TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS (Extensiometría)
56
DIPLOMADO EN INGENIERÍA DE DISEÑO Y ÁNÁLISIS POR COMPUTADORA. MÓDULO V : TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS (Extensiometría) MÓDULO V
Transcript of TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS (Extensiometría)
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
TÉCNICAS EXPERIMENTALES
PARA ANÁLISIS
(Extensiometría)
MÓDULO V
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Objetivo:
Conocer las técnicas y procedimientos para
realizar evaluaciones experimentales que
permitan validar el desempeño de un producto
o diseño.
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Contenido
• Introducción
• Análisis dimensional
• Extensiometría eléctrica
• Características de los extensómetros(Strain gages)
• Aplicación de Extensómetros
• El Puente de Wheatstone
• Procedimiento para la Instrumentación
• Práctica (Simulación, medición de deformación de
componente mecánico)
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Introducción
Métodos para resolver problemas en Ingeniería.
Para la solución de problemas presentados por las diferentes disciplinas en
ingeniería, se tienen varios métodos que permiten obtener una solución para
entender la física del fenómeno.
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Métodos clásicos:
• Las soluciones de forma cerrada están disponibles para problemas
simples tales como flexión en vigas y torsión en barras prismáticas.
• Los métodos de aproximación usan series de soluciones para
gobernar las ecuaciones diferenciales y son usados para analizar
estructuras más complejas, tales como placas y elementos de pared
• delgada (shell).
• Los métodos clásicos pueden solamente usarse para problemas con
geometrías, cargas y condiciones de frontera relativamente simple.
Análisis en ingeniería….
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Método Numéricos.
• Método de elemento frontera. Resuelve las
ecuaciones diferenciales que gobierna el
problema con ecuaciones de integral sobre la
frontera del dominio. Solamente la frontera de
superficie es mallada con elementos.
• El método de diferencias finitas, consisten en
remplazar las ecuaciones diferenciales y la
condición de frontera con sus correspondientes
ecuaciones de diferencias finitas algebraicas.
• El método de elemento finito (FEM), Permite
resolver gran cantidad de problemas complejos
con geometrías generales, cargas y
condiciones de frontera lineales y no lineales.
Este método ha incrementado el uso y es la
herramienta primaria para diseñadores y
analistas.
Análisis en ingeniería….
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Método Experimentales.
Análisis en ingeniería….
Probeta
Simulación
vs
experimentación
Resultados
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Introducción
Las técnicas experimentales en el análisis de esfuerzos han estado
presentes mucho antes que las técnicas numéricas. Las técnicas
experimentales se emplean en el caso en el que una solución teórica se
vuelve impráctica con respecto al tiempo, costo, o grado de dificultad. Si
la estructura ya ha sido construida y su comportamiento bajo un cambio
de carga especificada se debe verificar, la estructura se puede analizar
fácilmente por medio de métodos experimentales.
Aún si un problema dado ha sido resuelto por medio de métodos teóricos
o numéricos, por lo general se requiere de una verificación o validación
de los resultados teóricos y/o numéricos, en cuyo caso, un estudio
experimental será necesario. Así, un conocimiento de los métodos
experimentales debe ser una parte fundamental del perfil de un
diseñador-analista.
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Análisis dimensional
En algunas ocasiones, por razones de tiempo y costo, es más fácil realizar
el estudio de esfuerzos (o cualquier otra propiedad) en un modelo a
escala de la estructura que puede ser construido o no con el mismo
material. Por ejemplo, el prototipo puede ser tan grande que el costo de
un programa de pruebas se vuelve prohibitivo. De la misma manera, el
prototipo puede ser tan pequeño que se vuelva casi imposible el obtener
datos experimentales. Además, el diseño del prototipo puede incluir un
material muy costoso y/o muy difícil de manejar.
