artigo extensometria (strain gauge

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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 trabalho o extensometro, equipamento para medir deformações e tensões através da variação de sua resistência elétrica. Equipamento de medida de força não destrutivo com ampla aplicação, com maior uso na área de construção civil e desenvolvimento de peças, para verificação de esforços na estrutura desenvolvida. Abstract—In this paper we’ll present the strain gauge, an equipment used to analyse stress and tension through electric resistance variation. A non-destructive equipment with wide application, with greater use in civil construction area and parts development, for verification of efforts in the designed structure. Palavras-chave: extensômetria. Index terms: strain gauge; thick-film; serigraphy. Palavras-chave: extensômetria. Keywords: strain gauge; thick-film; serigraphy. —————————— —————————— 1 INTRODUÇÃO A EXTENSÔMETRIA Os Projetos e análises estruturais utilizam métodos de cálculo que avaliam a resistência do material comparada aos carregamentos aplicados.Estes carregamentos muitas vezes são estimados. 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 determinação de 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 procedimentos e equipamentos foram criados com o intuit de medir as deformações.Os primeiros aparelhos eram essencialmente mecânicos, apresentando limitações e erros de medição. Com a evolução da eletroeletrônica,constatou-se que os efeitos da variação da resistência de um condutor elétrico causada pela 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 de resistência 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. 22/03/2017 © 2017

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Page 1: Artigo Extensometria (Strain Gauge

FACULDADE MAX PLANCK - INDAIATUBA-SP 1

EXTENSÔMETRIADouglas Ramos Barros, Vanderlei José dos Santos Junior, Murilo Vecchini Fernandes

Faculdade Max Planck – Engenharia de Controle e Automação

Resumo—Iremos apresentar nesse trabalho o extensometro, equipamento para medir deformações e tensões através da variação de sua resistência elétrica. Equipamento de medida de força não destrutivo com ampla aplicação, com maior uso na área de construção civil e desenvolvimento de peças, para verificação de esforços na estrutura desenvolvida.

Abstract—In this paper we’ll present the strain gauge, an equipment used to analyse stress and tension through electric resistance variation. A non-destructive equipment with wide application, with greater use in civil construction area and parts development, for verification of efforts in the designed structure.

Palavras-chave: extensômetria.

Index terms: strain gauge; thick-film; serigraphy.

Palavras-chave: extensômetria.Keywords: strain gauge; thick-film; serigraphy.

—————————— ——————————

1 INTRODUÇÃO A EXTENSÔMETRIAOs

Projetos e análises estruturais utilizam métodos de cálculo que avaliam a resistência do material comparada aos carregamentos aplicados.Estes carregamentos muitas vezes são estimados. 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 determinação de parâmetros de projeto.

O competitivo mercado atual exige que os pro-jetos reduzam seus custos primando pela quali-dade.Assim, surgiu a necessidade de uma avali-ação mais elaborada das reais condições de car-regamento a que peça está submetida.As avali-ações 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 procedimentos e equipamentos foram criados com o intuit de medir as deformações.Os primeiros aparelhos eram essencialmente mecâni-cos, apresentando limitações e erros de medição. Com a evolução da eletroeletrônica,constatou-se que os efeitos da variação da resistência de um condutor elétrico causada pela 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, desen-volveu-se os primeiros extensômetros de resistên-cia elétrica ou Strai

Gages (sg). Desde então, esses extensômetros têm contribuído muito nos avanços dos estudos nos campos de metrologia, análise de tensões e pro-jeto mecânico.

22/03/2017 © 2017

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2 IEEE TRANSACTIONS ON XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX, VOL. #, NO. #, MMMMMMMM 1996

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA E OBJETIVOS2.1 Fundamentação Teórica

Na sua forma mais completa, o strain-gauge ou extensômetro elétrico é um resistor composto de uma finíssima camada de material condutor, depositado então sobre um composto isolante. Este é então colado sobre a estrutura em teste com auxílio de adesivos como epóxi ou cianoacrilatos. Pequenas variações de dimensões da estrutura são então transmitidas mecanicamente ao strain-gauge, que transforma essas variações em variações equivalentes de sua resistência elétrica (por esta razão, os strain-gauges são definidos como transdutores).Os strain-gauges são usados para medir variações de carga, pressão, torque, deslocamento, tensão, compressão, aceleração, vibração.

2.2 Objetivos

Explicar através deste artigo os seguintes tópi-cos:

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.

3 Diagrama de Funcionamento e MediçãoAs deformações que ocorrem na peça são medi-

das pelo extensômetro,porém as leituras não saem em forma de gráficos, tabelas ou relatórios. É necessária a utilização de um conjunto de apar-elhos de transforma a deformação sentida pelo extensômetro em informações concretas.Alem disso, essas deformações medidas são normal-

mente pequenas, produzindo variações no sinal elétrico nas mesmas proporções, não podendo ser lidas diretamente por um osciloscópio ou um multímetro. Esse processo da verificação do fenô-meno da deformação até a informação dos dados legíveis é feito por um sistema de medição.

