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EXTENSMETROSLa extensometra es una tcnica experimental para la medicin de esfuerzos y deformaciones basndose en el cambio de la resistencia elctrica de un material al ser sometido a tensionesInstrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.*

Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.

GALGAS EXTENSIOMTRICAS (strain gauges) HistoriaEn 1856 Lord Kelvin descubri que al aplicar una fuerza sobre un hilo conductor o un semiconductor se presenta una variacin en su resistencia elctrica. Este principio permite realizar mediciones de fuerzas muy tenues que provoquen pequeas deformaciones en el conductor

La utilidad de este principio se manifiesta en la construccin de las galgas extensiomtricos. Estos dispositivos son transductores pasivos, que aplicados sobre un espcimen, permiten medir la fuerza ejercida sobre l a partir de la deformacin resultante. As, fuerzas de compresin, traccin o torsin, aplicadas sobre materiales elsticos, generan deformaciones que son transmitidas a la galga, respondiendo sta con una variacin de su propia resistencia elctrica.Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.*


GALGAS EXTENSIOMTRICAS (strain gauges) Las galgas se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones a nivel industrial, de investigacin en ingeniera y en todos los campos donde se requieran mediciones precisas de fuerza. Esas mediciones pueden ser de tres tipos:

Estticas: las referidas a soportes y estructuras resistentes sometidas a cargas fijas.Mixtas: cuando se realizan sobre soportes y estructuras sometidas a la accin de cargas de variacin rpida.Dinmicas: realizadas sobre acciones de variacin rpida: fenmenos de vibracin. impacto, etc.Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.*


Galga Extensiomtrica (STRAIN GAUGE)

Una galga extensomtrica consiste en una fina pelcula metlica en forma de hilo plegado depositada sobre una lmina de plstico aislante de algunas micras de espesor.

Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.Las galgas extensomtricas son sensores de deformacion basados en la variacin de la resistencia elctrica con la deformacin, en un hilo conductor calibrado, o en resistencias construidas a base de pistas de semiconductor.

Se emplean tambin, combinadas con muelles o piezas deformables para detectar de forma indirecta esfuerzos. En definitiva suelen usarse ms que como sensores de deformacin como sensores de medida indirecta de esfuerzos (fuerza o par).*


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Galga Extensiomtrica (Principio de funcionamiento)En las galgas de hilo la resistencia esta formada por un hilo dispuesto en forma de zigzag sobre un soporte elstico, con una longitud preferente (L) a lo largo de la cual se encuentra la mayor cantidad de hilo . Al deformarse la galga en la direccin preferente, se produce un alargamiento del hilo y una disminucin de su seccin y, por tanto, una variacin 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 calentamientoInstrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.*


Medicin de deformacinCuando la galga se pega sobre la superficie de una pieza, si se aplican cargas y la pieza se deforma, la galga tambin lo hace. As el hilo metlico experimenta un alargamiento o acortamiento que modifica su resistencia elctrica. La variacin de resistencia se puede evaluar con precisin en un equipo de medida, y es proporcional a la deformacin de la galga segn la direccin en la que est situada:

Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.Por tanto, una galga extensomtrica puede medir la deformacin longitudinal unitaria en en el punto P en que se encuentra situada y segn la direccin en la que est orientada:*a) Monitorear el comportamiento de estructuras para prevenir catstrofes; b) Medir los movimientos de mquinas; c) Medir la fuerza, torque, aceleracin , etc


Medicin de deformacinLa resistencia de la galga es la propia resistencia del hilo.En un conductor de longitud L y seccin uniforme A, la resistencia elctrica R viene dada por la ecuacin:

Entonces la resistencia elctrica del hilo es directamente proporcional a su longitud, o lo que es lo mismo, su resistencia aumenta cuando ste se alargaDe este modo las deformaciones que se producen en el objeto, en el cual est adherida la galga, provocan una variacin de la longitud y, por consiguiente, una variacin de la resistencia.Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.*


PROCESO DE INSTALACIN El proceso de instalacin de las galgas consiste en su fijacin sobre el espcimen de prueba de forma que las isostticas de la estructura atraviesen la parte activa de la banda extensiomtrica. Previamente, la superficie receptora habr sido tratada convenientemente a fin de obtener la mxima eficacia del adhesivoInstrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.*


FACTOR DE GALGAEl parmetro 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 elctrica y la tensin . El factor de galga al igual que la tensin es adimensional.

