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UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE
Facultad de ingeniería
Electrónica análoga
Camilo Andres Rodas Castaño
II Periodo de 2015
Implementación de un circuito para controlar la velocidad de un motor de DC de manera proporcional a la contracción de la muñeca, mediante el uso de galgas extensiométricas.
RESUMEN
El siguiente informe  contiene la investigación del proyecto final la cual sustenta toda la información pertinente para la realización de este proyecto, las cuales son galgas extensiometricas, sensor de presión MPX, amplificador de instrumentación INA 128, puente de wheatstone. Después de buscar toda la información pertinente nos basamos en el diseño inicial para realizar nuestro diseño final, teniendo este diseño final muchas modificaciones con respecto al inicial, luego se realizaron los cálculos respectivos para hallar de manera precisa los elementos que necesitábamos para la realización del montaje, ya teniendo todos los elementos realizamos las respectivas simulaciones donde pudimos observar que nuestros diseño final si funcionaba y era válido. Sabiendo todo esto seguimos con el montaje donde ya pudimos evidenciar que tanto la simulación como los cálculos estuvieron correctos porque funcionó con estaba pensado y como se deseaba.
INTRODUCCIÓN
· Galgas extensiométricas:
Las galgas extensiométricas son transductores (convierten la señal mecánica en una señal eléctrica) activos, es decir que requieren corriente o voltaje para trabajar. Estos dispositivos son un elemento que proporciona gran flexibilidad a la construcción de sensores de fuerza y de magnitudes que se puedan trasladar a la deformación de un material. Una galga extensiométrica es básicamente una resistencia eléctrica que varía su valor nominal con la deformación del alambre o lámina que la forma. Esta resistencia está formada, por un fino alambre o una laminilla de metal que está firmemente adherida a una superficie que es la que recibe la fuerza y por consiguiente sufre una deformación. Como la galga está pegada al material que se deforma, también sufre una deformación que alarga o contrae el material de la resistencia, respondiendo ésta con la variación del valor nominal de la resistencia.
El principio de funcionamiento se basa en el efecto piezorresistivo de metales y semiconductores, según el cual, su resistividad varía en funcion de la deformación a la que están sometidos, el material del que está hecho el diseño adoptado.
Se considera un hilo metalico de longitud l, sección transversal A y resistividad ρ, su resistencia electrica R es:
Si se le somete a un esfuerzo en dirección longitudinal, su resistencia R variará debido a los cambios dimesionales causados en l, A y ρ.
Figura 1. Efecto piezorresistivo
El cambio porcentual de la resistividad, para el cambio de longitud del material es denominado factor de galga (K) y se expresa por la siguiente ecuación: 
Siendo la variación en longitud por unidad de longitud que tiene un cuerpo cuando está sometido a una fuerza, denominada deformación (.
 
El factor de galga es una constante característica de la galga, siendo el fabricante quien generalmente proporciona este factor, que se determina en función de la aleación empleada para su fabricación.
En el trabajo con galgas extensiométricas se implementa un circuito denominado puente de Wheatstone el cual está diseñado para mantener balanceado a pesar de los cambios en la temperatura en vista de que la resistividad de un material depende de la temperatura a la que se encuentre sometido.
Figura 2. Puente de Wheatstone
Existes diferentes configuraciones de puente de wheatstone para las galgas extensiométricas. Utilizando galgas de tracción y de compresión.
Figura 3. Configuraciones del puente de wheatstone 
Siendo R el valor nominal de la resistencia, el valor de resistencia de la galga de tracción y el valor de resistencia de la galga de compresión. La configuración del puente de wheatstone completo (configuración “d”) es la más utilizada en los diferentes sensores existentes.
· Amplificador operacional:
Un amplificador es un dispositivo electrónico que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor de ganancia.
Originalmente los amplificadores operacionales se empleaban para operaciones matemáticas (suma, resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras analógicas. De ahí su nombre.
El amplificador operacional ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero.
Figura 4. Amplificador 
Los terminales del amplificador son:
V+: entrada no inversora
V-: entrada inversora
VOUT: salida
VS+: alimentación positiva
VS-: alimentación negativa
Existe diferentes configuraciones de amplificadores operacionales, como lo son: el comparador, inversor, no inversor, sumador, diferencial, diferenciador e integrador.
