strain gage1

9
Medidas Eléctricas 2011 IIE Facultad de Ingeniería (UDELAR) Mauricio González, Matías Schneeberger 1 Resumen Este trabajo introduce uno de los tipos de transductor de fuerza más usados, el Strain Gauge o Galga Extensiométrica. Se presenta un modelo matemático que relaciona las deformaciones de un cuerpo elástico con variaciones en la resistencia del mismo. Se ven distintos métodos de medida de estas variaciones utilizando el Puente de Wheatstone, y se analizan las posibles fuentes de error en dichas medidas. Se incluye una aplicación real de este tipo de transductor para observar uno de sus posibles usos en la práctica. Índice de términos Deformación, Factor de Galga, Puente de Wheatstone, Strain Gauges. I. INTRODUCCIÓN N muchas áreas de la física, resulta un problema medir la respuesta de un elemento frente a una excitación, cuando ésta posee bajos niveles de magnitud o no existe un instrumento de medida directo para cuantificar dicha respuesta. Una posible solución a dicho problema son los transductores. Son elementos capaces de responder frente a un estímulo de entrada físico (como temperatura, presión, etc.) con una señal eléctrica. Este artículo se concentrará en el estudio de un tipo de transductor, los transductores de fuerza, en particular el Strain Gauge. El Strain Gauge (o Galga Extensiométrica) es un dispositivo de medida que relaciona magnitudes mecánicas (fuerza, torque, presión, etc.) con magnitudes eléctricas (resistencia). El concepto básico es el siguiente: la aplicación de una fuerza sobre cierto elemento, produce en él una deformación, la cual deriva en una variación en la resistencia del elemento. Esta variación puede ser medida utilizando, por ejemplo, el Puente de Wheatstone, obteniendo así una respuesta eléctrica (medible) frente a una excitación física. II. GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS A. Principio de Funcionamiento Las galgas extensiométricas son transductores utilizados para convertir esfuerzos mecánicos en señales eléctricas. Su funcionamiento se basa en asociar la variación de una componente eléctrica con la variación de longitud. Para el presente trabajo se considera el caso de un elemento resisitivo como componente, pues es el más usado en la práctica, aunque también se pueden encontrar galgas que utilizan componentes capacitivas o inductivas. Visto desde el lado eléctrico la variación resistiva se puede traducir fácilmente a una variación de voltaje y desde el punto de vista mecánico la variación de longitud se vincula con una fuerza a través de la Ley de Hooke. De esta manera se obtiene una vinculación directa entre un esfuerzo mecánico y una tensión. Las galgas se construyen con distintos materiales, que difieren en un factor frente a variaciones en la longitud, llamado GF (Gauge Factor), por sus siglas en inglés, y que se define como: (1) donde l representa la longitud y R la resistencia. Los materiales más usados para galgas son las siguientes aleaciones metálicas: Constatán, Karma, Nicrom e Isoelastic. También existen aleaciones semiconductoras (Silicio) que tienen un GF mucho mayor. Dentro de las metálicas, además de existir distintos materiales que presentan diferentes características, existen distintos tipos de galgas, según su método de construcción. Se pueden encontrar galgas de hilo metálico, laminares metálicas, de metal depositado y tipo rosetas. [1] En la Figura 1 se esquematiza una galga de hilos metálicos. Se ve cómo los hilos conductores están enrollados y separados con láminas aislantes para eliminar campos magnéticos no deseados. Los valores nominales de resistencia que se pueden encontrar comercialmente van desde 30 Ω hasta 3000 Ω, siendo 120 Ω, 350 Ω y 1000 Ω los valores usados con mayor frecuencia. [2] La galga debe estar colocada sobre un portador y a efectos de realizar mediciones de esfuerzos el portador debe sujetarse a la superficie de prueba teniendo en cuenta que debe estar bien sujeto y moverse en forma solidaria al objeto sobre el que se pretende medir esfuerzos y a su vez la dirección en la que se provocarán los esfuerzos debe ser la misma en la que la galga pueda presentar variaciones de longitud. El hecho que los hilos conductores estén enrollados, formando una estructura paralela lo que busca es mejorar la sensibilidad frente a pequeñas variaciones de longitud. Esto se logra pues una pequeña variación de longitud en toda la galga es en realidad el resultado de la suma de las variaciones en cada uno de los tramos paralelos, lo que se traduce en una variación efectiva de longitud mucho mayor y por lo tanto en una mayor variación en la resistencia. Strain Gauges Mauricio González ([email protected] ), Matías Schneeberger ([email protected] ) Tutor: Daniel Slomovitz E

