Sensores de fuerza, par

y deformacin

Juan Manuel Trujillo Romero

Leo Valdez, Jr.

Yael Urtusstegui Vzquez Mellado

SENSOR

Un sensor es un dispositivo que est capacitado para detectar acciones o estmulos externos sealar una condicin de cambio y responder en consecuencia. Estos aparatos pueden transformar las magnitudes fsicas o qumicas en magnitudes elctricas.

Con frecuencia, una condicin de cambio, se trata de la presencia o ausencia de un objeto o material (deteccin discreta). Tambin puede ser una cantidad capaz de medirse, como un cambio de distancia, tamao o color (deteccin analgica). Los sensores hacen posible la comunicacin entre el mundo fsico y los sistemas de medicin y/o de control, tanto elctricos como electrnicos, utilizndose en todo tipo de procesos industriales y no industriales para monitorizacin, medicin, control y procesamiento.

Caractersticas

Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor.

Precisin: es el error de medida mximo esperado.

Offset o desviacin 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 correlacin lineal.

Sensibilidad de un sensor: suponiendo que es de entrada a salida y la variacin de la magnitud de entrada.

Resolucin: mnima variacin de la magnitud de entrada que puede detectarse a la salida.

Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cunto vare 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 (oxidacin, desgaste, etc.) del sensor.

Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.

http://es.wikipedia.org/wiki/Dominio_de_definici%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Correlaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Sensibilidad_(electr%C3%B3nica)

Sensores de fuerza, par y deformacin

Qu son?

Son sensores diseados para medir y cuantificar la fuerza de contacto entre dos objetos, y

frecuentemente usados para medir presin.

- Principio de medicin 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

seal elctrica que aparece en sus terminales.

Sensores de fuerza, par y deformacin

La deformacin se puede conocer, bien directamente

mediante galgas extensiometricas o sensores de

desplazamiento, o bien indirectamente cuando una

propiedad elctrica del cuerpo de prueba depende de

su deformacin; es el caso de los materiales

piezoelctricos o magnoelasticos.

Los sensores de fuerza miden cargas de traccin y

compresin estticas y dinmicas, prcticamente sin

desplazamiento. Se utilizan en diversas aplicaciones

de medicin de fuerza, como bancos de ensayo (por

ejemplo, para medicin de fuerzas en pruebas de

calidad de materiales) y en tecnologa de

automatizacin (por ejemplo, en control de calidad

durante operaciones de modelado o ensamblaje).

Sensores Piezoelectricos

Un sensor piezoelctrico (tambin conocido como zumbador) es un dispositivo

que utiliza el efecto piezoelctrico para medir presin, aceleracin, tensin o

fuerza; transformando las lecturas en seales elctricas.

Estn 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 cermica o algn

tipo de cristal.

De este modo, al recibir una presin emiten una corriente elctrica, que no es

tan alta como para notarla en la mano, pero s es suficiente para generar una

seal electrnica til para algunas aplicaciones.

Esta propiedad es en cierto modo reversible: si se le aplica una corriente

elctrica mnima, el piezoelctrico vibrar.

Por este motivo es que tambin reciben el nombre de zumbadores.

Galgas extensiomtricas

Qu es una galga extensiomtrica?

Una galga extensiomtrica es un sensor cuya

resistencia vara con la fuerza aplicada; convierte la

fuerza, presin, tensin, peso, carga, torque,

deformacin, posicin, etc. en un cambio de la

resistencia elctrica el cual puede ser medido, es un

dispositivo de medida universal que se utiliza para la

medicin electrnica de diversas magnitudes

mecnicas. Se entiende por strain o esfuerzo a la

cantidad de deformacin de un cuerpo debida a la

fuerza aplicada sobre l. Si lo ponemos en trminos

matemticos, strain () se define como la fraccin

de cambio en longitud.

Tipos de galgas extensiometricas

Galgas metlicas:

Las galgas metlicas se constituyen por una base muy delgada y fina, a la cual se le adhiere

un hilo muy fino metlico, 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 metlicas la corriente mxima 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 metlicas hay una gran limitacin en la corriente. Las principales caractersticas de

las galgas metlicas en condiciones habituales establecen que su tamao tiene una

variacin entre 0.4mm y 150mm, tienen una resistencia variable entre 120 y 5000 y su

tolerancia a la resistencia esta en el rango de 0.1% y 0.2%

http://es.wikipedia.org/wiki/Transductoreshttp://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_el%C3%A9ctrica

La resistencia elctrica de la galga metlica est dado por la relacin entre la resistividad y la

longitud respecto al rea transversal.

