ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO – LATACUNGA

CARRERA DE ELECTRÓNICA

INSTRUMENTACIÓN Y SENSORES

INFORME

Semestre: Quinto

Paralelo: “A”

Integrantes:

LEONARDO FLORES

1. TEMA: GALGA EXTENSIOMÉTRICA

2. OBJETIVOS:

General:

Analizar el funcionamiento de una y dos Galga Extensiométrica en base al puente

Wheatstone para diferentes pesos aplicados

Específicos:

Determinar la curva de respuesta de una y dos Galga extensiométrica

colocadas en el puente de Wheatstone, en función del peso aplicado

Observar el efecto del ruido y la aplicación de un filtro para la atenuación del

mismo

Aplicar correctamente el acondicionamiento de señales

Aplicar el Amplificador de instrumentación a los terminales del puente

Observar el efecto de la temperatura sobre los parámetros de la Galga.

3.- EQUIPOS Y MATERIALES A UTILIZAR

Galga extensiométrica.

Módulo de acondicionamiento de señal.

Amplificador de instrumentación

Fuente

Varios

4.- TRABAJO PREVIO

Analice los circuitos indicados en el procedimiento Lea todos los pasos a seguir durante el procedimiento

5. CONOCIMIENTOS PREVIOS NECESARIOS

La galga extensiométrica es básicamente una resistencia eléctrica. El parámetro variable y sujeto a medida es la resistencia de dicha galga. Esta variación de resistencia depende de la deformación que sufre la galga.

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.

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

En el caso de un conductor de longitud “L” y sección uniforme “A”, la resistencia eléctrica “R” viene dada por:

Resistividad eléctrica.

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

El 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

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

FACTOR 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)

Ventajas y Desventajas

Su principal ventaja es su linealidad; también presentan una baja impedancia de salida. Su principal desventaja es su dependencia de la temperatura, lo que provoca que, a veces, haya que diseñar circuitos electrónicos para compensar esa dependencia.

Usos: Suelen aplicarse a la medida de fuerzas, de pares de energía mecánica, deformaciones y tensiones. Esto se logra adhiriendo la galga al material o estructura a estudiar y aplicando cargas que producen una deformación. Conocido el módulo de elasticidad del material de la estructura, mediante un ensayo de tracción, es posible determinar, a partir de la deformación medida por la galga, las tensiones que se producen.

Existen dos tipos de galgas básicos:

De hilo conductor o lámina conductora. 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.

Semiconductor. Las galgas semiconductoras son similares a las anteriores. 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.

Entre otras se tiene: De hilo metálico, laminares metálicas, de metal depositado, Semiconductores. 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).

Desventajas de los semiconductores:Muy sensibles a la temperatura.Muy frágiles, permiten poca deformación.

CARACTERÍSTICAS DEL SENSOR.

Las principales características de las galgas son las siguientes:

Dimensiones de la galga ( 2,5 x 6 mm)Anchura y Longitud: Dichos parámetros proporcionan las características constructivas 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.

Coeficiente de temperatura del factor de galga (±0,015%/ºC).La temperatura influye notablemente en las características. A su vez, cualquier variación en estas características influye en el factor de galga. Este coeficiente se mide en %/ºC.

Aplicaciones más comunes: Medición de deformación, Medición de esfuerzos, Medición de fuerza/Peso

El montaje más común utilizado para medir deformaciones mediante galgas es el puente de Wheatstone. 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 tensiones existentes entre los terminales de salida del sensor.

UNA GALGA

Este puente de medida se caracteriza por una baja sensibilidad. Por otro lado al solo haber una galga esta no está compensado en temperatura.

VabE

=R0±ΔRR0±ΔR+R 0

−12

VabE

=2 R0±2 ΔR−2 R0∓ΔR2(2 R0±ΔR )

VabE

=ΔR2(2 R0±ΔR )

; ΔR→0

⇒VabE

=ΔR4 R0

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.

CUATRO GALGAS

VabE

=R0±ΔRR0±ΔR+R 0∓ΔR

−12

VabE

=2 R0±2 ΔR−2 R04 R 0

⇒VabE

=ΔR2 R0

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.

