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Sensor

Calculadora de Puente de Galga Extensométrica

Calcula el voltaje de salida del puente de galgas extensométricas según el factor de galga y la deformación.

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Fórmula

Vout=Vin⋅GF⋅ε4⋅NV_{out} = V_{in} \cdot \frac{GF \cdot \varepsilon}{4} \cdot N
V_out— Tensión de salida del puente (V)
V_in— Tensión de excitación (V)
GF— Factor de medición
ε— Deformación aplicada (m/m) (m/m)
N— Número de brazos activos (1, 2 o 4)

Cómo Funciona

Esta calculadora calcula la tensión de salida del puente de una galga extensométrica a partir de la deformación aplicada, algo esencial para los ingenieros estructurales, los técnicos de pruebas y los diseñadores aeroespaciales que realizan análisis de tensión y mediciones de carga. Las galgas extensométricas convierten la deformación mecánica en cambios de resistencia mediante el factor manométrico: DR/r = GF épsilon, donde el GF (factor manométrico) suele ser de 2,0 a 2,2 para los manómetros de lámina metálica y de 100 a 200 para los medidores de semiconductores, según los fabricantes Vishay y HBM. El puente de Wheatstone convierte este pequeño cambio de resistencia (0,01-0,1%) en un voltaje medible: Vout = Vex GF épsilon N/4, donde N es el número de medidores activos (1, 2 o 4). Un cuarto de puente (N = 1) con 2,1 GF y 1000 microdeformaciones produce un Vout = 5 V 2,1 0,001/4 = 2,625 mV. El puente completo (N = 4) cuadruplica la sensibilidad hasta alcanzar los 10,5 mV y proporciona una compensación automática de temperatura según la norma ASTM E251. La no linealidad del puente es inferior al 0,1% para cepas por debajo de 5000 microdeformaciones. Las células de carga industriales alcanzan una precisión de +/- -0,02% al utilizar manómetros de lámina de 350 ohmios adaptados a los requisitos de la OIML R60.

Ejemplo Resuelto

Problema: Diseñe un circuito extensométrico de puente completo para medir de 0 a 2000 microdeformaciones en el larguero de un avión. Los medidores son Vishay EA-06-125AD-120 (GF = 2,095, 120 ohmios). La excitación es de 5 V. Determine el voltaje de salida y la ganancia requerida del amplificador para un ADC de 3,3 V.

Solución:

  1. Configuración de puente completo: N = 4 medidores activos
  2. Deformación máxima: épsilon = 2000 microdeformación = 0.002
  3. Voltaje de salida: Vout = Vex GF épsilon N/4 = 5 2.095 0.002 1 = 20.95 mV
  4. Sensibilidad: 20,95 mV/2000 microdeformación = 10,48 UV/microdeformación
  5. Ganancia de amplificador requerida: G = 3300 mV/20,95 mV = 157,5 V/V
  6. Utilice INA128 con Rg = 50 k/ (G-1) = 50 k/156,5 = 319 ohmios (utilice 316 ohmios, 0,1%)
  7. Resolución con ADC de 12 bits: 3300 mV/4096/157.5 = 5.1 uV = 0.49 microstrain/LSB
Resultado: salidas de puente completo de 20,95 mV a 2000 microdeformaciones. Con una ganancia de 157,5, la resolución del ADC es de 0,5 microdeformaciones por recuento.

Consejos Prácticos

  • ✓Para las pruebas estructurales, utilice manómetros de 350 ohmios para minimizar el autocalentamiento (0,7 mW con una excitación de 5 V) y, al mismo tiempo, mantener un nivel de señal adecuado; los manómetros de 120 ohmios disipan 52 mW y provocan una deriva térmica según la norma ASTM E251
  • ✓Aplique medidores con M-Bond 200 (cianoacrilato) para temperatura ambiente o M-Bond 610 (epoxi) para un rango de -269 a +260 °C según el boletín de instalación B-127 de Vishay
  • ✓Utilice un cable blindado de 4 hilos para eliminar los errores de resistencia de los cables; 10 m de 24 AWG añaden 1,7 ohmios, lo que provoca un error de ganancia del 1,4% en un cuarto de puente de 120 ohmios sin cables de detección

Errores Comunes

  • ✗Sin tener en cuenta la compensación de temperatura: la salida de un cuarto de puente sin compensación se desvía entre 10 y 50 UV/c debido al TCR del manómetro y del cable conductor; utilice manómetros con compensación automática de temperatura (STC) que coincidan con el material de la muestra según la Nota técnica TN-504 de Vishay
  • ✗Uso de un factor de calibre incorrecto: el GF varía de 2.0 (constantán) a 3.2 (isoelástico) para láminas metálicas y de 100 a 175 para medidores semiconductores; un error de GF del 10% provoca directamente un error de medición de deformación del 10%
  • ✗Ignorar la estabilidad de la excitación del puente: una variación de suministro del 0,1% provoca un error de salida del 0,1% (1 microdeformación a 1000 microdeformaciones); utilice una referencia de voltaje de precisión (REF5050, +/ -0,05%) o una medición ADC ratiométrica

Preguntas Frecuentes

El factor de calibre (GF) es la relación entre el cambio relativo de resistencia y la deformación: GF = (DR/r) /épsilon. Los medidores de láminas metálicas tienen un GF = 2,0-2,2 (dominado por el cambio geométrico), mientras que los medidores semiconductores tienen un GF = 100-200 (efecto piezorresistivo). Un GF más alto proporciona más voltaje de salida por microdeformación, pero los medidores semiconductores son más sensibles a la temperatura (+/ -10% /50 °C frente a +/ -1% /50 °C en el caso de láminas). Para una medición precisa, según la norma ASTM E251, se prefieren los medidores laminares con una incertidumbre de GF inferior al +/ -0,5% según la calibración del fabricante.
A 1000 microdeformaciones con GF = 2,1, la resistencia cambia solo un 0,21% (0,252 ohmios en un manómetro de 120 ohmios). La medición directa de ohmímetros no puede resolver este problema con la variación de temperatura y la resistencia al plomo. El puente de Wheatstone convierte un cambio de resistencia del 0,21% en una salida diferencial de 2,625 mV, que se amplifica fácilmente. Las configuraciones de puente también proporcionan una compensación automática de temperatura cuando los manómetros ficticios experimentan la misma temperatura pero no la misma deformación, lo que rechaza la deriva térmica en modo común según el VDI/VDE 2635.

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