Transductores de fuerza basados en galgas extensométricas

Principio de funcionamiento

Para explicar cómo funciona un transductor de fuerza primero tenemos que entender cómo funciona una galga extensométrica. La mayoría de los transductores de fuerza comunes tienen galgas extensométricas en su interior.

Vamos a hacer un breve inciso para estudiar más de cerca el funcionamiento de las galgas extensométricas. Las galgas extensométricas son conductores eléctricos firmemente unidos a una película, siguiendo un patrón sinuoso. Cuando se tira de la película, esta, junto con los conductores, se alarga. Cuando se contrae, se acorta. Estas variaciones alteran la resistencia de los conductores eléctricos. A partir del cambio en esta magnitud, es posible determinar la deformación, ya que la resistencia aumenta cuando hay extensión y se reduce cuando hay contracción.

Para fabricar un transductor de fuerza, además de las galgas extensométricas, se requiere un elemento de resorte, fabricado en acero, por ejemplo. La galga extensométrica (conductores eléctricos sobre una película, no lo olvide) se adhiere firmemente a ese elemento de resorte.

Como elemento de resorte más básico, podemos pensar en un cilindro de acero que se estira o se contrae por efecto de una fuerza. En este artículo obviaremos otras fuerzas adicionales; por ejemplo, las laterales. La fuerza que actúa sobre el elemento de acero ejerce una tensión mecánica sobre el material, que da lugar a una extensión. Esta deformación también puede consistir en una contracción que, desde un punto de vista físico, no es más que una extensión negativa.

En este artículo, Thomas Kleckers, Director de Producto a cargo de sensores de fuerza en HBM, explica el funcionamiento de un transductor de fuerza.

"Cuando tiramos de una cosa, esa cosa no solo se alarga, sino que también se estrecha. El coeficiente de Poisson señala la relación entre la deformación transversal y axial. Se puede comparar con una banda de goma, que se vuelve considerablemente más delgada cuando se estira". – Thomas Kleckers

Si una galga extensométrica se contrae, su resistencia eléctrica (Ω) se reduce; si se estira, la resistencia aumenta.
Si una galga extensométrica se contrae, su resistencia eléctrica (Ω) se reduce; si se estira, la resistencia aumenta.
El diagrama muestra el aspecto de un circuito de puente de Wheatstone: en este ejemplo se han conectado cuatro galgas extensométricas formando un "anillo".

Si el cilindro se contrae, se acorta, pero también se ensancha. Si tiramos de él en sentido longitudinal, también se estrecha un poco. En cada momento, su espesor depende de la masa básica del acero. Obviamente, si el cuerpo de acero es muy grueso, se necesitará una fuerza mayor para contraerlo hasta una dimensión determinada que si es más fino. Este hecho resulta útil cuando se fabrican transductores de fuerza para distintas aplicaciones: los transductores más pequeños se utilizan para fuerzas nominales inferiores y los transductores de mayor tamaño para fuerzas nominales más altas. En este contexto, la fuerza nominal indica la carga máxima prevista del sensor.

Ahora, volvamos a la galga extensométrica. Por lo general, los transductores de fuerza contienen cuatro galgas extensométricas conectadas en un "anillo" en un circuito de puente de Wheatstone, un concepto en el que no vamos a profundizar aquí (puede obtener más información en el libro de referencia "Una introducción a la medición mediante bandas extensométricas"). Lo más importante es que las galgas extensométricas estén firmemente fijadas al acero del transductor y que, en consecuencia, experimenten las mismas deformaciones que este. Como ya hemos señalado, cuando el acero se deforma la resistencia de la galga extensométrica cambia. Por lo tanto, la señal de salida procedente del circuito de puente proporciona información sobre la magnitud de esa deformación. A partir de esta señal se puede calcular la fuerza que actúa sobre la galga extensométrica. Así es como funciona un transductor de fuerza.

Desde un punto de vista matemático, es interesante destacar que el transductor de fuerza se basa exclusivamente en el principio de las relaciones lineales. Por lo tanto, la fuerza es proporcional a la tensión mecánica (σ=sigma minúscula), con lo que σ es proporcional a la deformación. El cambio relativo en la resistencia es proporcional a la deformación. Por último, la señal de salida del puente de Wheatstone es linealmente proporcional al cambio relativo en la resistencia de la galga extensométrica.

¿Cuál es la diferencia entre un transductor de fuerza y una célula de carga?

En principio, ambos parecen muy similares: la célula de carga mide la masa o el peso y el transductor de fuerza mide la fuerza (en N o newtons). Entonces, ¿no son prácticamente intercambiables? Solo habría que introducir 100 gramos de peso por cada Newton y el transductor de fuerza se convertiría en una célula de carga.

Pero no es tan sencillo.

Diferencia 1:

La célula de carga mide la masa y lo hace siempre en una dirección, ya que la masa siempre es mayor que 0. Si se sitúa un depósito sobre una célula de carga, este no puede elevarse repentinamente y producir un peso negativo. El transductor de fuerza, en cambio, mide fuerzas negativas y positivas, de tensión y de compresión.

Diferencia 2:

La célula de carga se fabrica y después se instala en un punto de interés en las instalaciones del usuario; es decir, se calibra sobre el terreno. Los transductores de fuerza se calibran en fábrica inmediatamente después de la producción y deben medir siempre igual, aunque se retiren e instalen varias veces. Por lo tanto, el transductor de fuerza posee una estructura más robusta que la mayoría de la células de carga, con el fin de garantizar la reproducibilidad de los valores medidos en diferentes condiciones.

Diferencia 3:

La célula de carga debe cumplir determinados requisitos legales; por ejemplo, en relación con su capacidad de pesaje legal. El transductor de fuerza debe ajustarse a otras reglamentaciones: normas como VDI 2635 o ISO 376. A diferencia de lo que ocurre con la célula de carga, la reproducibilidad antes señalada, por ejemplo, es un factor importante.

Transductor de fuerza U10M
Célula de carga a flexión de viga Z6

Campos de aplicación

"Los transductores de fuerza se utilizan prácticamente en todas partes. Sus aplicaciones son casi ilimitadas. Me impresionó especialmente un banco de ensayos en el que se medía una fuerza a través de un entrehierro. Es decir, la medición se llevaba a cabo sin que el transductor de fuerza tocase la plataforma. Me sigue pareciendo increíble que funcionara". Thomas Kleckers

Para terminar, examinemos los sectores: algunos campos en los que se utilizan transductores de fuerza.

  • Los ensayos con objetos buscan determinar la cantidad de fuerza que actúa sobre ellos. Ejemplo: El impacto sobre un casco de moto en caso de accidente
  • Las mediciones de referencia se utilizan para generar comparabilidad entre valores medidos a escala nacional e internacional. En este sentido, los institutos metrológicos de todo el mundo emplean transductores de fuerza especialmente precisos para probar sistemas. Estos institutos facilitan valores de referencia para todos los sectores económicos, en el ámbito nacional e internacional.
  • En los bancos de pruebas, los transductores de fuerza con frecuencia garantizan un control preciso de una carga material deseada. Por ejemplo, una máquina empuja que el ala de un avión hacia delante y hacia atrás para simular condiciones de vuelo reales.
  • Las máquinas y sistemas industriales necesitan transductores para medir fuerzas: por ejemplo, pruebas en prensas, en líneas de montaje o al final una línea. Un ejemplo: ¿Con qué fuerza es preciso presionar la tapa de un bolígrafo para que se mantenga en su posición?
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