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

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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).

1.1.1 Tipos de medidas de deslocamento

Como já foi dito uma maneira de medir deslocamento é na forma de deformações podendo ser feitas através de sensores, conhecidos por extensômetros. Os extensômetros mais comuns são os metálicos de resistência elétrica variável, porém existem outros tipos de extensômetros, que foram testados e não apresentaram uma boa aceitação pelo custo ou dificuldades na utilização, outros são utilizados para aplicações especificas.

Mecânicos: Os sistemas de medidas de deslocamento mecânicos foram os primeiros a serem desenvolvidos. Normalmente eles medem o deslocamento absoluto, e não a deformação. Por ter seu funcionamento baseado em princípios mecânicos, como braços de alavanca, são pouco precisos, e de difícil utilização.

Extensômetros de Semicondutores: O mesmo princípio de variação da resistência elétrica que possuem os condutores, também possui os semicondutores. Porém, a sensibilidade é mais alta, mas em faixas de variação pequenas. São aplicados para medir pequenas deformações, principalmente em transdutores específicos.

Metais depositados: Material de medição diretamente depositado no ponto de medição. Os transdutores feitos com a técnica de metal depositado têm como principais vantagens, a eliminação da camada de cola orgânica (através do uso de um filme de isolamento inorgânico), baixo custo e alto volume de produção. Porém apresentam limitações na precisão da resposta. São aplicados sobre uma mascara de isolamento diretamente na estrutura do transdutor.

Extensômetros Capacitivos: Princípio baseado na variação da capacitância. Ótimos para aplicações em temperaturas elevadas, na faixa de 500°C à 800°C. Normalmente são soldados à peça, ao invés de colados. Fibra Ótica: São baseados em princípios de transmissão por fibra óptica. Outros tipos: Piezelétricos, Fotoelásticos, óticos, etc. Outros estão em estudos de viabilidade.

- Alguns conceitos matemáticos de resistência dos materiais:

Variação Absoluta de Comprimento: essa medida é a diferença entre a medida da seção no momento da medição l e a medida da seção original lo.

[pic 5]

Deformação: O termo deformação é utilizado para descrever alongamento de uma seção. A deformação em conseqüência de um carregamento mecânico ou térmico. Deformação sempre representa uma variação relativa no comprimento.

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Tensão mecânica: é definida como a tensão existente no material devido a uma força aplicada. Tensões são subdivididas em: Tensão normal e tensão de cisalhamento; tensões de tração, de compressão, de flexão, de torção, residual e térmica.

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Tensão Normal

Tensão Cisalhante

- PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO DOS EXTENSÔMETROS DE RESISTÊNCIA VARIÁVEL

O principio de trabalho do extensômetro metálico está baseado na relação deformação/resistência do condutor elétrico. Todo condutor elétrico muda sua resistência elétrica quando submetidos a tensões mecânicas, sejam compressivas ou trativas. São duas as causas dessa variação: uma devido à deformação do condutor, e outra pela variação na resistividade do material condutor, resultado de mudanças micro estruturais no condutor, podendo ser descrita pela relação:

[pic 8][pic 9][pic 10]

Fig 2 - Representação da parte de um extensômetro simples.

Fonte: SG apostilas.

Vários materiais foram testados e as suas curvas apresentam a relação deformação x resistência elétrica. Um dado importante é a inclinação das curvas, ela indica a sensibilidade do material.[pic 11]

Materiais condutores que apresentam valores de sensibilidade “S” próximos a dois são preferidos na construção dos extensômetros. Nesse caso parcela de variação da resistência devido a mudanças na resistividade do material condutor torna-se desprezível. Para alguns materiais, S = 2, e tem-se a relação:[pic 12]

[pic 13]

Fig 3 - Resistência / Deformação característica para arames tracionados.

Fonte: Hoffmann (1989) pág. 15.

1.2.1 Circuito

Ponte de Wheatstone: Charles Wheatstone, em 1843, apresentou um circuito capaz de medir com precisão as resistências elétricas, chamado de Ponte de Wheatstone. Essas pontes podem ser usadas para:

- determinação do valor absoluto de uma resistência elétrica por comparação com outras resistências conhecidas;

- determinação da variação relativa da resistência elétrica.

A segunda é aplicada em extensometria, onde variações relativas na resistência são da ordem de 10-4 a 10-2 Ω/Ω. O diagrama do circuito está apresentado na (fig. 4) em duas representações.