Un medidor de tensión (también escrito como medidor de tensión ) es un dispositivo que se utiliza para medir la tensión sobre un objeto. Inventado por Edward E. Simmons y Arthur C. Ruge en 1938, el tipo más común de galga extensométrica 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 provoca que cambie su resistencia eléctrica . Este cambio de resistencia, generalmente medido mediante un puente de Wheatstone , está relacionado con la deformación mediante la cantidad conocida como factor de calibre .
Edward E. Simmons y el profesor Arthur C. Ruge inventaron de forma independiente la galga extensométrica.
Simmons participó en un proyecto de investigación de Dätwyler y Clark en Caltech entre 1936 y 1938. Investigaron el comportamiento tensión-deformación de los metales bajo cargas de choque. A Simmons se le ocurrió una forma original de medir la fuerza introducida en la muestra equipando un dinamómetro con finos cables de resistencia.
Arthur C. Ruge, profesor del MIT , por otro lado, realizó investigaciones en sismología . Intentó analizar el comportamiento de un modelo de tanque de agua instalado sobre una mesa vibratoria. No pudo utilizar los métodos estándar de medición de tensión óptica de su época debido a la pequeña escala y las bajas tensiones de su modelo. El profesor Ruge (y su asistente J. Hanns Meier) tuvieron la epifanía de medir el cambio de resistencia causado por la tensión en cables metálicos cementados en las delgadas paredes del modelo de tanque de agua.
El desarrollo de la galga extensométrica fue esencialmente un subproducto de otros proyectos de investigación. Edward E. Simmons y el profesor Arthur C. Ruge desarrollaron una herramienta de medición útil y ampliamente utilizada debido a la falta de una alternativa en su momento. Arthur C. Ruge se dio cuenta de la utilidad comercial de la galga extensométrica. Su empleador en el MIT renunció a todos los derechos sobre la invención, ya que no predecían el potencial económico y de uso a gran escala. Esta predicción resultó ser falsa. Las aplicaciones de galgas extensométricas estaban ganando terreno rápidamente, ya que servían para detectar indirectamente todas las demás cantidades que inducen deformación. Además, fueron fáciles de instalar por los científicos y no causaron ninguna obstrucción ni cambios de propiedad en el objeto observado, falsificando así los resultados de la medición. Probablemente la última y más importante propiedad fue la facilidad de transmisión de la señal eléctrica de salida. [2]
Una galga extensométrica 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 doble, se ensanchará y acortará, lo que disminuirá su resistencia eléctrica de un extremo a otro. A partir de la resistencia eléctrica medida por 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 cepa determinada para todo el zig-zag es el mismo que para cualquier traza individual. Una única traza lineal tendría que ser extremadamente delgada y, por lo tanto, susceptible de sobrecalentarse (lo que cambiaría su resistencia y provocaría que se expandiera), o tendría que funcionar a un voltaje mucho más bajo, lo que dificultaría medir los cambios de resistencia con precisión.
El factor de calibre se define como:
dónde
Para medidores de lámina metálica comunes, el factor de calibre suele ser un poco superior a 2. [3] Para un solo medidor activo y tres resistencias ficticias de la misma resistencia alrededor del medidor activo en una configuración de puente de Wheatstone balanceada , el voltaje del sensor de salida del puente es aproximadamente:
dónde
Los calibres de láminas 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 deformaciones de hasta al menos el 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. Diferentes aplicaciones imponen diferentes requisitos al medidor. En la mayoría de los casos, la orientación de la galga extensométrica es importante.
Normalmente se esperaría que los medidores conectados a una celda de carga permanecieran estables durante un período de años, si no décadas; mientras que los utilizados para medir la respuesta en un experimento dinámico sólo necesitan permanecer unidos al objeto durante unos días, recibir energía durante menos de una hora y funcionar durante menos de un segundo.
Las galgas extensométricas se fijan 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 (aproximadamente 80-100 °C). La preparación de la superficie donde se va a pegar la galga extensométrica es de suma importancia. Se debe alisar la superficie (p. ej. con papel de lija muy fino), desengrasar con disolventes, eliminar los restos de disolvente y pegar inmediatamente después la galga extensométrica para evitar la oxidación o la contaminación de la zona preparada. Si no se siguen estos pasos, la unión del extensómetro a la superficie puede no ser confiable y se pueden generar 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 propios sensores de presión suelen estar hechos de silicio, polisilicio, película metálica, película gruesa y lámina adherida.
Las variaciones de temperatura provocarán 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 las galgas extensométricas están hechas de una aleación de constante . [4] Se han diseñado varias aleaciones de Constantan y aleaciones de Karma de modo que los efectos de la temperatura sobre la resistencia del extensómetro cancelen en gran medida el cambio de resistencia del calibre debido a la expansión térmica del objeto bajo prueba. Debido a que 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) pueden compensarse en temperatura mediante el uso de la técnica de galga simulada. Se instala un medidor ficticio (idéntico al medidor de tensión activo) en una muestra no deformada del mismo material que la muestra de prueba. La muestra con el medidor simulado se coloca en contacto térmico con la muestra de prueba, adyacente al medidor activo. El medidor ficticio está conectado a un puente de Wheatstone en un brazo adyacente al medidor activo para que los efectos de la temperatura en los medidores activo y ficticio se cancelen entre sí. [5] ( La ley de Murphy se acuñó originalmente en respuesta a un conjunto de medidores conectados incorrectamente a un puente de Wheatstone. [6] )
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 sobre la que se monta la galga extensométrica, se puede medir una expansión diferente.
