Galgas extensométricas: todo lo que necesita saber

La estructura

Las galgas extensométricas (abreviadas GE) convencionales consisten normalmente en una lámina y un conductor eléctrico. ¿Por qué decimos convencionales? Porque también se han introducido nuevas tecnologías de GE como, por ejemplo, los sensores de red de Bragg en fibra óptica (FBG), que funcionan de una forma radicalmente distinta. En este artículo, “convencional” hace referencia a las galgas extensométricas que funcionan con láminas eléctricas.

Para entender la estructura de una galga extensométrica, lo más práctico es estudiar el proceso que se emplea para fabricarlas, utilizando como ejemplo un modelo estándar. La base consiste en una lámina de poliimida, sobre la cual se aplica una capa de constantán. El constantán es un conductor de la electricidad. A continuación se utiliza una plantilla para eliminar por decapado todas las zonas que no se desea que sean conductoras. Lo que queda es una rejilla de medición de constantán extremadamente delgada, unida de forma permanente a la lámina portadora.

Esta rejilla de medición consiste en una “banda” con forma sinuosa, con el aspecto de un serpentín. 

Estructura de una galga extensométrica típica

Por cierto… ¿qué es lo que hace a las galgas extensométricas tan especiales?

Jens Boersch (inicialmente director de producto responsable de galgas extensométricas en HBM y, en la actualidad, jefe de equipo de gestión de productos) explica en este artículo cómo funciona una galga extensométrica.

Las galgas extensométricas son especiales para él porque:

“Están ocultas por todas partes, aunque normalmente no nos fijemos en ellas”.

Principio de funcionamiento

“Una galga extensométrica mide la deformación, pero lo que realmente nos interesa es la tensión mecánica”, explica Jens Boersch, director de producto. La tensión mecánica describe el modo en que se ejercen fuerzas —internas y externas— sobre un material. Los factores más importantes son: a) los puntos en los que las fuerzas actúan sobre el material y b) la intensidad de las fuerzas. Estos estudios entran dentro de un campo de aplicación que se denomina análisis experimental de tensiones.

Strain gauge working principle
Cuando una galga extensométrica se contrae, su resistencia eléctrica (Ω) se reduce; en cambio, si se estira, su resistencia aumenta.

Debido a ese efecto, las galgas extensométricas se suelen adherir en distintos puntos al material que se desea examinar, y se conectan mediante un cable a un amplificador de medida. Cuando la galga extensométrica se estira o comprime, se produce un cambio en la resistencia eléctrica de su rejilla de medición. Cuando la rejilla de medición se estira, por un lado la corriente debe recorrer una distancia mayor; por otro lado, el conductor que atraviesa es más delgado. Estos dos factores incrementan la resistencia. A partir de esa variación de la resistencia se puede determinar la deformación de la galga extensométrica, que se expresa µm/m. Por cierto, la deformación también puede consistir en una compresión, es decir, una deformación negativa. En este caso, la resistencia se reduce de forma proporcional.

Sin embargo, la deformación no es lo mismo que la tensión mecánica. Para determinar este parámetro, primero hay que considerar dos aspectos importantes:

Coeficiente de temperatura α del material

Cuando cambia la temperatura ambiente, el material también cambia. Ese cambio se describe mediante el coeficiente de temperatura α. Un ejemplo: Si calentamos un cilindro de acero, se dilata. Si el cilindro tiene adherida una galga extensométrica, esta también se estira. “Esa deformación dependiente de la temperatura es justamente lo que no nos interesa medir”, explica Boersch. Para compensar este efecto, las galgas extensométricas están adaptadas a materiales específicos y exhiben un comportamiento con la temperatura en sentido contrario. Básicamente, los dos efectos se cancelan entre sí. Así se compensa la deformación del material, de manera que la galga extensométrica solo mida lo que se desea medir: la deformación inducida por la carga externa que se aplica al material. A este tipo de galgas extensométricas se las denomina autocompensadas o con respuesta de temperatura adaptada.

