Diafonía: qué la produce

Hay muchas aplicaciones en las que se necesita un único sensor capaz de medir fuerzas en las tres direcciones espaciales, o medir simultáneamente fuerza y par. Por ejemplo, en experimentos, en robótica, en aplicaciones de montaje o en producción. Para todas esas tareas de medida, HBK ofrece el sensor multicomponente MCS10, una herramienta de fiabilidad contrastada a lo largo de muchos años.

Este transductor multieje utiliza un principio de medida común a todos los sensores de galgas extensométricas: un circuito de puente de Wheatstone.

¿Cómo trabajan los sensores de galgas extensométricas?

Una galga extensométrica es un sensor que convierte una deformación —es decir, una elongación o una compresión— en un cambio en la resistencia eléctrica. En la práctica, se conectan al menos cuatro de estos elementos para formar un circuito de puente de Wheatstone. Cuando se aplica una fuerza, un momento de flexión o un par que se desea medir, dos de las galgas extensométricas del circuito del puente se estiran, mientras que las otras dos se comprimen. Si se suministra a este circuito una tensión de alimentación, se puede registrar una señal de tensión eléctrica perfectamente medible. Como todas las correlaciones son lineales, es posible construir sensores muy precisos basados en galgas extensométricas.

La deformación de las galgas extensométricas es positiva o negativa dependiendo de su posición en el circuito del puente de Wheatstone: En dos puntos del circuito, una deformación positiva produce a una tensión de salida positiva; en los otros dos puntos, una deformación negativa produce una señal de salida positiva.

Por tanto, dos de las galgas extensométricas dentro del circuito del puente experimentan una deformación positiva y, por tanto, aumentan la señal de salida en respuesta a la tracción. Las otras dos galgas extensométricas experimentan una deformación negativa, es decir, aumentan la señal de salida en respuesta a la compresión. Si las galgas extensométricas se colocan de forma correcta, se puede conseguir un sensor que responda a un único tipo de tensión mecánica con una señal de salida.

bending beam with strain gauge installation

Fig. 1: Viga sometida a flexión con galgas extensométricas instaladas. Las galgas extensométricas de la parte inferior experimentan una deformación positiva en respuesta a la compresión, las de la parte superior en respuesta a la tracción.

bent bending beam with installed strain gauges

Fig. 2: Flexión del sensor: Las galgas extensométricas de la parte inferior se acortan, las de la parte superior se alargan. Estos efectos diferenciados generan una señal de medida.

Application of a tensile force on a strain gauge installation

Fig. 3: Aplicación de una fuerza de tracción: Todas las galgas extensométricas experimentan la misma deformación, en cuanto a signo y magnitud. Por tanto, la señal de salida es cero.

Si se instalan galgas extensométricas en una viga tal y como se muestra en la imagen, y se aplica una flexión a la viga, las galgas extensométricas de la parte superior se alargan y las de la parte inferior se acortan. Si el circuito se diseña de manera que las galgas extensométricas de la parte inferior tengan un efecto negativo en la salida y las de la parte superior un efecto positivo, la flexión produce una señal que se puede medir (ver la Figura 2). Es importante señalar que las galgas extensométricas de la parte inferior se someten a una deformación negativa y tienen un efecto negativo; por tanto, su efecto final en la salida es positivo. En cambio, si se aplica una fuerza de tracción o de compresión a la viga, las cuatro galgas extensométricas se alargan o se acortan al mismo tiempo y la señal de salida es cero. Se obtiene así un transductor que solo responde a los momentos de flexión (ver la Figura 3).

A diferencia de los transductores de fuerza o los sensores de par que solo miden en una componente, un sensor multicomponente tiene hasta seis puentes de medida. Las galgas extensométricas de cada puente de medida están dispuestas de tal manera que la señal de salida representa solo un par o la fuerza en una de las tres direcciones espaciales.

Nuestro artículo sobre el puente de Wheatstone ofrece una descripción general de su principio y su cableado, y sobre cómo se posicionan las galgas extensométricas para diferentes casos de carga.

Diafonía: ¿por qué se produce?

En el ejemplo anterior, lo más probable es que se registre una pequeña señal incluso aunque solo se aplique una fuerza de tracción al transductor. El motivo es que, para que la señal de salida sea exactamente cero, las cuatro galgas extensométricas deberían someterse exactamente a la misma deformación y tener idéntica sensibilidad. Pero, en la práctica, los cuerpos de medición presentan tolerancias y la sensibilidad varía de una galga extensométrica a otra.

Por esta razón, cualquier sensor multicomponente tiene efectos indeseables de interferencia de señales: es lo que se conoce como diafonía. Aunque solo se aplique fuerza en una dirección o un único momento de flexión, los demás canales detectan un señal de medida muy pequeña.

Diafonía: ¿cómo se compensa?

Lo primero que hay que valorar es si se necesita de verdad una compensación, ya que los sensores de la serie MCS10 reducen la diafonía al mínimo.

La calibración de HBK no solo mide y evalúa la componente en la que se aplica la carga, sino también todos los demás circuitos de medida del sensor. Con ello se garantiza que el sensor se mantenga siempre dentro de la tolerancia, ya que la diafonía es una característica técnica especificada en la hoja de datos. Cuando se aplica una fuerza en la dirección Z, se conoce su efecto en las direcciones X e Y. Asimismo, también se conoce su efecto en los circuitos de medida que registran el par y los momentos de flexión. Y lo mismo se puede decir de las demás componentes.

El resultado de esas medidas de calibración puede consultarse en la documentación que acompaña al sensor. También se puede expresar en forma de una matriz:

Fig. 4: Ejemplo de la matriz de compensación que se suministra con cada sensor MCS10.

Este ejemplo muestra un sensor que puede medir fuerzas en tres direcciones espaciales. Con un sensor de seis componentes, en lugar de los ceros aparecerían coeficientes adicionales.

Para poder utilizar la matriz de compensación, el amplificador debe ajustarse para presentar valores medidos no escalados, expresados en mV/V.

F'x es la fuerza con compensación de diafonía; Fx, Fy y Fz son las señales que mide el amplificador (en mV/V).

F'x se puede determinar del modo siguiente:

F´x=1.28706 * Fx + 0.0027 *Fy + 0.01483*Fz

Para las demás componentes, se aplican las expresiones generales siguientes:

En este ejemplo, se ha seleccionado un sensor con tres circuitos de medición para medir fuerzas en tres direcciones espaciales. Por supuesto, también existen sensores capaces de medir momentos en tres direcciones además de estas fuerzas, lo que crea un sistema de seis ecuaciones en el que cada ecuación tiene en cuenta seis coeficientes.

Los amplificadores de medida modernos resuelven fácilmente estos cálculos complejos y compensan la diafonía durante la medición. Tanto el sistema de medición PMX (para producción) como el sistema de adquisición de datos QuantumX proporcionan medidas corregidas.

Los artículos siguientes explican cómo realizar la compensación con nuestros sistemas/instrumentos de adquisición de datos: