Método de Selección de Galgas Extensométricas de Resistencia

Resistencia galgas de Tensión (denominados sensores de deformación) son componentes sensibles esenciales que convierten la deformación mecánica de los elementos estructurales en cambios de resistencia, utilizados ampliamente en celdas de carga , sensores de fuerza, monitorización de la salud estructural, pruebas aeroespaciales y otros campos. Su selección determina directamente la precisión, estabilidad y vida útil del sistema de medición. La lógica fundamental es la "coincidencia bidireccional entre las características de deformación y el entorno de trabajo": evitar el desperdicio de costos causado por redundancia de parámetros y prevenir fallos de medición debidos a rendimiento insuficiente. A continuación se presenta un método de selección completo, que combina parámetros técnicos, adaptación ambiental y puntos clave prácticos para ayudar a una selección precisa.

Paso 1: Clarificar los requisitos principales de medición y los escenarios de aplicación (requisito previo para la selección)

Antes de la selección, es necesario definir "qué deformación medir, en qué entorno medir y cómo instalar", lo cual constituye la base para la selección posterior de parámetros y evita la búsqueda ciega de parámetros de alto rendimiento.

1. Definición de los Requisitos Principales de Medición

• Tipo y rango de deformación: Clarificar la naturaleza de la deformación del componente medido (deformación estática, como la deformación por peso muerto estructural, o deformación dinámica, como la deformación por vibración mecánica) y el valor máximo de deformación, reservando un margen de seguridad de 1,2 a 1,5 veces. Ejemplo: Si la deformación máxima real es de 1000με, se debe seleccionar un extensómetro con un rango de 1200 a 1500με; para deformaciones dinámicas (como cargas de impacto), se recomienda reservar un factor de seguridad de 1,5 a 2 veces para evitar daños en la rejilla sensible causados por sobrecargas instantáneas.
• Requisito de precisión: ¿Es un monitoreo cualitativo (como advertencia temprana de grietas estructurales), un análisis cuantitativo (como calibración de sensores) o una medición de precisión (como pruebas de tensión en laboratorio)? Ejemplo: los extensómetros para celdas de carga deben cumplir un error de sensibilidad de ±0,1 %, el monitoreo de salud estructural puede tener un error de ≤±0,5 %, y la medición de precisión en laboratorio requiere ≤±0,05 %.
• Dirección de la fuerza: ¿Está el componente sometido a una fuerza unidireccional (como flexión de viga en voladizo), bidireccional (como piezas mecánicas en estado de tensión plana) o multidireccional (como nodos estructurales complejos)? Seleccione extensómetros uniaxiales para fuerzas unidireccionales, y extensómetros biaxiales (en ángulo recto, roseta de extensión) o multiaxiales para fuerzas bidireccionales/multidireccionales.
• Frecuencia de medición: Para mediciones dinámicas, debe aclararse el rango de frecuencia de la señal de deformación. La frecuencia de respuesta del extensómetro debe ser ≥3 veces la frecuencia de la señal medida (para evitar distorsión de la señal). Ejemplo: Para medir deformación por vibración de 50 Hz, se debe seleccionar un extensómetro con una frecuencia de respuesta de ≥150 Hz.

2. Instalación y condiciones estructurales

• Características de la superficie del componente: ¿Es la superficie del componente plana, curva (cuál es el radio de curvatura) o de forma especial? Los extensómetros flexibles (como los de tipo lámina) son adecuados para componentes curvos, y se requieren extensómetros de corta longitud de rejilla para radios de curvatura pequeños (≤10 mm); los tipos con fuerte adhesión del sustrato son adecuados para superficies rugosas.
• Espacio de instalación: Se requieren galgas extensométricas miniaturizadas (longitud de rejilla ≤2 mm) para áreas estrechas de componentes (como chaflanes de piezas de precisión), y se pueden seleccionar galgas extensométricas de longitud de rejilla media o larga para componentes de gran tamaño según la uniformidad de deformación.
• Método de instalación: ¿Se trata de una instalación por pegado a temperatura ambiente, soldadura a alta temperatura o pegado temporal? En escenarios de alta temperatura se requieren galgas extensométricas soldables, y para monitoreo temporal se pueden usar galgas extensométricas de succión magnética.

