Tensometría (del latín tensus - estresado y griego μετρέω - medida) - un conjunto de métodos experimentales para determinar la tensión mecánica de una parte, estructura. Se basa en la determinación de deformaciones u otros parámetros del material provocados por esfuerzos mecánicos (por ejemplo, birrefringencia o rotación del plano de polarización de la luz en piezas transparentes cargadas).
Los instrumentos para medir deformaciones se denominan galgas extensométricas . Según el principio de funcionamiento, las galgas extensométricas se dividen en eléctricas, ópticas, neumáticas y acústicas. La galga extensiométrica incluye una galga extensiométrica y dispositivos indicadores (indicadores) y/o dispositivos registradores.
Las galgas extensométricas diseñadas para medir deformaciones en muchos puntos del objeto en estudio y equipadas con medios para procesar datos, registrarlos y transmitirlos como señales de control a menudo se denominan estaciones de galgas extensométricas o galgas extensométricas.
Hasta la década de 1980, las galgas extensométricas eran un conjunto de registradores que registraban las señales de muchos sensores en una cinta de papel. El desarrollo de la tecnología informática y el uso de ADC han cambiado la apariencia de estos equipos. Se hizo posible no solo registrar señales de galgas extensométricas, sino también procesarlas digitalmente en tiempo real , visualizar deformaciones en pantallas de monitores y emitir automáticamente señales de control para cambiar el modo de operación de la estructura probada, por ejemplo, para compensar la deformación de partes de manipuladores en máquinas CNC , lo que mejora la precisión.
Se han propuesto muchos métodos diferentes para medir deformaciones, cada uno de ellos tiene sus propias ventajas y desventajas, por lo que la elección de un método u otro depende de la tarea específica.
Basado en la medición de pequeños desplazamientos de superficies, que se registran, por ejemplo, mediante métodos de interferencia , patrones de muaré , etc.
Un grupo separado de métodos ópticos son los sensores de fibra óptica basados en la medición de la deformación de un hilo de fibra óptica pegado al objeto en estudio, en el que se forma una red de Bragg .
Para estudiar las deformaciones de piezas ópticamente transparentes, se utilizan métodos basados en el efecto de la aparición de birrefringencia o rotación del plano de polarización en piezas cargadas: el fenómeno de la fotoelasticidad . En este caso, la pieza se coloca entre polarizadores cruzados y se observa un patrón visualizado de tensiones en la luz transmitida. En este caso, se suelen estudiar las deformaciones de modelos de piezas ópticamente transparentes [1] .
Se basan en medir la presión del aire comprimido en la boquilla adyacente a la superficie de la pieza en estudio. Cambiar la distancia a la boquilla desde la superficie provoca un cambio registrado en la presión.
Cuando se cargan piezas, los parámetros acústicos del material cambian, como la velocidad del sonido , la resistencia acústica , la atenuación. Estos cambios se pueden medir con sensores piezoeléctricos .
Además, los métodos acústicos incluyen sensores, cuando se cargan, cambia la frecuencia de las oscilaciones naturales del elemento sensible, por ejemplo, sensores de cuerda.
Se aprovecha el cambio en los parámetros eléctricos del material del elemento sensible de la galga extensiométrica bajo carga, generalmente cambios en la resistencia eléctrica (sensores de resistencia a la deformación) o generando esfuerzos durante las deformaciones (piezoeléctricos). La desventaja de estos últimos es que no son adecuados para medir deformaciones estáticas, pero tienen una sensibilidad muy alta.
Convencionalmente, los métodos eléctricos incluyen varios medidores eléctricos de pequeños desplazamientos: sensores capacitivos, inductivos, etc.
Cuando el material se deforma, las distancias interatómicas en la red metálica del material del objeto en estudio cambian, lo que puede medirse por métodos de difracción de rayos X.
Ahora es el método más conveniente y más utilizado. Cuando los materiales eléctricamente conductores (metales, semiconductores ) se deforman, su resistividad eléctrica cambia y, como resultado, cambia la resistencia del elemento sensible del sensor. Como materiales conductores se suelen utilizar películas metálicas depositadas sobre un sustrato dieléctrico flexible. Recientemente, se han utilizado sensores semiconductores. La resistencia del elemento sensor se mide de una forma u otra.