Los efectos de la temperatura en los cables se pueden cancelar utilizando un "puente de 3 hilos" o un "circuito de ohmios de 4 hilos" [7] (también llamado " conexión Kelvin de 4 hilos ").
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 sus características mecánicas (las galgas extensométricas grandes son menos propensas a autocalentarse). Los niveles de accionamiento de bajo voltaje del puente reducen la sensibilidad del sistema en general.
El monitoreo de la salud estructural (SHM) se utiliza para monitorear las estructuras después de su finalización. Para evitar fallas, se utilizan galgas extensométricas para detectar y localizar daños y fluencia . Un ejemplo concreto es la monitorización de cables de puentes aumentando la seguridad al detectar posibles daños. Además, se puede analizar el comportamiento del puente ante cargas inusuales, como por ejemplo transportes especiales de cargas pesadas.
Medir 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, las galgas extensométricas de lámina resistiva rara vez se utilizan para estas aplicaciones debido a su bajo límite de deformación. En cambio, a menudo se colocan extensímetros blandos y deformables en una prenda anfitriona, para que sea sencillo aplicar el sensor en la parte correcta del cuerpo, aunque a veces se colocan directamente en la piel. Normalmente, en estas aplicaciones, estas galgas extensométricas blandas [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.
Muchos objetos y materiales en aplicaciones industriales tienen una vida finita. Para mejorar su vida útil y su coste de propiedad, se utilizan principios de mantenimiento predictivo. Los extensímetros se pueden utilizar para monitorear la deformación como indicador de fatiga en los materiales para permitir que los sistemas de software predigan cuándo es necesario reemplazar o reparar ciertos componentes. Los medidores de lámina resistiva se pueden usar para instrumentar materiales rígidos como metales, cerámicas, compuestos y similares, mientras que los medidores de tensión altamente elásticos se usan para monitorear materiales más blandos como caucho, plásticos, textiles y similares. [2]
En la aviación , las galgas extensométricas son el método estándar para medir la carga estructural y calcular la deflexión del ala. Las galgas extensométricas están fijadas en varios lugares del avión. Sin embargo, se ha demostrado que los sistemas de medición de la deflexión miden deformaciones fiables de forma remota. Esto reduce el peso de la instrumentación en la aeronave y, por lo tanto, reemplaza la galga extensométrica. [8]
También hay aplicaciones en las que no es obvio que se medirá la tensión para llegar al resultado deseado. Así, por ejemplo, en la detección de intrusos en determinadas estructuras, se pueden utilizar galgas extensométricas para detectar la presencia de dicho intruso. Esto se hace midiendo el ligero cambio en la deformación de dicha estructura. [9]
En algunas aplicaciones, las galgas extensométricas añaden masa y amortiguación a los perfiles de vibración del hardware que pretenden medir. En la industria de la turbomaquinaria, 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 intrusivo , que permite medir las vibraciones de las palas sin ningún hardware montado en la pala o en el disco...
En el mercado se encuentran disponibles los siguientes tipos de galgas extensométricas:
Los dispositivos de medición de galgas extensométricas son propensos a sufrir problemas de deriva. Además, su fabricación requiere requisitos precisos durante todos los pasos de producción. Por lo tanto, existen múltiples formas diferentes de medir también la deformación. [2]
La tensión también se puede medir mediante 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 y detectar pequeños movimientos. Se puede calcular el mapa de deformación completo de la muestra analizada, proporcionando 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 , recipientes de hilo , LVDT y acelerómetros . [16] .. La precisión del software DIC disponible comercialmente generalmente oscila entre 1/100 y 1/30 de píxel para mediciones de desplazamientos que dan como resultado una sensibilidad a la 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 pruebas de impacto, alta tensión, alta temperatura o fatiga de ciclo alto . [18]
Hoy en día existen muchos fabricantes en el campo de la medición de deformaciones. Producen galgas extensométricas para diversas superficies de montaje, tamaños y formas. Para personal no capacitado, la implementación correcta y la elección del tipo adecuado 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 ofrecen asesoramiento sobre la elección correcta para cada aplicación. También cuentan con programas de formación para sus clientes para garantizar una correcta implementación.
Una de las empresas líderes es Zemic Europe, que ofrece miles de tipos diferentes de galgas extensométricas. [19]
Otra empresa global es HBM (Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH). Ofrecen una amplia variedad de galgas extensométricas y productos asociados. [20]
En 1995 el Prof. Dr.-Ing. Stefan Keil publicó la primera edición de un libro detallado sobre galgas extensométricas y su uso llamado “Dehnungsmessstreifen”. Aunque esta primera edición sólo 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 fue traducida al inglés, por lo que estuvo disponible para más ingenieros que utilizan galgas extensométricas. Este libro más reciente se titula “Tecnología y uso práctico de galgas extensométricas”. [2]
El término "galga extensométrica" se puede encontrar en sociología. La teoría del indicador de tensión social 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 o en toda la estructura social. La teoría dice que las acusaciones de brujería fueron una válvula de presión de la sociedad. [22]
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