trasduttori di deformazione definizione e tecnologie utilizzi comuni tipi and modelli taratura...

Trasduttori di deformazione

Definizione e tecnologie Utilizzi comuni Tipi and modelli Taratura Effetti della temperatura Fissaggio e precauzioni Connessioni a ponte

• esistono diversi tipi di deformazione, qui si considererà la deformazione del continuo

Deformazione e sforzo

L

L L

dL

0

L

L L

dL

0

• la deformazione media è espressa nel modo seguente:

0L

L

L’ordine delle deformazioni di solito è il seguente: 1 = 10-6 (m/m)

Principi di misura:

• Principali tipologie di trasduttore:

meccanici

ottici

pneumatici

acustici

magnetici

elettro-resistivi

ATTIVO PASSIVO

DEFLESSIONE AZZERAMENTO

RELATIVA ASSOLUTA

CON CONTATTO

SENZA CONTATTO

Utilizzi comuni• Gli estensimetri vengono utilizzati da soli per

prove sperimentali

diagnostica

monitoraggio

Solitamente sono molto utilizzati come trasduttore primario nella realizzazione di un ulteriore traduttore

Struttura elastica

Estensimetri

Forza

Pressione

Spostamento

Accelerazione

deformazione

A. La sensibilità statica dovrebbe essere stabile e non derivare nel tempo, a causa di effetti termici o ambientali;

B. Il trasduttore dovrebbe essere sensibile a deformazioni locali più che alla deformazione media (perciò i punti di misura devono essere vicini fra loro se si vogliono le deformazioni in un punto);

C. Le risposte in frequenza dovrebbero essere il più piatte possibili per misure dinamiche

D. Il trasduttore dovrebbe essere economico per garantire un ampio utilizzo

Proprietà desiderate

Estensimetri: principio resistivo

FF

Elemento sensibile

Ipotesi:• Estensimetro perfettamente

incollato alla superficie del misurando

• Estensimetro elettricamente isolato

• Stato di deformazione piana

A

LR

• R resistenza del sensore []• resistività del materiale [m]• L lunghezza del conduttore [m]• A sezione del conduttore [m2]

Valori comuni:• Resistenza nominale: R 120 , 350

tolleranza di produzione sulla resistenza nominale: ± 1%

• Lunghezza del supporto: 0.6 - 200 mm• Materiali: Costantana (lega Cu - Ni), Karma, leghe

di Ni - Cr, semi-conduttori....

base


Ba

se d

i mis

ura

asse longitudinale

assetrasversale

fili di connessioneterminali

supporto

grigliaSegni di riferimento


dir

ezio

ne

di

mis

ura

A

LR

La resistenza degli estensimetri varia a causa di due effetti:• variazioni delle dimensioni (L, A) dovute alla trazione;• variazioni della resistività () dovute a variazioni di volume

(effetto piezoresistivo).

2A

LdA

A

Ld

A

dLdR

A

dAd

L

dL

R

dR


CAMPO ELASTICO

)/(

)/(21

)/(

)/(

LdLLdL

RdRk

ELONGAZIONE PIEZORESISTIVITÁ

Valore tipico: k=2 (per leghe metalliche).

GAGE FACTORo SENSIBILITÁ


2

222

V

dVL

V

dL

V

LdLdR

L

dL

R

dR2

CAMPO PLASTICO

00 ddV

V

L2

A

LR

2)/(

)/(

LdL

RdRk

0,6/120 1,5/120 3/120 6/120 10/120Acciaio 3/350 6/350 10/350

0,6/120 1,5/120 3/120 6/120 10/120Alluminio 3/350 6/350 10/350

0,6/120 1,5/120 3/120 6/120Acciaio

Modelli:

Estensimetri inconfigurazione monoassiale

Modelli:

Estensimetri in configurazione biassiale

Modelli:

Estensimetri in configurazione triassiale

(rosette)

Modelli:

Estensimetri in configurazione speciale

Modelli:

Modelli:

Estensimetri allineati

Saldati, per lunga durata

Incapsulati per impieghi in ambiente ostile

Modelli:

Fin qui il modello utilizzato è il seguente:

Ciò vale nel caso in cui lo stato di sforzo sia monoassiale. Quando lo sto di sforzo è più complesso è necessario considerare la sensibilità in tutte le direzioni:

kR

R

atsttaa kkkR

R

ks è solitamente trascurabile

)( ttaa SkR

R a

tt k

kS

(stato di deformazione monoassiale)

Perciò, se si utilizza il rapporto ∆R/R per stimare la deformazione, la differenza fra la deformazione stimata e quella monoassiale è la seguente:

(*)

Sensibilità trasversale:

akR

R*

tta S *

St

Fattore di sensibilità trasversale:

a

tt

a

a S

*

a

tt

a

a S

*

Rimuovere eventuale vernice dal piano di incollaggio

Incollaggio degli estensimetri:

Pulire il piano di incollaggio

Incollaggio degli estensimetri :

Posizionare gli estensimetri

Incollaggio degli estensimetri

Applicare l’adesivo


Incollare l’estensimetro: ATTENZIONE A NON PIEGARLO!