ACTOR DE GALGA (GF):GF = (R/Ro)/( L/Lo)Donde L/Lo es la deformacin unitaria .GF = (R/Ro)/ Valores comunes de GF:Conductores: 1,5 a 2.Semiconductores: 50 a 200 (Valor ms comn 125)

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Ventajas y Desventajas de las Galgas

Su principal ventaja es su linealidad; tambin presentan una baja impedancia de salida.Pequeo tamao Pueden ser alimentadas con corriente continua o corriente alterna Tienen una excelente respuesta en frecuencia Pueden utilizarse para medidas estticas y dinmicas Compensacin de temperatura relativamente fcil No son influidas por los campos magnticos

Desventaja es su dependencia de la temperatura, lo que provoca que, a veces, haya que disear circuitos electrnicos para compensar esa dependencia. Seal de salida dbil Pequeo 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 metlico El sensor est constituido bsicamente por una base muy delgada no conductora y muy flexible, sobre la cual va adherido un hilo metlico muy fino. Las terminaciones del hilo acaban en dos terminales a los cuales se conecta el transductor.

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Pelcula de proteccin

Soporte

Hilo de medida(adherido al soporte)

Terminales de conexin

FY

F

FX

Afecta al hilo

(a)

(b)

Galgas de pelcula metlica*Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.Tipos de Galgas


Pelcula de proteccin

Soporte

Zonas ms anchas para reducir el efecto de tensiones transversales

Pad de conexin

FY

F

FX

Seccin AY

Seccin Ax

(a)

(b)

RXAY

Tipos de GalgasDe Semiconductor. En este tipo de galgas se sustituye el hilo metlico por un material semiconductor. La principal diferencia constructiva de estas galgas respecto a las anteriores se encuentra en el tamao; las galgas semiconductoras tienen un tamao ms reducido.Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.*Desventajas de los semiconductores:Muy sensibles a la temperatura.Muy frgiles, permiten poca deformacin.


GALGA

Silicio

Pad de conexin

Caractersticas de los materiales para galgas:

Factor de galga elevado.Bajo coeficiente de temperatura.Alta resistividad.Elevada resistencia mecnica.Mnimo potencial termoelctrico.

Materiales comnmente utilizados:Constantan (Nquel-Cobre).Chromel (Nquel-Cromo).Aleaciones (Hierro-Cromo-Aluminio).Semiconductores (Silicio).




Materiales metlicos sensoresMaterialCaractersticasAplicacionesConstantnMedidas estticas No usar en aplicaciones extremas- Seleccin compleja (pocos criterios)- Material ms usado y muy barato- Autocompensacin trmica sencilla- Grandes elongaciones (estado plstico de deformacin)Isoelastic- Gran relacin S/N- Precisan control de temperatura- Medidas dinmicas- Medida de fatigaKarma- Autocompensacin trmica sencilla- La soldadura de terminales es compleja- Medida a temperaturas bajas- Medida con temperaturas variables o no controladasAleacin Pt- Coste alto- Medida a altas temperaturas



Materiales para el soporteMaterialCaractersticasAplicacionesPoliamida- Es el soporte estndar- No soporta condiciones extremas de trabajo- Espesor habitual de 0,025mm - Medidas estticas- Aplicaciones habitualesEpoxy- Minimiza el error introducido por el soporte- Instalacin delicada- Requiere mano de obra especializada- Medidas precisasFibra de vidrio reforzada con epoxy- Soporta temperaturas moderadas- Soporta muy bien el trabajo a fatiga- Medidas cclicas y de fatiga


