Medidor de tensión

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 .

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]

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.

El factor de calibre se define como:${\estilo de visualización GF}$

${\displaystyle GF={\frac {\Delta R/R_{G}}{\epsilon }}}$

dónde

${\displaystyle \Delta R}$es el cambio en la resistencia causado por la tensión,

$Estilo de visualización R_{G}$es la resistencia del calibre no deformado, y

${\displaystyle \épsilon}$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:${\estilo de visualización SV}$

${\displaystyle SV=EV{\frac {GF\cdot \epsilon }{4}}}$

dónde

${\estilo de visualización EV}$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.

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.

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.

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.

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.

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]

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]

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]

• Desplazamiento cero: si la impedancia de los cuatro brazos del medidor no es exactamente la misma después de conectar el medidor al colector de fuerza, habrá un desplazamiento cero que se puede compensar introduciendo una resistencia paralela a uno o más de los brazos del medidor.
• El coeficiente de temperatura del factor de calibración (TCGF) es el cambio de sensibilidad del dispositivo a la tensión con el cambio de temperatura. Esto generalmente se compensa con la introducción de una resistencia fija en la pata de entrada, por lo que el voltaje suministrado efectivo disminuirá con un aumento de temperatura, compensando el aumento de sensibilidad con el aumento de temperatura. Esto se conoce como compensación de módulo en circuitos transductores. A medida que aumenta la temperatura, el elemento de la celda de carga se vuelve más elástico y, por lo tanto, bajo una carga constante se deformará más y conducirá a un aumento en la salida; pero la carga sigue siendo la misma. Lo inteligente de todo esto es que la resistencia en la fuente de alimentación del puente debe ser una resistencia sensible a la temperatura que coincida tanto con el material al que está adherido el calibre como también con el material del elemento del calibre. El valor de esa resistencia depende de ambos valores y se puede calcular. En términos simples, si la salida aumenta, entonces el valor de la resistencia también aumenta, reduciendo así el voltaje neto al transductor. Obtenga el valor de la resistencia correctamente y no verá ningún cambio.
• Desplazamiento del cero con la temperatura: si el factor de conversión de calor de cada medidor no es el mismo, se producirá un desplazamiento del cero con la temperatura. Esto también se debe a anomalías en el colector de fuerza. Esto suele compensarse con una o más resistencias colocadas estratégicamente en la red de compensación.
• La linealidad es un error por el cual la sensibilidad cambia a lo largo del rango de presión. Esto suele ser una función de la selección del espesor de recolección de fuerza para la presión deseada y la calidad de la unión.
• La histéresis es un error de retorno a cero después de una excursión de presión.
• Repetibilidad: este error a veces está relacionado con la histéresis, pero se presenta en todo el rango de presión.
• Errores inducidos por interferencias electromagnéticas ( EMI ): como el voltaje de salida de los extensómetros está en el rango de mV, incluso μV si el control de voltaje del puente de Wheatstone se mantiene bajo para evitar el autocalentamiento del elemento, se debe tener especial cuidado en la amplificación de la señal de salida para evitar amplificar también el ruido superpuesto. Una solución que se adopta con frecuencia es utilizar amplificadores de "frecuencia portadora", que convierten la variación de voltaje en una variación de frecuencia (como en los osciladores controlados por voltaje ) y tienen un ancho de banda estrecho, lo que reduce la EMI fuera de banda.
• Sobrecarga: si se carga un extensómetro más allá de su límite de diseño (medido en microdeformación), su rendimiento se degrada y no se puede recuperar. Normalmente, las buenas prácticas de ingeniería sugieren no someter los extensómetros a una tensión superior a ±3000 microdeformación.
• Humedad – Si los cables que conectan el extensómetro al acondicionador de señal no están protegidos contra la humedad, como por ejemplo un cable desnudo, puede producirse corrosión, lo que da lugar a una resistencia parásita. Esto puede permitir que fluyan corrientes entre los cables y el sustrato al que está pegado el extensómetro, o entre los dos cables directamente, introduciendo un error que compite con la corriente que fluye a través del extensómetro. Por este motivo, los extensómetros de alta corriente y baja resistencia (120 ohmios) son menos propensos a este tipo de error. Para evitar este error es suficiente proteger los cables del extensómetro con un esmalte aislante (por ejemplo, de tipo epoxi o poliuretano). Los extensómetros con cables sin protección solo se pueden utilizar en un entorno de laboratorio seco, pero no en uno industrial.

