Estensimetri: Che cosa c’è da sapere

La struttura

Gli estensimetri tradizionali solitamente sono formati da una pellicola e un conduttore elettrico. Perché tradizionali? Sono state introdotte anche nuove tecnologie per gli estensimetri, come i sensori ottici a reticolo in fibra di Bragg, che hanno un funzionamento diverso. "Tradizionali" in questo caso si riferisce agli estensimetri dotati di pellicole elettriche.

Per comprendere la struttura di un estensimetro, è utile tenere conto del processo seguito per crearlo, con un modello standard come esempio: la base è costituita da una pellicola in poliammide. Su questa viene applicato uno strato di costantana. La costantana è conduttore elettrico. Per incidere tutte le aree che non saranno conduttive più tardi viene usato un modello. Ciò che rimane è una griglia di misura in costantana estremamente fine, collegata in modo permanente con la pellicola portante.

La griglia di misura consiste in un numero di "reti" disposte a meandro, con andamento serpeggiante. 

Struttura di un estensimetro tipico

A proposito di estensimetri

Jens Boersch (ex product manager per gli estensimetri presso HBM, oggi team leader nella gestione prodotto) spiega in questo articolo come funziona un estensimetro.

Che cosa secondo lui rende gli estensimetri speciali:

"Solitamente non ci accorgiamo di loro, ma sono nascosti praticamente ovunque"

Funzionamento

"Gli estensimetri misurano la deformazione, ma ciò che più interessa loro sono le sollecitazioni meccaniche", spiega il product manager Jens Boersch. Le sollecitazioni meccaniche descrivono il grado in cui agiscono le forze interne ed esterne su un materiale. Un fattore fondamentale qui è rappresentato dai punti in cui le forze agiscono sul materiale e l’intensità delle stesse. Questi studi appartengono ad un campo di applicazione denominato analisi sperimentale delle sollecitazioni (ESA).

Se un estensimetro si contrae, la sua resistenza elettrica (Ω) diminuisce, se invece si estende, la resistenza aumenta.

Di conseguenza, gli estensimetri solitamente sono collegati a materiali esaminati in diversi punti e collegati da un cavo ad un amplificatore di misura. Se l'estensimetro viene esteso o compresso, la resistenza elettrica della griglia di misura cambia. Infatti quando la griglia di misura è estesa, la corrente deve viaggiare per distanze maggiori – e anche il conduttore attraverso cui passa si assottiglia, aumentando ulteriormente la resistenza. È dalla variazione di questa resistenza che può dedurre la deformazione dell’estensimetro.  È espressa in µm/m. A proposito, la deformazione può anche essere riferita alla compressione, ovvero in altre parole deformazione negativa. In questo caso la resistenza è ridotta di conseguenza.

La deformazione comunque non è una sollecitazione meccanica. Per scoprire che cos’è, è importante considerare innanzitutto due punti:

Coefficiente di temperatura α del materiale

Quando cambia la temperatura ambiente, anche il materiale cambia. Questo cambiamento è indicato dal coefficiente della temperatura α. Esempio: Quando un cilindro in acciaio viene riscaldato, si espande, e con esso l’estensimetro che vi è incollato sopra. "Questa deformazione del materiale dovuta alla temperatura è esattamente quello che non vogliamo misurare", dice Boersch. Per compensare questo effetto, gli estensimetri vengono adattati ad un materiale specifico e sviluppati in modo tale da avere un comportamento alla temperatura opposto. Infine i due effetti si bilanciano, compensando la deformazione del materiale in modo tale che l'estensimetro misuri soltanto ciò che deve: la deformazione indotta da carichi di materiale esterni. In questo caso si parla di un estensimetro autocompensato o estensimetro con risposta alla temperatura.

Modulo di elasticità (modulo di Young)

Quando un materiale è sottoposto ad un carico, presenta una sollecitazione meccanica. La sollecitazione meccanica è la forza divisa per l'area. Come si collega però alla deformazione, registrata da un estensimetro? Questa correlazione può essere definita in forma di curva caratteristica per diversi materiali sottoponendo campioni di materiale a carichi in condizioni controllate. Di norma, una maggiore sollecitazione meccanica è abbinata ad un aumento della deformazione. Inizialmente la correlazione è lineare. Si parla di gamma elastica e la correlazione è descritta dal modulo di elasticità.

