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Sensores de fuerza
ING. ADÁN ENRIQUE AGUIRRE NÁJERA
1
Celulares en silencio
2
Fuerza
•La vida es manifestada por el cambio y movimiento,
esto involucra acciones e interacciones de una
variedad de fuerzas.
•Ninguna medida es más fundamental para la actividad
humana que la medición de la fuerza en sus muchas
manifestaciones, incluyendo peso, presión, aceleración
y torque.
•Todas las mediciones son relativas. Los sensores
contienen un punto de referencia al cual la cantidad
que se ha medido debe ser comparada.
•La romana (steelyard) fue uno de los primeros sensores
relativos de la humanidad.
•Newton
• Ley de inercia.
• Ley de aceleración.
• Ley de atracción y reacción.
3
Esfuerzo (𝜎)
•Es definido como la fuerza (F) por unidad de
área (A)
•Donde la fuerza es perpendicular al área
donde se aplica.
•Se considera uniformemente distribuida sobre
el área.
𝜎 =
𝐹
𝐴
4
Deformación (𝜀)
•Es el cociente entre el alargamiento (∆𝐿 ) y la
longitud inicial (L) que se provoca al aplicar
una fuerza.
𝜀 =
∆𝐿
𝐿
•Puede ser a compresión o a tensión.
•La razón de proporcionalidad entre el esfuerzo
y deformación está dada por la constante E.
•Modulo de elasticidad o de Young (E).
𝜎 = 𝐸𝜀
5
Deformación de Poisson
•Siempre que se producen deformaciones en la
dirección de la fuerza aplicada, también se
producen deformaciones laterales.
•Las deformaciones laterales que se producen
tienen una relación constante con las
deformaciones axiales.
•Mientras que el material se mantenga dentro
del rango elástico de esfuerzos, la siguiente
relación es constante
𝑣 =
𝑑𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑙
𝑑𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙
=
∆𝐷
𝐷
/
∆𝐿
𝐿
6
Galga de deformación
•Es un sensor, para medir la deformación,
presión, carga, torque entre otras cosas, que
está basado en el efecto piezoresistivo.
•Es la propiedad que tienen ciertos materiales
de cambiar el valor nominal de su resistencia
cuando se les somete a ciertos esfuerzos.
•Un esfuerzo que deforma la galga producirá
una variación en su resistencia eléctrica, esta
variación puede ser por el cambio de longitud,
el cambio originado en la sección o el cambio
generado en la resistividad.
7
Medición de fuerza
8
•Fundamentalmente todas las galgas de deformación son
diseñadas para convertir movimiento mecánico en señal
eléctrica.
•Una galga ideal cambiara su resistencia solamente debido a la
deformación de la superficie a la que está sujeta.
•La temperatura, propiedades del material, adhesivos, estabilidad
de los metales afectan la medición de la galga.
•Los sensores ópticos son sensibles y precisos, pero son delicados
y no muy populares en aplicaciones industriales.
Puente de Wheatstone
• El voltaje de salida de este puente es expresado
en mili volts de salida por volts de entrada.
•Si R1, R2, R3, R4 son iguales y es aplicado un
voltaje de entrada entre A y C, entonces no habrá
diferencia de potencial entre B y D.
•Cualquier pequeño cambio en la resistencia de la
maya provocara un desbalance en el puente,
haciéndolo adecuado para la detección de
deformación.
•En los puentes de cuatro elementos usualmente
dos galgas son alambradas para compresión y
dos para tensión, dando voltaje positivo para
tensión y negativo para compresión.
•http://www.rdpe.com/uk/hiw-sglc.htm
9
Protección
•Para salidas de voltaje muy pequeño.
•Susceptible a ruido no deseado de los dispositivos
eléctricos.
•Campos electromagnéticos y efectos por temperatura.
•Esto puede resultar en una significativa degradación de
la señal.
•La mayoría de los problemas de interferencias
eléctricas y ruido se pueden resolver blindando y
protegiendo.
• Si corrientes de tierra fluyen a través de la galga y sus
elementos, el puente de Wheatstone no podrá
distinguir la señal real de las parasitas.
•Revisar si el detector de fuerza es uniforme y
homogéneo, porque deformaciones en la superficie
resultara en errores de medición.
