Medir tensión con galgas extensiométricas
Este documento proporciona información para ayudarlo a comprender los conceptos básicos de tensión, cómo funcionan las galgas extensiométricas y cómo seleccionar el tipo correcto de configuración. Después de decidirse por los sensores, puede considerar el hardware y el software necesarios para acondicionar, adquirir y visualizar correctamente las medidas de tensión. También puede considerar cualquier acondicionamiento de señales adicional que pueda necesitar.
¿Qué es la tensión?
En las pruebas y medidas mecánicas, debe entender cómo reacciona un objeto a varias fuerzas. La cantidad de deformación que experimenta un material debido a una fuerza aplicada se llama tensión. La tensión se define como la relación entre el cambio de longitud de un material y la longitud original no afectada, como se muestra en la Figura 1. La tensión puede ser positiva (tracción), debido al alargamiento, o negativa (compresión), debido a la contracción. Cuando un material se comprime en una dirección, la tendencia a expandirse en las otras dos direcciones perpendiculares a esta fuerza se conoce como efecto Poisson. La relación de Poisson (v) es la medida de este efecto y se define como la relación negativa de la tensión en la dirección transversal a la tensión en la dirección axial. Aunque adimensional, la tensión a veces se expresa en unidades como pulg./pulg. o mm/mm. En la práctica, la magnitud de la tensión medida es muy pequeña, por lo que a menudo se expresa como microtensión (µε), que es ε x 10-6.
Figura 1. La tensión es la relación entre el cambio de longitud de un material y la longitud original no afectada.
Los cuatro diferentes tipos de tensión son axial, flexión, cortante y torsional. La tensión axial y por flexión son las más comunes (ver Figura 2). La tensión axial mide cómo se estira o comprime un material como resultado de una fuerza lineal en la dirección horizontal. La tensión por flexión mide un estiramiento en un lado de un material y la contracción en el lado opuesto debido a la fuerza lineal aplicada en la dirección vertical. La tensión cortante mide la cantidad de deformación que se produce por una fuerza lineal con componentes en dirección horizontal y vertical. La tensión torsional mide una fuerza circular con componentes en dirección horizontal y vertical.
Figura 2. La tensión axial mide cómo un material se estira o se separa. La tensión por flexión mide un estiramiento en un lado y una contracción en el otro lado.
Medir la tensión
La tensión se mide comúnmente con una galga extensiométrica. Una galga extensiométrica funciona midiendo su resistencia eléctrica en el objeto sujeto a una fuerza axial, de flexión, de corte o de torsión. Dado que la resistencia eléctrica varía en proporción a la cantidad de tensión en el dispositivo a medida que se aplica la fuerza, se puede utilizar para cuantificar la tensión. La galga extensiométrica más utilizada es la galga extensiométrica metálica adherida. La galga extensiométrica metálica consiste en un alambre muy fino o, más comúnmente, una lámina metálica dispuesta en un patrón de rejilla. El patrón de rejilla maximiza la cantidad de alambre metálico o lámina sometida a tensión en dirección paralela. La rejilla está adherida a una pared delgada llamada el portador, que se une directamente a la muestra de la prueba. Por lo tanto, la tensión experimentada por la muestra de la prueba se transfiere directamente a la galga extensiométrica, que responde con un cambio lineal en la resistencia eléctrica.
Figura 3. La resistencia eléctrica de la rejilla metálica cambia en proporción a la cantidad de tensión experimentada por la muestra de la prueba.
Un parámetro fundamental de la galga extensiométrica es su sensibilidad a la tensión, expresada cuantitativamente como el factor de galga (GF). El GF es la relación del cambio fraccional en la resistencia eléctrica con el cambio fraccional en longitud o tensión:
El GF para galgas extensiométricas metálicas suele ser de alrededor de 2. Puede obtener el GF actual de una galga extensiométrica en particular con el proveedor de sensores o en la documentación del sensor.
En la práctica, las medidas de tensión rara vez implican cantidades superiores a militensión (e x 10-3). Por lo tanto, para medir la tensión, debe medir con precisión cambios muy pequeños en la resistencia. Por ejemplo, suponga que una muestra de la prueba se somete a una tensión de 500 me. Una galga extensiométrica con un GF de 2 exhibe un cambio en la resistencia eléctrica de solo 2 (500 x 10-6) = 0.1%. Para un calibre de 120 Ω, este es un cambio de solo 0.12 Ω.