Dopo un certo punto tuttavia, il materiale è deformato al punto tale dalla forza operante che non è più in grado di tornare alle condizioni originali. Questa deformazione plastica continua fintanto che il materiale non si spezza. Soltanto la gamma lineare, dove non avviene deformazione plastica, è interessante per l’analisi sperimentale delle sollecitazioni.

Se è noto il modulo di elasticità di un determinato materiale, la sollecitazione meccanica può essere determinata sulla base della deformazione: è questo l’obiettivo delle misurazioni con estensimetro.

 

 

Questa geometria dell’estensimetro (rosetta a T) sarebbe adatta ad esempio per misurare le condizioni di sollecitazione biassiale conoscendo la direzione della sollecitazione

In che modo gli estensimetri si differenziano tra loro?

"Esistono alcune caratteristiche importanti che consentono di distinguere i diversi estensimetri: sono particolarmente importanti la geometria, la lunghezza della griglia di misura e l’adeguamento alla temperatura"

– Jens Boersch

Già solo HBM offre oltre 2500 diversi tipi di estensimetri. La scelta del modello dipende dall’applicazione.

Ciò che li distingue è il numero di funzioni, tra cui le seguenti, molto importanti:

  • Geometria

  • Lunghezza della griglia di misura

  • Adeguamento alla temperatura

Geometria

La geometria di un estensimetro è definita dal numero di griglie di misura e dal modo in cui esse sono allineate. A seconda del carico del materiale, possono verificarsi diversi stati di sollecitazione da misurare: negli stati di sollecitazione non assiale esiste soltanto una direzione nota della sollecitazione. È un caso chiaro. È sufficiente un’unica griglia di misura, allineata secondo la direzione principale della sollecitazione.

Negli stati di sollecitazione biassiali, si verificano più direzioni di sollecitazione contemporaneamente, ad esempio tensione, pressione, flessione o torsione. In alcuni casi, gli ingegneri addetti alla misurazione potrebbero non conoscere la direzione della sollecitazione principale. Per queste applicazioni sono disponibili estensimetri con tre griglie di misura, che consentono di determinare la grandezza della sollecitazione principale e secondaria e la loro direzione.

Lunghezza della griglia di misura

A seconda del materiale e dalla misurazione effettuata, la lunghezza della griglia di misura è un fattore importante, ad esempio, quando si misura con estrema precisione la curva della sollecitazione (gradiente di sollecitazione) in un pezzo in lavorazione. In questo caso è meglio posizionare diverse griglie di misura corte l’una accanto all'altra per ottenere una griglia fine o analizzare un determinato punto con precisione. Dall’altra parte, se è importante il carico generale (media aritmetica), è sufficiente una griglia di misura più lunga.

Diverse strutture superficiali rappresentano una sfida simile: ad esempio il calcestruzzo è disomogeneo e ha piccole pietre inglobate. Se la griglia di misura è troppo corta in questo caso, gli elementi inglobati potrebbero alterare il risultato della misurazione perché in quel punto si applica un piccolo campo di sollecitazione indipendente. Per evitare che succeda, occorre scegliere una griglia di misura più lunga. La sollecitazione misurata è la media per la lunghezza della griglia di misura.

Adeguamento alla temperatura

L’adeguamento alla temperatura degli estensimetri per un determinato materiale garantisce che la deformazione del materiale provocato da un cambiamento di temperatura venga compensato come sopra descritto. Pertanto, è importante scegliere l’estensimetro corretto per il materiale.

Altri criteri di selezione

Oltre alle funzioni appena descritte, ce ne sono altre da considerare, che indicheremo brevemente qui: Gli estensimetri sono solitamente disponibili con diverse resistenze comunemente usate (120, 350 o 1000 ohms, ecc.). La scelta di quello giusto spesso dipende dai limiti della misurazione, come ad esempio i resistori di completamento che possono essere selezionati nell’amplificatore o gli impulsi d’interferenza anticipati. Potrebbero variare anche il materiale di supporto, il materiale conduttore o il tipo di collegamento. Alcuni estensimetri possono essere forniti pre-cablati, mentre altri devono essere saldati dall’utente. Gli estensimetri pre-cablati agiscono in meno tempo, quindi riducono i costi di impostazione del lavoro.

