thumb|Galga extensométrica de lámina. La galga es mucho más sensible a las deformaciones en la dirección vertical que en la horizontal. Las marcas alrededor sirven para alinear la galga durante la instalación. El material de color azul es un conductor, por lo que la corriente debe fluir a través de los estrechos canales verticales. Si el indicador se extiende verticalmente, los canales se hacen más largos y más estrechos.
Una galga extensométrica o extensiómetro es un sensor que permite medir la deformación de un objeto. Su principio de funcionamiento se basa en el efecto piezorresistivo, que es la propiedad que tienen ciertos materiales de cambiar el valor nominal de su resistencia eléctrica cuando se les somete a ciertos esfuerzos mecánicos que causan deformación. Esta variación es dependiente de la dirección de las fuerzas ejercidas. Un esfuerzo que deforma la galga producirá una variación en su resistencia eléctrica. Esta variación se produce a causa del cambio de longitud, el cambio originado en la sección o el cambio generado en la resistividad.
Inventada por los ingenieros Edward E. Simmons y Arthur C. Ruge en 1938, la galga extensiométrica hace una lectura directa de las deformaciones longitudinales en cierto punto del material que se está analizando. La magnitud que lo representa es el épsilon, que es adimensional y expresa el cambio de la longitud sobre la longitud inicial.
En su forma más común, consiste en un estampado de una lámina metálica fijada a una base flexible y aislante. La galga se adhiere al objeto, cuya deformación se quiere estudiar, mediante un adhesivo, como el cianoacrilato. Según se deforma el objeto, también lo hace la lámina, provocando una variación en su resistencia eléctrica. Habitualmente una galga extensiométrica consiste en un alambre muy fino o un papel metálico, dispuesto en forma de rejilla, que se puede unir por medio de soldadura a un dispositivo que pueda leer la resistencia generada por la galga. Esta forma de rejilla permite aprovechar la máxima cantidad de material de la galga sujeto a la tensión a lo largo de su eje principal. Las galgas extensiométricas también pueden combinarse con muelles o piezas deformables, para detectar de forma indirecta los esfuerzos.
Teóricamente, las galgas deberían ser puntuales, para así poder medir deformaciones en puntos concretos. En la práctica las dimensiones de la galga son apreciables, por lo tanto se supone que el punto de medida es el centro geométrico de la galga. Si se pretenden medir vibraciones, es necesario que la longitud de las ondas de esas vibraciones sean bastante mayores que la longitud de la galga. Las galgas pueden estar adheridas en una placa pequeña o dos elementos que presionan el alambre que transporta la electricidad.
Las galgas tienen ciertas características físicas y otras relativas a su funcionamiento. Entre las físicas se encuentra su tamaño, peso y material con el que se fabrica. Debe ser pequeña y dura, lo que facilita la velocidad con que genera las respuestas. Estas características son muy importantes, puesto que el resultado correcto depende de estos aspectos. Existen también características que dependen de la fabricación de la galga, por ejemplo, la temperatura del funcionamiento y el factor de la galga, que indica la sensibilidad que tiene el sensor. También la resistencia de la galga, el coeficiente de temperatura, la prueba de fatiga y el coeficiente de expansión lineal, son características necesarias para conocer bajo qué circunstancias la galga arrojaría resultados adecuados.
Los materiales que suelen utilizarse para fabricar galgas son alambres muy pequeños de aleaciones metálicas, como constantán (níquel 60%-cobre 40%), nicrom, Chromel (níquel-cromo), aleaciones (hierro-cromo-aluminio), elementos semiconductores como el silicio y el germanio o grabado en laminillas metálicas delgadas. Es por ello que las galgas se clasifican en dos tipos: las metálicas y las semiconductoras.
Historia Primeros estudios: Lord Kelvin, Kearns, Ruge y Simmons Las primeros estudios realizados sobre galgas se registran en el año de 1856, cuando Lord Kelvin descubrió la relación existente entre la deformación y la resistencia de hilos conductores y semiconductores y notó cómo cambiaba su resistencia eléctrica. A principio de la década de 1930, Charles Kearns usó galgas extensiométricas para medir deformaciones vibratorias en hélices de cuchillas de alto rendimiento; sin embargo, estas galgas no eran muy precisas, pues tenían problemas en la estabilidad de la resistencia (R), la cual se veía afectada por factores como la temperatura, y se generaban errores en las medidas de las deformaciones. Más tarde, en 1938, Arthur C. Ruge y Edward E. Simmons descubrieron, cada uno por su lado, que los conductores eléctricos de diámetro pequeño hechos de aleaciones podían adherirse a superficies para calcular deformaciones, y fue así como se crearon las galgas laminares. Este tipo de elemento ha tenido grandes avances y constituye lo que hoy se conoce como galgas extensiométricas.
Derechos de patente: Caltech contra Simmons. Saunders-Roe Caltech demandó la patente de la galga, pero Simmons llevó su caso el Tribunal Supremo de California y ganó los derechos de patente en 1949. En 1952 la compañía Saunders-Roe del Reino Unido buscó mejorar el rendimiento de las galgas sometiéndolas a diferentes ambientes y probando diferentes tipos de materiales para su fabricación. Patentaron las delgadas galgas que se utilizan actualmente en la medición de deformaciones, en diferentes áreas industriales y científicas. De esta manera se pudo mejorar el modelo físico de la galga, reduciendo notablemente el tamaño y los costos.