Constante elástica (módulo de Young)

Cuando un material se somete a una carga, recibe una tensión mecánica. La tensión mecánica es la fuerza dividida por la superficie. ¿Qué relación tiene con la deformación, que es lo que mide una galga extensométrica? La correlación tiene la forma de una curva característica para distintos materiales, que se obtiene aplicando cargas a muestras de materiales en condiciones controladas. Por norma general, cuanto mayor es la deformación, mayor es también la tensión mecánica. Inicialmente, esta correlación es lineal. Es lo que se conoce como el intervalo elástico, en el que la correlación se describe mediante la constante elástica.

Sin embargo, a partir de un cierto punto, el material está tan deformado por la fuerza aplicada que ya no es capaz de retornar a su estado original. Esa deformación plástica continúa hasta el punto de rotura del material. En el análisis experimental de tensiones solo tiene interés el intervalo lineal, en el que no se llega a producir deformación plástica.

Si se conoce la constante elástica de un material dado, se puede determinar la tensión mecánica a partir de la deformación: ese es precisamente el objetivo de las medidas con galgas extensométricas.

Strain gauge geometry explanations
Esta geometría de galga extensométrica (roseta en forma de T) es adecuada para medir estados de tensión biaxiales con direcciones conocidas de aplicación de la tensión.

¿En qué se diferencian unas galgas extensométricas de otras?

“Hay varios parámetros que diferencian unas galgas extensométricas de otras. Los más importantes son la geometría, la longitud de la rejilla de medición y la adaptación a la temperatura”.

– Jens Boersch

HBM ofrece más de 2500 tipos distintos de galgas extensométricas, para seleccionar el más adecuado en función de la aplicación.

Se diferencian en distintas características, entre las cuales las más importantes son:

  • Geometría
  • Longitud de la rejilla de medición
  • Adaptación a la temperatura

Geometría

La geometría de una galga extensométrica viene dada por el número de rejillas de medición que contiene y su alineación. Dependiendo de las cargas que reciba un material, se pueden producir diferentes estados de tensión que interesa medir. En los estados de tensión monoxiales la tensión tiene una única dirección conocida. Es el caso más claro y solo requiere una rejilla de medición, que debe estar alineada con la dirección principal de la tensión.

En los estados de tensión biaxiales existen múltiples direcciones de tensión; por ejemplo, tensión, presión, flexión o torsión. En algunos casos, el técnico de medición no conoce la dirección de la tensión principal. Para estas aplicaciones existen galgas extensométricas con tres rejillas de medición con distintas alineaciones. De este modo, es posible determinar la magnitud de la tensión principal y de la tensión secundaria, así como sus direcciones.

Longitud de la rejilla de medición

La longitud de la rejilla de medición también puede ser importante, dependiendo del material y de la aplicación de medida. Por ejemplo, supongamos que queremos medir con mucha precisión una curva de tensiones (gradientes de tensión) en una pieza de trabajo. En este caso, lo mejor es colocar muchas rejillas de medición cortas una junto a otra, para formar una red muy densa o analizar con precisión un punto crítico. En cambio, si lo que importa es la carga general (media aritmética), es suficiente con emplear una sola rejilla de medición más larga.

La estructura de la superficie de adhesión también es importante. Por ejemplo, el hormigón tiene una superficie irregular, con pequeñas piedras incrustadas. Si la rejilla de medición es demasiado corta, las partículas incrustadas pueden distorsionar los resultados de medida, porque pueden dar lugar a pequeños puntos con tensiones independientes. Para evitarlo, se debe seleccionar una rejilla de medición más larga, que promedia la tensión medida a lo largo de toda su longitud activa.

Adaptación a la temperatura

La adaptación térmica de una galga extensométrica a un material específico garantiza la compensación de las deformaciones del material debidas a variaciones de temperatura, tal y como se ha explicado antes. Por lo tanto, es importante seleccionar una galga extensométrica adecuada para el material.

Otros criterios de selección

Aparte de los aspectos anteriores, hay algunas otras cuestiones que merece la pena mencionar brevemente. En general, las galgas extensométricas se encuentran disponibles con distintas resistencias de uso común (120, 300 o 1000 Ω). Con frecuencia, la resistencia adecuada depende de los factores limitantes de la medición; por ejemplo, las resistencias de terminación que pueden seleccionarse en el amplificador, o las interferencias en forma de impulsos que son de esperar. También puede variar el material portador, el material conductor o el tipo de conexión. Algunas galgas extensométricas se suministran precableadas, mientras que en otros casos es el propio usuario quien debe soldarlas. Las galgas extensométricas precableadas consumen menos tiempo y reducen los costes de montaje.

