EXTENSÍMETROS
La extensometría es una técnica
experimental para la medición de
esfuerzos y deformaciones basándose en
el cambio de la resistencia eléctrica de un
material al ser sometido a tensiones
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Ing. José Bucheli A.
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Aplicaciones
La medición de deformaciones en el campo de la ingeniería
moderna va tomando mayor fuerza cada día:
a.- Monitorear el comportamiento de estructuras para prevenir catástrofes;
b.- Medir los movimientos de máquinas;
c.- Medir la fuerza, torque, aceleración , etc
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Galga Extensiométrica (STRAIN GAUGE)
Una galga extensométrica consiste en una fina película metálica en forma
de hilo plegado depositada sobre una lámina de plástico aislante de
algunas micras de espesor.
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Las galgas extensométricas son sensores de
deformacion basados en la variación de la
resistencia eléctrica con la deformación, en un
hilo conductor calibrado, o en resistencias
construidas a base de pistas de semiconductor.
Se emplean también, combinadas con muelles o
piezas deformables para detectar de forma
indirecta esfuerzos. En definitiva suelen usarse
más que como sensores de deformación como
sensores de medida indirecta de esfuerzos
(fuerza o par).
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Galga Extensiométrica(Principio de funcionamiento)
En las galgas de hilo la resistencia esta formada por un hilo dispuesto en
forma de zigzag sobre un soporte elástico, con una longitud preferente (L) a
lo largo de la cual se encuentra la mayor cantidad de hilo . Al deformarse la
galga en la dirección preferente, se produce un alargamiento del hilo y una
disminución de su sección y, por tanto, una variación en su resistencia.
Para poder medir variaciones de resistencia significativas, la galga debe
tener una resistencia alta 100 y 1000 , y funcionar con un consumo muy
bajo, para evitar que el efecto Joule provoque variaciones importantes de la
resistencia por calentamiento
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Medición de deformación
Cuando la galga se pega sobre la superficie de una pieza, si se aplican
cargas y la pieza se deforma, la galga también lo hace. Así el hilo metálico
experimenta un alargamiento o acortamiento que modifica su resistencia
eléctrica. La variación de resistencia se puede evaluar con precisión en un
equipo de medida, y es proporcional a la deformación de la galga según la
dirección en la que está situada:
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Por tanto, una galga extensométrica puede medir la
deformación longitudinal unitaria en en el punto P en
que se encuentra situada y según la dirección
en la que está orientada:
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Medición de deformación La resistencia de la galga es la propia resistencia del hilo.
En un conductor de longitud “L” y sección uniforme “A”, la
resistencia eléctrica “R” viene dada por la ecuación:
Entonces la resistencia eléctrica del hilo es directamente
proporcional a su longitud, o lo que es lo mismo, su resistencia
aumenta cuando éste se alarga
De este modo las deformaciones que se producen en el objeto, en
el cual está adherida la galga, provocan una variación de la longitud
y, por consiguiente, una variación de la resistencia.
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FACTOR DE GALGAEl parámetro que define la sensibilidad de una galga se conoce
como factor de galga GF, y es definido como el cociente
entre el cambio fraccional de la resistencia eléctrica y la tensión .
El factor de galga al igual que la tensión es adimensional.
ACTOR DE GALGA (GF):
GF = (ΔR/Ro)/( ΔL/Lo)
Donde “ΔL/Lo” es la deformación unitaria “ε ”.
GF = (ΔR/Ro)/ ε
Valores comunes de GF:
Conductores: 1,5 a 2.
Semiconductores: 50 a 200 (Valor más común 125)
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Ventajas y Desventajas de las
Galgas
Su principal ventaja es su linealidad; también presentan una baja
impedancia de salida. Pequeño tamaño
Pueden ser alimentadas con corriente continua o corriente alterna
Tienen una excelente respuesta en frecuencia
Pueden utilizarse para medidas estáticas y dinámicas
Compensación de temperatura relativamente fácil
No son influidas por los campos magnéticos
Desventaja es su dependencia de la temperatura, lo que provoca que, a
veces, haya que diseñar circuitos electrónicos para compensar esa
dependencia. Señal de salida débil
Pequeño movimiento de la galga
Alta sensibilidad a las vibraciones
Estabilidad dudosa a lo largo del tiempo (el envejecimiento de los adhesivos puede afectar a
su funcionamiento).
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Tipos de Galgas
De hilo metálico El sensor está constituido básicamente por una base muy delgada no
conductora y muy flexible, sobre la cual va adherido un hilo metálico
muy fino. Las terminaciones del hilo acaban en dos terminales a los
cuales se conecta el transductor.
