Dominando Extensômetros: Como Convertem Tensão Mecânica em Sinais Elétricos Precisos

Um transdutor passivo, como um extensômetro, transforma deslocamento mecânico em mudança de resistência. É um dispositivo fino, tipo wafer, que mede tensão aplicada e pode ser conectado a uma variedade de materiais com adesivo apropriado. A tensão resultante deforma o extensômetro anexado à estrutura conforme é estressado. Aumenta a resistividade do medidor, resultando em sinal elétrico proporcional à deformação. Quando submetido a um deslocamento, o sensor de deslocamento de extensômetro compreende uma estrutura anexada ao extensômetro que deforma elasticamente.

Neste artigo, você aprenderá a definição, aplicação, requisitos, partes, diagrama, tipos, funcionamento, vantagens e desvantagens de um extensômetro.

O que é um Extensômetro?

Um extensômetro (também conhecido como strain gauge) é um dispositivo que mede a quantidade de tensão em um item. O tipo mais comum de extensômetro, inventado por Edward E. Simmons e Arthur C. Ruge em 1938, consiste em um suporte flexível isolante que suporta um padrão de folha metálica. Um adesivo apropriado, como cianoacrilato, é usado para conectar o medidor ao item. Conforme o objeto deforma, a folha deforma também, mudando a resistência elétrica. O fator de gauge é uma quantidade conectada à mudança de resistência, que é comumente medida usando uma ponte de Wheatstone.

Engenheiros frequentemente usam extensômetros para medir a influência de forças externas em um objeto. Eles medem diretamente a tensão, que pode ser usada para inferir tensão mecânica, torque, pressão, deflexão e uma variedade de outras métricas.

Tensão é uma medição não-dimensional, que é uma razão do comprimento alterado de um objeto para seu comprimento inicial. Como resultado, uma tensão positiva ocorre quando um material é esticado, enquanto uma tensão negativa ocorre quando um material é comprimido. Tensão mecânica é definida como a força aplicada dividida pela área transversal inicial do objeto ou a capacidade de resistência interna do objeto.

Aplicação

Extensômetros são comumente usados em engenharia civil e monitoramento geotécnico para identificar falhas em estruturas como pontes, edifícios e outras estruturas. Como qualquer deformação considerável poderia resultar em ferimentos ou morte, estas estruturas devem ser constantemente monitoradas. Estes medidores são amplamente usados por causa de sua alta precisão, capacidade de operar a vastas distâncias do objeto de teste, e facilidade de configuração e manutenção por longos períodos de tempo.

Testes ao ar livre frequentemente não são o mesmo que testes em laboratório sob condições ideais. Uma das razões pelas quais extensômetros são tão valiosos é que podem ser usados em condições severas e produzir dados confiáveis de alta precisão. Um dispositivo especializado como um extensômetro é frequentemente requerido quando um engenheiro testa produtos com formas irregulares em locais difíceis com configurações de difícil acesso. Por exemplo, milhões de extensômetros são usados em aplicações aeroespaciais para verificar os resultados de simulações CAD (Design Assistido por Computador) e FEA (Análise de Elementos Finitos). Estes testes são frequentemente realizados sob condições dinâmicas para fornecer um retrato realista de como várias forças afetam aviões.

Testes estáticos também são rotineiramente feitos com extensômetros. Telemetria sem fio é usada por algumas pontes, que envia resultados de teste através de Ethernet. Outras pontes, por outro lado, são submetidas a inspeção visual ou teste de penetrante para detectar falhas de superfície. Embora estas tecnologias sejam custo-efetivas, não permitem inspeção contínua, que pode levar a colapsos catastróficos como a ponte de treliça de aço I-35 Minneapolis. O governo federal designou a ponte como "estruturalmente fraca" em 1990, o que significava que tinha que passar por inspeções anuais. A ponte eventualmente colapsou em 2007, matando 13 pessoas, devido à falta de monitoramento contínuo de extensômetro, reparos significativos ou substituição. As seguintes são as aplicações comuns de um extensômetro:

• Medição de tensão
• Medição de tensão residual
• Análise de vibração
• Medição de torque
• Medição de flexão e deflexão
• Medição de compressão e tração

Requisito de Material de Extensômetro

Um bom extensômetro deve ser capaz de realizar o seguinte:

• O extensômetro deve ser modesto em tamanho e leve em peso.
• Deve ser extremamente sensível à tensão.
• O fator de gauge de um extensômetro deve ser alto.
• Deve ser simples de fixar ao espécime.
• Deve ter tempo de resposta rápido e pouco lag temporal.
• Deve ser capaz de diferenciar entre tensão estática, transitória e dinâmica.
• Deve ser capaz de indicar e registrar informações à distância.
• Temperatura, umidade, vibração e outros fatores ambientais não devem afetá-lo.
• Deve ser acessível, confiável e prontamente disponível em uma variedade de tamanhos.

Diagrama de um extensômetro:

Tipos de Extensômetro

Existem vários tipos de extensômetros disponíveis no mercado. Os seguintes são os vários tipos de extensômetros:

• Extensômetros lineares
• Extensômetros roseta de membrana
• Extensômetros lineares duplos
• Extensômetros de ponte completa
• Extensômetros de cisalhamento
• Extensômetros de meia ponte
• Extensômetros de coluna
• Roseta 45° (3 direções de medição)
• Roseta 90° (2 direções de medição).

Abaixo estão alguns outros tipos de extensômetros que você pode encontrar:

Extensômetros semicondutores, também conhecidos como piezorresistivos, são geralmente favorecidos sobre medidores de folha para medir pequenas tensões. O fator de gauge de um gauge semicondutor é geralmente maior que o de um gauge de folha. Gauges semicondutores são frequentemente mais caros, mais sensíveis à temperatura e mais delicados que gauges de folha.

Extensômetros feitos de nanopartículas parecem ser uma técnica promissora nova. Devido à sua alta impedância, estes sensores resistivos com área ativa compreendida de uma montagem de nanopartículas condutivas, como ouro ou carbono, têm alto fator de gauge, grande faixa de deformação e baixo consumo elétrico.

Um extensômetro de mercúrio em borracha é empregado em medições biológicas, particularmente fluxo sanguíneo e inchaço de tecido. Este extensômetro é composto de uma pequena quantidade de mercúrio líquido envolto em um pequeno tubo de borracha que é enrolado ao redor de um dedo do pé ou perna, por exemplo. Quando uma parte do corpo incha, causa expansão do tubo, tornando-o tanto mais longo quanto mais fino, aumentando a resistência elétrica.

Para medir tensão junto com uma fibra óptica, detecção por fibra óptica pode ser usada. Medições podem ser feitas em locais aleatórios junto com a fibra ou em pontos especificados. Sensores embutidos deste tipo são usados nos barcos Alinghi 5 e USA-17 da America's Cup 2010.

Tensões também podem ser medidas usando outras técnicas ópticas como interferometria de padrão de speckle eletrônico ou correlação de imagem digital.

Extensômetros de microscala são frequentemente empregados em MEMS para monitorar tensões causadas por força, aceleração, pressão ou som. Acelerômetros MEMS, por exemplo, são frequentemente usados para ativar airbags em automóveis. Ressonadores de anel óptico integrados podem ser usados para monitorar tensão em microsistemas opto-eletro-mecânicos como alternativa a gauges piezorresistivos (MOEMS).

Um capacitor variável é usado em gauges de tensão capacitivos para detectar o nível de deformação mecânica.

Aplicações geotécnicas e de engenharia civil usam extensômetros de fio vibratório. Um fio tensionado vibratório compõe o gauge. A tensão é calculada determinando a frequência de ressonância do fio (um aumento na tensão aumenta a frequência ressonante).

Aplicações geotécnicas também usam extensômetros de cristal de quartzo. Sensor crucial do DART é um sensor de pressão com gauge de tensão de cristal de quartzo ressonante e coletor de força de tubo de bourdon. DART detecta ondas de tsunami nas profundezas do oceano. Ao monitorar pressão a profundidade de muitos quilômetros, tem resolução de pressão de cerca de 1mm de água.

Princípio de Funcionamento

O funcionamento de um extensômetro é bastante interessante, é menos complexo e fácil de entender. Assista ao vídeo abaixo para ter uma visão visual de como um extensômetro funciona.

Vantagens e Desvantagens de um Extensômetro

Vantagens:

As seguintes são os benefícios de um extensômetro em suas várias aplicações:

• Como não há parte móvel, não há desgaste.
• Extensômetros são extremamente precisos.
• É compacto e de baixo custo.
• Tem ampla faixa de frequência.

Desvantagens:

Apesar das vantagens de um extensômetro, algumas limitações ainda ocorrem. Abaixo estão as desvantagens de extensômetros em suas várias aplicações.

• É um sistema não-linear.
• É extremamente sensível à temperatura.
• Deve ser calibrado regularmente.
• Extensômetros devem ser aplicados manualmente. Leva tempo e dinheiro para colocá-los em seus lugares adequados. É um de seus defeitos mais sérios.

Conclusão

Um transdutor passivo, como um extensômetro, transforma deslocamento mecânico em mudança de resistência. É um dispositivo fino, tipo wafer, que mede tensão aplicada e pode ser conectado a uma variedade de materiais com adesivo apropriado. A tensão resultante deforma o extensômetro anexado à estrutura conforme é estressado. Este artigo discutiu a definição, aplicação, requisitos, partes, diagrama, tipos, funcionamento, vantagens e desvantagens de um extensômetro.

Espero que você tenha aprendido muito com a leitura. Se sim, compartilhe com outros estudantes. Obrigado pela leitura, até a próxima!