Para medir cambios tan pequeños en la resistencia, las configuraciones de galgas extensiométricas se basan en el concepto de un puente Wheatstone. El puente Wheatstone general, ilustrado en la Figura 4, es una red de cuatro brazos resistivos con un voltaje de excitación, VEX, que se aplica a través del puente.
Figura 4. .Las galgas extensiométricas se configuran en los circuitos del puente Wheatstone para detectar pequeños cambios en la resistencia.
El puente Wheatstone es el equivalente eléctrico de dos circuitos divisores de voltaje paralelo. R1y R2 componen un circuito divisor de voltaje, y R4y R3 componen el segundo circuito divisor de voltaje. La salida de un puente Wheatstone, Vo, se mide entre los nodos medios de los dos divisores de voltaje.
A partir de esta ecuación, usted puede ver que cuando R1/R2 = R4/R3, la salida de voltaje VOes cero. En estas condiciones, se dice que el puente está equilibrado. Cualquier cambio en la resistencia en cualquier brazo del puente da como resultado un voltaje de salida distinto de cero. Por lo tanto, si reemplaza R4 en la Figura 4 con una galga extensiométrica activa, cualquier cambio en la resistencia de la galga extensiométrica desequilibra el puente y produce un voltaje de salida distinto de cero que es una función de la tensión.
Elegir la galga extensiométrica adecuada
Tipos de galgas extensiométricas
Los tres tipos de configuraciones de galgas extensiométricas, cuarto, medio y puente completo, se determinan por el número de elementos activos en el puente Wheatstone, la orientación de las galgas extensiométricas y el tipo de tensión que se mide.
Galga extensiométrica de cuarto de puente
Configuración tipo I
- Mide la tensión axial o por flexión
- Requiere un resistor de terminación pasiva de cuarto de puente conocido como resistor simulado
- Requiere resistores de terminación de medio puente para completar el puente Wheatstone
- R4 es una galga extensiométrica activa que mide la tensión por tracción (+ε)
Figura 5. Configuraciones de galgas extensiométricas de cuarto de puente.
Tipo de configuración II
Idealmente, la resistencia de la galga extensiométrica debería cambiar solo en respuesta a la tensión aplicada. Sin embargo, el material de la galga extensiométrica, así como el material de la muestra al que se aplica la galga, también responde a los cambios de temperatura. La configuración de galgas extensiométricas de cuarto de puente tipo II ayuda a minimizar aún más el efecto de la temperatura, usando dos galgas extensiométricas en el puente. Como se muestra en la Figura 6, generalmente una galga extensiométrica (R4) está activa y una segunda galga extensiométrica (R3) está montada en contacto térmico directo, pero no adherida a la muestra y colocada transversalmente al eje principal de tensión. Por lo tanto, la tensión tiene poco efecto en esta galga simulada, pero cualquier cambio de temperatura afecta a ambas galgas de la misma manera. Debido a que los cambios de temperatura son idénticos en las dos galgas extensiométricas, la relación de su resistencia no cambia, el voltaje de salida (Vo) no cambia y se minimizan los efectos de la temperatura.
Figura 6. Las galgas extensiométricas simuladas eliminan los efectos de la temperatura en la medida de tensión
Galga extensiométrica de medio puente
Usted puede duplicar la sensibilidad del puente ante la tensión activando ambas galgas extensiométricas en una configuración de medio puente.
Configuración tipo I
- Mide la tensión axial o por flexión
- Requiere resistores de terminación de medio puente para completar el puente Wheatstone
- R4 es una galga extensiométrica activa que mide la tensión por tracción (+ε)
- R3 es una galga extensiométrica activa que compensa el efecto de Poisson (-νε)
Esta configuración comúnmente se confunde con la configuración de cuarto de puente tipo II, pero el tipo I tiene un elemento R3 activo que está adherido a la muestra de tensión.
Tipo de configuración II
Mide solo la tensión por flexión
Requiere resistores de terminación de medio puente para completar el puente Wheatstone
R4 es una galga extensiométrica activa que mide la tensión por tracción (+ε)
R3 es una galga extensiométrica activa que mide la tensión por compresión (-ε)
Figura 7. Las galgas extensiométricas de medio puente son dos veces más sensibles que las galgas extensiométricas de un cuarto de puente.
