Galga extensométrica
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1. ¿Qué es una galga extensométrica?
Las galgas extensométricas son un tipo de resistencias variables utilizadas para medir la deformación mecánica-específicamente, la deformación de un objeto. Funciona midiendo el cambio en la resistencia eléctrica de un material cuando se somete a tensión mecánica. Consiste principalmente en un hilo conductor metálico o una lámina aplicada sobre una película de soporte flexible, las tensiones hacen que el conductor se estire, provocando un cambio en la resistencia eléctrica. Este cambio de resistencia puede medirse con precisión mediante un circuito de puente de Wheatstone.
Si los sensores de células de carga son el "sistema nervioso" de los equipos industriales, las galgas extensométricas son los "nervios" de las células de carga individuales. Entender qué es una galga extensométrica y sus propiedades y atributos es fundamental cuando se trabaja con células de carga y otros sistemas de detección de medición de fuerza.
2. Anatomía de una galga extensométrica
Las galgas extensométricas están formadas por un hilo conductor muy fino dispuesto en forma de rejilla que se adhiere a la superficie de una lámina de soporte flexible no conductora. Cuando este material se tensa, la rejilla de medición también se estira, lo que provoca un cambio en su resistencia eléctrica.
Rejilla de medición (hilo conductor): La lámina metálica conductora suele estar hecha de alambre de constantán (una aleación de cobre y níquel) dispuesto en forma de rejilla. Es el componente activo cuya resistencia eléctrica varía en función de su deformación.
Lámina de soporte (Carrier): Capa de material no conductor sobre la que se fija la rejilla. La poliimida es un material muy utilizado por su durabilidad y flexibilidad.
Capa de recubrimiento: En algunas galgas extensométricas puede existir una capa protectora o revestimiento aplicado sobre la rejilla para ayudar a proteger la galga de los factores ambientales.
Cables conductores: Conectados a los extremos del patrón metálico en las lengüetas de soldadura, sirven de conducto para las corrientes eléctricas hacia y desde la rejilla.
Marcas de alineación: Marcas visibles en la galga extensométrica que ayudan a su alineación precisa cuando se aplica a la superficie de un objeto.
Las galgas extensométricas se asemejan a una película muy fina y suelen tener un tamaño muy reducido, una fracción del tamaño de un sello de correos. Pueden adoptar diversas formas en función de la fuerza que haya que medir y de otros factores. A pesar de su versatilidad, las galgas extensométricas son sensores delicados vulnerables a la exposición ambiental (humedad, daños físicos, corrosión, etc.). Su precisión y fiabilidad aumentan considerablemente cuando se integran en la tecnología de células de carga.
3. Principios de funcionamiento
Las galgas extensométricas están formadas por un hilo conductor unido a la superficie de un material de soporte flexible. Cuando este material se tensa, el hilo conductor también se estira, lo que modifica su resistencia eléctrica.
La relación entre el cambio en la resistencia (∆R) de una galga extensométrica y la deformación (ε) experimentada por la rejilla de medición de la galga debido a una carga aplicada es crucial para entender cómo funcionan las galgas extensométricas. Esta relación suele ser lineal dentro del límite elástico del material, lo que significa que la rejilla conductora recupera su forma y tamaño originales una vez retirada la carga.
La proporcionalidad entre el cambio de resistencia y la deformación viene definida por la factor de galga (GF), también denominado a veces "factor k", expresado como:
Dónde:
- (GF) es el factor de calibre, un número adimensional.
- (∆R) es el cambio de resistencia causado por la deformación.
- (R) es la resistencia inicial de la galga extensométrica.
- (ε) es la deformación, definida como la deformación por unidad de longitud ( ε = ∆L / L ), donde (∆L) es el cambio de longitud y (∆L) es la longitud original.
En la práctica, cuando se aplica una carga a una estructura con una galga extensométrica acoplada, ésta (y su cable conductor) se deforman. Esta deformación altera la longitud y el área de la sección transversal de la vía conductora, modificando así su resistencia eléctrica. El factor de galga (GF) cuantifica la sensibilidad de la galga extensométrica a este cambio de resistencia inducido por la deformación.
