Guida completa ai Sensori Strain Gauge

Introduzione

I sensori di deformazione sono ampiamente utilizzati in molte applicazioni di misura, da statica a dinamica. Ad esempio, vengono comunemente utilizzati all'interno delle celle di carico per effettuare misure di peso e in alcuni tipi di sensori accelerometrici. Sono utilizzati per misure di deflessione, vibrazione, carico, coppia, pressione, stress e strain. In sintesi, questi vengono utilizzati per misurare delle forze.

Lo strain gauge viene talvolta chiamato estensimetro a resistenza elettrica o semplicemente estensimetro a resistenza. Il Gauge può anche essere scritto gage: questa è semplicemente una questione di convenzione e non fa alcuna differenza.

Ma sono anche utilizzati in applicazioni di misure ad alta dinamica, in cui le loro uscite sono ampiamente fluttuanti a causa della deformazione di un oggetto meccanico in prova.

Immagina i pannelli della carrozzeria di un'automobile che viene guidata velocemente su una pavimentazione selciata. O un albero di trasmissione che gira a migliaia di giri/min ed è soggetto a compressione e torsione quando il carico sull'albero cambia dinamicamente. Esistono innumerevoli applicazioni per gli estensimetri.

Suggerimento di apprendimento: Guarda il webinar Dewesoft sulla misurazione degli estensimetri con Dave Gallop, Business Development Manager in Dewesoft USA.

I sensori di deformazione e pressione sono ampiamente utilizzati in molte applicazioni di misura, da quelle statiche a quelle dinamiche. Durante il webinar, avrai la possibilità di imparare tutto sugli estensimetri: storia, evoluzione, fondamenti e applicazioni.

I Sensori Strain Gauge

La proprietà chiamata "deformazione" è considerata come il rapporto della variazione di lunghezza rispetto alla lunghezza originale non sollecitata di un oggetto.

I sensori estensimetrici (noti anche come "trasduttori estensimetrici") possono misurare questa variazione di lunghezza causata da una forza esterna e convertirla in un segnale elettrico, che può quindi essere digitalizzato, visualizzato, acquisito e analizzato. Questo funziona perché un sensore strain gauge subisce una variazione di resistenza proporzionale all'allungamento o compressione.

Uno strain gauge (detto anche "estensimetro") misura la deformazione mediante un cambiamento di resistenza. In un estensimetro a sensore singolo, un modello di lamina metallica è montato su un substrato flessibile, che serve anche a isolare il metallo dall'oggetto in prova. Una corrente viene fatta scorrere attraverso il pattern della lamina. Quando l'oggetto in prova viene sollecitato (cioè piegato o attorcigliato) sull'asse parallelo al modello di lamina, si verifica una variazione di resistenza proporzionale alla quantità di deflessione.

Ponte di Wheatstone

Quando un conduttore viene allungato, la sua resistenza aumenta. Quando viene compresso, la sua resistenza diminuisce. Queste variazioni di resistenza possono essere misurate utilizzando un ponte di Wheatstone. 

Nello schema seguente viene mostrato un circuito a ponte di Wheatstone che misura una resistenza elettrica sconosciuta (Rx) bilanciando due terminali di un circuito a ponte, uno dei quali ha un valore sconosciuto. Poiché gli altri tre resistori hanno valori noti e uno di essi è anche regolabile, dal circuito si può dedurre qual è la resistenza di Rx in qualsiasi momento.

Quando una delle quattro resistenze viene utilizzata per effettuare una misura a singolo asse, tale collegamento viene chiamato a quarto di ponte. Il condizionamento di segnale deve fornire il valore dei tre sensori mancanti e bilanciare il circuito, calcolando il valore di resistenza del sensore in tempo reale e convertendo tale resistenza in un'utile misura di deformazione (quando attraverso V non passa nessuna corrente, il circuito è bilanciato).

L'uso di due sensori è, quindi, un mezzo ponte e la misura con tutti e quattro i sensori è una configurazione a ponte intero. Nel diagramma a ponte intero raffigurata sopra, la tensione di uscita del sensore viene misurata ai terminali C e B, mentre la tensione di eccitazione viene fornita ai terminali A e D.

Tipologie di Sensori Strain Gauges

Esistono estensimetri con più di un sensore, che possono misurare la deformazione in più di una direzione alla volta. Questi sono generalmente indicati come rosette estensimetriche e sono disponibili in diverse geometrie per diverse applicazioni.

Le rosette estensimetriche più comuni sono la rosetta biassiale, in cui due sensori sono montati a 0 ° e 90 ° (perpendicolari tra loro) e la rosetta triassiale, in cui tre strain gauges sono disposti secondo uno schema specifico, come ad esempio 0 ° - 60 ° - 120 ° o 0 ° - 45 ° - 90 °.

