Un dinamómetro es un dispositivo para medir una fuerza o un par . Utiliza un resorte (caso de un modelo simple) de rigidez conocida definida por el módulo de elasticidad , o una celda con galga extensométrica . La celda de carga es su nombre original.
La unidad de fuerza es el newton (símbolo N) que lleva el nombre del fundador de la teoría de la gravitación universal , Isaac Newton . Los múltiplos más utilizados son el decanewton (daN, una unidad similar en el valor del kilogramo-fuerza ) y el kilonewton (kN). El dyne (símbolo dyn) es una antigua unidad de fuerza.
Hoy en día, la mayoría de los dinamómetros son digitales y tienden a reemplazar los modelos mecánicos , ya sea en investigación y desarrollo o en control de calidad .
Los dinamómetros mecánicos utilizan directamente el principio de la ley de Hooke . De hecho, dado que un resorte ideal sigue una relación del tipo fuerza = rigidez × alargamiento , podemos deducir el valor de una fuerza de él midiendo el alargamiento de un resorte calibrado (es decir, del cual conocemos la rigidez). Entre los dinamómetros mecánicos más conocidos, se pueden citar las células de carga y el dinamómetro Poncelet (utilizado en el XIX ° siglo a la policía de conducción ). El funcionamiento de este dispositivo, imaginado por el fabricante de instrumentos borgoñón Edme Régnier , fue perfeccionado por el coronel Raucourt , luego analizado por los ingenieros Saint-Venant y Poncelet : desde el punto de vista de la teoría de la elasticidad, podemos verlo como un caso especial. de un anillo dinamométrico, cuya forma elíptica aumenta su sensibilidad en extensión a lo largo de su eje mayor.
Diagrama esquemático de un dinamómetro de resorte.
Dinamómetro Régnier (Conservatorio Nacional de Artes y Oficios, París).
Un dinamómetro digital es un instrumento (portátil o fijo) compuesto por un sensor de fuerza , un dispositivo electrónico digital y una pantalla.
El transductor de fuerza es el corazón del sistema. Puede compararse con un resorte que se deforma en función de la fuerza aplicada. Cuando este sensor se deforma, las galgas extensométricas miden las tensiones aplicadas y emiten un voltaje eléctrico proporcional a la fuerza. La electrónica del dinamómetro luego interpreta este voltaje para mostrarlo en unidades de fuerza.
Las galgas extensométricas son resistencias que aumentan la resistencia eléctrica varía con el alargamiento en una dirección determinada. Se fijan directamente al resorte y su resistencia se mide mediante un puente de Wheatstone . Ahora es posible realizar mediciones hasta una frecuencia de 8 MHz , pero se requiere compensación de temperatura y el comportamiento a largo plazo deja mucho que desear como resultado de la fluencia . Generalmente distinguimos:
El estado de tensión en un metal modifica de determinada manera su permeabilidad magnética µ ( magnetoestricción inversa). En la práctica, esta variación es detectada por la del campo magnético creado entre las bobinas primaria y secundaria de un transformador.
Este sensor soporta cargas pesadas. Esta técnica, patentada en 1954, se utiliza en sensores comercializados por ABB con el nombre Pressductor .
En un piezo-cerámico de inserción , la aplicación de una fuerza F genera una carga eléctrica Q proporcional a la fuerza.
Podemos fabricar sensores piezoeléctricos muy duros y medir variaciones a frecuencias muy altas (más allá de 100 kHz ) usándolos. En ensayos estáticos o cuasiestáticos, se debe tener cuidado de asegurar la estabilidad del punto de aplicación de las fuerzas. Se pueden registrar las tensiones planas utilizando una triple capa de cerámica con una orientación precisa de cada capa.