10
Tipos de celda de carga
11
Celda de carga hidráulica
•Se fabrican con un diafragma de larga duración
que elimina la fricción y los derrames que
comúnmente se encuentran en sensores
hidráulicos menos sofisticados.
•Dado que las celdas de carga hidráulica no
requieren electricidad para funcionar, son más
aptas para uso en ambientes exteriores, donde
los elementos pueden afectar la precisión y la
confiabilidad.
•La salida de una celda de carga hidráulica tiene
un comportamiento lineal y no se ve afectada
por factores externos
12
Celda de carga neumática
Operan bajo el principio de equilibrio de
fuerzas, este tipo de balanzas pueden detectar
pesos relativamente bajos.
Las ventajas de este tipo de dispositivos es
que esta exento de explosiones y es insensible
a variaciones de temperatura.
 No contienen fluidos que puedan afectar el
proceso.
Su tiempo de respuesta es lento y tiene que
ser alimentado con aire limpio y seco.
13
Piezoeléctricos
•La señal eléctrica generada por el cristal disminuye
rápidamente después de que se le aplico la fuerza.
•Se requiere almacenamiento digital para permitir el
análisis de la información antes de que la señal disminuya.
•Es casi tan rígido como un pedazo de metal de igual
proporción.
• Esta característica permite insertar los sensores
directamente en estructuras de máquinas.
•Su rigidez los provee con una frecuencia natural alta y su
rápido tiempo de subida los hacen ideales para
mediciones rápidas tal como impactos metal con metal y
vibraciones a altas frecuencias.
•Es insensible a campos electromagnéticos y radiación.
14
Piezoeléctricos
15
•Frecuencia de respuesta de un sensor piezoeléctrico
Torque
•Usualmente se montan galgas de deformación
en pares sobre el eje.
•Cuando se colocan sobre el eje puede ser
conectado mediante un anillo colector.
•También se puede conectar mediante un
transformador, la alimentación puede ser
utilizando un acoplamiento inductivo y la
salida convertida en una frecuencia de
modulación de pulso.
16
Torque
•Por tecnología se dividen en estáticos o
dinámicos
•Los dinámicos se dividen en sin escobillas o
con escobillas.
http://www.rdpe.com/uk/men-torq.htm
17
Galgas
•Las celdas de carga de galgas convierten las
acciones de carga en señales eléctricas.
•Las galgas son unidas en un elemento
estructural que se deforma cuando de le aplica
carga.
• En la mayoría de los casos se utilizan cuatro
galgas para obtener la máxima sensibilidad y
compensadores de temperatura.
•Debido a que este tipo de celda de carga
continúa aumentando su precisión y bajando
sus costos, otro tipo de celdas de carga se
están dejando de utilizar.
18
Galgas
19
Galgas
20
Flexion en viga
(Bending beam)
Cortante en viga
(Shear beam)
Bote
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Anillo
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Sensores de fuerza

  • 1. Sensores de fuerza ING. ADÁN ENRIQUE AGUIRRE NÁJERA 1
  • 3. Fuerza •La vida es manifestada por el cambio y movimiento, esto involucra acciones e interacciones de una variedad de fuerzas. •Ninguna medida es más fundamental para la actividad humana que la medición de la fuerza en sus muchas manifestaciones, incluyendo peso, presión, aceleración y torque. •Todas las mediciones son relativas. Los sensores contienen un punto de referencia al cual la cantidad que se ha medido debe ser comparada. •La romana (steelyard) fue uno de los primeros sensores relativos de la humanidad. •Newton • Ley de inercia. • Ley de aceleración. • Ley de atracción y reacción. 3
  • 4. Esfuerzo (𝜎) •Es definido como la fuerza (F) por unidad de área (A) •Donde la fuerza es perpendicular al área donde se aplica. •Se considera uniformemente distribuida sobre el área. 𝜎 = 𝐹 𝐴 4
  • 5. Deformación (𝜀) •Es el cociente entre el alargamiento (∆𝐿 ) y la longitud inicial (L) que se provoca al aplicar una fuerza. 𝜀 = ∆𝐿 𝐿 •Puede ser a compresión o a tensión. •La razón de proporcionalidad entre el esfuerzo y deformación está dada por la constante E. •Modulo de elasticidad o de Young (E). 𝜎 = 𝐸𝜀 5
