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Artigo Extensometria (Strain Gauge

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Conceito de Strain Gauge

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Artigo Extensometria (Strain Gauge

  1. 1. FACULDADE MAX PLANCK - INDAIATUBA-SP 1 EXTENSÔMETRIA Douglas Ramos Barros, Vanderlei José dos Santos Junior, Murilo Vecchini Fernandes Faculdade Max Planck – Engenharia de Controle e Automação Resumo—Iremos apresentar nesse trabalhoo extensometro, equipamento para medir deformações e tensões através da variaçãode sua resistência elétrica. Equipamentode medida de força não destrutivocomampla aplicação,commaior uso na área de construção civil e desenvolvimentode peças, para verificação de esforços naestruturadesenvolvida. Abstract—Inthis paper we’ll present the straingauge, an equipment usedto analyse stress andtensionthrough electric resistance variation. A non-destructive equipment with wide application, withgreater use in civil construction area andparts development, for verificationof efforts in thedesignedstructure. Palavras-chave: extensômetria. Index terms: straingauge; thick-film; serigraphy. Palavras-chave: extensômetria. Keyw ords: strain gauge; thick-film; serigraphy. ——————————  —————————— 1 INTRODUÇÃO A EXTENSÔMETRIA Projetos e análises estruturais utilizam métodos de cálculo que avaliam a resistência do material comparada aos carregamentos aplicados.Estes carregamentos muitas vezes sãoestimados. Sendo assim, falhas por sobrecarga ou desgaste durante a vida podem ocorrer nas peças,devido a uma má avaliação das forças existentes e,por conseqüência,a errônea determinaçãode parâmetros de projeto. O competitivo mercado atual exige que os projetos reduzam seus custos primando pela qualidade.Assim, surgiu a necessidade de uma avaliação mais elaborada das reais condições de carregamento a que peça está submetida.As avaliações dos esforços baseiam-se nas descobertas de Robert Hooke (1678), que relacionam os esforços aplicados, através da tensão gerada no material σ, com a deformação resultante ε, pela Lei de Hooke (σ = E ⋅ ε), sendo E o módulo de Elasticidade. Diversos procedimentoseequipamentos foram criados com o intuit de medir as deformações.Os primeiros aparelhos eramessencialmente mecânicos, apresentando limitações e erros de medição. Com a evolução da eletroeletrônica,constatou-sequeos efeitos da variação da resistênciadeumcondutorelétrico causadapela aplicação de uma tensão mecânica (Charles Wheatstone – 1843) poderiam ser utilizados para esse fim.Depois Willian Thomson (1856) conseguiu medir esse efeito. Estudos e protótipos posteriores, realizados por Eduard E. Simons e Artur Claude Ruge, desenvolveu-se os primeiros extensômetros deresistência elétrica ou Strai Gages (sg). Desde então, esses extensômetros têm contribuído muito nos avanços dos estudos nos campos de metrologia, análise de tensões e projeto mecânico. 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA E OBJETIVOS 2.1 Fundamentação Teórica Na sua forma mais completa,o strain-gaugeou extensômetroelétricoé um resistorcompostodeuma finíssima camada dematerial condutor,depositadoentão sobre um compostoisolante.Esteéentãocoladosobrea estrutura em teste com auxíliodeadesivos comoepóxi ou cianoacrilatos.Pequenasvariações dedimensões da estrutura sãoentãotransmitidas mecanicamenteao strain-gauge,quetransforma essasvariações emvariações equivalentes desua resistênciaelétrica (poresta razão,os strain-gauges sãodefinidos comotransdutores).Osstrain- gauges sãousados paramedirvariações decarga, pressão,torque,deslocamento,tensão,compressão, aceleração,vibração. 2.2 Objetivos Explicar através deste artigo os seguintes tópicos: 1. Introdução a Extensômetria; 2. Fundamentação Teórica e Objetivos; 2.1Fundamentação Teórica; 2.2 Objetivos; 3. Diagrama de Funcionamento e Medição; 4. Estrutura dos Extensometros; 5. Circuito Ponte Wheatstone; 6. Tipos de Extensometros; 7. Aplicação; 8. Conclusão. 22/03/2017 © 2017 Os