Os sistemas de medição são ferramentas ca-pazes de quantificar fenômenos da natureza. Existem sistemas para avaliação de temper-atura, de esforços, escoamento de fluidos, com-posições químicas, entre outras.

Na análise de ten-sões por exten-sôme-tria, o sistema de medição é for-mado basica-mente de sensores de deformação, o exten-sômetro de resistência variável, que converte deformação mecânica em variação da resistên-cia elétrica. Estes extensômetros são montados em um circuito elétrico, a ponte de Wheat-stone, 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) de-pen-dendo do número de ex-ten-sômetro utiliza-dos. O circuito é ali-mentado por uma corrente elétrica, através de uma fonte de ener-gia. A variação da resistência elétrica do exten-sômetro, 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 infor-

Figura 2

Figura 3

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AUTHOR: TITLE 3

mações coletadas pela placa, normalmente são tensão elétrica, e possuem a unidade de mV. Esses dados pode ser processados e transfor-mados 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 exten-sômetro metálicos de resistência variável.

Figura 1

Um exemplo de como um par de exten-sometros 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 cir-cuito de ponte esta equilibrado. No entanto, quando uma força para baixo é aplicada à extrem-idade livre da amostra, ela dobrará para baixo, esticando o Strain Gauge # 1 e comprimindo o Strain Gauge # 2 ao mesmo tempo:

4 ESTRUTURA DOS EXTENSOMETROS

Existem muitos tipos de extensometros entre eles o mais comum é o extensometro universal que tem uma resina metálica (Elemento de detecção) de 3 a 6μm de espessura que é colocada sobre uma base de um filme fino de plástico (15 a 16μm de espessura) formando um sanduiche com um filme laminado .

5 CIRCUITO PONTE WHEATSTONE

A ponte de Wheatstone é um circuito elétrico adequado para detecção de mudanças de re-sistência por minuto. Isto é usado para medir as alterações de resistência em um strain gage. A ponte é configurada pela combinação de quatro resistores.

Sendo assim :R1 = R2 = R3 = R4 ou R1 x R3 = R2

Figura 4

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4 IEEE TRANSACTIONS ON XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX, VOL. #, NO. #, MMMMMMMM 1996

x R4

Então, seja qual for a tensão aplicada à entrada o Saída, e, é zero. Esse status de ponte é chamado "Equilibrada". Quando a ponte perde o equilíbrio, Produz uma tensão correspondente à resistência mudança. Conforme ilustrado na figura, um strain gage é conectado no resistência R1. Quando o gage carrega E inicia uma alteração de resistên-cia, ΔR, a ponte emite uma tensão correspon-dente, 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 sensibili-dade ainda maior. Isso é chamado de circuito de ponte total :

Figura 5

Figura 6

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AUTHOR: TITLE 5

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 (vari-

ações de comprimento) em espécimes e estru-turas de concreto, estratos de rocha, diferentes partes de uma estrutura, em áreas remotas e em condições adversas, usando um único instru-mento.

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.

Ex-ten-

sometro Piezoeletrico:

O Extensor piezoelétrico gera uma tensão elétrica quando existe uma tensão mecânica aplicada sobre ele. A deformação pode ser calcu-lada a partir da mesma. Os medidores de tensão piezoelétricos são os dispositivos mais sensíveis e confiáveis.

Figura 7

Figura 8

Figura 11

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6 IEEE TRANSACTIONS ON XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX, VOL. #, NO. #, MMMMMMMM 1996

Figura 9

7 APLICAÇÃO

8 CONCLUSÃO.A extensometria, como técnica de medição de

deformações ocorridas em materiais, é essencial para monitoramento dinâmico de estruturas su-jeitas a carregamentos e tem no extensômetro elétrico ou strain-gauge seu instrumento princi-pal.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 estudo experimental de medições.

[1] BRAADFIELD, Terry. Strain Gauges [online]. Disponível na Internet via URL: http://arapaho.nsuok.edu/~bradfiel/advlab/strain/ . Arquivo capturado em 22/03/2017

Figura 10

Figura 12

Page 7: Artigo Extensometria (Strain Gauge

AUTHOR: TITLE 7

[2] BARRETO Jr. Consultoria Técnica. Extensômetria [on-line]. Disponível na Internet via URL: http://www.bar-retojunior.hpg.com.br/euler/ext_05.htm. Arquivo cap-turado 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.mi-croanalise.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 em 22/03/2017.

[5] UNIVERSITY OF HARTFORD Biomedical Engineering Homepage. Electrical Resistance Strain Gauge [on-line]. Disponível na Internet via URL: http://uhavax.hartford.edu/~biomed/gateway/ElectricalResis-tanceStrainGauge.html. Arquivo capturado em 22/03/2017.

[6] WINDLIN, Fernando Luiz; SOUZA, João José de. Exten-sômetria. Material didático do Curso de Engenharia Mecânica da Universidade Santa Cecília – USC, disci-plina Laboratório em Engenharia Mecânica II, na área de Resistência dos Materiais com foco na Extensôme-tria Elétrica. Santos, 1999. Disponível na Internet via URL: http://usc.stcecilia.br/~mecanica/labmec/joao-jose.html. Arquivo capturado em 22/03/2017.