1.1. 1.1. Acondicionadores de señal para sensores resistivos.Acondicionadores de señal para sensores resistivos.

Dentro de este apartado, merecen especial atención los puentes de Wheatstone con galgas extensométricas.

1.1.1. Puente de Wheatstone.

El montaje más común utilizado para medir deformaciones mediante galgas es el puente de Wheatstone. Existen tres tipos de montajes básicos: con una, dos y cuatro galgas. La medida se suele realizar por deflexión, es decir midiendo la diferencia de tensión existente entre los terminales de salida del sensor.

Las principales diferencias de estos montajes se encuentran en la sensibilidad y la capacidad de compensación del efecto de temperatura. Esta compensación consiste en suprimir los efectos de la temperatura en el valor de la resistencia de la galga; cuando en un puente de medida coinciden dos o cuatro galgas de iguales características, los efectos de la temperatura se anulan ya que ésta les afecta por igual.

1.1.2. Puente de medida con una galga.

Este puente de medida se caracteriza por una baja sensibilidad. Además, al sólo haber una galga, ésta no está compensada en temperatura.

Fig. 8.1. Puente con una galga activa.

Si se mide la tensión entre las tomas centrales, se tiene:

Cuando el puente está equilibrado, que es su estado normal, se puede definir un parámetro:

Sustituyendo k en la ecuación anterior, se obtiene:

Para hacer la aproximación se ha considerado que x << k + 1. Resulta pues, que la tensión de salida sólo es proporcional a los cambios de la resistencia R3, es decir, a los cambios de la resistencia de la galga.

Se observa, también, que la relación entre VS y x no es del todo lineal. En la siguiente gráfica se puede ver este hecho:

Fig. 8.2. Tensión de salida en función de x cuando k = 1.

Para obtener una tensión directamente proporcional a las variaciones de una de las resistencias de un puente de Wheatstone, se puede recurrir a realizar el siguiente montaje, que realiza un procesado analógico de la tensión de salida.

Fig. 8.3. Linealización analógica de un puente.

La tensión de salida VS es igual a:

1.1.3. Puente de medida con dos galgas.

Debido a la utilización de dos galgas se puede duplicar la sensibilidad del puente respecto al anterior. Esto permite que para una misma deformación tengamos una mayor señal de salida para una tensión de alimentación dada. Además, disponer de dos galgas, permite la compensación en temperatura.

Existen diversos montajes del puente con dos galgas.

1.1.3.a. Montaje con una galga transversal y otra longitudinal.

Fig. 8.4. Linealización analógica de un puente.

En montaje de dos galgas extensométricas activas en una pieza tal y como se muestra en la figura 8.4.a, es decir, una transversal y otra longitudinal a la pieza, y conectadas en el puente de la forma descrita en la figura 8.4.b, la tensión de salida es:

1.1.3.b. Montaje con dos galgas activas con variaciones opuestas.

Si se emplean dos galgas extensométricas que experimentan deformaciones de igual amplitud pero de signo opuesto dispuestas de la forma indicada en la figura 8.5, se tiene una tensión de salida:

Fig. 8.5. Disposición de dos galgas activas con variaciones opuestas.

El valor de la tensión de salida es, en este caso, lineal sin necesidad de aproximaciones.

1.1.3.c. Montaje con dos galgas para compensación de temperatura.

Las galgas extensométricas son sensibles a la temperatura, y un puente permite reducir esta interferencia. Si se utiliza una galga simple que experimenta una variación porcentual "y" debida a la temperatura, además de la variación "x" debida al esfuerzo que se desea medir, basta disponer otra galga igual pero pasiva, es decir, no sometida al esfuerzo a medir, y emplear el circuito de la figura 8.6.

Fig. 8.6. Compensación de temperatura en un puente.

1.1.4. Puente de medida con cuatro galgas.

La utilización de cuatro galgas cuadruplica la sensibilidad del puente respecto al puente de una sola galga. De igual forma que en el caso anterior, las galgas pueden estar compensadas en temperatura.

Fig. 8.7. Linealización de un puente empleando galgas dobles.

Utilizando galgas extensométricas dobles montadas adecuadamente, se puede lograr una situación como la descrita en la figura 8.7.a, correspondiente a la pieza en voladizo en que se han montado dos galgas iguales dobles en cada cara, véase figura 8.7.b. La tensión de salida pasa a ser:

Es decir, la tensión de salida es el doble que la tensión de salida de un puente con dos galgas.

A continuación se muestra un cuadro con las diferentes combinaciones de resistencias en los brazos del puente y la señal VS a su salida en función de la excitación a tensión o a intensidad constante.

