ANTECEDENTES

Fundamento de las Galgas extensiométricas: Efecto piezoeléctrico

Las galgas extensiométricas se basan en la variación de la resistencia de un conductor o un

semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecánico. Este efecto fue descubierto por

Lord Kelvin en 1856. Si se considera un hilo metálico de longitud l, sección A y

resistividad?, su resistencia eléctrica R es:

Si se le somete a un esfuerzo en dirección longitudinal, cada una de las tres magnitudes que

intervienen en el valor de R experimenta un cambio y, por lo tanto, R también cambia de la

forma:

El cambio de longitud que resulta de aplicar una fuerza F a una pieza unidimensional,

siempre y cuando no se entre en la zona de fluencia (Figura 1), viene dado por la ley de

Hooke,

Donde E es una constante del material, denominada módulo de Young, s es la tensión

mecánica y he es la deformación unitaria. El es a dimensional, pero para mayor claridad se

suele dar en “micro deformaciones” (1 micro deformación = 1μe = 10-6 m/m).

Si se considera ahora una pieza que además de la longitud l tenga una dimensión

transversal t, resulta que como consecuencia de aplicar un esfuerzo longitudinal no sólo

cambia l sino también lo hace t. La relación entre ambos cambios viene dada por la ley de

Polisón, de la forma:

Donde μ es el denominado coeficiente de Poisson. Su valor está entre 0 y 0.5, siendo, por

ejemplo, de 0.17 para la fundición maleable, de 0.303 para el acero y de 0.33 para el

aluminio y el cobre. Obsérvese que para que se conservara constante el volumen debería ser

μ = 0.5. [1].

Diagrama a bloques

Diagrama de bloques del circuito:

Diagrama Esquemático

Puente de Wheatstone

Cuando se utiliza un elemento resistivo con poca variación, los cambios de voltaje de un

simple divisor de voltaje son mínimos e incluso pueden confundirse con variaciones de la

fuente de alimentación (ruido); en estos casos se hace necesaria la utilización de un circuito

llamado puente de Wheatstone, el cual se muestra en la Figura 5. Según la Figura 5(b) En

una de las ramas se coloca el elemento sensor resistivo que en nuestro caso es la galga

extensiométrica, se ajusta el potenciómetro de manera que en estado de reposo de la galga

el voltaje en “a” sea exactamente la mitad de Vcc, la otra rama debe de ser un divisor de

voltaje en donde Vb sea también exactamente la mitad de Vcc; el voltaje de interés se toma

de los puntos “a” y “b” que en estado de reposo de la galga será 0 V, cuando varía la

resistencia de ésta, se presenta entonces un voltaje Vab mayor o menor a cero según si

aumenta o disminuye la resistencia respectivamente, y debido sólo a la variación de la

misma, este circuito permite pues inmunidad ante los cambios (ruido) en la fuente de

alimentación y una mayor sensibilidad que se refleja en un mejor control de la información

proveniente del sensor.

En la Figura 5 (a), la resistencia R3 representa al transductor, y sufre una desviación según

un parámetro d, si R1 = R4 = R2, entonces:

La desviación se causa por la respuesta del transductor que se modifican con la señal de

entrada.

El voltaje de salida Vab es una medida de la desviación d. La tensión Vab es un voltaje de

circuito abierto, entonces [5]:

Búffers de voltaje y Amplificador restador

Para no provocar caídas indeseadas de voltaje ni extraer corriente del puente de Wheatstone

se emplea un operacional en configuración de seguidor de voltaje, la alta impedancia de

entrada de éstos permite extraer la información del voltaje sin influir en el comportamiento

del puente. Las señales del voltaje Va y el voltaje Vb entran entonces en un amplificador

restador con una ganancia máxima de voltaje de 100 (ajustable). El voltaje del amplificador

restador está determinado por la siguiente ecuación:

En el diagrama eléctrico (Figura 3) se observan los elementos de la ecuación (1.7):

Ri = 10Kohm y Rf es un potenciómetro de 1MOhm que ajusta la ganancia del amplificador

restador [2].

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE FUNCIONAMIENTO

La balanza está compuesta por elementos que permiten la detección y visualización del

peso. El diseño del equipo puede resumirse en el diagrama de bloques de la figura.

El sensor de peso de la balanza es la celda de carga, una de las más económicas, tener

diseño compacto, buena linealidad y ser de simple colocación en la estructura.

Esquemáticamente se tiene

La señal de la galga en la celda se acondiciona con un amplificador de instrumentación y

posteriormente se digitaliza en el microcontrolador.

Celda de carga.

La celda de carga, como sensor de peso, constituye la parte fundamental de la balanza. Se

escogió una celda tipo single point o punto único, en la cual la presión se ejerce sobre un

punto específico de su estructura, característica que debe considerarse para la fijación de la

celda en la carcasa de la balanza y para la colocación de la bandeja de pesaje.