Pueden ser:

Hilo metlico: Estn adheridas a una base con medidas constantes, estas presentan errores cuando existen estados tensionales y son las ms sencillas. Estn compuestas por una pelcula de proteccin, un soporte, un

hilo de medida y las terminales de conexin.

Pelcula metlica: Esta clase de galgas tiene una caracterstica de fabricacin similar a los circuitos impresos que tienen bases flexibles. Se desarrollan por el medio de creacin de placas

utilizando fotografas, llamado el mtodo de fotograbado. Se conforman por una pelcula de proteccin, un

soporte, un pad de conexin y de zonas anchas para reducir el efecto de tensiones transversales.

Metal depositado: Son aplicadas directamente sobre la superficie mediante dos mtodos la evaporizacin o el bombardeo qumico.

Las principales aleaciones que usan las galgas metlicas son:

-Hierro y cobre -Platina y Silicialista - Constantan -Constantan templado

-Aleacion isoelastica - Aleacion de platino -Aleacion Niquel Cromo

-Nitroxido de Titan - Aleacion de Nicromo - Cobre de doble capa

http://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Resistividadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Circuitoshttp://es.wikipedia.org/wiki/Fotograbadohttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Evaporizaci%C3%B3n&action=edit&redlink=1

Galgas por resistencia

Este tipo de galga es un conductor elctrico que al ser deformado aumenta su

resistencia puesto que los conductores se vuelven ms largos y finos. Mediante

el puente de Wheatstone, podemos convertir esta resistencia, en voltaje absoluto. y

mientras la deformacin cumpla la Ley de Hooke, entonces la deformacin y el

voltaje absoluto estarn linealmente relacionados por medio de un factor llamado

factor de galga.

Este tipo de galga generalmente es usada en condiciones de laboratorio.

http://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Wheatstonehttp://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Wheatstonehttp://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Hooke

Galgas por capacitancia

Estas estn asociados a caractersticas geomtricas, son usadas para medir esfuerzos y

deformacin. Las propiedades elctricas de los materiales usados para deformacin tiene

propiedades elctricas despreciables, por lo cual los materiales de las galgas de capacitancia

pueden ser calibrados segn los requerimientos mecnicos. Esto les permite tener mejores

calibracines respecto de las de tipo elctrico.

Galgas foto-elctricas

Mediante el uso de un extensmetro podemos amplificar el movimiento del espcimen,

mientras un rayo de luz es pasado a travs de una abertura variable, actuando con

elextensmetro y directamente con una Clula fotoelctrica. A medida que la galga cambia

su abertura tambin lo hace la cantidad de luz que alcanza a la clula, esto conlleva a que

la intensidad de la energa generada por la celda presente una variacin, la cual podemos

medir, y de esta obtener la deformacin.

http://es.wikipedia.org/wiki/Extensometr%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Extensometr%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_fotoel%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa

Galgas semiconductoras

En las galgas semiconductoras hay un elemento semiconductor en vez del hilo metlico, su

gran diferencia respecto a las dems galgas, es su tamao, ya que su tamao es ms

reducido. la potencia mxima disipable en galgas semiconductoras es de unos 250 mW. Las

galgas semiconductoras son capaces de soportar una alta resistencia su fatiga de vida es

ms larga y tiene menor histresis, que es la capacidad de que el material conserve sus

propiedades bajo diferentes estmulos.

Existen ciertos aspectos caractersticos bajo condiciones normales de las galgas

semiconductoras, su tamao varias entre los 1 mm y 5 mm, su resistencia esta

aproximadamente entre un rango de 1000 a 5000 y su tolerancia a la resistencia esta

entre 1% y 2%.

