Funcionamiento de sensores de alargamiento

El alargamiento representa una relativa modificación en la longitud de un componente o estructura bajo carga. Puede ser una extensión (estiramiento) o también un acortamiento (compresión). El alargamiento puede surgir por fuerzas o pares (alargamiento mecánico) aplicados a una estructura, pero también por la dilatación térmica en caso de modificación de temperatura. En el caso de medición de fuerza indirecta mediante sensores de alargamiento, se determina el alargamiento mecánico.

La modificación relativa de la longitud se describe como alargamiento ε en [µm/m] y se define como la relación de una modificación de longitud absoluta Δ l respecto a una longitud total l0. El alargamiento no presenta dimensiones. El símbolo del alargamiento es ɛ. Dado que normalmente se producen pequeños alargamientos durante la monitorización de componentes, el alargamiento se expresa en [µm/m] (1 µm = 10-6 m). En Europa, los alargamientos se expresan principalmente en [µm/m] mientras que en la zona angloamericana se expresa en microtensión o microepsilon [µɛ]. Si se extiende un componente, se denomina alargamiento positivo. Si se comprime el componente, el alargamiento es negativo.

En la mayoría de los casos, el alargamiento se mide para determinar el grado de tensión y, por tanto, las tensiones de un material debido a una carga mecánica. La medición del alargamiento también permite deducir la fuerza que provocó el alargamiento. Por lo tanto, la medición del alargamiento ofrece una alternativa inteligente para la determinación de grandes fuerzas. En un laboratorio, las cintas de medición suelen adherirse a un componente. Sin embargo, en una producción en serie, resulta más sencillo utilizar sensores atornillables de alargamiento para crear condiciones constantes de alta calidad para la medición indirecta de fuerzas.

Los sensores de alargamiento representan una alternativa adecuada a los sensores de fuerza para grandes rangos de fuerza y ​​construcciones rígidas. A diferencia de los sensores de fuerza, los sensores de alargamiento no se montan directamente en el flujo de fuerza, sino que se atornillan a la superficie del componente en cuestión. La tensión en la estructura de la máquina provoca deformaciones. Con sensores de alargamiento, el alargamiento superficial medido se puede utilizar para deducir fácilmente la fuerza de actuación. En el caso de medición de fuerza indirecta mediante sensores de alargamiento, se pueden determinar grandes fuerzas de manera eficiente con un pequeño sensor de alargamiento.

Además de los sensores de alargamiento atornillables en el exterior, también existen versiones que determinan el alargamiento en un orificio. Esto puede resultar útil en función de la construcción de la instalación.

Cada componente sometido a una fuerza (F) también experimenta un determinado alargamiento (ε). Este alargamiento en rango elástico lineal siempre depende del módulo E del material (E), de la sección (A) del material y también de la fuerza. Con ayuda de estos tres parámetros se puede calcular el alargamiento de la siguiente manera:

Esta ecuación también permite determinar fácilmente la tensión del componente correspondiente. Dichos cálculos se basan en la ley de elasticidad de Hooke. La ley de elasticidad de Hooke, en su forma más simplificada, determina la proporcionalidad directa del alargamiento ε [m/m] y el esfuerzo σ [N/mm²] de un determinado material en función de su módulo de elasticidad E [N/mm²].

El diseño mecánico y la elección de material en el componente se basan en las tensiones mecánicas producidas. En el caso de aceros de baja resistencia, se permiten tensiones menores y, por tanto, alargamientos. En el caso de aceros de alta resistencia, se permiten mayores tensiones y alargamientos. 
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Los sensores de alargamiento presentan diferentes rangos de medición que cubren los alargamientos esperados.

