Un medidor de tensión (también deletreado medidor de tensión ) es un dispositivo que se utiliza para medir la tensión en un objeto. Inventado por Edward E. Simmons y Arthur C. Ruge en 1938, el tipo más común de galgas extensométricas consiste en un respaldo flexible aislante que soporta un patrón de lámina metálica. El medidor se fija al objeto mediante un adhesivo adecuado, como el cianoacrilato . [1] A medida que el objeto se deforma, la lámina se deforma, lo que hace que cambie su resistencia eléctrica . Este cambio de resistencia, generalmente medido usando un puente de Wheatstone , está relacionado con la deformación por la cantidad conocida comofactor de calibre .
Un medidor de tensión aprovecha la propiedad física de la conductancia eléctrica y su dependencia de la geometría del conductor. Cuando un conductor eléctrico se estira dentro de los límites de su elasticidad de manera que no se rompa ni se deforme permanentemente, se volverá más estrecho y más largo, lo que aumenta su resistencia eléctrica de un extremo a otro. Por el contrario, cuando un conductor se comprime de manera que no se pandee, se ensanchará y acortará, lo que disminuye su resistencia eléctrica de un extremo a otro. A partir de la resistencia eléctrica medida de la galga extensométrica, se puede inferir la cantidad de tensión inducida .
Un medidor de tensión típico dispone una tira conductora larga y delgada en un patrón en zig-zag de líneas paralelas. Esto no aumenta la sensibilidad, ya que el cambio porcentual en la resistencia para una deformación determinada para todo el zig-zag es el mismo que para cualquier trazo único. Una sola traza lineal tendría que ser extremadamente delgada, por lo tanto, susceptible de sobrecalentamiento (que cambiaría su resistencia y haría que se expandiera), o necesitaría ser operada a un voltaje mucho más bajo, lo que dificultaría la medición precisa de los cambios de resistencia.
El factor de calibre se define como:
dónde
Para los medidores de lámina metálica comunes, el factor de calibre suele ser un poco más de 2. [2] Para un solo medidor activo y tres resistencias ficticias de la misma resistencia sobre el medidor activo en una configuración de puente de Wheatstone balanceada , el voltaje del sensor de salida del puente es aproximadamente:
dónde
Los medidores de lámina suelen tener áreas activas de aproximadamente 2 a 10 mm 2 de tamaño. Con una instalación cuidadosa, el calibre correcto y el adhesivo correcto, se pueden medir tensiones de hasta al menos un 10%.
Se aplica un voltaje de excitación a los cables de entrada de la red de medidores y se toma una lectura de voltaje de los cables de salida. Los voltajes de entrada típicos son 5 V o 12 V y las lecturas de salida típicas están en milivoltios.
Las galgas extensométricas de lámina se utilizan en muchas situaciones. Las diferentes aplicaciones imponen diferentes requisitos al medidor. En la mayoría de los casos, la orientación de la galga extensométrica es significativa.
Normalmente, se esperaría que los medidores conectados a una celda de carga permanezcan estables durante un período de años, si no décadas; mientras que los que se utilizan para medir la respuesta en un experimento dinámico solo necesitan permanecer adheridos al objeto durante unos días, recibir energía durante menos de una hora y funcionar durante menos de un segundo.
Las galgas extensométricas se unen al sustrato con un pegamento especial. El tipo de pegamento depende de la vida útil requerida del sistema de medición. Para mediciones a corto plazo (hasta algunas semanas) es apropiado el pegamento de cianoacrilato, para una instalación duradera se requiere pegamento epoxi. Por lo general, el pegamento epoxi requiere un curado a alta temperatura (alrededor de 80-100 ° C). La preparación de la superficie donde se va a pegar la galga extensométrica es de suma importancia. La superficie debe alisarse (p. Ej. Con papel de lija muy fino), desengrasar con disolventes, eliminar los restos de disolvente e inmediatamente después pegar la galga extensométrica para evitar oxidación o contaminación de la zona preparada. Si no se siguen estos pasos, la unión de la galga extensométrica a la superficie puede no ser confiable y pueden generarse errores de medición impredecibles.
La tecnología basada en galgas extensométricas se utiliza comúnmente en la fabricación de sensores de presión . Los manómetros utilizados en los sensores de presión en sí mismos están hechos comúnmente de silicio, polisilicio, película metálica, película gruesa y papel de aluminio adherido.
Las variaciones de temperatura provocarán multitud de efectos. El objeto cambiará de tamaño por expansión térmica, que será detectada como una deformación por el medidor. La resistencia del medidor cambiará y la resistencia de los cables de conexión cambiará.
La mayoría de las galgas extensométricas están hechas de una aleación de constantan . [3] Varias aleaciones de constantan y aleaciones de Karma se han diseñado de modo que los efectos de la temperatura sobre la resistencia de la galga extensométrica anulen en gran medida el cambio de resistencia de la galga debido a la expansión térmica del objeto bajo prueba. Debido a que los diferentes materiales tienen diferentes cantidades de expansión térmica, la compensación de temperatura propia (STC) requiere seleccionar una aleación particular que coincida con el material del objeto bajo prueba.
Las galgas extensométricas que no tienen compensación automática de temperatura (como las aleaciones isoelásticas) se pueden compensar en temperatura mediante el uso de la técnica de galgas falsas. Se instala una galga ficticia (idéntica a la galga extensométrica activa) en una muestra no filtrada del mismo material que la muestra de prueba. La muestra con el manómetro falso se coloca en contacto térmico con la muestra de prueba, adyacente al manómetro activo. El indicador falso está conectado a un puente de Wheatstone en un brazo adyacente al indicador activo para que los efectos de la temperatura en los indicadores activo y ficticio se cancelen entre sí. [4] ( La ley de Murphy se acuñó originalmente en respuesta a un conjunto de calibres conectados incorrectamente a un puente de Wheatstone. [5] )
Todo material reacciona cuando se calienta o cuando se enfría. Esto hará que las galgas extensométricas registren una deformación en el material que hará que cambie de señal. Para evitar que esto suceda se fabrican galgas extensométricas que compensen este cambio debido a la temperatura. Dependiendo del material de la superficie donde se ensambla la galga extensométrica, se puede medir una expansión diferente.
