galgas extenciometricas 23
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Galgas extensométricas
Lección 7
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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
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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
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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
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E
+
-
+
-
+
-
Amplificador de instrumentación
Circuitos de medida
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+10 V
5 V
160 RR
126
INA 118
Vo
-10 V
160 160
+10 V
LM136
Tensión estable Amplificación
Circuitos de medida
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VAB
E
A B
E
RG
RG
RG
GG RR
ACTUACIÓN DELSISTEMA
RSH
SHG
G
RRK
R
Circuitos de medida
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(a)
E B A
VAB
RC
RC
RR
(b)
EB
A
VAB
RC
RC
RR
RC
RC+ R + R
R+RC
Circuitos de medida
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Aplicaciones de las galgas
FUENTEDE
TENSIÓNESTABLE
Ad
CALIBRACIÓN
EQUILIBRIO
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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
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FUENTEDE
TENSIÓNESTABLE
BLOQUEISOTERMO
FILTRO
SALIDA
Aplicaciones de las galgas
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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
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