3. Condiciones ambientales de trabajo

• Rango de temperatura: Especifique el rango de temperatura normal (-20 ℃~60 ℃), temperatura media (60 ℃~200 ℃), alta temperatura (200 ℃~1000 ℃) o baja temperatura (<-20 ℃) del entorno operativo. El rango de compensación térmica de la galga extensométrica debe cubrir completamente la temperatura real para evitar afectaciones a la precisión causadas por la deriva térmica.
• Medio ambiente: ¿Existe humedad (como bajo el agua, talleres húmedos), corrosión (como gases ácido-base, contaminación por aceite en talleres químicos), polvo o radiación intensa? Se requieren galgas extensométricas impermeables para ambientes húmedos, y materiales resistentes a la corrosión (como aleaciones de níquel-cromo, sustratos de poliimida) para ambientes corrosivos, combinados con un tratamiento de sellado.
• Factores de interferencia: ¿Existe una interferencia electromagnética fuerte (como cerca de motores, equipos de alto voltaje) o impactos por vibración? Se requieren galgas extensométricas con capas de blindaje en escenarios de alta interferencia, y tipos con buena tenacidad en sus sustratos y adhesivos en escenarios con impactos por vibración.

Paso 2: Selección de los parámetros técnicos principales (coincidencia precisa con los requisitos)

Después de aclarar los requisitos, concéntrese en los parámetros técnicos principales de la galga extensométrica, que es el eslabón fundamental de la selección y determina directamente el rendimiento de la medición.

1. Parámetros principales de la rejilla sensible (determinan el rendimiento básico de medición)

• Valor de resistencia: El valor convencional de resistencia de los extensómetros es 120Ω (compatible con la mayoría de los extensómetros, con mayor versatilidad), aunque también existen especificaciones como 350Ω y 1000Ω. Los extensómetros de alta resistencia son adecuados para sistemas de bajo consumo energético, y los extensómetros de 120Ω ofrecen la relación costo-beneficio más alta en escenarios industriales. Durante la selección, asegúrese de que el valor de resistencia del extensómetro coincida con la resistencia de entrada del extensómetro (desviación ≤±5%) para evitar la atenuación de la señal.
• Factor de medición: Indica la relación proporcional entre deformación y cambio de resistencia (valor convencional 2,0±0,02), que es un parámetro clave para calcular el valor de deformación. Durante la selección, debe priorizarse el uso de galgas extensométricas con buena consistencia en el factor de medición (desviación por lote ≤±1 %); especialmente cuando se utilizan múltiples galgas en un puente (como un circuito de puente completo en una celda de carga), la baja consistencia provocará errores de medición mayores.
• Longitud y anchura de la rejilla: La longitud de la rejilla determina el "rango medio de medición" de la galga extensométrica. Una longitud pequeña (0,2~2 mm) es adecuada para medir deformaciones locales (como en las puntas de grietas), una longitud media (3~10 mm) es adecuada para componentes convencionales, y una longitud grande (10~100 mm) es adecuada para componentes de gran tamaño con gradientes de deformación pequeños. La anchura de la rejilla debe coincidir con la dirección de la fuerza del componente: anchura estrecha para fuerzas unidireccionales, y anchura amplia o estructura de roseta para fuerzas bidireccionales.
• Material de rejilla sensible:
  • Aleación cobre-níquel (Constantan): Preferida para escenarios de temperatura normal (-20 ℃~150 ℃), con bajo coeficiente térmico y buena estabilidad, adecuada para celdas de carga y monitoreo estructural;
  • Aleación níquel-cromo (Karma): Para escenarios de temperatura media y alta (-50 ℃~400 ℃), con alta sensibilidad, adecuada para el monitoreo de motores y tuberías de alta temperatura;
  • Aleación platino-iridio: Para escenarios de alta temperatura (400 ℃~1000 ℃), con fuerte resistencia a la corrosión, adecuada para equipos aeroespaciales y metalúrgicos;
  • Materiales semiconductores: Sensibilidad extremadamente alta (50~100 veces la de los metales), pero baja estabilidad térmica, adecuados para mediciones de precisión en laboratorio.