  2. 2. 2 FACULDADE MAX PLANCK - INDAIATUBA-SP 3 Diagrama de Funcionamento e Medição As deformações que ocorrem na peça sãomedidas pelo extensômetro,porém as leituras não saem em forma de gráficos,tabelas ou relatórios.É necessáriaa utilização de um conjunto de aparelhos de transforma a deformação sentida pelo extensômetro em informações concretas.Alem disso, essas deformações medidas são normalmente pequenas, produzindo variações no sinal elétrico nas mesmas proporções, não podendo ser lidas diretamentepor um osciloscópio ou um multímetro. Esse processoda verificaçãodofenômenoda deformação até a informação dos dados legíveis é feito por um sistema de medição. Os sistemas de medição são ferramentas capazes de quantificar fenômenos da natureza. Existem sistemas para avaliação de temperatura, de esforços, escoamento de fluidos, composições químicas, entre outras. Na análise de tensões por extensômetria, o sistema de medição é formado basicamente de sensores de deformação, o extensômetro de resistência variável, que converte deformação mecânica em variação da resistência elétrica. Estes extensômetros são montados em um circuito elétrico, a ponte de Wheatstone, que é capaz de realizar a medição de variação de resistências elétricas em seus braços do circuito. A ponte de Wheatstone pode ser montada de diversas formas (¼ de ponte, ½ ponte, ponte completa e ½ ponte diagonal) dependendo do número de extensômetro utilizados. O circuito é alimentado por uma corrente elétrica, através de uma fonte de energia. A variação da resistência elétrica do extensômetro, devido à deformação ocorrida na peça, provoca um desequilíbrio na ponte. Ocorre uma variação de tensão de saída da ponte, devido ao re-equilíbrio da ponte, que passa por um amplificador de voltagem, e é lido em uma placa de aquisição de dados. As informações coletadas pela placa, normalmente são tensão elétrica, e possuem a unidade de mV. Esses dados pode ser processados e transformados em uma grandeza especificada pelo usuário, como micro deformação, tensão, força, dependendo do caso. Outros equipamentos podem ser acoplados no sistema com intuito de reduzir os erros e agilizar o processo de medição. O diagrama apresentado na figura 1 mostra um esquema básico de um sistema de medição de extensômetro metálicos de resistência variável. Figura 1 Um exemplo de como um par de extensometros pode ser ligado a uma amostra de teste de modo a produzir este efeito é ilustrado aqui: Sem força aplicada à amostra de teste, ambos os strain gauges têm a mesma resistência e o circuito de ponte esta equilibrado. No entanto, quando uma força para baixo é aplicada à extremidadelivreda amostra,ela dobrará para baixo, esticando o Strain Gauge # 1 e comprimindo o Strain Gauge # 2 ao mesmo tempo: Figura 2 Figura 3
  3. 3. FACULDADE MAX PLANCK - INDAIATUBA-SP 3 4 ESTRUTURA DOS EXTENSOMETROS Existemmuitos tipos de extensometros entreeles o mais comum é o extensometrouniversal quetem uma resina metálica (Elementode detecção)de 3 a 6μmde espessura que é colocada sobreuma basede um filme finode plástico(15 a 16μmdeespessura)formandoum sanduichecomumfilme laminado . 