Upload: luis-puris

Post on 29-Dec-2015

9 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

Page 1: Strain Gage1

Medidas Eléctricas 2011 – IIE – Facultad de Ingeniería (UDELAR) Mauricio González, Matías Schneeberger

1

Resumen — Este trabajo introduce uno de los tipos de

transductor de fuerza más usados, el Strain Gauge o Galga

Extensiométrica. Se presenta un modelo matemático que

relaciona las deformaciones de un cuerpo elástico con variaciones

en la resistencia del mismo. Se ven distintos métodos de medida

de estas variaciones utilizando el Puente de Wheatstone, y se

analizan las posibles fuentes de error en dichas medidas. Se

incluye una aplicación real de este tipo de transductor para

observar uno de sus posibles usos en la práctica.

Índice de términos — Deformación, Factor de Galga, Puente de

Wheatstone, Strain Gauges.

I. INTRODUCCIÓN

N muchas áreas de la física, resulta un problema medir la

respuesta de un elemento frente a una excitación, cuando

ésta posee bajos niveles de magnitud o no existe un

instrumento de medida directo para cuantificar dicha

respuesta. Una posible solución a dicho problema son los

transductores. Son elementos capaces de responder frente a un

estímulo de entrada físico (como temperatura, presión, etc.)

con una señal eléctrica. Este artículo se concentrará en el

estudio de un tipo de transductor, los transductores de fuerza,

en particular el Strain Gauge. El Strain Gauge (o Galga

Extensiométrica) es un dispositivo de medida que relaciona

magnitudes mecánicas (fuerza, torque, presión, etc.) con

magnitudes eléctricas (resistencia). El concepto básico es el

siguiente: la aplicación de una fuerza sobre cierto elemento,

produce en él una deformación, la cual deriva en una variación

en la resistencia del elemento. Esta variación puede ser

medida utilizando, por ejemplo, el Puente de Wheatstone,

obteniendo así una respuesta eléctrica (medible) frente a una

excitación física.

II. GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS

A. Principio de Funcionamiento

Las galgas extensiométricas son transductores utilizados

para convertir esfuerzos mecánicos en señales eléctricas. Su

funcionamiento se basa en asociar la variación de una

componente eléctrica con la variación de longitud. Para el

presente trabajo se considera el caso de un elemento resisitivo

como componente, pues es el más usado en la práctica, aunque

también se pueden encontrar galgas que utilizan componentes

capacitivas o inductivas.

Visto desde el lado eléctrico la variación resistiva se puede

traducir fácilmente a una variación de voltaje y desde el punto

de vista mecánico la variación de longitud se vincula con una

fuerza a través de la Ley de Hooke. De esta manera se obtiene

una vinculación directa entre un esfuerzo mecánico y una

tensión.

Las galgas se construyen con distintos materiales, que

difieren en un factor frente a variaciones en la longitud,

llamado GF (Gauge Factor), por sus siglas en inglés, y que se

define como:

(1)

donde l representa la longitud y R la resistencia.

Los materiales más usados para galgas son las siguientes

aleaciones metálicas: Constatán, Karma, Nicrom e Isoelastic.

También existen aleaciones semiconductoras (Silicio) que

tienen un GF mucho mayor.

Dentro de las metálicas, además de existir distintos

materiales que presentan diferentes características, existen

distintos tipos de galgas, según su método de construcción.

Se pueden encontrar galgas de hilo metálico, laminares

metálicas, de metal depositado y tipo rosetas. [1]

En la Figura 1 se esquematiza una galga de hilos metálicos.

