4 EXTENSIMETROS GALGAS

EXTENSÍMETROS

La extensometría es una técnica

experimental para la medición de

esfuerzos y deformaciones basándose en

el cambio de la resistencia eléctrica de un

material al ser sometido a tensiones

Instrumentación y sensores ESPEL

Ing. José Bucheli A.

10/10/2011

Aplicaciones

La medición de deformaciones en el campo de la ingeniería

moderna va tomando mayor fuerza cada día:

a.- Monitorear el comportamiento de estructuras para prevenir catástrofes;

b.- Medir los movimientos de máquinas;

c.- Medir la fuerza, torque, aceleración , etc



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Galga Extensiométrica (STRAIN GAUGE)

Una galga extensométrica consiste en una fina película metálica en forma

de hilo plegado depositada sobre una lámina de plástico aislante de

algunas micras de espesor.



Las galgas extensométricas son sensores de

deformacion basados en la variación de la

resistencia eléctrica con la deformación, en un

hilo conductor calibrado, o en resistencias

construidas a base de pistas de semiconductor.

Se emplean también, combinadas con muelles o

piezas deformables para detectar de forma

indirecta esfuerzos. En definitiva suelen usarse

más que como sensores de deformación como

sensores de medida indirecta de esfuerzos

(fuerza o par).

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Galga Extensiométrica(Principio de funcionamiento)

En las galgas de hilo la resistencia esta formada por un hilo dispuesto en

forma de zigzag sobre un soporte elástico, con una longitud preferente (L) a

lo largo de la cual se encuentra la mayor cantidad de hilo . Al deformarse la

galga en la dirección preferente, se produce un alargamiento del hilo y una

disminución de su sección y, por tanto, una variación en su resistencia.

Para poder medir variaciones de resistencia significativas, la galga debe

tener una resistencia alta 100 y 1000 , y funcionar con un consumo muy

bajo, para evitar que el efecto Joule provoque variaciones importantes de la

resistencia por calentamiento



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Medición de deformación

Cuando la galga se pega sobre la superficie de una pieza, si se aplican

cargas y la pieza se deforma, la galga también lo hace. Así el hilo metálico

experimenta un alargamiento o acortamiento que modifica su resistencia

eléctrica. La variación de resistencia se puede evaluar con precisión en un

equipo de medida, y es proporcional a la deformación de la galga según la

dirección en la que está situada:



Por tanto, una galga extensométrica puede medir la

deformación longitudinal unitaria en en el punto P en

que se encuentra situada y según la dirección

en la que está orientada:

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Medición de deformación La resistencia de la galga es la propia resistencia del hilo.

En un conductor de longitud “L” y sección uniforme “A”, la

resistencia eléctrica “R” viene dada por la ecuación:

Entonces 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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FACTOR DE GALGAEl parámetro que define la sensibilidad de una galga se conoce

como factor de galga GF, y es definido como el cociente

entre el cambio fraccional de la resistencia eléctrica y la tensión .

El factor de galga al igual que la tensión es adimensional.

ACTOR DE GALGA (GF):

GF = (ΔR/Ro)/( ΔL/Lo)

Donde “ΔL/Lo” es la deformación unitaria “ε ”.

GF = (ΔR/Ro)/ ε

Valores comunes de GF:

Conductores: 1,5 a 2.

Semiconductores: 50 a 200 (Valor más común 125)



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Ventajas y Desventajas de las

Galgas

Su principal ventaja es su linealidad; también presentan una baja

impedancia de salida. Pequeño tamaño

Pueden ser alimentadas con corriente continua o corriente alterna

Tienen una excelente respuesta en frecuencia

Pueden utilizarse para medidas estáticas y dinámicas

Compensación de temperatura relativamente fácil

No son influidas por los campos magnéticos

Desventaja es su dependencia de la temperatura, lo que provoca que, a

veces, haya que diseñar circuitos electrónicos para compensar esa

dependencia. Señal de salida débil

Pequeño movimiento de la galga

Alta sensibilidad a las vibraciones

Estabilidad dudosa a lo largo del tiempo (el envejecimiento de los adhesivos puede afectar a

su funcionamiento).



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Tipos de Galgas

De hilo metálico 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.

.



Película de protección

Soporte

Hilo de medida

(adherido al soporte)

Terminales de conexión Afecta al hilo

FY

F

FX

(a) (b)

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Galgas de película metálica

Película de protección

Soporte

Zonas más anchas para

reducir el efecto de

tensiones transversales

Pad de conexión

Sección

AY

FY

F

FX

Sección Ax

(a) (b)R

X<<R

Y

AX>>A

Y

Y

YY

X

XX

Y

YY

EA

FRK

EA

FRK

EA

FRKR

10/10/2011 Instrumentación y sensores ESPEL


Tipos de Galgas

Tipos de Galgas

De Semiconductor. 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.