.
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Película de protección
Soporte
Hilo de medida
(adherido al soporte)
Terminales de conexión Afecta al hilo
FY
F
FX
(a) (b)
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Galgas de película metálica
Película de protección
Soporte
Zonas más anchas para
reducir el efecto de
tensiones transversales
Pad de conexión
Sección
AY
FY
F
FX
Sección Ax
(a) (b)R
X<<R
Y
AX>>A
Y
Y
YY
X
XX
Y
YY
EA
FRK
EA
FRK
EA
FRKR
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Tipos de Galgas
Tipos de Galgas
De Semiconductor. En este tipo de galgas se sustituye el hilo metálico por un material
semiconductor. La principal diferencia constructiva de estas galgas
respecto a las anteriores se encuentra en el tamaño; las galgas
semiconductoras tienen un tamaño más reducido.
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GALGA
Silicio
Pad de
conexión
Desventajas de los semiconductores:
Muy sensibles a la temperatura.
Muy frágiles, permiten poca deformación.
Características de los materiales para galgas:
Factor de galga elevado.
Bajo coeficiente de temperatura.
Alta resistividad.
Elevada resistencia mecánica.
Mínimo potencial termoeléctrico.
Materiales comúnmente utilizados:
Constantan (Níquel-Cobre).
Chromel (Níquel-Cromo).
Aleaciones (Hierro-Cromo-Aluminio).
Semiconductores (Silicio).
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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
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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
Características de las Galgas
Dimensiones de la galga ( 2,5 x 6 mm)
Anchura y Longitud: Dichos parámetros nos proporcionan las características
constructivas de la galga. Nos permite escoger el tamaño del sensor que más se
adecúe a nuestras necesidades.
Peso de la galga (1 g).
Esta característica nos define el peso de la galga. Este suele ser del orden de
gramos. En aplicaciones de mucha precisión el peso puede influir en la medida de la
deformación.
Tensión medible (del 2 al 4% máx.).
Es el rango de variación de longitud de la galga, cuando ésta se somete a una
deformación. Este rango viene expresado en un tanto por cien respecto a la
longitud de la galga.
Temperatura de funcionamiento (de − 30ºC a +180ºC).
Es aquella temperatura para la cual el funcionamiento de la galga se encuentra
dentro de los parámetros proporcionados por el fabricante.
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Resistencia de la galga (120 ± 0,5%).
Es la resistencia de la galga cuando ésta no está sometida a ninguna deformación.
Es la resistencia de referencia y suele acompañarse de un porcentaje de variación.
Factor de galga (2,00 nominal).
Factor de galga o factor de sensibilidad de la galga es una constante K característica
de cada galga. Determina la sensibilidad de ésta. Este factor es función de muchos
parámetros, pero especialmente de la aleación empleada en la fabricación.
Coeficiente de temperatura del factor de galga (±0,015%/ºC).
La temperatura influye notablemente en las carac−terísticas. A su vez, cualquier
variación en estas características influye en el factor de galga. Este coeficiente se
mide en %/ºC, que es la variación porcentual del valor nominal del factor de galga
respecto al incremento de temperatura.
Prueba de fatiga (105 contracciones con tensión de 1000 micro).
Esta característica nos indica el número de contracciones o deformaciones a una
determinada tensión que puede soportar la galga sin romperse.
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Material de la lámina (aleación de cobre níquel).
Esta característica nos define el material del que está hecho el hilo
conductor o el material semiconductor.
Material de la base (polimida).
Esta característica nos define el material del que está constituida la base
no conductora de la galga.
Factor de expansión lineal.
Representa un error que se produce en la magnitud de salida en ausencia
de señal de entrada, es decir, en ausencia de deformación. Este error
depende de la temperatura ambiente a la que esta sometida la galga.
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GALGA
PEGAMENTO
HILOS
SOLDADURA
MATERIAL PASIVO
Otras formas constructivas
Utilización de las galgas
Galgas extensométricas (Tipos)
Galgas extensométricas ( células de carga)
Elementos elásticos
Galgas extensométricas de resistencia eléctrica
(Galgas extensométricas de hoja
Galgas extensométricas semiconductoras.
Galgas extensométricas de capa delgada
Galgas extensométricas de cable.
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Galgas ComercialesEn el aspecto comercial, generalmente las galgas se venden integradas en
transductores completos. El fabricante nos proporciona las características
completas de éstos. Por ejemplo un fabricante, además de la galga en sí,
proporciona una serie de instrumentos para acondicionar y presentar la
señal. Estos instrumentos son:
El sensor de galga (VW strain gauge sensor).