En cualquiera de estos casos, un material diferente para el modelo a
escala sería muy conveniente. Adicionalmente, el método experimental
puede requerir materiales especiales para su realización como lo es en el
caso de fotoelasticidad, en donde normalmente será necesario un cambio
de material entre el modelo y el prototipo.
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Análisis dimensional…..
Por otro lado en mecánica de solidos para una estructura que obedece la
ley de Hooke, es necesario describir únicamente la matriz de esfuerzos y
dos propiedades del material. Con esta información, se pueden
determinar las deformaciones y los desplazamientos. Las variables
espaciales independientes son x,y,z. Las cargas se pueden expresar por
una de las cargas aplicadas (F), y las otras fuerzas se pueden determinar
por medio de sus proporciones con respecto a F.
De la misma manera, las dimensiones se pueden expresar por medio de
proporciones con respecto a una de las longitudes de la estructura (L).
Así, si todas las proporciones son conocidas, las cantidades
fundamentales serían , E, , x, y, z, F, y L. Las unidades de todas estas
cantidades se pueden obtener a partir de las unidades de fuerza y
longitud. Lo más conveniente es expresarlas en forma adimensional:
L
z
L
y
L
x
F
EL
F
L
22
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Análisis dimensional
Para un prototipo dado, cada una de estas cantidades tendrá un valor
basado en la geometría, material y carga aplicada. Por ejemplo,
considere el primer número adimensional para el prototipo:
K
F
L
p
pp
2
Para que exista similitud entre el prototipo y el modelo, esta cantidad
debe ser la misma para el modelo
p
pp
m
mm
F
LK
F
L 22
De manera que podemos obtener una relación entre los esfuerzos del
modelo y del prototipo
m
m
p
p
mp
F
F
L
L
2
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Análisis dimensional
Definimos ahora un factor de escala de esfuerzos como , entonces
m
p
mp
σ bien, o σ
De la misma manera se definen factores de escala de fuerza y de
longitud
m
p
m
p
L
L
F
F Ly F
Así, podemos notar una relación entre los factores de escala:
2L
F
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Análisis dimensional
En la siguiente tabla se muestran los factores de escala más empleados
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Extensometría Eléctrica
El uso de extensómetros eléctricos (strain gages) es probablemente el
método más generalizado de medición en el análisis experimental de
esfuerzos. Además, la extensiometría es bastante importante en el
diseño de transductores para la medición de fuerza, par, presión, etc.
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Extensometría Eléctrica
Los extensómetros de resistencia eléctrica están basados en el principio
que establece que la resistencia R de un conductor cambia en función de
la deformación. Este cambio en la resistencia se puede expresar como
A
LR
2
)()()(
A
dALLdAdR
Probeta
Hilo conductor
L
a
b Rejilla
Sección transversal
aa SR
RRSR
bien o
Φ
A
dA
ρ
dρ
L
dL
R
dR
2
)())((
A
dALLddLAdR
2A
LdA
A
Ld
A
dLdR
RentretodoDiv.
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Extensometría Eléctrica
b
db
a
da
A
dA
V
dVC
d
L
dL
A
dA
V
dV
baA
LbaV
R= Resistencia, Ohns
A= Área del hilo conductor, mm2
L= Longitud del hilo, mm
V= Volumen del hilo, mm3
Sa= Sensibilidad de hilo
r=Resistividad del hilo, Ohms/mm.
= Módulo de Poison
C= Constante de Bridgman
Principio de Bridgman
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Extensometría Eléctrica
l
t
b
db
a
da
L
dL
L
dL
b
db
a
daC
R
dR )(
21)12( CL
dL
R
dR
b
db
a
da
L
dLlt et = Deformación transversal, mm/mm
el = Deformación longitudinal, mm/mm
21)12( cG f
L
dL
L
dL
L
dL
L
dL
L
dL
L
dLC
R
dR )(
L
dLC
R
dR 21)12(
Sustituyendo y en tenemos: A
dA
R
dRV
dV
Dividiendo todo entre L
dL
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Extensometría Eléctrica
L
dLG
R
dRf laRSR
lf RGR
laR
R
LdL
RRS
RdR
En donde Sa es la sensibilidad del conductor del material y es la
deformación axial promedio.
