Galgas extenciometricas.pdf

8/17/2019 Galgas extenciometricas.pdf

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UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIAFACULTAD DE INGENIERÍADEPARTAMENTO DE BIOINGENIERÍALABORATORIO DE SENSORESCesar A: García C.

Las galgas extensométricas aplicadas a la medida de latensión en materiales

Objetivos

GeneralConocer el funcionamiento de las galgas extensométricas y diseñar el circuito

acondicionador de señal que permita adquirir la información de la deformacion de un

material al aplicarle carga.

EspecíficosVerificar y caracterizar el funcionamiento de una galga uniaxial OMEGA de 350 Ω.

Aplicar la teoría del puente de wheatstone en la medición de cambios pequeños en una

resistencia.

Conocer el sistema de desarrollo de TEXAS INSTRUMENTS PGA309.

Aplicar el circuito integrado PGA309 en el acondicionamiento de señales y la

adquisición de señales en puentes de wheatstone.

Diseñar un equipo que permita medir el ∆L/L, de un material, aplicando a este material

diferentes cargas

Equipos y herramientas para el laboratorio

Sistema de desarrollo TEXAS INSTRUMENTS evaluation module PGA309EVM-EU,

con sistema de desarrollo, programación y software PGA DK Board Interface.



Sistema de adquisición de datos para galgas, puerto USB y software de almacenamiento

en Excel.

Galga OMEGA referencia SGD-2/350-LY13, resistencia sin deformación de 350 Ω y

GF=2.02.

Cargas de diferentes pesos.

Cargas de acero con un peso de 15 a 20 gr para deformar la placa plastica.



Marco teórico

La tensión es la cantidad de deformación de un cuerpo debido a la acción de una fuerza

aplicada. Más específicamente, la tensión (Є) se define como el cambio fraccional en

longitud, como se muestra en la Figura.

Mientras existen muchos métodos para medir tensión, el más común de todos es con un

medidor de tensión (o galga extensométrica), un dispositivo cuya resistencia eléctrica

varía en proporción a la cantidad de tensión en el dispositivo. La galga más

ampliamente usada es la galga extensométrica metálica limitada.

Galga extensiométrica

Una galga extensométrica es un sensor basado en el efecto resistivo. Un esfuerzo quedeforma a la galga producirá una variación en su resistencia eléctrica.

Los materiales que suelen utilizarse para fabricar galgas son aleaciones metálicas, como

por ejemplo constantán, nicrom o elementos semiconductores como por ejemplo el

silicio y el germanio. Es por ello que podemos clasificar las galgas en dos tipos: las

metálicas y las semiconductoras.

Las principales aleaciones que usan las galgas metálicas son:

• cobre y hierro

• platina y silicialista• Constantán

• Nicrom o Karma

• Isoelastic

• Aleación de platino

Los elementos más abundantes para fabricar las galgas semiconductoras son

• Silicio

• Germanio



La galga extensométrica metálica consiste de un cable muy fino, más comúnmente, una

hoja metálica organizada en un patrón de rejilla. El patrón de rejilla maximiza la

cantidad de cable metálico, o de hoja, sujeto a tensión en la dirección paralela. La grilla

se une a un delgado respaldo, denominado el portador, el cual se sujeta directamente al

material de prueba. Por tanto, la tensión experimentada por el material de prueba se

transfiere directamente a la galga extensométrica, la cual responde mediante un cambiolineal en la resistencia eléctrica. Las galgas extensométricas están disponibles

comercialmente con valores nominales de resistencia desde 30 hasta 3000 Ω, siendo

120, 350 y 1000 Ω los valores más frecuentes.

Existen varios tipos de galgas dependiendo de la deformación que se requiere medir

desde un solo eje o dirección de la deformación, hasta las que miden en 0º, 45º y 90º, en

las figuras se muestran algunos tipos comerciales de galgas de la marca OMEGA.



Como utilizar la información obtenida mediante el sensor dedeformación

Al momento de adquirir un sensor de deformación o galga, el fabricante especifica la

resistencia del sensor sin deformación. Una vez medida ∆R, se calcula la relación ∆R/R.

