Como medir a tensão e a pressão com sensores extensômetros

Introdução

Sensores de tensão e pressão são amplamente usados em muitas aplicações de medição, de estática a dinâmica. Por exemplo, eles são comumente usados dentro de sensores de célula de carga para medição de peso e em certos tipos de sensores de acelerômetro. Eles são usados para medir deflexão, vibração, carga, torque, pressão, tensão e deformação. Em suma, eles são empregados para medir forças.

O extensômetro também é às vezes chamado de extensômetro de resistência elétrica ou simplesmente extensômetro de resistência. Gage também pode ser soletrado como medidor - isso é simplesmente uma questão de convenção e não faz diferença.

Mas eles também são usados em aplicações de medição altamente dinâmicas, onde suas saídas variam amplamente devido à deformação de um objeto mecânico em teste.

Imagine os painéis da carroceria de um automóvel que está sendo conduzido rapidamente por blocos belgas em velocidades muito altas. Ou sendo montado em um eixo de transmissão girando a milhares de RPMs e sendo sujeito a tensão e torção conforme a carga no eixo muda dinamicamente. Existem inúmeras aplicações para extensômetros.

Dica de aprendizado: Veja o Webinar da Dewesoft sobre medição de strain gage com Dave Gallop, Gerente de Desenvolvimento de Negócios da Dewesoft USA.

Os sensores de deformação e pressão são amplamente utilizados em muitas aplicações de medição, desde estática até dinâmica. Durante o webinar, você terá a oportunidade de aprender tudo sobre Strain Gages - History, Evolution, Fundamentals, and Applications.

O Sensor Strain Gage

A propriedade chamada “deformação” é considerada a proporção da mudança no comprimento em comparação com o comprimento sem tensão original de um objeto. 

Sensores de extensômetro (também conhecidos como “transdutores de extensômetro”) podem medir esta mudança no comprimento causada por uma força externa e convertê-lo em um sinal elétrico, que pode então ser convertido em valores digitais, exibidos, capturados e analisados. Isso funciona porque um sensor de strain gage experimenta uma mudança na resistência à medida que é esticado ou comprimido.

Um extensômetro (também conhecido como “extensômetro”) mede a deformação por meio de uma mudança na resistência. Em um extensômetro de sensor único, um padrão de folha de metal é montado em um substrato flexível, que também serve para isolar o metal do objeto em teste. Uma corrente é passada pelo padrão de folha. Quando o objeto em teste é tensionado (isto é, dobrado ou torcido) no eixo paralelo ao padrão da folha, há uma mudança na resistência que é proporcional à quantidade de deflexão.

Ponte Wheatstone

Quando um condutor é esticado, sua resistência aumenta. Quando é comprimido, sua resistência diminui. Essa mudança na resistência pode ser medida usando uma ponte de Wheatstone.

Mostrado no diagrama abaixo, um circuito de ponte de Wheatstone mede uma resistência elétrica desconhecida (Rx) equilibrando duas pernas de um circuito de ponte, uma das quais tem o valor desconhecido. Como os outros três resistores têm valores conhecidos e um deles também é ajustável, o circuito pode deduzir qual é a resistência de Rx em qualquer ponto no tempo.

Quando um dos quatro resistores está sendo usado para fazer uma medição de eixo único, isso é chamado de conexão de um quarto da ponte. O condicionador de sinal deve fornecer os três sensores ausentes e equilibrar o circuito, deduzindo o valor da resistência do sensor em tempo real e convertendo essa resistência em uma medição de deformação útil (quando nenhuma corrente passa por V, o circuito está equilibrado).

Usar dois sensores, portanto, é uma meia ponte, e medir com todos os quatro sensores é uma configuração de ponte completa. No diagrama de ponte completa acima, a tensão de saída do sensor é medida em C e B, enquanto a tensão de excitação é fornecida em A e D.

Tipos de sensores de extensômetros

Existem extensômetros com mais de um sensor, que podem medir a deformação em mais de uma direção ao mesmo tempo. Normalmente, são chamadas de rosetas de extensômetro e estão disponíveis em diferentes geometrias para diferentes aplicações.

As rosetas mais comuns oferecidas são a roseta biaxial, onde dois sensores são montados a 0 ° e 90 ° (perpendiculares entre si), e a roseta triaxial, onde três medidores dispostos em um padrão especificado, como 0 ° - 60 ° - 120 ° ou 0 ° - 45 ° - 90 °.