Se ve cómo los hilos conductores están enrollados y

separados con láminas aislantes para eliminar campos

magnéticos no deseados. Los valores nominales de resistencia

que se pueden encontrar comercialmente van desde 30 Ω hasta

3000 Ω, siendo 120 Ω, 350 Ω y 1000 Ω los valores usados con

mayor frecuencia. [2]

La galga debe estar colocada sobre un portador y a efectos

de realizar mediciones de esfuerzos el portador debe sujetarse

a la superficie de prueba teniendo en cuenta que debe estar

bien sujeto y moverse en forma solidaria al objeto sobre el que

se pretende medir esfuerzos y a su vez la dirección en la que

se provocarán los esfuerzos debe ser la misma en la que la

galga pueda presentar variaciones de longitud.

El hecho que los hilos conductores estén enrollados,

formando una estructura paralela lo que busca es mejorar la

sensibilidad frente a pequeñas variaciones de longitud.

Esto se logra pues una pequeña variación de longitud en

toda la galga es en realidad el resultado de la suma de las

variaciones en cada uno de los tramos paralelos, lo que se

traduce en una variación efectiva de longitud mucho mayor y

por lo tanto en una mayor variación en la resistencia.

Strain Gauges

Mauricio González ([email protected]), Matías Schneeberger ([email protected])

Tutor: Daniel Slomovitz

E

Page 2: Strain Gage1

Medidas Eléctricas 2011 – IIE – Facultad de Ingeniería (UDELAR) Mauricio González, Matías Schneeberger

2

Figura 1. Vista vertical de una galga de hilos metálicos. [3]

B. Modelo analítico

Un conductor metálico de resistividad ρ, longitud l, y área

de sección transversal A, tiene una resistencia que se relaciona

con estas variables de la siguiente manera:

(2)

Diferenciando, para analizar la variación de la resistencia,

en función de la variación de sus variables, se obtiene:

(3)

Dividiendo entre R en ambos lados,

(4)

Ahora se busca una expresión para dA. Si se tiene una

sección circular: , lo que, diferenciando y dividiendo

entre A, se puede expresar como:

(5)

Por otra parte, la Ley de Poisson indica que cuando un

material se estira longitudinalmente, su sección se reduce

según la siguiente relación.

(6)

Donde ν, es un coeficiente dependiente del material que

cumple que ν Є [0, 0.5]. Por lo tanto, se puede escribir:

(7)

lo que introduce una relación para poner en la ecuación (4),

resultando:

(8)

y dividiendo entre , se obtiene una expression para el GF:

(9)

La relación anterior describe la variación de la resistencia

con la variación de longitud de un material, y a continuación

se muestra como afecta la aplicación de una fuerza en la

deformación de un material. La variación dl es proporcional a

la longitud l y a la fuerza F aplicada, e inversamente

proporcional a la superficie A. Es decir:

(10)

donde Y es la Constante de Young que se define como la

fuerza a aplicar por unidad de superficie para estirar el

elemento una longitud igual a su longitud inicial.

Por lo tanto la relación entre la variación relativa de la

resistencia y la fuerza aplicada queda,

(11)

La siguiente tabla muestra los distintos valores del Factor de

Galga para distintos materiales (observar que el Factor K

definido a continuación corresponde al Factor de Galga GF).

Figura 2. Valores comerciales para el Factor de Galga. [4]

C. Medidas utilizando Puente de Wheatstone

Las variaciones de resistividad que provienen de la

deformación de un sólido son por lo general muy pequeñas,

por lo tanto, es necesario un método que permita medir

pequeñas variaciones en las resistencias. Una solución para

dicho problema es utlizar el Puente de Wheatstone ilustrado en

la siguiente figura.

Buscamos calcular el voltaje V0 de la Figura 3 que verifica

lo siguiente:

Page 3: Strain Gage1

Medidas Eléctricas 2011 – IIE – Facultad de Ingeniería (UDELAR) Mauricio González, Matías Schneeberger

3

Figura 3. Puente de Wheatstone. [4]

Analizando los divisores resistivos tenemos que,

(12)

Restando ambas ecuaciones se obtiene el siguiente

resultado:

(13)

Se dice que el puente esta balanceado cuando se cumple que

, por lo tanto, tenemos que:

A continuación se analizan las distintas configuraciones

posibles conectando galgas extensiométricas en la

configuración del Puente de Wheatstone y observando su

efecto en la caída de tensión V0.

