Sensores de fuerza, par y deformación Juan Manuel Trujillo Romero Leo Valdez, Jr. Yael Urtusàstegui Vázquez Mellado
SENSOR
Un sensor es un dispositivo que está capacitado para detectar acciones o estímulos externos señalar una condición de cambio y responder en consecuencia. Estos aparatos pueden transformar las magnitudes físicas o químicas en magnitudes eléctricas.
Con frecuencia, una condición de cambio, se trata de la presencia o ausencia de un objeto o material (detección discreta). También puede ser una cantidad capaz de medirse, como un cambio de distancia, tamaño o color (detección analógica). Los sensores hacen posible la comunicación entre el mundo físico y los sistemas de medición y/o de control, tanto eléctricos como electrónicos, utilizándose en todo tipo de procesos industriales y no industriales para monitorización, medición, control y procesamiento.
Características
Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor.
Precisión: es el error de medida máximo esperado.
Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset.
Linealidad o correlación lineal.
Sensibilidad de un sensor: suponiendo que es de entrada a salida y la variación de la magnitud de entrada.
Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede detectarse a la salida.
Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada.
Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor.
Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.
Sensores de fuerza, par y deformación ¿Qué son? Son sensores diseñados para medir y cuantificar la fuerza de contacto entre dos objetos, y frecuentemente usados para medir presión. - Principio de medición de la fuerza: comportamiento de un cuerpo bajo una fuerza externa
Debido a que la fuerza no puede medirse directamente, se han desarrollado todo tipo de alternativas para este fin. Desde los medidores mas arcaicos, como lo son los resortes, hasta los mas sofisticados que son los sensores digitales.
En los sensores digitales se transmite la fuerza aplicada en el sensor, en una señal eléctrica que aparece en sus terminales.
Sensores de fuerza, par y deformación
La deformación se puede conocer, bien directamente mediante galgas extensiometricas o sensores de desplazamiento, o bien indirectamente cuando una propiedad eléctrica del cuerpo de prueba depende de su deformación; es el caso de los materiales piezoeléctricos o magnoelasticos.
Los sensores de fuerza miden cargas de tracción y compresión estáticas y dinámicas, prácticamente sin desplazamiento. Se utilizan en diversas aplicaciones de medición de fuerza, como bancos de ensayo (por ejemplo, para medición de fuerzas en pruebas de calidad de materiales) y en tecnología de automatización (por ejemplo, en control de calidad durante operaciones de modelado o ensamblaje).
Sensores Piezoelectricos
Un sensor piezoeléctrico (también conocido como zumbador) es un dispositivo que utiliza el efecto piezoeléctrico para medir presión, aceleración, tensión o fuerza; transformando las lecturas en señales eléctricas. Están formados por dos chapas muy finas de distintos metales, o en ocasiones, de una chapa de metal sobre la que se deposita una capa fina de cerámica o algún tipo de cristal. De este modo, al recibir una presión emiten una corriente eléctrica, que no es tan alta como para notarla en la mano, pero sí es suficiente para generar una señal electrónica útil para algunas aplicaciones. Esta propiedad es en cierto modo reversible: si se le aplica una corriente eléctrica mínima, el piezoeléctrico vibrará. Por este motivo es que también reciben el nombre de zumbadores.
Galgas extensiométricas
¿Qué es una galga extensiométrica?
Una galga extensiométrica es un sensor cuya resistencia varía con la fuerza aplicada; convierte la fuerza, presión, tensión, peso, carga, torque, deformación, posición, etc. en un cambio de la resistencia eléctrica el cual puede ser medido, es un dispositivo de medida universal que se utiliza para la medición electrónica de diversas magnitudes mecánicas. Se entiende por strain o esfuerzo a la cantidad de deformación de un cuerpo debida a la fuerza aplicada sobre él. Si lo ponemos en términos matemáticos, strain (ε) se define como la fracción de cambio en longitud.
Tipos de galgas extensiometricas
Galgas metálicas:
Las galgas metálicas se constituyen por una base muy delgada y fina, a la cual se le adhiere un hilo muy fino metálico, puede ser bobinado o plegable, al final las 2 terminales en las que acaba el hilo se une a los transductores. Estas galgas tienen como ventaja un bajo coeficiente de temperatura,en las galgas metálicas la corriente máxima es de unos 25 mA si el soporte es buen conductor de calor, y 5mA en el caso contrario; de todas formas en las galgas metálicas hay una gran limitación en la corriente. Las principales características de las galgas metálicas en condiciones habituales establecen que su tamaño tiene una variación entre 0.4mm y 150mm, tienen una resistencia variable entre 120 Ω y 5000 Ω y su tolerancia a la resistencia esta en el rango de 0.1% y 0.2%
La resistencia eléctrica de la galga metálica está dado por la relación entre la resistividad y la longitud respecto al área transversal. Pueden ser: Hilo metálico: Están adheridas a una base con medidas constantes, estas presentan errores cuando existen estados tensionales y son las más sencillas. Están compuestas por una película de protección, un soporte, un hilo de medida y las terminales de conexión.
