La Misura della Forza in Elettronica – Puntata 1

Spesso, quando si parla di misura di una forza, il nostro pensiero corre velocemente ai laboratori di fisica, tra molle e dinamometri. Più difficilmente pensiamo, di primo acchito, alla trasduzione elettrica di questa entità. In questo articolo diamo una concisa descrizione sul principio di funzionamento dei sensori di forza usati in elettronica, per poi soffermarci su un tipo particolare di estensimetro, ovvero il sensore FSR400, descrivendo il percorso alla sua caratterizzazione e calibrazione in un’applicazione pratica.

In fisica, con forza si identifica una grandezza vettoriale che esprime l’interazione tra due o più corpi. Considerato un corpo in uno stato di quiete o di moto rispetto ad un altro, la forza è quella grandezza capace di modificare lo stato del primo corpo rispetto al secondo. Nella fisica classica, il concetto di forza è presente in tutti i tre principi della dinamica:

Un corpo mantiene il proprio stato di quiete o moto rettilineo uniforme, finché una forza non agisce su di esso (1° principio o principio di Galileo);
L’accelerazione di un corpo è direttamente proporzionale e ha la stessa direzione della forza che agisce su esso ed inversamente proporzionale alla sua massa (2° principio o principio di Newton);

F = ma

Per ogni forza che un corpo A esercita su un corpo B, esiste una forza di uguale intensità ma di verso opposto che agisce dal corpo B al corpo A (3° principio o principio di azione-reazione).

Partendo dal ruolo fondamentale del concetto di forza presente in natura, esistono svariate unità di misura più o meno indirette per quantizzarla; la più usata, o meglio quella definita dal sistema internazionale, è il Newton, che come facilmente ricavabile dal secondo principio della dinamica equivale a:

1 Newton = (1 Kilogrammo * 1 Metro)/
secondo²

Vista l’enorme importanza del concetto di forza nell’interazione tra i corpi, diventa altrettanto fondamentale la misura di quest’ultima in quasi tutte le applicazioni meccaniche o laddove due corpi entrano in contatto. In elettronica esistono molteplici tipi di sensori per la misurazione della forza, differenti tra loro sia dal punto di vista circuitale che per principio di funzionamento. Tuttavia, i più diffusi fanno capo a tre grandi famiglie: Piezoelettrici, Celle di Carico e i più semplici e diffusi Estensimetri Resistivi. In questa prima parte dell'articolo, daremo una breve descrizione sul principio di funzionamento dei sensori di forza citati (per maggiori informazioni rimandiamo a testi specifici) per poi soffermarci su un tipo particolare di estensimetro, ovvero il sensore FSR400, parlando della sua caratterizzazione e calibrazione in un’applicazione pratica.

SENSORI DI FORZA PIEZOELETTRICI

I sensori di forza piezoelettrici, come tutti i sensori di questo tipo, si basano sulla piezoelettricità, ovvero la duplice proprietà di alcuni materiali cristallini di polarizzarsi e di creare quindi una differenza di potenziale se sottoposti ad una deformazione meccanica, e al tempo stesso di deformarsi in modo elastico se attraversati da corrente. In pratica, se un cristallo piezoelettrico viene sollecitato meccanicamente su due facce opposte, tra queste si verrà a creare una tensione e il cristallo si comporterà come un condensatore, accumulando cariche elettriche sulle proprie facce. Nei cristalli piezoelettrici, la densità di carica accumulata (D) è direttamente proporzionale allo stress meccanico applicato lungo una direzione (S) e alla costante di deformazione piezoelettrica (C):

D = C·S

Conoscendo quindi la costante del materiale e misurando la tensione ai capi del sensore, si può risalire all’entità della forza agente sul sensore.

LE CELLE DI CARICO

Le celle di carico (vedi Figura 1) sono sensori costituiti da una struttura meccanica che si deforma in modo elastico e lineare ogni qual volta una forza viene applicata su di essa.

Figura 1: Esempio di Cella di Carico

La forma geometrica, le dimensioni, il campo di misura ma soprattutto il modo in cui la forza viene trasdotta in tensione dipendono dalla tipologia di cella. Il principio di funzionamento si basa sulla concentrazione della tensione meccanica, ovvero la distribuzione delle tensioni interne ad un materiale sottoposto ad un carico esterno. Questa è funzione (oltre al tipo di carico in questione) della geometria del materiale stesso; ovvero, quando un carico agisce su un materiale deformando la sezione di quest’ultimo, la distribuzione interna di tensioni del materiale cambia. Da qui si capisce che, per una corretta scelta della cella di carico destinata ad una specifica applicazione, non basta avere una stima dell’entità della forza che agisce sul corpo, ma bisogna anche avere una stima della tipologia di questa. Ad esempio, un momento torcente piuttosto che una forza di compressione. Scelto il tipo della cella, bisognerà scegliere la forma geometrica più opportuna, in funzione della forza e della struttura su cui verrà montata. Infine, bisognerà scegliere il circuito di condizionamento più adatto: nella maggior parte dei casi si tratta di sensori resistivi per i quali va usato un ponte di Wheatstone.