Galga extensiométrica

Tenzoresistor (del lat. tensus - tiempo y lat. resisto - resistir) - resistencia , cuya resistencia varía según su deformación [1] . Las galgas extensiométricas se utilizan en galgas extensiométricas . Con la ayuda de galgas extensométricas, es posible medir las deformaciones de los elementos conectados mecánicamente con ellos [2] . La galga extensométrica es el componente principal de las galgas extensométricas utilizadas para la medición indirecta de fuerza , presión , peso , tensión mecánica , par , etc.

Cómo funciona

Cuando los elementos conductores de la galga extensométrica se estiran, su longitud aumenta y la sección transversal disminuye, lo que aumenta la resistencia de la galga extensométrica, y cuando se comprime, disminuye.

El principio de funcionamiento se ilustra en la imagen animada. Para mayor claridad, en la imagen, el valor de la deformación de la galga extensiométrica aumenta exageradamente, al igual que el cambio en la resistencia. En realidad, los cambios relativos en la resistencia son muy pequeños (menos de ~10 −3 ) y sus medidas requieren voltímetros sensibles o amplificadores de precisión o amplificadores de precisión + ADC . Por lo tanto, las deformaciones se convierten en un cambio en la resistencia eléctrica de los conductores o semiconductores y, además, en una señal eléctrica , generalmente una señal de voltaje.

La galga extensiométrica de semiconductores tiene una sensibilidad mucho mayor debido a los cambios en las propiedades del material semiconductor durante la deformación. [3]

Parámetros electromecánicos

Sensibilidad

La sensibilidad de la galga extensométrica se caracteriza por un parámetro adimensional: el coeficiente de la galga extensométrica, que se define como: $K_{f},$

K_{f}={\frac {\Delta R/R_{0}}{\epsilon)),

dónde:

$\Delta R$ - cambio absoluto en la resistencia causado por la deformación, Ohm ;
$R_{0}$ - resistencia inicial de la galga extensiométrica no deformada, Ohm ;
$\epsilon$ - deformación relativa.

La deformación relativa se define como:

\epsilon =\Delta L/L_{0},

dónde

$\Delta L$ - cambio absoluto de longitud, m ;
$L_0$ es la longitud de la galga extensiométrica sin deformar, m .

Para galgas extensiométricas de película metálica, el parámetro depende débilmente de la deformación y supera ligeramente 2 [4] . $K_f$

Cuando se conecta una galga extensométrica a un puente de Wheatstone , en el que las 3 resistencias restantes son constantes (no tienen la capacidad de regular la resistencia), la tensión de salida de la diagonal de este puente se expresa mediante la fórmula:

v={\frac {V_{b}\cdot K_{f}\cdot \epsilon}{4)),

dónde:

$V_{b}$ - tensión de alimentación del puente , V.

Los valores típicos del factor de galgas extensométricas para diferentes materiales se dan en la tabla.

Material	factor de calibre
hoja de metal	2-5
Película de metal delgada (por ejemplo, Constantan )	2
Silicio monocristalino	-125 a +200
silicio policristalino	±30
Materiales resistentes de película delgada	100

Coeficiente de temperatura

Cuando cambia la temperatura , cambia la resistencia de la galga extensométrica, lo que no está asociado con la deformación . Este es un efecto secundario dañino. A través del coeficiente de la galga extensiométrica, el cambio relativo en la resistencia se expresa mediante la fórmula:

{\frac {\Delta R}{R))=K_{f}\cdot \varepsilon +\alpha \cdot \theta ,

dónde:

$\alfa$ - coeficiente de temperatura de resistencia , K −1 ;
$\ theta$ — cambio de temperatura , K.

Diagrama de conexión eléctrica de la galga extensiométrica

Por lo general, las galgas extensométricas se incluyen en uno o dos brazos de un puente de Wheatstone equilibrado alimentado por una fuente de CC (puente diagonal A-D ). Con la ayuda de una resistencia variable , el puente se equilibra de modo que, en ausencia de una fuerza aplicada, el voltaje diagonal se haga 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 . $R_{2}$

Cuando se cumple la relación , el voltaje de la diagonal del puente es cero. Con la deformación , la resistencia cambia (por ejemplo, aumenta con la tensión ), esto provoca una disminución en el potencial del punto de conexión de las resistencias y (puntos B ) y un cambio en el voltaje de la diagonal B-C del puente - a señal útil . ${\frac {R_{1}}{R_{2}}}={\frac {R_{x}}{R_{3}}}$ $R_{x}$ $R_{x}$ ${\ Displaystyle R_ {3}}$

Un cambio en la resistencia puede ocurrir no solo por la deformación, sino también por la influencia de otros factores, siendo el principal el cambio de temperatura , que introduce un error en el resultado de la medición de la deformación. Para reducir la influencia 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. $R_{x}$

Por ejemplo, en el circuito de la figura, en lugar de una resistencia constante , incluyen la misma galga extensométrica que , 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 desviación de la temperatura. ${\ Displaystyle R_ {3}}$ $R_{x}$

La industria también produce microcircuitos especializados para trabajar en conjunto con galgas extensométricas, en los que, además de amplificadores de señal, a menudo se utilizan fuentes de alimentación de puente, circuitos de compensación térmica, ADC , interfaces digitales para la comunicación con sistemas externos de procesamiento de señales digitales y otras funciones de servicio útiles. previsto.

Construcción

Por lo general, las galgas extensiométricas modernas son un elemento sensible en forma de conductor en zigzag depositado sobre un sustrato flexible. El medidor de tensión se pega con un sustrato a la superficie del objeto que se está estudiando para la deformación. Los conductores de galgas extensométricas generalmente están hechos de alambre de metal delgado, lámina o rociados al vacío para formar un semiconductor o una película de metal . Normalmente se utilizan como sustrato tela , papel , película de polímero , mica , etc .. Para conectar un elemento sensible a un circuito eléctrico , una galga extensiométrica tiene extremos de cable conductor o almohadillas de contacto.

Las galgas extensiométricas de película metálica tienen una superficie de unos 2‑10 m2 .

Aplicación

Las galgas extensométricas se utilizan como transductores primarios en galgas extensométricas y galgas extensométricas para medir cantidades mecánicas ( deformación , fuerza , par , desplazamiento, también para medir la presión en manómetros , etc.)

Véase también

Notas

↑ Diccionario de ciencias naturales. Glossary.ru — "Tensorresistor" (enlace no disponible) (enlace no disponible desde el 14-06-2016 [2323 días])
↑ Laboratorio: " Uso de galgas extensométricas para medir fuerzas " Archivado el 22 de octubre de 2008. . Universidad Tecnológica Nacional de Donetsk. 2002
↑ Efecto tensorresistivo - Enciclopedia física . Consultado el 10 de mayo de 2018. Archivado desde el original el 11 de mayo de 2018. (indefinido)
↑ Galga extensiométrica: Sensibilidad . Consultado el 5 de noviembre de 2014. Archivado desde el original el 27 de septiembre de 2011. (indefinido)

Enlaces

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