UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CAMPUS CORNÉLIO PROCÓPIO

CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL MECÂNICA

FRANCIELLE BANQUES DAS NEVES LAERTES MORO CONQUE JUNIOR

MARCUS VINICIUS FERNANDES DE OLIVEIRA

MANUTENÇÃO MECÂNICA INDUSTRIAL STRAIN GAGE

CORNÉLIO PROCÓPIO 2012

EXTENSOMETRIA

Trata-se de uma técnica utilizada para analisar experimentalmente as tensões e

deformações em estruturas mecânicas e de alvenaria. Essas são apresentadas nas

estruturas devido aos carregamentos e efeito da temperatura. Como já foi citado,

conhecer a extensão destas e monitorá-las constantemente é muito importante.

Os chamados extensômetros elétricos são dispositivos para medir deformações cujo

principio é transformar pequenas variações nas dimensões em variações

equivalentes em resistência elétrica. Tal princípio será aprofundado posteriormente.

A medida de deformação é realizada colando um extensômetro na estrutura de

interesse, de forma que maior vantagem desta técnica é não modificar ou prejudica-

la durante o estudo.

As características das medidas com extensômetros são resumidas abaixo:

Alta precisão de medição;

Pequeno tamanho e pouco peso;

Excelentes respostas aos fenômenos dinâmicos;

Fácil utilização desde que conhecida a boa técnica;

Excelente linearidade;

Medições possíveis dentro de uma ampla faixa de temperatura;

Aplicáveis submersos em água ou em atmosfera de gás corrosivo desde que

utilizado tratamento apropriado;

Usados como elementos transdutores para medidas de várias quantidades

físicas (força, pressão, torque, aceleração, deslocamento);

Possibilita a medida de locais remotos;

A saída (sinal analógico, ou após transformação em sinal digital) pode ser

aplicada à engenharia de controle.

Esses extensômetros elétricos dividem-se em três grupos:

Extensômetros elétricos de indução: baseados na variação da impedância do

circuito de um solenóide quando submetido a uma deformação;

Extensômetros de semicondutores: que se baseiam na propriedade que

exibem certos materiais não metálicos de variarem a resistência sob a ação

de deformações.

Extensômetros elétricos de resistência, o strain gage: que se baseiam na

variação da resistência elétrica de um condutor (circuito) quando submetido a

uma deformação.

SENSOR ELÉTRICO DE RESISTÊNCIA – O STRAIN GAGE

O strain gage possui grande utilidade no ramo da Engenharia. Trata-se de um

sensor elétrico cujo principio de funcionamento é baseado na variação da resistência

quando submetido a uma deformação.

Consta essencialmente de uma grade metálica sensível, ligada a uma base que se

cola à peça ou estrutura que se deseja monitorar. O fio sensível tem, na maioria dos

extensômetros, um diâmetro aproximado de 0,01mm e é constituído por ligas

metálicas especiais. A grade fica embebida entre duas folhas de papel ou dentro de

uma fina película de plástico. Nas extremidades do fio sensível estão soldados dois

outros de maior diâmetro que constituem o elemento de ligação do extensômetro ao

circuito de medição.

Existem dois tipos básicos de strain gages:

Wire gage: extensômetro de fio;

Foil gage: extensômetro de película.

Figura 1 – Strain Gages

PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO – PONTE DE WHEATSTONE

As primeiras aplicações da extensometria ocorreram por volta de 1856 quando

Thomsom (Lord Kelvin) realizou experimentos com ferro e cobre e concluiu que a

resistência elétrica de ambos mudava quando estes sofriam deformações. Para tal

procedimento, ele utilizou a chamada "Ponte de Wheatstone" e um galvanômetro

(indicador).

Porém foi só a partir do século passado que o strain gage passou a ser considerado

o único sistema de medição de deformação que contempla todas as propriedades

requeridas para o desempenho ótimo, capaz de fornecer medidas com precisão de

10-6 mm/mm.

Como sabemos, um extensômetro elétrico transforma uma deformação, numa

variação proporcional da sua resistência elétrica, de forma que a relação entre a

deformação aplicada ( 0LL ) e tal variação de resistência é dada por:

kR

R 0

Onde R0 é a resistência inicial do extensômetro, R é a variação dessa resistência

devido à deformação e k é o chamado fator do extensômetro, um valor

característico de cada tipo e calculado experimentalmente.

A ponte de Wheatstone está representada na Figura 2:

Figura 2: Ponte de Wheatstone

O circuito da ponte contém quatro resistências, 1R a 4R . Se os nós 2 e 3 forem

ligados a uma fonte de potência com voltagem conhecida EV , aparecerá uma outra

diferença de potencial AV , entre os nós 1 e 4 . O valor de AV depende dos

quocientes entre resistências 21 RR e 43 RR . Tem-se então a seguinte equação:

))(()()()( 43214231434211 RRRRRRRRRRRRRRVV EA

A ponte de Wheatstone está em equilíbrio quando:

0EA VV

Assim é necessário que se verifique:

4321 RRRR ou 3421 RRRR

Partindo então do princípio que uma dada ponte de Wheatstone está equilibrada,

qualquer variação de resistência em uma ou mais resistências da ponte, provocará

uma diferença de potencial AV diferente de zero.

