Las galgas extensométricas son dispositivos que convierten la deformación elástica medida de un cuerpo sólido en una señal eléctrica. Esto sucede debido a un cambio en la resistencia del conductor del sensor cuando sus dimensiones geométricas cambian por tensión o compresión.
Gama extensométrica: principio de funcionamiento
El elemento principal del dispositivo es una galga extensiométrica montada sobre una estructura elástica. Las galgas extensiométricas se calibran cargando paso a paso con una fuerza creciente dada y midiendo la magnitud de la resistencia eléctrica. Luego, cambiándolo, será posible determinar los valores de la carga desconocida aplicada y la deformación proporcional a ella.
Dependiendo del tipo de sensores, puede medir:
- fuerza;
- presión;
- mover;
- par;
- aceleración.
Incluso con el esquema de carga más complejo de la estructura, la acción sobrela galga extensiométrica se reduce a estirar o comprimir su red a lo largo de una sección larga llamada base.
Qué galgas extensométricas se utilizan
Los tipos más comunes de galgas extensométricas con un cambio en la resistencia activa bajo acción mecánica - galgas extensométricas.
Extensómetros de alambre
El ejemplo más simple es una pieza recta de alambre delgado, que se une a la parte en estudio. Su resistencia es: r=pL/s, donde p es la resistividad, L es la longitud, s es el área de la sección transversal.
Junto con la pieza, el alambre encolado se deforma elásticamente. Al mismo tiempo, sus dimensiones geométricas cambian. Cuando se comprime, la sección transversal del conductor aumenta y cuando se estira, disminuye. Por lo tanto, el cambio en la resistencia cambia de signo dependiendo de la dirección de deformación. La característica es lineal.
La baja sensibilidad de la galga extensiométrica llevó a la necesidad de aumentar la longitud del cable en un área de medición pequeña. Para hacer esto, está hecho en forma de espiral (celosía) de alambre, pegado en ambos lados con placas aislantes de una película de barniz o papel. Para conectarse al circuito eléctrico, el dispositivo está equipado con dos cables conductores de cobre. Están soldadas o soldadas a los extremos del cable en espiral y son lo suficientemente fuertes como para conectarse a un circuito eléctrico. La galga extensiométrica se fija al elemento elástico o a la pieza bajo prueba con pegamento.
Las células de carga de alambre tienen las siguientes ventajas:
- diseño sencillo;
- dependencia lineal de la deformación;
- tamaño pequeño;
- precio bajo.
Las desventajas incluyen baja sensibilidad, influencia de la temperatura ambiente, la necesidad de protección contra la humedad, uso solo en el área de deformaciones elásticas.
El cable se deformará cuando la fuerza de adhesión del adhesivo exceda en gran medida la fuerza requerida para estirarlo. La relación entre la superficie de unión y el área de la sección transversal debe ser de 160 a 200, lo que corresponde a su diámetro de 0,02-0,025 mm. Se puede aumentar hasta 0,05 mm. Entonces, durante el funcionamiento normal de la galga extensiométrica, la capa adhesiva no se destruirá. Además, el sensor funciona bien en compresión, ya que los hilos del cable están integrados con la película adhesiva y la pieza.
Células de carga de láminas
Los parámetros y el principio de funcionamiento de la celda de carga de lámina son los mismos que los de las de alambre. El único material es nicromo, constantán o lámina de titanio y aluminio. La tecnología de fabricación de fotolitografías permite obtener una configuración reticular compleja y automatizar el proceso.
En comparación con las galgas extensométricas de alambre, las galgas extensométricas de lámina son más sensibles, transportan más corriente, transmiten mejor la tensión, tienen conductores más fuertes y tienen un patrón más complejo.
Células de carga de semiconductores
La sensibilidad de los sensores es aproximadamente 100 veces mayor que la de los de cable, lo que permite usarlos frecuentemente sin amplificadores. Las desventajas son la fragilidad, la alta dependencia de la temperatura ambiente y la significativadispersión de parámetros.
Especificaciones de galgas extensiométricas
- Base - la longitud del conductor de rejilla (0,2-150 mm).
