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Medidor de tensión

Extensómetro de lámina típico; la región azul es conductora y la resistencia se mide desde una almohadilla azul grande a la otra. El extensómetro es mucho más sensible a la tensión en la dirección vertical que en la dirección horizontal. Las marcas fuera del área activa ayudan a alinear el extensómetro durante la instalación.

Un extensómetro (también escrito galga extensométrica ) es un dispositivo que se utiliza para medir la tensión de un objeto. Inventado por Edward E. Simmons y Arthur C. Ruge en 1938, el tipo más común de extensómetro consiste en un respaldo flexible aislante que sostiene un patrón de lámina metálica. El extensómetro se adhiere al objeto mediante un adhesivo adecuado, como cianoacrilato . [1] A medida que el objeto se deforma, la lámina se deforma, lo que hace que su resistencia eléctrica cambie. Este cambio de resistencia, que generalmente se mide utilizando un puente de Wheatstone , está relacionado con la tensión mediante la cantidad conocida como factor de calibre .

Historia

Edward E. Simmons y el profesor Arthur C. Ruge inventaron independientemente el extensómetro.

Simmons participó en un proyecto de investigación de Dätwyler y Clark en Caltech entre 1936 y 1938. Investigaron el comportamiento de tensión-deformación de los metales bajo cargas de choque. Simmons ideó una forma original de medir la fuerza introducida en la muestra equipando un dinamómetro con cables de resistencia finos.

Por otra parte, Arthur C. Ruge, profesor del MIT , realizó una investigación en sismología . Trató de analizar el comportamiento de un modelo de tanque de agua instalado en una mesa vibratoria. No pudo utilizar los métodos de medición de deformación óptica estándar de su época debido a la pequeña escala y las bajas deformaciones en su modelo. El profesor Ruge (y su asistente J. Hanns Meier) tuvieron la epifanía de medir el cambio de resistencia causado por la deformación en cables metálicos cementados en las paredes delgadas del modelo del tanque de agua.

El desarrollo del extensómetro fue básicamente un subproducto de otros proyectos de investigación. Edward E. Simmons y el profesor Arthur C. Ruge desarrollaron una herramienta de medición ampliamente utilizada y útil debido a la falta de una alternativa en su época. Arthur C. Ruge se dio cuenta de la utilidad comercial del extensómetro. Su empleador en el MIT renunció a todos los derechos sobre el invento, ya que no previeron el potencial de uso económico y a gran escala. Esta predicción resultó ser falsa. Las aplicaciones del extensómetro ganaron terreno rápidamente, ya que servían para detectar indirectamente todas las demás magnitudes que inducen tensión. Además, eran fáciles de instalar por los científicos, no causaban ninguna obstrucción o cambios de propiedad en el objeto observado y, por lo tanto, falsificaban los resultados de la medición. Probablemente la última y más importante propiedad fue la facilidad de transmisión de la señal eléctrica de salida. [2]

Operación física

Un extensómetro de lámina resistiva sin montar

Un extensómetro 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 modo que no se rompa ni se deforme permanentemente, se hará más estrecho y más largo, lo que aumenta su resistencia eléctrica de extremo a extremo. Por el contrario, cuando un conductor se comprime de modo que no se deforme, se ensanchará y acortará, lo que disminuye su resistencia eléctrica de extremo a extremo. A partir de la resistencia eléctrica medida del extensómetro, se puede inferir la cantidad de tensión inducida.

Un extensómetro típico dispone una tira conductora larga y delgada en un patrón en zigzag de líneas paralelas. Esto no aumenta la sensibilidad, ya que el cambio porcentual en la resistencia para una tensión dada para todo el zigzag es el mismo que para cualquier traza individual. Una sola traza lineal tendría que ser extremadamente delgada, por lo tanto propensa a sobrecalentarse (lo que cambiaría su resistencia y haría que se expandiera), o tendría que funcionar a un voltaje mucho más bajo, lo que dificultaría la medición precisa de los cambios de resistencia.