5 CIRCUITO PONTE WHEATSTONE A ponte de Wheatstone é um circuito elétrico adequadopara detecçãodemudanças de resistência por minuto. Isto é usado para medir as alterações de resistência emumstrain gage.A ponte é configurada pela combinação de quatro resistores. Sendo assim :R1 = R2 = R3 = R4 ou R1 x R3 = R2 x R4 Então, seja qual for a tensão aplicada à entrada o Saída, e, é zero. Esse status de ponte é chamado "Equilibrada".Quandoa ponteperdeoequilíbrio, Produz uma tensão correspondente à resistência mudança. Conforme ilustradona figura,umstrain gageé conectado no resistência R1. Quando o gage carrega E inicia uma alteração de resistência, ΔR, a ponte emite uma tensão correspondente, e.Abaixo a ponte de Wheatstone montada em ¼. Em aplicações onde tais pares complementares de extensómetros podem ser ligados à amostra de teste, pode ser vantajoso tornar todos os quatro elementos da ponte"ativos" para uma sensibilidadeainda maior. Isso é chamado de circuito de ponte total : Figura 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7
  4. 4. 4 FACULDADE MAX PLANCK - INDAIATUBA-SP 6 TIPOS DE EXTENSOMETROS Outros tipos de Extensometros : Mecânico; Eletrico; Piezoeletrico. Baseado na Montagem : Extensometro colado; Extensometro não colado. Extensometro Mecânico: Usado para determinar a deformação (variações de comprimento) em espécimes e estruturas de concreto, estratos de rocha, diferentes partes de uma estrutura, em áreas remotas e em condições adversas,usandoum único instrumento. O equipamento standard compreende: - Medidor de tensão (extensómetro) completo com indicador analógico ou digital graduações de 0,001 mm (ver modelos disponíveis) - Barra de calibração utilizada também para fixar o disco de referência na estrutura. - 50 discos de referência. Extensometro Piezoeletrico: O Extensor piezoelétrico gera uma tensão elétrica quando existe uma tensão mecânica aplicada sobre ele. A deformação pode ser calculada a partir da mesma. Os medidores de tensão piezoelétricos são os dispositivos mais sensíveis e confiáveis. Figura 9 7 APLICAÇÃO Figura 8 Figura 10 Figura 11
  5. 5. FACULDADE MAX PLANCK - INDAIATUBA-SP 5 8 CONCLUSÃO. A extensometria, como técnica de medição de deformações ocorridas em materiais, é essencial para monitoramento dinâmico de estruturas sujeitas a carregamentos e tem no extensômetro elétrico ou strain- gauge seu instrumento principal.Os strain-gauges têm aplicações tão variadas quanto monitoramento de deformações em pontes, vigas, medição de vibração em máquinas, medição de pressão, de força, em acelerômetros e torquímetros. Devido às vantagens e importância dos extensômetros elétricos, estes aparelhos são indispensáveis a qualquer equipe que se dedique ao estudoexperimental demedições. [1] BRAADFIELD, Terry. Strain Gauges [online]. Disponível na Internet via URL: http://arapaho.nsuok.edu/~bradfiel/advlab/strain/.Arquivo capturado em22/03/2017 [2] BARRETO Jr. Consultoria Técnica. Extensômetria [online]. Disponível na Internet via URL: http://www.barretojunior.hpg.com.br/euler/ext_05.htm. Arquivo capturado em 12/04/2001. Arquivo capturado em 22/03/2017. [3] MICRO ANÁLISE Indústria Comércio e Serviços Ltda. Metal Foil Strain-Gage Applications [online]. Disponível na Internet via URL: http://www.microanalise.com.br. Arquivo capturado em 22/03/2017. [4] TECHNI MEASURE. Strain Gauges [online]. Disponível na Internet via URL: http://www.techni-measure.co.uk/. Arquivo capturado em22/03/2017. [5] UNIVERSITY OF HARTFORD Biomedical Engineering Homepage. Electrical Resistance Strain Gauge [online]. Disponível na Internet via URL: http://uhavax.hartford.edu/~biomed/gateway/ElectricalResi stanceStrainGauge.html. Arquivocapturadoem22/03/2017. [6] WINDLIN, Fernando Luiz; SOUZA, João José de. Extensômetria. Material didático do Curso de Engenharia Mecânica da Universidade Santa Cecília – USC, disciplina Laboratório em Engenharia Mecânica II, na área de Resistência dos Materiais com foco na Extensômetria Elétrica. Santos, 1999. Disponível na Internet via URL: http://usc.stcecilia.br/~mecanica/labmec/joaojose.html. Arquivo capturado em 22/03/2017. Figura 12

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