Quarter-Bridge

En esta configuración se conecta el Strain Gauge en lugar

de la resistencia R3 de la Figura 3, como se muestra a

continuación.

Figura 4. Quarter-Bridge. [4]

La expresión (13) para Vo queda entonces, con la variación

ΔR de la galga respecto al estado balanceado, de la siguiente

manera:

(14)

Suponiendo que se cumple la condición de puente

balanceado cuando no hay deformación, tenemos:

(15)

Tomando R1 = R2 = Rs = R4 = R y despreciando la variación

de resistencia en el denominador (pues se considera )

obtenemos lo siguiente:

(16)

Half-Bridge

En esta configuración se conectan dos Strain Gauge, en

lugar de las resistencias R3 y R4, de forma tal de que cuando

una se estira la otra se comprime, logrando así desbalancear el

puente (ver Figura 5).

Figura 5. Half-Bridge. [4]

(17)

(18)

Tomando nuevamente, R1 = R2 = Rs3 = Rs4 = R obtenemos:

(19)

Full-Bridge

En esta configuración se reemplazan todas las resistencias

por Strain Gauges de forma tal de que cuando la galga que se

coloca en la posición de R1 de la Figura 3 se estira, también lo

hace la galga que reemplaza a R3 mientras que las que

reemplazan a R2 y R4 son comprimidas para lograr que las

deformaciones resulten en un desbalance del puente.

Figura 6. Full-Bridge. [4]

Vex

Vex

Page 4: Strain Gage1

Medidas Eléctricas 2011 – IIE – Facultad de Ingeniería (UDELAR) Mauricio González, Matías Schneeberger

4

Análogamente a los casos anteriores, obtenemos el

siguiente resultado para la caída de tensión V0,

(20)

A partir de la observación de los distintos valores que toma

la tensión V0 podemos concluir que para la configuración de

Full-Bridge se consigue la mayor sensibilidad, dado que a

pequeñas variaciones de la resistencia obtenemos una mayor

caída de tensión. Observar que en esta configuración el

denominador se mínimiza, por lo tanto V0 crece.

D. Factores que afectan a la medida

Influencia de la temperatura

Uno de los efectos más significativos es el de la

temperatura, cuya variación es proporcional a la variación en

las resistencias utilizadas en los circuitos de medida. Para las

configuraciones Half-Bridge y Full-Bridge es fácil de ver que

la alteración en la medida se ve autocompensada por el hecho

de contar con cierta simetría en la topología del circuito.

Sin embargo para el caso de la configuración Quarter-

Bridge se puede notar que no se cuenta con esa simetría, por lo

tanto, se hará un análisis detallado de en qué medida afecta y

cómo se resuelve en la práctica este efecto no deseado.

Para una resistencia genérica, se ve que en caso que la

temperatura varíe respecto al valor nominal T0, la relación con

la resistencia es la siguiente:

(21)

Donde α es el Coeficiente de Temperatura de la galga

extensiométrica y damos por conocido el valor de la

resistencia a la temperatura nominal T0.

Conocido esto, se puede ver ahora cómo afecta en el

circuito en cuestión. Con esta variación en la temperatura la

nueva relación del circuito, teniendo en cuenta la variación de

la resistencia a causa del esfuerzo mecánico, será:

(22)

por lo que para el caso R1 = R2= Rs = R4 = R y despreciando

las variaciones en el denominador ( )

quedará:

(23)

Esto se diferencia claramente con el resultado teórico

obtenido anteriormente, por lo que es necesario buscar un

método que independice la medida de la temperatura.

A continuación se ve cómo afecta la variación de

temperatura a los distintos materiales usados en las galgas (ver

Figura 7).

Figura 7. Dependencia del GF con la temperatura. [6]

A los efectos de eliminar la influencia de la temperatura es

que se coloca una resistencia “Dummy” en la posición de R4

en forma perpendicular a la dirección de los esfuerzos, como

se muestra en la Figura 8.

Figura 8. Efecto de la temperatura.

Esto logra cierta simetría que compensa y transforma la

relación entre voltajes de la siguiente manera:

(24)

por lo que para el caso que se cumpla que: R1 = R2 = Rs =

Rdum = R, y que las variaciones por temperatura sean iguales

(ΔRTs = ΔRTdum) y finalmente despreciando las variaciones por

temperatura y esfuerzo respecto a los valores nominales de las

resistencias, se obtiene

(25)

que es la relación buscada.

De esta manera colocando una galga que no estará activa, se

minimizan los efectos de temperatura.

Influencia de la resistencia de los conductores

Otro factor que afecta la medida es la resistencia de los

conductores que se conectan con la galga. Dado que la misma

se conecta sobre el material a estudiar y no sobre el puente

mismo, debemos tomar en cuenta que los conductores que

conectan la galga con el puente, no son ideales, por lo tanto

Page 5: Strain Gage1

Medidas Eléctricas 2011 – IIE – Facultad de Ingeniería (UDELAR) Mauricio González, Matías Schneeberger

5

poseen una cierta resistencia, la cual queda en serie con la

resistencia de la galga (ver Figura 9).

Figura 9. Efecto de la resistencia de los conductores. [3]

Estudiaremos en particular el impacto de este efecto en la

configuración Quarter-Bridge. Considerando la resistencia de

los conductores debemos modificar la ecuación (14)

obteniendo:

(26)

Con un razonamiento análogo al del estudio previo del

Quarter-Bridge, tenemos la siguiente ecuación, la cual

depende de las resistencias de los conductores,

(27)

Recordar que la resistencia de un conductor, responde a la

siguiente ecuación: , cuyo valor puede no ser

despreciable y afectar considerablemente nuestra medida.

A fin de compensar dicho efecto, se utiliza el Método de

Cableado de 3 hilos, como vemos a continuación para el caso

de la configuración Quarter-Bridge (ver Figura 10).

Figura 10. Método de los 3 hilos (Conexión Quarter-Bridge). [4]

Para el caso de la configuración Quarter-Bridge, la ecuación

(26) se transforma en:

(28)

por lo que para el caso R1 = R2 = Rs = R4 = R y

despreciando las variaciones en el denominador quedará:

La siguiente figura ilustra el caso para la configuración

Half-Bridge.

Figura 11. Método de los 3 hilos (Conexión Half-Bridge). [4]

Tenemos que la ecuación (17) se transforma en:

por lo que para el caso R1 = R2 = Rs3 = Rs4 = R y

despreciando las variaciones en el denominador quedará:

(29)

Este método de cableado permite compensar el efecto de los

conductores a ambos lados del divisor resistivo de la rama del

puente donde se conecta la galga. En ambos casos se tiene

resistencia de conductores en los lugares de las resistencias R3

y R4 lo que equilibra y logra la simetría necesaria para que la

medida sea independiente del valor de la resistencia de los

conductores.

Vex

Vex

Vex

Vex

Vex

Page 6: Strain Gage1

Medidas Eléctricas 2011 – IIE – Facultad de Ingeniería (UDELAR) Mauricio González, Matías Schneeberger

6

E. Instalación de la galga

En la Figura 12 podemos observar las distintas

posibilidades de instalación de una galga, a fin de medir

distintos fenómenos físicos de un material, como ser, fuerzas,

presión, cargas, torques, etc.

Figura 12. Alternativas en la instalación del Strain Gauge. [5]

La Figura 12-A ilustra el uso de las galgas como

instrumento de medición de cargas. Consiste en una viga

vertical, la cual esta sometida a fuerzas que actúan a lo largo

del eje vertical de la misma provocando deformaciones

elásticas en la columna y por lo tanto variaciones en la

resistencia eléctrica de los strain gauges.

La Figura 12-B muestra cómo cuantificar la fuerza de

flexión de una barra. Observar que los strain gauges se

colocan por arriba y por debajo de la barra, logrando así que

cuando la barra comience a flexionarse, el strain gauge

superior tenderá a estirarse, mientras que el inferior tenderá a

comprimirse.

Las galgas también son usadas como sensores de presión,

tal como se ve en la Figura 12-C y Figura 12-D.

Notar que en el caso de la Figura 12-D, se colocan 4 strain

gauges en el diafragma, de forma tal de que cuando se aplique

presión al mismo, los 2 strain gauges centrales tenderán a

estirarse, mientras que los 2 strain gauges en los extremos

tenderán a comprimirse.