Factor de calibre

El factor de calibre se define como:

dónde

es el cambio en la resistencia causado por la tensión,
es la resistencia del calibre no deformado, y
es tensión

En el caso de los calibres de láminas metálicas comunes, el factor de calibre suele ser un poco superior a 2. [3] Para un solo calibre activo y tres resistencias ficticias de la misma resistencia en relación con el calibre activo en una configuración de puente de Wheatstone equilibrado , el voltaje del sensor de salida del puente es aproximadamente:

dónde

es el voltaje de excitación del puente.

Los calibradores de láminas suelen tener áreas activas de un tamaño de entre 2 y 10 mm2 . Con una instalación cuidadosa, el calibre correcto y el adhesivo adecuado, se pueden medir tensiones de hasta un 10 % como mínimo.

En la práctica

Visualización del concepto de funcionamiento del extensómetro en una viga sometida a una flexión exagerada

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 se expresan en milivoltios.

Los extensómetros de lámina se utilizan en muchas situaciones. Las distintas aplicaciones imponen distintos requisitos al extensómetro. En la mayoría de los casos, la orientación del extensómetro es importante.

Normalmente se esperaría que los medidores conectados a una celda de carga permanezcan estables durante un período de años, si no décadas; mientras que aquellos utilizados para medir la respuesta en un experimento dinámico tal vez solo necesiten permanecer conectados al objeto durante unos días, estar energizados durante menos de una hora y funcionar durante menos de un segundo.

Los extensómetros se fijan al sustrato con un pegamento especial. El tipo de pegamento depende de la vida útil requerida del sistema de medición. Para mediciones de corta duración (hasta algunas semanas) es adecuado el pegamento de cianoacrilato, mientras que para instalaciones de larga duración se requiere pegamento epoxi. Por lo general, el pegamento epoxi requiere un curado a alta temperatura (a unos 80-100 °C). La preparación de la superficie donde se pegará el extensómetro es de suma importancia. La superficie debe alisarse (por ejemplo, con papel de lija muy fino), desengrasarse con disolventes, luego deben eliminarse los restos de disolventes y el extensómetro debe pegarse inmediatamente después para evitar la oxidación o la contaminación del área preparada. Si no se siguen estos pasos, la fijación del extensómetro a la superficie puede ser poco fiable y pueden generarse errores de medición impredecibles.

La tecnología basada en galgas extensométricas se utiliza habitualmente en la fabricación de sensores de presión . Las galgas que se utilizan en los sensores de presión suelen estar hechas de silicio, polisilicio, película metálica, película gruesa y lámina adherida.

Variaciones de temperatura

Las variaciones de temperatura provocarán una multitud de efectos. El objeto cambiará de tamaño debido a la expansión térmica, que el medidor detectará como una deformación. La resistencia del medidor cambiará y la resistencia de los cables de conexión cambiará.

La mayoría de los extensómetros están hechos de una aleación de constantán . [4] Se han diseñado varias aleaciones de constantán y aleaciones Karma de modo que los efectos de la temperatura sobre la resistencia del extensómetro en sí mismo anulen en gran medida el cambio de resistencia del extensómetro debido a la expansión térmica del objeto en prueba. Debido a que los diferentes materiales tienen diferentes cantidades de expansión térmica, la autocompensación de temperatura (STC) requiere seleccionar una aleación particular que coincida con el material del objeto en prueba.

Los extensómetros que no tienen compensación de temperatura automática (como las aleaciones isoelásticas) pueden compensarse mediante la técnica del extensómetro ficticio. Se instala un extensómetro ficticio (idéntico al extensómetro activo) en una muestra no deformada del mismo material que la muestra de prueba. La muestra con el extensómetro ficticio se coloca en contacto térmico con la muestra de prueba, adyacente al extensómetro activo. El extensómetro ficticio se conecta a un puente de Wheatstone en un brazo adyacente al extensómetro activo de modo que los efectos de la temperatura en los extensómetros activo y ficticio se cancelen entre sí. [5] ( La ley de Murphy se acuñó originalmente como respuesta a un conjunto de extensómetros que se conectaron incorrectamente a un puente de Wheatstone. [6] )

Cada material reacciona cuando se calienta o cuando se enfría. Esto hará que los extensómetros registren una deformación en el material que hará que cambie de señal. Para evitar que esto suceda, los extensómetros están diseñados para que compensen este cambio debido a la temperatura. Dependiendo del material de la superficie donde se monta el extensómetro, 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" [7] (también llamado " conexión Kelvin de 4 cables ").