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GALGA

Silicio

Pad de

conexión

Desventajas de los semiconductores:

Muy sensibles a la temperatura.

Muy frágiles, permiten poca deformación.

Características de los materiales para galgas:

Factor de galga elevado.

Bajo coeficiente de temperatura.

Alta resistividad.

Elevada resistencia mecánica.

Mínimo potencial termoeléctrico.

Materiales comúnmente utilizados:

Constantan (Níquel-Cobre).

Chromel (Níquel-Cromo).

Aleaciones (Hierro-Cromo-Aluminio).

Semiconductores (Silicio).





Materiales metálicos sensores

Material Características Aplicaciones

Constantán -Medidas estáticas

- No usar en aplicaciones extremas

- Selección compleja (pocos criterios)

- Material más usado y muy barato

- Autocompensación térmica sencilla

- Grandes elongaciones

(estado plástico de

deformación)

Isoelastic - Gran relación S/N

- Precisan control de temperatura

- Medidas dinámicas

- Medida de fatiga

Karma - Autocompensación térmica sencilla

- La soldadura de terminales es

compleja

- Medida a temperaturas bajas

- Medida con temperaturas

variables o no controladas

Aleación Pt - Coste alto - Medida a altas temperaturas



Materiales para el soporte

Material Características Aplicaciones

Poliamida - Es el soporte estándar

- No soporta condiciones extremas de

trabajo

- Espesor habitual de 0,025mm

- Medidas estáticas

- Aplicaciones habituales

Epoxy - Minimiza el error introducido por el

soporte

- Instalación delicada

- Requiere mano de obra especializada

- Medidas precisas

Fibra de vidrio

reforzada con

epoxy

- Soporta temperaturas moderadas

- Soporta muy bien el trabajo a fatiga

- Medidas cíclicas y de

fatiga

Características de las Galgas

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

Anchura y Longitud: Dichos parámetros nos proporcionan 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.

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.





GALGA

PEGAMENTO

HILOS

SOLDADURA

MATERIAL PASIVO

Otras formas constructivas

Utilización de las galgas

Galgas extensométricas (Tipos)

Galgas extensométricas ( células de carga)

Elementos elásticos

Galgas extensométricas de resistencia eléctrica

(Galgas extensométricas de hoja

Galgas extensométricas semiconductoras.

Galgas extensométricas de capa delgada

Galgas extensométricas de cable.



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http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Application_WZ.gif

Galgas ComercialesEn el aspecto comercial, generalmente las galgas se venden integradas en

transductores completos. El fabricante nos proporciona las características

completas de éstos. Por ejemplo un fabricante, además de la galga en sí,

proporciona una serie de instrumentos para acondicionar y presentar la

señal. 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.10/10/2011



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.



Galgas extensométricas( Mediciones)

Las galgas extensiométricas están disponibles

comercialmente con valores nominales de resistencia

desde 30 hasta 3000 Ω, siendo 120, 350 y 1000 Ω los

valores más frecuentes.

Para medir tales cambios en la resistencia, las galgas

extensiométricas casi siempre se emplean en

configuraciones de puente con una fuente de excitación

de voltaje. El montaje más común utilizado para medir

deformaciones mediante galgas es el puente de

Wheatstone.Instrumentación y sensores ESPEL


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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.



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10/10/2011



UNA GALGA

Este puente de medida se caracteriza por una baja

sensibilidad. Por otro lado al solo haber una galga esta no

está compensada en temperatura.

04

0;)02(2

)02(2

02202

2

1

00

0

R

R

E

Vab

RRR

R

E

Vab

RR

RRRR

E

Vab

RRR

RR

E

Vab



02

04

02202

2

1

00

0

R

R

E

Vab

R

RRR

E

Vab

RRRR

RR

E

Vab

DOS GALGAS

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, permiten la compensación en temperatura.



0

02

2

02

0

02

0

R

R

E

Vab

R

R

E

Vab

R

RR

R

RR

E

Vab

CUATRO GALGAS

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.

