Sensor inteligente para medição de cargas mecânicas

A medição precisa da força é necessária para muitas aplicações, nomeadamente, para a determinação da resistência mecânica dos materiais, controlo de qualidade durante a produção, pesagem e segurança de pessoas. Dada a grande necessidade de medição de forças, têm-se desenvolvido, ao longo do tempo, várias técnicas e instrumentos para esse fim. Entre os vários instrumentos utilizados, destacam-se os sensores de força, também designadas por células de carga, pela sua simplicidade, precisão e versatilidade. O exemplo mais comum é baseado em extensómetros elétricos do tipo resistivo, que aliados a uma estrutura formam uma célula de carga. Este tipo de sensores possui sensibilidades baixas e em repouso, presença de offset diferente de zero, o que torna complexo o seu condicionamento de sinal. Este trabalho apresenta uma solução para o condicionamento e aquisição de dados para células de carga que, tanto quanto foi investigado, é inovador. Este dispositivo permite efetuar o condicionamento de sinal, digitalização e comunicação numa estrutura atómica. A ideia vai de encontro ao paradigma dos sensores inteligentes onde um único dispositivo eletrónico, associado a uma célula de carga, executa um conjunto de operações de processamento de sinal e transmissão de dados. Em particular permite a criação de uma rede ad-hoc utilizando o protocolo de comunicação IIC. O sistema é destinado a ser introduzido numa plataforma de carga, desenvolvida na Escola Superior de Tecnologia e Gestão de Bragança, local destinado à sua implementação. Devido à sua estratégia de conceção para a leitura de forças em três eixos, contém quatro células de carga, com duas saídas cada, totalizando oito saídas. O hardware para condicionamento de sinal já existente é analógico, e necessita de uma placa de dimensões consideráveis por cada saída. Do ponto de vista funcional, apresenta vários problemas, nomeadamente o ajuste de ganho e offset ser feito manualmente, tornando-se essencial um circuito com melhor desempenho no que respeita a lidar com um array de sensores deste tipo.

The precise measurement of force is necessary for many applications, namely to determine material resistance, quality control during productions, weighing and personnel safety. Given the high necessity of force measurement, for many years, techniques and instruments have been developed to aid this quest. Among the many used instruments, force sensors, also known as load cells, have gained interest due to their simplicity, precision and versatility. The most common example is based on electrical strain gauges of resistive type, that joined to a structure, compose a load cell. This type of sensors has low sensibility, and in rest display offsets, which are different from zero, and makes signal conditioning quite complex. This work presents a solution for conditioning and data acquisition for load cells that, as much as been investigated, is innovative. The developed device allows signal conditioning, digitalization and communication in an atomic structure. The idea meets the paradigm of smart sensors, where a single electronic device, coupled to a load cell, executes a set of signal processing and data transmission. Particularly, it allows a creation of an ad-hoc network, using the IIC protocol. The system is to be introduced in a loading platform, developed at the School of Technology and Management of Bragança, where it will be implemented. Given that it is conceived to read the force in three axes, it has four load cells with two outputs each, totalizing eight outputs. The existing hardware for signal conditioning is analogue and needs a considerable sized board for each output. It displays some flaws in terms of functionality, namely the gain adjustment, and the fact that the offset is manual, being essential to develop a board with better performance in terms of dealing with an array of sensors of this type.