En cualquier caso, es una buena práctica de ingeniería mantener el voltaje de excitación del puente de Wheatstone lo suficientemente bajo para evitar el autocalentamiento del extensómetro. El autocalentamiento del extensómetro depende de sus características mecánicas (los extensómetros grandes son menos propensos al autocalentamiento). Los niveles bajos de voltaje de excitación del puente reducen la sensibilidad del sistema en general.

Aplicaciones

Monitoreo de la salud estructural

El monitoreo de la salud estructural (SHM, por sus siglas en inglés) se utiliza para monitorear las estructuras después de su finalización. Para evitar fallas, se utilizan medidores de tensión para detectar y localizar daños y deslizamientos . Un ejemplo específico es el monitoreo de cables de puentes que aumenta la seguridad al detectar posibles daños. Además, se puede analizar el comportamiento del puente ante cargas inusuales, como transportes especiales de carga pesada.

Mediciones biológicas

La medición de la tensión de la piel puede proporcionar una multitud de mediciones biomecánicas, como la postura, la rotación de las articulaciones, la respiración y la hinchazón, tanto en humanos como en otros animales. Sin embargo, los extensómetros de lámina resistiva rara vez se utilizan para estas aplicaciones, debido a su bajo límite de tensión. En su lugar, a menudo se fijan extensómetros blandos y deformables a una prenda de vestir, para que sea sencillo aplicar el sensor a la parte correcta del cuerpo, aunque a veces se fijan directamente a la piel. Por lo general, en estas aplicaciones, estos extensómetros blandos [1] se conocen como sensores de estiramiento. Para uso médico, los sensores deben ser precisos y repetibles, lo que normalmente requiere el uso de sensores de estiramiento capacitivos.

Mantenimiento predictivo

Muchos objetos y materiales en aplicaciones industriales tienen una vida útil finita. Para mejorar su vida útil y el costo de propiedad, se utilizan principios de mantenimiento predictivo. Los extensómetros se pueden utilizar para monitorear la deformación como un indicador de fatiga en los materiales para permitir que los sistemas de software predigan cuándo es necesario reemplazar o reparar ciertos componentes. Los extensómetros de lámina resistiva se pueden utilizar para instrumentar materiales rígidos como metales, cerámicas, compuestos y similares, mientras que los extensómetros altamente elásticos se utilizan para monitorear materiales más blandos como caucho, plásticos, textiles y similares. [2]

Aviación

En la aviación , los extensómetros son el método estándar para medir la carga estructural y calcular la deflexión de las alas. Los extensómetros están fijados en varias ubicaciones de la aeronave. Sin embargo, se ha demostrado que los sistemas de medición de la deflexión miden deformaciones confiables de forma remota. Esto reduce el peso de la instrumentación en la aeronave y, por lo tanto, está reemplazando al extensómetro. [8]

Reutilización

También existen aplicaciones en las que no resulta obvio a primera vista que se medirá la tensión para obtener el resultado deseado. Por ejemplo, en la detección de intrusos en ciertas estructuras, se pueden utilizar extensómetros para detectar la presencia de dichos intrusos. Esto se hace midiendo el ligero cambio en la tensión de dicha estructura. [9]

Errores y compensaciones

En algunas aplicaciones, los extensómetros añaden masa y amortiguación a los perfiles de vibración del hardware que se pretende medir. En la industria de turbomáquinas, una alternativa utilizada a la tecnología de extensómetros para la medición de vibraciones en hardware rotatorio es el sistema de medición de tensión no intrusivo , que permite la medición de vibraciones de álabes sin necesidad de ningún hardware montado en álabes o discos.

