ÍNDICE ÍNDICE __________________________ _____________ __________________________ __________________________ ________________________ ___________ 1 I.
TITULO: ______________________ _________________________________ ______________________ ______________________ ______________ ___ 2
II.
OBJETIVOS: ______________________________ _________________________________________ ______________________ ______________ ___ 2
III.
FUNDAMENTO TEÓRICO _____________ ________________________ ______________________ ___________________ ________ 2
3.1.
______________________________________ ____ 2 MATERIALES POLIMÉRICOS: __________________________________
3.2.
______________________________________ ____ 3 PROPIEDADES POLIMÉRICAS __________________________________
3.3.
ENSAYOS MECÁNICOS _____________________________________________ 4
a. b. c. d.
Tensión uniaxial: ____________________________________________________________ 4 Módulo de Young: ___________________________________________________________ 7 ____________________________________________ _________________________________________ ___________________ 7 Limite elástico ______________________ ____________________________________________ _____________________________________ _______________ 8 Fuerza tensil limite ______________________
3.4. EQUIPOS PARA MEDIR TENSIÓN UNIAXIAL, DESCRIPCIÓN Y PARTES __ 9 _________________________________________________ ________________ 9 3.5. TARJETAS ARDUINO _________________________________ ___________________________________ ______ 9 3.6. PARTES DE LA TARJETA ARDUINO _____________________________
3.7. SENSORES ARDUINO ______________________________________________________ 10
IV.
MATERIALES ___________________________________________________ 12
IV.
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA _____________________ _________________________________ _________________ _____ 17
I. TITULO: “DISEÑO DE UN EQUIPO PARA ENSAYO UNIAXIAL DE TRACCIÓN DE POLÍMEROS BASADO EN ARDUINO”
II. OBJETIVOS: -
Diseñar un equipo para ensayo uniaxial de tracción de polímeros basado en arduino. Realizar ensayos a materiales poliméricos reciclables y no reciclables para obtener la curva de esfuerzo – esfuerzo – elongación. elongación.
III. FUNDAMENTO TEÓRICO 3.1. MATERIALES POLIMÉRICOS: Los polímeros son cadenas enlazadas de unidades repetidas con enlaces covalentes de extremo a extremo. Los bloques de construcción que se repiten en la cadena se llaman monómeros. Conforme Conf orme los monómeros empiezan a conectarse entre sí para formar cadenas, se convierten en oligómeros. Conforme más monómeros se agregan a la cadena oligómera, ésta crece y al final se convierte en un polímero con la adición de una unidad más de monómero que no tendrá un efecto discernible en las propiedades de la cadena. (Newell, 2010) Los plásticos son materiales que se pueden moldear fácilmente, en su mayoría sintéticos y orgánicos, constituidos por macromoléculas. A pesar de ser moléculas de grandes dimensiones (pesos moleculares moleculares superiores a 1000, alcanzándose el millón de u.m.a.), su composición y estructura química es simple. Los polímeros son moléculas lineales o ramificadas, formadas por la repetición indefinida de grupos funcionales simples (monómeros) que se componen básicamente de C, H, O, N. (Shackelford, 2007) Se llama grado de polimerización (G.P.) al número de veces que se repite el monómero para formar la macromolécula, macromolécula, en valor promedio. Para grados de polimerización polimerización muy bajos, se obtienen obtienen líquidos a temperatura temperatura ambiente (aceites sintéticos sintéticos y ceras); ceras); al aumentar aumentar el G.P. el producto será normalmente sólido a temperatura ambiente, aumentando progresivamente progresivamente su temperatura de fusión, hasta llegar a tamaños donde se estabiliza estabiliza este valor, característico para cada polímero. Por tratarse en muchos casos de sólidos amorfos, no puede hablarse de punto de fusión, con una transición brusca de sólido a líquido, sino de un reblandecimiento reblandecimiento progresivo con la temperatura. (Shackelford, 2007) Para conseguir estabilidad térmica y evitar que la agitación cinética provocada por la temperatura rompa esta macromolécula, los enlaces que forman el esqueleto de la molécula deben ser de muy alta energía, como por ejemplo — C — C — C — , , o anillos bencénicos, o — Si — Si — O — O — Si Si — — O — . No se pueden obtener polímeros estables a temperatura ambiente con una cadena — Si — Si — — Si Si — — Si, Si, que sería semejante a la cadena de carbonos, con menor energía de enlace. (Shackelford, (Shackelford, 2007) Los átomos enlazados covalentemente (usualmente el carbono) incluyen el largo centro repetido de la cadena llamado esqueleto del polímero. Los átomos anexados al esqueleto
