Los sensores son extremadamente importantes en el mundo moderno. Se emplean para medir muchas magnitudes distintas en numerosos ámbitos, como los ensayos, la adquisición de datos, la automatización y la garantía de calidad. Es un mercado en rápida expansión(1) en el que cada vez se utilizan más principios de detección distintos.

Esta tendencia hacia una oferta más amplia de tecnologías puede alimentar el entusiasmo por los nuevos métodos. No obstante, también conviene valorar si las tecnologías más establecidas presentan ventajas debidas a la dilatada experiencia acumulada durante años.
Por ejemplo, la galga de película metálica se basa en principios científicos muy consolidados(2)(3) que han sido optimizados con avances tecnológicos que mejoran su ajuste. Además, su instalación y uso son sencillos, y resultan económicas incluso para las soluciones a pequeña escala. Las ventajas de las galgas de película metálica compensan con creces sus inconvenientes.

Mediciones con galgas de película metálica

Las galgas de película metálica se usan habitualmente como sensores para las mediciones de fuerza, par y presión. La inmensa mayoría de los transductores de fuerza, incluidas las células de carga, los transductores de par y los transductores de presión ultra alta, se basan en este diseño y se suministran con una gran variedad de cuerpos de medición.

Todas las galgas de película metálica se basan en un principio común: miden una extensión positiva o negativa y convierten cambios mecánicos en señales eléctricas. Para ello utilizan un puente de Wheatstone donde la magnitud mecánica se induce al transductor originando esfuerzos en la superficie del cuerpo del resorte. En zonas susceptibles de sufrir esfuerzos elevados se instala un mínimo de cuatro galgas extensométricas (dos bajo esfuerzo positivo y dos bajo esfuerzo negativo) conectadas a un puente de Wheatstone.

Fig. 1: Las galgas extensométricas se conectan a un puente de Wheatstone para suministrar una tensión que permite medir fácilmente cualquier deformación.

La señal resultante es una relación entre la tensión de entrada y la de salida. Se calcula del modo siguiente:

Los transductores de galga de película metálica son los más precisos para determinar magnitudes mecánicas, ya que poseen un buen ancho de banda. En consecuencia son la mejor opción para obtener el menor grado de incertidumbre posible, y proporcionan mediciones rápidas de las variaciones en las magnitudes mecánicas. El diseño de las galgas extensométricas hace que sean lo más pequeñas posible —a la vez que muy resistentes— aunque sus dimensiones son suficientes para reproducir la señal del extensómetro(4)(5)(6).

Los principios de funcionamiento de la galga extensométrica están consolidados, por lo que se puede dedicar toda la atención al trabajo de medición. Las galgas extensométricas de lámina pueden soportar elevadas cargas nominales sin necesidad de aumentar las geometrías de diseño. Por ello, este tipo de galgas funciona de forma eficaz en la mayoría de los trabajos de medición, incluidos aquellos en los que es probable encontrar cargas nominales elevadas, sin necesidad de principios de detección adicionales.

Esto permite diseñar transductores de presión ultra alta, como los transductores de fuerza de gran capacidad, bastante compactos(7).

En otras aplicaciones, como por ejemplo las de los transductores que miden presiones hidrostáticas, la variedad de sensores es superior a la de otras magnitudes mecánicas. Las aplicaciones de baja presión, que constituyen el mayor segmento de este mercado, normalmente emplean soluciones MEMS capacitivas o piezorresistivas, sobre todo cuando se miden presiones de tan solo algunos bares.

La resistencia frente a las sobrecargas es especialmente importante cuando se miden altas presiones que obligan a descartar el uso  de soluciones MEMS capacitivas y piezorresistivas (aunque durante los últimos años se han logrado algunos avances en los nuevos diseños).

La figura 2 muestra una comparación de los distintos tipos de tecnología de galga extensométrica y su idoneidad para la medición de la presión desde distintas perspectivas.

Figure 2: Comparación de las diferentes tecnologías de medición de la presión(8)

Al observar esta tabla comprobamos que los transductores de presión ultra alta basados en galga extensométrica son la opción más adecuada para las mediciones que requieren una precisión muy elevada y estabilidad a largo plazo. Esto resulta especialmente relevante cuando se comparan los resultados de los institutos de metrología nacionales de distintos países(9).

Se puede realizar un análisis similar de los distintos principios para el resto de las magnitudes medibles. Esto resulta más claro cuando se trata de diseñar una cadena de medición optimizada para un trabajo concreto, ya que el principio de detección elegido constituye una importante interfaz con el proceso o fenómeno que se está estudiando.

Conclusión

Los transductores de galga extensométrica ofrecen una precisión increíble, una estabilidad a largo plazo muy elevada y un buen ancho de banda, adecuado para mediciones rápidas. Las redes resistivas pasivas permiten ajustar fácilmente la mayoría de los errores restantes en la producción de transductores. Los transductores basados en galgas extensométricas son la mejor opción para la mayoría de los trabajos industriales a gran escala, y también para las tareas más sencillas, sobre todo si se trata de mediciones de alta precisión.