El material más común para ´la manufactura de extensómetros es una
aleación de cobre-níquel llamada Advance o Constantán. Su
sensibilidad es de 2.1 aproximadamente.
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Extensometría Eléctrica
Las principales ventajas de esta aleación son:
1. La sensibilidad es lineal sobre un amplio rango de deformación y no
cambia en el momento en que se pasa al estado plástico.
2. La estabilidad térmica es excelente y no es severamente afectada por
cambios de temperatura cuando se usa sobre materiales estructurales
comunes.
La mayoría de los extensómetros tienen valores de resistencia de 120,
350, o 1000 ohms. Para medir los pequeños cambios de resistencia de
manera precisa, se emplean dos circuitos eléctricos: El circuito con
potenciómetro para mediciones dinámicas sin compensación por
temperatura y el puente de Wheatstone para mediciones estáticas y
dinámicas compensadas por temperatura. Este último circuito será
brevemente analizado más adelante.
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Construcción de Extensómetros
La figura 1 muestra las partes principales así
como la nomenclatura típica de los
extensómetros eléctricos actuales. Este tipo
de extensómetros se empezó a fabricar en
Inglaterra en 1952 por Saunders y Roe. La
rejilla se construye por un proceso de ataque
químico y posteriormente se pega a un soporte
plástico muy delgado hecho normalmente de
poliamida que es tenaz y flexible. En algunas
ocasiones, este mismo material se usa para
proteger la rejilla encapsulándola como se
muestra en la figura. También se agregan
marcas que sirven para localizar el centro del
extensómetro y así poder alinearlo
adecuadamente.
Figura 1
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Configuraciones de Extensómetros
Figura 2
a), b), c) sencillos
d), e) roseta de dos
elementos
f) Roseta de dos
elementos apiladas
(stack)
g), h) Roseta de tres
elementos
i) Roseta de tres
elementos en stack
j) Roseta de Corte
k) Diafragma
m) “stress gage”
n) Para concreto
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Aplicación de Extensómetros
22
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Extensometría Eléctrica
Linealidad. Como se mencionó anteriormente, Advance es lineal sobre un
amplio rango de deformación. Sin embargo, si se requiere una sensibilidad
mayor, como en el caso de mediciones dinámicas, algunas aleaciones
diferentes pueden ofrecer ventajas aunque no son lineales. Por ejemplo, la
aleación isoelastic tiene un valor de sensibilidad de 3.6 hasta un valor de
deformación de 7500 micras aproximadamente. Después de este punto, la
sensibilidad baja hasta 2.5 aproximadamente.
Figura 3
La figura 3 muestra
diferentes características
de los extensómetros
eléctricos en un ciclo de
carga y descarga
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Extensometría Eléctrica
Efectos de Temperatura.
En el momento en el que la temperatura ambiente cambia, el
extensómetro tiende a cambiar su longitud en una cantidad diferente a lo
que lo hace el elemento estructural en el que está adherido. Esta
diferencia es Tgs
El cambio correspondiente de resistencia es:
TSR
Rggs
Además, existirá un cambio en la resistencia del material del
extensómetro
TR
R
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Extensometría Eléctrica
De manera que el cambio total de resistencia será:
TTSR
Rggs
T
Existen dos maneras de compensar por este efecto:
1) Modificar la aleación del extensómetro de manera que ggs S
2) Usar un extensómetro adicional en la instrumentación que pueda ser
usado de manera pasiva o activa de manera que los efectos de
temperatura se cancelen en el circuito.
Las siguientes figuras muestran algunas propiedades de diferentes
aleaciones a diferentes temperaturas.
