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Sensores de fuerza y par• Un método para medir una fuerza (o un par) consiste en medir el efecto de la fuerza sobre un

elemento elástico, denominado célula de carga. En las células de carga eléctricas, el efecto es

una deformación o desplazamiento. En las células de carga hidráulicas y neumáticas, el efecto

es un aumento de la presión de un líquido o un gas respectivamente.

• Al aplicar un esfuerzo mecánico a un elemento elástico inmóvil, éste se deforma hasta que las

tensiones generadas por la deformación igualan a las debidas al esfuerzo aplicado. El

resultado es un cambio en las dimensiones del elemento proporcional al esfuerzo.

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Sensores resistivos

• Los sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo son probablemente los más abundantes. Ello se debe a que son muchas las magnitudes físicas que afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material.

• Para la clasificación de los diversos sensores de esta clase se toma como criterio la magnitud física medida.

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PotenciómetrosLos sensores de desplazamiento resistivos son comúnmente llamados

potenciómetros. Un potenciómetro es un elemento electromecánico que

posee un conductor eléctrico en contacto con una resistencia sobre la cual

se desliza, estableciendo una resistencia de acuerdo a la posición o

ángulo.

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Potenciómetros

• Los potenciómetros, están dividos eléctricamente en dos puntos, establecidos por las escobillas.

• Los potenciómetros idealmente poseen una salida de resistencia que varia linealmente con el desplazamiento de la escobilla sobre la resistencia.

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Potenciómetros

• Debido a que la resistencia de un conductor de longitud l, sección A y resistividad ρ viene dada por:

• La resistencia R entre los extremos del potenciómetro y el contacto móvil es:

lA

R

)()1( xlAA

R

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Potenciómetros

• Si A y ρ son constantes, la variación de resistencia es proporcional al desplazamiento del cursor.

• Además debe suponerse que la resistencia es uniforme a lo largo de todo el recorrido l del cursor y que el contacto es contínuo.

)()1( xlAA

R

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Potenciómetros• Para el análisis se asume que:

– La resistencia es uniforme a lo largo de todo el recorrido o bien sigue una ley determinada.

– El contacto del cursor proporciona una variación de resistencia continua (no a saltos) por tanto, la resolución es infinita.

– Si se alimenta el potenciómetro con una tensión alterna, su inductancia y capacitancia deben ser despreciables.

– Para valores de Rp bajos, la inductancia no siempre es despreciable, sobre todo para potenciómetros bobinados.

– Para valores de Rp altos, la capacitancia parásita puede tener importancia.– La temperatura del potenciómetro es uniforme. Esta se debe tanto al medio que

lo rodea como al propio auto-calentamiento.– El rozamiento del cursor y su inercia son despreciables.

• Efecto de la temperatura: La temperatura también condiciona la validez de la ecuación. Aparte de vigilar las condiciones ambientales, debe evitarse el auto-calentamiento por potencia disipada.

• Evitar otras perturbaciones como el desgaste del cursor o el resistor, polvo, oxidación, etc.

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Aplicación de los potenciómetros

• Existen potenciómetros en los que la resistencia no es una función lineal del desplazamiento del cursor. Se utilizan cuando se quieren conseguir efectos no lineales con el desplazamiento. Por ejemplo:– Logarítmicos– Exponenciales– Cuadráticos

• En la figura se muestra un caso en el que la dependencia del desplazamiento es cuadrática.

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Aplicación de los potenciómetros

• Existen potenciómetros para detectar todo tipo de desplazamientos:– lineales, angulares, etc.

• En la figura se muestra un potenciómetro especial para la medida de inclinaciones. El anillo conductor guía una bola que hace las veces de cursor. La resistencia es proporcional a la inclinación ya que la bola siempre permanece en la posición vertical.

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Aplicación de los potenciómetros

• Existen potenciómetros dobles que permiten determinar la posición de un punto en el plano. Se emplean, por ejemplo, en los joysticks.

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Aplicación de los potenciómetros

• Los potenciómetros se pueden utilizar junto a un tubo Bourdon o bien para medir niveles de líquidos.

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Galgas extensométricasLas medidas con galgas extensiométricas (en inglés strain gages ó strain gauges),

se basan en la variación de resistencias que estas experimentan al ser sometidas

a una deformación por esfuerzo mecánico. Estas pueden ser fabricadas con

materiales conductores o semiconductores. La resistencia eléctrica de un

conductor homogéneo depende de su dimensión física y su resistividad, si la

resistividad se asume constante, la ecuación siguiente describe la relación entre

la deformación y la resistencia eléctrica de la galga extensiométrica.

lA

Rcond

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Galgas extensiométricas

• Al someter a un esfuerzo mecánico en dirección longitudinal, varían cada una de las tres magnitudes que intervienen en el valor R.

• La variación que experimenta la resistividad (ρ) de un material como resultado del esfuerzo mecánico aplicado es lo que se conoce como efecto piezoresistivo.

A

dA

l

dld

R

dR

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Galgas extensiométricas

)1(0 KRR

ldlKRR

/galgala deFactor

reposo ena Resistencigalgala dea Resistenci

0

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Galgas extensométricas Limitaciones:

– No se debe sobrepasar el margen elástico de deformación.– Todo el esfuerzo se debe transmitir a la galga para una medida

correcta. Se debe tener una correcta fijación al elemento a medir la deformación.

– Debe evitarse el calentamiento.

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Galgas extensométricas

• Medida de deformaciones lineales, torsiones y medida de tensiones.