  • 6. Deformación de Poisson •Siempre que se producen deformaciones en la dirección de la fuerza aplicada, también se producen deformaciones laterales. •Las deformaciones laterales que se producen tienen una relación constante con las deformaciones axiales. •Mientras que el material se mantenga dentro del rango elástico de esfuerzos, la siguiente relación es constante 𝑣 = 𝑑𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙 = ∆𝐷 𝐷 / ∆𝐿 𝐿 6
  • 7. Galga de deformación •Es un sensor, para medir la deformación, presión, carga, torque entre otras cosas, que está basado en el efecto piezoresistivo. •Es la propiedad que tienen ciertos materiales de cambiar el valor nominal de su resistencia cuando se les somete a ciertos esfuerzos. •Un esfuerzo que deforma la galga producirá una variación en su resistencia eléctrica, esta variación puede ser por el cambio de longitud, el cambio originado en la sección o el cambio generado en la resistividad. 7
  • 8. Medición de fuerza 8 •Fundamentalmente todas las galgas de deformación son diseñadas para convertir movimiento mecánico en señal eléctrica. •Una galga ideal cambiara su resistencia solamente debido a la deformación de la superficie a la que está sujeta. •La temperatura, propiedades del material, adhesivos, estabilidad de los metales afectan la medición de la galga. •Los sensores ópticos son sensibles y precisos, pero son delicados y no muy populares en aplicaciones industriales.
  • 9. Puente de Wheatstone • El voltaje de salida de este puente es expresado en mili volts de salida por volts de entrada. •Si R1, R2, R3, R4 son iguales y es aplicado un voltaje de entrada entre A y C, entonces no habrá diferencia de potencial entre B y D. •Cualquier pequeño cambio en la resistencia de la maya provocara un desbalance en el puente, haciéndolo adecuado para la detección de deformación. •En los puentes de cuatro elementos usualmente dos galgas son alambradas para compresión y dos para tensión, dando voltaje positivo para tensión y negativo para compresión. •http://www.rdpe.com/uk/hiw-sglc.htm 9
  • 10. Protección •Para salidas de voltaje muy pequeño. •Susceptible a ruido no deseado de los dispositivos eléctricos. •Campos electromagnéticos y efectos por temperatura. •Esto puede resultar en una significativa degradación de la señal. •La mayoría de los problemas de interferencias eléctricas y ruido se pueden resolver blindando y protegiendo. • Si corrientes de tierra fluyen a través de la galga y sus elementos, el puente de Wheatstone no podrá distinguir la señal real de las parasitas. •Revisar si el detector de fuerza es uniforme y homogéneo, porque deformaciones en la superficie resultara en errores de medición. 10
  • 11. Tipos de celda de carga 11
  • 12. Celda de carga hidráulica •Se fabrican con un diafragma de larga duración que elimina la fricción y los derrames que comúnmente se encuentran en sensores hidráulicos menos sofisticados. •Dado que las celdas de carga hidráulica no requieren electricidad para funcionar, son más aptas para uso en ambientes exteriores, donde los elementos pueden afectar la precisión y la confiabilidad. •La salida de una celda de carga hidráulica tiene un comportamiento lineal y no se ve afectada por factores externos 12
  • 13. Celda de carga neumática Operan bajo el principio de equilibrio de fuerzas, este tipo de balanzas pueden detectar pesos relativamente bajos. Las ventajas de este tipo de dispositivos es que esta exento de explosiones y es insensible a variaciones de temperatura.  No contienen fluidos que puedan afectar el proceso. Su tiempo de respuesta es lento y tiene que ser alimentado con aire limpio y seco. 13
  • 14. Piezoeléctricos •La señal eléctrica generada por el cristal disminuye rápidamente después de que se le aplico la fuerza. •Se requiere almacenamiento digital para permitir el análisis de la información antes de que la señal disminuya. •Es casi tan rígido como un pedazo de metal de igual proporción. • Esta característica permite insertar los sensores directamente en estructuras de máquinas. •Su rigidez los provee con una frecuencia natural alta y su rápido tiempo de subida los hacen ideales para mediciones rápidas tal como impactos metal con metal y vibraciones a altas frecuencias. •Es insensible a campos electromagnéticos y radiación. 14