se llaman grupos laterales o sustituyentes. El hidrógeno es el grupo lateral más común, pero los grupos metilo, los anillos de benceno, las moléculas de hidróxido, l os heteroátomos, o incluso otras cadenas de polímeros pueden fungir como grupos laterales de igual manera. Cuando se dibuja una cadena de polímeros, cualquier grupo lateral que no se muestra específicamente se asume como hidrógeno. (Newell, 2010) La gran mayoría de polímeros tienen carbono como el átomo primario en la cadena, con hidrógeno, oxígeno, más carbono, nitrógeno y/o flúor unido a los lados. El plástico se ha convertido en un término genérico de los polímeros, pero muchos materiales naturales también son poliméricos, incluyendo las polisacarosas (celulosa y almidones), hule, proteínas en el cabello, la lana y l a seda y ácidos nucleicos (ARN y ADN). Debido a que existen tantas clases de polímeros, sus propiedades varían ampliamente. El polietileno es comparativamente débil y con él se fabrican bolsas de producción barata utilizadas en las tiendas de abarrotes, mientras que otros polímeros como Kevlar (poli parafenileno tereftalamida) tereftalamida) y Zylon (poli parafenileno benzobisoxasol) se utilizan como fibras balísticas en chalecos antibalas. (Newell, 2010) Muchos polímeros son flexibles y de peso ligero, haciéndolos materiales ideales para aplicaciones aplicaciones en donde no se requiere mayor fuerza. Los polímeros se clasifican por el hecho de que se pueden volver a derretir o reformar. Los polímeros termoplásticos tienen puntos de derretimiento bajos debido a la falta de enlace entre las cadenas adyacentes y pueden ser repetidamente vueltos a derretir y a reformar. Los polímeros termoplásticos son fácilmente reciclados, pero tienen menor fuerza que muchos otros materiales. Los materiales termoestables tienen un enlace considerable entre cadenas, lo cual los hace más fuertes que los termoplásticos, pero también son más difíciles de reciclar. (Newell, 2010)
3.2. PROPIEDADES POLIMÉRICAS Los materiales poliméricos despliegan propiedades que son únicas cuando se comparan con otros materiales, a los cuales ha desplazado, ya que ofrecen ventajas importantes, como menor peso, resistencia a la corrosión, facilidad para fabricar piezas con geometrías complejas y menor costo total de fabricación, entre otras. existen muchos polímeros naturales, pero el hombre ha sido capaz de crear una cantidad innumerable de materiales poliméricos sintéticos con diversas propiedades y características; características; por esta razón, los encontramos encontramos en casi cualquier producto. (Sánchez Vergara & Campos Silva, 2010) Los polímeros son un grupo muy grande y variado de materiales que consisten en diversa combinaciones y formulaciones de carbono, oxigeno, hidrogeno, nitrógeno y otros elementos. en su aplicación final, la mayoría de los polímeros se encuentra en estado sólido, pero en cierta etapa de su existencia existencia se forman forman haciéndolos haciéndolos fluir mediante mediante la aplicación aplicación de calor y/o presión. (Sánchez Vergara Vergara & Campos Silva, 2010) No todas las propiedades propiedades de los polímeros se se derivan de la fuerza de esos enlaces enlaces primarios; las fuerzas fuerzas de atracción intermoleculares, intermoleculares, mucho mucho más débiles, pero reversibles, reversibles, justifican la mayor parte de las propiedades de los polímeros; al calentar el material estos enlaces se debilitan, permitiendo a las macromoléculas macromoléculas deslizarse unas sobre otras, dando lugar a fenómenos de fluencia y de flujo en fundido. (Newell, 2010) Los polímeros se clasifican con base en su habilidad para ser refusionados y reconformados. Los termoplásticos fluyen como líquidos viscosos cuando se calientan y continúan así cuando se recalientan y se reenfrían múltiples veces. Los termoplásticos usualmente se producen en masa como pellets que se pueden pintar, derretir y reconformar por los usuarios usuarios finales. finales. Mientras Mientras que las cadenas cadenas individuales individuales en los termoplásticos tienen
