Los transductores de fuerza basados en galgas extensométricas utilizan lo que se denomina un “cuerpo elástico” o “cuerpo de deformación”, sobre el que se aplican las fuerzas que se desea medir.

Cuando se aplica una fuerza, el elemento de muelle se deforma y experimenta una elongación en su superficie. Por tanto, la función del elemento de muelle consiste en convertir las fuerzas que queremos medir en deformaciones, de la forma más lineal y reproducible que se pueda. Muchas de las propiedades de los transductores de fuerza vienen dadas por el diseño y la selección de materiales del elemento de muelle.

El elemento sensor en sí es la galga extensométrica, que consiste en una capa de aislamiento, denominada soporte, a la que se une una rejilla de medida. Estas galgas extensométricas se unen al elemento de muelle en puntos adecuados. En general se utilizan cuatro galgas, y se instalan de modo que, al aplicar fuerza, dos se estiren y las otras dos se compriman.

Estas cuatro galgas extensométricas se conectan entre sí formando un puente de Wheatstone. Como se muestra en el diagrama inferior, el puente de Wheatstone se alimenta con una tensión de excitación. Cuando las cuatro resistencias son diferentes, se produce una tensión de salida; por ejemplo, cuando la resistencia de las galgas cambia debido a una deformación.

Funcionamiento de un transductor de fuerza a base de galgas extensométricas, utilizando el ejemplo de un transductor de torsión anular (tipo C18)

La señal de salida depende de los cambios en la resistencia de las galgas extensométricas y, por lo tanto, tiene una dependencia directa con la fuerza aplicada.

Ventajas del principio de medida de las galgas extensométricas

Este principio de medida está bien contrastado y ofrece numerosas ventajas. Las más importantes son las siguientes:

  • Si la resistencia eléctrica de las galgas extensómetricas cambia en la misma dirección y en la misma magnitud, no se genera ninguna señal de salida. Eso significa que es posible compensar numerosas influencias parásitas. Por ejemplo, la dependencia del punto cero con la temperatura, la influencia del momento de flexión, efectos de fuerzas laterales, etc. (ver más abajo).
  • Se trata de un principio de medida que permite fabricar transductores de fuerza de muy alta precisión con costes relativamente bajos.
  • La fuerza nominal del transductor está determinada exclusivamente por la rigidez del elemento de muelle. HBM dispone de transductores con fuerzas nominales comprendidas entre 10 N y 5 MN.

El primero de los puntos anteriores es especialmente relevante. El empleo de un puente de Wheatstone permite compensar muchas influencias indeseables.
En concreto, hace posible compensar en gran medida la influencia de la temperatura en el punto cero (TKcero). En caso de variación de la temperatura, una galga extensométrica produce una señal de salida, que se denomina deformación aparente.

Figura 1: Señal de salida de una galga extensométrica en función de la temperatura

Efecto de compensación

El efecto de compensación se debe a que, en caso de cambio de la temperatura, las cuatro galgas extensométricas se comportan de la misma manera en lo que respecta a la dirección y la magnitud del cambio en la resistencia eléctrica. Como en la ecuación entran dos galgas positivas y dos negativas, prácticamente no se genera ninguna señal de salida aunque se produzcan cambios en la temperatura.

Además, el error residual que persiste, que es de poca consideración, puede corregirse conectando elementos especiales de níquel al puente de Wheatstone.

Si se añaden resistencias dependientes de la temperatura (que también son elementos de níquel) a la línea de suministro, se compensa la dependencia de la sensibilidad con la temperatura (TCS). Durante los cambios de temperatura, la constante elástica del material se reduce, lo que resulta en más deformación cuando se aplica la misma fuerza. Por otro lado, la sensibilidad de las galgas extensométricas varía con la temperatura. Este efecto se compensa mediante las resistencias presentes en la línea de suministro: el aumento de la resistencia con la temperatura produce una mayor caída de tensión. De este modo se reduce la tensión que recibe el puente de Wheatstone y, por lo tanto, se reduce también la señal de salida.

Los errores de linealidad se deben a las razones geométricas, que varían en condiciones de carga. Mediante la selección de un diseño adecuado de los cuerpos elásticos y el posicionamiento preciso de las galgas extensométricas, es posible optimizar los transductores de fuerza para que ofrezcan una linealidad excepcionalmente buena.

La Figura 2 muestra un resumen de las opciones de compensación. Además de las influencias de la TKcero y la dependencia de la sensibilidad con la temperatura, de las que ya hemos hablado, también es posible compensar la linealidad y alcanzar la sensibilidad requerida mediante ajustes.

Figura 2: Conexión de un transductor de fuerza con ajustes de TKcero y TCS. Elementos adicionales de ajuste de la sensibilidad y la linealidad

La tecnología de las galgas extensométricas también es capaz de compensar influencias mecánicas que no interesa medir, como momentos de flexión o fuerzas laterales.

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