materiales birrefringentes y malla de Moiré. Cada tipo de sensor requiere de un acondicionamiento especial de la señal. La selección del mejor medidor de deformación incluye aspectos tales como la geometría del elemento a medir, la temperatura, la rata de esfuerzo, frecuencia, magnitud, costos, complejidad, exactitud, resolución espacial, resolución temporal, sensibilidad a la deformación transversal, sensibilidad a la temperatura y complejidad del acondicionamiento de la señal.
Principio de Operación
Galgas PiezoresistivasEstas galgas incluyen un delgado substrato aislante, una película o malla de cables (usualmente constantan) unidos a un substrato, cables que conectan la malla y circuito para medición de resistencia, en un encapsulado aislante. La malla está orientada de tal forma que la deformación comprima las piernas de la malla longitudinalmente. Esto hace que el sensor sea sensible principalmente a deformación longitudinal, no obstante siempre habrá algo de sensibilidad a la deformación transversal.
Figura 4.1 – Galga Piezorresistiva
La relación entre el cambio de resistencia y la deformación viene dada por la ecuación:
Instrumentación Industrial – Ramón Medina – 10.12.2007 Capítulo 4 – Página 38 L L G R R
Donde R/R es el cambio relativo de resistencia, G es el factor del sensor y
es la deformación.
El sensor responde a la deformación promedio sobre el área cubierta por la malla. El cambio de la resistencia es también sensible a la temperatura. Si la temperatura cambia durante el período de medición, es necesario hacer una corrección que permita distinguir entre la respuesta a la deformación y la respuesta térmica. La respuesta del sensor a la deformación longitudinal, deformación transversal y cambio en la temperatura viene dada por la ecuación: T G G G R R T t t L L
Donde GL, Gt y GT son la sensibilidad longitudinal, transversal y térmica respectivamente. La contribución de la temperatura debe ser eliminada en los casos en que la medición se haga en ambientes con temperatura cambiante. Este esquema es llamado de auto compensación térmica (STC) y se logra seleccionando un material piezoresistivo cuya respuesta térmica pueda ser cancelada por la deformación térmica inducida por la temperatura en el material medido. Los fabricantes de estos sensores especifican números STC que corresponden al coeficiente de expansión térmico de la mayoría de los materiales.
Galgas Piezoresistivas Semiconductoras
Estos sensores de deformación, al igual que el caso anterior, reflejan un cambio en su resistencia eléctrica como respuesta a la deformación, pero con una relación un orden de magnitud mayor. El acoplamiento entre resistencia y temperatura es grande, por lo que deben ser compensados por temperatura. Las galgas semiconductoras son usadas típicamente para fabricar celdas de carga. Son frágiles y requiere de gran precaución en su uso.
Galgas Piezoeléctricas
Los sensores de deformación piezoeléctricos son condensadores de placas paralelas cuya propiedad dieléctrica varía como respuesta a la deformación. Cuando cambia la polarización, se produce una carga proporcional a la
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deformación. Estos sensores son de relativamente bajo costo pero no muy exactos. Son buenos para medición dinámica pero no para cuantitativa. Además, tienen a drenar carga a través del instrumento de medición, por lo que en mediciones semi-estáticas, la señal tiende a decaer con una constante de tiempo que depende de la impedancia del instrumento de medición. Los sensores de cuarzo son muy exactos, pero también pierden carga a través del instrumento de medición. Las constantes de tiempo pueden ser bastante largas (desde segundos hasta horas) con electrómetros y amplificadores de carga.
Galgas de Fibra Óptica
Estos sensores son interferómetros en miniatura. Muchos de los disponibles comercialmente, están basados en el interferómetro de Fabry-Perot. Este interferómetro es capaz de medir cambios en el tamaño de una cavidad muy pequeña. Este sensor incluye una fuente de luz láser, fibra óptico monomodo, acoplador, la cavidad que mide deformación y un foto detector. La luz sale del diodo láser, pasa a través de la fibra óptica, a través del acoplador y llega a la cavidad. El final de la fibra es el equivalente a un espejo semitransparente. Parte de la luz es reflejada de regreso y parte es transmitida. La luz que cruza la cavidad es reflejada desde el otro extremo, de regreso a la fibra donde se recombina con el rayo reflejado. Los dos rayos tienen una diferencia de fase, que guarda relación con el doble de la longitud de la cavidad. El rayo recombinado pasa a través del acoplador y llega al foto detector. Si los dos rayos reflejados están en fase, habrá una interferencia constructiva. Si están fuera de fase, la interferencia será destructiva. Una deformación en la cavidad ocasionará un desfasaje en los rayos.
Instrumentación Industrial – Ramón Medina – 10.12.2007 Capítulo 4 – Página 40 Figura 4.2 – Sensor de Deformación basado en Interferómetro Fabry-Perot
Sensor de Película Birrefringente
Estos sensores proporcionan todo un campo de medida para deformación. Los materiales birrefringentes tienen como propiedad, que la luz lo atraviesa a diferente velocidad según la dirección en que esta incida. Esto significa que si la luz es polarizada en una dirección particular y es hecha pasar a través del material birrefringente, si la dirección rápida está alineada con el vector del campo eléctrico, la luz pasará más rápido que si la dirección lenta es la que está alineada con el vector del campo eléctrico.
Este efecto puede ser utilizado para producir interferencia óptica. En algunos materiales la birrefringencia es producida por deformación. Las direcciones rápida y lenta corresponden a la dirección de la deformación principal, y la cantidad de birrefringencia está relacionada con la magnitud de la deformación. Un componente del vector del campo eléctrico viaja más rápido que el otro; emergerán con diferencia de fase. Esto cambia la amplitud relativa y rota la polarización de la luz. Si no hay birrefringencia, no hay luz que pase a través del segundo polarizador. En la medida en que aumenta la birrefringencia con la deformación, aumenta la cantidad de luz que pasa.
Instrumentación Industrial – Ramón Medina – 10.12.2007 Capítulo 4 – Página 41 Figura 4.2 - Polariscopio
Sensores de Mallas de Moiré
La interferencia Moiré es otra técnica que proporciona todo un campo de medición, pero que computa desplazamiento en lugar de deformación. Esta técnica está basada en la interferencia que se obtiene cuando dos placas transparentes son cubiertas franjas equiespaciadas. Si las placas son colocadas una sobre la otra, estas pueden ser alineadas de tal manera que pase luz a través de ellas. Si una de las placas es deformada, la separación entre las franjas podría ser mayor. Esto implicaría que en algunas regiones la luz pasaría a través de las placas y en otras no. Las bandas iluminadas y oscuras proveen información acerca del desplazamiento producido.
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