Strain gauges são dispositivos que convertem a deformação elástica medida de um corpo sólido em um sinal elétrico. Isso ocorre devido a uma mudança na resistência do condutor do sensor quando suas dimensões geométricas mudam de tensão ou compressão.
Strain gauge: princípio de funcionamento
O elemento principal do dispositivo é um extensômetro montado em uma estrutura elástica. Os strain gages são calibrados por carregamento passo a passo com uma determinada força crescente e medindo a magnitude da resistência elétrica. Então, alterando-o, será possível determinar os valores da carga desconhecida aplicada e a deformação proporcional a ela.
Dependendo do tipo de sensores, você pode medir:
- força;
- pressão;
- mover;
- torque;
- aceleração.
Mesmo com o esquema de carregamento mais complexo da estrutura, a ação sobreo strain gage é reduzido a esticar ou comprimir sua treliça ao longo de uma longa seção chamada base.
Quais strain gages são usados
Os tipos mais comuns de strain gages com mudança na resistência ativa sob ação mecânica - strain gages.
Manômetros de fio
O exemplo mais simples é um pedaço reto de fio fino, que é fixado na peça em estudo. Sua resistência é: r=pL/s, onde p é a resistividade, L é o comprimento, s é a área da seção transversal.
Junto com a peça, o fio colado é deformado elasticamente. Ao mesmo tempo, suas dimensões geométricas mudam. Quando comprimido, a seção transversal do condutor aumenta e, quando esticado, diminui. Portanto, a mudança na resistência muda de sinal dependendo da direção da deformação. A característica é linear.
A baixa sensibilidade do extensômetro levou à necessidade de aumentar o comprimento do fio em uma pequena área de medição. Para fazer isso, é feito na forma de uma espiral (treliça) de arame, colada em ambos os lados com placas de isolamento de um filme de verniz ou papel. Para conectar ao circuito elétrico, o dispositivo está equipado com dois fios condutores de cobre. Eles são soldados ou soldados nas extremidades do fio enrolado e são fortes o suficiente para se conectar a um circuito elétrico. O extensômetro é fixado ao elemento elástico ou à peça em teste com cola.
Células de carga de fio têm as seguintes vantagens:
- design simples;
- dependência linear da deformação;
- tamanho pequeno;
- preço baixo.
As desvantagens incluem baixa sensibilidade, influência da temperatura ambiente, necessidade de proteção contra umidade, uso apenas na área de deformações elásticas.
O fio se deformará quando a força de adesão do adesivo exceder em muito a força necessária para esticá-lo. A proporção da superfície de ligação para a área da seção transversal deve ser de 160 a 200, o que corresponde ao seu diâmetro de 0,02-0,025 mm. Pode ser aumentado até 0,05 mm. Então, durante a operação normal do extensômetro, a camada adesiva não será destruída. Além disso, o sensor funciona bem em compressão, pois os fios são integrados ao filme adesivo e à peça.
Células de carga de folha
Os parâmetros e o princípio de funcionamento da célula de carga de folha são os mesmos das células de arame. O único material é a folha de nicromo, constantan ou titânio-alumínio. A tecnologia de fabricação de fotolitografia permite obter uma configuração complexa de treliça e automatizar o processo.
Comparados aos strain gages de fio, os strain gages de folha são mais sensíveis, transportam mais corrente, transmitem melhor a tensão, têm fios mais fortes e têm um padrão mais complexo.
Células de carga de semicondutores
A sensibilidade dos sensores é aproximadamente 100 vezes maior do que os de fio, o que permite que sejam usados frequentemente sem amplificadores. As desvantagens são fragilidade, alta dependência da temperatura ambiente eparâmetro spread.
Especificações do medidor de tensão
- Base - o comprimento do condutor da rede (0,2-150 mm).
- Resistência nominal R - valor da resistência ativa (10-1000 Ohm).
- Corrente de alimentação de trabalho Ip - corrente na qual o strain gage não aquece visivelmente. Quando superaquecido, as propriedades dos materiais do elemento sensor, da base e da camada adesiva mudam, distorcendo as leituras.
- Fator de deformação: s=(∆R/R)/(∆L/L), onde R e L são a resistência elétrica e o comprimento do sensor descarregado, respectivamente; ∆R e ∆L - mudança na resistência e deformação da força externa. Para materiais diferentes, pode ser positivo (R aumenta com a tensão) e negativo (R aumenta com a compressão). O valor de s para diferentes metais varia de -12,6 a +6.
Esquemas para ligar strain gages
Para medir pequenos sinais elétricos, a melhor opção é uma conexão em ponte, no centro da qual está um voltímetro. O exemplo mais simples seria um extensômetro, cujo circuito é montado de acordo com o princípio de uma ponte elétrica, em um dos braços ao qual está conectado. Sua resistência descarregada será a mesma que o resto dos resistores. Neste caso, o dispositivo mostrará tensão zero.
O princípio de funcionamento de um extensômetro é aumentar ou diminuir o valor de sua resistência, dependendo se as forças são de compressão ou tração.
A temperatura do strain gage tem um efeito significativo na precisão das leituras. Se uma resistência de deformação semelhante for incluída no outro braço da ponte, que não será carregado, ele desempenhará a função de compensar os efeitos térmicos.
O circuito de medição também deve levar em consideração os valores da resistência elétrica dos fios conectados ao resistor. Sua influência é reduzida adicionando outro fio conectado a um dos pinos do medidor de tensão e do voltímetro.
Se ambos os sensores forem colados no elemento elástico de tal forma que suas cargas diferem em sinal, o sinal será amplificado em 2 vezes. Se houver quatro sensores no circuito com cargas indicadas por setas no diagrama acima, a sensibilidade aumentará significativamente. Com esta conexão de extensômetros de fio ou folha, um microamperímetro convencional fornecerá leituras sem um amplificador de sinal elétrico. É importante selecionar com precisão os valores de resistência usando um multímetro para que sejam iguais entre si em cada braço da ponte elétrica.
Aplicação de strain gages na engenharia
- Parte do projeto da balança: ao pesar, o corpo do sensor é deformado elasticamente, e com ele os strain gages colados a ele, conectados em um circuito. O sinal elétrico é transmitido ao medidor.
- Monitoramento do estado de tensão-deformação de estruturas de edifícios e estruturas de engenharia no processo de construção e operação.
- Strain gauges para medir forças de deformação durante a usinagempressão de metal em laminadores e prensas de estampagem.
- Sensores de alta temperatura para siderurgia e outras indústrias.
- Sensores de medição com elemento elástico de aço inoxidável para operação em ambientes quimicamente agressivos.
Os strain gages padrão são feitos na forma de arruelas, colunas, vigas simples ou dupla face, em forma de S. Para todas as estruturas, é importante que a força seja aplicada em uma direção: de cima para baixo ou vice-versa. Sob condições severas de operação, projetos especiais permitem eliminar a ação de forças parasitas. Seus preços dependem muito disso.
Para strain gages, o preço varia de centenas de rublos a centenas de milhares. Muito depende do fabricante, design, materiais, tecnologia de fabricação, valores dos parâmetros medidos, equipamentos eletrônicos adicionais. Em sua maioria, são componentes de diferentes tipos de escalas.
Conclusão
O princípio de funcionamento de todos os strain gages se baseia na transformação da deformação do elemento elástico em sinal elétrico. Para diferentes propósitos, existem diferentes designs de sensores. Ao escolher strain gages, é importante determinar se os circuitos têm compensação para leituras de temperatura distorcidas e influências mecânicas parasitas.