O professor de engenharia mecânica Jeff Hanson, Ph.D. da Texas Tech University explica as Rosetas de Strain Gauges neste vídeo:

Conclusão da ponte explicada

Quando o condicionador de sinal fornece os resistores ausentes necessários para completar o circuito da ponte de Wheatstone, isso é conhecido como conclusão da ponte. Como exemplo, os condicionadores de sinal da série STG da Dewesoft fornecem essa conclusão e até permitem que você selecione entre resistores de conclusão de 120Ω e 350Ω.

O controle sobre esta conclusão é feito completamente através do software de aquisição de dados DewesoftX: não há interruptores físicos ou configurações que precisam ser feitas. Nesse caso, o condicionador de sinal realmente possui os resistores “ausentes” no hardware e os troca para o local correto no circuito com base em sua configuração no software.

Qual é o fator de medição?

Quando você compra um sensor de strain gage, o pacote normalmente mostra o GF ou fator de calibração (ou fator de deformação). Este é um número em torno de 2. É importante saber isso ao configurar o sensor no software. Esse fator está relacionado à mudança na resistência causada pela deformação sobre a resistência nativa do sensor, dividida pela própria deformação. Mais uma vez, ao configurar um sensor usando o software de aquisição de dados Dewesoft X e um condicionador de sinal da série Dewesoft STG, o Fator de medição pode ser digitado diretamente no software, que fará toda a matemática necessária para garantir medições perfeitas.

Mudança de resistência devido à temperatura - Compensação de temperatura

Neste ponto, você deve estar se perguntando sobre a temperatura e seu efeito na precisão dessas medições. Afinal, sempre que falamos em medições de resistência, a temperatura é um fator, pois pode facilmente alterar a medição, causando leituras erradas. Sensores de extensômetro são conhecidos por terem uma sensibilidade à temperatura, o que afetará sua precisão, a menos que seja compensado.

As variações de temperatura no sensor são causadas não apenas pela temperatura ambiente (imagine que um sensor está no sol, ou montado diretamente em um motor em funcionamento, enquanto outro não), mas também pela corrente que está alimentando a própria ponte de Wheatstone! Isso também é conhecido como fenômeno de autoaquecimento.

Quanto mais longe a excitação tem que viajar, maior ela precisará ser, resultando em ainda mais aquecimento do sensor pela própria excitação. Além disso, a própria resistência do cabo pode se tornar um fator que afeta a medição, por exemplo, em casos de distâncias excepcionalmente grandes entre o sensor e o condicionador de sinal.

Por causa dessas variáveis, os condicionadores de sinal Dewesoft STG são projetados para permitir que as linhas SENSE sejam conectadas aos cantos do circuito da ponte. Essas linhas permitem que o condicionador de sinal meça a diferença entre a excitação no condicionador e no sensor e ajuste automaticamente o circuito de acordo, rejeitando o erro e garantindo leituras precisas e estáveis.

As linhas pontilhadas mostram que, embora seja possível conectar as linhas de detecção no conector, é preferível conectar no próprio sensor para obter o benefício total desse recurso.

Shunt interno para calibração de Strain Gage

Um shunt é um resistor conectado em uma perna do circuito da ponte de Wheatstone, desequilibrando-o temporariamente. Este método simula uma dada deformação e, como o valor do resistor de derivação é conhecido (normalmente 59,88 kΩ), ele fornece um deslocamento conhecido. A comutação momentânea desse resistor de shunt cal geralmente é feita no início e no final de um teste para que os dados medidos possam ser referenciados a ele durante a análise de dados. Assim, quaisquer mudanças de linha de base que possam ter ocorrido durante todo o período de um longo teste podem ser detectadas e compensadas matematicamente mais tarde.

Os condicionadores de sinal Dewesoft STG fornecem um resistor shunt cal interno, eliminando a necessidade de conectar um externamente (o que também elimina a necessidade de tocar na fiação!). Além disso, o software DewesoftX DAQ permite que você acione o shunt cal com um clique na tela. A calibração do shunt pode ser feita em um único canal ou em vários canais ao mesmo tempo.