Galga extensiométrica de puente completo
Una configuración de galga extensiométrica de puente completo tiene cuatro galgas extensiométricas activas y está disponible en tres tipos diferentes. Los tipos I y II miden la tensión por flexión y el tipo III mide la tensión axial. Solo los tipos II y III compensan el efecto Poisson, pero los tres tipos minimizan los efectos de la temperatura.
Configuración tipo I: Solo tensión por flexión
- Altamente sensible solo a la tensión por flexión
R1 y R3 son galgas extensiométricas activas que miden la tensión por compresión (–e)
R2 y R4 son galgas extensiométricas activas que miden la tensión por tracción (+e)
Tipo de configuración II
Mide solo la tensión por flexión
Requiere resistores de terminación de medio puente para completar el puente Wheatstone
R4 es una galga extensiométrica activa que mide la tensión por tracción (+ε)
R3 es una galga extensiométrica activa que mide la tensión por compresión (-ε)
R4 es una galga extensiométrica activa que mide la tensión por tracción (+e)
Configuración tipo III: Solo tensión axial
Mide la tensión axial
R1 y R3 son galgas extensiométricas activas que miden el efecto de compresión de Poisson (–νe)
R2 y R4 son galgas extensiométricas activas que miden la tensión por tracción (+e)
Figura 8. Configuraciones de galgas extensiométricas de puente completo.
Especificaciones de galgas extensiométricas a considerar
Una vez que haya decidido el tipo de tensión que desea medir (axial o por flexión), otras consideraciones incluyen sensibilidad, costo y condiciones de operación. Para la misma galga extensiométrica, cambiar la configuración del puente puede mejorar su sensibilidad a la tensión. Por ejemplo, la configuración tipo I de puente completo es cuatro veces más sensible que la configuración tipo I de cuarto de puente. Sin embargo, el tipo I de puente completo requiere tres galgas extensiométricas más que el tipo I de cuarto de puente. También requiere acceso a ambos lados de la estructura calibrada. Además, las galgas extensiométricas de puente completo son significativamente más caras que las galgas de medio puente y cuarto de puente. Para obtener un resumen de los diversos tipos de galgas extensiométricas, consulte la siguiente tabla.
Ancho de la rejilla
Usar una rejilla más ancha, si no está limitado por el sitio de instalación, mejora la disipación de calor y aumenta la estabilidad de la galga extensiométrica. Sin embargo, si la muestra de la prueba tiene severos gradientes de tensión perpendiculares al eje principal de tensión, considere usar una rejilla angosta para minimizar el error por el efecto de la tensión cortante y la tensión de Poisson.
Resistencia nominal de la galga
La resistencia nominal de la galga es la resistencia de una galga extensiométrica en una posición libre. Usted puede obtener resistencia nominal de una galga extensiométrica en particular con el proveedor de sensores o en la documentación del sensor. Los valores más comunes de resistencia nominal de las galgas extensiométricas comerciales son 120 Ω, 350 Ω y 1000 Ω. Considere una resistencia nominal más alta para reducir la cantidad de calor generado por el voltaje de excitación. Una resistencia nominal más alta también ayuda a reducir las variaciones de señal causadas por cambios en la resistencia del cable conductor debido a las fluctuaciones de temperatura.
Compensación de temperatura
Idealmente, la resistencia de la galga extensiométrica debería cambiar solamente en respuesta a la tensión. Sin embargo, la resistividad y la sensibilidad de una galga extensiométrica también cambian con la temperatura, lo que produce errores de medidas. Los fabricantes de galgas extensiométricas intentan minimizar la sensibilidad a la temperatura procesando el material de la galga para compensar la expansión térmica del material de la muestra para el cual está diseñada. Estas configuraciones de puente con compensación de temperatura son más inmunes a los efectos de la temperatura. También considere usar un tipo de configuración que ayude a compensar los efectos de las fluctuaciones de temperatura.