Fare pressione sul punto di applicazione (utilizzare uno strato di colla il più sottile possibile)


Cablaggio


Fissare i cavi in modo che non si possano strappare


Applicare uno strato protettivo


• colle a presa rapida: (per misure di breve durata)• colle cianoacriliche:

• polimerizzano in breve tempo• temperatura ambiente

• colle a presa lenta: (per misure a lungo termine)• colle epossidiche:

• è richiesto un catalizzatore• le alte temperature accelerano la polimerizzazione

• colle fenoliche:• alta temperatura• alta pressione

Adesivi da utilizzare:

Analisi statistica sul 2-3% provenienti dallo stesso lotto

ε misurata tramite un trasduttore ottico

Incertezza sulla deformazione: 1 m/m

Incertezza sulla sensibilità: 0.1-0.2 %

K =R / R

F FMf

estensimetri

47

Taratura degli estensimetri:

La temperatura influisce sia sulla sensibilità, sia sul misurando, ossia ha sia un effetto interferente che modificante:

ρ = f(T) (la resistività varia in funzione della temperatura)

La lunghezza della griglia dell’estensimetro varia in funzione della temperatura secondo la legge di dilatazione lineare: Le = eT

La lunghezza della base dell’estensimetro varia in funzione della temperatura secondo la legge di dilatazione lineare: Lp = pT

Effetto della temperatura:

Variazione della resistività:TRRTRRT R 000 )1()1(

TLL pp

TLL ep )(

Deformazione del misurando:

Deformazione dell’estensimetro:TLL ee

Deformazione rilevata:

Dalla definizione di sensibilità statica:

LL

RRk

/

/

TkRR epDEF )(0

perciò: TRTkRRRR epDEFRTOT 00 )(

La deformazione apparente risulta:

TkR

R

kL

Lepa

)(1


ESTENSIMETRI AUTOCOMPENSATI

A) Estensimetro realizzato nello stesso materiale del misurando, in questo modo si deve tener conto solo delle variazioni di resistività

B) La lega scelta per realizzare l’estensimetro ha un coefficiente di espansione termica tale da compensare sia la deformazione del misurando, sia la variazione di resistività

Tkepa

)(

5


Effetto della temperatura: DUMMY GAGE

ER1: deformazione reale ed apparente ER2: solo deformazione

measure

1 2

3 4

5

I5dummy

E

Effetto della temperatura: DUMMY GAGE

Trave di acciaio con E 210000 Mpa Sforzo applicato a=100 Mpa monoassiale

R=120 Gage factor: k=2

Variazione della resistenza:

R=0.114

La misura di R/R richiede un accorgimento

a

a E

m m4 762. / 10 m / m = 476 -4

RR

k 9 5. 10-4

1

Misurare la variazione di resistenza

VO

LT

AG

E R

EA

DIN

G

1 1 2 2

3 3 4 4

I I 5 5

E E

A A

B B

C C

D D

ERR

RVAB

21

1

ERR

RVAD

43

3

Ponte di Wheatstone: principio

ERRRR

RRRRV

4321

3241

Introducendo variazioni di resistenza ed assumendo piccole variazioni di forma e la stessa resistenza nominale si ottiene:

0

4321

4R

RRRR

E

V ii RRR 0

ii RR

Segnali di rami opposti si sommano fra loro

R1+R1

R4+R4

V

R2

R3

E

21


0

41

4R

RR

E

V

042R

R

E

V

Se il segnale è lo stesso si ha:

R1+R1

R4

V

R2

R3+R3

E

22

Segnali su rami adiacenti si sottraggono

Wheatstone bridge: principle

0

31

4R

RR

E

V

0E

V

Se i segnali sono gli stessi si ha:

R1, R2, R3, R4 hanno la

stessa resistenza nominale Come primo passo si

introduce una resistenza variabile di bilanciamento, che viene alterata fino a che a deformazione nulla non corrisponde uscita nulla

Ciò permette una compensazione dell’offset e avvicina il ponte reale alla condizione ideale del modello

Rbal

I5

1 2

3 4

E


QUARTO di PONTE

1 2

3 4

E

V

Ponte di Wheatstone: configurazione

MEZZO PONTE

1 2

3 4

E

V


PONTE INTERO

1 2

3 4

E

V


La resistenza dei cavi con cui è connessa la R4 non è compensata dal dummy (RL)

1 2

34

dummy

RL

RL

E

Ponte di Wheatstone: connessione a 2 fili

12

34

Connessione a 3 fili e schermatura

dummy

E


1 2

3 4

V+

V-

S+

S-

Deve essere utilizzata con cavi di connessione corti


1 2

3 4

V+

V-

S+

S-

SENS+

SENS-

V

I 0

I 0


Adatto per cavi di connessione lunghi

o: TELEMETRIA

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