Especificaciones Técnicas de la Celda de Carga

PARAMETRO UNIDAD VALOR

Capacidad KG 40

Sensitividad mV/V 2

Tamaño Máximo de la

plataforma

cm 35 x 35

Límite de Carga % Cap. 150

Límite de Ruptura % Cap. 300

Excitación Nominal V 10

Excitación Máxima V 15

Impedancia de Entrada Ohm 415 + 15

Impedancia de Salida Ohm 350 + 3

Tipo de Circuito de

Compensación

Puente Balanceado

Largo del Cable Metros 0.5

Códico de Color +excitación = verde, +señal = rojo

-excitación = negro, -señal =

blanco

Construcción Aluminio

Estos datos pueden ser interpretados de la siguiente forma:

La capacidad es el peso máximo al que se puede someter a la celda e incluye el peso

muerto, el peso neto máximo y la tolerancia.

Capacidad = Peso Muerto + Peso Neto Max.+ Tolerancia

La plataforma de pesaje y su soporte forman parte del peso muerto.

La sensitividad indica el voltaje que entrega el circuito de la galga por cada voltio de

excitación, cuando está sometida al peso máximo. La alimentación de 5 voltios está

en el rango dado por el fabricante y puede usarse para la energización del resto de los

circuitos de la balanza.

Señal Max.= Sensitividad ×Voltaje Excitación

El tamaño máximo de la plataforma se especifica en 35x35mm, este no debe

sobrepasarse ya que puede desequilibrar la medición dando resultados erróneos y

dañando al sensor.

Los límites de carga y de ruptura obedecen al comportamiento de la celda misma, y

para este caso indican los siguientes valores:

MICROCONTROLADOR PIC 16F877

Este microcontrolador es fabricado por MicroChip familia a la cual se le denomina PIC. El

modelo 16F877 posee varias características que hacen a este microcontrolador un

dispositivo muy versátil, eficiente y práctico para ser empleado en la aplicación que

posteorimente será detallada.

Algunas de estas características se muestran a continuación:

Soporta modo de comunicación serial, posee dos pines para ello.

Amplia memoria para datos y programa.

Memoria reprogramable: La memoria en este PIC es la que se denomina FLASH;

este tipo de memoria se puede borrar electrónicamente (esto corresponde a la "F" en

el modelo).

Set de instrucciones reducidas (tipo RISC), pero con las instrucciones necesarias para

facilitar su manejo.

Características:

En siguiente tabla de pueden observar las características más relevantes del dispositivo

CARACTERÍSTICAS 16F877

Frecuencia máxima DX-20MHz

Memoria de programa flash palabra de 14

bits

8KB

Posiciones RAM de datos 368

Posiciones EEPROM de datos 256

Puertos E/S A,B,C,D,E

Número de pines 40

Interrupciones 14

Timers 3

Módulos CCP 2

Comunicaciones Serie MSSP, USART

Comunicaciones paralelo PSP

Líneas de entrada de CAD de 10 bits 8

Juego de instrucciones 35 Instrucciones

Longitud de la instrucción 14 bits

Arquitectura Harvard

CPU Risc

Canales Pwm 2

Diagrama de Pines

Conversor A/D.

Los microcontroladores de las familias PIC16F87x y PIC18Fxxx de los cuales estaremos

hablando a continuación, poseen un convertidor Analógico-Digital que convierte una señal

analógica en un número de 8 o 10 bits, según sea la configuración elegida por el diseñador.

Los microcontroladores de 40 pines como el PIC16F877, se puede observar que poseen 8

canales para conversión A/D, identificadas por las siglas AN(n), las cuales se encuentran

distribuidas entre el puerto A y el puerto E, como se muestra en el diagrama de pines de la

figura:

En el microcontrolador PIC16F877, cada canal de conversión A/D está conectado a un pin

ubicado en el puerto “A” y en el puerto “E”. Por ejemplo, el canal AN0 corresponde al pin

# 2 del microcontrolador, o expresado de otra manera, al pin RA0 del puerto A. El canal

AN1 corresponde al pin # 3; el canal AN2 corresponde al pin # 4 y así sucesivamente;

entonces se puede ver claramente que el puerto A cuenta con cinco de los ocho canales del

conversor A/D, y los otros tres canales están ubicados en los pines correspondientes al

puerto E del microcontrolador.

Un punto importante a considerar al momento de utilizar el convertidor A/D,será decidir si

la conversión se hará configurando el conversor a 8 o 10 bits, con lo cual a su vez

estaremos definiendo la resolución en el proceso de conversión.

Esto significa que si elegimos la conversión de una señal analógica a solo 8 bits (28 = 256),

los valores digitales resultantes de la conversión estarán comprendidos entre 0 y 255 (en

binario es de 00000000 hasta 11111111), como se puede observar en la tabla

Cuando la conversión se hace a 10 bits, la resolución aumenta considerablemente en

relación a la de 8 bits, ya que tenemos 210 = 1024 datos de conversión, como se puede

observar en la tabla