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Extensometría Eléctrica
La figura 4 muestra las
deformaciones aparentes para las
aleaciones advance y karma en un
rango de 300˚C. Estas curvas son
proporcionadas por el fabricante de
los extensómetros.
Figura 4
Figura 5
La figura 5 muestra el cambio en la
sensibilidad de varias aleaciones
como función de la temperatura.
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Extensometría Eléctrica
Gradiente de Deformación.
Ya que el extensómetro tiene dimensiones finitas, el cambio en resistencia
es debido a la deformación promedio a lo largo del extensómetro y no a la
deformación del centro del extensómetro exclusivamente.
Si la deformación es constante o varía linealmente a lo largo del
extensómetro, la deformación promedio será la deformación en el centro.
Sin embargo, en cualquier otro caso, la deformación promedio será
diferente que la deformación en el centro del extensómetro.
Si el gradiente de deformación o el cambio de deformación a lo largo del
extensómetro es pequeño, el error será pequeño, pero si el gradiente de
deformación a lo largo del extensómetro es grande, el extensómetro debe
ser lo más pequeño posible para minimizar el error.
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Extensometría Eléctrica
Sensibilidad Transversal.
La sensibilidad a la deformación biaxial de un extensómetro está dada por
atsttaa SSSR
R
En donde los subíndices corresponden a las deformaciones axial,
transversal, y de corte respectivamente.
En general, la deformación de corte es muy pequeña y puede ser
despreciada. La respuesta del extensómetro se puede expresar
entonces como
ttaa KSR
R
En donde Kt es el factor de sensibilidad transversal.
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Extensometría Eléctrica
Los fabricantes proporcionan una constante de calibración conocida como
factor de galga (Sg), la cual está relacionada con Sa de la siguiente
manera: tag KSS 01
La respuesta de un extensómetro a un campo de esfuerzos biaxial está
dada por
a
tt
t
agK
K
S
R
R
1
1 0
Figura 6
La figura 6 muestra el error
en una medición al no
considerar el efecto de la
deformación transversal en
función de Kt
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Extensometría Eléctrica
Como ejemplo, las siguientes ecuaciones se emplean para corregir las
lecturas obtenidas de una roseta de dos elementos:
corregidas nesdeformacio lasson ˆy ˆ dondeEn
1
1ˆ
1
1ˆ
2
2
ta
att
t
tt
tta
t
ta
KK
K
KK
K
Figura 7
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Extensometría Eléctrica
Corrimiento de cero e histéresis.
El corrimiento de cero así como la histéresis durante el primer ciclo de
carga depende en gran medida del rango de deformación. El cambio de
cero por ciclo es mayor durante los primeros 5-10 ciclos de carga. Se
recomienda que se trabaje una instalación al 125% de la máxima
deformación de prueba por un mínimo de 5 ciclos antes de calibrar los
valores a cero.
Figura 8
En la figura 8 se muestra el cambio de
cero acumulado como una función del
número de ciclos y del rango de
deformación para extensómetros
construidos con la aleación advance.
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Extensometría Eléctrica
Respuesta Dinámica.
Figura 9
Durante las mediciones dinámicas existe un pequeño retraso de tiempo
antes que el extensómetro responda a la onda de deformación; esto es
debido al material intermedio como es el adhesivo y el material de
soporte de la rejilla del extensómetro. En la figura 9 se muestra una
onda de deformación propagándose a través de un objeto con velocidad
C1. Esta onda induce una onda de corte en el adhesivo y el soporte que
se propaga a una velocidad C2. Un tiempo de respuesta típico es de
100ns. Por lo tanto, el tiempo de respuesta en nanosegundos para un
extensómetro expuesto a un pulso está dado por:
1001
0 c
ltr
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Extensometría Eléctrica
Disipación de Calor.