Los elementos ms abundantes para fabricar estas galgas son:

-Silicio

-Germanio

-Vidrio fenlico encapsuladas y no encapsuladas

http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Hist%C3%A9resis

Caractersticas de una Galga

Longitud de una galga

Corresponde a la regin 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 seccin transversal y a que tienen una baja resistencia elctrica. para poder satisfacer las necesidades o requerimientos de anlisis de los esfuerzos, podemos encontrar galgas con longitudes que van desde los 0.2 mm. hasta los 100 mm.

Concentracin del esfuerzo

Uno de los factores ms importantes para determinar un ptimo rendimiento de una galga extensiomtrica es su longitud, Por ejemplo, cuando se desea determinar las medidas de esfuerzo sobre alguna pieza o alguna estructura crtica de una mquina, 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 extensiomtricas tienden a integrar o a promediar el rea cubierta por la grilla, ya que este promedio, el de la distribucin de un esfuerzo no uniforme es siempre menor que el mximo. Una galga extensiomtrica que es ms larga que la regin de esfuerzo, indicar una magnitud de esfuerzo muy bajo.

Galgas cortas

Las galgas extensiomtricas 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 mxima elongacin, a su estabilidad bajo condiciones de esfuerzo esttico y en

cuanto a su durabilidad cuando stas estn sometidas a esfuerzos cclicos alternativos. Cuando

cualquiera de estas condiciones hace que se vea disminuida la precisin de la medicin 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 manipulacin es mucho ms fcil y hace que su instalacin y

cableado sea mucho ms rpido que el de las galgas pequeas. Las galgas largas tienen un mayor

factor de disipacin de calor, porque debido a su resistencia nominal tienen menor potencia por

unidad de rea de grilla.Todas estas consideraciones pueden ser muy importantes a la hora de

realizar trabajos con materiales plsticos o algn otro tipo de material que posea pobre disipacin

de calor.

Promediacin del esfuerzo

Unas de las aplicaciones de las galgas extensiomtricas largas, es la capacidad de poder

determinar los esfuerzos en materiales no homogneos. 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 estn generando sobre la estructura. Lo que se

busca en este tipo de mediciones son los promedios y no los puntos mximos de esfuerzo

generados en la interfaz agregado-cemento. Cuando se desee medir los esfuerzos en este tipo

de estructuras no homogneas, la longitud de la galga debe ser mayor que la longitud de las

partculas del material no homogneo.

Tratamiento de la seal

Para tratar la variacin de voltaje se utiliza un puente de Wheatstone, que est formado

por cuatro resistencias unidas en un crculo 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 est compuesto. De esta manera se puede medir resistencias

desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Sin embargo, este mtodo

puede tener ciertos errores en su medicin 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.

http://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Wheatstonehttp://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Wheatstonehttp://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Wheatstonehttp://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Wheatstone

La forma ms comn para obtener una seal elctrica como resultado de una medida

utilizando el puente de Wheatstone es mediante el mtodo de deflexin. Este mtodo en vez

de valorar el equilibrio del puente, lo que hace es medir la diferencia de tensin entre ambas

ramas o la corriente a travs 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

tensin a la salida del puente y debe hacerse la calibracin adecuadamente comprobando que

el puente de Wheatstone est arrojando correctamente los resultados.

http://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Wheatstonehttp://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Wheatstonehttp://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Wheatstonehttp://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Wheatstonehttp://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_t%C3%A9rmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Wheatstonehttp://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Wheatstone

Puente de Wheatstone

El puente de Wheatstone es un instrumento de gran precisin que puede operar en corriente continua o altema y permite la medida tanto de resistencias hmicas 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 elctrica bastara 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 fcil. Evidentemente, la sensibilidad del puente de Wheatstone depende de los elementos que lo componen, pero es fcil que permita apreciar valores de resistencias con dcimas de ohmio.

Medicin: 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 tensin)

es de cero "0" voltios entre los puntos A y B, donde se ha colocado un

ampermetro, 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 ser igual a R3 (Rx = R3). R3 debe

ser una resistencia variable con una cartula o medio para obtener valores

muy precisos.

Usos: Muchos instrumentos llevan un puente de Wheatstone incorporado,

como por ejemplo medidores de presin (manmetros) en tecnologa de

vaco, circuitos resonantes (LCR) para detectar fenmenos como la resonancia

paramagntica, etc.