2. Parámetros del sustrato y adhesivo (determinan la adaptabilidad ambiental)

• Material del sustrato:
  • Sustrato de papel: Bajo costo, fácil de colocar, adecuado para ambientes secos y de temperatura normal (≤60 ℃), como monitoreo temporal de equipos civiles;
  • Sustrato de resina fenólica: resistencia térmica de 120℃, buena resistencia al aceite, adecuado para escenarios convencionales de maquinaria industrial;
  • Sustrato de poliimida: resistencia térmica de 250℃, resistencia a la corrosión y al agua, adecuado para escenarios químicos, húmedos y de temperatura media-alta;
  • Sustrato cerámico: resistencia térmica por encima de 1000℃, adecuado para entornos extremos como hornos de alta temperatura y motores aeroespaciales.
• Tipo de adhesivo: debe ser compatible con el material del sustrato y la temperatura de trabajo. Se seleccionan adhesivos a base de cianoacrilato (secado rápido) para escenarios a temperatura ambiente, adhesivos a base de resina epoxi (resistencia térmica de 150℃) para escenarios de temperatura media, y adhesivos inorgánicos (resistencia térmica por encima de 500℃) para escenarios de alta temperatura. La resistencia al corte del adhesivo debe ser ≥2MPa para evitar la desprendimiento del extensómetro.

3. Parámetros de compensación térmica (Determinan la estabilidad de la medición)

• Método de compensación térmica:
  • Galgas extensométricas auto-compensadas: Al seleccionar materiales de rejilla sensibles, el cambio de resistencia causado por la temperatura se compensa con la expansión térmica del componente, adecuadas para componentes de un solo material (como acero, aluminio), fáciles de instalar y preferidas en escenarios industriales;
  • Compensación con galga de compensación: Se colocan galgas extensométricas adicionales del mismo modelo que las galgas activas sobre componentes idénticos pero sin tensión, y los errores por temperatura se corrigen mediante circuitos, adecuado para campos térmicos complejos o componentes de múltiples materiales.
• Rango de compensación de temperatura: Debe cubrir el rango de temperatura de trabajo real. Ejemplo: En un entorno de taller de -10 ℃ a 80 ℃, se debe seleccionar una galga extensométrica con un rango de compensación de -20 ℃ a 100 ℃ para disponer de margen térmico.

4. Parámetros de estructura y cables (Determinan la instalación y transmisión de señal)

• Estructura de la galga extensométrica:
  • Extensómetros uniaxiales: Para escenarios de fuerza unidireccional (como vigas en voladizo, tirantes), estructura simple y bajo costo;
  • Extensómetros biaxiales (extensómetros en ángulo recto): Para escenarios de fuerza bidireccional (como componentes bajo esfuerzo plano), pueden medir deformaciones en dos direcciones perpendiculares simultáneamente;
  • Rosetas de deformación (45°, 60°): Para escenarios de fuerza multidireccional (como nodos estructurales, piezas complejas), pueden calcular la deformación principal y la dirección del esfuerzo principal, adecuadas para análisis de esfuerzos.
• Especificaciones del cable: Los materiales de los cables suelen ser hilos de cobre chapados en plata. Para escenarios de temperatura normal se seleccionan cables con aislamiento de PVC, y para escenarios de alta temperatura, cables con aislamiento de PTFE. La longitud del cable debe coincidir con la distancia de medición. Para transmisiones de larga distancia (10 m), se requieren cables con capas de blindaje para evitar interferencias electromagnéticas.

Paso 3: Adaptación al escenario y evitación de errores de selección

Seleccione galgas extensométricas según las características de los diferentes aplicación escenarios, y evite errores comunes de selección para garantizar la estabilidad y fiabilidad del sistema de medición.