El alargamiento experimentado de un componente siempre depende del material del componente, además de la geometría y la fuerza. El valor característico es el módulo E (módulo de elasticidad). Describe la relación proporcional entre tensión y alargamiento en la deformación de un cuerpo sólido en el rango elástico lineal. Cuanto más rígido es el material, mayor es también su módulo E. El módulo E para el acero templado convencional en sensores de alargamiento es E = 210000 N/mm².
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El módulo E del aluminio es de alrededor de 70000 N/mm², mientras el módulo E del caucho duro asciende a 5 N/mm².

Alargamiento medido en el sensor de alargamiento: 240 µm/m

Ancho de barra de acero 20 mm x 20 mm -> sección A = 20 mm x 20 mm = 400 mm^{2
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F= 400 mm² x 210000 N/mm² x 240 x 10-6 m/m = 20160 N

El procesamiento de la magnitud mecánica de fuerza para la señal eléctrica se realiza en cuatro pasos en los sensores de alargamiento basados en galgas extensiométricas. El punto de partida es un componente que se deforma por la influencia de una fuerza. Dicha deformación se transmite al sensor de alargamiento a través de la conexión de fuerza. El sensor de alargamiento, a su vez, tiene un cuerpo de resorte de acero templado, sobre el que se generan alargamientos en la superficie del material mediante cargas externas. Mediante cintas de medición aplicadas en la superficie del cuerpo de resorte se capta este alargamiento. Las galgas extensiométricas transforman el alargamiento mecánico en una modificación de la resistencia eléctrica y actúan como convertidor mecánico-eléctrico. Mediante esta modificación de la resistencia, se genera una modificación de la tensión proporcional al alargamiento. Con ayuda de la interconexión inteligente de las galgas extensiométricas individuales con un puente de Wheatstone se pueden detectar incluso los alargamientos más pequeños.

Las cintas de medición del alargamiento son la pieza central de los sensores de alargamiento y fuerza de Baumer y sirven para captar los alargamientos en la superficie del material. Por lo general, están compuestos por una lámina portadora (poliimida), una rejilla de medición en forma de meandro de constantán y una capa de revestimiento. Las galgas extensiométricas transforman el alargamiento mecánico en una modificación de la resistencia eléctrica y actúan como convertidor mecánico-eléctrico. La modificación de la resistencia de la galga extensiométrica se realiza de forma proporcional y se denomina factor k. 

Formas constructivas
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Las cintas de medición del alargamiento metálicas para la construcción del detector están disponibles en diversas formas constructivas. Además de las típicas galgas extensiométricas lineales, otras formas constructivas típicas son galgas extensiométricas en rosetas en T, en rosetas y en tijera:

La conexión de puente de Wheatstone es una interconexión especial de resistencias eléctricas con ayuda de las cuales es posible la medición precisa de modificaciones de la resistencia eléctrica. En la conexión de puente completo usada en la construcción de sensores se conectan entre sí cuatro galgas extensiométricas en una disposición determinada. La conexión de puente está compuesta por dos divisores de tensión conectados en paralelo a los que se abastece con una fuente de tensión común con alimentación de puente U_B.

Con ayuda de la conexión de puente de Wheatstone se pueden captar de forma precisa incluso las modificaciones de resistencia más pequeñas. La modificación de las resistencias individuales provoca una desintonización del puente UA que se puede medir de forma sencilla. La señal de medición del puente se comporta de forma métrica proporcional y es proporcional a la tensión de alimentación. La señal de medición típica de los sensores de alargamiento de galga extensiométrica está entre 0,4 y 3,0 mV/V.

Desde el punto de vista mecánico, los sensores de alargamiento de Baumer están concebidos para durar al menos 10 millones de ciclos en casi todo el rango de alargamiento (por ejemplo, +/- 500 µm/m). De esta forma, se pueden controlar procesos con un elevado número de ciclos y cargas en direcciones positivas y negativas. 

La gama de productos de sensores de alargamiento de Baumer ofrece posibilidades de aplicación casi infinitas. Existen sensores de alargamiento para espacios limitados, aplicaciones industriales normales y también para duras aplicaciones exteriores.