Utilizzo degli estensimetri

Affinché gli estensimetri funzionino correttamente è necessario soddisfare alcuni requisiti di base: il più importante è che siano saldamente collegati al materiale, di modo che possano essere effettivamente coinvolti in ogni deformazione del materiale. Per questo motivo, gli estensimetri solitamente sono incollati con un adesivo molto secco, oppure sono saldati. Nella scelta dell’adesivo vanno considerati alcuni punti, in quanto ovviamente la consistenza dell'adesivo cambia con le variazioni della temperatura. L’applicazione dell'estensimetro sul materiale è una piccola scienza di per sé. Ad esempio, non sono consentite bolle d’aria tra estensimetro o materiale oppure tra estensimetro e adesivo.

Ciononostante, gli estensimetri di per sé sono praticamente inutili. "Le variazioni di resistenza sono tanto piccole che devono sempre essere amplificate prima di poter essere misurate", spiega Jens Boersch. Lo si fa misurando gli amplificatori, disponibili in diverse varianti per diverse applicazioni.

Campi di applicazione

I campi di applicazione principali per gli estensimetri sono due: vengono usati nella costruzione dei trasduttori oppure per testare la durata. La costruzione dei trasduttori è un argomento a sé stante con uno scopo diverso: ad esempio è importante che il materiale del trasduttore sia il più possibile privo di fatica. Lo scopo degli estensimetri è misurare le grandezze fisiche agenti, quali forza o coppia.

La fatica (che, nei limiti del possibile, non dovrebbe incidere sulla costruzione del trasduttore) è invece ciò su cui sono principalmente concentrate le attenzioni nell’analisi sperimentale delle sollecitazioni. Il product manager Jens Boersch afferma: "La domanda è: quando il materiale cede sotto carico costante?” Questi carichi sono simulati con cicli di prova nei quali il materiale viene ripetutamente sottoposto a carichi. Il carico solitamente è tanto basso che il materiale non si distrugge immediatamente. Pertanto varia entro la gamma elastica, come descritto sopra, mentre deformazione e sollecitazione meccanica sono ancora dipendenti l’una dall'altra in senso lineare.

La questione della fatica è interessante in diverse aree: nelle prove dei componenti degli aerei, delle infrastrutture quali ponti o rotaie, o anche nei circuiti stampati elettrici e sulle schede madri. I componenti vengono testati in modo esaustivo per capire se hanno la durata necessaria per resistere ai carichi stimati.

Aircraft in hangar with strain gauge measuring points.
Esempio di applicazione 1: Test di fatica sulle strutture degli aerei.
Schematic image of a load cell.
Esempio di applicazione 2: Costruzione del trasduttore – in questo caso una cella di carico con lamina in flessione.
A bridge spanning water.
Esempio di applicazione 3: Test su infrastrutture, come ponti.

La curva di fatica per i materiali testati è nota dai test di laboratorio. Pertanto, si può stimare dopo quanti cicli di test e con quale carico il materiale cederà. Ad ogni carico si abbrevia il ciclo di vita del materiale. Quante più sono le macchine che passano su un ponte, ad esempio, tanto prima si arriva al punto in cui i componenti del ponte saranno danneggiati. Quanto più pesante è il carico tanto meno saranno i cicli che il materiale sarà in grado di sopportare. I grandi autocarri sono un carico decisamente più significativo delle piccole automobili.

"Una domanda affascinante è questa: quale sarà il carico che danneggerà veramente il materiale?” afferma Jens Boersch. "È questa la domanda chiave in un’applicazione che io trovo particolarmente affascinante: prevedere per quanto tempo un ponte ferroviario sarà in grado di sopportare il carico. Al momento del test era in funzione da decenni.  Gli operatori della sezione in questione sono riusciti a consultare la vecchia documentazione per risalire con precisione al numero di treni che erano passati sul ponte in tutti quegli anni e al loro peso. È stato davvero interessante."

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