Il Professor  Jeff Hanson, Ph.D. ingegnere meccanico della Tech University in Texas spiega le Rosette Estensimetriche in questo video:

Completamento del Ponte

Si definisce completamento del ponte, quando il condizionatore di segnale fornisce le resistenze mancanti necessarie per completare il circuito Ponte di Wheatstone. Ad esempio, i condizionatori di segnale della serie STG di Dewesoft forniscono questo completamento e consentono persino di selezionare i resistori di completamento tra 120Ω e 350Ω.

Il controllo di questo completamento viene eseguito completamente tramite il software di aquisizione dati Dewesoft X: non è necessario effettuare alcuna commutazione o impostazione fisica. In questo caso, il condizionatore di segnale ha effettivamente i resistori "mancanti" nell'hardware e li commuta nella posizione corretta sul circuito in base alla configurazione nel software.

Cos'è il Gauge Factor?

Quando si acquista un sensore strain gauge, il datasheet mostra in genere il fattore GF o il gauge factor (o il fattore di trasduzione). Questo è un numero attorno a 2. È importante saperlo quando si configura il sensore nel software. Questo fattore si riferisce alla variazione di resistenza causata dalla deformazione sulla resistenza nativa del sensore, divisa per la deformazione stessa. Ancora una volta, quando si configura un sensore utilizzando il software di acquisizione dati Dewesoft X e un condizionatore di segnale serie Dewesoft STG, il Gauge Factor può essere digitato direttamente nel software, in questo modo verrà applicata tutta la matematica necessaria per garantire misurazioni perfette.

Variazioni di Resistenza dovute alla Temperatura - Compensazione della Temperatura

A questo punto, potreste chiedervi informazioni sulla temperatura e sui suoi effetti nell'accuratezza di queste misure. Dopotutto, ogni volta che parliamo di misure di resistenza, la temperatura è un fattore che può facilmente inficiare la misura, causando letture errate. I sensori strain gauge sono noti per avere una sensibilità alla temperatura, che influirà sulla loro precisione se non compensati.

Le variazioni di temperatura sul sensore sono causate non solo dalla temperatura ambiente (immaginiamo che un sensore sia al sole o montato direttamente su un motore acceso, mentre un altro non lo è) ma anche dalla corrente che alimenta il ponte di Wheatstone! Questo è anche noto come fenomeno di autoriscaldamento.

Quanto più l'eccitazione deve spostarsi, tanto maggiore dovrà essere, con conseguente ulteriore riscaldamento del sensore da parte dell'eccitazione stessa. Inoltre, la resistenza del filo conduttore stesso può diventare un fattore che influenza la misura, ad esempio in caso di distanze eccezionalmente grandi tra il sensore e il condizionatore di segnale.

A causa di queste variabili, i condizionatori di segnale Dewesoft STG sono progettati per consentire alle linee SENSE di essere collegate agli angoli del circuito ponte. Queste linee consentono al condizionatore di segnale di misurare la differenza tra l'eccitazione al condizionatore e al sensore e di regolare automaticamente il circuito di conseguenza, reiettando l'errore e garantendo letture accurate e stabili.

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Le linee tratteggiate mostrano che mentre è possibile collegare le linee di rilevamento al connettore, è preferibile collegarsi al sensore stesso per ottenere il massimo beneficio da questa capacità.

Shunt Interno per la Calibrazione degli Strain Gauge

Uno shunt è un resistore che è collegato al circuito ponte di Wheatstone, sbilanciandolo temporaneamente. Questo metodo simula una determinata deformazione e, poiché il valore della resistenza di shunt è noto (in genere 59,88 kΩ), fornisce un offset noto. La commutazione momentanea di questo resistore di derivazione shunt viene spesso eseguita sia all'inizio che alla fine di un test in modo che i dati misurati possano essere referiti ad esso durante l'analisi dei dati. Pertanto, eventuali spostamenti della linea di base che possono essersi verificati durante l'intero arco di un lungo test possono essere in seguito rilevati e compensati matematicamente.

I condizionatori di segnale Dewesoft STG forniscono una resistenza di shunt interna, eliminando la necessità di collegarne una esternamente (eliminando anche la necessità di toccare il cablaggio!). Inoltre, il software DAQ Dewesoft X consente di attivare la shunt cal con un clic sullo schermo. La calibrazione shunt può essere eseguita su un singolo canale o su più canali contemporaneamente.

