Los investigadores desarrollan la referencia de fuerza dinámica de Kibble

Una fuerza estática como el peso de una persona parada sobre una báscula de baño o la fuerza que ejerce una oficina llena de equipos sobre el piso de un rascacielos se determina fácilmente mediante básculas, básculas, celdas de carga, etc., ya que no cambia con el tiempo. Es fácil calibrar tales dispositivos con una fuerza constante, como la gravedad, que actúa sobre una masa conocida.

Sin embargo, la fuerza dinámica que varía continuamente cuando se aplica, como en las pruebas de choque de automóviles, las pruebas de fatiga de materiales y las fuerzas cambiantes aplicadas durante el mecanizado, ha sido tradicionalmente difícil de medir. En muchas aplicaciones, una fuerza variable en el tiempo provoca grandes errores en los instrumentos calibrados para medir la fuerza estática. Por lo tanto, es necesario calibrar la respuesta de estos instrumentos a las fuerzas dinámicas.

Para satisfacer esta necesidad, los científicos del NIST desarrollaron Kibble Dynamic Force Reference (KDFR), una fuente rastreable de fuerza dinámica basada en el mismo principio que se usa en la balanza Kibble para generar una fuerza estática exactamente conocida para contrarrestar el peso de una masa desconocida.

El KDFR patentado, por otro lado, genera ondas o pulsos con fuerza dinámica repetitiva. “Hay ruido, un resultado medido al azar que no está relacionado con la fuerza aplicada, en cualquier tipo de medición dinámica”, dijo el cocreador Ako Chijioke. “Como resultado, se necesitan muchos pulsos repetidos para obtener una relación señal-ruido suficiente”.

Además, las mediciones centradas en el comportamiento a frecuencias específicas pueden ser difíciles. Requieren la capacidad de excitar una estructura a una frecuencia específica, junto con una medición precisa de la fuerza de excitación. Las técnicas existentes no combinan bien estos dos aspectos.

KDFR lo hace. Es un patrón primario, es decir, no requiere calibración, porque su funcionamiento se basa en relaciones físicas fundamentales. Su rango de frecuencia objetivo es de unos pocos Hz (hercios, ciclos por segundo) a unos pocos kHz (kilohercios, miles de ciclos por segundo), con una incertidumbre del 1%. Es portátil y está diseñado para usarse en el sitio donde se necesiten mediciones.

Se espera que se utilice para aplicaciones tales como pruebas estructurales (incluidas las pruebas modales que identifican los modos naturales de un objeto) de vehículos, edificios y puentes, así como para calibrar los sistemas de sensores de fuerza utilizados para medir fuerzas dinámicas, como pruebas de materiales (pruebas de tracción dinámica, pruebas de fatiga, pruebas de impacto) y equilibrio aerodinámico en pruebas de túnel de viento.

La medición de las frecuencias de resonancia de las vibraciones es importante, por ejemplo, para evitar inducir vibraciones en las estructuras de las aeronaves que podrían temblar hasta el punto de fallar, o como método para medir las propiedades elásticas de los materiales. Pero no es necesario conocer la fuerza exacta para medir las frecuencias resonantes.

“Se requiere un conocimiento preciso de la fuerza cuando se desea medir con precisión la respuesta de frecuencia de una estructura, no solo conocer sus frecuencias resonantes”, dijo Chijioke. (La respuesta de frecuencia es la relación entre el movimiento y la fuerza de entrada en función de la frecuencia).

“KDFR se puede usar, por ejemplo, para determinar qué entrada de fuerza transferiría la estructura de soporte a lo que soporta, para inferir de las mediciones de la tensión y deformación de la superficie del avión en vuelo qué fuerzas estaban actuando sobre el avión y, por supuesto, para calibrar la respuesta dinámica del sensor de fuerza”, dijo.

Tecnología de croquetas

El principio de Kibble permite determinar con precisión la fuerza mecánica generada por la corriente que fluye en un cable que se mueve en un campo magnético.

Con la báscula Kibble, las mediciones precisas requieren dos pasos. En uno, la corriente se regula para producir una fuerza que equilibre exactamente la fuerza estática ejercida por la masa desconocida, con la bobina estacionaria. En un paso separado, la bobina se mueve sin que fluya corriente y se mide el voltaje generado entre sus extremos.

“Separar las mediciones de corriente y voltaje en dos pasos requiere un alto grado de homogeneidad y estabilidad del campo magnético, lo cual es difícil de lograr en mediciones dinámicas”, dijo Chijioke. “Por lo tanto, en el KDFR, la corriente, el voltaje y la velocidad se miden de manera simultánea y sincrónica a una alta frecuencia de muestreo (decenas de kHz), lo que garantiza que la potencia de salida se genere en todo momento”.

Las mediciones de fuerza dinámica generalmente no se corresponden con las obtenidas por un sensor de fuerza calibrado estáticamente. Esta diferencia resulta de la inercia de los elementos del sistema que aceleran en presencia de una fuerza dinámica, así como de las fuerzas de fricción (amortiguación) a las que está sujeto el material en movimiento.

A veces se utilizan modelos de sistemas dinámicos que tienen en cuenta estos efectos para compensarlos. Pero generalmente tienen una precisión limitada y, a menudo, requieren mediciones de sensores adicionales.

Sin embargo, se pueden obtener mediciones precisas si los sistemas de sensores se calibran dinámicamente y, lo que es más importante, cuando se ensamblan para la medición, en lugar de depender de la calibración externa del sensor de fuerza en un laboratorio de estandarización.

Los métodos existentes para generar fuerzas dinámicas conocidas (para calibración y otras aplicaciones) suelen utilizar un sensor de fuerza calibrado que detecta una señal eléctrica como un aumento de voltaje o un cambio en la resistencia en respuesta a una fuerza aplicada. No son dispositivos básicos y requieren una recalibración periódica.

El estándar de fuerza secundaria de este tipo más utilizado es el llamado “martillo de impacto” o “martillo de impulso”, que es un sensor de fuerza calibrado manual (generalmente piezoeléctrico, que convierte la fuerza mecánica aplicada del golpe del martillo en voltaje eléctrico) que se golpea contra el sistema objetivo para aplicar la fuerza de impulso.

Cuando se usan martillos de impacto, el hecho de que la fuerza de salida sea un solo pulso es una seria limitación para determinar la respuesta de frecuencia del sistema.

Por el contrario, el KDFR se puede impulsar para producir diferentes perfiles de forma de onda de salida de fuerza. Los barridos sinusoidales y de frecuencia (conocidos como “chirridos”) son particularmente adecuados para medir la amplitud y la fase de una respuesta de frecuencia con alta resolución.

“Conocer la respuesta de frecuencia”, dijo Chijioke, “revela la rigidez de las estructuras y las constantes elásticas del material, sus factores de amortiguamiento, la cantidad de elementos agrupados o grados de libertad necesarios para modelar la estructura con el grado deseado de fidelidad y la presencia de una respuesta de estructura no lineal, por nombrar algunos”.