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¿Qué son y para qué sirven las galgas extensiométricas?
¿Qué es una galga extensiométrica?
Las galgas extensiométricas consisten normalmente en una lámina y un conductor eléctrico; y su base está hecha de una lámina de poliamida, sobre la cual se aplica una capa de constantán. El constantán es una aleación generalmente formada por un 55 % de cobre y un 45 % de níquel (Cu55Ni45) y se caracteriza por tener una resistencia eléctrica constante en un amplio intervalo de temperatura. Posteriormente, se utiliza una plantilla para eliminar por decapado todas las zonas que no se desea que sean conductoras. Resultando en una rejilla de medición de constantán extremadamente delgada, unida de forma permanente a la lámina portadora. Esta rejilla de medición consiste en una “banda” con forma sinuosa, con el aspecto de un serpentín.
Principio de funcionamiento de una galga extensiométrica
Jens Boersch, jefe de equipo de gestión de productos en HBM menciona: “Una galga extensiométrica mide la deformación, pero lo que realmente nos interesa es la tensión mecánica”. La tensión mecánica describe el modo en cómo se ejercen las fuerzas —internas y externas— sobre un material. Los factores más importantes para determinar la tensión mecánica son:
a) los puntos en los que las fuerzas actúan sobre el material y
b) la intensidad de las fuerzas.
Estos estudios entran dentro de un campo de aplicación que se denomina análisis experimental de tensiones.
Las galgas extensiométricas generalmente se fijan sobre varios puntos del material bajo prueba y se conectan mediante un cable a un amplificador de señal. Si la galga se estira o comprime; la resistencia eléctrica de la rejilla de medición cambia. La razón de esto es que cuando la rejilla se estira la corriente tiene que viajar una mayor distancia y el conductor por el que fluye también se vuelve más delgado, incrementando la resistencia. Debido a este cambio en la resistencia la deformación en la galga puede ser determinada y es expresada en µm/m. La deformación también puede referirse a la compresión, en otras palabras, tensión negativa. En este caso, la resistencia se reduce proporcionalmente.
¿Tensión o estrés dinámico?
Es importante recalcar que la tensión no es el estrés mecánico. Para averiguar qué es, hay dos puntos importantes que deben considerarse:
Coeficiente de temperatura del material
Cuando la temperatura ambiente cambia también afecta al material. Este cambio es determinado por el coeficiente de temperatura. Por ejemplo; cuando un cilindro de acero se calienta éste se expande al igual que la galga extensiométrica que está adherida al cilindro. Esta tensión de material dependiente de la temperatura es precisamente lo que no queremos medir. Para compensar este efecto, las galgas extensiométricas se adaptan a un material específico y se desarrollan de tal forma que presente exactamente un comportamiento de temperatura opuesto. Al final ambos efectos se equilibran, compensando así la deformación del material, de tal forma que la galga mide solamente lo que se desea medir. Esto se conoce como una galga extensiométrica auto-compensada o galga extensiométrica con respuesta de temperatura adaptada.
Módulo de elasticidad o módulo de Young
Cuando un material es sometido a una carga, éste muestra una tensión mecánica, que es la fuerza dividida sobre el área del material. Pero ¿cómo se relaciona con la deformación que se registra con una galga extensiométrica? Es posible definir esta correlación en forma de una curva característica para diferentes materiales, esto se hace sometiendo muestras de materiales a cargas bajo condiciones controladas. Como regla general, una mayor tensión mecánica corresponde a un aumento de la deformación. Inicialmente, esta correlación es lineal y se conoce como intervalo elástico y la correlación se describe por el módulo de elasticidad. Sin embargo, después de un cierto punto, el material es deformado a tal fuerza que ya no es capaz de volver a su condición original. Esta deformación plástica continúa hasta que el material se rompe. Solo el intervalo lineal, en donde no se produce deformación plástica, es de interés para el análisis de esfuerzo experimental. Si se conoce el módulo de elasticidad de un material dado, se puede determinar el esfuerzo mecánico basado en la deformación: Este es el objetivo de las mediciones de las galgas extensiométricas.
