Sensores de fuerza: Definición, características, tipos y aplicaciones 

En la era de la tecnología avanzada, los sensores de fuerza se han convertido en piezas fundamentales que impulsan una amplia gama de aplicaciones en diversos campos, desde la industria manufacturera hasta la robótica y la medicina.

---

En este contexto, los sensores de fuerza emergen como dispositivos que desempeñan un papel fundamental en la optimización de procesos, la mejora de la seguridad y la creación de tecnologías innovadoras. Estos dispositivos abarcan desde aplicaciones simples, como el pesaje de objetos, hasta sistemas complejos de control de movimiento en robots industriales. La importancia de los sensores de fuerza radica en su capacidad para proporcionar datos precisos y en tiempo real sobre la interacción entre objetos y su entorno.

¿Qué son los sensores de fuerza?

Son dispositivos diseñados para detectar y medir la magnitud de la fuerza aplicada sobre ellos en diversas formas, como compresión, tensión o flexión. Utilizan tecnologías como resistencia eléctrica, capacidad, piezoelectricidad o galgas extensiométricas para convertir la fuerza mecánica en señales eléctricas que pueden ser interpretadas por sistemas electrónicos. 

¿Cómo funciona un sensor de fuerza?

El funcionamiento de un sensor de fuerza basado en galgas extensiométricas implica la conversión de la fuerza mecánica aplicada sobre un resorte en una señal eléctrica. Esto se logra a través de tres etapas clave de procesamiento. En primer lugar, cuando se aplica una carga externa al resorte, este experimenta deformaciones que se reflejan en alargamientos en su superficie.

Luego, cintas de medición colocadas en la superficie del resorte capturan estas deformaciones. Estas cintas están equipadas con galgas extensiométricas, las cuales son dispositivos que convierten la deformación mecánica en un cambio en la resistencia eléctrica. Funcionan esencialmente como convertidores mecánico-eléctricos.

Como consecuencia de esta alteración en la resistencia, se produce un cambio en la tensión eléctrica que es proporcional a la fuerza aplicada sobre el resorte. Esta modificación de la tensión puede ser detectada mediante un puente de Wheatstone, que es un circuito eléctrico utilizado para medir pequeñas variaciones de resistencia.

La interconexión inteligente de las galgas extensiométricas dentro del puente de Wheatstone permite detectar incluso los alargamientos más sutiles, lo que resulta fundamental para la precisión y sensibilidad del sensor de fuerza en la medición de cargas.

Diferencian los sensores de fuerza y los transductores de fuerza

Los sensores de fuerza, los transductores de fuerza y las células de carga son dispositivos de medición diseñados para evaluar con precisión fuerzas tanto de compresión como de tracción. Aunque en el pasado se podía distinguir entre ellos, hoy en día se utilizan de manera intercambiable y sin una clara demarcación entre ellos.

Los sensores de fuerza piezoeléctricos se basan en el principio de la medición piezoeléctrica, aprovechando el cuarzo dentro del sensor para generar una carga proporcional a la fuerza aplicada. Esto permite mediciones precisas de fuerzas dinámicas y cuasiestáticas, con una ventaja significativa en la precisión constante a lo largo de un amplio rango de mediciones. Además, ofrecen una alta protección contra la sobrecarga, reduciendo la necesidad de medidas de protección adicionales, especialmente en rangos de baja medición.

Por otro lado, los transductores de fuerza se basan en el principio de las galgas extensométricas y son ideales para la medición de fuerzas estáticas y cuasiestáticas, así como para determinar pares y realizar mediciones de peso.

En resumen, aunque se solían distinguir entre sí, hoy en día estos términos se utilizan indistintamente, refiriéndose a dispositivos de medición de fuerza con diferentes principios de funcionamiento pero con aplicaciones similares.