La principal función del sensor de galga es la de detectar la deformación que sufre la
galga cuando esta sometida a un esfuerzo. Posteriormente el sensor traduce esta
deformación en una señal con una determinada frecuencia.
Una característica muy importante de este instrumento es que posee un sensor
interno para la compensación en temperatura.
Las prestaciones son:
Rango de frecuencia: 0,8−2,4 kHz
Rango de temperatura: −29ºC a 105ºC.
Humedad máxima admisible: 105 mH2O.
Materiales: Plástico ABS.
Dimensiones: 80x26x16 mm.
Peso: 28 g.10/10/2011
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Cable de señal (signal cable).
La función del cable es transmitir la señal producida por el sensor hasta el
visualizador. El cable consta de cuatro conductores de cobre protegidos de
ruido mediante un blindaje. El primero es referencia de masa, el segundo
de alimentación, el tercero de señal de salida y el cuarto de señal de
temperatura.
Temperatura máxima admisible: 80ºC.
Multiplexor.
El multiplexor puede acondicionar hasta 16 sensores de galga con sus
correspondientes señales de temperatura, o bien hasta 32 sensores sin
señal de temperatura. La salida de este multiplexor es llevada al
visualizador.
Visualizador (VWP Indicator).
La función de este instrumento es transformar la señal recibida del sensor
en unidades de microdeformación. Estas unidades se muestran a través de
un display. Además el indicador muestra en el display la temperatura a la
que está sometida la galga durante el proceso de medida.
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Galgas extensométricas( Mediciones)
Las galgas extensiométricas están disponibles
comercialmente con valores nominales de resistencia
desde 30 hasta 3000 Ω, siendo 120, 350 y 1000 Ω los
valores más frecuentes.
Para medir tales cambios en la resistencia, las galgas
extensiométricas casi siempre se emplean en
configuraciones de puente con una fuente de excitación
de voltaje. El montaje más común utilizado para medir
deformaciones mediante galgas es el puente de
Wheatstone.Instrumentación y sensores ESPEL
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Galgas extensométricas( Mediciones)
Existen tres tipos de montajes básicos: con una, dos y cuatro
galgas. La medida se suele realizar por deflexión, es decir
midiendo la diferencia de tensión existentes entre los terminales de
salida del sensor.
Las principales diferencias de estos montajes se encuentran en la
sensibilidad y la capacidad de compensación del efecto de
temperatura. Esta compensación consiste en suprimir los efectos de
la temperatura en el valor de la resistencia de la galga; cuando en
un puente de medida coinciden dos o cuatro galgas de iguales
características, los efectos de la temperatura se anulan ya que ésta
les afecta por igual.
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Galgas extensométricas( Mediciones)
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UNA GALGA
Este puente de medida se caracteriza por una baja
sensibilidad. Por otro lado al solo haber una galga esta no
está compensada en temperatura.
04
0;)02(2
)02(2
02202
2
1
00
0
R
R
E
Vab
RRR
R
E
Vab
RR
RRRR
E
Vab
RRR
RR
E
Vab
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02
04
02202
2
1
00
0
R
R
E
Vab
R
RRR
E
Vab
RRRR
RR
E
Vab
DOS GALGAS
Debido a la utilización de dos galgas se consigue duplicar la
sensibilidad del puente respecto al anterior. Esto permite que
para una misma deformación tengamos una mayor señal de
salida para una tensión de alimentación dada. La disposición
de las galgas, permiten la compensación en temperatura.
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0
02
2
02
0
02
0
R
R
E
Vab
R
R
E
Vab
R
RR
R
RR
E
Vab
CUATRO GALGAS
La utilización de cuatro galgas cuadruplica la sensibilidad del puente
respecto al puente de una sola galga. De igual forma que en el caso anterior,
las galgas están compensadas en temperatura.