.A precisão do resistor de derivação e, na verdade, dos resistores dentro de cada sensor ou transdutor de strain gage é importante porque afeta a precisão das leituras finais. Fabricantes como a Dewesoft seguem as melhores práticas quando se trata de denotar a precisão dos resistores, fornecendo uma resistência nominal e especificações de tolerância. A resistência nominal representa o valor pretendido em ohms, enquanto a tolerância é o desvio máximo possível do valor nominal medido a 25 ° C. in these applications.

Melhores práticas para medição com sensores Strain Gage

É considerada uma prática recomendada usar a tensão de excitação mais baixa possível, a fim de evitar o fenômeno de autoaquecimento mencionado anteriormente. Ao mesmo tempo, é extremamente útil ter uma seleção de níveis de excitação para escolher. E é importante que as linhas de excitação sejam isoladas assim como as linhas de sinal, para garantir baixo ruído e relação sinal / ruído ideal de seus dados gravados.

Isso também é garantido pela eletrônica avançada do conversor AD de todos os sistemas Dewesoft DAQ em geral e pela abordagem da tecnologia DualCoreADC® do hardware SIRIUS DAQ em particular. E uma vez que reduzir o comprimento dos cabos de sinal é especialmente importante quando se trata de sensores de deformação, a natureza modular de todos os sistemas de aquisição de dados Dewesoft é uma vantagem sólida nessas aplicações.

Teoria de tensão e estresse

O que é tensão?

Uma deformação é definida como a quantidade de deformação que um objeto experimenta em comparação com seu tamanho e forma originais (a proporção de aumento no comprimento em comparação com seu comprimento original). O termo tensão é normalmente usado para descrever o alongamento de uma seção. Um objeto pode sofrer tensão como resultado de uma força externa agindo sobre ele.

Uma deformação é uma quantidade adimensional e geralmente é expressa em porcentagem. As medidas típicas de deformação são inferiores a 2 mm / m para aço e são frequentemente expressas em unidades de micro-deformação. Uma micro-formação é a deformação que produz deformação de uma parte por milhão. A abreviatura de microstrain é dada como µΣ.

O que é estresse?

A tensão é definida como uma força aplicada por unidade de área. Geralmente ocorre como resultado de uma força aplicada, mas geralmente é devido aos efeitos da força dentro de um material ou de um sistema maior.

Por exemplo, vamos imaginar um fio ancorado no topo e pendurado. Aplicamos pesos na extremidade deste fio para puxá-lo para baixo, aplicando assim uma força para baixo. Podemos ver isso na figura abaixo, onde A é a área da seção transversal original do fio e L é o comprimento original do fio. Neste exemplo, o material (fio) sofre uma tensão que é chamada de tensão axial.

As unidades são iguais às da pressão porque a pressão é a variação especial do estresse. A tensão é uma quantidade mais complexa do que a pressão porque flutua com a direção e com a superfície em que atua.

Podemos calcular a tensão (σ) multiplicando a deformação (ε) e o módulo de Young (E).

Equação de força

Portanto

Dado que o módulo de elasticidade (módulo de Young) do aço é 210000 N / mm2 e a seção transversal do sensor é 139 mm2, obtemos:

O que é o Módulo de Young?

O módulo de Young, também conhecido como módulo de tração ou módulo de elasticidade, é uma medida da rigidez de um material elástico e é uma quantidade usada para caracterizar os materiais.

É definida como a proporção da tensão (força por unidade de área) ao longo de um eixo sobre a deformação (proporção da deformação sobre o comprimento inicial) ao longo desse eixo na faixa de tensão na qual a lei de Hooke se aplica.

Um material cujo valor do módulo de Young é muito alto é rígido.

O módulo de Young [E] pode ser calculado dividindo a tensão de tração pela deformação extensional na porção elástica (inicial, linear) da curva tensão-deformação:

Onde:

• E é o módulo de Young (módulo de elasticidade);

• F é a força exercida sobre um objeto sob tensão;

• A0 é a área da seção transversal original através da qual a força é aplicada;

• ΔL é a quantidade pela qual o comprimento do objeto muda;

• L0 é o comprimento original do objeto.

Pelo Sistema Internacional de Unidades, (SI), a unidade do módulo de Young é o Pascal (Pa ou N / m2 ou m − 1 · kg · s − 2). As unidades práticas utilizadas são megapascais (MPa ou N / mm2) ou gigapascais (GPa ou kN / mm2).