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.

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

• Medidores de tensión lineales
• Medidores de tensión de roseta de membrana
• Galgas extensométricas lineales dobles
• Galgas extensométricas de puente completo
• Medidores de tensión de corte
• Galgas extensométricas de medio puente
• Medidores de tensión de columna
• Roseta de 45° (3 direcciones de medición)
• Roseta de 90° (2 direcciones de medición).

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]

• Para las mediciones de pequeñas deformaciones, los extensómetros semiconductores, llamados piezorresistores , suelen preferirse a los extensómetros de lámina. Un extensómetro semiconductor suele tener un factor de calibre mayor que un extensómetro de lámina. Los extensómetros semiconductores tienden a ser más caros, más sensibles a los cambios de temperatura y son más frágiles que los extensómetros de lámina.
• Los extensómetros basados ​​en nanopartículas surgen como una nueva tecnología prometedora. Estos sensores resistivos cuya zona activa está formada por un conjunto de nanopartículas conductoras, como oro o carbono , combinan un elevado factor de calibre, un amplio rango de deformación y un bajo consumo eléctrico debido a su alta impedancia.
• En las mediciones biológicas, especialmente en el flujo sanguíneo y la hinchazón de los tejidos, se utiliza una variante llamada extensómetro de mercurio en caucho . Este tipo de extensómetro consiste en una pequeña cantidad de mercurio líquido encerrada en un pequeño tubo de goma, que se aplica alrededor de un dedo del pie o de una pierna, por ejemplo. La hinchazón de la parte del cuerpo produce un estiramiento del tubo, haciéndolo más largo y más delgado, lo que aumenta la resistencia eléctrica.
• La detección por fibra óptica se puede utilizar para medir la tensión a lo largo de una fibra óptica . Las mediciones se pueden distribuir a lo largo de la fibra o tomar en puntos predeterminados de la misma. Los barcos de la America's Cup 2010, Alinghi 5 y USA-17, utilizan sensores integrados de este tipo. ^[10]

• Se pueden utilizar otras técnicas de medición óptica para medir tensiones, como la interferometría de patrones de moteado electrónico o la correlación de imágenes digitales .
• Los extensómetros a microescala se utilizan ampliamente en sistemas microelectromecánicos (MEMS) para medir tensiones como las inducidas por fuerza, aceleración, presión o sonido. ^[11] Por ejemplo, los airbags de los coches suelen activarse con acelerómetros MEMS. Como alternativa a los extensómetros piezoeléctricos resistentes, se pueden utilizar resonadores de anillo óptico integrados para medir la tensión en sistemas microoptoelectromecánicos (MOEMS). ^[12]
• Los medidores de tensión capacitivos utilizan un condensador variable para indicar el nivel de deformación mecánica.
• Los extensómetros de cuerda vibrante se utilizan en aplicaciones de ingeniería civil y geotécnica. El extensómetro consiste en un alambre vibrante y tensado. La deformación se calcula midiendo la frecuencia de resonancia del alambre (un aumento de la tensión aumenta la frecuencia de resonancia).
• Los extensómetros de cristal de cuarzo también se utilizan en aplicaciones geotécnicas. Un sensor de presión , un extensómetro de cristal de cuarzo resonante con un colector de fuerza de tubo Bourdon es el sensor crítico de DART . ^[13] DART detecta olas de tsunami desde el fondo del océano abierto. Tiene una resolución de presión de aproximadamente 1 mm de agua cuando mide la presión a una profundidad de varios kilómetros. ^[14]
• Los sensores de fuerza multiaxiales podrían tener muchas ventajas sobre los extensómetros en cuanto a seguridad, destreza y perspectivas colaborativas. Se basan en placas compuestas resonantes pretensadas cuyas mediciones se realizan mediante transductores piezoeléctricos. Permiten medir tres componentes de fuerzas externas. Además, el hardware necesario es más económico que el de los extensómetros clásicos. ^[15]

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]

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]

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]

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]

• Termómetro de resistencia
• Compresómetro