Las galgas extensométricas son dispositivos de medición que cambian su resistencia eléctrica a través de la deformación mecánica. Se utilizan en una variedad de instrumentos de medición que, además de las balanzas y las células de carga, incluyen también sensores de presión.

Los sensores de presión dependen de varias variables físicas, como la inductancia, capacitancia o la piezoelectricidad. Sin embargo, la propiedad física más común por la cual operan los transmisores de presión es la resistencia eléctrica, que se puede observar en la deformación metálica, o el efecto piezorresistivo de las galgas extensométricas en semiconductores. La presión está determinada por una deformación mecánica, donde las galgas extensométricas están unidas a un portador elástico. Es importante aquí que las galgas extensométricas puedan seguir los movimientos de este portador. Si una presión actúa sobre el portador, la deformación que se produce provoca un cambio en la sección transversal de las pistas del conductor, que a su vez provoca un cambio en la resistencia eléctrica. Es este cambio en la resistencia eléctrica lo que registra un transductor de presión y a partir del cual se puede determinar la presión.

La deformación que actúa sobre el conductor hará que cambie de longitud (l). 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 en la resistencia (ΔR) es proporcional al cambio en la longitud (Δl), y el factor de proporcionalidad (k) dependerá de la geometría y 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 más mínimos cambios de presión. La dependencia de la temperatura, sin embargo, también aumenta como resultado de esto.

El cambio en la resistencia en galgas metálicas se produce como resultado de los cambios dimensionales (geometría). Sin embargo, en las galgas dopadas sobre semiconductores, el cambio se debe a alteraciones en la estructura del cristal semiconductor (efecto piezorresistivo). La evaluación del cambio de resistencia provocado por una deformación inducida por la presión se realiza a través de un circuito puente. Para este propósito, los medidores de tensión están conectados para formar un puente de Wheatstone. Dos de los medidores de tensión se colocan en una dirección radial y dos en una tangencial. Así es como dos se estiran y dos se comprimen bajo deformación. Para que los efectos de la temperatura se compensen y para que la señal sea lo más lineal posible, es importante que las galgas tengan las mismas resistencias y estén dispuestas en una geometría exacta.

El tipo de galga 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 correcto.

Galgas metálicas

Entre las galgas extensiométricas metálicas debemos diferenciar entre las variedades de lámina y de película delgada.

Las galgas de lámina (foil strain gauges) consisten en una lámina enrollada, de solo unos pocos micrones de espesor. Aquí se utiliza normalmente Constantán (níquel-cobre)como material, pero también se pueden emplear Karma y Modco (níquel-cromo), especialmente si se necesita un rango de temperatura mayor o si las temperaturas están por debajo de -150° C. El Constantán tiene un "factor k" muy bajo (2.05) y, por lo tanto, no es muy sensible. Teniendo en cuenta esto, el material muestra una dependencia de la temperatura más baja, que es también la razón por la que se utiliza más a menudo en las galgas de lámina. Las galgas de lámina suelen ser utilizadas en células de carga. A menudo, no son lo suficientemente sensibles para ser utilizados en transductores de presión, ya que los valores de presión de menos de un bar no se pueden registrar con ellos. Su rango de temperatura también es relativamente limitado y, según la versión, no se deben sobrepasar temperaturas de 80° C.

Las galgas de película delgada (thin film strain gauges) se producen mediante la llamada técnica de película delgada, por ejemplo, mediante deposición de vapor o recubrimiento por pulverización catódica. El proceso de fabricación es más complejo aquí y también más caro que en las galgas de lámina. Por otra parte, sin embargo, es posible un rango de temperatura de hasta 170° C, con una estabilidad a largo plazo que también es muy buena. Las galgas metálicas de película delgada proporcionan instrumentos de medición estables a largo plazo, pero también bastante caros. Es cierto que cuanto más bajas sean las presiones a detectar, mayor será el costo de fabricación. Las presiones bajas de menos de 6 bar solo se pueden detectar con una precisión muy pobre.

Galgas sobre elementos semiconductores Las galgas semiconductoras funcionan por el efecto piezorresistivo. El material utilizado en la mayoría de los casos es el silicio. Estas galgas tienden a ser más sensibles que las metálicas y por lo general están separados del medio por una membrana de separación, por lo que la presión se transmite a través de un fluido de transferencia. En los materiales semiconductores, el efecto piezorresistivo es aproximadamente cincuenta veces más pronunciado que en las galgas metálicas. Los semiconductores se pegan a un portador o se cubren directamente por pulverización catódica. Este último método permite una unión intensa y asegura la ausencia de histéresis, así como una resistencia al envejecimiento y alta estabilidad ante la temperatura. Si bien el efecto piezorresistivo no es exclusivo de las galgas basadas en semiconductores, el término "sensor de presión piezorresistivo" se utiliza habitualmente para instrumentos en los que la estructura elástica, que se deforma bajo la presión, y el puente de Wheatstone están integradas conjuntamente en un chip. Los transductores de presión piezorresistivos se pueden hacer de tamaño pequeño y (aparte de la membrana) sin partes móviles. Al mismo tiempo, existe la posibilidad de integrar el puente de medida con la membrana elástica que se deforma bajo presión en un solo chip y así producir una celda de medición de presión completa en el tamaño de un solo chip.

Las galgas piezorresistivas de película delgada (piezo thin-film strain gauges) se unen a un soporte de silicio y se separan del soporte mediante una capa aislante. Esto aumenta los requisitos de fabricación y, por lo tanto, también el precio, pero aquí son posibles rangos de temperatura desde -40° C hasta 200 ° C. Gracias a las propiedades altamente elásticas del silicio, solo se puede esperar una baja histéresis. Es el alto 'factor k' el que logra la alta sensibilidad, lo que hace que los transmisores de presión piezorresistivos sean la primera opción para los rangos de presión más bajos (en la escala de mbar). Además, se pueden producir sensores de pequeñas dimensiones, lo que tiene un efecto positivo para muchas aplicaciones potenciales. Además, la estabilidad a largo plazo y la compatibilidad EMC son muy buenas. Sin embargo, la compensación de temperatura requiere un poco más de esfuerzo, pero incluso este desafío también se puede superar con bastante facilidad. Puede leer más sobre la compensación de temperatura en futuros artículos.

Las galgas de película gruesa (thick-film strain gauges) se imprimen sobre membranas cerámicas o metálicas. Con un grosor de 20 micrones, son hasta 1.000 veces más gruesos que las galgas de película delgada. Debido a sus bajos requisitos de producción, estos son más baratos, pero no son muy estables a largo plazo.

Fuente: STS Sensor Technik Sirnach AG. Febrero 2017

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