¿Cómo amplificar la salida de una galga extensométrica?

Las galgas extensométricas son sensores esenciales que se utilizan en una amplia gama de industrias, desde la aeroespacial y la automotriz hasta la ingeniería civil y las pruebas de materiales. Estos dispositivos miden la tensión mecánica detectando cambios en la resistencia eléctrica, proporcionando datos valiosos para los sistemas de monitoreo y control. Sin embargo, la señal de salida de una galga extensométrica suele ser muy pequeña y requiere amplificación para que sea útil en aplicaciones prácticas. En esta publicación de blog, compartiré algunos métodos efectivos para amplificar la salida de un medidor de tensión, aprovechando mi experiencia como proveedor de medidores de tensión.

Comprensión de los conceptos básicos de la salida de galgas extensométricas

Antes de profundizar en las técnicas de amplificación, es fundamental comprender la naturaleza de la salida de las galgas extensométricas. Un medidor de tensión normalmente tiene una resistencia que cambia en proporción a la tensión aplicada. El cambio en la resistencia suele ser muy pequeño, a menudo del orden de unos pocos ohmios o menos. Este pequeño cambio en la resistencia da como resultado un cambio correspondientemente pequeño en el voltaje a través del extensómetro cuando es parte de un circuito.

El voltaje de salida de una galga extensométrica se puede calcular mediante la siguiente fórmula:
[ \Delta V = \frac{V_{exc} \cdot G \cdot \epsilon}{4} ]
Dónde:

• (\Delta V) es el cambio en el voltaje de salida
• (V_{exc}) es el voltaje de excitación aplicado al puente del extensómetro
• (G) es el factor de galga extensométrica
• (\epsilon) es la tensión aplicada

Como puede ver en la fórmula, el voltaje de salida es directamente proporcional al voltaje de excitación, el factor de calibre y la tensión aplicada. Sin embargo, incluso con un voltaje de excitación relativamente alto y un factor de calibre grande, el voltaje de salida puede seguir siendo bastante pequeño, especialmente para deformaciones pequeñas.

Configuraciones de puente para amplificación

Una de las formas más comunes de aumentar la salida de una galga extensométrica es utilizar una configuración de puente. El puente de Wheatstone es el circuito puente más utilizado para aplicaciones de galgas extensométricas. Consta de cuatro elementos resistivos, siendo el extensímetro uno o más de estos elementos.

Configuración del cuarto de puente

En una configuración de un cuarto de puente, sólo una de las cuatro resistencias del puente de Wheatstone es una galga extensométrica. Las otras tres resistencias son resistencias fijas. Esta configuración es simple y rentable, pero proporciona el rendimiento más bajo en comparación con otras configuraciones de puente.

Configuración de medio puente

Una configuración de medio puente utiliza dos galgas extensométricas. Esto se puede organizar de diferentes maneras, según la aplicación. Por ejemplo, un extensímetro se puede utilizar para medir la deformación, mientras que el otro se puede utilizar como medidor de compensación de temperatura. La configuración de medio puente proporciona una salida mayor que la configuración de un cuarto de puente.

Medidor de tensión de puente completo

La configuración del puente completo utiliza cuatro galgas extensométricas. Esta configuración proporciona el mayor rendimiento y es la más sensible a la tensión. También ofrece la mejor compensación de temperatura. En una configuración de puente completo, las cuatro resistencias del puente de Wheatstone son galgas extensométricas. Esto permite la máxima utilización de los cambios de resistencia inducidos por la tensión y da como resultado un voltaje de salida significativamente mayor en comparación con las configuraciones de cuarto y medio puente.

Amplificadores de acondicionamiento de señal

Una vez que la galga extensométrica está configurada en un circuito puente, el siguiente paso es amplificar la señal de salida. Los amplificadores de acondicionamiento de señales están diseñados específicamente para amplificar las pequeñas señales de salida de galgas extensométricas y otros sensores. Estos amplificadores suelen tener una alta impedancia de entrada para minimizar el efecto de carga en el puente del extensómetro y un bajo ruido para garantizar una amplificación precisa de la señal.

Amplificadores de instrumentación

Los amplificadores de instrumentación son una opción popular para amplificar señales de galgas extensométricas. Están diseñados para proporcionar alta ganancia, alta relación de rechazo de modo común (CMRR) y bajo voltaje de compensación. El alto CMRR es particularmente importante en aplicaciones de galgas extensométricas porque ayuda a rechazar cualquier ruido de modo común que pueda estar presente en la señal de entrada.