Caractersticas de las Galgas Dimensiones de la galga ( 2,5 x 6 mm)Anchura y Longitud: Dichos parmetros nos proporcionan las caractersticas constructivas de la galga. Nos permite escoger el tamao del sensor que ms se adece a nuestras necesidades. Peso de la galga (1 g). Esta caracterstica nos define el peso de la galga. Este suele ser del orden de gramos. En aplicaciones de mucha precisin el peso puede influir en la medida de la deformacin.Tensin medible (del 2 al 4% mx.). Es el rango de variacin de longitud de la galga, cuando sta se somete a una deformacin. Este rango viene expresado en un tanto por cien respecto a la longitud de la galga.Temperatura de funcionamiento (de 30C a +180C). Es aquella temperatura para la cual el funcionamiento de la galga se encuentra dentro de los parmetros proporcionados por el fabricante.*Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.


Resistencia de la galga (120 0,5%). Es la resistencia de la galga cuando sta no est sometida a ninguna deformacin. Es la resistencia de referencia y suele acompaarse de un porcentaje de variacin.Factor de galga (2,00 nominal). Factor de galga o factor de sensibilidad de la galga es una constante K caracterstica de cada galga. Determina la sensibilidad de sta. Este factor es funcin de muchos parmetros, pero especialmente de la aleacin empleada en la fabricacin. Coeficiente de temperatura del factor de galga (0,015%/C). La temperatura influye notablemente en las caractersticas. A su vez, cualquier variacin en estas caractersticas influye en el factor de galga. Este coeficiente se mide en %/C, que es la variacin porcentual del valor nominal del factor de galga respecto al incremento de temperatura.Prueba de fatiga (105 contracciones con tensin de 1000 micro).Esta caracterstica nos indica el nmero de contracciones o deformaciones a una determinada tensin que puede soportar la galga sin romperse.*Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.


Material de la lmina (aleacin de cobre nquel). Esta caracterstica nos define el material del que est hecho el hilo conductor o el material semiconductor.Material de la base (polimida). Esta caracterstica nos define el material del que est constituida la base no conductora de la galga.Factor de expansin lineal. Representa un error que se produce en la magnitud de salida en ausencia de seal de entrada, es decir, en ausencia de deformacin. Este error depende de la temperatura ambiente a la que esta sometida la galga. *Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.


*Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.Otras formas constructivasUtilizacin de las galgas


Text:

GALGA

PEGAMENTO

HILOS

SOLDADURA

MATERIAL PASIVO

Galgas extensomtricas (Tipos)

Galgas extensomtricas ( clulas de carga)Elementos elsticosGalgas extensomtricas de resistencia elctrica(Galgas extensomtricas de hojaGalgas extensomtricas semiconductoras.Galgas extensomtricas de capa delgadaGalgas extensomtricas de cable.

Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.*http://www.kruger-hispana.com/celulas-de-carga.phpFigura: Clula de cargahttp://www.insatecsl.com/celulas.htm


CLULAS DE CARGALas clulas de carga se utilizan en muchsimos campos de la industria, la ciencia, entre otros. Esta es, en esencia, un transductor que transforma una fuerza determinada en una seal elctrica y esta seal posteriormente es amplificada y medida mediante un algoritmo que nos da a la salida un valor de fuerza.Dicha fuerza deforma una galga extensiomtrica mediante cierto dispositivo mecnico.Esta deformacin es convertida por la galga extensiomtrica en una seal elctrica. Las clulas de carga pueden estar compuestas por una o dos galgas extensiomtricas, pero por lo general estn integradas por cuatro de ellas unidas por una configuracin del tipo puente de Wheatstone.La seal elctrica emitida es por lo general muy pequea (algunos milivolts) por lo que necesita ser amplificada antes de su utilizacin mediante un amplificador de instrumentacin.Finalmente, un algoritmo conectado a la salida del transductor calcula la fuerza aplicada al mismo.

*Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.http://www.ispc.com.mx/spc_celdashttp://www.celulascarga.com/Celulas-de-carga-Funcionamiento/3http://isbelg.over-blog.com/article-que-celulas-carga-86799571.htmlHojas tcnicas


Galgas Comerciales En el aspecto comercial, generalmente las galgas se venden integradas en transductores completos. El fabricante nos proporciona las caractersticas completas de stos. Por ejemplo un fabricante, adems de la galga en s, proporciona una serie de instrumentos para acondicionar y presentar la seal. Estos instrumentos son:

El sensor de galga (VW strain gauge sensor). La principal funcin del sensor de galga es la de detectar la deformacin que sufre la galga cuando esta sometida a un esfuerzo. Posteriormente el sensor traduce esta deformacin en una seal con una determinada frecuencia.Una caracterstica muy importante de este instrumento es que posee un sensor interno para la compensacin en temperatura. Las prestaciones son: Rango de frecuencia: 0,82,4 kHzRango de temperatura: 29C a 105C. Humedad mxima admisible: 105 mH2O. Materiales: Plstico ABS. Dimensiones: 80x26x16 mm. Peso: 28 g.*Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.http://www.ingelsoft.com/Celdas.html?gclid=COnA8rfb8LoCFShk7AodxzIAtA


Cable de seal (signal cable). La funcin del cable es transmitir la seal 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 alimentacin, el tercero de seal de salida y el cuarto de seal de temperatura. Temperatura mxima admisible: 80C.Multiplexor. El multiplexor puede acondicionar hasta 16 sensores de galga con sus correspondientes seales de temperatura, o bien hasta 32 sensores sin seal de temperatura. La salida de este multiplexor es llevada al visualizador.Visualizador (VWP Indicator). La funcin de este instrumento es transformar la seal recibida del sensor en unidades de microdeformacin. Estas unidades se muestran a travs de un display. Adems el indicador muestra en el display la temperatura a la que est sometida la galga durante el proceso de medida.*Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.http://celdasdecarga.blogspot.com/


*Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.CLULAS DE CARGAhttp://www.hbm.com/es/menu/productos/celulas-de-carga/


Galgas extensomtricas ( Mediciones)Las galgas extensiomtricas estn disponibles comercialmente con valores nominales de resistencia desde 30 hasta 3000 , siendo 120, 350 y 1000 los valores ms frecuentes.

Para medir tales cambios en la resistencia, las galgas extensiomtricas casi siempre se emplean en configuraciones de puente con una fuente de excitacin de voltaje. El montaje ms comn utilizado para medir deformaciones mediante galgas es el puente de Wheatstone.Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.*


Galgas extensomtricas ( Mediciones)Existen tres tipos de montajes bsicos: con una, dos y cuatro galgas. La medida se suele realizar por deflexin, es decir midiendo la diferencia de tensin existentes entre los terminales de salida del sensor.

Las principales diferencias de estos montajes se encuentran en la sensibilidad y la capacidad de compensacin del efecto de temperatura. Esta compensacin 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 caractersticas, los efectos de la temperatura se anulan ya que sta les afecta por igual.Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.*


Galgas extensomtricas ( Mediciones)Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.*


*Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.UNA GALGA

Este puente de medida se caracteriza por una baja sensibilidad. Por otro lado al solo haber una galga esta no est compensada en temperatura.


*Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.DOS GALGAS

Debido a la utilizacin de dos galgas se consigue duplicar la sensibilidad del puente respecto al anterior. Esto permite que para una misma deformacin tengamos una mayor seal de salida para una tensin de alimentacin dada. La disposicin de las galgas, permiten la compensacin en temperatura.


*Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.CUATRO GALGAS

La utilizacin 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 estn compensadas en temperatura.


