Practica b

1. Tema: Característica estática de un sensor de fuerza acondicionado con un circuito de cuarto de puente y medio puente. 2. Objetivos:

a) Aprender el comportamiento de un sensor de fuerza utilizando un circuito de evaluación de cuarto de puente.  b) Calibración y puesta a punto del sistema. c) Característica estática. 3. Marco Teórico

Una fuerza desconocida puede ser medida mediante varios procedimientos: a) Balanceando la fuerza desconocida contra la ejercida por una masa (peso) mediante un sistema de balanza.  b) Midiendo la aceleración que provoca en una masa conocida. c) Distribuyendo la fuerza en un área conocida y midiendo la presión que esta ejerce. d) Compensándola contra una fuerza provocada por un campo magnético generado  por una bobina. e) Convirtiendo la fuerza en deformación sobre un elemento elástico. El último método es frecuentemente utilizado a través de un sensor primario conocido como celda de carga y ayudado de una galga extensiométrica. Las galgas extensiométrica utilizan un alambre doblado, el mismo que se estira como producto de la deformación aplicada al elemento elástico. Este estiramiento produce un cambio de su resistencia eléctrica.

Galgas extensiométrica

 Fig.1 Galga extensiomé extensiométrica trica y su ecuación ecuación

Las galgas extensiométricas (strain gauges) son sensores resistivos muy 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. La ecuación de la galga extensiométrica es:

 Fig.2 Ecuaciones de la galga extensiométrica

El factor de galga K determina la sensibilidad de la resistencia a los cambios en la longitud. Así, la sensibilidad de la galga crece con el factor de galga y el valor de la resistencia y decrece con el módulo de Young y con la sección. Para lograr mayores cambios en ∆R, será conveniente incrementar el valor de la resistencia sin incrementar la sección, es decir, tener mayores longitudes. Para que la variación de resistencia de la galga extensiométrica se transforme en variación de voltaje se utiliza un puente de resistencias en el cual la galga se encuentra en uno o dos  brazos.  Normalmente el voltaje obtenido del puente suele ser amplificado mediante un circuito amplificado electrónico. Una de las celdas de carga más utilizada es la de viga en voladizo.

 Fig.3 Puente de resistencias o puente de Wheatstone

Si se conocen las dimensiones de la viga, el módulo de elasticidad, el material de la viga, la constante de galga y la constante del amplificador es posible hallar la relación fuerza aplicada constar voltaje de salida. Sin embargo es más fácil caracterizar a la celda utilizando pesos conocidos. Dada la relación lineal entre el peso y la salida de tensión, los valores obtenidos pueden unirse mediante una línea recta.

Puente de Wheatstone El puente de Wheatstone es un método para medir   resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida. En la Fig. 4 se representa el principio de funcionamiento de este puente. RX es la resistencia a medir y R1, R2 y R3 son resistencias de valor conocido. El puente se alimenta con una fuente de tensión continua y se varía el valor de la resistencia R3 mediante un mando hasta conseguir que el galvanómetro (que es un amperímetro muy sensible) indique que la corriente IG tiene un valor nulo. En este caso se puede demostrar que se verifica la siguiente relación:

 = 3 2 1

 Fig.4 Funcionamiento del puente de Wheatstone

4. Equipo necesario

a)  b) c) d) e) f)

Celda de carga de lámina en voladizo. Puente de medición con amplificación Multímetro o sistema de adquisición de datos. Juego de pesas. Fuente de alimentación. Cables.

5. Procedimiento

1. Ensamble el circuito de cuarto de puente indicado en fig. 5:

 Fig.5 Circuito de cuarto de puente para armar en el laboratorio

2. Enceramos la señal de salida por medio de la perilla de offset

3. Cargamos la celda de carga utilizando las pesas y el portapesas indicado. Colocamos las pesas una a una y anotamos la tensión de salida, en la Tabla No.1, de la hoja de resultados. 4. Aplicar la masa desconocida al puente, mediar la tensión de salida 5. Ensamblamos el circuito de medio puente indicado en la siguiente fi gura.

 Fig.6 Circuito de medio puente para armar en el laboratorio

6. Repetimos los pasos b, c y d. Usamos para los resultados la Tabla No.2 6. Resultados

a) Cuarto de puente Tabla1: Respuesta con salida en voltaje

1/4 de puente Masa(gr) Fuerza(N) 0 0 50 0.49 70 0.686 90 0.882 110 1.078 130 1.274 150 1.47 170 1.666 190 1.862 210 2.058 260 2.548 310 3.038 360 3.528 410 4.018 460 4.508

Voltaje(V) 0 -0.11 -0.14 -0.16 -0.18 -0.21 -0.23 -0.25 -0.28 -0.3 -0.37 -0.41 -0.46 -0.54 -0.59

Característica Estática con la configuración en ¼ de puente

Fuerza vs Voltaje 1.4 1.2 y = 0.2482x + 0.0888 R² = 0.9932

1     ]    V     [    e    j    a    t     l    o    V

0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

1

2

3

4

Fuerza [N]

 Fig.7 Gráfica Fuerza vs Voltaje, de la configuración ¼ de puente

 b) Medio puente Tabla2: Respuesta con salida en voltaje

1/2 de puente Masa(gr) Fuerza(N) 0 0 50 0.49 70 0.686 90 0.882 110 1.078 130 1.274 150 1.47 170 1.666 190 1.862 210 2.058 260 2.548 310 3.038 360 3.528 410 4.018 460 4.508

Voltaje(V) 0 0.23 0.28 0.32 0.37 0.424 0.46 0.51 0.56 0.61 0.72 0.85 0.96 1.06 1.20

Característica Estática con la configuración en de medio puente

5

Característica estática del sensor de fuerza, acondicionado al circuito de 1/2 puente

1.4 1.2     ]    V     [    e    j    a    t     l    o    V

1 y = 0.2482x + 0.0888 R² = 0.9932

0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

1

2

3

4

Fuerza [N]

 Fig.8 Gráfica Fuerza vs Voltaje, de la configuración de medio puente

c) Demostración de la ganancia en el puente Wheastone.

 Fig. 7: Puente de Wheastone

 Aplicando Ley de Ohm:

 =  +  =  +4 Lazo bcd:

  =  − 4

5

 =  − 4  =  +  −  +4 4  = ( + −  +4 4)   =   − 4   +   + 4  =  +  −  +4 4 d) Ganancia para cuarto de puente

En cuarto de puente, tenemos los siguientes valores de resistencia:

 =  +   =  = 4 = 350 Ω Por lo tanto la ganancia es:

350  1 4 = 350 +   −  +  2 e) Ganancia para medio puente

En cuarto de puente, tenemos los siguientes valores de resistencia:

 =  −   =  +   = 4 = 350 Ω Por lo tanto la ganancia es:

 +  − 1  =   2 2 7. Conclusiones 8. Recomendaciones

Bibliografía:

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http://www.insdecem.com/archivos/guias/GuiaB_INST.pdf  http://personales.unican.es/rodrigma/PDFs/Puente%20de%20Wheatstone.pdf 

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dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/4482/1/UPS-CT001920.pdf 

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