Instalación
Instalar galgas extensiométricas puede requerir una cantidad significativa de tiempo y recursos, y varía mucho dependiendo de la configuración del puente. La cantidad de galgas adheridas, la cantidad de cables y la ubicación de montaje pueden afectar el nivel de dificultad de la instalación. Ciertas configuraciones de puente incluso requieren la instalación de una galga en lados opuestos de una estructura, lo que puede ser difícil o incluso imposible. El tipo I de cuarto de puente es el más simple porque solo requiere una instalación de calibre y dos o tres cables.
| Configuración tipo I | Configuración tipo II: Solo tensión por flexión |
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| Configuración tipo I | Tipo de configuración II |
Esta configuración comúnmente se confunde con la configuración de cuarto de puente tipo II, pero el tipo I tiene un elemento R3 activo que está adherido a la muestra de tensión. |
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| Configuración tipo I: Solo tensión por flexión | Configuración tipo II: Solo tensión por flexión | Configuración tipo III: Solo tensión axial | |
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| Configuración tipo I | Tipo de configuración II | Configuración tipo III | |
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Tipo de medida | Cuarto de puente | Medio puente | Puente completo | ||||
Tipo I | Tipo II | Tipo I | Tipo II | Tipo I | Tipo II | Tipo III | |
| Tensión axial | Sí | Sí | Sí | No | No | No | Sí |
| Tensión por flexión | Sí | Sí | Sí | Sí | Sí | Sí | No |
| Compensación |
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| Sensibilidad transversal | No | No | Sí | No | No | Sí | Sí |
| Temperatura | No | Sí | Sí | Sí | Sí | Sí | Sí |
| Sensibilidad |
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| Sensibilidad a 1000 µε | ~0.5 mV/V | ~0.5 mV/V | ~0.65 mV/V | ~1.0 mV/V | ~2.0 mV/V | ~1.3 mV/V | ~1.3 mV/V |
| Instalación |
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| Cantidad de galgas adheridas | 1 | 1* | 2 | 2 | 4 | 4 | 4 |
| Ubicación de montaje | Un solo lado | Un solo lado | Un solo lado | Lados opuestos | Lados opuestos | Lados opuestos | Lados opuestos |
| Cantidad de cables | 2 ó 3 | 3 | 3 | 3 | 4 | 4 | 4 |
| Resistores de terminación de puente | 3 | 2 | 2 | 2 | 0 | 0 | 0 |
| * Se coloca una segunda galga extensiométrica en contacto térmico directo con la estructura, pero no se adhiere. | |||||||
Acondicionamiento de señales para galgas extensiométricas
Las medidas de galgas extensiométricas son complejas y varios factores pueden afectar el rendimiento de las medidas. Por lo tanto, debe seleccionar y utilizar correctamente el puente, el acondicionamiento de señales, el cableado y los componentes DAQ para generar medidas confiables. Por ejemplo, las tolerancias de resistencia y la tensión inducida por la aplicación de la galga generan algún voltaje de desfase inicial cuando no se aplica ninguna tensión. De manera similar, los cables conductores largos pueden agregar resistencia al brazo del puente, lo que agrega un error de desfase y insensibiliza la salida del puente. Para obtener medidas de tensión precisas, considere si necesita lo siguiente:
- Terminación de puente para completar el circuito requerido para galgas extensiométricas de cuarto y medio puente
- Excitación para alimentar el circuito del puente Wheatstone
- Detección remota para compensar errores en el voltaje de excitación de cables conductores largos
- Amplificación para aumentar la resolución de la medida y mejorar la relación señal-ruido
- Filtrado para eliminar el ruido externo de alta frecuencia
- Anulación de desfase para equilibrar el puente a la salida de 0 V cuando no se aplica tensión
- Calibración de derivación para verificar la salida del puente a un valor conocido y esperado
Para aprender a compensar estos errores y revisar otras consideraciones de hardware para medidas de tensión, descargue la Guía del ingeniero para medidas precisas de sensores..
Conectar sensores de tensión al hardware de NI
Una vez que sepa cuáles son sus necesidades de pruebas y sensores, el siguiente paso importante es decidir el hardware para recopilar esos datos. La calidad del hardware de adquisición determina la calidad de los datos que usted recopila.
NI ofrece una variedad de hardware de tensión/puente que está diseñado para adquirir datos de tensión y es compatible con una variedad de sensores de galgas extensiométricas.
Configuración de hardware
Combine su galga extensiométrica con el hardware recomendado
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Otros productos para medir la tensión
Los siguientes productos pueden conectarse con sensores de galgas extensiométricas. Estos productos también funcionan con medidas de presión, fuerza, carga y torsión. Aprenda más sobre medir presión con sensores basados en puente u otros sensores de presión, carga con sensores basados en puente o torsión con sensor basado en puente para elegir los sensores correctos y su uso con productos de NI.