6.- PROCEDIMIENTO PRÁCTICO6.1 Implemente el circuito en el módulo de laboratorio, tal como se indica en la figuras

VabE

=R0±ΔR2 R0

−R0∓ΔR2 R0

VabE

=±2 ΔR2 R0

⇒VabE

=ΔRR0

Fig. 1 Módulo del circuito que el equipo de prácticas utiliza para el estudio de

las galgas extensiométricos.

6.2 Calibrar el acondicionador; para ello colocar en el portapesas una pesa de valor conocido y ajustar el potenciómetro de ajuste hasta que en la salida del acondicionador se obtenga una tensión de valor requerido mV/gr x valor del peso.

6.3 Incrementar el peso colocado en el portapesas hasta completar la tabla, anotando el valor de la señal de salida del acondicionador.

Voltaje de entrada: 2 V

VOLTAJE MEDIDO (Vo)

GANACIA

X10 X100 X1000

(PESO) 1Galga 2 Galgas 1Galga 2 Galgas 1Galga 2 Galgas

1 1mv 2mv 5mv 9mv 45mv 86mv

2 2mv 2mv 10mv 18mv 88mv 175mv

3 2mv 3mv 14mv 27mv 132mv 264mv

4 2mv 4mv 18mv 35mv 177mv 351mv

5 2mv 5mv 23mv 45mv 220mv 437mv

6 3mv 6mv 27mv 53mv 267mv 525mv

7 3mv 7mv 31mv 61mv 310mv 613mv

8 4mv 8mv 36mv 70mv 353mv 698mv

9 5mv 8mv 40mv 79mv 398mv 784mv

10 5mv 9mv 45mv 88mv 442mv 872mv

6.4 Observar por medio de un osciloscopio la señal de salida del amplificador de

instrumentación.

La señal de salida es una señal continua con una poco de ruido.

6.5 Pase la señal del amplificador de instrumentación al filtro pasa bajos y observe la

señal de salida. Analice los resultados

La señal al ser pasada por el filtro se mejora, ya que se elimina el ruido que existía.

7.- ANÁLISIS DE RESULTADOS

7.1 En base a los datos obtenidos trace la curva Fuerza Vs Tensión para una y dos

galgas colocadas en el puente.

Curva Peso - Voltaje de una galga con una Ganancia de X10.

Curva Peso - Voltaje de una galga con una Ganancia de X100

Curva Peso - Voltaje de una galga con una Ganancia de X1000

Curva Peso - Voltaje de dos galgas con una Ganancia de X10.

Curva Peso - Voltaje de dos galgas con una Ganancia de X100

Curva Peso - Voltaje de dos galgas con una Ganancia de X1000

8.- PREGUNTAS

8.1.- Defina Factor de galga

Factor de galga o factor de sensibilidad de la galga es una constante K característica de cada galga. Determina la sensibilidad de ésta y es definido como el cociente entre el cambio fraccional de la resistencia eléctrica y la tensióne. El factor de galga al igual que la tensión e es adimensional.

GF = (ΔR/Ro)/ (ΔL/Lo)Donde “ΔL/Lo” es la deformación unitaria “ε”.GF = (ΔR/Ro)/ ε

8.2.- Qué tipo de galga tiene el mayor valor de factor de galga

La galga que tiene mayor valor de factor de galga son las de tipo semiconductores que se

encuentran entre 50 a 200 (Valor más común 125)

8.3.- En una galga semiconductora que significa un factor de galga negativo.

Un factor de galga negativo quiere decir que la tensión es compresiva o no extensible, es decir la galga se contrae, por ende su resistencia disminuye, reduciendo su factor de galga.

8.4.- Cómo se puede compensar los efectos de la temperatura sobre las galgas

Se puede compensar los efectos de la temperatura utilizando 2 galgas o 4 galgas en

lugar de una galga, de esa manera no existirá variación en el voltaje Vo.

8.5.- Indique dos aplicaciones de las galgas. Explique

Una de las aplicaciones es en las balanzas electrónicas, en esta aplicación la

galga se encuentra en un plato y al deformarse por medio de una fuerza esta

produce una variación en su resistencia, con la cual el voltaje también varía.

Debemos utilizar micro controladores para realizar una conversión de voltaje a

peso y esto mostrarlo en un desplaye.

Otra aplicación de las galgas son para medir presión y se usan en la industria

para medir con precisión fuerzas grandes, especialmente grandes pesos.

Mediante esto podemos medir la presión en un tanque de agua o de cualquier

líquido, debido a la deformación de la galga nos permitirá controlar la cantidad de

líquido que se encuentra en el tanque, y conjuntamente con otros dispositivos

electrónicos determinar si la presión es adecuada, en caso contrario realizar una

acción correctiva.

8.6.- Dibuje el circuito completo que incluyen puente, amplificador de instrumentación con

Amp. Op. Filtro.

9.- COMENTARIOS Y CONCLUSIONES

9.1 ¿Qué aprendió en esta práctica? Aprendimos el funcionamiento de una y dos galgas, además los efectos que tiene la Temperatura sobre las galgas.

9.2 ¿Qué habilidades desarrollo con esta práctica? La habilidad de utilizar un modulo, una galga, nuevos equipos, y conocer sus características y su funcionamiento.

9.3 ¿Qué equipo(s) empleo para la realización de la práctica? Utilizamos una Galga extensiométrica., Módulo de acondicionamiento de señal, Amplificador de instrumentación, Fuente.

9.4 ¿Qué procedimientos se le complicaron? Al principio hasta conocer cómo funcionaban los equipos, en este caso el modulo.

9.5 Exprese una crítica al desarrollo de la práctica y los resultados obtenidos. La práctica fue muy interesante ya que se adquirió conocimientos nuevos, con los datos obtenidos pudimos determinar que es mejor utilizar dos galgas o cuatro galgas en lugar de una, para obtener mejores resultados.

9.6Mencione algo para mejorarla ya sea modificando el o los procedimientos o sugiriendo nuevos experimentos.

R1

R4

R3R

RG

3

26

74

15

U1

LM741

3

26

74

15

U2

LM741

3

26

74

15

U3

LM741

NR

R

R1

R1

R2

R2

-12V

+12V

-12V

+12V

-12V

+12V

V1

3

26

74

15

U4

LM741

C1

R5

R6

-12V

+12V

Podríamos mejorarla realizando más experimentos con las galgas, poniendo más peso y obteniendo otros parámetros que me permitan conocer sus características y funcionamiento, como el factor de galga o la variación de resistencia, etc.

CONCLUSIONESUna galga extensiometrica es una resistencia eléctrica, que varia el valor de su resistencia de acuerdo a la deformación que sufra la galga.Al aumentar la temperatura, si solo utilizamos una galga el voltaje de salida Vo variara con respecto al voltaje Vo en temperatura ambiente.Para compensar la variación de voltaje Vo por efectos de la temperatura, se debe utilizar dos galgas o cuatro galgas.La sensibilidad con dos galgas es doble que con una galga y con 4 galgas la sensibilidad se cuadruplica.La relación voltaje Vo y peso se aproxima a una línea recta, es decir a medida que el peso aumenta el voltaje también aumentara, esto se debe a que la galga posee linealidad.

10- RECOMENDACIONESLeer previamente la teoría y el procedimiento para facilitar la resolución de la práctica.Para tener un mejor entendimiento se recomendaría armar el circuito utilizando los materiales típicos como resistencias, amplificadores operacionales, etc. en lugar del modulo.Para el mejor desarrollo de la practica se debe tener cuidado con los equipos para evitar que se dañen.

11.- FUENTES DE CONSULTA

http://ocw.uc3m.es/ingenieria-mecanica/calculo-de-maquinas/practicas-1/

Guion_practica4_Extensometria.pdf

http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Strain_Gages_2.pdf

http://www.unet.edu.ve/~ielectro/sensores.pdf

Anexos