E

+

-

+

-

+

-

Amplificador de instrumentación

Circuitos de medida

+10 V

5 V

160 RR

126

INA 118

Vo

-10 V

160 160

+10 V

LM136

Tensión

estable Amplificación

Circuitos de medida con CI

Deformación axial

Ley de Hooke: En la zona elástica del material,

la deformación unitaria (ε) es proporcional a la

tensión o esfuerzo (σ):





Ejercicio

Una galga con factor de galga K= 2, y una resistencia de 120 Ω

(valores típicos) pegada a una pieza de acero de 4 cm x 4 cm de

sección de la que pende una masa de 1000 kg (Eacero = 2 · 106

N/cm2). Calcular ΔR:

1º calculamos la deformación ε = σ /E = (F/A)/E. Para ello,

normalicemos el valor de cada factor:

F = 1000 kg = 9,80665 · 1000 newton = 9806,65 N

A= 4 cm x 4 cm = 16 cm2 = 0,0016 m2

E = 2 · 106 N/cm2 = 2 · 1010 N/m2

ε = 0,0003065 m/m = 306,5 με

ΔR = K · Ro · ε = 2 · 120 · 0,0003065 = 0,074 Ω



Balanza electrónica:

Este dispositivo consiste básicamente en una galga extensométrica

donde un extremo se encuentra solidificado a un plato y el otro fijo a

la carcasa. De esta manera al situar un objeto con una determinada

masa sobre el plato ejerce una fuerza igual al peso de dicho objeto.

Esto produce una deformación en la galga que es detectada y,

mediante circuitos electrónicos, es traducido en un display a una

medida de masa. Se debe tener en cuenta la balanza electrónica

mide fuerza, pero debido a una igualdad matemática puede ser

considerada como masa. La precisión de este dispositivo es de 0,1g

y está dado directamente por el fabricante ya que posee un display

que indica décimas de gramo.



Usando las galgas extensiométricas dispuestas sobre la

viga según la Figura 6. Se implementó una aplicación,

en la cual se utilizó la linealidad del voltaje de salida del

circuito puente para construir un instrumento medidor de

masas (balanza).




La deformación producida sobre la viga en voladizo genera un

voltaje que es linealmente proporcional al desplazamiento, Figura




En el circuito puente de la Figura , las cuatro

resistencias representan medidores de

deformación activos, la salida Vd esta dada por:

Las galgas adyacentes se compensan en

temperatura; las galgas 1y4 deforman en tensión y

por estar opuestas se suman sus salidas de

voltaje; las galgas 2 y 3, están opuestas y

deforman en compresión, lo cual hace que el signo

se invierta y sume sus salidas, de esta forma la

sensibilidad se cuadruplica con respecto a la

sensibilidad de un solo medidor




Las galgas extensiométricas permiten 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.

El hecho de instalar dos galgas idénticas en brazos adyacentes elimina los

efectos de temperatura en la galga medidora. Como es conocido, la

temperatura afecta a la resistencia eléctrica, de forma que si se usa sólo

una galga medidora, la resistencia eléctrica de la misma dependerá de la

temperatura ambiente y su efecto habráque descontarlo de la medida.

Disponiendo de dos galgas, si se mide la diferencia de resistencia entre

ambas, ya se descuenta con ello el efecto de la temperatura.



Conclusiones:

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. Debido a la utilización de más de una galga

medidora se consigue aumentar la sensibilidad del circuito puente.

Esto permite que para una misma deformación tengamos una

mayor señal de salida con una tensión de alimentación dada.

Para realizar mediciones en dispositivos como la balanza, es

necesario tener en cuenta que la fuerza ejercida por las masas a

medir depende del punto donde se ubican, por tanto, debe

garantizarse la ubicación de las masas siempre en el mismo punto.

Además pueden presentarse deformaciones en otras direcciones

sobre la galga, que generarán errores en las mediciones.



Conclusiones:

Tarea 1

Demostrar, si ΔR1, ΔR2, ΔR3, ΔR4 son 4 variaciones diferentes

de las 4 galgas

Considerar ΔR1, ΔR2, ΔR3, ΔR4 << Ro

Nota

Variaciones iguales en resistencias contiguas (R1 y R2 ó R3 y R4) no desequilibran el puente.

- Variaciones iguales en resistencias adyacentes (R1 y R3 ó R2 y R4) no desequilibran el puente.

- Variaciones iguales en resistencias opuestas (R1 y R4 ó R2 y R3)doblan la sensibilidad.



Tarea 2

Realice una aplicación de la galga extensiométrica en una balanza

electrónica

Presentar principio de funcionamiento

Esquema

Tarea 3 Muestre una aplicación de la galga para medir deformación.

Tarea 4

Consultar métodos para compensar temperatura

Consultar métodos para calibrar el puente



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