O medidor de tensão é uma das ferramentas mais úteis para medir com precisão a expansão ou contração de um material à medida que as forças são aplicadas. Os strain gages também são úteis para medir forças aplicadas indiretamente se estiverem alinhados aproximadamente linearmente com a deformação do material.
O que são Strain Gauges
Strain gages são sensores cuja resistência elétrica varia proporcionalmente à quantidade de deformação (deformação de um material).
Um strain gage ideal mudaria sua resistência em proporção à deformação longitudinal na superfície à qual o sensor está conectado.
No entanto, existem outros fatores que podem afetar a resistência, como temperatura, propriedades do material e o adesivo que une o medidor ao material.
Um medidor de tensão consiste em uma grade paralela de fio metálico muito fino ou folha colada à superfície tensionada por uma fina camada isolada de epóxi. Quando o material colado é deformado, a deformação é transmitida através do adesivo. A forma da grade é projetada em um padrão que fornece mudança máxima de resistência por unidade de área.
Como selecionar o strain gage
Ao selecionar um strain gage para uma aplicação, as três principais considerações são a temperatura de operação, a natureza da deformação a ser detectada e os requisitos de estabilidade.
Como um extensômetro é montado em uma superfície tensionada, é importante que o extensômetro seja tensionado igualmente com a superfície. O material adesivo deve ser selecionado cuidadosamente para transmitir a tensão ao sensor de forma confiável em uma ampla faixa de temperatura e outras condições.
O valor de resistência de um strain gage varia em função da deformação aplicada de acordo com: mudança em R/R = S onde R é a resistência, e é a deformação e S é o fator de sensibilidade à deformação. Para medidores de folha metálica, o fator de sensibilidade à deformação é de cerca de 2.
Os incrementos de deformação são geralmente inferiores a 0,005 polegada/polegada e são frequentemente expressos em unidades de microdeformação. A partir da fórmula, vê-se que a resistência do strain gage mudará em quantidades muito pequenas com a deformação dada, na ordem de 0,1%.
Uma leitura de tensão pode então ser feita deste resistor em termos de milivolts por volt (mV/V) para fornecer o valor de medição para tensão.
A razão de Poisson é uma medida do afinamento e alongamento que ocorre no material à medida que ele é deformado. Se uma força de tração for aplicada a um fio resistivo, por exemplo, o fio se tornará um pouco mais longo e, ao mesmo tempo, mais fino. Essa razão dessas duas linhagens é a razão de Poisson.
Este é o princípio básico por trás das medições do strain gage, pois a resistência do fio aumentaria proporcionalmente devido ao efeito de Poisson.
Como medir a saída do strain gage com precisão
Para medir com precisão uma pequena mudança na resistência, os strain gages são quase sempre encontrados em uma configuração de ponte com uma fonte de excitação de tensão.
A ponte de Wheatstone é comumente usada como mostrado no diagrama. A ponte está balanceada quando as relações dos resistores são iguais em ambos os lados, ou R1/R2 = R4/R3. Evidentemente, a tensão de saída é zero nesta condição.
À medida que a resistência do medidor de tensão (Rg) muda, a tensão de saída (Vout) muda em alguns miliVolts, e essa tensão é então amplificada por um amplificador diferencial para retornar um valor legível.
Este circuito de Wheatstone também é adequado para compensação de temperatura – pode quase eliminar os efeitos da temperatura. Às vezes, o material do medidor é projetado para compensar a expansão térmica, mas isso não remove totalmente a sensibilidade térmica.
Para obter uma melhor compensação térmica, um resistor como o R3 pode ser substituído por um medidor de tensão semelhante. Isso tenderia a anular os efeitos da temperatura.
Na verdade, todos os quatro resistores podem ser substituídos por sensores de medidor de tensão para máxima estabilidade de temperatura. Dois deles (R1 e R3) podem ser configurados para medir compressão, enquanto os outros dois (R2 e R4) são configurados para medir tensão.
Isso não apenas compensará a temperatura, mas também aumentará a sensibilidade por um fator de quatro. Os extensômetros com elementos de resistência elétrica são de longe o tipo mais comum de sensor para medição de deformação, pois possuem as vantagens de menor custo, bem como como bem estabelecido.
Eles estão disponíveis em tamanhos pequenos e são apenas moderadamente afetados por mudanças de temperatura, alcançando simultaneamente um erro inferior a +/-0,10%. Os strain gages de resistência colada também são altamente sensíveis e podem ser usados para medir tanto a tensão estática quanto a dinâmica.
No entanto, existem outros tipos disponíveis para determinadas aplicações, como piezo-resistivo, resistivo ao carbono, semicondutor, acústico, óptico e indutivo.
Existem até sensores de strain gages baseados em um circuito de capacitores.
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