enlaces covalentes a lo largo de su eje primario, el enlace entre las cadenas usualmente está limitado a interacciones débiles de van der Waals. En la mayoría de los casos no hay un orden tridimensional entre las cadenas y generalmente un leve orden bidimensional, si es que lo hubiera. El aparente posicionamiento relativo al azar de las cadenas adyacentes adyacentes con frecuencia se describe como “espagueti en un plato”. La falta de enlace entre cadenas reduce la resistencia a la tracción de los termoplásticos, pero los hace relativamente fáciles de reciclar. (Newell, 2010) En contraste, cuando los químicos que forman los polímeros termoestables se calientan, éstos lentamente pasan a una reacción de entrecruzamiento químico irreversible que enlaza entre sí a las cadenas y causa que el líquido se vuelva una masa sólida infusible. Una vez que se solidifica, l os polímeros termoestables no se pueden refusionar o reconformar. Por esta razón, la reacción de polimerización se lleva a cabo en un molde o en un dispositivo hilador de fibra para que el polímero termoestable de inmediato tome su forma final. El entrecruzamiento entre cadenas hace que los polímeros termoestables sean más fuertes y más resistentes a la degradación química que los termoplásticos, pero también los hace más difíciles de reciclar. (Newell, 2010) Las decisiones respecto al uso de polímeros termoestables o de termoplásticos para aplicaciones específicas crea dilemas éticos interesantes. El costo y el impacto ambiental favorecen el uso de los termoplásticos. Imagine si las bolsas del supermercado las fabricaran más resistentes al usar polímeros termoestables, pero no se podrían reciclar y costarían 25 centavos de dólar cada una. En contraste, el equipamiento de aviación, los materiales de resistencia balística y muchos otros artículos militares demandan un desempeño desempeño más alto que los polímeros termoestables ofrecen. (Newell, 2010) Muchos polímeros están hechos de una sola unidad estructural repetida muchas veces, pero ésta no es la única posibilidad. Cuando un polímero se forma a partir de la polimerización de dos o más monómeros se llama copolímero. (Newell, 2010)
3.3. ENSAYOS MECÁNICOS a. Tensión uniaxial: R esiste si stenci ncia a a la tr tr acción y elong elonga ación ci ón de de ro r otura: La resistencia a la tracción o tenacidad es el máximo esfuerzo que un material puede resistir antes de su rotura por estiramiento desde ambos extremos con temperatura, humedad y velocidad especificada especificadas. s. (Newell, 2010) El ensayo de tracción de un material consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo axial de tracción creciente creci ente hasta que se produce la rotura de la probeta. Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente. (Tecnologia de los plasticos, 2011) Elongación o extensión es el máximo esfuerzo de tracción a que un material puede estar sujeto antes de su rotura. La resistencia a la tracción y la deformación a la rotura, respectivamente indican el máximo esfuerzo que el material puede soportar. Curvas típicas basadas en datos datos experimentales experimentales muestran los valores valores reales. (Tecnologia (Tecnologia de los plasticos, plasticos, 2011)
Ilustración 1: Dispositivo para ensayo de tracción.
C urva ur va te tensión-d nsi ón-de eform for mació ci ón: En el ensayo a la tracción se mide la deformación (alargamiento) de la probeta entre dos puntos fijos de la misma a medida que se incrementa incrementa la carga aplicada, y se representa gráficamente gráficamente en función de la tensión (carga aplicada dividida por la sección de la probeta). En general, la curva tensión-deformación tensión-deformación así obtenida presenta cuatro zonas diferenciadas: diferenciadas:
Ilustración 2: Zonas de curva de tensión-deformación.
1. Deformaciones elásticas: en esta zona las deformaciones se reparten a lo largo de la probeta, son de pequeña magnitud magnitud y, si se retirara la carga aplicada, aplicada, la probeta recuperaría recuperaría su forma inicial (recuperación elástica (1)). El coeficiente de proporcionalidad entre la tensión y la deformación se denomina módulo de elasticidad (2) o de Young y es característico del material. La tensión más elevada que se alcanza en esta región se denomina límite de fluencia (yield point) y es el que marca la aparición de este fenómeno.