Nas unidades usuais dos Estados Unidos, o módulo de Young é expresso em libras por polegada quadrada (psi).

Uma deformação é geralmente expressa em μm / m (micrômetro por metro), também conhecida como micro-deformação, que possui o símbolo µΣ. Você também pode ver “mV / V,” que se refere à saída em milivolts por volt de excitação. Os extensômetros precisam ser excitados ou acionados com uma tensão de alimentação para fornecer uma saída que seja proporcional à quantidade de deformação que eles estão vendo ao longo do eixo de medição.

Medindo o Módulo de Elasticidade

O módulo de elasticidade e a tensão de escoamento são duas propriedades frequentes do material que podem ser calculadas a partir da realização de testes de tração com um sistema de teste mecânico.

O procedimento dos sistemas de teste mecânico é que o material selecionado seja preso entre duas garras. A garra inferior é apertada na superfície enquanto a garra superior se move para cima com uma determinada taxa de deslocamento.

O sistema de teste registra a força necessária para esticar o material e o deslocamento adequado das garras. Os engenheiros medem a área da seção transversal original de uma amostra e o comprimento original entre as garras. Depois disso, eles são capazes de calcular a tensão a partir dos dados de força e a deformação a partir dos dados de deslocamento. Todos os dados são então usados para criar diagramas tensão-deformação, conforme mostrado na imagem abaixo.

Qual é o coeficiente de Poisson (ν)?

O coeficiente de Poisson é a razão negativa da deformação transversal para a deformação axial (assumindo que a deformação axial está na direção da carga aplicada). Essa proporção é normalmente dada pela letra grega v (também escrita como nu e pronunciada como a palavra “novo”). Você pode visualizar esse efeito esticando um elástico - conforme você afasta suas pontas, a largura do elástico diminui. A maioria dos materiais exibe um coeficiente de Poisson entre 0 e 0,5 ν. Os aços normalmente medem 0,3 ν, enquanto a borracha tem quase 0,5 ν.

Tipos de estresse

1. Estresse normal

Existem duas tensões normais - TÊNSIL e COMPRESSIVA. As tensões de tração são positivas, as tensões de compressão são negativas. Tensões normais surgem quando as forças de tração ou compressão atuam umas contra as outras.

Na foto abaixo podemos ver uma carga de tração aplicada a um sólido retangular. A resposta de um sólido retangular às cargas de tração é muito dependente da rigidez à tração e das propriedades de resistência das fibras de reforço, uma vez que estas são muito mais altas do que o próprio sistema de resina.

A figura abaixo mostra um composto sob uma carga compressiva. Aqui, as propriedades adesivas e de rigidez do sistema de resina são cruciais, pois é papel da resina manter as fibras como colunas retas e evitar que elas se dobrem.

2. Tensão de cisalhamento

A figura abaixo mostra um composto sofrendo uma carga de cisalhamento. Essa carga está tentando deslizar camadas adjacentes de fibras umas sobre as outras. Sob cargas de cisalhamento, a resina desempenha um papel importante, transferindo as tensões através do compósito. Para que o compósito funcione bem sob cargas de cisalhamento, o elemento de resina não deve apenas exibir boas propriedades mecânicas, mas também deve ter alta adesão à fibra de reforço. A resistência ao cisalhamento interlaminar (ILSS) de um compósito é frequentemente usada para indicar essa propriedade em um compósito multicamadas ('laminado').

Tipos de Strain

1. Deformação axial

“Tensão axial” refere-se a como um objeto se estica ou se comprime como resultado da força ao longo de seu eixo horizontal. É definido matematicamente como tensão axial dividida pelo Módulo de Young.

2. Flexão de esforço (esforço de momento)

“Tensão de flexão” refere-se a como um objeto se estica de um lado e se contrai do outro devido à força aplicada ao longo de seu eixo vertical. Também conhecida como "tensão de momento", a deformação de flexão é definida matematicamente como a tensão de flexão dividida pelo Módulo de elasticidade de Young.

3. Shear Strain

“Shear Strain” combina as medidas de deformação do objeto ao longo de seus eixos horizontal e linear. É definida matematicamente como a tensão de cisalhamento dividida pelo módulo da tensão de cisalhamento.