Amplificadores operacionales

Los amplificadores operacionales (op-amps) también se pueden utilizar para amplificar señales de galgas extensométricas. Si bien los amplificadores operacionales son amplificadores de uso más general, se pueden configurar de varias maneras para lograr la amplificación deseada. Sin embargo, en comparación con los amplificadores de instrumentación, los amplificadores operacionales pueden tener un CMRR más bajo y un voltaje de compensación más alto, lo que puede afectar la precisión de la señal amplificada.

Optimización del voltaje de excitación

El voltaje de excitación aplicado al puente extensímetro también juega un papel crucial en la determinación del voltaje de salida. Aumentar el voltaje de excitación puede aumentar directamente el voltaje de salida del extensímetro, de acuerdo con la fórmula mencionada anteriormente. Sin embargo, existen algunas limitaciones para aumentar el voltaje de excitación.

Disipación de energía

Una de las principales limitaciones es la disipación de energía. A medida que aumenta el voltaje de excitación, también aumenta la potencia disipada por la galga extensométrica. Esto puede provocar un sobrecalentamiento del extensómetro, lo que puede afectar a su precisión y fiabilidad. Por lo tanto, es importante elegir un voltaje de excitación que esté dentro de la potencia nominal del extensómetro.

Ruido e interferencia

Otra consideración es el ruido y las interferencias. Un voltaje de excitación más alto también puede aumentar la susceptibilidad del extensímetro al ruido eléctrico y a las interferencias. Esto puede dar como resultado una relación señal-ruido (SNR) degradada, lo que puede afectar la precisión de la medición. Por lo tanto, es importante equilibrar la necesidad de un voltaje de excitación alto con la necesidad de minimizar el ruido y las interferencias.

Compensación de temperatura

Los cambios de temperatura pueden tener un impacto significativo en la salida de una galga extensométrica. A medida que cambia la temperatura, la resistencia del extensímetro puede cambiar, incluso en ausencia de tensión aplicada. Esto puede provocar errores en la medición. Por lo tanto, la compensación de temperatura es un aspecto importante de la amplificación de galgas extensométricas.

Compensación activa de temperatura

La compensación activa de temperatura implica el uso de sensores o circuitos adicionales para medir la temperatura y ajustar la salida del extensómetro en consecuencia. Por ejemplo, se puede utilizar un termistor para medir la temperatura y la salida del extensómetro se puede ajustar en función de la lectura de temperatura.

Compensación pasiva de temperatura

La compensación pasiva de temperatura se puede lograr mediante configuraciones de puente. Por ejemplo, en una configuración de medio puente o de puente completo, se pueden usar uno o más extensímetros como medidores de compensación de temperatura. Estos medidores están colocados de tal manera que se ven afectados por los mismos cambios de temperatura que el medidor de tensión, pero no por la tensión aplicada. Esto ayuda a anular los cambios de resistencia inducidos por la temperatura en la galga extensométrica.

Filtrado de señal

Además de la amplificación, el filtrado de la señal también es importante para mejorar la calidad de la salida del extensímetro. Se pueden introducir ruido e interferencias en la señal desde diversas fuentes, como interferencias electromagnéticas (EMI), ruido de la fuente de alimentación y vibraciones mecánicas.

Filtros de paso bajo

Los filtros de paso bajo se utilizan comúnmente para eliminar el ruido de alta frecuencia de la señal del extensímetro. Estos filtros permiten el paso de señales de baja frecuencia (incluida la señal inducida por tensión) mientras atenúan el ruido de alta frecuencia.

Filtros de paso alto

Se pueden utilizar filtros de paso alto para eliminar el ruido de baja frecuencia, como las compensaciones de CC y la deriva lenta. Estos filtros permiten el paso de señales de alta frecuencia mientras atenúan las señales de baja frecuencia.

Conclusión

Amplificar la salida de una galga extensométrica es un paso crítico en muchas aplicaciones. Al utilizar configuraciones de puente adecuadas, amplificadores de acondicionamiento de señales, optimizar el voltaje de excitación, implementar compensación de temperatura y aplicar filtrado de señales, es posible aumentar significativamente la salida de un extensómetro y mejorar la precisión de la medición.

Como proveedor de galgas extensométricas, entiendo la importancia de proporcionar galgas extensométricas de alta calidad y el soporte necesario para la amplificación y el acondicionamiento de señales. Si está buscando galgas extensométricas o necesita consejos sobre cómo amplificar su producción, le recomiendo que se comunique conmigo para una discusión detallada. Podemos trabajar juntos para encontrar la mejor solución para su aplicación específica.

Referencias

• Doebelin, EO (2003). Sistemas de Medición: Aplicación y Diseño. McGraw-Hill.
• Grupo Kistler. (2021). Tecnología de galgas extensométricas. Obtenido de [URL del sitio web]
• Ingeniería Omega. (2021). Manual de galgas extensométricas. Obtenido de [URL del sitio web]