Es importante destacar que al momento de instalar una

galga es necesario conocer la dirección en la que se estarán

realizando los esfuerzos mecánicos a modo de colocarla

alineada con la dirección de deformación.

III. APLICACIÓN

A. Presentación

Para tener un acercamiento a la realidad de la utilidad de las

galgas extensiométricas, se presenta aquí el análisis del paper

“Automatic measurement of payload for heavy vehicles using

strain gages” [7]. En el mismo se muestra cómo son utilizadas

las galgas para medir con exactitud la masa de camiones.

Poder determinar este valor a través de una correcta

medición presenta especial interés por parte de los controles

carreteros a vehículos de carga como forma de mantener en

buen estado las carreteras, reducir el daño en los vehículos y

evitar accidentes de vehículos sobrecargados.

La masa de la carga es estimada basándose en las señales de

voltaje de las galgas que son adheridas en cada una de las

suspensiones del vehículo. Con la suma de estas mediciones se

determina la carga del camión, se calcula el centro de masa,

los torques y las fuerzas que actúan en el sistema.

Se realizan varios experimentos cargando primero el

camión con neumáticos distribuidos de distintas maneras y

luego utilizando como carga un auto.

Para realizar los experimentos se utiliza una serie de

circuitos que persiguen distintos objetivos. Los circuitos

utilizados son: Puente de Wheatstone, Circuito Zero-

Returning, regulador de voltaje y un amplificador de

instrumentación. Finalmente se muestra cómo se modela a

través de redes neuronales para mejorar la exactitud de la

medición.

B. Circuitos

En la siguiente figura (ver Figura 13) se muestra el Puente

de Wheatstone con el Circuito Zero-Returning.

Figura 13. Puente de Wheatstone y Circuito Zero-Returning.

A los efectos de hacer una analogía con los circuitos

presentados anteriormente, se redibuja el circuito y se estudia

qué rol juega cada una de las componentes. El circuito anterior

se puede dibujar de la siguiente manera:

Figura 14. Circuito simplificado (correspondiente a la Figura 13).

Vex

Page 7: Strain Gage1

Medidas Eléctricas 2011 – IIE – Facultad de Ingeniería (UDELAR) Mauricio González, Matías Schneeberger

7

donde se puede ver claramente cómo R2, Rdummy, R3 y Ractive

son las componentes que forman el Puente de Wheatstone

mientras que R5 y R6 forman el Circuito Zero-Returning para

balancear el puente y establecer una diferencia de potencial

nula antes de hacer cualquier medida. Los valores nominales

de las resistencias del puente son: R2 = R3 = Rdummy = Ractive =

120 Ω con sus incertidumbres asociadas.

Los valores del ajuste de cero son: R5 = 10 Ω y R6 es una

resistencia variable entre 2000 Ω y 2010 Ω. La resistencia R6

es en realidad una resistencia de 1000 Ω a cada lado y la una

resistencia en el medio que puede variar entre 0 Ω y 10 Ω.

Así se logra una simetría en el circuito que hace que el

ajuste sea mucho más equilibrado. Indirectamente a través del

ajuste de R6, se ajusta la resistencia resultante de cada rama

del puente con una exactitud muy buena.

A continuación se puede ver el circuito del puente con el

ajuste de cero con sus valores (expresados en Ohm) y la

resistencia R6 representada como su serie de resistencias

dependientes del valor de ajuste x, el cual varía entre 0 y 1.

Figura 15. Estrella de nodo N con resistencias expresadas en Ohm.

Como se puede ver, se tiene una estrella de nodo N y

terminales A, B y C. Si se transfigura esta estrella a triángulo,

el circuito queda como sigue.

Figura 16. Transfiguración estrella al triángulo.

Los valores (expresados en Ohm) calculados de la

transfiguración son los siguientes:

(30)

(31)

(32)

Como se puede ver las resistencias que están en paralelo

con las ramas del puente (Zab y Zbc) son del orden de los kΩ,

es decir 10 veces las resistencias del puente lo que permite un

ajuste fino bien cercano al valor deseado. Es decir, variando x

desde 0 a 1, se tiene que el paralelo de 120 Ω con Zab puede variar entre 107.37 Ω y 107.48 Ω lo que se traduce en que la

resistencia de la galga puede variar su valor nominal entre

119.86 Ω y 120.14 Ω para poder ajustar el cero. Esto, en

niveles relativos representa un 0.117%.