L'accuratezza della resistenza di shunt, e in effetti delle resistenze all'interno di ciascun sensore o trasduttore strain gauge, è importante perché influisce sull'accuratezza delle letture finali. Produttori come Dewesoft seguono le migliori pratiche quando si tratta di indicare l'accuratezza delle resistenze, fornendo una resistenza nominale e specifiche di tolleranza. La resistenza nominale rappresenta il valore desiderato in ohm, mentre la tolleranza è la massima deviazione possibile dal valore nominale misurato a 25° 

Best Practices per misure con i Sensori Strain Gauge

È considerata una buona pratica utilizzare la tensione di eccitazione più bassa possibile, al fine di evitare il fenomeno di auto-riscaldamento menzionato in precedenza. Allo stesso tempo, è estremamente utile avere una selezione di livelli di eccitazione tra cui scegliere. Ed è importante che le linee di eccitazione siano isolate esattamente come le linee del segnale, per garantire un basso livello di rumore e un rapporto segnale-rumore ottimale dei dati registrati.

Ciò è garantito anche dall'elettronica avanzata del convertitore AD di tutti i sistemi DAQ Dewesoft, in generale, e dall'approccio della tecnologia DualCoreADC® dell'hardware DAQ SIRIUS, in particolare. E poiché ridurre la lunghezza dei cavi di segnale è particolarmente importante quando si tratta di sensori di deformazione, la natura modulare di tutti i sistemi di acquisizione dati Dewesoft rappresenta un solido vantaggio in queste applicazioni.

Teoria di Strain e Stress

Cos'è lo Strain?

Lo strain è definito come la quantità di deformazione che un oggetto subisce rispetto alla sua dimensione e forma originale (il rapporto della variazione di lunghezza rispetto alla sua lunghezza originale). Il termine deformazione viene generalmente utilizzato per descrivere l'allungamento di una sezione. Un oggetto può subire una tensione come risultato di una forza esterna che agisce su di esso.

Lo strain è una quantità adimensionale e solitamente viene espressa in percentuale. Le misure tipiche per la deformazione sono inferiori a 2 mm / m per l'acciaio e sono spesso espresse in unità di micro-strain. Un microstrain è lo strain che produce la deformazione di una parte per milione. L'abbreviazione di microstrain è data come µΣ.

Cos'è lo Stress?

Lo stress è definito come una forza applicata per unità di aria. Di solito si verifica a seguito di una forza applicata, ma è spesso dovuta agli effetti della forza all'interno di un materiale o all'interno di un sistema più ampio.

Ad esempio, immaginiamo un filo ancorato nella parte superiore e libero nella paret inferiore. Applichiamo dei pesi all'estremità di questo filo per tirarlo verso il basso, applicando così una forza verso il basso. Possiamo vedere che nella figura sotto, dove A è l'area della sezione trasversale originale del filo e L è la lunghezza del filo originale. In questo esempio, il materiale (filo) subisce una sollecitazione che si chiama sollecitazione assiale.

Le unità sono le stesse della pressione perché la pressione è una particolare variazione di stress. Lo stress è una quantità più complessa della pressione perché varia con la direzione e con la superficie su cui agisce.

Possiamo calcolare lo stress (σ) moltiplicando la deformazione (ε) e il modulo di Young (E).

Equazione di Forza

Quindi

Poichè il modulo elastico (modulo di Young) dell'acciaio è 210000 N / mm2 e la sezione del sensore è 139 mm2 otteniamo:

Cos'è il Modulo di Young?

Il modulo di Young, noto anche come modulo di trazione o modulo elastico, è una misura della rigidità di un materiale elastico ed è una quantità utilizzata per caratterizzare i materiali.

È definito come il rapporto della sollecitazione (forza per unità di superficie) lungo un asse rispetto alla deformazione (rapporto di varaizione sulla lunghezza iniziale) lungo quell'asse nel range di sollecitazione in cui si applica la legge di Hooke.
 

Un materiale il cui valore del modulo di Young è molto elevato è rigido.

Il modulo di Young [E], può essere calcolato dividendo lo sforzo di trazione per lo sforzo di deformazione nella porzione elastica (iniziale, lineare) della curva stress-strain:

Dove:

• E è il modulo di Young (modulo elastico);

• F è la forza esercitata sun un oggetto in tensione;

• A0 è l'area della sezione trasversale originale su cui viene applicata la forza;

• ΔL è la variazione di di lunghezza dell'oggetto;

• L0 è la lunghezza iniziale dell'oggetto.

