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:
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
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.
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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 las cuales las son consideradas como positivas aquellas que generan tensión sobre un cuerpo, mientras que las fuerzas que comprimen a un cuerpo son consideradas negativas
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Figura 2. Variación de resistencia por tensión o compresión
Magnitud que mide
La galga extensiométrica nos permite obtener, mediante el adecuado acondicionamiento de la señal resultante, una lectura directade la deformación 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 (ε). 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).
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Figura 3. Deformación deun objeto
Cabe mencionar que la deformación unitaria se encuentra ligada a la Ley de Hooke: En la zona elástica del material, la deformación unitaria (ε) es proporcional a la tensión o esfuerzo (σ) (ver Figura 4).
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Figura 4. Grafica de esfuerzo-deformación
ε=σE=FAE, además sabemos de la definición anterior que ε=ΔLLDonde:
ε- Deformación unitaria,[adim]
F- Fuerza aplicada
E-Módulo de Young o módulo de elasticidad del material
A- Sección del hilo
σ- Esfuerzo axial
Factor de galga (K)
Un parámetro de gran importancia al momento considerar la elección de una galga extensiométrica, es el llamado factor de galga (K). 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 definecomo:
K=ΔRR0ΔLL=ΔRR0εDonde:
K- Factor de galga; [adim]
ΔR- Variación de la resistencia; [Ω]
R0- Resistencia en reposo; [Ω]
ΔL- Variación de la longitud; [mm]
L0- Longitud inicial; [mm]
ε- Deformación unitaria
Como dato adicional, todas las galgas comerciales especifican el factor de galga, por lo que conviene expresar la deformación en función de K:
ϵ=1K*ΔRR0Principio de funcionamiento
Lagalga extensiométrica es básicamente una resistencia eléctrica (variable por la deformación). Y se parte 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:
R=ρ*LADonde:
R- Resistencia de la galga; [Ω]
ρ- Resistividad;...