Sensores De Fuerza

Sensores de Fuerza.
Los sensores de fuerza, par y deformación pueden ser diseñados en base a fenómenos tales como: piroeléctrico, capacitivo, óptico, ultrasónico o magnético. Pero, dentro de la industria los que destacan por su mayor aplicación comercial son lo basados en los fenómenos piezoresistivos y piezoeléctricos. Los cuales se describen en seguida:
1) Sensores piezoresistivos.
Elprincipio piezoresistivo es muy utilizado para realizar mediciones de fuerza y deformación. Distintos tipos de sensores usan este principio para lograr la transducción de una fuerza o deformación a una señal eléctrica. Los sensores basados en el principio piezoresistivo más populares son las galgas extensiométricas.
Galgas extensiométricas
a) Definición
Las galgas extensiométricas son, tal vez, elinstrumento más utilizado para la medición de esfuerzos y deformaciones se basan en el principio piezoresistivo descubierto por lord Kelvin en el año de 1856, el cual establece que la resistencia de un metal o semiconductor varia cuando este es deformado por la aplicación de una fuerza externa o gradiente de temperatura.
La estructura básica de una galga consiste en un conjunto de pequeños alambres conuna resistencia eléctrica variable (ver Figura 1). La cual tiene un eje activo (longitudinal) para el cual la deformación es máxima, mientras que en el eje transversal es prácticamente insensible a la deformación.









Figura 1. Galga extensiométrica
Cuando la galga es sometida a una deformación, su resistencia eléctrica cambia lo que puede generar dos tipos de fuerzas (ver Figura 2). De lascuales las son consideradas como positivas aquellas que generan tensión sobre un cuerpo, mientras que las fuerzas que comprimen a un cuerpo son consideradas negativas










Figura 2. Variación de resistencia por tensión o compresión
b) Magnitud que mide
La galga extensiométrica nos permite obtener, mediante el adecuado acondicionamiento de la señal resultante, una lectura directa de ladeformación longitudinal producida en un punto de la superficie de un material dado, en el cual se ha adherido la galga.
La unidad de medida de la deformación se expresa mediante (). Esta unidad de medida es adimensional, y expresa la relación existente entre el incremento de longitud experimentado por el objeto y su longitud inicial (ver Figura 3).




Figura 3. Deformación de un objeto
Cabe mencionarque la deformación unitaria se encuentra ligada a la Ley de Hooke: En la zona elástica del material, la deformación unitaria es proporcional a la tensión o esfuerzo (ver Figura 4).






Figura 4. Grafica de esfuerzo-deformación

, además sabemos de la definición anterior que

Donde:
- Deformación unitaria,[adim]
- Fuerza aplicada
- Módulo de Young o módulo de elasticidad del material
-Sección del hilo
- Esfuerzo axial

c) Factor de galga ()
Un parámetro de gran importancia al momento considerar la elección de una galga extensiométrica, es el llamado factor de galga (). El cual especifica la variación de la resistencia respecto a la deformación o, en pocas palabras, el factor de sensibilidad de la galga. El cual se define como:

Donde:
- Factor de galga; [adim]
- Variación de laresistencia; []
- Resistencia en reposo; []
- Variación de la longitud; [mm]
- Longitud inicial; [mm]
- Deformación unitaria

Como dato adicional, todas las galgas comerciales especifican el factor de galga, por lo que conviene expresar la deformación en función de :


d) Principio de funcionamiento
La galga extensiométrica es básicamente una resistencia eléctrica (variable por la deformación). Y separte de la hipótesis inicial de que la galga experimenta las mismas deformaciones que la superficie sobre la cual está pegada.
La resistencia de la galga es la propia resistencia del hilo, que viene dada por la siguiente ecuación:

Donde:
- Resistencia de la galga; []
- Resistividad; []
- Longitud; [mm]
- Área de la sección; []

De este modo las deformaciones que se producen en el objeto, en el...