2. Fluencia o cedencia. Es la deformación brusca de la probeta sin incremento de la carga aplicada. El fenómeno de fluencia se da cuando las impurezas o los elementos de aleación bloquean las dislocaciones dislocaciones de la red cristalina impidiendo su deslizamiento, deslizamiento, mecanismo mecanismo mediante el cual el material se deforma plásticamente. Alcanzado el límite de fluencia se logra liberar las dislocaciones produciéndose la deformación bruscamente. La deformación en este caso también se distribuye uniformemente a lo largo de la probeta pero concentrándose concentrándose en las zonas en las que se ha logrado liberar las dislocaciones. dislocaciones.
3. Deformaciones plásticas: si se retira la carga aplicada en dicha zona, la probeta recupera sólo parcialmente su forma quedando deformada permanentemente. Las deformaciones en esta región son más acusadas que en la zona elástica.
4. Estricción. Llegado un punto del ensayo, las deformaciones se concentran en la parte central de la probeta apreciándose una acusada reducción de la sección de la probeta, momento a partir del cual las deformaciones continuarán acumulándose hasta la rotura de la probeta por esa zona. La estricción es la responsable del descenso de la curva tensióndeformación; deformación; realmente las tensiones no disminuyen hasta la rotura, sucede que lo que se representa es el cociente de la fuerza aplicada (creciente) entre la sección inicial y cuando se produce la estricción la sección disminuye, efecto que no se tiene en cuenta en la representación gráfica. Los materiales frágiles no sufren estricción ni deformaciones plásticas significativas, rompiéndose rompiéndose la probeta de forma brusca. Terminado el ensayo se determina la carga de rotura, carga última o resistencia a la tracción: la máxima resistida por la probeta dividida por su sección inicial, el alargamiento en (%) y la estricción en la zona de la rotura. (Tecnologia de los plasticos, 2011) Otras características que pueden caracterizarse mediante el ensayo de tracción son la resiliencia y la tenacidad, que son, respectivamente, respectivamente, las energías elástica y total absorbida y que vienen representadas por el área comprendida bajo la curva tensión-deformación hasta el límite elástico en el primer caso y hasta la rotura en el segundo. (Newell, 2010)
Ilustración 3: Curvas de tensión-deformación para distintas clases de plástico.
b. Módulo de Young: Normativa para ensayo de tracción La norma ASTM es D 638 (D 638 M es métrica). La unidad SI es el pascal (Pa=N/m2), pero también se usa la libra por pulgada cuadrada (psi). Los plásticos comerciales comerciales sin plastificar ni llevar fibras muestran desde 14 hasta 140 MPa (2 ( 2 a 20 psi). (Tecnologia de los plasticos, 2011)
Recuperación elástica La recuperación elástica es una medida de la extensión a la cual una sustancia recupera sus dimensiones originales luego de retirado el esfuerzo. Es la fracción de una dada deformación que se comporta elásticamente. Un material perfectamente elástico tiene una recuperación del 100% mientras que un material perfectamente plástico no tiene recuperación elástica. La recuperación elástica es una importante i mportante propiedad en películas usadas para el envasado "stretch" por relacionarse directamente directamente con la habilidad de una película para mantener junta a la carga. La retención del esfuerzo elástico - recuperación por un período de tiempo es también importante. (Tecnologia de los plasticos, 2011)
Módulo de elasticidad: El módulo de elasticidad es la razón de esfuerzo a deformación o esfuerzo por unidad de deformación deformación medido dentro de los límites de la deformación reversible. La medida en las tablas es el módulo de Young, que es la relación entre tensión (esfuerzo) y extensión (deformación) =
2
Donde el esfuerzo es representado por la fuerza F por unidad de área sobre la sección inicial a y el esfuerzo medido como la extensión I producida al largo inicial L. El módulo de Young tiene las dimensiones de: esfuerzo (Pa) / deformación deformación (m/m). En la práctica materiales que muestran apreciable reversibilidad generalmente rompen a poca extensión. Para materiales materiales que muestran fluencia plástica este módulo se puede aplicar solamente en la porción inicial de la curva. El valor del módulo de Young indica la resistencia de un material a una extensión longitudinal reversible y es un parámetro útil para predecir hasta qué punto se estirará una pieza bajo una una carga determinada. determinada. (Tecnologia (Tecnologia de los plasticos, 2011)
c. Limite elástico El límite
elástico, también denominado límite de elasticidad, es la tensión la tensión máxima que
un material elastoplástico puede elastoplástico puede soportar sin sufrir deformaciones deformaciones permanentes. permanentes. Si se aplican tensiones superiores a este límite, el material experimenta un comportamiento plástico con deformaciones con deformaciones permanentes y no recupera espontáneamente su forma original al retirar las cargas. En general, un material sometido a t ensiones inferiores a su límite de elasticidad es deformado temporalmente de acuerdo con la ley la ley de Hooke. () Hooke. () (Newell, 2010)
Los materiales sometidos a tensiones superiores a su límite de elasticidad tienen un comportamiento un comportamiento plástico. Si plástico. Si las tensiones ejercidas continúan aumentando el material alcanza su punto de fractura. El límite elástico marca, por tanto, el paso del campo elástico a la zona de fluencia. Más formalmente, esto comporta que en una situación de tensión uniaxial, el límite elástico es la tensión admisible a partir de la cual se entra en la superficie la superficie de fluencia del material. (Ciencia de Materiales. Aplicacioon en Ingenieria.)