1. Ejemplos típicos de selección por escenario

2. Errores comunes de selección y métodos para evitarlos

• Error 1: Centrarse únicamente en el factor de galga e ignorar la consistencia: cuando se utilizan múltiples galgas en un puente, aunque el factor de galga de una sola galga cumpla con el estándar, desviaciones importantes por lote (±1 %) provocarán desequilibrio en el puente y aumentarán bruscamente los errores de medición. Prevención: Exija a los proveedores que proporcionen informes de prueba del factor de galga para galgas extensométricas del mismo lote, y controle la desviación dentro de ±0,5 %.
• Error 2: Desajuste entre la longitud de la rejilla y el gradiente de deformación: seleccionar galgas extensométricas con gran longitud de rejilla en áreas locales de concentración de deformación, como las puntas de grietas, provocará un "promediado" de los valores medidos y no reflejará la deformación real. Evitación: Seleccione una longitud de rejilla ≤2 mm para áreas con grandes gradientes de deformación, y de 5 a 10 mm para áreas con deformación uniforme.
• Error 3: Ignorar la compatibilidad entre la compensación térmica y el material del componente: usar galgas extensométricas compensadas para acero en componentes de aluminio causará errores térmicos importantes debido a las diferencias en los coeficientes de expansión térmica. Evitación: Seleccione galgas extensométricas autocompensadas del tipo de compensación correspondiente según el material del componente (acero, aluminio, cobre, etc.).
• Error 4: "Arreglárselas" con parámetros de adaptabilidad ambiental: seleccionar galgas extensométricas con sustrato de papel ordinario en ambientes húmedos sin tratamiento de sellado provocará la falla del sustrato debido a la humedad en un corto período de tiempo. Prevención: Seleccione materiales de sustrato adecuados según las condiciones ambientales (húmedas/corrosivas/a altas temperaturas) y agregue recubrimientos sellantes impermeables si es necesario.

Paso 4: Notas adicionales para la selección práctica

• Compatibilidad del puente: Cuando varias galgas forman un circuito de puente completo/puente medio, asegúrese de que el valor de resistencia, el factor de galga y las características térmicas de las galgas extensométricas sean consistentes. Se recomienda seleccionarlas del mismo lote para reducir los errores del puente.
• Requisitos de calibración: Para galgas extensométricas utilizadas en liquidaciones comerciales (como celdas de carga) o mediciones de precisión, seleccione marcas rastreables que garanticen que los productos hayan pasado la certificación metrológica, facilitando así la calibración posterior del sistema.
• Coincidencia del proceso de instalación: Para componentes curvados, confirme previamente el rendimiento de flexión del extensómetro (radio de curvatura plegable ≤ radio de curvatura del componente). Para extensómetros soldables, utilice el equipo y proceso de soldadura correspondientes.
• Soporte del proveedor: Priorice proveedores que ofrezcan soporte técnico. Infórmeles sobre el material del componente, las condiciones de fuerza y los parámetros ambientales para obtener recomendaciones de selección más precisas y evitar la selección independiente carente de criterio.

Resumen: Lógica principal de la selección del extensómetro de resistencia

La esencia de la selección de galgas extensométricas de resistencia es un bucle cerrado de "descomposición de requisitos → coincidencia de parámetros → verificación en escenarios": primero descomponer los cuatro requisitos principales de "rango de deformación, precisión, entorno y montaje", luego seleccionar de forma dirigida parámetros clave como la rejilla sensible, el sustrato y la compensación térmica, y finalmente verificar la idoneidad de la selección mediante ejemplos de escenarios y evitación de errores.

Si aún tiene dudas sobre la selección, puede proporcionar al proveedor la siguiente información: ① Material del componente y tipo de fuerza (uniaxial/bidireccional); ② Valor máximo de deformación y requisito de precisión; ③ Temperatura de trabajo y entorno del medio; ④ Espacio y método de instalación. El proveedor podrá identificar rápidamente el modelo adecuado.