Galga extensiométrica
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Galga extensiométrica. (o extensímetro) es un sensor basado en el efecto piezorresistivo. Un esfuerzo que deforma a la galga producirá una variación en su resistencia eléctrica. Inventado por los ingenieros
Edward E. Simmonsy Arthur C. Ruge en 1938.
La galga se adhiere al objeto cuya deformación se quiere estudiar mediante un adhesivo, como el cianoacrilato. Según se deforma el objeto, también lo hace la lámina, provocando así una variación en su resistencia eléctrica. Los materiales que suelen utilizarse para fabricar galgas son aleaciones metálicas, como por ejemplo constantán, nicrom o elementos semiconductores como por ejemplo el silicio y el germanio. Es por ello que podemos clasificar las galgas en dos tipos: las metálicas y las semiconductoras.
Sumario
Fenómeno físico
Las galgas extensiométricas aprovechan la propiedad física de la resistencia eléctrica y su dependencia no sólo de la resistividad del conductor, la cual es una propiedad del propio material, sino también de la geometría del conductor. Cuando un conductor eléctrico es deformado dentro de su límite de elasticidad, de tal forma que no se produzca rotura o deformación permanente en el mismo, éste se volverá más estrecho y alargado.
Este hecho incrementa su resistencia eléctrica. Análogamente, cuando el conductor es comprimido se acorta y ensancha, reduciendo así su resistencia al paso de corriente eléctrica. De esta manera, midiendo la resistencia eléctrica de la galga, puede deducirse la magnitud del esfuerzo aplicado sobre el objeto.
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.
Galgas metálicas
Las principales aleaciones que usan las galgas metálicas son:
- cobre y hierro
- platina y silicialista
- Constantán
- Nicrom o Karma
- Isoelastic
- Aleación de platino
- Aleaciones de Níquel-Cromo
- Nitróxido de Titán
Algunos de los materiales usados en el soporte de las galgas metálicas pueden ser
- Poliamida
- Epoxy
- Fibra de vidrio reforzada con epoxy
Extensómetros de hoja.
Estos tienen ventajas significativas sobre los demás tipos de galgas extensométricas y son ocupadas en la mayoría de las de células de precisión. Consisten en una hoja de metal con un patrón determinado, montado sobre material aislante, construidos por una unión entre una delgada hoja de metal rolado ( 2-5μm) en una hoja o lamina de respaldo de 10 - 30μm de espesor.
El patrón de la malla de medición es producida por medio de luz. Las técnicas de producción son similares a las usadas en la manufactura del circuito, lo cual guía a la automatización y por lo tanto a bajos costos. Los materiales típicos de respaldo o de base son la epoxia, poliamida y resinas epoxicas - fenolicas reforzada con cristal.
Esta base provee de aislamiento eléctrico entre la hoja y el elemento elástico, facilita su manejo y una fácil unión de la superficie. Algunas veces las galgas son manufacturadas con un adhesivo incluido, reduciendo su manejo y asi el tiempo consumido.
Una gran variedad de Extensómetros de hoja son comercialmente adquiribles para el usuario común.
Galgas semiconductoras
Los elementos más abundantes para fabricar estas galgas son Silicio. Estas son manufacturadas a base de tiras de silicón semiconductor, ya sea en forma de “n” o de “ p”. La salida de la galga semiconductora es bastante alta comparada con la de la galga de hoja o de cable. El “ gage factor “ es una medida de la salida para una deformación dada y es generalmente de 100 – 150 para un semiconductor y de 2 – 4 para una galga de hoja o cable.
La salida de los extensómetros semiconductores no es linear con respecto a la deformación unitaria pero no exhiben histéresis y tienen una muy larga vida con respecto a la fatiga. Este tipo de galga es comúnmente usada en pequeños transductores tales como transductores de fuerza, acelerómetros, y sensores de presión.
Tratamiento de la señal
Para tratar la variación de voltaje se utilizará un puente de Wheatstone. Éste está formado por cuatro resistencias unidas en un círculo cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida. De esta manera podremos medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente.
Uso real
Aplicación en la industria. Este sistema de medición es muy usado en construcción para ver los asentamientos que tiene el hormigón el siguiente mes de ser construido.
Limitaciones
- El esfuerzo aplicado no debe llevar a la galga fuera del margen elástico
- Se necesita una buena adhesión al objeto, para que la medida de la deformación sea correcta.
- Un incremento en la temperatura tiene como consecuencia una variación de la resistencia aún sin aplicar ningún esfuerzo.
- Coeficiente de dilatación de la galga parecido al del soporte para evitar tensiones mecánicas.
- Autocalentamiento de la galga por la disipación de potencia de alimentación.
Ventajas
- 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