El principio aquí es el del altavoz : una bobina móvil se sumerge en un campo magnético. Un servo con sensor de desplazamiento mantiene la bobina en posición y la corriente inducida en la bobina es proporcional a la fuerza ejercida sobre ella. Por la expresión general de la fuerza de Lorentz , tenemos:
con: B intensidad del campo magnético, i corriente eléctrica inducida, l longitud efectiva del conductor.Sin embargo, estos sensores solo permiten medir fuerzas pequeñas (máximo 20-30 N ) y, por lo tanto, se utilizan principalmente en balanzas de precisión.
El período de vibración de una cuerda estirada depende de su tensión T según la fórmula de D'Alembert :
con: m b densidad lineal de la cuerda en kg / m, l longitud libre de vibración, f frecuencia natural .La tensión de una correa se puede medir determinando su frecuencia de vibración con un medidor de frecuencia óptico.
Microscopio de fuerza atómica y guía de ondas Este método permite medir fuerzas en biología. Se inserta una guía de ondas resonante en una multicapa elástica. Si, por la fuerza de adhesión de una celda, la fibra superior del sensor se deforma localmente, la fuerza correspondiente puede estimarse midiendo el desplazamiento del pico de resonancia. La resolución es de 20 nN .
Los dinamómetros se utilizan en muchos campos en estos días.
Estas máquinas de ensayo de tracción o compresión (prensa) están equipadas con una celda dinamométrica de galgas extensométricas . Muy extendidos, están diseñados para proporcionar a los laboratorios industriales o científicos el análisis de las propiedades mecánicas “casi instantáneas” de los materiales en función de múltiples parámetros de prueba ( deformación , velocidad de deformación , temperatura, historial térmico, etc. ).
Los sensores de fuerza están equipados con un cable eléctrico terminado en un conector y son rápidamente intercambiables (excepto en los modelos grandes). La frecuencia de su calibración suele ser anual.
Las primeras máquinas estaban conectadas a un registrador de gráficos. Los más recientes se conectan a través de una caja de interfaz a un PC equipado con software. Este sistema permite el control, la adquisición, la visualización, el análisis numérico y gráfico, la exportación de archivos ASCII a una hoja de cálculo , el guardado e impresión de los datos de prueba.
El travesaño superior está fijo. La cruceta móvil es accionada por dos tornillos laterales accionados por un motor - reductor a CC . La conexión entre los tornillos y el reductor se realiza mediante poleas y correa síncrona en elastómero reforzado.
La velocidad de deformación (o tensión) v es baja ( v puede variar de 0,1 a 500 mm / min ; en la práctica, v suele estar entre 1 y 50 mm / min ).
Los modelos reforzados (en particular con bastidor mecánico, motor, transmisión y celda de carga adaptados) pueden realizar ensayos mecánicos con fuerzas elevadas. Su transductor de fuerza puede medir varios cientos de kN (en tensión , compresión , flexión , etc. ).
Nota: Debe haber un botón de parada de emergencia .
La aplicación más común es la medición de la fuerza de rotura (fuerza máxima , F m , obtenida antes de llegar a la rotura) en tracción para saber si un producto y / o un conjunto es conforme o no. La resistencia a la tracción ( R m o σ m ) o la resistencia al corte (τ m ) tienen la dimensión de un esfuerzo y se deducen de la fuerza de rotura; estas dos resistencias se expresan a menudo en M Pa .
Por ejemplo, se puede determinar la fuerza requerida para separar un conector de un cable, la fuerza de cierre de una puerta, una fuerza de enclavamiento elástico o evaluar la calidad de un resorte amortiguador.
Nota: se puede acoplar una máquina de tracción a un extensómetro (de tipo óptico, por ejemplo) permitiendo el registro de las curvas de tensión σ = f (deformación ε) de las probetas sometidas a una tensión en tracción. Así, es posible caracterizar la flexibilidad del material utilizado por el valor del alargamiento a la rotura A %.
Evaluación de la resistencia a la rotura TC de una junta adhesiva.
Sujetadores autoajustables.
Utilización de la prueba de TC tomada como ejemplo.