E
+
-
+
-
+
-
Amplificador de instrumentación
Circuitos de medida
+10 V
5 V
160 RR
126
INA 118
Vo
-10 V
160 160
+10 V
LM136
Tensión
estable Amplificación
Circuitos de medida con CI
Deformación axial
Ley de Hooke: En la zona elástica del material,
la deformación unitaria (ε) es proporcional a la
tensión o esfuerzo (σ):
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Ejercicio
Una galga con factor de galga K= 2, y una resistencia de 120 Ω
(valores típicos) pegada a una pieza de acero de 4 cm x 4 cm de
sección de la que pende una masa de 1000 kg (Eacero = 2 · 106
N/cm2). Calcular ΔR:
1º calculamos la deformación ε = σ /E = (F/A)/E. Para ello,
normalicemos el valor de cada factor:
F = 1000 kg = 9,80665 · 1000 newton = 9806,65 N
A= 4 cm x 4 cm = 16 cm2 = 0,0016 m2
E = 2 · 106 N/cm2 = 2 · 1010 N/m2
ε = 0,0003065 m/m = 306,5 με
ΔR = K · Ro · ε = 2 · 120 · 0,0003065 = 0,074 Ω
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Balanza electrónica:
Este dispositivo consiste básicamente en una galga extensométrica
donde un extremo se encuentra solidificado a un plato y el otro fijo a
la carcasa. De esta manera al situar un objeto con una determinada
masa sobre el plato ejerce una fuerza igual al peso de dicho objeto.
Esto produce una deformación en la galga que es detectada y,
mediante circuitos electrónicos, es traducido en un display a una
medida de masa. Se debe tener en cuenta la balanza electrónica
mide fuerza, pero debido a una igualdad matemática puede ser
considerada como masa. La precisión de este dispositivo es de 0,1g
y está dado directamente por el fabricante ya que posee un display
que indica décimas de gramo.
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Usando las galgas extensiométricas dispuestas sobre la
viga según la Figura 6. Se implementó una aplicación,
en la cual se utilizó la linealidad del voltaje de salida del
circuito puente para construir un instrumento medidor de
masas (balanza).
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Balanza electrónica:
La deformación producida sobre la viga en voladizo genera un
voltaje que es linealmente proporcional al desplazamiento, Figura
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Balanza electrónica:
En el circuito puente de la Figura , las cuatro
resistencias representan medidores de
deformación activos, la salida Vd esta dada por:
Las galgas adyacentes se compensan en
temperatura; las galgas 1y4 deforman en tensión y
por estar opuestas se suman sus salidas de
voltaje; las galgas 2 y 3, están opuestas y
deforman en compresión, lo cual hace que el signo
se invierta y sume sus salidas, de esta forma la
sensibilidad se cuadruplica con respecto a la
sensibilidad de un solo medidor
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Balanza electrónica:
Las galgas extensiométricas permiten obtener, mediante el adecuado
acondicionamiento de la señal resultante, una lectura directa de la
deformación longitudinal producida en un punto de la superficie de un
material dado, en el cual se ha adherido la galga.
El hecho de instalar dos galgas idénticas en brazos adyacentes elimina los
efectos de temperatura en la galga medidora. Como es conocido, la
temperatura afecta a la resistencia eléctrica, de forma que si se usa sólo
una galga medidora, la resistencia eléctrica de la misma dependerá de la
temperatura ambiente y su efecto habráque descontarlo de la medida.
Disponiendo de dos galgas, si se mide la diferencia de resistencia entre
ambas, ya se descuenta con ello el efecto de la temperatura.
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Conclusiones:
El acondicionamiento de la señal obtenida del puente,
generalmente suele hacerse mediante amplificadores operacionales
y de instrumentación. Comercialmente las encontramos integradas
en transductores completos, aunque también se puede disponer de
ellas individualmente. Debido a la utilización de más de una galga
medidora se consigue aumentar la sensibilidad del circuito puente.
Esto permite que para una misma deformación tengamos una
mayor señal de salida con una tensión de alimentación dada.
Para realizar mediciones en dispositivos como la balanza, es
necesario tener en cuenta que la fuerza ejercida por las masas a
medir depende del punto donde se ubican, por tanto, debe
garantizarse la ubicación de las masas siempre en el mismo punto.
Además pueden presentarse deformaciones en otras direcciones
sobre la galga, que generarán errores en las mediciones.
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Conclusiones:
Tarea 1
Demostrar, si ΔR1, ΔR2, ΔR3, ΔR4 son 4 variaciones diferentes
de las 4 galgas
Considerar ΔR1, ΔR2, ΔR3, ΔR4 << Ro
Nota
Variaciones iguales en resistencias contiguas (R1 y R2 ó R3 y R4) no desequilibran el puente.
- Variaciones iguales en resistencias adyacentes (R1 y R3 ó R2 y R4) no desequilibran el puente.
- Variaciones iguales en resistencias opuestas (R1 y R4 ó R2 y R3)doblan la sensibilidad.
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Tarea 2
Realice una aplicación de la galga extensiométrica en una balanza
electrónica
Presentar principio de funcionamiento
Esquema
Tarea 3 Muestre una aplicación de la galga para medir deformación.
Tarea 4
Consultar métodos para compensar temperatura
Consultar métodos para calibrar el puente
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