Aplicaciones de los sensores de fuerza

• Industria automotriz: Son esenciales para el control de calidad durante la fabricación de piezas. Por ejemplo, se utilizan para medir la fuerza aplicada durante el ensamblaje de componentes como los frenos o los sistemas de suspensión. También se emplean en pruebas de choque para evaluar la seguridad de los vehículos y en sistemas de control de frenado y aceleración para garantizar un funcionamiento adecuado.
• Robótica: Permiten a los robots interactuar con su entorno de manera segura y precisa. Se utilizan para controlar la fuerza y el agarre en aplicaciones como la manipulación de objetos delicados en líneas de ensamblaje o la realización de tareas de precisión en entornos colaborativos con personas. Además, estos sensores también son cruciales para detectar colisiones y garantizar la seguridad en entornos compartidos entre humanos y robots.
• Salud y medicina: Se emplean en una variedad de aplicaciones, como la medición de fuerzas durante la rehabilitación física para evaluar el progreso del paciente. También se utilizan en dispositivos de asistencia para personas con discapacidad, como prótesis y ortesis, para proporcionar un soporte adecuado y una movilidad mejorada. Además, en equipos de análisis de marcha, los sensores de fuerza ayudan a los especialistas a evaluar la biomecánica del movimiento humano y detectar anomalías.
• Industria aeroespacial: Desempeñan un papel crucial en las pruebas de materiales y estructuras para garantizar la seguridad y la fiabilidad de las aeronaves y los vehículos espaciales. Se utilizan en pruebas de carga para evaluar la resistencia de componentes y estructuras ante condiciones extremas, así como en sistemas de control de vuelo y navegación para mantener la estabilidad y el control durante el vuelo.
• Electrónica de consumo: Se encuentran comúnmente en dispositivos electrónicos de consumo, como pantallas táctiles y dispositivos de entrada como los trackpads. Permiten a los usuarios interactuar con estos dispositivos mediante gestos y toques, proporcionando una experiencia de usuario intuitiva. Además, se utilizan en wearables para el seguimiento de la actividad física, donde pueden medir la fuerza ejercida durante el ejercicio y proporcionar información sobre el rendimiento del usuario.
• Industria alimentaria: Se utilizan en aplicaciones como el control de la fuerza en el envasado de alimentos para garantizar un sellado adecuado y la integridad del producto. También se emplean para detectar la consistencia de los alimentos durante la producción, lo que permite asegurar la calidad y la uniformidad del producto final.

---

Conozca sobre: ¿Qué es un intercambiador de calor y para qué sirve?

---

Tipos de sensores de fuerza

• Sensores resistivos

Estos sensores son comunes en aplicaciones donde se necesita medir fuerza y funcionan mediante la variación de la resistencia eléctrica de un material cuando se le aplica fuerza mecánica. Por lo general, estos sensores consisten en un material resistivo que cambia su resistencia eléctrica cuando se deforma mecánicamente. Esto puede ocurrir debido a la flexión, compresión o torsión. La resistencia eléctrica del material se convierte luego en una señal eléctrica proporcional a la fuerza aplicada. Este tipo de sensor es fácil de fabricar y tiene un costo relativamente bajo.

• Sensores capacitivos

Estos sensores funcionan midiendo la variación de la capacidad eléctrica de un condensador cuando se le aplica una fuerza. Un condensador consiste en dos placas conductoras separadas por un material dieléctrico; cuando se aplica una fuerza sobre el sensor, las placas del condensador se mueven más cerca o más lejos, lo que cambia la capacidad del condensador. Esta variación en la capacitancia se puede medir y convertir en una señal eléctrica proporcional a la fuerza aplicada. Aunque los sensores capacitivos son sensibles y pueden detectar fuerzas muy pequeñas, pueden ser más sensibles a cambios ambientales y a la interferencia eléctrica.

• Sensores piezoeléctricos

Estos sensores generan una señal eléctrica en respuesta a la presión mecánica. Están basados en el efecto piezoeléctrico, que es la capacidad de ciertos materiales (como el cuarzo, algunos cristales y cerámicas) para generar una carga eléctrica en respuesta a una deformación mecánica. Cuando se aplica una fuerza a un material piezoeléctrico, se produce una acumulación de cargas eléctricas en su superficie, generando una señal eléctrica proporcional a la fuerza aplicada.

• Sensores de galga extensiométrica

Estos sensores se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un material metálico cuando se le aplica una fuerza que lo deforma. Una galga extensiométrica es un elemento delgado y flexible que se adhiere a la superficie de un objeto. Cuando se aplica una fuerza al objeto, este se deforma y la galga extensiométrica también se deforma, lo que produce un cambio en su resistencia eléctrica. Este cambio en la resistencia se puede medir y convertir en una señal eléctrica proporcional a la fuerza aplicada. Los sensores de galga extensiométrica son muy precisos y se utilizan comúnmente en aplicaciones donde se requiere una medición precisa de la fuerza, como en la industria automotriz y la ingeniería estructural.