- Resistencia nominal R - valor de resistencia activa (10-1000 ohmios).
- Corriente de suministro de trabajo Ip - corriente a la que la galga extensométrica no se calienta de forma notable. Cuando se sobrecalienta, las propiedades de los materiales del elemento sensor, la base y la capa adhesiva cambian, distorsionando las lecturas.
- Factor de deformación: s=(∆R/R)/(∆L/L), donde R y L son la resistencia eléctrica y la longitud del sensor descargado, respectivamente; ∆R y ∆L - cambio en la resistencia y deformación por fuerza externa. Para diferentes materiales, puede ser positivo (R aumenta con la tensión) y negativo (R aumenta con la compresión). El valor de s para diferentes metales varía de -12,6 a +6.
Esquemas para encender galgas extensométricas
Para medir pequeñas señales eléctricas, la mejor opción es una conexión de puente, en cuyo centro se encuentra un voltímetro. El ejemplo más simple sería una galga extensiométrica, cuyo circuito está ensamblado según el principio de un puente eléctrico, en uno de cuyos brazos está conectado. Su resistencia en descarga será la misma que la del resto de resistencias. En este caso, el dispositivo mostrará voltaje cero.
El principio de funcionamiento de una galga extensométrica es aumentar o disminuir el valor de su resistencia, dependiendo de si las fuerzas son de compresión o tracción.
La temperatura de la galga extensométrica tiene un efecto significativo en la precisión de las lecturas. Si se incluye una resistencia a la deformación similar en el otro brazo del puente, que no se cargará, realizará la función de compensar los efectos térmicos.
El circuito de medición también debe tener en cuenta los valores de la resistencia eléctrica de los cables conectados a la resistencia. Su influencia se reduce agregando otro cable conectado a uno de los pines de la galga extensiométrica y el voltímetro.
Si ambos sensores se pegan al elemento elástico de tal manera que sus cargas difieren en el signo, la señal se amplificará 2 veces. Si hay cuatro sensores en el circuito con cargas indicadas por flechas en el diagrama anterior, la sensibilidad aumentará significativamente. Con esta conexión de galgas extensométricas de alambre o lámina, un microamperímetro convencional dará lecturas sin un amplificador de señal eléctrica. Es importante seleccionar con precisión los valores de resistencia mediante un multímetro para que sean iguales entre sí en cada brazo del puente eléctrico.
Aplicación de galgas extensométricas en ingeniería
- Parte del diseño de la balanza: al pesar, el cuerpo del sensor se deforma elásticamente, y con él las galgas extensométricas pegadas a él, conectadas en un circuito. La señal eléctrica se transmite al medidor.
- Seguimiento del estado de tensión-deformación de estructuras de edificios y estructuras de ingeniería en el proceso de su construcción y operación.
- Galgas extensométricas para medir las fuerzas de deformación durante el mecanizadopresión del metal en trenes de laminación y prensas de estampado.
- Sensores de alta temperatura para acero y otras industrias.
- Sensores de medición con elemento elástico de acero inoxidable para el funcionamiento en entornos químicamente agresivos.
Las galgas extensométricas estándar se fabrican en forma de arandelas, columnas, vigas simples o de dos caras, en forma de S. Para todas las estructuras, es importante que la fuerza se aplique en una dirección: de arriba hacia abajo o viceversa. Bajo severas condiciones de operación, los diseños especiales permiten eliminar la acción de fuerzas parásitas. Sus precios dependen en gran medida de esto.
Para las galgas extensométricas, el precio oscila entre cientos de rublos y cientos de miles. Mucho depende del fabricante, el diseño, los materiales, la tecnología de fabricación, los valores de los parámetros medidos, el equipo electrónico adicional. En su mayor parte, son componentes de diferentes tipos de escalas.
Conclusión
El principio de funcionamiento de todas las galgas extensométricas se basa en la transformación de la deformación del elemento elástico en una señal eléctrica. Para diferentes propósitos, existen diferentes diseños de sensores. Al elegir galgas extensométricas, es importante determinar si los circuitos tienen compensación para las lecturas de temperatura distorsionadas y las influencias mecánicas parásitas.