R1 R2 R3 R4 V constante I constante

R0 R0 R0 (1+x) R0

R0 (1+x) R0 R0 (1+x) R0

R0 R0 R0 (1+x) R0 (1+x)

R0 R0 (1-x) R0 (1+x) R0

R0 (1-x) R0 R0 (1+x) R0

R0 (1+x) R0 (1-x) R0 (1+x) R0 (1-x)

Tabla 8.1. Tensión de salida VS del puente de Wheatstone.

Mediciones eléctricas - electrotecnia : Puente de Arderson, puente de Hay, puente de Kelvin, puente de Maxwell, puente de Wien.

Puente de Maxwell

Una red en puente de CA en la que una rama está compuesta de una inductancia y una resistencia en serie; la opuesta, de un condensador y una resistencia en paralelo; y las otras dos ramas, de resistencias.

El puente se ilustra en la figura 1-14A y se usa para la medida de inductancias (en función de un condensador conocido) o capacidades (en función de una inductancia conocida), siendo la relación de equilibrio:

Puente de Anderson .

Una forma modificada de puente de Maxwell utilizada para la medida de inductancias en términos de capacitancia y resistencia. Como se muestra en la figura 1-14B el puente posee una resistencia adicional R5. Las condiciones de equilibrio (que son independientes de la frecuencia) son:

Fig. 1-14B - Puente de Anderson

Este puente presenta la ventaja de que ambas condiciones son independientes.

Puente de Hay

Un circuito puente que se utiliza generalmente para la medida de inductancias en términos de capacitancia, resistencia y frecuencia. Se diferencia del puente de Maxwell en que el condensador se dispone en serie con su resistencia asociada, como se indica en la figura 1-14C . Las condiciones de equilibrio son:

Fig. 1-14C - Puente de Hay

Puente de Kelvin.

Una modificación del puente de Wheatstone que utiliza como elementos de comparación resistencias muy pequeñas. Como se muestra en la figura 1-14D, este puente presenta un par adicional, R3R4, que guardan la misma relación que R1 y R2. Donde R5 y R6, son las resistencias de pequeño valor que se utilizan como elementos de comparación y R7, es la resistencia desconocida. En la condición de equilibrio se cumple la siguiente condición:

Fig. 1-14D - Puente de Kelvin

Puente de Wien.

Un circuito puente de CA, en el que una rama consta de una resistencia y una capacitancia en serie, y la contigua de una resistencia y una capacitancia en paralelo, siendo las dos ramas restantes puramente resistivas. El puente indicado en la figura 1-14E se usa para medida de capacitancias en términos de resistencia y frecuencia. En el equilibrio, se aplican las siguientes relaciones:

que dan las siguientes expresiones para C1 y C2 :

Circuito puente de Wien. Fig . 1-14E

Galgas Extensiométricas

La galga extensiométrica es un dispositivo comúnmente usado en pruebas y mediciones mecánicas. La galga más común, la galga extensiométrica de resistencia, consiste de una matriz de bobinas o cable muy fino el cual varia su resistencia linealmente dependiendo de la carga aplicada al dispositivo. Cuando usted usa una galga extensiométrica, usted pega la galga directamente al dispositivo bajo prueba, aplica fuerza y mide la carga detectando los cambios en resistencia. Las galgas extensiométricas también son usadas en sensores que detectan fuerza, aceleración, presión y vibración.

Ya que las mediciones de carga requieren detectar cambios muy pequeños de resistencia, el circuito de puente Wheatstone se usa predominantemente. El circuito de puente Wheatstone consiste de cuatro elementos resistivos con excitación de voltaje aplicada en las puntas del puente. Las galgas extensiométricas pueden ocupar uno, dos o cuatro brazos del puente, completando con resistencias fijas los brazos del puente que sobran. La Figura 4 muestra una configuración con una galga de medio puente, que consiste de dos elementos de carga RG1 y RG2, en combinación con dos resistencias fijas R1 y R2.

Con una fuente de voltaje VEXC alimentando el puente, el sistema de medición mide el voltaje VMEAS a través del puente. En el estado donde no hay carga aplicada, cuando la relación de RG1 a RG2 es igual a la relación de R1 y R2, el voltaje medido en VMEAS es 0 V. A esta condición se le conoce como puente balanceado. A medida que se aplica carga a las galgas, el valor de sus resistencias cambia, causando un cambio en el voltaje VMEAS. Los productos de acondicionamiento para galgas extensiométricas cuentan con fuentes de excitación de voltaje, amplificadores de ganancia y provisiones de resistores precisos y estables para completar los puentes (vea Figura 5). Debido a que muy rara vez los puentes de galgas son balanceados perfectamente, algunos acondicionadores de señales usan eliminación del desfase, un proceso en el cual usted puede ajustar la relación de resistencias y remover el voltaje de desfase inicial. De manera alterna, usted puede medir el voltaje de desfase inicial y usar esta medición en sus rutinas de conversiones para compensar por la condición inicial.

Figura 4. Las galgas extensiométricas son medidas en configuraciones de puente Wheatstone