Esta relación lineal entre el cambio de resistencia y la deformación es la base de la funcionalidad de la galga extensométrica. A medida que cambia la resistencia, también lo hace la caída de tensión a través de la galga cuando pasa una corriente constante a través de ella. Esta variación de la tensión es proporcional a la variación de la resistencia (ley de Ohm: V = IR ) y, por tanto, a la deformación. En una célula de carga de galgas extensométricas, este cambio de tensión se mide, a menudo utilizando un circuito de puente de Wheatstone para amplificar la señal y mejorar la precisión de la medición. La tensión de salida del puente proporciona una medida directa y cuantificable de la carga aplicada, basada en la relación conocida encapsulada por el factor de galga (GF).
El factor de galga es crucial para calibrar los sistemas de galgas extensométricas e interpretar sus resultados, ya que relaciona directamente la tensión física del material con la señal eléctrica medida por los instrumentos.
4. Aplicaciones de las galgas extensométricas
Las galgas extensométricas son sensores versátiles que se utilizan en diversas aplicaciones en las que es crucial medir con precisión la deformación mecánica. Desde la industria aeroespacial, donde controlan la tensión en componentes de aeronaves, hasta proyectos de ingeniería civil que evalúan la integridad estructural de puentes y edificios, las galgas extensométricas proporcionan datos esenciales para la seguridad y la optimización del diseño.
Las galgas extensométricas pueden medir eficazmente cualquier fuerza mecánica que cause tensión (deformación) dentro de un material:
1. Tensión: Se trata de una fuerza de tracción que estira el material. Las galgas extensométricas pueden medir la tensión detectando el alargamiento del material, que provoca un aumento de la resistencia eléctrica de la galga.
2. Compresión: Lo contrario de la tensión, la compresión implica una fuerza de empuje que compacta o aprieta el material. Las galgas extensométricas miden la compresión detectando una disminución de la longitud del material y una disminución asociada de la resistencia eléctrica.
3. Torsión: Esta fuerza de rotación provoca la torsión de un material. Las galgas extensométricas miden la torsión colocándose de tal forma que detectan la deformación cortante resultante de la acción de torsión, alterando la resistencia de la galga.
4. Doblado: Esta fuerza hace que el material se curve o flexione. Las galgas extensométricas colocadas en la superficie de una viga de flexión, por ejemplo, pueden medir las fuerzas de flexión detectando la deformación por tracción en el lado exterior de la curva y la deformación por compresión en el lado interior.
5. Cizalla: Esta fuerza hace que las partes de un material se deslicen unas sobre otras. Las galgas extensométricas de cizallamiento están especialmente orientadas para medir el cambio de resistencia debido a esta acción de deslizamiento.
5. Galgas extensométricas en células de carga
Las galgas extensométricas son intrínsecamente susceptibles a factores ambientales como la humedad, la corrosión y los daños físicos, que pueden comprometer su precisión y longevidad. Para mitigar estas vulnerabilidades y mejorar la precisión de las mediciones, las galgas extensométricas se encapsulan en células de carga y se configuran en circuitos de puente de Wheatstone. Esto no sólo las protege de los daños ambientales, sino que también aprovecha 1) la capacidad del circuito de puente para compensar las fluctuaciones de temperatura y el ruido eléctrico, garantizando lecturas precisas y estables, y 2) la capacidad del elemento metálico para rechazar cargas aplicadas no deseadas.
Dentro de las células de carga, las galgas extensométricas están meticulosamente integradas para captar las más mínimas deformaciones causadas por las cargas aplicadas, convirtiendo las fuerzas mecánicas en señales eléctricas. Las galgas están unidas con precisión al elemento de la célula de carga. Este elemento está diseñado para deformarse bajo carga, y las galgas extensométricas miden con precisión la deformación. El rendimiento de las galgas extensométricas depende en gran medida del meticuloso cuidado y la precisión de su proceso de fabricación, que es similar en muchos aspectos a la fabricación de semiconductores.
Para amplificar y medir con precisión los pequeños cambios de resistencia de las galgas extensométricas, las células de carga suelen emplear circuitos de puente de Wheatstone. Esta disposición mejora la sensibilidad y la precisión de las mediciones, por lo que es un tema esencial para profundizar en nuestro artículo dedicado a los circuitos de puente de Wheatstone.
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