Fuerzas y sensores de fuerza Fuerzas y sensores de fuerza

Fuerzas y sensores de fuerza
Fuerzas en la naturaleza:
Fuerzas y sensores de fuerza
Dinámica
Fueron enunciadas por Isaac Newton en 1687:
Philosophiae Naturalis Principia Mathematica
Primera Ley o Ley de Inercia
Introduce el concepto de inercia y sistema de referencia inercial
Segunda Ley
Relaciona fuerza, masa y aceleración
Tercera Ley o Principio de acción y reacción
Relaciona las fuerzas mutuas que ejercen los cuerpos
Fuerza produce deformaciones
Esfuerzo (σ ) = F / A [σ] = N/m2
Deformación (ε ) = variación de longitud dividido longitud
inicial =ΔL / L
Se puede aprovechar para medir fuerzas a través de la
medida de deformaciones !
(el “resorte” es un sistema sencillo apropiado que enta en esta Categoría)
Fuerza produce deformaciones
Dos clases de sensores de fuerza electrónicos:
• basados en materiales pizoeléctricos
• tipo “strain gauge”
Materiales piezoeléctricos
Materiales que al ser sometidos a tensiones
mecánicas generan una polarización eléctrica en su
interior, lo que produce una diferencia de potencial
eléctrico en su superficie.
Energía Mecánica ↔ Energía Eléctrica
Es el tipo de material que se usa para los encendedores, por ejemplo.
Ventaja: generan una señal de valor elevado, por lo que pueden conectarse
directamente a un lector de señal de salida.
Desventaja: no genera una respuesta lineal.
Strain Gauge (medidores de deformación)
Materiales que cambian su resistencia eléctrica cuando sufren un
esfuerzo.
Esfuerzo (σ) = F / A
[σ] = N/m2
Deformación (ε) = variación de longitud dividido longitud inicial =
ΔL/ L
ΔL/ L ∼ 5 x 10-3
en materiales metálicos
Las celdas que miden mediante strain-gages trabajan
“traduciendo” el valor de la fuerza que actúa sobre ellas en una
señal eléctrica de una dada magnitud.
Mediante un circuito eléctrico se puede trasformar la variación
de resistencia en una señal de voltaje pequeña, que debe ser
luego amplificada en un circuito electrónico.
Ventaja: respuesta lineal
Desventaja: señal pequeña, pero se puede amplificar con
amplificadores de respuesta lineal
Sensor de Fuerza PASCO
(con “strain gauge” = medidor de deformación)
Botón de tara, fija la
señal de salida en cero
independientemente de
la carga
Gancho
tornillo sensor
Sensor analógico del tipo “Strain Gauge”
Sensor de Fuerza
(con “strain gauge” = medidor de deformación)
Al empujar o tirar del gancho tornillo sensor la pieza se deforma y esto induce
modificaciones en el circuito strain gage que dan lugar a variaciones en la
señal.
Las deformaciones son de menos de 1 mm. Las variaciones de la señal son
pequeñas y requieren de amplificación que se logra con un circuito ad-hoc.
El sensor tiene incluida una protección para impedir daño por sobrerecarga.
Especificaciones:
-Rango de medida: ±50 N (± 8 V, lineal) (+50N, empujando; -50N
tirando).
-Elección del cero: botón de Tara
-Resolución: 0.0305 N
-Ruido en la señal de salida: ± 2 mV
-Máxima variación por unidad de tiempo detectable: 25 N/ms (todo el
rango en 4 ms…)
-Variación de frec. de muestreo: (fast) 2 a 250.000 Hz y (slow) 1 a 3600 s
- Relación Fuerza-Voltaje: 160 mV / N
Calibración (incerteza sistemática…): viene calibrado
-Calibrarlo con la orientación en que se mide (peso de la
barra de Al …).
Cuidado con enroscar demasiado el tornillo de fijación !!
Procedimiento de calibración en el laboratorio:
1)marque dos veces con el cursor sobre el ícono del sensor, se abrirá el
menú de diálogo y mostrará los valores preestablecidos para la
calibración: 50 N a 8V -50N
2) Con el sensor descargado apriete el botón de tara, indicarle que F= 0
N ( 0 Volt)
3) Cuando la lectura del la fila cur value debajo de la columna Volts se
estabilice marque el boton read en la fila low value y entre el valor cero
en el recuadro de las izquierda.
4) Cuelgue del sensor una masa de valor conocido. (9,8 N por ej.), dejar
estabilizar la lectura , e indicar -9,8N (convención de signos…).
5) Marque OK
6) SIEMPRE tarar (sin fuerzas externas) antes de comenzar una nueva
medida.
7) Si las medidas serán “largas”(>1-2´), dejar reposar 2´- 4´ hasta que el
Al se deforme ante el peso patrón y luego quitar y tarar de inmediato.