No todas las galgas extensiométricas son iguales
Las principales características que distinguen a las galgas extensiométricas entre si son:
La geometría
La geometría de una galga extensiométrica es definida por el número de rejillas de medición que tiene y su alineación. Dependiendo de la carga del material, pueden ocurrir diferentes estados de tensión a medir: En estados de esfuerzo uniaxial solo hay una dirección de tensión conocida y se puede utilizar solo una rejilla de medición que esté alineada con la dirección del esfuerzo principal. Por otro lado, en estados de esfuerzo biaxial, ocurren múltiples direcciones de tensión al mismo tiempo; por ejemplo, tensión, presión, flexión o torsión. Además, en algunos casos se desconoce la dirección de la tensión principal, por lo que en estas aplicaciones se debe usar una galga extensiométrica con tres rejillas de medición con diferente alineación. Esto permitirá determinar las magnitudes de la tensión principal y secundaria, así como su dirección.
Longitud de la rejilla de medición
La longitud de la rejilla juega un papel principal durante la medición y depende tanto del material como de la aplicación. Por ejemplo, cuando se mide la curva de tensión (gradientes de tensión) en una pieza de forma muy exacta es preferible colocar varias rejillas de medición cortas una al lado de la otra para lograr una rejilla fina o analizar un punto clave con alta exactitud. Por otro lado, si lo que nos interesa es la carga general, podemos usar una rejilla de medición mucho más larga. La superficie de los materiales también es algo sumamente importante; el hormigón, por ejemplo, es irregular y tiene pequeñas piedras incrustadas. Si la rejilla de medición es demasiado corta, las piedritas incrustadas pueden distorsionar el resultado de la medición porque se aplica un campo de tensión pequeño e independiente en ese punto. Para evitar esto, se debe usar una rejilla de medición más larga: La tensión medida se promediará sobre la longitud de la rejilla de medición.
Temperatura adaptada
Como lo vimos al principio de esta nota, la adaptación de la temperatura de una galga extensiométrica para un material en específico asegura que la deformación del material causada por un cambio de temperatura sea compensada.
Tipo de resistencia
Las galgas extensiométricas generalmente están disponibles con diferentes resistencias de uso común (120, 350 o 1000 ohms, etc.). Una correcta elección de la galga a menudo depende de las limitaciones de la medición, por ejemplo, las resistencias de terminación que se pueden seleccionar en el amplificador o los impulsos de interferencia previstos, el material portador, el material conductor o el tipo de conexión también puede variar. Algunas galgas extensiométricas se pueden suministrar pre-cableadas, mientras que otras tienen que ser soldadas por el usuario. Las galgas pre-cableadas tienen un menor tiempo de instalación, reduciendo los costos al momento de instalar la galga. Existen algunos requisitos básicos que deben cumplirse para asegurar que las galgas extensiométricas funcionan correctamente. Sin embargo, lo más importante es que estén firmemente conectadas con el material para que realmente participen en cada deformación. Debido a esto, las galgas generalmente se pegan con un adhesivo o en ocasiones se sueldan al material bajo prueba.
Adhesivo
Al seleccionar un adhesivo se debe considerar que la consistencia del adhesivo cambia con las variaciones de temperatura. La instalación de la galga en el material es una pequeña ciencia en sí misma: por ejemplo, no se permiten burbujas de aire entre la galga extensiométrica y el material o entre la galga y el adhesivo. Si quieres conocer más sobre la instalación de las galgas te recomendamos leer nuestro artículo ¿Cómo instalar una galga extensiométrica? →
Finalmente …
También es importante considerar que no se puede usar una galga extensiómetrica por si sola; ya que los cambios en la resistencia son tan pequeños que siempre tienen que ser amplificados antes de que puedan medirse en absoluto y esto se hace usando un amplificador de señal, los cuales están disponibles en diferentes modelos dependiendo del tipo de aplicación. Es importante recalcar que también existen nuevas tecnologías de galgas extensiométricas como, por ejemplo, los sensores de red de Bragg en fibra óptica (FBG), que funcionan de una forma radicalmente distinta, pero de eso hablaremos en otro artículo.
Referencia: HBM. Aplicaciones “¿Cómo funcionan las galgas extensométricas?” [documento en línea https://www.hbm.com/es/6791/como-funcionan-las-galgas-extensometricas/ acceso: agosto de 2017].
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