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Industriales. Sensores. Galgas extensiométricas. Procesos constructivo. Sensor: características

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Índice

1.- Resumen -------------------------------------------------

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2.- Definición de la magnitud que mide --------------

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3.- Descripción del principio de funcionamiento ---

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4.- Descripción constructiva -----------------------------

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5.- Explicación de las características del sensor --

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6.- Consideraciones Adicionales -----------------------

pág. 7

7.- Nota de aplicación -------------------------------------

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8.- Conclusiones --------------------------------------------

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9.- Bibliografía -----------------------------------------------

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1.- Resumen.

El presente trabajo nos adentra en el mundo de las galgas extensiométricas.

A través de él podremos conocer su principio de funcionamiento básico así como las principales aplicaciones.

Los puntos que se van a desarrollar son:

  • Magnitud de medida.

  • Principio de funcionamiento.

  • Ejemplo constructivo.

  • Características generales.

  • Consideraciones adicionales.

  • Nota de aplicación.

2.- Definiciones de las magnitudes que mide.

La galga extensiométrica nos permite 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.

La unidad de medida de la deformación se expresa mediante  (épsilon). Esta unidad de medida es adimensional, y expresa la relación existente entre el incremento de longitud experimentado por el objeto y la longitud inicial.

El concepto de deformación engloba todas las variaciones sufridas por un cuerpo cuando éste ha sido sometido a una fuerza externa, bien sea compresión, tracción, torsión o flexión.

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3.- Descripción del principio de funcionamiento.

La galga extensiométrica es básicamente una resistencia eléctrica. El parámetro variable y sujeto a medida es la resistencia de dicha galga. Esta variación de resistencia depende de la deformación que sufre la galga.

Se parte de la hipótesis inicial de que el sensor experimenta las mismas deformaciones que la superficie sobre la cual está pegada.

El sensor está constituido básicamente por una base muy delgada no conductora, sobre la cual va adherido un hilo metálico muy fino, de forma que la mayor parte de su longitud está distribuida paralelamente a una dirección determinada, tal y como se muestra en la figura siguiente:

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La resistencia de la galga es la propia resistencia del hilo, que viene dada por la siguiente ecuación:

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En base a esta última ecuación, se puede afirmar que 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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Otro principio de funcionamiento de las galgas se basa en la deformación de elementos semiconductores. Esta deformación provoca una variación, tanto en la longitud como en la sección, pero de una forma más acusada, en la resistividad () del semiconductor. De esta forma:

Este tipo de sensor semiconductor posee un factor de galga (ver características) más elevado que el constituido por hilo metálico.

4.- Descripción constructiva

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Existen dos tipos de galgas básicos:

  • De hilo conductor o lámina conductora.

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.

  • Semiconductor.

Las galgas semiconductoras son similares a las anteriores. 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.

5-. Explicación de las características del sensor.

Las principales características de las galgas son las siguientes:

  • Dimensiones de la galga ( 2,5 x 6 mm)

- Anchura y Longitud: Dichos parámetros nos propor-cionan 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.

  • 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. Matemáticamente el factor de galga se expresa:

  • 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.

  • 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. Se expresa en  C-1.

6-. Consideraciones Adicionales.

En el aspecto comercial, generalmente las galgas se venden integradas en transductores completos. El fabricante nos proporciona las características completas de éstos.

En nuestro caso el transductor escogido pertenece a la casa SLOPE INDICATOR COMPANY. Este fabricante, además de la galga en sí, proporciona una serie de instrumentos para acondicionar y presentar la señal.

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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.

  • 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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7.- Nota de aplicación

El montaje más común utilizado para medir deformaciones mediante galgas es el puente de Wheatstone. 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.

Puente de medida con una galga:

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Este puente de medida se caracteriza por una baja sensibilidad.

Por otro lado al solo haber una galga esta no está compensada en temperatura.

Puente de medida con dos galgas:

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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 (tal y como se puede ver en el dibujo), permiten la compensación en temperatura.

Puente de medida con cuatro galgas:

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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.

Por último el tratamiento de la señal de salida suele hacerse mediante amplificadores operacionales y de instrumentación. Con ellos conseguimos acondicionar la señal para obtener valores de tensión manejables.

8.- Conclusiones.

Las galgas son resistencias variables cuyo parámetro característico varia con la deformación producida sobre ella.

En función de la aplicación podemos encontrar tres tipos distintos de sensores.. De hilo conductor, de filamento y semiconductoras.

El circuito eléctrico comúnmente utilizado para trabajar con galgas es el puente de Wheatstone, en sus tres variantes: a una, dos o cuatro galgas.

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.

9.- Bibliografía.

  • L. Ortiz Berrocal: Elasticidad. Mc Graw Hill. 1998.

  • W. Bolton: Mechtronics. Lougman. 1997.

  • RS Aminata S.A.: catálogo de componenetes. 1999.

  • WWW.slopeindicator.com/instruments/sg-intro.html

Sensores Galgas extensiométricas

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