Nel mondo moderno i sensori giocano un ruolo molto importante. Essi vengono impiegati per misurare molte e diverse grandezze in svariati campi di applicazione quali le prove, l'acquisizione dati, l'automazione ed il controllo della qualità. Ciò comporta la rapida espansione del mercato (1) e l'incremento dell'impiego di vari e differenti principi di misura.

Questa transizione tendenziale verso un'ampia scelta di tecnologie di misura può condurre ad aumentare l'entusiasmo per i più nuovi metodi emergenti, mentre vale la pena di considerare che le tecnologie consolidate offrono ancora dei notevoli vantaggi dovuti alla grande esperienza maturata in decine di anni d'impiego. 

Ad esempio, gli estensimetri del tipo a foglio (fotoincisi) si basano su principi scientifici ben consolidati (2)(3), il cui perfezionamento è frutto del continuo progresso tecnologico. Inoltre, gli estensimetri a foglio sono semplici da installare ed utilizzare oltre ad essere di costo molto basso perfino per soluzioni individuali ed uniche. I vantaggi degli estensimetri a foglio superano di gran lunga i loro svantaggi. 

Misurare con gli estensimetri del tipo a foglio

Gli estensimetri a foglio metallico sono largamente impiegati come principio di rilevazione nelle misurazioni di forze, coppie e pressioni. La stragrande maggioranza dei trasduttori di forza e di celle di carico, torsiometri e trasduttori per alte pressioni si basano su questo principio di misura e sono disponibili con un'enorme varietà di forme del corpo di misura. 

Tutti gli estensimetri a foglio utilizzano un principio comune: essi impiegano la deformazione positiva o negativa per convertire le variazioni meccaniche in segnali elettrici. In specifiche zone del corpo elastico in cui si concentrano le deformazioni quando si applica il carico, si installano almeno quattro estensimetri – due soggetti a deformazione positiva e due a deformazione negativa – che vengono collegati come circuito a ponte di Wheatstone. Questo genere di „doppio divisore di tensione“ in cui variano le resistenze contrapposte, la tensione di uscita è approssimativamente proporzionale alla deformazione del corpo di misura.

Fig. 1. Gli estensimetri vengono collegati con circuito a ponte di Wheatstone per generare un tensione di uscita che consente di misurare facilmente quasiasi tipo di deformazione.

Il segnale di uscita è dato come rapporto fra la tensione di alimentazione e tensione di uscita. Esso si calcola come segue: 

I trasduttori con estensimetri a foglio consentono la maggior accuratezza per determinare le grandezze meccaniche. Nel contempo, essi sono la scelta migliore per ottenere la minore incertezza di misura.

Volendo garantire anche l'elevata dinamicità, le zone di concentrazione della deformazione devono essere progettate le più piccole possibili per garantire la massima rigidità (4)(5)(6).

I principi di funzionamento degli estensimetri sono così ben consolidati da permettere di focalizzare tutta l'attenzione unicamente al compito di misura.

A differenza che con altri principi di rilevazione, con gli estensimetri a foglio si possono ottenere quasi senza limiti alti carichi nominali, semplicemente dimensionando opportunamente il corpo di misura. Esempi ne sono i trasduttori di forza nel campo dei MN, i torsiometri nel campo dei MNm ed i trasduttori di ultra pressione nel campo dei GPa (7).

In altre applicazioni, ad esempio coi trasduttori per la misurazione di pressioni idrostatiche, si ha una scelta più ampia del principio di misura che per le altre grandezze meccaniche. Nelle applicazioni per le pressioni più basse, che rappresentano il segmento maggiore di questo mercato, si usano solitamente soluzioni capacitive o piezoresistive MEMS, specialmente per la misurazione di basse pressioni dell'ordine di pochi bar. La resistenza ai sovraccarichi è particolarmente importante per la misurazione di pressioni elevate, il che esclude in effetti le soluzioni capacitive e piezoresistive MEMS – nonostante alcuni progressi effettuati con i nuovi modelli negli ultimi anni.

La Figura 2 mostra il confronto fra diversi tipi di tecnologie estensimetriche e la loro idoneità alla misurazione di pressioni da diversi punti di vista.