Samuel Hunter Christie En 1832, Samuel Hunter Christie inventó el instrumento eléctrico de medida de resistencias (conocido como puente de Wheatstone, debido a que fue mejorado y popularizado, en 1843, por el científico británico Charles Wheatstone). El modelo eléctrico está compuesto de cuatro resistencias en un circuito cerrado, en donde una de ellas es la que se quiere evaluar. Esto se utiliza con el fin de medir la resistencia mediante el equilibrio de los brazos del puente.
Charles Wheatstone Sir Charles Wheatstone fue un científico e inventor británico que durante la época victoriana realizó una gran contribución con sus inventos, de los cuales el más significativo es el puente de Wheatstone, pero además trabajó en otros inventos como el estereoscopio, la técnica Playfair de codificación y el caleidófono.
Fenómeno físico Las galgas extensiométricas aprovechan la propiedad física de la resistencia eléctrica y su dependencia no sólo de la resistividad del conductor, que es una propiedad del propio material, sino también de la geometría del conductor. Cuando un conductor eléctrico es deformado dentro de su límite de elasticidad, de tal forma que no se produzca rotura o deformación permanente en el mismo, éste se volverá más estrecho y alargado. Este hecho incrementa su resistencia eléctrica. Análogamente, cuando el conductor es comprimido se acorta y ensancha, reduciendo así su resistencia al paso de corriente eléctrica. De esta manera, midiendo la resistencia eléctrica de la galga, puede deducirse la magnitud del esfuerzo aplicado sobre el objeto.
Tipos de galgas Galgas metálicas Las galgas metálicas se constituyen por una base muy delgada y fina, a la cual se le adhiere un hilo muy fino metálico que puede ser bobinado o plegable. Las dos terminales en las que acaba el hilo se unen a los transductores. Estas galgas tienen como ventaja un bajo coeficiente de temperatura, ya que se compensa la disminución de la movilidad de los electrones al aumentar la temperatura con el aumento de su concentración. En las galgas metálicas la corriente máxima es de unos 25 mA si el soporte es buen conductor de calor, y 5 mA en el caso contrario; de todas formas en las galgas metálicas hay una gran limitación en la corriente. Las principales características de las galgas metálicas en condiciones habituales establecen que su tamaño tiene una variación entre 0.4 mm y 150 mm, y una resistencia variable entre 120 Ω y 5000 Ω. Su tolerancia a la resistencia esta en el rango de 0.1% y 0.2%.
La resistencia eléctrica de la galga metálica está dado por la relación entre la resistividad y la longitud respecto al área transversal.
Pueden ser:
Hilo metálico: Están adheridas a una base con medidas constantes. Presentan errores cuando existen estados tensionales y son las más sencillas. Están compuestas por una película de protección, un soporte, un hilo de medida y las terminales de conexión.
thumb|Diferencias entre la A. Galga de hilo metálico. y la B. Galga de película metálica, las principales diferencias son las terminales y los hilos de medida ya que en la galga de película metálica estos conductos son más anchos para reducir las tensiones transversales.
Película metálica: Esta clase de galgas tiene una característica de fabricación similar a los circuitos impresos que tienen bases flexibles. Se desarrollan por el medio de creación de placas utilizando fotografías, llamado el método de fotograbado. Se conforman por una película de protección, un soporte, un pad de conexión y de zonas anchas para reducir el efecto de tensiones transversales.
Metal depositado: Son aplicadas directamente sobre la superficie mediante dos métodos: la vaporización o el bombardeo químico.
Las principales aleaciones que usan las galgas metálicas son:
Cobre y hierro Platino y silicio Constantán: es una aleación de cobre y níquel que cuenta con autocompensación de temperatura que permite obtener un intervalo considerablemente amplio de coeficientes de expansión de diversos materiales. Esta aleación es utilizada para grandes elongaciones y de las diversas que existen y se utilizan en la actualidad, ésta, a pesar de ser la más antigua, se continua usando debido a que el constantán contiene la unión de varios aspectos de los parámetros que se deben tener en cuenta a la hora de elegir el material de una galga, lo cual hace que esta aleación se pueda utilizar en la mayoría de las aplicaciones y experimentos donde intervienen las galgas como instrumento para la recopilación de información. Entre los factores positivos que tiene a favor, vemos que el constantán posee una alta sensibilidad al esfuerzo, también llamado factor de la galga. Otro aspecto importante a favor de esta aleación es que es bastante insensible a la temperatura y además su resistividad, al ser alta, permite obtener medidas y estimaciones que en realidad corresponden a la resistencia del material. Otra propiedad a su favor y que es fundamental, es que el constantán tiene una vida útil considerablemente buena, lo que hace atractivo el uso de esta aleación. Hay que aclarar que a pesar de tener propiedades tan convenientes, beneficiosas y ventajosas, esta aleación a temperaturas mayores a 65 °C presenta desvíos. Constantán templado: esta aleación posee una gran ductibilidad que permite que galgas con una longitud de 3mm o mayor puedan ser tensadas más del 20%. El constatán templado al ser sometido a esfuerzos muy grandes, presenta deformaciones permanentes en la galga lo que de igual modo produce variaciones permanentes en la resistencia eléctrica. Debido a estas deformaciones permanentes es por lo que no se recomienda esta aleación para aplicación en esfuerzos cíclicos.