Los sensores de fuerza, las células de carga y sus amplificadores son los componentes fundamentales de todos los sistemas de medición de fuerza en el ámbito industrial, de ensayo, de pesaje y de control de procesos. Convierten una magnitud mecánica (fuerza, peso, presión) en una señal eléctrica medible (mV/V, V, mA, digital) mediante transductores basados en distintos principios físicos. La disponibilidad de células de carga en numerosas geometrías, capacidades y clases de exactitud permite realizar soluciones a medida para bancos de ensayo personalizados, integración en maquinaria industrial, sistemas de monitorización estructural y pesaje industrial.
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Tecnologías de transducción
La tecnología más extendida es la célula de carga extensométrica (strain gauge load cell), en la que galgas resistivas de hilo o de película fina van pegadas a un elemento elástico de transducción (geometría en S, button, pancake, pin, beam, canister); la deformación elástica bajo carga modifica la resistencia de las galgas y genera una señal de desequilibrio del puente de Wheatstone. Las células piezoeléctricas emplean cristales de cuarzo o cerámicas piezoeléctricas que generan carga eléctrica al deformarse: resultan idóneas para fuerzas dinámicas de alta frecuencia, pero no para mediciones estáticas prolongadas. Las células capacitivas miden las variaciones de capacidad de un transductor eléctrico móvil y se utilizan en aplicaciones de alta precisión y fuerzas bajas.
Tipos de células extensométricas
Las geometrías de células de carga más extendidas son: en S (tracción y compresión hasta unos pocos kN, aplicaciones de bancos de ensayo); pancake (de perfil bajo, gran capacidad de carga, hasta cientos de kN); button (pequeña, para integrar en máquinas, hasta kN); bending beam (pesaje industrial, hasta unas pocas toneladas); shear beam (aplicaciones de capacidad media y alta); canister (pesaje de depósitos, silos y básculas puente, hasta cientos de toneladas); pin (medición de la tensión en cables y tirantes). Cada geometría está optimizada para una dirección de carga concreta.
Amplificadores e indicadores
Las células extensométricas entregan señales de salida de bajo nivel (habitualmente 2 mV/V a fondo de escala) que exigen amplificación y acondicionamiento antes de la lectura. Los amplificadores dedicados proporcionan alimentación estabilizada al puente de Wheatstone, amplificación de la señal con offset y shunt-calibration, y conversión a salida analógica (4-20 mA, 0-10 V) o digital (RS-485, Modbus RTU, CAN, Profibus, Profinet). Los indicadores industriales integran el amplificador con una pantalla digital, funciones de calibración, umbrales de alarma y salida de datos. Constituyen el front-end habitual de los sistemas de pesaje y de ensayo.
Aplicaciones
Las células de carga y los sensores de fuerza se aplican en: máquinas universales de ensayo de materiales (UTM); bancos de ensayo personalizados (ensayos de tracción, compresión y fatiga, en línea con el producto); pesaje industrial (básculas de sobremesa y de suelo, básculas puente, silos, contenedores cerrados); sistemas de pesaje dinámico (llenadoras, dosificadoras, control de peso en línea); mantenimiento estructural (seguimiento de los esfuerzos en pilares, tirantes y cerchas); sistemas de seguridad (puertas con detección de fuerza, detección de intrusión); robótica (control de la fuerza de agarre y de las presiones de trabajo); aplicaciones de sport engineering y biomecánica.
Características y normas
Las características principales de una célula de carga son: capacidad nominal, clase de exactitud (C3, C4, C6 para pesaje legal; clases 0,02 / 0,05 / 0,1 / 0,5 % F.E. para aplicaciones industriales), error de linealidad, histéresis, repetibilidad, deriva térmica (efecto de la temperatura sobre la salida), sensibilidad nominal (mV/V), resistencia del puente (Ω), tensión de alimentación máxima y sobrecarga de seguridad. Las normas de referencia son OIML R60 (células para instrumentos de pesaje) e ISO 376 (calibración de células para máquinas de ensayo). La calibración ISO 17025 es exigida en las aplicaciones de exactitud certificada.
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