Por otra parte la resistencia que une el puente (Zac) es del

orden de los 100 kΩ lo que hace que la corriente tomada sea

mínima. Es importante destacar que el análisis de la

transfiguración es simplemente una herramienta para

visualizar y comparar el comportamiento del puente y no el

circuito real.

A los efectos de mejorar la exactitud de la medición se

utiliza un amplificador de ganancia variable que se muestra en

la Figura 17. El ajuste de ganancia se puede realizar

agregando una resistencia extra RG (no dibujada en la figura)

que se puede conectar en paralelo con la resistencia R3.

De esta manera la expresión para la ganancia queda como

sigue:

(33)

Para los valores de las resistencias usados, la dependencia

de la ganancia con RG es de la siguiente manera:

(34)

Por lo tanto, (35)

Figura 17. Amplificador de instrumentación.

Vex

Page 8: Strain Gage1

Medidas Eléctricas 2011 – IIE – Facultad de Ingeniería (UDELAR) Mauricio González, Matías Schneeberger

8

También se utiliza un regulador de voltaje que lo que busca

es proveer de una fuente estable de tensión. Esto es importante

pues la salida del Puente de Wheatstone es directamente

proporcional al valor de tensión aplicado.

C. Experimentos

Se realizaron dos tipos de experimentos, cinco

experimentos con neumáticos y cuatro con un auto. Para el

caso de los neumáticos se fue incrementando de a uno la

cantidad y midiendo alternadamente, obteniéndose así, una

medida para cada cantidad de neumáticos en cada sensor.

Esto a su vez se repitió cuatro veces, concentrando el peso

en los distintos lugares del camión, a saber, la parte delantera,

la parte trasera, el lado izquierdo y el lado derecho (esto

también se probó con el auto). A su vez se probó distribuir los

neumáticos equitativamente en cada uno de los rincones. Esto

se hizo para ver cómo afecta en cada uno de los sensores

ubicados en las suspensiones que se encuentran en los

rincones.

La masa del camión era de 10040 kg y la de cada neumático

de 67 kg, mientras que el auto utilizado como carga tenía una

masa de 1210 kg. Para la prueba con neumáticos se utilizó

primeramente una ganancia de 1141 V/V en el amplificador y

se obtuvieron voltajes de máxima carga (21 neumáticos,

equivalente a 1407 kg) en cada uno de los sensores para los

distintos casos de concentración de carga entre 0.05 V y 0.45

V.

Luego se probó aumentar la ganancia a 2183 V/V y 6350

V/V pero sólo se cuenta con información de una gráfica, la

cual arroja valores de voltaje del orden 1 V.

Para poder estimar la constante del mecanismo, es decir la

relación entre fuerza y estiramiento, se analiza la relación

presentada en el artículo, entre la fuerza (medida en el

equivalente en kg) en cada suspensión y el voltaje de salida en

cada suspensión (medido en V) luego de ser amplificado.

Notar que las constantes que multiplican a las tensiones de

cada suspensión se miden en kg/V, de forma tal de obtener la

fuerza en las unidades deseadas.

(36)

(37)

(38)

(39)

Donde PLF se refiere al esfuerzo izquierdo-delantero, PLR al

esfuerzo izquierdo-trasero, PRR al esfuerzo derecho-trasero y

PRF, al esfuerzo derecho-delantero (todos medidos en el

equivalente en kg).

Los anteriores cálculos no se detallan por completo en el

artículo pero se basan en los torques aplicados por cada uno de

los esfuerzos respecto al centro de masa, dependiendo de las

dimensiones del camión, del factor de galga, de la ganancia

utilizada para los voltajes de salida de cada galga, de la

longitud sin esfuerzo de la galga y del módulo de Young de

las suspensiones del camión que se estiran cuando se producen

esfuerzos.