Las variaciones de temperatura pueden influenciar de manera importante
la salida de los extensómetros. La temperatura propia del extensómetro
es influenciada por la temperatura ambiente y por la potencia disipada en
el la rejilla cuando está conectada a la instrumentación. El calor a ser
disipado depende del voltaje aplicado así como de la resistencia del
extensómetro de acuerdo a la siguiente relación:
RIR
VP 2
2
Un parámetro usado frecuentemente es la densidad de potencia
definida como:
A
PPD
En donde A es el área de la rejilla del extensómetro.
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Efectos Ambientales
Efectos de la Humedad.
Las instalaciones con extensómetros se ven grandemente afectadas por
contacto directo con agua o con el vapor de agua normalmente presente
en el aire. El agua es absorbida tanto por el adhesivo como por el
material de soporte creando en primera instancia un corto eléctrico.
También la resistencia del adhesivo se ve afectada y finalmente se
produce un efecto de electrólisis en la rejilla que la va erosionando. En la
figura 10 se muestra una instalación típica para un extensómetro que va a
ser expuesto al agua.
Figura 10
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
El Puente de Wheatstone
Figura 11
La figura 11 muestra la configuración del
Puente de Wheatstone que es el circuito
más empleado con extensómetros. La
salida del puente se puede expresar como
V
RRRR
RRRRE
4321
4231
Cuando se va a realizar una medición, el
procedimiento es balancear inicialmente el
puente de manera que la salida sea cero.
4231 RRRR
4
4
3
3
2
2
1
1
21 R
R
R
R
R
R
R
R
r
rVE
Al existir un cambio en las
resistencias, la salida se obtiene como
1
2
RR
r
0 ADAB VVE
VRR
RVAB
21
1
V
RR
RVAD
43
4
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
El Puente de Wheatstone
Figura 11
La figura 11 muestra la configuración del
Puente de Wheatstone que es el circuito
más empleado con extensómetros. La
salida del puente se puede expresar como
V
RRRR
RRRRE
4321
4231
Cuando se va a realizar una medición, el
procedimiento es balancear inicialmente el
puente de manera que la salida sea cero.
4231 RRRR
4
4
3
3
2
2
1
1
21 R
R
R
R
R
R
R
R
r
rVE
Al existir un cambio en las
resistencias, la salida se obtiene como
1
2
RR
r
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
El Puente de Wheatstone
Figura 12
Sensibilidad del Circuito. En general, la sensibilidad del puente de
Wheatstone se puede expresar como
gc nSr
rVS
21
Caso 1 ¼ puente
gggc RPSr
rS
1
Caso 2 ½ puente
gggc RPSS2
1
Caso 3, 2 ½ puente
Caso 4, Puente
completo
gggc RPSr
rS
1
gggc RPSS 2
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
APLICACIÓN E INSTRUMENTACIÓN
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
SELECCIÓN DE UN STRAIN GAGES
SELECCIÓN DE STRAIN GAGES Y
SUS CARACTERÍSTICAS
CEA – 06 - 125BF – 350 -P
SERIE, DEPENDE
DEL TIPO DE
APLICACIÓN
FACTOR DE
COMPENSACIÓN
POR TEMPERATURA
LONGITUD DEL
STRAIN GAGES
TIPO DE REJILLA
RESISTENCIA, DEL
STRAIN GAGES
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
SELECCIÓN DE UN STRAIN GAGES
DETALLES DE LOS STRAIN GAGES
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
SELECCIÓN DE UN STRAIN GAGES
DETALLES DE LOS STRAIN GAGES
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
SELECCIÓN DE UN STRAIN GAGES
DETALLES DE LOS STRAIN GAGES
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Instrumentación
MATERIAL EMPLEADO PARA INSTRUMENTACIÓN DE STRAIN GAGES
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
1. Manual de instalación de strain gages
2. Limpiador M-prep tipo A
3. Papel
4. Puente de Wheatstone
5. Desengrasante tipo CMS-2
6. Neutralizador M-prep tipo 5A
7. Cautín con temperatura regulable.
8. Pasta para soldar
9. Alambre de cobre para unir el strain
gage con terminales.
