Las galgas extensométricas son dispositivos de medición que cambian su resistencia eléctrica mediante deformaciones mecánicas. Se utilizan en una variedad de instrumentos de medición que, además de básculas y celdas de carga, también incluyen sensores de presión.
Los sensores de presión se basan en varias variables físicas, que incluyen inductancia, capacitancia o piezoelectricidad. Sin embargo, la propiedad física más común por la que operan los transmisores de presión es la resistencia eléctrica que se puede observar en la deformación metálica, o efecto piezorresistivo, de los extensómetros semiconductores. La presión está determinada por una deformación mecánica, donde los extensómetros se unen a un soporte elástico. Aquí es importante que las galgas extensométricas puedan seguir los movimientos de este portador. Si una presión actúa sobre el portador, la deformación que surge provoca un cambio en la sección transversal de las pistas conductoras, lo que a su vez provoca un cambio en la resistencia eléctrica. En última instancia, es este cambio en la resistencia eléctrica lo que registra un transductor de presión y a partir del cual se puede determinar la presión.
Figura 1: Las galgas extensométricas se deforman bajo presión
La deformación que actúa sobre el conductor hará que cambie de longitud (Δl). Dado que el volumen sigue siendo el mismo, es la sección transversal y, por lo tanto, la resistencia R la que cambia:
ΔR / R = k • Δl / l
El cambio de resistencia (ΔR) es proporcional al cambio de longitud (Δl) y el factor de proporcionalidad (k) dependerá tanto de la geometría como de las propiedades del material. Mientras que ‘k’ será 2 para conductores metálicos, también puede ser muy alto en semiconductores. Debido a estos ‘factores k’ relativamente altos para los semiconductores, estos son más sensibles y, por lo tanto, pueden medir incluso los cambios de presión más mínimos. Sin embargo, la dependencia de la temperatura también aumenta como resultado de esto.
El cambio de resistencia en las galgas extensométricas metálicas se debe a cambios dimensionales (geometría). En las galgas extensométricas de semiconductores, sin embargo, el cambio se debe a alteraciones en la estructura cristalina ( efecto piezorresistivo ).
La evaluación del cambio de resistencia provocado por una deformación inducida por presión se realiza a través de un circuito puente. Para este propósito, las galgas extensométricas se conectan para formar un puente de Wheatstone (Figura 2). Dos de las galgas extensométricas se colocan en una dirección radial y dos en una tangencial. Es así que dos se estiran y dos se comprimen bajo deformación. Para compensar los efectos de la temperatura y que la señal sea lo más lineal posible, es importante que las galgas extensométricas tengan exactamente las mismas resistencias y estén dispuestas en una geometría exacta.
Figura 2: Circuito puente
Galgas extensométricas metálicas
Entre las galgas extensométricas metálicas, debemos diferenciar entre las variedades de lámina y de película fina.
Las galgas extensométricas de láminas consisten en láminas enrolladas, de solo unas pocas micras de espesor. El constantan se usa normalmente como material aquí, pero también se pueden emplear Karma y Modco, especialmente si se necesita un rango de temperatura mayor o las temperaturas están por debajo de -150 ° C. Constantan tiene un ‘factor k’ muy bajo de 2,05 y, por tanto, no es muy sensible. Teniendo esto en cuenta, el material muestra una menor dependencia de la temperatura, razón por la cual se utiliza con mayor frecuencia en galgas extensométricas de lámina.
Es más probable que se utilicen galgas extensométricas de lámina en celdas de carga. A menudo, no son lo suficientemente sensibles para ser transductores de presión, ya que con ellos no se pueden registrar valores inferiores a una barra. Su rango de temperatura también es relativamente limitado y, dependiendo de la versión, no deben superarse temperaturas de incluso 80 ° C.
Las galgas extensométricas de película fina se producen mediante la denominada técnica de película fina, por ejemplo, mediante deposición de vapor o revestimiento por pulverización catódica. El proceso de fabricación es más complejo aquí y también más caro que para los calibres de lámina. Por otro lado, sin embargo, es posible un rango de temperatura de 170 ° C, siendo también muy buena su estabilidad a largo plazo.
Las galgas extensométricas metálicas de película delgada proporcionan instrumentos de medición estables a largo plazo, pero también bastante costosos. Es cierto que cuanto menores sean las presiones a detectar, mayor será el coste de fabricación. Las presiones bajas de menos de 6 bar solo se pueden detectar con poca precisión.
Galgas extensiométricas semiconductoras
Las galgas extensométricas semiconductoras funcionan por efecto piezorresistivo . El material utilizado en la mayoría de los casos es el silicio. Las galgas extensiométricas semiconductoras tienden a ser más sensibles que la variedad metálica. También suelen estar separados del medio por una membrana de separación, y la presión se transmite a través de un fluido de transferencia.
Figura 3: Dispositivo de medición piezorresistivo
En los materiales semiconductores, el efecto piezorresistivo es unas cincuenta veces más pronunciado que con las galgas extensométricas metálicas. Las galgas extensométricas semiconductoras se pegan a un soporte o se recubren directamente sobre él. Este último permite una unión intensa y asegura la ausencia de histéresis, así como la resistencia al envejecimiento y la estabilidad térmica. Aunque el efecto piezorresistivo no es exclusivo de la galga extensométrica semiconductora, el término “sensor de presión piezorresistivo” se ha utilizado para instrumentos en los que la estructura elástica se deforma bajo presión y las resistencias están integradas en un solo chip. Los transductores de presión piezorresistivos se pueden hacer de tamaño pequeño y (aparte de la membrana) sin partes móviles. Su producción se basa en métodos normales de fabricación de semiconductores. Al mismo tiempo,
Galgas extensométricas piezoeléctricas de película finaestán unidos a un soporte de silicio y separados del soporte por una capa aislante. Esto aumenta los requisitos de fabricación y, por lo tanto, también el precio, pero aquí son posibles rangos de temperatura de -30 ° C a 200 ° C. Gracias a las propiedades altamente elásticas del silicio, solo se puede esperar una baja histéresis con estos. Es el alto ‘factor k’ el que logra la alta sensibilidad, lo que convierte a los transmisores de presión piezorresistivos en la primera opción para los rangos de presión más pequeños en la escala de mbar. Además, se pueden producir dispositivos de pequeñas dimensiones, lo que tiene un efecto positivo en el alcance de las aplicaciones potenciales. Además, la estabilidad a largo plazo y la compatibilidad EMC son muy buenas, y esto último, por supuesto, depende del material de soporte. La compensación de temperatura, sin embargo, requiere un poco más de esfuerzo,Puede leer más sobre la compensación de temperatura aquí .
Las galgas extensométricas de película gruesa se imprimen sobre membranas cerámicas o metálicas. Con un grosor de 20 micrones, son hasta 1.000 veces más gruesos que las galgas extensométricas de película fina. Debido a sus bajos requisitos de producción, estos son más baratos en precio, pero no muy estables a largo plazo debido al envejecimiento de su película gruesa.
Resumen: El tipo de galga extensiométrica utilizada tiene una gran influencia en el instrumento de medición. Factores como el precio, la precisión y la estabilidad a largo plazo juegan un papel importante en la elección del transmisor de presión adecuado . En nuestra experiencia, los transmisores de presión con galgas extensométricas piezoeléctricas de película delgada han demostrado ser los más eficientes porque, gracias a su sensibilidad, pueden registrar amplios rangos de presión con alta precisión, al mismo tiempo que exhiben una buena estabilidad a largo plazo.