d. Fuerza tensil limite Se denomina fuerza tensil limite a la máxima tensión máxima tensión que un material puede soportar bajo tensión antes de que su sección su sección transversal se contraiga de manera significativa. La fuerza tensil se obtiene por lo general realizando un ensayo un ensayo de tracción y registrando la tensión en función de la deformación la deformación (o alargamiento); el punto más elevado de la curva tensión-deformación tensión-deformación es la tensión de rotura. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra, sino de factores, tales como la preparación, la presencia presencia o no de defectos defectos superficiales, superficiales, y la temperatura temperatura del del medioambiente medioambiente y del material. La fuerza tensil limite rara vez son consideradas en el diseño de elementos dúctiles, elementos dúctiles, pero pero sin embargo son muy importantes en el diseño de elementos frágiles. Las mismas se encuentran tabuladas para los materiales más comunes tales como aleaciones, materiales aleaciones, materiales compuestos, cerámicos, compuestos, cerámicos, plásticos, plásticos, y y madera. madera.
3.4. EQUIPOS PARA MEDIR TENSIÓN UNIAXIAL, DESCRIPCIÓN Y PARTES 3.5. TARJETAS ARDUINO El Arduino es una placa basada en un microcontrolador, específicamente un ATMEL. Un microcontrolador es un circuito integrado (podríamos hablar de un microchip) en el cual se pueden grabar instrucciones. Estas instrucciones se escriben utilizando un lenguaje de programación programación que permite al usuario usuario crear programas programas que interactúan interactúan con circuitos electrónicos. electrónicos. Normalmente Normalmente un microcontrolador microcontrolador posee entradas y salidas digitales, entradas y salidas analógicas y entradas y salidas salidas para protocolos de comunicación. comunicación. Un Arduino es una placa que cuenta con todos los elementos necesarios para conectar periféricos a las entradas y salidas del microcontrolador. Se trata de una placa impresa con todos los componentes necesarios para el funcionamiento del micro y su comunicación con una computadora a través de comunicación serial. La comunicación serial es un protocolo de comunicación que alguna vez fue muy utilizado a través de los puertos serie que traían las computadoras de antaño.
Arduino utiliza un convertidor de Serial a USB, por lo cual a la hora de conectarlo a una computadora simplemente utilizamos una conexión USB común y corriente. La computadora, sin embargo, verá nuestro Arduino como un dispositivo conectado al Puerto Serie.
3.6. PARTES DE LA TARJETA ARDUINO En este apartado veremos las distintas partes que conformar nuestro Arduino como son entradas, salidas, alimentación, comunicación y shields.
Entradas: son los pines de nuestra placa que podemos utilizar para hacer lecturas. En la placa Uno son son los pines digitales (del 0 al 13) y los analógicos (del (del A0 al A5).
Salidas: los pines de salidas se utilizan para el envío de señales. En este caso los pines de salida son sólo los digitales (0 a 13).
Otros pines: también tenemos otros pines como los GND (tierra), 5V que proporciona 5 Voltios, 3.3V que proporciona 3.3 Voltios, los pines REF de referencia referencia de voltaje, TX (transmisión) y RX (lectura) también t ambién usados para comunicación serial, RESET para resetear, Vin para alimentar la placa y los pines ICSP para comunicación comunicación SPI.