• Dinamómetros

Funciona aplicando una fuerza conocida y luego midiendo la respuesta del objeto bajo prueba. En términos generales, un dinamómetro puede ser mecánico, hidráulico, eléctrico o digital. De esta manera:

1. Los dinamómetros mecánicos suelen utilizar resortes o materiales elásticos que se deforman bajo la influencia de la fuerza aplicada, mostrando la magnitud de la fuerza en una escala calibrada. 
2. Los dinamómetros hidráulicos convierten la fuerza aplicada en presión hidráulica en un sistema cerrado de fluido, que luego se mide con un manómetro o un transductor de presión. 
3. Los dinamómetros eléctricos aprovechan la deformación de materiales piezoeléctricos o la variación de la resistencia eléctrica en elementos extensiométricos para convertir la fuerza en una señal eléctrica que se puede medir y mostrar en una pantalla. 
4. Los dinamómetros digitales utilizan sensores de fuerza electrónicos para convertir la fuerza en una señal digital, que se muestra en una pantalla digital. Estos dispositivos se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, como pruebas de materiales, calibración de equipos, evaluación de la fuerza muscular y en la industria manufacturera, entre otros campos. Su capacidad para proporcionar mediciones precisas los hace esenciales en muchas áreas de estudio y aplicación.

Características de los sensores de fuerza

• Rango de medición: Indica el rango de fuerza que el sensor puede detectar de manera precisa. Puede ir desde unos pocos gramos hasta varias toneladas, dependiendo del tipo de sensor y su aplicación.
• Precisión: Es la capacidad del sensor para medir con exactitud la fuerza aplicada. Se expresa como un porcentaje del valor medido o en unidades de fuerza.
• Resolución: Se refiere a la menor cantidad de fuerza que puede detectar el sensor. Es importante para aplicaciones que requieren mediciones precisas y finas.
• Linealidad: Mide cuán lineal es la respuesta del sensor a medida que aumenta la fuerza aplicada. Un sensor lineal producirá una salida proporcional a la fuerza aplicada.
• Repetibilidad: Es la capacidad del sensor para producir los mismos resultados cuando se aplica la misma fuerza en condiciones similares.
• Histeresis: Algunos sensores pueden exhibir histeresis, lo que significa que la salida del sensor puede variar dependiendo de si la fuerza está aumentando o disminuyendo. Una baja histeresis es importante para mediciones precisas y consistentes.
• Tiempo de respuesta: Indica cuánto tiempo tarda el sensor en responder a un cambio en la fuerza aplicada. Es importante en aplicaciones donde se requieren respuestas rápidas.
• Tipo de salida: Los sensores de fuerza pueden proporcionar una variedad de tipos de salida, como analógica (voltaje o corriente), digital (por ejemplo, a través de un protocolo de comunicación como SPI o I2C), o incluso inalámbrica.
• Dimensiones: Dependiendo de la aplicación, los sensores de fuerza pueden venir en diferentes formas y tamaños para adaptarse a las necesidades específicas, desde pequeños sensores de tensión hasta grandes células de carga.
• Ambiente de operación: Algunos sensores de fuerza están diseñados para funcionar en condiciones específicas, como alta temperatura, humedad, presión, o entornos corrosivos. Es importante seleccionar un sensor que sea adecuado para el entorno en el que se utilizará.

---

Lea también: Todo sobre sensores de sonido: Qué son, para qué sirven y cómo se utilizan

---

Ventajas de los sensores de fuerza

• Medición precisa: Los sensores de fuerza pueden proporcionar mediciones precisas de la fuerza aplicada en una variedad de contextos, desde aplicaciones industriales hasta dispositivos médicos.
• Versatilidad: Estos sensores pueden adaptarse a diferentes situaciones y aplicaciones, ya sea en entornos controlados como laboratorios o en aplicaciones más dinámicas como la robótica.
• Respuesta rápida: Muchos sensores de fuerza tienen una respuesta rápida, lo que los hace adecuados para aplicaciones donde se requiere una retroalimentación en tiempo real.
• Tamaño compacto: Algunos sensores de fuerza son relativamente pequeños y pueden integrarse fácilmente en dispositivos y sistemas sin ocupar mucho espacio.
• Bajo mantenimiento: Muchos sensores de fuerza son diseñados para ser duraderos y requieren poco o ningún mantenimiento, lo que los hace ideales para aplicaciones donde se necesita fiabilidad a largo plazo.
• Costo efectivo: Con el avance de la tecnología, los sensores de fuerza se han vuelto más asequibles, lo que los hace accesibles para una variedad de aplicaciones y presupuestos.
• Interfaz fácil de usar: Muchos sensores de fuerza están diseñados con interfaces intuitivas que facilitan su integración y uso en sistemas más amplios.
• Compatibilidad con sistemas automatizados: Los sensores de fuerza pueden integrarse en sistemas automatizados para realizar tareas que requieran control de fuerza, como ensamblaje o manipulación de objetos.
• Detección de sobrecargas: En aplicaciones donde es crucial evitar daños por sobrecarga, los sensores de fuerza pueden proporcionar una advertencia o detener automáticamente la operación cuando se excede un límite de fuerza predefinido.
• Monitoreo de calidad: En procesos de fabricación, los sensores de fuerza pueden utilizarse para monitorear la calidad de los productos mediante la medición de la fuerza aplicada durante diferentes etapas del proceso.