Secondo Sistema di misura Internazionale, (SI), l'unità del modulo di Young è il Pascal (Pa o N/m2 oo m−1·kg·s−2). Le unità pratiche utilizzate sono i megapascal (MPa or N/mm2) o i gigapascal (GPa or kN/mm2).

Nelle unità abituali degli Stati Uniti, il modulo di Young è espresso in libbre per pollice quadrato (psi).

Una deformazione è generalmente espressa in μm / m (micrometro per metro), noto anche come microstrain, che ha il simbolo µΣ. Potreste anche vedere "mV / V", che si riferisce all'uscita in millivolt per volt di eccitazione. Gli estensimetri devono essere eccitati o pilotati con una tensione di alimentazione al fine di fornire un'uscita proporzionale alla quantità di deformazione che stanno vedendo lungo l'asse di misurazione.

Misurare il Modulo Elastico

Il modulo elastico e la tensione di snervamento sono due proprietà del materiale frequenti che possono essere calcolate eseguendo prove di trazione con un sistema di test meccanico.

La procedura dei sistemi di test meccanico prevede che il materiale selezionato sia fissato tra due grips. Il grip inferiore è fissato alla superficie, mentre il grip superiore si alza con una determinata velocità di spostamento.

Il sistema di test registra la forza necessaria per allungare il materiale e lo spostamento effettuato delle grips. Gli ingegneri misurano l'area della sezione trasversale originale di un campione e la lunghezza originale tra le prese. Successivamente, sono in grado di calcolare lo stress dai dati di forza e la deformazione dai dati di spostamento. Tutti i dati vengono quindi utilizzati per creare grafici stress-strain, come mostrato nella figura seguente.

Cos'è il rapporto di Poisson (ν)?

Il rapporto di Poisson è il rapporto negativo tra la deformazione trasversale e la deformazione assiale (supponendo che la deformazione assiale sia nella direzione del carico applicato). Questo rapporto è tipicamente dato dalla lettera greca v (anche scritta come nu, e pronunciata come la parola "nuovo"). È possibile visualizzare questo effetto allungando un elastico: mentre si allontanano le estremità, la larghezza dell'elastico stesso si restringe. La maggior parte dei materiali presenta un rapporto di Poisson tra 0 e 0,5 ν. Gli acciai in genere misurano a 0,3 ν, mentre la gomma ha quasi 0,5 ν.

Tipi di Stress

1. Stress normale

Ci sono due stress normali - TRAZIONE e COMPRESSIONE. Le sollecitazioni di trazione sono positive, le sollecitazioni di compressione sono negative. Gli stress normali sorgono quando le forze di trazione o di compressione agiscono l'una contro l'altra.

Nell'immagine seguente possiamo vedere un carico di trazione applicato a un solido rettangolare. La risposta di un solido rettangolare ai carichi di trazione dipende in gran parte dalla rigidità alla trazione e dalle proprietà di resistenza delle fibre di rinforzo poiché queste sono molto più elevate del sistema di resina da solo.

La figura seguente mostra un solodo sottoposto ad un carico di compressione. Qui, le proprietà adesive e di rigidità del sistema di resina sono cruciali, in quanto il ruolo della resina è di mantenere le fibre come dritte come colonne e impedire che si deformino.

2. Shear stress

La figura seguente mostra un composito che presenta un carico di taglio. Questo carico sta cercando di far scorrere strati di fibre adiacenti l'uno sull'altro. Sotto carichi di taglio, la resina svolge un ruolo importante, trasferendo le sollecitazioni attraverso il composito. Affinché il composito funzioni bene sotto carichi di taglio, l'elemento in resina non deve solo presentare buone proprietà meccaniche, ma deve anche avere un'adesione elevata alla fibra di rinforzo. La resistenza al taglio interlaminare (ILSS) di un composito viene spesso utilizzata per indicare questa proprietà in un composito multistrato ("laminato").

Tipi di Strain

1. Strain Assiale

La "Deformazione assiale" si riferisce al modo in cui un oggetto si allunga o si comprime a causa della forza lungo il suo asse orizzontale. È definito matematicamente come stress assiale diviso per il Modulo di Young.

2. Bending Strain (Momento di Strain)

Il "bending strain" si riferisce al modo in cui un oggetto si estende da un lato e si contrae dall'altro a causa della forza applicata lungo il suo asse verticale. Conosciuta anche come "momento di strain", il bending strain viene definito matematicamente come il bending stress diviso per il Modulo Elastico di Young.

3. Strain di Taglio

Lo “Strain di Taglio” combina le misure della deformazione dell'oggetto lungo i suoi assi orizzontale e lineare. È definito matematicamente come stress di taglio diviso per il modulo dello stress di taglio.

