TRANSDUTORES DE FORÇA – EXTENSÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICOS (Strain Gauge).

UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE – UFCG[pic 1][pic 2]

CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA – CCT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEM

ALUNO: Roney de Sousa Lima.

DISCIPLINA: Instrumentação Eletrônica.

PROFESSOR: Eisenhawer Fernandes.

TERCEIRO EXPERIMENTO

TRANSDUTORES DE FORÇA – EXTENSÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICOS (Strain Gauge).

Campina Grande-PB, em 24 de Maio de 2016.

RONEY DE SOUSA LIMA

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Campina Grande, 24 de Maio de 2016.

1. INTRODUÇÃO

 Em engenharia existem muitas aplicações onde há necessidade de avaliar a deformação dimensional de um corpo, para assim determinar os efeitos de ações físicas sobre ele. Isto é feito usando um transdutor de deformação do corpo.

 Em projetos e análises estruturais utilizam-se métodos de cálculos que avaliam a resistência de um material comparada aos carregamentos aplicados sobre eles. Estes carregamentos muitas vezes são estimados. Sendo assim, falhas por sobrecarga ou desgaste durante a vida podem ocorrer nas peças, devido a uma má avaliação das forças existentes e, por consequência, a errônea determinação de parâmetros de projeto. O competitivo mercado atual exige que os projetos reduzam seus custos primando pela qualidade. Assim, surgiu a necessidade de uma avaliação mais elaborada das reais condições de carregamento a que peça está submetida.

As avaliações dos esforços baseiam-se nas descobertas de Robert Hooke (1678), que relacionam os esforços aplicados, através da tensão gerada no material σ, com a deformação resultante ε, pela Lei de Hooke (σ = E ⋅ ε), sendo E o módulo de Elasticidade (Isso válido apenas para materiais que apresentam elasticidade, sendo esta relação válida para o campo elástico).

Diversos procedimentos e equipamentos foram criados com o intuito de medir as deformações. Os primeiros aparelhos eram essencialmente mecânicos, apresentando limitações e erros de medição. Com a evolução da eletroeletrônica, constatou-se que os efeitos da variação da resistência de um condutor elétrico causada pela aplicação de uma tensão mecânica (Charles Wheatstone – 1843) poderiam ser utilizados para esse fim. Depois Willian Thomson (1856) conseguiu medir esse efeito.

Estudos e protótipos posteriores, realizados por Eduard E. Simons e Artur Claude Ruge desenvolveu-se os primeiros extensômetros de resistência elétrica ou Strain Gages (SG). Desde então, esses extensômetros têm contribuído muito nos avanços dos estudos nos campos de metrologia, análise de tensões e projeto mecânico entre outros.

1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

As deformações que ocorrem na peça são medidas pelo extensômetro, porém as leituras não saem em forma de gráficos, tabelas ou relatórios. É necessária a utilização de um conjunto de aparelhos de transforma a deformação sentida pelo extensômetro em informações concretas. Além disso, essas deformações medidas são normalmente pequenas, produzindo variações no sinal elétrico nas mesmas proporções, não podendo ser lidas diretamente por um osciloscópio ou um multímetro. Esse processo da verificação do fenômeno da deformação até a informação dos dados legíveis é feito por um sistema de medição. Os sistemas de medição são ferramentas capazes de quantificar fenômenos da natureza. Existem sistemas para avaliação de temperatura, de esforços, escoamento de fluidos, composições químicas, entre outras.

Na análise de tensões por extensometria, o sistema de medição é formado basicamente de sensores de deformação, o extensômetro de resistência variável, que converte deformação mecânica em variação da resistência elétrica. Estes extensômetros são montados em um circuito elétrico, a ponte de Wheatstone, que é capaz de realizar a medição de variação de resistências elétricas em seus braços do circuito. A ponte de Wheatstone pode ser montada de diversas formas (¼ de ponte, ½ ponte, ponte completa e ½ ponte diagonal) dependendo do número de extensômetro utilizados. O circuito é alimentado por uma corrente elétrica, através de uma fonte de energia. A variação da resistência elétrica do extensômetro, devido à deformação ocorrida na peça, provoca um desequilíbrio na ponte. Ocorre uma variação de tensão de saída da ponte, devido ao reequilíbrio da ponte, que passa por um amplificador de voltagem, e é lido em uma placa de aquisição de dados. As informações coletadas pela placa, normalmente são tensão elétrica, e possuem a unidade de mV. Esses dados podem ser processados e transformados em uma grandeza especificada pelo usuário, como micro deformação, tensão, força, dependendo do caso.

Outros equipamentos podem ser acoplados no sistema com intuito de reduzir os erros e agilizar o processo de medição. A fig.1 mostra um esquema básico de um sistema de medição de extensômetro metálicos de resistência variável.[pic 4]

Fig. 1 - Diagrama do sistema de medição para medição de deformação através de extensômetros.

Para medir essas pequenas mudanças na resistência são quase sempre usadas ​​em uma configuração de ponte com uma excitação por tensão.

Etapas de condicionamento do sinal para medida da deformação

Amplificação: Normalmente são gerados baixos níveis de sinais para a medida, logo é necessário se ter uma instrumentação para amplificar esse sinal antes de ser mostrado no ADC, display etc.

Excitação: é requerida uma excitação por tensão para se gerar uma resposta em voltagem que represente a deformação. Essa fonte de tensão pode ser constante e em um nível recomendado pelo fabricante do aparelho.

Circuito Offset Nulling: tipo de potenciômetro que controla a deriva térmica do aparelho eletrônico, de modo a se obter o valor de referencia para inicio do experimento (0V).