Strain Gauges

Se uma tira de metal condutor for esticada, ela se tornará mais delgada e longa, ambas as mudanças resultando em um aumento da resistência elétrica de ponta a ponta. Por outro lado, se uma tira de metal condutor for colocada sob força compressiva (sem empenamento), ela se alargará e encurtará. Se essas tensões forem mantidas dentro do limite elástico da tira de metal (de modo que a tira não se deforme permanentemente), a tira pode ser usada como um elemento de medição da força física, a quantidade de força aplicada inferida da medição de sua resistência.

O que é Strain Gauge?

Esse dispositivo é chamado de medidor de tensão . Medidores de tensão são freqüentemente usados ​​em pesquisa e desenvolvimento de engenharia mecânica para medir as tensões geradas por máquinas. O teste de componentes de aeronaves é uma área de aplicação, pequenas tiras de extensômetro coladas a membros estruturais, ligações e qualquer outro componente crítico de uma estrutura para medir a tensão. A maioria dos medidores de tensão são menores do que um selo postal e se parecem com isto:



Os condutores de um extensômetro são muito finos:se feitos de fio redondo, cerca de 1/1000 polegada de diâmetro. Alternativamente, os condutores de medidor de tensão podem ser tiras finas do filme metálico depositado em um material de substrato não condutor chamado de transportador . A última forma do extensômetro é representada na ilustração anterior. O nome "medidor ligado" é dado aos medidores de tensão que são colados a uma estrutura maior sob tensão (chamado de espécime de teste ) A tarefa de unir medidores de tensão a amostras de teste pode parecer muito simples, mas não é. “Gauging” é um ofício por si só, absolutamente essencial para obter medições de deformação precisas e estáveis. Também é possível usar um fio de bitola não montado esticado entre dois pontos mecânicos para medir a tensão, mas essa técnica tem suas limitações.

Resistência do extensômetro

As resistências típicas do extensômetro variam de 30 Ω a 3 kΩ (sem tensão). Esta resistência pode mudar apenas uma fração de um por cento para toda a faixa de força do medidor, dadas as limitações impostas pelos limites elásticos do material do medidor e do corpo de prova. Forças grandes o suficiente para induzir maiores mudanças de resistência iriam deformar permanentemente o corpo de prova e / ou os próprios condutores do medidor, arruinando assim o medidor como um dispositivo de medição. Assim, para usar o extensômetro como um instrumento prático, devemos medir mudanças extremamente pequenas na resistência com alta precisão.

Circuito de medição de ponte

Essa precisão exigente exige um circuito de medição em ponte. Ao contrário da ponte Wheatstone mostrada no último capítulo usando um detector de equilíbrio nulo e um operador humano para manter um estado de equilíbrio, um circuito de ponte medidor de tensão indica a tensão medida pelo grau de desequilíbrio , e usa um voltímetro de precisão no centro da ponte para fornecer uma medição precisa desse desequilíbrio:



Normalmente, o braço reostato da ponte (R ₂ no diagrama) é definido com um valor igual à resistência do medidor de tensão sem força aplicada. Os dois braços de proporção da ponte (R ₁ e R ₃ ) são iguais. Assim, sem aplicação de força no extensômetro, a ponte ficará simetricamente balanceada e o voltímetro indicará zero volts, representando força zero no extensômetro. À medida que o extensômetro é comprimido ou tensionado, sua resistência diminui ou aumenta, respectivamente, desequilibrando a ponte e produzindo uma indicação no voltímetro. Este arranjo, com um único elemento da ponte mudando a resistência em resposta à variável medida (força mecânica), é conhecido como um quarto de ponte o circuito.