Película metálica: Esta clase de galgas tiene una característica de fabricación similar a los circuitos impresos que tienen bases flexibles. Se desarrollan por el medio de creación de placas utilizando fotografías, llamado el método de fotograbado. Se conforman por una película de protección, un soporte, un pad de conexión y de zonas anchas para reducir el efecto de tensiones transversales.
Metal depositado: Son aplicadas directamente sobre la superficie mediante dos métodos la evaporización o el bombardeo químico.
Las principales aleaciones que usan las galgas metálicas son:
-Hierro y cobre
-Platina y Silicialista
-Aleacion isoelastica -Nitroxido de Titan
- Constantan
- Aleacion de platino - Aleacion de Nicromo
-Constantan templado
-Aleacion Niquel Cromo - Cobre de doble capa
Galgas por resistencia
Este tipo de galga es un conductor eléctrico que al ser deformado aumenta su resistencia puesto que los conductores se vuelven más largos y finos. Mediante el puente de Wheatstone, podemos convertir esta resistencia, en voltaje absoluto. y mientras la deformación cumpla la Ley de Hooke, entonces la deformación y el voltaje absoluto estarán linealmente relacionados por medio de un factor llamado factor de galga. Este tipo de galga generalmente es usada en condiciones de laboratorio.
Galgas por capacitancia
Estas están asociados a características geométricas, son usadas para medir esfuerzos y deformación. Las propiedades eléctricas de los materiales usados para deformación tiene propiedades eléctricas despreciables, por lo cual los materiales de las galgas de capacitancia pueden ser calibrados según los requerimientos mecánicos. Esto les permite tener mejores calibraciónes respecto de las de tipo eléctrico.
Galgas foto-eléctricas
Mediante el uso de un extensómetro podemos amplificar el movimiento del espécimen, mientras un rayo de luz es pasado a través de una abertura variable, actuando con elextensómetro y directamente con una Célula fotoeléctrica. A medida que la galga cambia su abertura también lo hace la cantidad de luz que alcanza a la célula, esto conlleva a que la intensidad de la energía generada por la celda presente una variación, la cual podemos medir, y de esta obtener la deformación.
Galgas semiconductoras
En las galgas semiconductoras hay un elemento semiconductor en vez del hilo metálico, su gran diferencia respecto a las demás galgas, es su tamaño, ya que su tamaño es más reducido. la potencia máxima disipable en galgas semiconductoras es de unos 250 mW. Las galgas semiconductoras son capaces de soportar una alta resistencia su fatiga de vida es más larga y tiene menor histéresis, que es la capacidad de que el material conserve sus propiedades bajo diferentes estímulos. Existen ciertos aspectos característicos bajo condiciones normales de las galgas semiconductoras, su tamaño varias entre los 1 mm y 5 mm, su resistencia esta aproximadamente entre un rango de 1000 Ω a 5000 Ω y su tolerancia a la resistencia esta entre 1% y 2%. Los elementos más abundantes para fabricar estas galgas son: -Silicio -Germanio -Vidrio fenólico encapsuladas y no encapsuladas
Características de una Galga
Longitud de una galga
Corresponde a la región activa o longitud de grilla sensible al esfuerzo de una galga. Los codos y las almohadillas de soldadura no son considerables sensibles a los esfuerzos, todo esto debido a que poseen una gran sección transversal y a que tienen una baja resistencia eléctrica. para poder satisfacer las necesidades o requerimientos de análisis de los esfuerzos, podemos encontrar galgas con longitudes que van desde los 0.2 mm. hasta los 100 mm.
Concentración del esfuerzo
Uno de los factores más importantes para determinar un óptimo rendimiento de una galga extensiométrica es su longitud, Por ejemplo, cuando se desea determinar las medidas de esfuerzo sobre alguna pieza o alguna estructura crítica de una máquina, estas medidas se deben realizar en las partes donde se concentran los mayores esfuerzos, que generalmente son aquellas que poseen un mayor grado de fatiga. Las galgas extensiométricas tienden a integrar o a promediar el área cubierta por la grilla, ya que este promedio, el de la distribución de un esfuerzo no uniforme es siempre menor que el máximo. Una galga extensiométrica que es más larga que la región de esfuerzo, indicará una magnitud de esfuerzo muy bajo.
