza piezoresistivos o piezoeléctricos están ampliamente disponibles hoy en día. Estos sensores son preferidos a las celdas de carga debido a su tamaño extremadamente reducido, delgadez y bajo costo, lo que permite su fácil inclusión en una gran variedad de dispositivos, incluidos los wearables. En particular, muchas aplicaciones están dedicadas a monitorear los movimientos del cuerpo humano, como los relacionados con la respiración, la contracción muscular, la marcha, etc. Sin embargo, dichos sensores ofrecen un rendimiento variable y necesitan ser calibrados y probados individualmente para garantizar mediciones precisas. Se propone un sistema electromecánico automatizado que permite pruebas mecánicas simples de sensores de fuerza. El sistema, mediante un motor eléctrico, una caja de engranajes, un mecanismo de biela-manivela, dos pistones y un resorte de acoplamiento entre ellos, aplica fuerzas axiales sinusoidales al sensor en prueba. El sistema está diseñado de manera modular para que pueda ser personalizado: el rango de fuerza al que se somete el sensor, el rango de frecuencia y el acoplador con el sensor pueden cambiarse para asemejarse al contexto de aplicación real. La fuerza real (leída de una celda de carga acoplada al sensor en prueba), un desplazamiento del pistón y la salida del sensor se registran simultáneamente. El sistema electromecánico genera tensiones sinusoidales casi puras a frecuencias bajas variables (distorsión armónica total media del 2.77%). La energía disipada para un ciclo de tensión único fue de 3.62 gf mm en promedio. El sistema desarrollado se utilizó para probar un sensor basado en un Resistor Sensible a la Fuerza (FSR) y un sensor piezoeléctrico (PZT). Las pruebas revelaron diferencias significativas con respecto a los valores de fuerza reales (particularmente a frecuencias muy bajas), desplazamientos de salida del sensor FSR en las mediciones y comportamientos no lineales. Se encontró que el sistema es capaz de proporcionar rendimientos dinámicos, calibración precisa y comportamiento no lineal del sensor individual.
Descripción
Los sensores de fuerza piezoresistivos o piezoeléctricos están ampliamente disponibles hoy en día. Estos sensores son preferidos a las celdas de carga debido a su tamaño extremadamente reducido, delgadez y bajo costo, lo que permite su fácil inclusión en una gran variedad de dispositivos, incluidos los wearables. En particular, muchas aplicaciones están dedicadas a monitorear los movimientos del cuerpo humano, como los relacionados con la respiración, la contracción muscular, la marcha, etc. Sin embargo, dichos sensores ofrecen un rendimiento variable y necesitan ser calibrados y probados individualmente para garantizar mediciones precisas. Se propone un sistema electromecánico automatizado que permite pruebas mecánicas simples de sensores de fuerza. El sistema, mediante un motor eléctrico, una caja de engranajes, un mecanismo de biela-manivela, dos pistones y un resorte de acoplamiento entre ellos, aplica fuerzas axiales sinusoidales al sensor en prueba. El sistema está diseñado de manera modular para que pueda ser personalizado: el rango de fuerza al que se somete el sensor, el rango de frecuencia y el acoplador con el sensor pueden cambiarse para asemejarse al contexto de aplicación real. La fuerza real (leída de una celda de carga acoplada al sensor en prueba), un desplazamiento del pistón y la salida del sensor se registran simultáneamente. El sistema electromecánico genera tensiones sinusoidales casi puras a frecuencias bajas variables (distorsión armónica total media del 2.77%). La energía disipada para un ciclo de tensión único fue de 3.62 gf mm en promedio. El sistema desarrollado se utilizó para probar un sensor basado en un Resistor Sensible a la Fuerza (FSR) y un sensor piezoeléctrico (PZT). Las pruebas revelaron diferencias significativas con respecto a los valores de fuerza reales (particularmente a frecuencias muy bajas), desplazamientos de salida del sensor FSR en las mediciones y comportamientos no lineales. Se encontró que el sistema es capaz de proporcionar rendimientos dinámicos, calibración precisa y comportamiento no lineal del sensor individual.