Circuitos de medida

+

-

+

-

E

Amplificador de instrumentacin

Tensin estableAmplificacinCircuitos de medida con CI

+10 V

5 V

160

126

INA 118

Vo

-10 V

160

160

+10 V

LM136

Deformacin axialLey de Hooke: En la zona elstica del material, la deformacin unitaria () es proporcional a la tensin o esfuerzo ():



EjercicioUna galga con factor de galga K= 2, y una resistencia de 120 (valores tpicos) pegada a una pieza de acero de 4 cm x 4 cm de seccin de la que pende una masa de 1000 kg (Eacero = 2 106 N/cm2). Calcular R:

1 calculamos la deformacin = /E = (F/A)/E. Para ello, normalicemos el valor de cada factor:F = 1000 kg = 9,80665 1000 newton = 9806,65 NA= 4 cm x 4 cm = 16 cm2 = 0,0016 m2E = 2 106 N/cm2 = 2 1010 N/m2 = 0,0003065 m/m = 306,5 R = K Ro = 2 120 0,0003065 = 0,074 *Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.


Balanza electrnica:Este dispositivo consiste bsicamente en una galga extensomtrica 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 deformacin en la galga que es detectada y, mediante circuitos electrnicos, es traducido en un display a una medida de masa. Se debe tener en cuenta la balanza electrnica mide fuerza, pero debido a una igualdad matemtica puede ser considerada como masa. La precisin de este dispositivo es de 0,1g y est dado directamente por el fabricante ya que posee un display que indica dcimas de gramo.*Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.


Usando las galgas extensiomtricas dispuestas sobre la viga segn la Figura 6. Se implement una aplicacin, en la cual se utiliz la linealidad del voltaje de salida del circuito puente para construir un instrumento medidor de masas (balanza).*Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.Balanza electrnica:


La deformacin producida sobre la viga en voladizo genera un voltaje que es linealmente proporcional al desplazamiento, Figura*Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.Balanza electrnica:


En el circuito puente de la Figura , las cuatro resistencias representan medidores de deformacin activos, la salida Vd esta dada por:Las galgas adyacentes se compensan en temperatura; las galgas 1y4 deforman en tensin y por estar opuestas se suman sus salidas de voltaje; las galgas 2 y 3, estn opuestas y deforman en compresin, 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*Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.Balanza electrnica:


Las galgas extensiomtricas permiten obtener, mediante el adecuado acondicionamiento de la seal resultante, una lectura directa de la deformacin 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 idnticas en brazos adyacentes elimina los efectos de temperatura en la galga medidora. Como es conocido, la temperatura afecta a la resistencia elctrica, de forma que si se usa slo una galga medidora, la resistencia elctrica de la misma depender de la temperatura ambiente y su efecto habrque 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.*Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.Conclusiones:


El acondicionamiento de la seal obtenida del puente, generalmente suele hacerse mediante amplificadores operacionales y de instrumentacin. Comercialmente las encontramos integradas en transductores completos, aunque tambin se puede disponer de ellas individualmente. Debido a la utilizacin de ms de una galga medidora se consigue aumentar la sensibilidad del circuito puente. Esto permite que para una misma deformacin tengamos una mayor seal de salida con una tensin de alimentacin 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 ubicacin de las masas siempre en el mismo punto. Adems pueden presentarse deformaciones en otras direcciones sobre la galga, que generarn errores en las mediciones.*Instrumentacin y sensores ESPEL Ing. Jos Bucheli A.Conclusiones:


Tarea 1Demostrar, si R1, R2, R3, R4 son 4 variaciones diferentes de las 4 galgas

Considerar R1, R2, R3, R4

Tarea 2Realice una aplicacin de la galga extensiomtrica en una balanza electrnicaPresentar principio de funcionamientoEsquema Tarea 3Muestre una aplicacin de la galga para medir deformacin. Tarea 4Consultar mtodos para compensar temperatura Consultar mtodos para calibrar el puente





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