Geometrías de los extensómetros

Geometrías de los extensómetros

En el mercado se encuentran disponibles los siguientes tipos diferentes de medidores de tensión:

Otros tipos

Los dispositivos de medición de galgas extensométricas son propensos a sufrir problemas de deriva. Además, su fabricación requiere requisitos precisos durante todas las etapas de producción, por lo que existen múltiples formas diferentes de medir también la deformación. [2]

Resultados de correlación de imágenes digitales en un cupón de prueba de material
Ejemplo de medición de deformación sin contacto mediante correlación de imágenes digitales en una probeta de prueba de material que muestra estructuras de deformación en movimiento llamadas bandas de Lüders

Mediciones de deformación sin contacto

La deformación también se puede medir utilizando la correlación de imágenes digitales (DIC). Con esta técnica, se utilizan una o dos cámaras junto con un software DIC para rastrear las características de la superficie de los componentes para detectar pequeños movimientos. Se puede calcular el mapa de deformación completo de la muestra probada, proporcionando una visualización similar a un análisis de elementos finitos . Esta técnica se utiliza en muchas industrias para reemplazar los medidores de deformación tradicionales u otros sensores como extensómetros , potenciómetros de cuerda , LVDT , acelerómetros . [16] .. La precisión del software DIC disponible comercialmente generalmente varía alrededor de 1/100 a 1/30 de píxel para mediciones de desplazamientos que dan como resultado una sensibilidad de deformación entre 20 y 100 μm/m. [17] 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 impactos, alta deformación, alta temperatura o pruebas de fatiga de alto ciclo . [18]

Industria

En la actualidad, existen numerosos fabricantes en el campo de la medición de deformaciones. Producen galgas extensométricas para diversas superficies de montaje, tamaños y formas. Para el personal no capacitado, la implementación correcta y la elección del tipo apropiado de herramienta de medición son muy difíciles. Es necesario conocer el proceso exacto de configuración de las galgas extensométricas para garantizar la recopilación de datos utilizables. Los grandes proveedores de galgas extensométricas brindan asesoramiento sobre la elección correcta para cada aplicación. También tienen programas de capacitación para sus clientes para garantizar una implementación correcta.

Una de las empresas líderes es Zemic Europe, que ofrece miles de tipos diferentes de medidores de tensión. [19]

Otra empresa internacional es HBM (Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH), que ofrece una amplia variedad de galgas extensométricas y productos asociados. [20]

Literatura

En 1995, el Prof. Dr.-Ing. Stefan Keil publicó la primera edición de un libro detallado sobre galgas extensométricas y cómo utilizarlas llamado “Dehnungsmessstreifen”. Aunque esta primera edición solo se publicó en alemán, se hizo popular fuera de Alemania debido a la amplia gama de usos de las galgas extensométricas en diferentes campos. Después de más de 20 años (en 2017), publicó una segunda edición que se tradujo al inglés, por lo que está disponible para más ingenieros que utilizan galgas extensométricas. Este libro más reciente se titula “Tecnología y uso práctico de galgas extensométricas”. [2]

Teoría de los extensómetros (sociología)

El término "strain gauge" se puede encontrar en sociología. La teoría de los extensómetros sociales es un enfoque para comprender las acusaciones de brujería y hechicería. El antropólogo sudafricano Maxwell Marwick estudió estos fenómenos sociológicos en Zambia y Malawi en 1965. [21] Las acusaciones de brujería reflejan tensión en las relaciones y/o en toda la estructura social. La teoría dice que las acusaciones de brujería eran una válvula de presión de la sociedad. [22]