4. Strain Torsionale

Lo "sforzo torsionale" si riferisce alla forza circolare lungo gli assi orizzontale e verticale dell'oggetto in prova. È definito matematicamente come stress torsionale diviso per il modulo torsionale di elasticità.

5. Strain di Compressione

Lo strain di compressione viene prodotto quando due forze uguali e opposte agiscono per comprimere un oggetto. Quando ciò accade, la lunghezza dell'oggetto sottoposto ad uno stress di compressione diminuisce .

Qual è la Relazione tra Stress e Strain?

Il modo più semplice per visualizzare la relazione tra stress e strain è mediante una Curva Sforzo-Deformazione. Nel grafico è possibile vedere che questa curva offre informazioni utili sulle proprietà del materiale. Le curve stress-strain vengono calcolate mediante esperimento.

Una curva stress-strain tipica dell'acciao strutturale:

1. Sforzo massimo

2. Resa di snervamento (punto di snervamento)

3. Rottura

4. Regione di incrudimento

5. Regione di necking

6. Stress apparente (F/A0)

7. Stress reale (F/A)

Condizionatori di segnale Dewesoft per Strain Gauge 

Moduli di Misura DAQ Strain Gauge SIRIUS

I sistemi di acquisizione dati SIRIUS offrono le migliori prestazioni nel condizionamento del segnale e non accettano compromessi sui segnali acquisiti. SIRIUS offre semplicemente il miglior condizionamento di segnale che ad oggi è possibile acquistare. La tecnologia SIRIUS DualCoreADC® potenzia i doppi convertitori AD delta-sigma a 24 bit con un filtro anti-aliasing su ciascun canale, ottenendo una sorprendente gamma dinamica di 160 dB nei domini di tempo e frequenza. Offre una frequenza di campionamento di 200 kS /s/ch per canale e fino a 8 canali per slice SIRIUS. Questo è il fiore all'occhiello della linea di prodotti Dewesoft: un capolavoro di hardware e software.

Moduli DAQ DualCoreADC SIRIUS per Strain Gauges

Moduli DAQ Alta-Densità SIRUS per Strain Gauges

Moduli DAQ High-Speed SIRIUS per Strain Gauges

La tecnologia SAR da 1 MHz a 16 bit con filtro anti-aliasing selezionabile da software è la scelta perfetta per la registrazione transitoria. Fino a 8 canali per modulo SIRIUS.

Moduli di Misura DAQ KRYPTON  per Strain Gage

La linea di sistemi DAQ KRYPTON® è il sistema di acquisizione dati più robusto e performante attualmente disponibile. Combinano la potenza del condizionamento del segnale e del software Dewesoft con una potente interfaccia EtherCAT®, confezionata in custodie impermeabili e ad alto impatto.

Caratteristiche principali:

• Distribuibile - è possibile posizionare l'hardware di acquisizione dati vicino ai sensori.

• Cavo singolo fino a 100 metri (328 piedi) tra i dipositivi di alimentazione, dati e sincronizzazione

• Realizzato per ambienti estremi - IP67, antipolvere, waterproof, 100 g resistente agli urti ed alle vibrazioni, ampio intervallo di funzionamento a temperatura

Moduli DAQ KRYPTON Multicanale Strain Gauge

Modulo DAQ KRYPTON Singolo-canale per Strain Gauges

IOLITE DAQ e Sistemi di Controllo

Il sistema DAQ IOLITE® di Dewesoft è un sistema di acquisizione dati in tempo reale creato appositamente per applicazioni industriali. Combinano il meglio dei due mondi - acquisizione dati e controllo, in un modo integrato che altri sistemi non possono eguagliare.

Caratteristiche principali:

• DUAL EtherCAT data bus: IOLITE utilizza due bus EtherCAT in parallelo. Il bus primario viene utilizzato per l'acquisizione dei dati con buffer a piena velocità su un computer. Il bus secondario viene utilizzato principalmente per i dati in tempo reale di qualsiasi sistema di controllo di terze parti.

• Condizionamento del segnale senza compromessi: IOLITE dispone di amplificatori di alta qualità che offrono una qualità del segnale eccezionale e una frequenza di campionamento fino a 20 kHz.

• Alimentatore ridondante: combinato con due interfacce EtherCAT®, garantisce la massima affidabilità del sistema.

• Scelta del telaio: IOLITE può essere configurato nel telaio compatibile con cabinet da 19 pollici o in un telaio compatibile più robusto simile al SIRIUS.

• Rapporto Prezzo/Prestazioni: IOLITE offre un ottimo rapporto prezzo/prestazioni ed è adatto per banchi di prova e applicazioni industriali.