Galgas cortas
Las galgas extensiométricas cuya longitud se encuentra alrededor de los 3 mm. tienden a experimentar un rendimiento un tanto degradado, especialmente lo que tiene que ver con respecto a su máxima elongación, a su estabilidad bajo condiciones de esfuerzo estático y en cuanto a su durabilidad cuando éstas están sometidas a esfuerzos cíclicos alternativos. Cuando cualquiera de estas condiciones hace que se vea disminuida la precisión de la medición en mayor medida que el promedio del esfuerzo, es necesario utilizar una Galga de mayor longitud.
Galgas largas
Cuando es necesario utilizar este tipo de galgas, vale la pena mencionar algunas ventajas que se pueden obtener con su uso. Su manipulación es mucho más fácil y hace que su instalación y cableado sea mucho más rápido que el de las galgas pequeñas. Las galgas largas tienen un mayor factor de disipación de calor, porque debido a su resistencia nominal tienen menor potencia por unidad de área de grilla.Todas estas consideraciones pueden ser muy importantes a la hora de realizar trabajos con materiales plásticos o algún otro tipo de material que posea pobre disipación de calor.
Promediación del esfuerzo
Unas de las aplicaciones de las galgas extensiométricas largas, es la capacidad de poder determinar los esfuerzos en materiales no homogéneos. Tomando como ejemplo el concreto, en la que podemos encontrar una mezcla de agregados, generalmente piedra, y cemento; cuando medimos los esfuerzos sobre un material de este tipo es aconsejable utilizar una galga lo suficientemente larga como para abarcar varias piezas de agregado, con el fin de tomar una muestra representativa de los esfuerzos que se estén generando sobre la estructura. Lo que se busca en este tipo de mediciones son los promedios y no los puntos máximos de esfuerzo generados en la interfaz agregado-cemento. Cuando se desee medir los esfuerzos en este tipo de estructuras no homogéneas, la longitud de la galga debe ser mayor que la longitud de las partículas del material no homogéneo.
Tratamiento de la señal
Para tratar la variación de voltaje se utiliza un puente de Wheatstone, que está formado por cuatro resistencias unidas en un círculo cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida. El puente de Wheatstone puede operar en corriente continua y alterna, permitiendo las medidas de diferentes resistencias. La sensibilidad de este elemento depende de como está compuesto. De esta manera se puede medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Sin embargo, este método puede tener ciertos errores en su medición que se deben aspectos como:
Sensibilidad insuficiente.
Los cambios en la temperatura afectan las resistencias y pueden generar cambios bruscos en los valores de las resistencias.
La forma más común para obtener una señal eléctrica como resultado de una medida utilizando el puente de Wheatstone es mediante el método de deflexión. Este método en vez de valorar el equilibrio del puente, lo que hace es medir la diferencia de tensión entre ambas ramas o la corriente a través de un detector colocado en el brazo central. Para poder utilizar el puente de Wheatstone con las galgas hay que tener ciertos aspectos en cuenta, como por ejemplo, el cableado del puente, muchas veces la galga y el puente no se encuentran situados en un mismo lugar por lo tanto las resistencias y los cambios de temperatura de los cables pueden afectar los resultados arrojados, para evitar esto es necesario equilibrar y calibrar el puente, este procedimiento consiste en que no puede haber tensión a la salida del puente y debe hacerse la calibración adecuadamente comprobando que el puente de Wheatstone está arrojando correctamente los resultados.
Puente de Wheatstone
El puente de Wheatstone es un instrumento de gran precisión que puede operar en corriente continua o altema y permite la medida tanto de resistencias óhmicas como de sus equivalentes en circuitos de comente altema en los que existen otros elementos como bobinas o condensadores (impedancias).
Funcionamiento: Para determinar el valor de una resistencia eléctrica bastaría con colocar entre sus extremos una diferencia de potencial (V) y medir la intensidad que pasa por ella (I), pues de acuerdo con la ley de Ohm, R=V/I. Sin embargo, a menudo la resistencia de un conductor no se mantiene constante -variando, por ejemplo, con la temperatura y su medida precisa no es tan fácil. Evidentemente, la sensibilidad del puente de Wheatstone depende de los elementos que lo componen, pero es fácil que permita apreciar valores de resistencias con décimas de ohmio.
Medición: Cuando el puente se encuentra en equilibrio: R1 = R2 y Rx = R3 de donde R1 / Rx = R2 / R3. En este caso la diferencia de potencial (la tensión) es de cero "0" voltios entre los puntos A y B, donde se ha colocado un amperímetro, que muestra que no pasa corriente entre los puntos A y B (0 amperios). Cuando Rx = R3, VAB = 0 voltios y la corriente = 0 amperios. Si no se conoce el valor de Rx, se debe equilibrar el puente variando el valor de R3. Cuando se haya conseguido el equilibrio, Rx será igual a R3 (Rx = R3). R3 debe ser una resistencia variable con una carátula o medio para obtener valores muy precisos.