Utilización de galgas extensométricas

Para garantizar que una galga extensométrica funcione correctamente, deben cumplirse una serie de requisitos básicos. El más importante: la galga debe estar firmemente unida al material, con el fin de registrar cualquier deformación Por este motivo, las galgas extensométricas se suelen pegar con adhesivos muy rígidos. En algunos casos, se sueldan. También es preciso elegir cuidadosamente el adhesivo porque, por supuesto, su consistencia es sensible a las variaciones de temperatura. La instalación de la galga extensométrica en el material es toda una ciencia en sí misma. Por ejemplo, no pueden quedar burbujas de aire entre la galga y el material, ni entre la galga y el adhesivo.

Y aún hay más: las galgas extensométricas por sí solas no sirven prácticamente para nada. “Los cambios en la resistencia son tan ínfimos que siempre es preciso amplificarlos antes de que sea posible medirlos”, explica Jens Boersch. Esta operación se lleva a cabo empleando amplificadores de medida, de los cuales existen numerosas variantes para las distintas aplicaciones.

Campos de aplicación

Las galgas extensométricas tienen dos grandes campos de aplicación: la fabricación de transductores y las pruebas de durabilidad. La fabricación de transductores es un campo en sí mismo, con su problemática específica. Por ejemplo, es vital que el material del transductor esté exento de fatiga en la máxima medida posible. La finalidad de las galgas extensométricas consiste en medir magnitudes físicas tales como la fuerza o el par.

En cambio, el análisis experimental de tensiones está enfocado sobre todo al estudio de la fatiga (que, en la medida de lo posible, no debe existir en la fabricación de transductores). Jens Boersch comenta: “La pregunta a la que se quiere dar respuesta es en qué momento se rompe un material cuando se le somete a una carga constante”. Esas cargas se simulan mediante ciclos de pruebas en los que se aplican cargas repetidas al material. Normalmente, la carga es demasiado baja como para destruir el material inmediatamente. Eso permite que se sitúe dentro del intervalo elástico —ya mencionado— en el que existe una dependencia lineal entre la deformación y la tensión mecánica.

La fatiga es un aspecto de interés en muchos campos, como las pruebas de componentes aeronáuticos, las infraestructuras como puentes o trenes, e incluso las placas de circuitos impresos y las placas madre electrónicas. Los componentes se someten a pruebas exhaustivas, para determinar si son capaces de soportar las cargas esperables con la durabilidad requerida.

Aircraft in hangar with strain gauge measuring points.
Ejemplo de aplicación 1: Pruebas de fatiga en estructuras de aeronaves.
Schematic image of a load cell.
Ejemplo de aplicación 2: Fabricación de transductores; en este caso, una célula de carga de flexión de viga.
A bridge spanning water.
Ejemplo de aplicación 3: Pruebas de infraestructuras; por ejemplo, puentes.

Los ensayos de laboratorio permiten conocer las curvas de fatiga de los materiales. Con estas curvas, se puede predecir cuántos ciclos de prueba y qué cargas se necesitan para que un material falle. Cada vez que se aplica una carga a un material, se acorta su vida útil. Cuantos más coches crucen un puente, por ejemplo, más próximo estará el momento en que uno de sus componentes se dañará. Y cuanto más pesada sea una carga, menor número de ciclos podrá soportar el material. Los camiones pesados son cargas mucho más pesadas que los turismos pequeños.

“Hay una cuestión fascinante: ¿cuál es la carga que hace fallar un material?”, dice Boersch. “Esa es la pregunta básica en una aplicación que, personalmente, me resultó muy interesante: durante cuánto tiempo más podría soportar la carga un puente ferroviario. La dificultad radicaba en que, cuando se empezaron a hacer pruebas, el puente ya llevaba décadas en uso. Así que los responsables de la línea tuvieron que examinar documentación antigua para determinar exactamente cuántos trenes habían cruzado el puente en todos esos años, y cuánto pesaban. Fue un trabajo fascinante”.

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