Figura 5. Curva de un amplificador operacional real.
· Amplificador instrumental:
Es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común (CMRR). Se puede construir a base de componentes discretos o se puede encontrar como un circuito integrado (por ejemplo el INA128). La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor. 
Figura 6. Estructura interna de un amplificador instrumental (INA 128)
DISEÑO INICIAL
Después de tener la información necesaria para comenzar a diseñar se procedió a enlazar todos los elementos para cumplir con el objetivo.
1. Se eligieron las galgas de hilo y lámina y uniaxiales ya que se necesita medir la deformación de un material en una sola dirección, por lo que solamente se tiene en cuenta cuando se estira o comprime, después de ser sometido a una fuerza externa proveniente de la muñeca, que altere su forma. Su resistencia nominal (R) se eligió de 350Ω que es un valor comercial.
Figura 7. Galga uniaxial
2. Se seleccionó la configuración del puente de wheatstone, que constaba de cuatro galgas activas, dos trabajando en tracción y las otras dos en compresión, ya que proporcionan mayor sensibilidad con respecto a la transducción de la señal mecánica a eléctrica. Esta configuración también se considera la mejor ya que existe una compensación térmica, entonces la temperatura no influye en la variación del valor de las resistencias de las galgas. 
Figura 8. Puente completo con galgas extensiométricas
El puente se diseña para estar balanceado (valor de resistencias iguales) cuando las galgas no han sufrido variación alguna, en otras palabras, el voltaje medido en los terminales de salida del puente es igual a cero. A medida que las galgas sufren deformación, el puente se desbalancea y el voltaje medido en los terminales (Vo) es proporcional a dicho cambio, que a su vez es proporcional a la fuerza aplicada.
El puente requiere una alimentación de tensión, por ello se considerarán 15V de entrada.
3. Puesto que la diferencia de tensión que sale del puente de wheastone (Vo) son 10mV/V de alimentación, es decir que la tensión máxima en ese punto será de 150mV. Al tener una diferencia de voltaje tan pequeña, se decidió implementar un amplificador de señales, exactamente un amplificador diferencial que era el más apropiado para el caso.
Figura 9. Amplificador diferencial
Para el cual la ganancia G es igual a:
Siendo Vout la tensión que se desea obtener y Vin la diferencia de tensión que sale del puente la cual se lleva hasta el amplificador.
Se escogió el amplificador LM7301 el cual se debe alimentar con +- 35V máximo. Por lo tanto se decidió alimentarlo con 15V ya que no va amplificar más de la tensión con la que se alimente, y precisamente será necesario ese valor para el motor a utilizar.
Figura 10. Características del amplificadorLM7301
Se tiene que Vout=15V y Vin=115mV máximo. Con estos valores se puede calcular la ganancia que tendrá el amplificador, de la siguiente manera:
Se supone entocnes un valor de las resistencias para poder determinar el otro, R1=100Ω
Figura 11. Diseño del circuito con puente de wheatstone balanceado
Figura 12. Resultado gráfico de simulación del circuito con puente de wheatstone balanceado
En la gráfica de la figura 12. Se puede observar que cuando el puente de wheatstone está balanceado, es decir, R1=R2=R3=R4=350Ω la tensión en los terminales del puente es la misma, haciendo que la diferencia de tensión sea cero, por ello el Vout del amplificador es cero, debido a que no le entra nada para hacer su función.
Figura 13. Diseño del circuito con puente de wheatstone desbalanceado
Figura 14. Resultado gráfico de simulación del circuito con puente de wheatstone desbalanceado
En la gráfica de la figura 14. Se puede observar que cuando el puente está desbalanceado, es decir que las galgas de tracción aumentaron en un valor de resistencia y las de compresión disminuyeron en el mismo valor de resistencia (ΔR se consideró de 50Ω). Entonces por divisor de tensión en los terminales de la salida del puente se tendrán valores de voltaje diferentes, de esta manera sí existe una diferencia de tensión la cual es la que va dirigida al amplificador. En este caso el amplificador tiene una salida muy cercana a 15V.