10. Terminales.
11. Soldadura de estaño.
13. Strain gages tipo EA-13-250BG-120.
Instrumentación
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Instrumentación
14. Regla, lápiz 2H, pinzas de disección, tijeras.
15. Solvente
16. Catalizador
17. Recubrimiento M-coat 4.
18. Pegamento M-Bond200 o Loctite 495.
19. Recubrimiento líquido para strain gage.
20. Gasas.
21. Lija de 10 a 600.
22. Cinta adhesiva
23. Lupa.
Botón para gage factor
Perillas para modular
el gage factor
Perillas para poner
acero el amperaje
Botón para
amperaje
Botón de Run para realizar la medicion
Perillas para la puesta a
cero de deformaciones
Conexión de
los cables
Instrumentación
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Botón Menu
Pantalla de visualización
Botones de
configuración
Botón de Balance
Tarjeta de adquisición Conexión de los cables
Instrumentación
INDICADOR DE DEFORMACIONES, P3
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
PASOS DE MONTAJE DE STRAIN GAGES
• Preparación de la superficie.
• Limpieza burda.
• Suavizar la superficie.
• Eliminar grasas.
• Lijado
• Limpieza fina
• Marcar la superficie
• Alcalinidad óptima
• Adhesión de las galgas
• Procedimientos para soldar
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
PASOS DE MONTAJE DE GALGAS
• Preparación de la superficie.
Desengrasar
Lijar y pulido
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
PASOS DE MONTAJE DE GALGAS
• Marcar la superficie
Trazo de eje y
neutralizar
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
PASOS DE MONTAJE DE GALGAS
• Adhesión de las galgas
Colocar strain gages en vidrio y
llevarlo a la probeta
Levantar la cinta adhesiva para aplicar
catalizador en base strian gage
Aplicar el pegamento en base
de probeta
Regresar la cinta adhesiva y
presionar fuerte por un minuto
Despegar la cinta adhesiva con cuidado
para dejar pegado el strain gages
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
PASOS DE MONTAJE DE GALGAS
• Procedimientos para soldar
Quitar cinta
Aislar rejilla
Soldado de cable
Soldado
de polos
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
PASOS DE MONTAJE DE GALGAS
• Protección de galga extensometrica.
Aislado de rejilla
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
PASOS DE MONTAJE DE GALGAS
VIDEO “INSTRUMENTACIÓN DE STRAIN GAGES”
https://www.youtube.com/watch?v=a5n4wHYThCc
https://www.youtube.com/watch?v=SjXpF61HRys
https://www.youtube.com/watch?v=Ohzf5mJ4eQI
PREPARACIÓN
PEGADO
SOLDADO
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Práctica de instrumentación .
El objetivo es aplicar la extensiometría a una
probeta o pieza seleccionada por el participante y
realizar una prueba experimental, para que
posteriormente sean validados por elemento finito.
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Porque validar o comparar resultados. objetivo
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Práctica de instrumentación .
DIP
LOM
AD
O E
N IN
GEN
IERÍA
DE D
ISEÑ
O Y
ÁN
ÁLIS
IS P
OR C
OM
PU
TAD
ORA.
MÓDULO V: TÉCNICAS EXPERIMENTALES PARA ANÁLISIS
Referencias
Núm. 1 2 3
Autor Akhtar S. Khan
Xinwei Wang
Dally and Riley Measurement
Group
Titulo Strain
Measurements and
Stress Analysis
Experimental Stress
Analysis
Technical Data
Bulletin
Editor Prentice Hall Mc Graw-Hill Vishay
Año 2002 2001 2010
Volumen 1 1 varios
Edición 3RA 3RA
http://www.omega.com/literature/transactions/volume3/strain.html
http://www.vishaypg.com/micro-measurements/
http://www.microstrain.com/