Figura 2: Confronto fra diverse tecnologie di misura della pressione (8)

L'esame di questa tabella rivela che i trasduttori per ultra pressione basati sugli estensimetri risultano la scelta primaria allorché siano necessarie altissime accuratezza e stabilità a lungo termine. Ciò è particolarmente rilevante quando si confrontano i risultati dei vari Istituti Nazionali di Metrologia di diverse nazioni (9).

È possibile intraprendere un'analisi simile sui diversi principi di misura per ogni altra grandezza misurabile. È meglio effettuarla quando si desidera progettare una catena di misura ottimizzata per un particolare compito di misura, poiché il principio di funzionamento è una importante interfaccia per il processo od il fenomeno oggetto di indagine.

Conclusioni

I trasduttori ad estensimetri offrono incredibile accuratezzaaltissima stabilità a lungo termine ed ottima banda passante adatta per misurazioni rapide. Con la rete passiva di resistori si può facilmente compensare la maggior parte degli errori residui durante la costruzione dei trasduttori. I trasduttori ad estensimetri sono la scelta migliore per la produzione su grande scala, ma anche per applicazioni industriali individuali e singole e, specialmente, per misurazioni di alta precisione. Gli elevati gradi di accuratezza facilitano la tracciabilità delle grandezze meccaniche fino al livello nazionale ed internazionale (10)(11)(12).

In molte delle applicazioni più diffuse, la semplicità ed il basso costo dei trasduttori basati su estensimetri a foglio, rendono il loro uso indispensabile nei mercati chiave quali le celle di carico di tutti i tipi, da quelle per bilance da banco a quelle per pese a ponte per autoveicoli. 

Puntando sull'importanza degli estensimetri, si offre un notevole contributo allo sviluppo industriale sia per i mercati maturi che per quelli emergenti. 

Bibliografia

[1] Survey “World Emerging Sensors Markets”, Sensors & Instrumentation, No. M678-01, Frost and Sullivan, 23 Mar 2011, U.S.A.

[2] A. C. Ruge “Strain response apparatus” Patent application no. 2322319 to the United States Patent Office; 16. Sept. 1939, approved 22. June 1943

[3] K. Hoffmann “An Introduction to Measurements using Strain Gauges” Publisher Hottinger Baldwin Messtechnik , Darmstadt, Germany

[4] A. Schäfer, “Analogy observation of force transducers compared to strain and pressure transducers based on foil type strain gauges and the piezoelectric principle“, Proceedings of Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and Torque, Tokyo, Japan, 2009

[5] A. Schäfer, “Force, strain and pressure transducers based on Foil Type strain gauges as well as the piezoelectric principle for the use in industrial applications” Proceedings of “Eurosensors 2008”, Dresden, Germany, 2008

[6] T. Kleckers “Force sensors based on strain gages and piezoelectric crystal-based force transducers in mechatronic systems — a comparison” Proceedings of "Sensor+Test" Conference, Nurnberg, 2011

[7] A. Schäfer, et al. “A new type of transducer for accurate and dynamic pressure measurement up to 15000 bar  using foil type strain gauges”, XVII IMEKO World Congress 2003, Metrology in the 3rd Millennium, Dubrovnik, Croatia

[8] T. Kobata; W. Sabuga et al “Final Report on Supplementary Comparison APMP.M.P-S8 in Hydraulic Gauge Pressure from 100 MPa to 1000 MPa”, The Asia-Pacific Metrology Programme (APMP) and the European Association of National Metrology Institutes (EURAMET) 1000 MPa , Hydraulic pressure inter-laboratory comparation, 2010

[9] A. Schäfer “Answers to the need of higher orders of magnitude for pressure, force and torque measurement explained on the example of wind energy” IEEE I2MTC Conference, Mai 2012, Graz, Austria

[10] A. Schäfer, Examples and proposed solutions regarding the growing importance of calibration of high nominal forces IMEKO 2010 TC3, TC5 and TC22 Conferences, November 22-25, 2010, Pattaya, Chonburi, Thailand

[11] H. Gang, Z. Zhang and Y. Zhang „Internal Large Force Comparison in China”, Mechanics and Acoustics Division, National Institute of Metrology, Beijing, P. R. China, Proceedings of Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and Torque, Tokyo, Japan, 2009

[12] P.D. Hohmann and A. Schäfer, “Combined Calibration of Torque and Force in a 3 in 1 Calibration unit”, “APMF 2000”, Proceedings of Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and Torque, pp. 204, Tsukuba, Japan, 2000

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