Sus altos niveles de precisión facilitan el seguimiento de magnitudes mecánicas a escala nacional e internacional(10)(11)(12). En aplicaciones más convencionales, la sencillez y bajo coste de las galgas extensométricas de lámina hacen que se utilicen ampliamente en mercados esenciales. Un ejemplo de ello son las células de carga de todos los tipos: desde las de las básculas de venta al por menor hasta las de los camiones.

Un mayor desarrollo de las galgas extensométricas podría hacer que se usasen en una mayor variedad de aplicaciones que contribuirán al desarrollo industrial de los mercados desarrollados y emergentes.

Referencias

[1] Estudio “World Emerging Sensors Markets” (Mercados de sensores emergentes del mundo), Sensors & Instrumentation, No. M678-01, Frost and Sullivan, 23 de marzo de 2011, EE. UU.

[2] A. C. Ruge “Strain response apparatus” (Aparato de respuesta de extensión), solicitud de patente nº 2322319 en la Oficina de Patentes estadounidense; 16 de septiembre de 1939, aprobada el 22 de junio de 1943

[3] K. Hoffmann “An Introduction to Measurements using Strain Gauges” (Introducción a las mediciones con galgas extensométricas), editorial Hottinger Baldwin Messtechnik , Darmstadt, Alemania

[4] A. Schäfer, “Analogy observation of force transducers compared to strain and pressure transducers based on foil type strain gauges and the piezoelectric principle”, (Analogía de los transductores de fuerza y los transductores de presión y extensómetros basados en galgas de película metálica y el principio piezoeléctrico), actas del Simposio Asia-Pacífico sobre medición de masa, fuerza y par, Tokio, Japón, 2009

[5] A. Schäfer, “Force, strain and pressure transducers based on Foil Type strain gauges as well as the piezoelectric principle for the use in industrial applications” (Transductores de fuerza, presión y extensómetros basados en galgas de película metálica y el principio piezoeléctrico para su uso en aplicaciones industriales), actas de “Eurosensors 2008”, Dresde, Alemania, 2008

[6] T. Kleckers “Force sensors based on strain gages and piezoelectric crystal-based force transducers in mechatronic systems — a comparison” (Comparación de los sensores de fuerza basados en galgas extensométricas y transductores de fuerza de cristal piezoeléctrico en sistema mecatrónicos), actas de la Conferencia "Sensor+Test", Núremberg, 2011

[7] A. Schäfer, et al. “A new type of transducer for accurate and dynamic pressure measurement up to 15000 bar  using foil type strain gauges” (Un nuevo tipo de transductor para una medición de la presión precisa y dinámica hasta 15000 bares con galgas de película metálica), XVII Congreso Mundial de IMEKO 2003, Metrología del tercer milenio, Dubrovnik, Croacia

[8] T. Kobata; W. Sabuga et al “Final Report on Supplementary Comparison APMP.M.P-S8 in Hydraulic Gauge Pressure from 100 MPa to 1000 MPa” (Informe final sobre la comparación adicional APMP.M.P-S8 en presión de galga hidráulica entre 100 MPa y 1000 MPa), el Programa de Metrología Asia-Pacífico (APMP) y la Asociación Europea de Institutos Nacionales de Metrología (EURAMET) 1000 MPa, comparación entre laboratorios de presión hidráulica, 2010

[9] A. Schäfer “Answers to the need of higher orders of magnitude for pressure, force and torque measurement explained on the example of wind energy” (Respuestas a la necesidad de mayores órdenes de magnitud para la medición de presión, fuerza y par a través del ejemplo de la energía eólica), Conferencia I2MTC IEEE, mayo de 2012, Graz, Austria

[10] A. Schäfer, Ejemplos y soluciones propuestas en relación a la creciente importancia de la calibración de fuerzas nominales elevadas, Conferencias TC3, TC5 y TC22 IMEKO 2010, 22-25 de noviembre 2010, Pattaya, Chonburi, Tailandia

[11] H. Gang, Z. Zhang and Y. Zhang „Internal Large Force Comparison in China” (Comparación de fuerzas internas importantes en China), División de Mecánica y Acústica, Instituto Nacional de Metrología, Beijing, R.P. China, actas del Simposio Asia-Pacífico sobre medición de masa, fuerza y par, Tokio, Japón, 2009

[12] P.D. Hohmann and A. Schäfer, “Combined Calibration of Torque and Force in a 3 in 1 Calibration unit” (Calibración combinada de par y fuerza en una unidad 3 en 1), “APMF 2000”, actas del Simposio Asia-Pacífico sobre medición de masa, fuerza y par, pág. 204, Tsukuba, Japón, 2000

Galgas extensométricas de HBM

Ir al resumen de galgas extensométricas

Contáctenos Contacte con HBM si desea saber más sobre lo que HBM le puede ofrecer.