Eleccin de la galga

Longitud: estudios preliminares de diseo utilizando PhotoStress indica que una longitud de la galga de 1.6mm presenta el mejor compromiso para ver el gradiente de tensin, picos de tensin y espacio para su instalacin.

Patrn de grilla: con la informacin acerca de los estados de esfuerzo y sus principales direcciones, podemos ver que existen reas 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 varan con las maniobras de vuelos, se pueden utilizar rosetas rectangulares de 45.

Serie: las mximas temperaturas de operacin como as tambin los requerimiento para medir de forma tanto esttica como dinmica, indica claramente el uso de galgas con aleacin 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 instalacin, la opcin W, con terminales integrales de soldadura es ventajosa. Esta opcin es aplicable a rosetas apiladas por lo que se especificada slo para galgas de simple grilla.

Resistencia: cuando es posible, como en este caso, galgas de 350 deben ser utilizadas debido a los beneficios que las galgas de alta resistencia implican.

Nmero STC: las de aleaciones de titanio, con un coeficiente termal de 8.8 x 10-6 1/C son ideales. Aleaciones K con nmero STC 05 son apropiadas.

Finalmente, combinando los resultados del procedimiento de eleccin, 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 eleccin de una galga

extensiomtrica

Durante los vuelos de prueba de una

aeronave de combate, se realiz un anlisis

de esfuerzos sobre una pequea seccin de

sus alas de titanio, con y sin, un misil sujeto

a ella. Los rangos de temperatura para la

medicin de esfuerzos van de los -55C a los

+230C, y sern un factor determinante en la

eleccin de la galga.

USO REAL

Las galgas se utilizan para la medicin electrnica de diferentes magnitudes

mecnicas tales como la presin, la carga, ladeformacin, el torque, entre otras.

Estas mediciones pueden catalogarse en mixtas, dinmicas y estticas. Las mixtas se

usan para elementos sometidos a cargas que estn variando, las dinmicas a

elementos que vibran o son impactados y las estticas como su mismo nombre lo

indica son elementos sometidos a cargas que no estn en movimiento.

Antiguamente eran usadas las galgas metlicas y su estructura era hecha de metal, sin

embargo en la actualidad es ms comn usar las galgas semiconductoras porque

tienen la capacidad de soportar mayor resistencia, sobre todo porque este tipo de

galga tiene una mejor sensibilidad a comparacin de las metlicas, aunque las

metlicas tienen menor sensibilidad trmica. Los precios varan segn los materiales

que se desean usar pues la obtencin de algunos es muy complicada

http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Deformaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Torsi%C3%B3n_mec%C3%A1nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Metal

LIMITACIONES

El esfuerzo aplicado no debe llevar a la galga fuera del margen elstico o

tambin llamado esfuerzo de fluencia.

La deformacin de la galga .

El incremento en la galga debe ser en la misma direccin al del soporte para

evitar tensiones opuestas en lo que alineacin de la galga se refiere, ya que

mide en una sola direccin.

La galga solo proporciona los datos para las direcciones a las que la galga ha

sido diseada. 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 direccin

http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%B3dulo_de_elasticidad

VENTAJAS

Pequeo tamao

Pueden ser alimentadas con corriente continua o corriente alterna

Tienen una excelente respuesta en frecuencia

Son simples y adecuada en medidas estticas y dinmicas

Compensacin de temperatura relativamente fcil, al instalar dos galgas

idnticas 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 magnticos

http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_continuahttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_alternahttp://es.wikipedia.org/wiki/Est%C3%A1ticahttp://es.wikipedia.org/wiki/Din%C3%A1micahttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura

DESVENTAJAS

La seal de salida es dbil.

Pequeo movimiento de la galga.

Son afectadas por muchos factores de variacin en condiciones ambientales.

La galga es ultra sensible a las vibraciones.

Con el tiempo la galga puede perder adhesin al espcimen de prueba.

Para umbrales pequeos la tcnica de construccin es cara.

Se ven afectadas por el cambio de temperatura.

Son afectadas por la presencia de ruido trmico que establece un mnimo

para la variacin de resistencia detectable.

Son poco estables.

http://es.wikipedia.org/wiki/Vibracioneshttp://es.wikipedia.org/wiki/Ruido_de_Johnson-Nyquist