Los efectos de la temperatura en los cables conductores se pueden cancelar utilizando un "puente de 3 cables" o un "circuito de ohmios de 4 cables" [6] (también llamado " conexión Kelvin de 4 cables ").
En cualquier caso, es una buena práctica de ingeniería mantener el voltaje del puente de Wheatstone lo suficientemente bajo para evitar el autocalentamiento de la galga extensométrica. El autocalentamiento de la galga extensométrica depende de su característica mecánica (las galgas extensométricas grandes son menos propensas a autocalentarse). Los niveles de excitación de bajo voltaje del puente reducen la sensibilidad del sistema en general.
En algunas aplicaciones, las galgas extensométricas agregan masa y amortiguación a los perfiles de vibración del hardware que deben medir. En la industria de turbomáquinas, una alternativa utilizada a la tecnología de galgas extensométricas en la medición de vibraciones en hardware giratorio es el sistema de medición de tensión no intrusiva , que permite medir las vibraciones de la hoja sin ningún hardware montado en disco o en la hoja ...
Los siguientes tipos diferentes de galgas extensométricas están disponibles en el mercado:
Para mediciones de deformaciones pequeñas , a menudo se prefieren las galgas extensométricas semiconductoras, las denominadas piezorresistores , a las galgas de lámina. Un medidor de semiconductor generalmente tiene un factor de calibre mayor que un medidor de lámina. Los medidores de semiconductores tienden a ser más costosos, más sensibles a los cambios de temperatura y son más frágiles que los medidores de lámina.
Las galgas extensométricas basadas en nanopartículas emergen como una nueva tecnología prometedora. Estos sensores resistivos cuya área activa está formada por un conjunto de nanopartículas conductoras, como el oro o el carbono , combinan un factor de calibre alto, un gran rango de deformación y un pequeño consumo eléctrico debido a su alta impedancia.
En las mediciones biológicas, especialmente el flujo sanguíneo y la hinchazón de los tejidos, se utiliza una variante denominada galga extensométrica de mercurio en caucho . Este tipo de galga extensométrica consiste en una pequeña cantidad de mercurio líquido encerrada en un pequeño tubo de goma, que se aplica alrededor de, por ejemplo, un dedo del pie o una pierna. La hinchazón de la parte del cuerpo provoca que el tubo se estire, haciéndolo más largo y delgado, lo que aumenta la resistencia eléctrica.
La detección de fibra óptica se puede emplear para medir la tensión a lo largo de una fibra óptica . Las mediciones pueden distribuirse a lo largo de la fibra o tomarse en puntos predeterminados de la fibra. Los barcos de la America's Cup 2010 Alinghi 5 y USA-17 emplean sensores integrados de este tipo. [7]
Se pueden utilizar otras técnicas de medición óptica para medir deformaciones, como la interferometría de patrón de moteado electrónico o la correlación de imágenes digitales .
Las galgas extensométricas de microescala se utilizan ampliamente en sistemas microelectromecánicos (MEMS) para medir deformaciones como las inducidas por fuerza, aceleración, presión o sonido. [8] Por ejemplo, las bolsas de aire en los automóviles a menudo se activan con acelerómetros MEMS. Como alternativa a las galgas extensométricas piezorresistentes, se pueden utilizar resonadores de anillo ópticos integrados para medir la deformación en sistemas microoptoelectromecánicos (MOEMS). [9]
Las galgas extensométricas capacitivas usan un capacitor variable para indicar el nivel de deformación mecánica.
Las galgas extensométricas de cuerda vibrante se utilizan en aplicaciones geotécnicas y de ingeniería civil. El medidor consta de un cable tensado que vibra. La deformación se calcula midiendo la frecuencia de resonancia del cable (un aumento de tensión aumenta la frecuencia de resonancia).
Las galgas extensométricas de cristal de cuarzo también se utilizan en aplicaciones geotécnicas. Un sensor de presión , un medidor de tensión de cristal de cuarzo resonante con un colector de fuerza de tubo de Bourdon es el sensor crítico de DART . [10] DART detecta olas de tsunami desde el fondo del océano abierto. Tiene una resolución de presión de aproximadamente 1 mm de agua cuando se mide la presión a una profundidad de varios kilómetros. [11]
La deformación también se puede medir mediante la correlación de imágenes digitales (DIC). Con esta técnica, se utilizan una o dos cámaras junto con un software DIC para rastrear características en la superficie de los componentes para detectar pequeños movimientos. Se puede calcular el mapa de deformación completo de la muestra analizada, lo que proporciona una visualización similar a la de un análisis de elementos finitos . Esta técnica se utiliza en muchas industrias para reemplazar las galgas extensométricas tradicionales u otros sensores como extensómetros , ollas de hilo , LVDT , acelerómetros . [12].. La precisión del software DIC disponible comercialmente suele oscilar entre 1/100 y 1/30 de un píxel para mediciones de desplazamientos que dan como resultado una sensibilidad a la deformación entre 20 y 100 μm / m. [13] La técnica DIC permite medir rápidamente la forma, los desplazamientos y la deformación sin contacto, evitando algunos problemas de los métodos de contacto tradicionales, especialmente con pruebas de impacto, alta deformación, alta temperatura o fatiga de ciclo alto . [14]