Sabe-se também que a resistência elétrica está relacionada com o comprimento e

área transversal de um dado material da seguinte forma:

ALR

A partir daí é fácil concluir que quando uma barra metálica sofre uma variação do

seu comprimento, por tração ou compressão, também acarreta uma variação do seu

volume, resultando a diminuição (no caso da tração) ou um aumento (no caso da

compressão) da área da seção transversal desta barra, e consequentemente

variando sua resistência.

A ponte de Wheatstone converte essa variação de resistência em uma tensão na

saída, da ordem de mV ou V; esses dados de variação podem ser coletados por

diferentes voltímetros e até mesmo ser processado num microcomputador para um

melhor monitoramento do objeto analisado.

São três as maneiras de utilizar as pontes de Wheatstone associadas à strain gages,

de forma que os extensômetros ocupem o lugar de uma das resistências da ponte. A

Figura 3 as ilustra:

Figura 3 – Associações possíveis da ponte de Wheatstone

Outro tipo de associação de extensômetros é a do tipo roseta, geralmente usada

para medir duas ou três componentes planas da deformação, pois um extensômetro

só pode medir efetivamente a deformação em uma direção. Assim, para determinar

as componentes independentes de uma deformação plana, outras medidas

linearmente independentes devem ser realizadas por dois ou três extensômetros,

com a forma de roseta (ver Figuras 8 e 9 do Anexo 1). Outras associações possíveis

são:

Extensômetro tipo diafragma: utilizado para medir deformações em duas

direções diferentes, associação constituída de quatro strain gages sobre uma

mesma base;

Extensômetro para medir tensão residual: composto de três strain gages

sobre uma base, devidamente posicionados para utilização do método de

medição de tensão residual;

Extensômetro para transdutores de carga (strain gage load cell): dois

extensômetros dispostos lado a lado sobre a mesma base, sendo assim

utilizados em células de carga (medição de tensão e compressão).

Condicionamento de sinail

VANTAGENS E CUIDADOS A SEREM TOMADOS

Para uma adequada medição da variação da resistência nas associações de strain

gages e ponte de Wheatstone é necessário considerar alguns fatores, como por

exemplo: os cabos elétricos utilizados para montagem do circuito e instalação do

extensômetro, terminais dos extensômetros, compensação da variação da

temperatura, etc.O bom desempenho do strain gage vai depender destes fatores.

Os adesivos normalmente utilizados na colagem de strain gages podem ser

nitrocelulose, cianacrilato, cerâmicos e fenólicos. Eles devem apresentar elevada

resistência mecânica, boa aderência, facilidade de aplicação e baixa sensibilidade

ao efeito da temperatura sobre o seu desempenho.

Considerando-se que a temperatura gera deformações em corpos sólidos e que

estas poderiam ser confundidas com a provocada pela ação da força a ser medida,

há necessidade de se "compensar" os efeitos de temperatura através da introdução

no circuito de Wheatstone de resistências especiais que variem com o calor de

forma inversa a dos extensômetros. Outra grande vantagem deste tipo de

extensômetro é ser capaz de substituir outros tipos quando de trata de locais de

difícil acesso, também é de fácil manuseio e análise e não compromete a estrutura

durante o processo de instalação.

CONCLUSÃO

Os strain gages possuem outras inúmeras aplicações que vão além de medir

deformações, de forma que grandeza física capaz de produzir uma variação de

resistência elétrica pode em princípio ser analisada através deste sensor:

deslocamento, força, torque, aceleração, temperatura, vazão, pressão, etc.

Por substituir outros tipos de sensores, principalmente quando se trata de locais

remotos (o strain gage pode ter apenas 1 mm de comprimento enquanto um relógio

micrométrico requer um espaço muito maior para ser instalado), ser simples e eficaz,

ele tem sido cada vez mais utilizado e muito atrativo no ponto de vista da construção

civil, atendendo adequadamente às suas necessidades.

Referências Bibliográficas OLIVEIRA ALMEIDA, Dr. P. A. de. Extensometria elétrica I,Escola Politécnica de São Paulo, São Paulo,[s.n.], 2004. Disponível em: < www.lem.ep.usp.br/pef5003/EE-1-0304.pdf>. Acesso em 14 de maio de 2012. Solo Grampeado: ensaios, mecanismos e monitoramento, Rio de Janeiro, [s.n.;s.d.]. Disponível em:<www2.dbd.puc-rio.br/pergamum/tesesabertas/0221071_07_cap_03.pdf>. Acesso em 14 de maio de 2012.

Anexos

Figura 4 – Extensômetro elétrico de resistência.

Figura 5 – Aplicação de Strain Gage.

Figura 6 – Strain Gage aplicado em um cubo metálico.

Figura 7 – UCAM – 60 – Indicador de deformação digital.

Figura 8 – Três extensômetros associados em uma roseta.

Figura 9 – Associação de dois extensômetros em uma roseta de duas direções.

Especificação de Strain Gage

Figura 8 – Decodificação de Strain Gage