Galgas extensométricas

Lección 7

© ITES-Paraninfo

Las galgas extensiometricas son sensores resistivos utilizados en la medida de esfuerzos mecánicos en materiales en los que la resistencia efectiva entre sus extremos se modifica con el esfuerzo aplicado sobre la galga.

Cambio de la resistencia con la fuerza aplicada.

Principio de funcionamiento

(a)

(b)

ll

F

dd

d

l

4dπl

ρR 2

dΔd

2l

Δlρ

ΔρR

ΔR

FEAKR

ΔR

Deformación de un solido sometido a tracción

a)Situación original (hilo de metal homogéneo longitud l, diámetro d.

b)Modificación de la longitud y del diámetro con la fuerza de tracción aplicada.

a)

b)

ρ= resistividadR = resistencia del hilo

K = factor de galga (toma valores entre 2 y 5)E = modulo de Young del materialA = Sección transversal

Conclusión1. La sensibilidad de la galga crece con el factor

de galga y el valor de la resistencia y decrece con el modulo de Young y con la sección.

2. Para lograr mayores cambios en ΔR, será conveniente incrementar el valor de la resistencia sin incrementar la sección, es decir, tener mayores longitudes.

3. Si lo que interesa es medir en una zona muy concreta, el tamaño no puede ser muy grande, la solución es disponer el hilo en zig –zag y se situé sobre una película que transmita lo mejor posible el estado tensional al propio hilo

Película de protección

Soporte

Hilo de medida(adherido al soporte)

Terminales de conexión Afecta al hilo

FY F

FX

(a) (b)

Galgas de hilo metálico

Galgas extensiometricas de hilo.

a)Construcción.

b)Respuesta a la fuerza (los tramos de pista paralelos a Fx introducen un error)

a) b)

Tipos de galgas extensiometricas

Las galgas que mas se usan son las galgas metálicas.

Se tiene otro tipo de galgas no metálicas como las de semiconductor, en este caso el efecto de cambio de la resistencia con el estado tensional aplicado se debe a un fenómeno piezorresistivo.

Suelen tener factores de galga mas elevados, entre 30 y 120, lo que las dota de mayor sensibilidad.

GALGA

Silicio

Pad deconexión

Galgas semiconductoras

Galga extensiometrica de semiconductor

Las galgas metálicas utilizan diversos materiales para la medida y como soporte del metal en función de las prestaciones a obtener del sensor.

La forma de medir el comportamiento de una galga frente a cambios en la temperatura es mediante dos parámetros:

1. TCR (coeficiente térmico de la resistividad). Que mide la variación de la resistividad ρ en función de la temperatura.

2. TCGF (coeficiente térmico del factor de galga). Mide la variación de K respecto de T

Materiales para galgas

Materiales metálicos sensores

Material Características Aplicaciones

Constantán -Medidas estáticas - No usar en aplicaciones extremas- Selección compleja (pocos criterios)- Material más usado y muy barato- Autocompensación térmica sencilla

- Grandes elongaciones (estado plástico de deformación)

Isoelastic - Gran relación S/N- Precisan control de temperatura

- Medidas dinámicas- Medida de fatiga

Karma - Autocompensación térmica sencilla- La soldadura de terminales es compleja

- Medida a temperaturas bajas- Medida con temperaturas variables o no controladas

Aleación Pt - Coste alto - Medida a altas temperaturas

Materiales para el soporte

Material Características Aplicaciones

Poliamida - Es el soporte estándar- No soporta condiciones extremas de trabajo- Espesor habitual de 0,025mm

- Medidas estáticas- Aplicaciones habituales

Epoxy - Minimiza el error introducido por el soporte- Instalación delicada- Requiere mano de obra especializada

- Medidas precisas

Fibra de vidrio reforzada con epoxy

- Soporta temperaturas moderadas- Soporta muy bien el trabajo a fatiga

- Medidas cíclicas y de fatiga

Materiales para galgasMateriales para galgas

Materiales para galgas extensiometricas. Características y aplicaciones

Características de las galgas extensiométricas

Tipo K TCR(×10-6/K)

TCGF(×10-6/

K)

DerivaTemporal

Metálica 2 10 100 Muy baja

Híbridas de capa fina

3 a 20 50 300 Baja

Semiconductor 30 a 120 1500 2000 Media

Características comparadas de los tres tipos de galgas

El parámetro de deriva temporal , establece las variaciones que sufre la galga a lo largo de su vida útil. El efecto de cambio de la temperatura sobre la resistencia efectiva de la galga introduce un error (ese cambio se puede interpretar como un cambio en el estado tensional), en estos casos se habla de una deformación aparente y se mide en micro deformaciones por grado Kelvin. (µ/K)

Utilización de las galgas extensiometricas

La utilización debe garantizar que lo que se mide sea lo que realmente se quiere medir.

Tomar en cuenta:

1. Las galgas miden en una dirección exclusivamente, por lo que cuando se colocan en un determinado lugar, solo son capaces de cambiar su resistencia en función de las componentes tensiónales en la dirección de medida. Para ello suelen incluir marcas que permitan su correcta aplicación.