El fabricante también especifica el factor de sensibilidad (GF), característico de cadainstrumento. Este factor es la relación que existe entre el cambio porcentual en la

resistencia de un sensor y su correspondiente cambio porcentual en longitud. Estos

cambios porcentuales también se pueden expresar en forma decimal. Si se divide la

relación ∆R/R entre el factor de sensibilidad, GF, se obtiene la razón de cambio de la

longitud del sensor ∆L respecto de su longitud original L. Desde luego que la estructura

en la que esta montado el sensor tiene el mismo ∆L/L.

La mayoría de estos sensores tiene un GF cerca de 2. Esto significa que si la longitud de

un objeto cambia en 1% (Є=0.01), la resistencia del sensor cambia en 2%.

A la relación ∆L/L se la denomina deformación unitaria. La información relativa a esta

(deducida mediante la medición de ∆R) es lo que interesa a los investigadores que estén

analizando las características de un material específico.

Estos datos y características conocidas del material estructural (modulo de elasticidad)

sirve para determinar el esfuerzo de este, por ejemplo de una viga de un edificio. El

esfuerzo es la cantidad de fuerza ejercida sobre un área unitaria. La fatiga, o esfuerzo dedeformación, es la deformación de un material causada por un esfuerzo, o ∆L/L.

Ejemplo.

Se fija una galga de 350Ω con un factor de sensibilidad de 2 a un trampolín de natación,

si cuando el atleta presiona el trampolín la galga sufre un aumento en la resistencia de

0.02 Ω, calcular el ∆L/L.

∆L/L= (∆R/R)/GF=(0.02 Ω /350 Ω)/ 2

∆L/L= 2,85714E-05



Montaje de los sensores de deformación

Antes de montar un sensor de deformación, hay que limpiar, lijar y enjuagar conalcohol, freón o metil cetona la superficie donde se instalara. Se pega permanentemente

el sensor a la superficie limpia mediante un adhesivo como Eastman 910, adhesivo

epóxido, Fibra de vidrio reforzada con Epoxy o poliamida. Hay que observarcuidadosamente las instrucciones del fabricante y en algunas ocasiones el fabricante

vende el pegante especial para sus sensores. La siguiente foto corresponde al kit de

adhesivos recomendados por la marca OMEGA para sus sensores de deformación.

Como medir pequeños cambios en la resistencia

Dado que toda digitalización de una medida análoga requiere de una conversión análoga

a digital para poder realizar la interfaz de la señal a medir con una computadora o un

microcontrolador, la medida se reduce a una adquisición de voltaje y no de resistencia

directamente, para convertir la resistencia en voltaje la técnica mas popular es utilizar

un puente de wheatstone.



Como se muestra en la figura el puente de wheatstone consta de cuatro resistencias, R1

y R2 conforman el primer divisor de voltaje, R3 y R4 conforman el segundo divisor, si

R1=R2 y R3=R4, V1 y V2 serán exactamente iguales, con lo que el voltaje diferencial

Vo será cero, esto se le conoce como puente balanceado.

Si reemplazamos cualquier resistencia del puente por una galga y calculamos las demásresistencias de modo tal que le puente quede balanceado, si la galga sin deformación

tiene una resistencia de 350, entonces R3 debe ser de 350 y R1=R2=1K.

De esta forma, cualquier deformación en la galga corresponde a una variación en la

resistencia de esta lo que se traduce en una variación de V2, desbalanceando el puente y

creando una diferencia de voltaje Vo diferente de cero, Este voltaje diferencial debe ser

llevado a un amplificador de instrumentación de alta calida, con una impedancia de

entrada alta, y un voltaje Offset y Drift muy bajos.

Efectos de la temperatura en las galgas

Aun cuando se logre balancear el puente, este no permanecerá así, debido a que los

ligeros cambios en la temperatura en el sensor provocan deformaciones al material con

el cual esta fabricado el sensor, estas deformaciones se ven reflejadas en cambios en la

resistencia iguales o mayores a los causados por el esfuerzo. Para resolver este problema

se monta otro sensor idéntico y junto al sensor que esta en funcionamiento; de esta

manera, ambos estarán dentro del mismo entorno térmico. Por lo tanto, conforme varía

la temperatura, la resistencia del sensor adicional cambiara exactamente como lo hace laresistencia del sensor en funcionamiento. Este sensor adicional permite obtener una

compensación de temperatura automática, por lo que se llama sensor de compensación

de temperatura.