4. A causa de que la impedancia de entrada en el amplificador es infinita, se dice que las corrientes de entrada son cero, por ende las de salida serán muy bajas; se concluyó entonces que se debía utilizar un elemento que ayudara a generar una corriente alta para que el motor pudiera entrar en funcionamiento. Para esto se colocó un transistor de potencia que soporte 1A, conectado a la salida del amplificador, a una fuente DC y al motor. El transistor 2N3055 trabajando en corte y saturación; cuando el puente esté desbalanceado, en la salida del amplificador se tendrá una tensión mayor a 0.7, entonces la corriente de colector se generará.
Figura 13. Diseño final del circuito 
5. El elemento que se consideró óptimo para el desarrollo éste proyecto (material a deformar por medio de la contracción de la muñeca) es utilizado en las terapias anti-estrés, tiene forma de dona y consta de una superficie uniforme. Además proporciona las zonas ideales para adherir la configuración del puente de wheastone seleccionada y asegurar su funcionamiento.
6. Cabe aclarar que la variable de deformación no es tenida en cuenta en los cálculos porque es difícil en el momento saber cuánta fuerza se ejerce sobre la superficie al contraer la muñeca. Por esto la variación del valor de resistencia no será conocido con exactitud ya que no siempre se va a apretar de igual manera la dona anti-estrés.
MODIFICACIONES Y DISEÑO FINAL
Debido a la dificultad para conseguir la configuración de galgas extensiométricas elegida inicialmente (ya que no son muy comerciales), se optó por adecuar el proyecto a otro tipo de transductor que las involucraba. Se eligió un sensor de presión (MPX 2050gp), el cual trabaja con un puente de wheatstone interno compuesto por galgas extensiométricas las cuales varían su valor de resistencia al sufrir una deformación. Además el sensor ofrece que la salida de tensión diferencial de éste es directamente proporcional a la presión diferencial aplicada, lo cual era muy necesario.
Figura 14. Sensor de presión MPX2050gp
El sensor de presión requiere una alimentación de tensión para entrar en funcionamiento; según el datasheet de este dispositivo requiere una tensión de entrada típica de 10Vdc y una máxima de 16Vdc. Para este caso se eligió 12Vdc.
El instrumento más apropiado para hacer funcionar correctamente el sensor de presión fue el Esfigmomanómetro. Y para conectarlos entre sí y acoplar su trabajo se usó de una “T” y unas mangueras plásticas que ayudaban a unir las dos ramas del medidor de presión arterial y la otra que iba al sensor de presión.
Figura 16. Esfigmomanómetro 
Figura 17. Herramienta utilizada para enlazar dispositivos, “T”
La pera del esfigmomanómetro se utilizó para realizar la contracción de la muñeca que a su vez sirvió para hacer llegar aire al sensor de presión, y de esta manera entraba en funcionamiento el puente de wheatstone con sus galgas internas y por eso el sensor arrojaba a la salida una tensión medida en mili voltios (mV). Según el datasheet de este arroja un máximo de 40mV. Para neste caso alcanzaba cerca de 22mV. Ya que no se le debía bombear mucho aire al esfigmomanómetro porque podría explotar el brazalete.
A causa de que la señal de salida del sensor era tan pequeña y el objetivo del proyecto era controlar la velocidad de un motor, se tuvo que amplificar. Para esto se utilizó un amplificador instrumental llamado INA 128 pues este dispositivo electrónico es muy utilizado en la medición de cambios de voltajes asociados a la bioinstrumentación en el estudio de comportamientos del cuerpo humano, por consiguiente es muy común observarlo en circuitos de electrocardiogramas, bandas extensiometricas, sensores de temperaturas y medición de pH dérmicos, entre otros.
El INA 128 proporciona una elevada ganancia de voltaje, característica fundamental requerida por esta implementación, y está asociada al siguiente factor lineal:
La ganancia del amplificador está asociada al valor de la resistencia Rg, la cual se describe para ciertos valores en la siguiente tabla:
Figura 18. Factor de ganancia INA128
A razón de que la máxima salida de tensión del sensor de presión era cercana a 22mV y la tensión necesaria para mover un motor se eligió de 12V. Se calculó la ganancia y por consiguiente el valor de la resistencia.