Marcas de alineación

FYF

FX

cos1

cosKFKFR y

Utilización de las galgas

Utilización de las galgas y descomposición de la fuerza aplicada según los ejes señalados por las marcas de alineación.

Interesa que la galga mida esfuerzos en una sola dirección .

Con la disposición de la figura, mide esfuerzos en el eje y, mientras que los esfuerzos en el eje x no debieran afectar porque la galga se pliega como un acordeon.

2.Si se desconoce la dirección de la tensión a que estará sometida la galga o no se tiene garantía de que vaya a tener una dirección definida, se podrá utilizar dos galgas dispuestas en la misma zona ortogonalmente, con lo que se obtendrá una información sobre las dos componentes de la tensión y, por ello, del estado tensional en esa zona.

SENSIBLES A FY

SENSIBLES A FX

(a) (b)

FY

FX

2Y

2X FFF

= arctg

FX

FY

En el caso b) que suele ser muy normal, se supone que no hay cambios tensiónales en toda la zona que ocupan las dos galgas

Utilización de dos galgas sobre el mismo soporte para la medida del vector de deformación definido por el modulo y por la dirección.

GALGA

PEGAMENTO

HILOS

SOLDADURA

MATERIAL PASIVO

Utilización de las galgas

© ITES-Paraninfo

Otras formas constructivas

Otras configuraciones de galgas para medir esfuerzos radiales (izquierda), axiales (centro) o con diversas direcciones (derecha) .

CIRCUITOS DE MEDIDA

La medida de los estados tensiónales mediante galgas extensiometricas se lleva a cabo con circuitos similares a los que se usan en sensores RTD.

Circuitos de medida

VAB

AB

R1 RG

R3R2

E

21

2

G3

3AB RR

RRR

REv

E

2ΔR

R

14

ΔRvAB

Puente básico de medida con una galga extensiometrica

Si se hacen todas las resistencias iguales entre si y de valor R, y considerando que la galga activa tiene una resistencia RG = R + ΔR, es decir una resistencia propia R y otra debida a la elongación a que esta sometida ΔR, se tiene

Incluyendo la elongación έ en la anterior expresión, se tiene la relación entre ella y la tensión de salida del puente que incluye un termino no lineal cuyo efecto puede despreciarse para pequeñas elongaciones.

E4

KεE

2Kε

1

14

KεvAB

Circuitos de medida

(a) (b)

VAB

ABE

RR

VAB

AB

R

R3

E

RR

RR

RR

RR

RR

E2kε

vAB E kεvAB Sensibilidad creciente

© ITES-Paraninfo

Circuitos de medida

-9,38.10-11

-6,25.10-11

-3,12.10-11

0

-1,25.10-10 k=10k=50 k=2

8,75.10-8 1,75.10-7 2,62.10-7 3,5.10-7

error

ε

© ITES-Paraninfo

E

+

-

+

-

+

-

Amplificador de instrumentación

Circuitos de medida

© ITES-Paraninfo

+10 V

5 V

160 RR

126

INA 118

Vo

-10 V

160 160

+10 V

LM136

Tensión estable Amplificación

Circuitos de medida

© ITES-Paraninfo

VAB

E

A B

E

RG

RG

RG

GG RR

ACTUACIÓN DELSISTEMA

RSH

SHG

G

RRK

R

Circuitos de medida

© ITES-Paraninfo

(a)

E B A

VAB

RC

RC

RR

(b)

EB

A

VAB

RC

RC

RR

RC

RC+ R + R

R+RC

Circuitos de medida

© ITES-Paraninfo

Aplicaciones de las galgas

FUENTEDE

TENSIÓNESTABLE

Ad

CALIBRACIÓN

EQUILIBRIO

© ITES-Paraninfo

EQ

UIP

O D

E M

ED

IDA

MPX

MPX

DMPX

DMPX

CONTROL

E1

FUENTEDE

TENSIÓNESTABLE

+VCC

-VCC

+VCC

S1

En

Sn

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

. EQ

UIP

O D

E M

ED

IDA

Aplicaciones de las galgas

© ITES-Paraninfo

FUENTEDE

TENSIÓNESTABLE

BLOQUEISOTERMO

FILTRO

SALIDA

Aplicaciones de las galgas

© ITES-Paraninfo

FF

F

F

Criterio Tipos de célula Aplicaciones

Tipo de trabajo Tracción Medida de pesoMedidas on-lineUso general

Compresión

Tracción/compresión

Fatiga Ensayos dinámicos

Impacto

Margen de medida Microcélulas de carga Alta precisión

Margen amplio Uso general

Comportamiento dinámico

Fatiga Sistemas sometidos a fatiga

Alta velocidad VibraciónEnsayos dinámicos

Aplicaciones de las galgas©

ITE

S-P

aran

info

-

+

vo

P2

P1

P2 < P1

B B

B B

B

B

A

A

A

A

A: R+R

B: R-R

A

TracciónCompresión

Reposo (P2 = P1)

Aplicaciones de las galgas

© ITES-Paraninfo