Véase también

Referencias

  1. ^ Galga extensométrica: materiales
  2. ^ abc Keil, Stephan (2017). Tecnología y uso práctico de galgas extensométricas con especial consideración del análisis de tensiones mediante galgas extensométricas . John Wiley & Sons, Ltd. ISBN 978-3-433-60666-7.
  3. ^ Galga extensométrica: sensibilidad
  4. ^ Aleación de constantán: selección de galgas extensométricas
  5. ^ Shull, Larry C., "Basic Circuits", Hannah, RL y Reed, SE (Eds.) (1992). Manual del usuario de galgas extensométricas , pág. 122. Sociedad de Mecánica Experimental. ISBN 0-912053-36-4
  6. ^ Spark, N. (2006). Una historia de la ley de Murphy . Película Periscope. ISBN 978-0-9786388-9-4 
  7. ^ El extensómetro
  8. ^ Lizotte, Andrew M.; Lokos, William A. (1 de enero de 2005). "Estimación de cargas estructurales de aeronaves basada en deflexión con comparación con el vuelo". hdl : 2060/20050160482 . {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
  9. ^ Ream, WK; Hopkins, C. (1991-01-01). "Gama de deformidades como sensores de detección de intrusiones". Gestión de materiales nucleares. Actas de la reunión anual; (Estados Unidos) . 20. ISSN  0362-0034. OSTI  5494316.
  10. ^ Fountain, Henry (8 de febrero de 2010). "Los rivales de la Copa América compiten con el viento en sus alas". The New York Times .
  11. ^ Bryzek, J.; Roundy, S.; Bircumshaw, B.; Chung, C.; Castellino, K.; Stetter, JR; Vestel, M. (10 de abril de 2006). "MEMS maravillosos". Revista IEEE Circuits and Devices . 22 (2): 8–28. doi :10.1109/MCD.2006.1615241. S2CID  43985063.
  12. ^ Westerveld, WJ; Leinders, SM; Muilwijk, PM; Pozo, J.; van den Dool, TC; Verweij, MD; Yousefi, M.; Urbach, HP (10 de enero de 2014). "Caracterización de sensores de deformación óptica integrados basados ​​en guías de ondas de silicio". Revista IEEE de temas seleccionados en electrónica cuántica . 20 (4): 101–110. Código Bib : 2014IJSTQ..20..101W. doi : 10.1109/JSTQE.2013.2289992 .
  13. ^ Milburn, Hugh. "Descripción y divulgación de NOAA DART II" (PDF) . noaa.gov . NOAA, Gobierno de EE. UU . . Consultado el 4 de abril de 2020 .
  14. ^ Eble, MC; Gonzalez, FI "Medidas de presión en el fondo del océano profundo en el Pacífico nororiental" (PDF) . noaa.gov . NOAA, Gobierno de los EE. UU . . Consultado el 4 de abril de 2020 .
  15. ^ Castaño-cano, Davinson; Grossard, Mathieu; Hubert, Arnaud (julio de 2014). "Detección de fuerza multiaxial con placas compuestas resonantes pretensadas: una alternativa a los sensores de fuerza con galgas extensométricas". 2014 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (PDF) . pp. 1361–1367. doi :10.1109/AIM.2014.6878272. ISBN . 978-1-4799-5736-1. Número de identificación del sujeto  15977483.
  16. ^ Carr, Jennifer; Baqersad, Javad; Niezrecki, Christopher; Avitabile, Peter; Slattery, Micheal (2012), "Esfuerzo dinámico y deformación en álabes de turbinas mediante técnicas de correlación de imágenes digitales, parte 2: mediciones dinámicas", Temas de dinámica experimental, subestructuración y dinámica de turbinas eólicas, volumen 2 , Springer Nueva York, págs. 221–226, doi :10.1007/978-1-4614-2422-2_21, ISBN 9781461424215
  17. ^ Carr, Jennifer; Baqersad, Javad; Niezrecki, Christopher; Avitabile, Peter; Slattery, Micheal (2012), "Esfuerzo dinámico y deformación en palas de turbinas mediante técnicas de correlación de imágenes digitales, parte 1: carga estática y calibración", Temas de dinámica experimental, subestructuración y dinámica de turbinas eólicas, volumen 2 , Springer Nueva York, págs. 215-220, doi :10.1007/978-1-4614-2422-2_20, ISBN 9781461424215
  18. ^ Littell, Justin D. (2011), "Técnicas de fotogrametría de campo grande en pruebas de impacto de aeronaves y naves espaciales", Comportamiento dinámico de materiales, volumen 1 , Actas de conferencias de la serie Society for Experimental Mechanics, Springer Nueva York, págs. 55-67, doi : 10.1007/978-1-4419-8228-5_9, hdl : 2060/20100024230 , ISBN 9781441982278
  19. ^ "Dehnungsmesstreifen". Zemic Europa (en alemán) . Consultado el 10 de mayo de 2022 .
  20. ^ "Grundlagen der Dehnungsmessstreifen". HBM (en alemán). 2019-10-29 . Consultado el 10 de mayo de 2022 .
  21. ^ Bernard, Spencer (2002). Enciclopedia de antropología social y cultural . Routeledge. pág. 563. ISBN 0-415-28558-5.
  22. ^ "Las motivaciones y el impacto social de las acusaciones de brujería" (PDF) . Ewer . 5 de marzo de 2014.