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Sensores de fuerzaING. ADÁN ENRIQUE AGUIRRE NÁJERA

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Celulares en silencio

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Fuerza•La vida es manifestada por el cambio y movimiento, esto involucra acciones e interacciones de una variedad de fuerzas.

•Ninguna medida es más fundamental para la actividad humana que la medición de la fuerza en sus muchas manifestaciones, incluyendo peso, presión, aceleración y torque.

•Todas las mediciones son relativas. Los sensores contienen un punto de referencia al cual la cantidad que se ha medido debe ser comparada.

•La romana (steelyard) fue uno de los primeros sensores relativos de la humanidad.

•Newton• Ley de inercia.• Ley de aceleración.• Ley de atracción y reacción.

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Esfuerzo () •Es definido como la fuerza (F) por unidad de área (A)

•Donde la fuerza es perpendicular al área donde se aplica.

•Se considera uniformemente distribuida sobre el área.

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Deformación () •Es el cociente entre el alargamiento () y la longitud inicial (L) que se provoca al aplicar una fuerza.

•Puede ser a compresión o a tensión.

•La razón de proporcionalidad entre el esfuerzo y deformación está dada por la constante E.

•Modulo de elasticidad o de Young (E).

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Deformación de Poisson•Siempre que se producen deformaciones en la dirección de la fuerza aplicada, también se producen deformaciones laterales.

•Las deformaciones laterales que se producen tienen una relación constante con las deformaciones axiales.

•Mientras que el material se mantenga dentro del rango elástico de esfuerzos, la siguiente relación es constante

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Galga de deformación•Es un sensor, para medir la deformación, presión, carga, torque entre otras cosas, que está basado en el efecto piezoresistivo.

•Es la propiedad que tienen ciertos materiales de cambiar el valor nominal de su resistencia cuando se les somete a ciertos esfuerzos.

•Un esfuerzo que deforma la galga producirá una variación en su resistencia eléctrica, esta variación puede ser por el cambio de longitud, el cambio originado en la sección o el cambio generado en la resistividad.

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Medición de fuerza•Fundamentalmente todas las galgas de deformación son diseñadas para convertir movimiento mecánico en señal eléctrica.

•Una galga ideal cambiara su resistencia solamente debido a la deformación de la superficie a la que está sujeta.

•La temperatura, propiedades del material, adhesivos, estabilidad de los metales afectan la medición de la galga.

•Los sensores ópticos son sensibles y precisos, pero son delicados y no muy populares en aplicaciones industriales.

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Puente de Wheatstone• El voltaje de salida de este puente es expresado en mili volts de salida por volts de entrada.

•Si R1, R2, R3, R4 son iguales y es aplicado un voltaje de entrada entre A y C, entonces no habrá diferencia de potencial entre B y D.

•Cualquier pequeño cambio en la resistencia de la maya provocara un desbalance en el puente, haciéndolo adecuado para la detección de deformación.

•En los puentes de cuatro elementos usualmente dos galgas son alambradas para compresión y dos para tensión, dando voltaje positivo para tensión y negativo para compresión.

•http://www.rdpe.com/uk/hiw-sglc.htm

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Protección•Para salidas de voltaje muy pequeño.

•Susceptible a ruido no deseado de los dispositivos eléctricos.

•Campos electromagnéticos y efectos por temperatura.

•Esto puede resultar en una significativa degradación de la señal.

•La mayoría de los problemas de interferencias eléctricas y ruido se pueden resolver blindando y protegiendo.

• Si corrientes de tierra fluyen a través de la galga y sus elementos, el puente de Wheatstone no podrá distinguir la señal real de las parasitas.

•Revisar si el detector de fuerza es uniforme y homogéneo, porque deformaciones en la superficie resultara en errores de medición.

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Tipos de celda de carga

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Celda de carga hidráulica•Se fabrican con un diafragma de larga duración que elimina la fricción y los derrames que comúnmente se encuentran en sensores hidráulicos menos sofisticados.

•Dado que las celdas de carga hidráulica no requieren electricidad para funcionar, son más aptas para uso en ambientes exteriores, donde los elementos pueden afectar la precisión y la confiabilidad.

•La salida de una celda de carga hidráulica tiene un comportamiento lineal y no se ve afectada por factores externos

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Celda de carga neumáticaOperan bajo el principio de equilibrio de fuerzas, este tipo de balanzas pueden detectar pesos relativamente bajos.

Las ventajas de este tipo de dispositivos es que esta exento de explosiones y es insensible a variaciones de temperatura.

No contienen fluidos que puedan afectar el proceso.

Su tiempo de respuesta es lento y tiene que ser alimentado con aire limpio y seco.

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Piezoeléctricos•La señal eléctrica generada por el cristal disminuye rápidamente después de que se le aplico la fuerza.

•Se requiere almacenamiento digital para permitir el análisis de la información antes de que la señal disminuya.

•Es casi tan rígido como un pedazo de metal de igual proporción.

• Esta característica permite insertar los sensores directamente en estructuras de máquinas.

•Su rigidez los provee con una frecuencia natural alta y su rápido tiempo de subida los hacen ideales para mediciones rápidas tal como impactos metal con metal y vibraciones a altas frecuencias.

•Es insensible a campos electromagnéticos y radiación.

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Piezoeléctricos

•Frecuencia de respuesta de un sensor piezoeléctrico

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Torque•Usualmente se montan galgas de deformación en pares sobre el eje.

•Cuando se colocan sobre el eje puede ser conectado mediante un anillo colector.

•También se puede conectar mediante un transformador, la alimentación puede ser utilizando un acoplamiento inductivo y la salida convertida en una frecuencia de modulación de pulso.

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Torque•Por tecnología se dividen en estáticos o dinámicos

•Los dinámicos se dividen en sin escobillas o con escobillas.

http://www.rdpe.com/uk/men-torq.htm

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Galgas•Las celdas de carga de galgas convierten las acciones de carga en señales eléctricas.

•Las galgas son unidas en un elemento estructural que se deforma cuando de le aplica carga.

• En la mayoría de los casos se utilizan cuatro galgas para obtener la máxima sensibilidad y compensadores de temperatura.

•Debido a que este tipo de celda de carga continúa aumentando su precisión y bajando sus costos, otro tipo de celdas de carga se están dejando de utilizar.

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Galgas

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Galgas

Flexion en viga(Bending beam)

Cortante en viga(Shear beam)

Bote(Canister)

Anillo(Ring)

Boton(Button)

http://www.rdpe.com/uk/men-load.htm

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¿Cual utilizar?•Aplicación

•Espacio

•Tiempo

•Requerimientos

•Presupuesto

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Preguntas