Usos: Muchos instrumentos llevan un puente de Wheatstone incorporado, como por ejemplo medidores de presión (manómetros) en tecnología de vacío, circuitos resonantes (LCR) para detectar fenómenos como la resonancia paramagnética, etc.
Elección de la galga
Longitud: estudios preliminares de diseño utilizando PhotoStress® indica que una longitud de la galga de 1.6mm presenta el mejor compromiso para ver el gradiente de tensión, picos de tensión y espacio para su instalación.
Patrón de grilla: con la información acerca de los estados de esfuerzo y sus principales direcciones, podemos ver que existen áreas donde se pueden utilizar galgas simples y rosetas de dos elementos tipo “Tee”. En otras partes de la aeronave, donde las principales direcciones de los esfuerzos varían con las maniobras de vuelos, se pueden utilizar rosetas rectangulares de 45º.
Serie: las máximas temperaturas de operación como así también los requerimiento para medir de forma tanto estática como dinámica, indica claramente el uso de galgas con aleación para el material de grilla de tipo K. Se pueden elegir la serie SK o la WK, pero la serie WK se prefiere porque tienen pistas integradas.
Opciones: para facilitar la instalación, la opción W, con terminales integrales de soldadura es ventajosa. Esta opción es aplicable a rosetas apiladas por lo que se especificada sólo para galgas de simple grilla.
Resistencia: cuando es posible, como en este caso, galgas de 350Ω deben ser utilizadas debido a los beneficios que las galgas de alta resistencia implican.
Número STC: las de aleaciones de titanio, con un coeficiente termal de 8.8 x 10-6 1/°C son ideales. Aleaciones K con número STC 05 son apropiadas.
Finalmente, combinando los resultados del procedimiento de elección, las galgas que cumplen con los requisitos pedidos pueden ser: WK-05-062AP-350/Option W
WK-05-060WT-350 WK-05-060WR-350
Ejemplo de elección de una galga extensiométrica
Durante los vuelos de prueba de una aeronave de combate, se realizó un análisis de esfuerzos sobre una pequeña sección de sus alas de titanio, con y sin, un misil sujeto a ella. Los rangos de temperatura para la medición de esfuerzos van de los -55ºC a los +230ºC, y serán un factor determinante en la elección de la galga.
USO REAL
Las galgas se utilizan para la medición electrónica de diferentes magnitudes mecánicas tales como la presión, la carga, ladeformación, el torque, entre otras. Estas mediciones pueden catalogarse en mixtas, dinámicas y estáticas. Las mixtas se usan para elementos sometidos a cargas que están variando, las dinámicas a elementos que vibran o son impactados y las estáticas como su mismo nombre lo indica son elementos sometidos a cargas que no están en movimiento.
Antiguamente eran usadas las galgas metálicas y su estructura era hecha de metal, sin embargo en la actualidad es más común usar las galgas semiconductoras porque tienen la capacidad de soportar mayor resistencia, sobre todo porque este tipo de galga tiene una mejor sensibilidad a comparación de las metálicas, aunque las metálicas tienen menor sensibilidad térmica. Los precios varían según los materiales que se desean usar pues la obtención de algunos es muy complicada
LIMITACIONES
El esfuerzo aplicado no debe llevar a la galga fuera del margen elástico o también llamado esfuerzo de fluencia.
La deformación de la galga .
El incremento en la galga debe ser en la misma dirección al del soporte para evitar tensiones opuestas en lo que alineación de la galga se refiere, ya que mide en una sola dirección.
La galga solo proporciona los datos para las direcciones a las que la galga ha sido diseñada. Si se quiere medir en direcciones perpendiculares. se puede poner otra galga igual a 90° de la inicial, por lo tanto, una sola galga puede medir solamente una dirección
VENTAJAS
Pequeño tamaño
Pueden ser alimentadas con corriente continua o corriente alterna
Tienen una excelente respuesta en frecuencia
Son simples y adecuada en medidas estáticas y dinámicas
Compensación de temperatura relativamente fácil, al instalar dos galgas idénticas en brazos adyacentes elimina los efectos de temperatura en la galga medidora. ya que al tener dos galgas, si se mide la diferencia de resistencia entre ambas, ya se descuenta con ello el efecto de la temperatura.
No son influidas por los campos magnéticos
DESVENTAJAS
La señal de salida es débil.
Pequeño movimiento de la galga.
Son afectadas por muchos factores de variación en condiciones ambientales.
La galga es ultra sensible a las vibraciones.
Con el tiempo la galga puede perder adhesión al espécimen de prueba.
Para umbrales pequeños la técnica de construcción es cara.
Se ven afectadas por el cambio de temperatura.
Son afectadas por la presencia de ruido térmico que establece un mínimo para la variación de resistencia detectable.
Son poco estables.