Como a distância entre o medidor de deformação e as três outras resistências no circuito de ponte pode ser substancial, a resistência do fio tem um impacto significativo na operação do circuito. Para ilustrar os efeitos da resistência do fio, mostrarei o mesmo diagrama esquemático, mas adicionarei dois símbolos de resistor em série com o medidor de tensão para representar os fios:

Resistências de fio

A resistência do extensômetro (R _gauge ) não é a única resistência sendo medida:as resistências do fio R _fio1 e R _wire2 , estando em série com R _gauge , também contribuem para a resistência da metade inferior do braço reostato da ponte e, consequentemente, contribuem para a indicação do voltímetro. Isso, é claro, será interpretado erroneamente pelo medidor como um esforço físico no medidor.

Embora esse efeito não possa ser completamente eliminado nesta configuração, ele pode ser minimizado com a adição de um terceiro fio, conectando o lado direito do voltímetro diretamente ao fio superior do extensômetro:



Como o terceiro fio praticamente não carrega corrente (devido à resistência interna extremamente alta do voltímetro), sua resistência não cairá nenhuma quantidade substancial de tensão. Observe como a resistência do fio superior (R _fio1 ) foi "contornado" agora que o voltímetro se conecta diretamente ao terminal superior do medidor de tensão, deixando apenas a resistência do fio inferior (R _fio2 ) para contribuir com qualquer resistência de desvio em série com o medidor. Não é uma solução perfeita, é claro, mas duas vezes melhor do que o último circuito!

No entanto, existe uma maneira de reduzir o erro de resistência do fio muito além do método que acabamos de descrever e também ajudar a mitigar outro tipo de erro de medição devido à temperatura.

Mudança de resistência na temperatura

Uma característica infeliz dos medidores de tensão é a variação da resistência com as mudanças de temperatura. Esta é uma propriedade comum a todos os condutores, alguns mais do que outros. Portanto, nosso circuito de um quarto de ponte como mostrado (com dois ou três fios conectando o medidor à ponte) funciona como um termômetro tão bem quanto como um indicador de deformação. Se tudo o que queremos fazer é medir a tensão, isso não é bom. Podemos transcender este problema, no entanto, usando um medidor de tensão "fictício" no lugar de R ₂ , de modo que ambos os elementos do braço reostato mudarão a resistência na mesma proporção quando a temperatura mudar, cancelando assim os efeitos da mudança de temperatura:



Resistores R ₁ e R ₃ têm o mesmo valor de resistência e os medidores de tensão são idênticos um ao outro. Sem força aplicada, a ponte deve estar em condições perfeitamente equilibradas e o voltímetro deve registrar 0 volts. Ambos os medidores são ligados ao mesmo corpo de prova, mas apenas um é colocado em uma posição e orientação de modo a ser exposto à tensão física (o ativo medidor). O outro medidor é isolado de todo estresse mecânico e atua meramente como um dispositivo de compensação de temperatura (o “manequim” medidor). Se a temperatura mudar, ambas as resistências do medidor mudarão na mesma porcentagem e o estado de equilíbrio da ponte permanecerá inalterado. Apenas uma resistência diferencial (diferença de resistência entre os dois medidores de tensão) produzida pela força física no corpo de prova pode alterar o equilíbrio da ponte.

A resistência do fio não afeta a precisão do circuito tanto quanto antes, porque os fios que conectam os medidores de tensão à ponte têm comprimento aproximadamente igual. Portanto, as seções superior e inferior do braço do reostato da ponte contêm aproximadamente a mesma quantidade de resistência perdida e seus efeitos tendem a se cancelar:

Circuitos de quarto de ponte e meia ponte

Mesmo que agora haja dois medidores de tensão no circuito da ponte, apenas um responde à deformação mecânica e, portanto, ainda nos referiríamos a este arranjo como um quarto de ponte . No entanto, se pegarmos o medidor de tensão superior e posicioná-lo de forma que fique exposto à força oposta do medidor inferior (ou seja, quando o medidor superior for comprimido, o medidor inferior será esticado e vice-versa), nós iremos tem ambos medidores respondendo à tensão, e a ponte será mais responsiva à força aplicada. Esta utilização é conhecida como meia-ponte . Uma vez que ambos os medidores de tensão aumentarão ou diminuirão a resistência na mesma proporção em resposta às mudanças na temperatura, os efeitos da mudança de temperatura permanecem cancelados e o circuito sofrerá erro mínimo de medição induzido pela temperatura:



Um exemplo de como um par de medidores de tensão pode ser ligado a um corpo de prova de modo a produzir este efeito é ilustrado aqui:



Sem força aplicada ao corpo de prova, ambos os medidores de tensão têm resistência igual e o circuito da ponte é balanceado. No entanto, quando uma força para baixo é aplicada à extremidade livre da amostra, ela se dobrará para baixo, esticando o medidor # 1 e comprimindo o medidor # 2 ao mesmo tempo:

Circuitos de ponte completa

Em aplicações onde tais pares complementares de medidores de tensão podem ser ligados ao corpo de prova, pode ser vantajoso tornar todos os quatro elementos da ponte "ativos" para uma sensibilidade ainda maior. Isso é chamado de ponte completa o circuito:



Ambas as configurações de meia ponte e ponte completa garantem maior sensibilidade sobre o circuito de um quarto de ponte, mas freqüentemente não é possível ligar pares complementares de medidores de tensão ao corpo de prova. Assim, o circuito de um quarto de ponte é freqüentemente usado em sistemas de medição de deformação.

Quando possível, a configuração de ponte completa é a melhor para usar. Isso é verdade não apenas porque é mais sensível do que os outros, mas porque é linear enquanto os outros não. Os circuitos de quarto de ponte e meia ponte fornecem um sinal de saída (desequilíbrio) que é apenas aproximadamente proporcional à força aplicada do extensômetro. A linearidade, ou proporcionalidade, desses circuitos em ponte é melhor quando a quantidade de mudança de resistência devido à força aplicada é muito pequena em comparação com a resistência nominal do (s) medidor (es). Com uma ponte completa, no entanto, a tensão de saída é diretamente proporcional a uma força aplicada, sem aproximação (desde que a mudança na resistência causada pela força aplicada seja igual para todos os quatro medidores de tensão!).

Ao contrário das pontes Wheatstone e Kelvin, que fornecem medição em uma condição de equilíbrio perfeito e, portanto, funcionam independentemente da tensão da fonte, a quantidade de tensão da fonte (ou “excitação”) é importante em uma ponte desequilibrada como esta. Portanto, as pontes de medidor de tensão são avaliadas em milivolts de desequilíbrio produzido por volt de excitação, por medida unitária de força. Um exemplo típico de medidor de deformação do tipo usado para medir a força em ambientes industriais é 15 mV / V a 1000 libras. Ou seja, com exatamente 1000 libras de força aplicada (compressiva ou de tração), a ponte ficará desequilibrada em 15 milivolts para cada volt da tensão de excitação. Novamente, esse número é preciso se o circuito da ponte estiver totalmente ativo (quatro extensômetros ativos, um em cada braço da ponte), mas apenas aproximado para arranjos de meia ponte e quarto de ponte.

Medidores de tensão podem ser adquiridos como unidades completas, com elementos de medidor de tensão e resistores de ponte em um alojamento, vedado e encapsulado para proteção contra os elementos, e equipado com pontos de fixação mecânica para fixação em uma máquina ou estrutura. Esse pacote é normalmente chamado de célula de carga .

Como muitos dos outros tópicos abordados neste capítulo, os sistemas de medidores de tensão podem se tornar bastante complexos, e uma dissertação completa sobre medidores de tensão estaria além do escopo deste livro.

REVER:

• Um medidor de tensão é uma tira fina de metal projetada para medir a carga mecânica alterando a resistência quando tensionada (esticada ou comprimida dentro de seu limite elástico).
• Mudanças na resistência do extensômetro são normalmente medidas em um circuito de ponte, para permitir a medição precisa das pequenas mudanças de resistência e para fornecer compensação para variações de resistência devido à temperatura.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de circuitos de ponte DC