Por otra parte, dado que se utiliza un Quarter-Bridge, la

relación entre la variación relativa de la resistencia y el voltaje

de salida está dada por la ecuación (16),

lo que, empleando la ecuación (1), se puede expresar en

función del factor de galga como:

(40)

Utilizando la amplificación que se utiliza para este

experimento en el artículo, es decir, para las

galgas delanteras y para las galgas traseras,

y suponiendo un factor de galga GF = 2.1 y una longitud de

galga de l = 2mm, se obtienen las siguientes relaciones entre

esfuerzos (medidos en el equivalente en kg) y el estiramiento

Δl (medido en mm). Observar que en este caso las constantes

que multiplican el estiramiento se miden en kg/mm.

(41)

(41)

(42)

(43)

D. Redes Neuronales

El modelo de las redes neuronales es ampliamente usado en

el procesamiento de señales y control automático. En el paper

presentado se utiliza como método para mejorar la exactitud

de la medición, basándose en el aprendizaje y las capacidades

predictivas para tratar las no linealidades del sistema.

El modelo utilizado es de alimentación hacia adelante y

propagación hacia atrás. La red neuronal toma como entrada el

resultado de la medición y lo procesa, arrojando un resultado.

Luego de un entrenamiento con varias mediciones,

mediante el procesamiento y la adaptación de los coeficientes

que ponderan los vínculos entre las neuronas, se logra

minimizar, o reducir a un nivel de tolerancia pre-establecido,

el error medio cuadrático hasta el valor que se desee [8].

Fijado el nivel de tolerancia el proceso de aprendizaje

tendrá determinada la cantidad de veces que debe ser

ejecutado el entrenamiento para llegar a dicho margen.

Mediante la utilización de este método, el experimento

realizado logra pasar de errores relativos de hasta 74% a

errores menores a 8% con 25 ejecuciones para el experimento

de un auto o neumáticos como carga y menores a 0.5% con

600 ejecuciones para el experimento con un auto como carga.

Page 9: Strain Gage1

Medidas Eléctricas 2011 – IIE – Facultad de Ingeniería (UDELAR) Mauricio González, Matías Schneeberger

9

IV. CONCLUSIONES

En el campo de las mediciones, los transductores de fuerza,

en particular los estudiados en este trabajo, son de gran

importancia debido a su capacidad de cuantificar fénomenos

tales como fuerza, presión, torque, etc. En la práctica, el uso

de las galgas extensiométricas es ampliamente difundido, en

ambientes tan disímiles como la medicina, la eléctronica de

sensores, la industria de transporte de carga y otras tantas

aplicaciones que constituyen a los strain gauges como uno de

los transductores de fuerzas más versátiles en la actualidad.

V. BIBLIOGRAFÍA

[1] http://www.pol.una.py/descargas/category/18-

.html?download=193%3Ap-5-1 [2] http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/7372 [3] Ing. Javier Sosa. “Galgas Extensiométricas, Strain Gauges 1” Trabajo

final. (http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Strain_Gage

s_1.pdf) [4] A. Merello, N. Antoniello. “Galgas Extensiométricas – Medidas

Eléctricas”. Facultad de Ingeniería – Universidad de la República.

[5] Sensores de deformación mecánica Strain Gauges INEL5205 – Instrumentación.

(http://www.ece.uprm.edu/~mtoledo/5205/F2010/strain.pdf)

[6] http://www.omega.com/literature/transactions/volume3/strain.html [7] S.K. Yang a, T.S. Liu, Y.C. Cheng . “Automatic measurement of

payload for heavy vehiclesusing strain gages”

[8] http://www.desi.iteso.mx/elec/instru/rna/cap3.pdf [9] http://es.rs-

online.com/web/search/searchBrowseAction.html?method=browseSubR

ange&Ne=4294954407&N=4294932239&productNum=0632180 [10] http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/solido/din_rotacion/alargamiento/alar

gamiento.htm

Mauricio González, nacido el 4 de diciembre de 1987 en Montevideo,

Uruguay. Estudiante de Ingeniería Eléctrica perfil Telecomunicaciones en la Facultad de Ingeniería, UDELAR.

Matías Schneeberger, nacido el 9 de Abril de 1987 en Montevideo, Uruguay. Estudiante de 4º año de la carrera de Ingeniería Eléctrica en la Facultad de

Ingeniería (UDELAR).