Para un valor de ganancia cercano a este correspondía una resistencia Rg=100Ω.
De igual manera se intentó bajar un poco el valor de esta resistencia para ver que sucedía pero se obtuvo que se lograra una amplificación casi que inmediata al presionar la pera. Lo cual no fue bueno porque se necesitaba observar algo gradual.
Figura 19. Terminales del INA128
Los terminales del amplificador instrumental son:
· 1 y 8: Resistencia Rg
· 2 y 3: Tensión de entrada, es decir, las salidas del sensor de presión.
· 4 y 7: alimentación (+Vcc y –Vcc)
· 6: Salida, señal amplificada.
· 5: conexión a tierra.
Figura 20. Datos del INA128
De acuerdo al datasheet del amplificador su máxima alimentación puede ser de +- 18V, por lo cual se decide alimentarlo con +- 12V. Para esto se diseñó una fuente dual directa, que constaba de un puente de diodos, 6 condensadores: 2 de 2200µF y 4 de 1 µF, además 2 reguladores: Lm7812 y Lm7912.
Figura 21. Fuente dual
Retomando la función del amplificador INA 128 cabe aclarar que la corriente que sale de este es muy pequeña por eso se decidió implementar el transistor 2N3055 que se había elegido inicialmente pero con una configuración un poco diferente para garantizar corriente en ese lado del circuito.
Figura 22. Transistor 2N3055.
El colector del transistor se conectó a una fuente de 10Vdc y en su emisor un motor de 12V y una resistencia de 12Ω. Los cuales garantizaban paso de corriente (1A) por esa rama. En la figura 22 se no se observa el motor, ya que en la simulación se debe considerar como una resistencia para poder realizarla, por ello se eligió de 1Ω ya que la resistencia de los motores es muy baja.
Cabe aclarar que durante las pruebas del proyecto se tuvieron en cuenta varios motores de 12V. Pero al final se eligió un motor que brindaba la posibilidad de ver bien el control de la velocidad del mismo mediante la contracción de la muñeca, ya que otros motores empezaban a funcionar con una tensión muy cercana a 12V, entonces no se evidenciaba bien la proporción que merecía la experimentación.
Simulación 
Figura 23. Diseño final del circuito a implementar
Figura 24. Señal inicial y amplificada
En la simulación se puede observar que cuando el puente se desbalancea genera una tensión de salida ensus terminales muy pequeña y esta es amplificada a 12V como es lo esperado.
Figura 25. Diseño final del circuito del proyecto.
CONCLUSIÓN
Para este proyecto se concluye que fue muy importante tener bien claros los conceptos involucrados para empezar a enlazar conocimientos e irle dando forma a la solución. Después de muchas pruebas, combinaciones y adaptaciones se logra alcanzar el objetivo, el cual siempre fue controlar la velocidad de un motor por medio de la contracción de la muñeca, haciendo uso de galgas extensiométricas y de manera bastante explicita, dominar los temas implicados, interesarnos más por el funcionamiento de cada uno de los dispositivos y en general de las aplicaciones que tiene la electrónica en la vida cotidiana.
BIBLIOGRAFÍA
ARCOS LEGARDA, illinton Jaime. Sistema de control de movimiento para prótesis de mano. Colombia, 2005. Trabajo de grado (Ingeniero Mecatrónico). Universidad de Pamplona. Facultad de Ingeniería y Arquitectura.
IDROVO URGILES, Pablo Javier. QUINTANILLA MOLINA, Luis Miguel. Aplicación de galgas extensiométricas de mecánica de materiales de la carrera de ingeniería mecánica para la obtención de deformaciones en elementos sometidos a cargas combinadas. Cuenca, 2010. Trabajo de grado (Ingeniero Mecánico) Universidad Politécnica salesiana sede Cuenca. Facultad de Ingenierías.
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Galgas extensiométricas, Strain Gages 1. Tomado de: 
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Amplificador instrumetal, INA128. Tomado de:
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