  • 15. Piezoeléctricos 15 •Frecuencia de respuesta de un sensor piezoeléctrico
  • 16. Torque •Usualmente se montan galgas de deformación en pares sobre el eje. •Cuando se colocan sobre el eje puede ser conectado mediante un anillo colector. •También se puede conectar mediante un transformador, la alimentación puede ser utilizando un acoplamiento inductivo y la salida convertida en una frecuencia de modulación de pulso. 16
  • 17. Torque •Por tecnología se dividen en estáticos o dinámicos •Los dinámicos se dividen en sin escobillas o con escobillas. http://www.rdpe.com/uk/men-torq.htm 17
  • 18. Galgas •Las celdas de carga de galgas convierten las acciones de carga en señales eléctricas. •Las galgas son unidas en un elemento estructural que se deforma cuando de le aplica carga. • En la mayoría de los casos se utilizan cuatro galgas para obtener la máxima sensibilidad y compensadores de temperatura. •Debido a que este tipo de celda de carga continúa aumentando su precisión y bajando sus costos, otro tipo de celdas de carga se están dejando de utilizar. 18
  • 20. Galgas 20 Flexion en viga (Bending beam) Cortante en viga (Shear beam) Bote (Canister) Anillo (Ring) Boton (Button) http://www.rdpe.com/uk/men-load.htm

Notas del editor

  1. Preguntas en cualquier momento durante la presentación.
  2. Una consideración importante que se debe de tener en las mediciones relacionadas con la fuerza es la eliminación de las componentes de fuerza no relacionadas con la medida que se busca.
  3. Modulo de Young es característico para cada material
  4. No solamente se debe de considerar sus características de deformación, sino también su estabilidad y sensibilidad a la temperatura. Ya que, desafortunadamente, los materiales más deseables para la galgas son también los más sensibles al cambio de temperatura y tienden a cambiar su característica con el paso del tiempo. Para pruebas de corta duración esto puede no ser un problema, pero par mediciones prolongadas es un gran problema, por lo tanto se debe de incluir compensación de temperatura y desviación. La galga de deformación ideal es pequeña en tamaño y masa, de bajo costo, fácil de colocar, con alta sensibilidad a la deformación pero insensible a la temperatura ambiente y variaciones de los procesos.
  5. http://www.rdpe.com/uk/hiw-sglc.htm
  6. Strain gage cells : Celda de galgas de deformación Bending beam: viga de flexion/cantiliber Shear beam: viga cortante Canister: Bote/frasco Ring and pancake: Anillo Button and washer: Boton/arandela Helical : Helicoidal/resorte Celda de carga ideal tiene un comportamiento línea. Temperatura, uso, tiempo, va perdiendo su linealidad.
  7.  fosfato de galio poseen un alto grado de sensibilidad incluso al ser expuestos a altas temperaturas, permitiendo que el sensor sea eficiente hasta temperaturas de 1000 ° El mayor efecto del efecto piezoeléctrico es que cuando aumenta significativamente la presión y la temperatura, la sensibilidad se reduce debido a un montaje gemelo No se pueden usar para tomar mediciones de estática 
  8. In electrical engineering, two conductors are referred to as mutual-inductively coupled or magnetically coupled [1] when they are configured such that change in current through one wire induces a voltage across the ends of the other wire throughelectromagnetic induction. The amount of inductive coupling between two conductors is measured by their mutual inductance.
  9. Las galgas de deformación son utilizadas para medir desplazamiento, fuerza, peso, presión, torque, fuerza o carga. A) se utiliza para medir fuerza vertical. B) se utiliza para fuerzas de flexión. C y D se utiliza para medir fuerzas de presión.
  10. Strain gage cells : Celda de galgas de deformación Bending beam: viga de flexion/cantiliber Shear beam: viga cortante Canister: Bote/frasco Ring and pancake: Anillo Button and washer: Boton/arandela HABLAR SOBRE CELDA DE CARGA Y VER HOJAS DE DATOS