4. Tensão torcional

“Tensão de torção” refere-se à força circular ao longo dos eixos horizontal e vertical do objeto em teste. É definido matematicamente como a tensão de torção dividida pelo módulo de elasticidade de torção.

5. Deformação Compressiva

A deformação compressiva é produzida quando duas forças iguais e opostas atuam para comprimir um objeto. Quando isso acontece, o comprimento do objeto diminui sob pressão de compressão.

Qual é a relação entre estresse e tensão?

A maneira mais simples de visualizar a relação entre tensão e deformação por meio de uma curva de tensão-deformação. Você pode ver no gráfico abaixo que esta curva oferece algumas propriedades materiais muito úteis. As curvas de tensão-tensão são calculadas por meio de experimento.

Uma curva tensão-deformação é típica de aço estrutural:

1. Força máxima

2. Força de escoamento (ponto de escoamento)

3. Ruptura

4. Região de endurecimento por deformação

5. Região de Amaciamento

6. Tensão aparente (F / A0)

7. Tensão real (F / A)

Condicionadores de sinal de medição Dewesoft Strain Gage

Módulos de medição SIRIUS Strain Gage DAQ

Os sistemas de aquisição de dados SIRIUS oferecem o melhor desempenho no condicionamento de sinal e não comprometem os sinais adquiridos. A SIRIUS simplesmente traz o melhor condicionamento de sinal que você pode comprar hoje. A tecnologia SIRIUS DualCoreADC® aumenta os conversores AD delta-sigma duplos de 24 bits com um filtro anti-aliasing em cada canal, alcançando surpreendentes 160 dB de faixa dinâmica nos domínios do tempo e da frequência. Oferece taxa de amostragem de 200 kS / s / ch por canal e até 8 canais por fatia SIRIUS. Este é o carro-chefe da linha de produtos Dewesoft - uma obra-prima de hardware e software.

Módulos SIRIUS DualCoreADC DAQ para Strain Gages

Módulos DAQ de alta densidade da SIRUS para Strain Gages

Módulos DAQ de alta velocidade SIRIUS para Strain Gages

A tecnologia SAR de 1 MHz e 16 bits com filtragem livre de alias selecionável por software é a escolha perfeita para gravação de transientes. Até 8 canais por módulo SIRIUS.

Módulos de medição KRYPTON Strain Gage DAQ

A linha de sistemas KRYPTON® DAQ é os sistemas de aquisição de dados mais robustos e de alto desempenho disponíveis atualmente. Eles combinam o poder do software e condicionamento de sinal Dewesoft com uma interface EtherCAT® poderosa, embalada em caixas à prova d'água e de alto impacto.

Características principais:

• Distribuível - você pode localizar seu hardware de aquisição de dados próximo aos sensores.

• Cabo único com até 100 metros (328 pés) entre dispositivos para energia, dados e sincronização

• Feito para ambientes extremos - IP67, à prova de poeira, à prova d'água, 100 g de choque e resistente à vibração, ampla faixa de temperatura operacional

Módulos DAQ de Strain Gage KRYPTON multicanal

Módulo DAQ de canal único KRYPTON para Strain Gages

IOLITE DAQ e sistemas de controle

O sistema IOLITE® DAQ da Dewesoft é um sistema de aquisição de dados em tempo real feito especificamente para aplicações industriais. Eles combinam o melhor dos dois mundos - aquisição e controle de dados, de uma forma integrada que outros sistemas não podem igualar.

Características principais:

• Barramento de dados DUAL EtherCAT: IOLITE usa dois barramentos EtherCAT em paralelo. O barramento principal é usado para aquisição de dados em buffer de velocidade total para um computador. O barramento secundário é usado principalmente para dados em tempo real para qualquer sistema de controle de terceiros.

• Condicionamento de sinal sem concessões: IOLITE possui amplificadores de alta qualidade que fornecem grande qualidade de sinal e taxa de amostragem de até 20 kHz.

• Fonte de alimentação redundante: combinada com interfaces EtherCAT® duplas, oferece confiabilidade máxima do sistema.

• Escolha de chassi: IOLITE pode ser configurado em um chassi compatível com gabinete de 19 polegadas ou em um chassi compatível mais robusto do tipo SIRIUS.

• Relação Preço / Desempenho: IOLITE oferece uma ótima relação preço / desempenho e é adequado para bancadas de teste e aplicações industriais.