Alimentación: Como hemos visto el pin Vin sirve para alimentar la placa, pero lo más normal es alimentarlo por el jack de alimentación usando una tensión de 7 a 12 Voltios. También podemos alimentarlo por el puerto USB, pero en la mayoría de las aplicaciones no lo tendremos conectado a un ordenador.
Comunicación: En nuestros tutoriales nos comunicaremos con Arduino mediante USB para cargar cargar los programas programas o enviar/recibir enviar/recibir datos. Sin embargo, embargo, no es la única única forma forma que tiene Arduino de comunicarse. comunicarse. Cuando insertamos una shield ésta se comunica con nuestra placa utilizando los pines ICSP (comunicación ISP), los pines 10 a 13 (también usados para comunicación comunicación ISP), los pines TX/RX o cualquiera de los digitales ya que son capaces de configurarse como como pines de entrada o salida y recibir o enviar pulsos digitales.
Shields: traducido del inglés significa escudo. Se llama así a las placas que se insertan sobre Arduino a modo de escudo ampliando sus posibilidades de uso. En el mercado existen infinidad de shields para cada tipo de Arduino. Algunas de las más comunes son las de Ethernet, Wi-Fi, Ultrasonidos, Pantallas LCD, relés, matrices LED's, GPS.
3.7. SENSORES ARDUINO Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas transformarlas en variables eléctricas. eléctricas.
Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc.
Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica eléctrica (como en un sensor de humedad o un sensor capacitivo), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.
Los sensores se pueden clasificar en función de l os datos de salida en:
Digitales
Analógicos
Características de los sensores
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 habitualmente se establece otro punto de referencia 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 t iempo 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 envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor.
Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.
IV.
MATERIALES
Celda de carga Transductor que soporta cargas de compresión, tensión y flexión y las convertirá en una magnitud eléctrica proporcional a la carga. Consta de una parte mecánica y una eléctrica, la parte mecánica mecánica viene viene a ser ser el elemento elemento resorte que soporta la fuerza externa aplicada aplicada sobre la celda de carga, normalmente fabricado en aluminio, por otro lado, la parte eléctrica viene a ser una o más galgas extensiométricas que traducen la fuerza aplicada en un cambio de resistencia eléctrica, eléctrica, esto basado en el principio físico que todo conductor sufre una variación en su resistencia eléctrica proporcional a la deformación causada por una fuerza. La celda de carga posee 4 galgas extensiométricas conectadas en una configuración de puente Wheatstone, esta configuración permite leer de forma precisa las variaciones de resistencia en las galgas. En general esta celda de carga consiste en una barra de aluminio con agujeros roscados para montaje y 4 galgas extensiométricas unidas a la barra. Entrega 4 cables de salida que funcionan como un puente wheatstone, por lo que para poder realizar las lecturas mediante un micro controlador es recomendable recomendable utilizar un transmisor.
Ilustración 4: Celda de carga 5 kg
Módulo HXT711 transmisor de celda de carga
Servirá como interface entre las celdas de carga y el micro controlador, permitiendo poder leer el peso de manera sencilla. Internamente se encarga de la lectura del puente wheatstone formado por la celda de carga, convirtiendo la lectura analógica a digital con su conversor A/D interno de 24 bits. Se comunica con el micro controlador mediante 2 pines (Clock y Data) de forma serial.
Ilustración 5: Transmisor de celda de carga módulo HXT711
Arduino 1 R3 Es la plataforma computacional física open-source basada en una simple tarjeta de I/O y un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje Processing/Wiring. Puede ser utilizado para desarrollar objetos interactivos o puede ser conectado a software de tu computadora. Esta tarjeta utiliza el microcontrolador ATmega328 para el manejo de USB en lugar del 8U2, esto permite ratios de transferencia transferencia más rápidos y más memoria. No se necesitan drivers para Linux o Mac (el archivo inf. inf . para Windows es necesario y está incluido en el IDE de Arduino). Esta tarjeta añade añade pins SDA y SCL cercanos al AREF, es más, hay dos nuevos pines cerca del pin RESET. Uno es el IOREF, que permite a los shields adaptarse al voltaje brindado por la tarjeta. El El otro pin no se encuentra encuentra conectado conectado y está reservado reservado para para propósitos futuros. futuros. La tarjeta trabaja con todos los shields existentes y podrá adaptarse con los nuevos shields utilizando esos pines adicionales.
Ilustración 6: Arduino 1 R3.