Se deposita una película de aleación de metal sobre un sustrato dieléctrico (por ejemplo, una película de polímero o mica ) en el vacío a través de una máscara , o se forma una configuración conductora sobre el sustrato mediante métodos fotolitográficos . En este último caso, se aplica una capa de fotoprotector sobre una película metálica continua predepositada sobre un sustrato y se ilumina con radiación ultravioleta a través de una fotomáscara . Dependiendo del tipo de fotoprotector, las áreas expuestas o no expuestas del fotorresistente se lavan con un solvente. Luego, la película de metal desprotegida por la fotoprotección se disuelve (por ejemplo, con ácido), formando un patrón figurado de la película de metal.
Como material de película, generalmente se usan aleaciones que tienen un coeficiente de resistividad de baja temperatura (por ejemplo, manganina ), para reducir el efecto de la temperatura en las lecturas del medidor de tensión.
Cuando se utiliza una galga extensométrica, el sustrato se pega a la superficie de un objeto que se está estudiando para determinar su deformación o a la superficie de un elemento elásticamente deformable en caso de uso en escalas , dinamómetros , torsiómetros , sensores de presión , etc., de modo que la galga extensométrica se deforma junto con la pieza.
La sensibilidad a la deformación de una galga extensométrica de este tipo depende de la dirección de aplicación de la fuerza de deformación. Así, la mayor sensibilidad en tracción y compresión se encuentra en el eje vertical en el patrón y casi nula en el horizontal, ya que las tiras metálicas en configuración en zigzag cambian más fuertemente su sección transversal durante la deformación vertical.
La galga extensiométrica está conectada por medio de conductores eléctricos a un circuito de medición eléctrico externo.
Por lo general, las galgas extensométricas se incluyen en uno o dos brazos de un puente de Wheatstone equilibrado alimentado por una fuente de voltaje constante (puente diagonal A-D). Con la ayuda de una resistencia variable R 2 , el puente se equilibra, de modo que en ausencia de una fuerza aplicada, el voltaje diagonal se hace igual a cero. Se toma una señal de la diagonal del puente B-C, luego se alimenta al dispositivo de medición , amplificador diferencial o ADC .
Cuando se cumple la relación R 1 / R 2 = R x / R 3 , la tensión de la diagonal del puente es cero. Con la deformación, la resistencia R x cambia (por ejemplo, aumenta cuando se estira), esto provoca una disminución en el potencial del punto de unión de las resistencias R x y R 3 (B) y un cambio en el voltaje de la diagonal B-C del puente - una señal útil.
El cambio en la resistencia Rx puede ocurrir no solo por deformación, sino también por la influencia de otros factores, el principal de los cuales es el cambio de temperatura, que introduce un error en el resultado de la medición. Para reducir el efecto de la temperatura se utilizan aleaciones con bajo TCR, se termostatiza el objeto, se realizan correcciones por cambios de temperatura y/o se utilizan circuitos diferenciales para conectar galgas extensiométricas al puente.
Por ejemplo, en el circuito de la figura, en lugar de una resistencia constante R 3 , incluyen la misma galga extensiométrica que R x , pero cuando la pieza se deforma, esta resistencia cambia su resistencia con el signo contrario. Esto se logra pegando galgas extensiométricas en la superficie de zonas deformadas diferentes de la pieza, por ejemplo, desde diferentes lados de una viga doblada o desde un lado, pero con una orientación mutuamente perpendicular. Cuando cambia la temperatura, si la temperatura de ambas resistencias es igual, el signo y la magnitud del cambio en la resistencia (causado por el cambio de temperatura) son iguales y se compensa la variación de temperatura.
La industria también produce microcircuitos especializados para trabajar en conjunto con galgas extensométricas, en los que, además de amplificadores de señal, las fuentes de alimentación de puente, los circuitos de compensación térmica, los ADC, las interfaces digitales para la comunicación con los sistemas de procesamiento de señales digitales externas y otras funciones de servicio a menudo son previsto.
Se utiliza en el diseño de varias máquinas, piezas, estructuras. En este caso, por regla general, las deformaciones no se estudian en los objetos diseñados en sí, sino en sus maquetas, por ejemplo, maquetas de puentes, cascos de aviones, etc. A menudo, las maquetas se realizan en un tamaño reducido. .
También se utiliza en varios dispositivos de medición de fuerza, instrumentos: básculas, manómetros, dinamómetros, sensores de par (torsiómetros). En estos dispositivos, las galgas extensiométricas miden la deformación de elementos elásticos (vigas, ejes, membranas) [2] .