¿Con qué frecuencia se debe calibrar un sensor de medición de fuerza?

Es recomendable realizar una recalibración anual para garantizar que el sensor mantenga su precisión a lo largo del tiempo, especialmente los que emplean galgas extensométricas, debido a su exposición continua, el efecto del envejecimiento, la posible deriva en la salida, sobrecargas eventuales y posibles manipulaciones incorrectas. En situaciones donde los sensores se utilizan en entornos hostiles o en aplicaciones críticas, puede ser necesario realizar calibraciones más frecuentes para garantizar un rendimiento óptimo y confiable. Se recomienda consultar con nuestro equipo de soporte técnico para determinar los intervalos de calibración más adecuados para su transductor de fuerza, lo que garantizará un servicio eficiente y económico a lo largo del tiempo.

¿Por qué es importante calibrar los sensores de fuerza?

La calibración de los sensores de fuerza es esencial para garantizar su precisión y funcionamiento sin errores. Consiste en ajustar el sensor o instrumento para que funcione lo más precisamente posible. Todos los sensores de fuerza pueden presentar errores de medición, los cuales pueden originarse por diversos factores:

• Desplazamiento de cero: Esto ocurre cuando la salida del sensor en ausencia de fuerza (cero verdadero) es diferente de lo ideal. La estabilidad cero se refiere a cuánto el sensor mantiene este equilibrio en diversas condiciones.
• Linealidad: Muchos sensores no tienen una respuesta completamente lineal, lo que significa que la sensibilidad de salida puede cambiar a lo largo de su rango de medición.
• Histéresis: Es la discrepancia máxima entre las lecturas del sensor al aplicar la misma fuerza, ya sea aumentando o disminuyendo desde el valor nominal.
• Repetibilidad: Es la capacidad del sensor para producir lecturas consistentes bajo las mismas condiciones y fuerzas repetidas.
• Cambios de temperatura: Pueden afectar la salida y el equilibrio cero del sensor.

Cada sensor tiene una curva de calibración que define su respuesta a diferentes entradas. Durante la calibración, se verifica y ajusta el desplazamiento cero, la linealidad y otros parámetros, asegurando así una respuesta más precisa del sensor. Este proceso es crucial para mantener la fiabilidad en aplicaciones donde la medición de fuerza es crítica.

¿Cómo elegir un sensor de fuerza?

• Identifique claramente qué desea medir y en qué condiciones. Reconozca si necesita medir fuerzas de tensión, compresión, torsión u otro tipo de carga.
• Evalúe cómo se va a montar el sensor y qué tipo de carga experimentará. Determine si la carga será estática o dinámica, y considere si el sensor necesita resistir condiciones ambientales específicas, como vibraciones o impactos.
• Determine la carga mínima y máxima que el sensor deberá medir. Considere también las cargas extrañas o momentos que puedan afectar la medición y asegúrese de seleccionar un sensor con capacidad suficiente para manejarlas.
• Tenga en cuenta el espacio disponible para la instalación del sensor y cualquier limitación de forma o tamaño que pueda tener. Además, considere si hay requisitos específicos de diseño, como resistencia a la corrosión o impermeabilidad.
• Considere factores como la salida de señal, la linealidad, la histéresis y la resolución del sensor. Además, tenga en cuenta si se necesitan características especiales, como resistencia a altas temperaturas o ambientes corrosivos.
• Si su aplicación requiere características especiales, como impermeabilidad, resistencia a altas temperaturas o capacidad de funcionamiento en entornos criogénicos, asegúrese de buscar sensores que cumplan con estos requisitos.
• Determine si necesita una salida analógica, digital o en serie. Si es necesario, seleccione un amplificador de carga o acondicionador de señal compatible para garantizar una salida de datos precisa y compatible con su sistema de adquisición de datos o control.
• Asegúrese de que el sensor seleccionado se pueda integrar fácilmente en su sistema existente. Esto incluye considerar la compatibilidad eléctrica y mecánica, así como la disponibilidad de accesorios de montaje y conexiones adecuadas.