Chip INA125P Es el amplificador de instrumentación de baja potencia y alta precisión con una referencia de voltaje de precisión. Proporciona una excitación de puente completa y una amplificación de entrada diferencial de precisión en un solo circuito integrado. Ofrecen una baja desviación y deriva de CC, junto con una alta ganancia de lazo abierto y bajo nivel de ruido, y se utilizan con frecuencia en aplicaciones de prueba y medición de alta precisión y entornos eléctricamente eléctricamente ruidosos.
Ilustración 7: chip INA125P.
Protoboard 830 El Protoboard 830 sirve para probar circuitos sin tener que fabricar un PCB, cuenta con 4 líneas
de
energía,
63
columnas
y
10
filas
para
un
total
de
830
puntos.
Todos los pines están espaciados por un estándar de 0,1". Los dos conjuntos de cinco filas están separadas por aproximadamente 0,3", perfecto para integrados tipo DIP. La Junta acepta cables en el rango de 29-20AWG, para mejores resultados se utiliza el cable especial para protoboard. Posee un auto-adhesivo en la parte posterior. Pueden conectarse conectarse varios protoboards juntos, tantos como desee. Los contactos son de bronce fosforoso y de níquel plata.
Ilustración 8: Protoboard 830.
Cables Para facilitar la conexión entre circuitos. El conector está fabricado especialmente para ser compatible en conexión con protoboard, placas Arduino, sensores etc.
Ilustración 9: Cables.
Estructura de madera Será el armazón del equipo, y se eligió este material por su bajo costo y resistencia.
Sensor Ultrasonido US – 100 100 Es el sensor de distancia que utiliza ultrasonido para determinar la distancia de un objeto en un rango de 2 a 450 cm. Destaca por su pequeño tamaño, bajo consumo energético, buena precisión y bajo costo. El sensor tiene 2 modos de comunicación con el microcontrolador, el primer modo es denominado TRIGGER y funciona de igual al sensor HC-SR04, el segundo es el modo UART utilizando comunicación serial UART. UART . El funcionamiento f uncionamiento del primer modo es el siguiente: siguient e: el emisor piezoeléctrico emite 8 pulsos de ultrasonido(40KHz) luego de recibir la orden en el pin TRIG, las ondas de sonido viajan en el aire y rebotan al encontrar un objeto, el sonido de rebote es detectado por el receptor piezoeléctrico, luego el pin ECHO cambia a Alto (5V) por un tiempo igual al que demoró la onda desde que fue emitida hasta que fue detectada, el tiempo del pulso ECO es medido por el microcontrolador y asi se puede calcular la distancia al objeto. El funcionamiento del sensor no se ve afectado por la luz solar o material de color negro.
Ilustración 10: Sensor Ultrasonido US – 100. 100.
Soga Irá conectada con la polea, así al tirar de ella la fuerza se distribuirá a través de la soga y la polea, deformando deformando el material material a ensayar ensayar en el equipo equipo final.
Polea Servirá para transmitir la fuerza que se le aplique a la soga para el estiramiento del material que se quiera ensayar. Aun no se especifica de qué material sea la polea.
Ganchos Se usará para unir piezas.
Prensa Se encargara de garantizar la estabilidad del material a ensayar, para que cuando se le haga el ensayo se quede en un punto fijo y solo resista a la fuerza que será sometida en su ensayo de tracción.
Tabla 1. Costos de cada material a utilizar.
Cantidad
Costo
Costo Total
Und
S/.
S/.
Celda de carga 5 kg
1
20
20
Módulo HXT711 transmisor de celda de carga
1
12
12
Arduino 1 R3
1
40
40
chip INA125P
1
protoboard 830
1
12
12
Cables
1
Estructura de madera
1
Sensor Ultrasonido US - 100
1
21
21
Soga, polea, ganchos
1
Prensas
1
Descripción:
105
IV. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA Newell, J. (2010). Ciencia de Materiales. Aplicacioon en Ingenieria. C.V. México: Alfaomega Grupo Editor. Sánchez Vergara, M. E., & Campos Silva, I. E. (2010). Tecnologia de Materiales. México: Editorial TRILLAS. Shackelford, J. F. (2007). Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros. (6ta (6ta Edición ed.). Madrid: PEARSON Prentice Hall.
Tecnologia de los plasticos. (25 de Marzo de 2011). Obtenido de http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/