Este sensor de compensación se coloca con su eje transversal perpendicular al eje

transversal del sensor que esta activo, como se muestra en la figura, este nuevo sensor

se coloca reemplazando la resistencia R3 en el puente. Una vez balanceado el puente,

las resistencias R del sensor de compensación de temperatura y del sensor en

funcionamiento se siguen una a otra para mantener el equilibrio del puente. Cual quier

desequilibrio que se produzca es exclusivamente causado por el ∆R del sensor activo

debido al esfuerzo.



Trabajo a realizar.

1. Analice el siguiente diagrama esquemático y su respectiva tarjeta correspondiente a

un puente de wheatstone.

2. Coloque la galga que se encuentra adherida a la placa plástica en una mesa siguiendo

la siguiente figura.



3. Alimente el puente de wheatstone con una fuente de 5VDC y mida con un multímetro

de precisión el voltaje diferencial en los terminales de salida, tome nota de este voltaje,

es el voltaje correspondiente al desbalance por temperatura el puente, esto debido a que

no tenemos sensor de compensación de temperatura.

4. Ahora aplique una fuerza de manera que el material plástico se deforme, utilice laspesas marcadas del laboratorio. Mida el voltaje diferencial correspondiente a cada peso

y realice una tabla con el valor de voltaje, el peso y despeje por medio de la ley de ohm

el ∆R generado en el sensor.

5. En software de PGA309 CALCULATOR, realice una aproximación de los valores

que debe tener cada una de las etapas del circuito acondicionador de señal para el

pga309, de manera que se pueda eliminar o atenuar en un gran porcentaje el error

creado por el desbalance del puente y utilizar el rango máximo posible del ADC del

microcontrolador para el valor máximo de carga aplicada al sensor.



6. Ahora con los valores calculados ejecutamos el programa TEXAS INSTRUMENTS

PGA309 DESIGNER’S KIT CONTROL PROGRAM, y grabamos nuestra

configuración en el sistema de desarrollo.

7. Diseñe un programa para un microcontrolador que adquiera la señal amplificada de

voltaje y la convierta en ∆R, tenga en cuenta el offset restante en la PGA309 y la

ganancia de este dispositivo, el software debe entregar el valor del cambio en la

resistencia.

8. Compare el experimento realizado con la tarjeta de adquisición para galgas del

laboratorio, se debe realizar el experimento aplicando cada vez un valor de carga mas

alto, incremente este peso en valores constantes, el software descargara estos valores en

un archivo de Excel para luego graficarlos.

Dado el cambio en la resistencia obtenga el ∆L/L del material. Anexe conclusiones y

graficas del experimento obtenido.



Ejemplo de manejo de la tarjeta de adquisición.

8.1 Instale el software de la tarjeta de adquisición y ejecútelo obtendrá la siguiente

pantalla.

8.2 Escriba el tiempo de muestreo para la adquisición de datos de la tarjeta.



8.3 Ahora presione la tecla INICIAR para comenzar con la adquisición de datos,

mostrara un menú donde se debe colocar el nombre y la direccion del archivo de Excel

donde guardaremos la información.

8.4 A partir de este momento guardara la información y el tiempo donde se toma cada

adquisición de datos. El siguiente archivo corresponde a una aplicación de cargaincrementada cada de 10 segundos de a 16 gramos.



La siguiente grafica muestra el experimento realizado.

DELTA R GALGA

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 20 40 60 80 100

TIEMPO

D E L T A R

Serie1

Aproximadamente cada 10 segundos incrementábamos la carga en 16 gramos, los picos

corresponden al impulso al momento de aplicar las nuevas cargas o vibraciones durante

el experimento.



http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/pga309.html

http://www.omega.com/Pressure/pdf/STRAIN_GAGE_ADHESIVES.pdf

http://www.omega.com/toc_asp/subsectionSC.asp?subsection=E02&book=Pressure

http://es.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:Portada

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