Série de artigos: Precisão de medição na análise experimental de tensão - 2ª parte

A tecnologia de strain gage tem sido otimizada ao longo das décadas com uma ampla gama de opções para compensar erros. No entanto, ainda existem efeitos que têm um impacto negativo nas medições. O objetivo deste artigo é apontar as inúmeras (e, muitas vezes, evitáveis) fontes de erros quando se usa strain gages para análise experimental de tensão e proporcionar alguma ajuda na estimativa de incertezas de medição no início da fase de planejamento.

Fig. 6: Diagrama do fluxo do sinal de um ponto de medição de strain gage sob influência de grandezas

Os componentes da cadeia de medição

Para fins de esclarecimento e compreensão, apenas o estado de tensão uniaxial será considerado abaixo. O diagrama mostra o fluxo do sinal de medição. Também mostra as grandezas influentes e seus efeitos na correlação com importantes características da cadeia de medição. Estas características e efeitos são mostradas em azul se puderem afetar o ponto zero (zero point).

O objeto da medição (DUT)

Quando o objeto da medição é carregado, a tensão σ é exercida no material. Isto faz com que a tensão no material comporte-se de forma inversamente proporcional ao módulo de elasticidade. Esta deformação do material pode ser determinada como uma superfície deformada por meio de strain gage (SG).

O módulo de elasticidade mostra uma incerteza (tolerância do módulo de elasticidade). Extensas análises em aço estrutural mostraram um coeficiente de variação de 4,5%. Como o módulo de elasticidade também depende da temperatura, teremos assim o coeficiente da temperatura do módulo de elasticidade.

Se o strain gage é colado à uma superfície (por exemplo, uma haste de flexão) que se estende de forma convexa, a deformação na grade de medição é maior que na superfície do componente.

A razão para isso tem a ver com a distância a partir da fibra neutra: Quanto mais a grade de medição se afasta desta fibra neutra e mais fino o componente, o valor de medição se torna mais forte. Pequenos rolos são lançados pela espessura do adesivo e a estrutura do strain gage. A mudança na temperatura ∆t atuando junto com o coeficiente de temperatura da expansão do material também causa expansão térmica, que é significativo para medições relacionadas a ponto zero (zero-point). Elastic after-effects (causadas pelo processo de relaxação na microestrutura do material) fazem com que a deformação do material diminua um pouco depois do carregamento espontâneo. A fórmula dada acima, portanto, mostra várias incertezas.

Índice de fórmulas

A instalação

A grandeza que queremos medir é a deformação do material. Num caso ideal, esta deformação seria idêntica à deformação da grade do strain gage:

Na prática, no entanto, o alinhamento e outros erros de instalação acabam ocorrendo apesar do grande cuidado. O strain gage, como um elemento de mola sujeito à tensão mecânica, arrasta-se para trás ao longo de suas zonas marginais externas depois da deformação espontânea devido à carga de tensão e também dependendo das propriedades reológicas do adesivo e do portador de strain gage. Também exibe uma ligeira histerese (O efeito do strain gage "retornando" é usado na construção de sensores para minimizar os resíduos do material, que produz uma deformação adicional indesejável, ajustando os comprimentos das pontes transversais insensíveis à deformação no strain gage). Esta compensação só pode ser implementada na análise experimental de tensão com uma grande quantidade de esforço e despesas e geralmente não é preciso. O aumento da deformação também pode acontecer devdo à uma superficie de instalação curva (veja acima).

Se os pontos de medição não são protegidos de forma adequada contra umidade, o adesivo e o portador podem absorver a umidade e inchar. Isso será expresso como uma fração de erro sob a forma de uma deformação específica não-intencional no strain gage.

O teor da umidade também afeta a estabilidade dos valores medidos como em todos os métodos de medição (veja abaixo Strain gage: Resistência de isolamento). Especialmente com as medições relacionadas ao ponto zero (zero-point), um engenheiro de ensaios poderá não ter certezas se estiver observando a deformação do material relevante ou se é simplesmente um dos outros efeitos descritos acima. Por conta disso, a proteção a pontos de medição é uma pré-condição essencial para resultados confiáveis, especialmente com medições relacionadas a ponto zero (zero-point).

Todos os fenômenos descritos aqui produzem o efeito que a deformação da grade de medição não corresponde exatamente à deformação do material na direção da tensão.

O strain gage

O strain gage converte a deformação na grande de medição em uma mudança relativa na resistência proporcional à deformação.

A tolerância do fator K e sua sensibilidade à temperatura contribui para a incerteza.

Deve-se notar que, se a deformação não é distribuída homogeneamente, a medida da deformação sobre a grade de medição é convertida para uma mudança relativa na resistência. Como resultado disso, se o comprimento do strain gage é escolhido de forma errada, os valores medidos para deformação e tensão de material serão muito pequenos ou muito grandes. Isso é especialmente importante quando se determina os valores máximos dos picos de tensão mecânica metrologicamente. O valor da tensão máxima que ocorreu é, geralmente, de interesse.

A resposta da temperatura do strain gage afeta o ponto zero. Possui um impacto em grandes diferenças de temperatura e, especialmente, como strain gages que são mal-adaptados para o coeficiente de expansão térmica do material (DUT), uma vez que eles interferem na ação dos efeitos de compensação. Auto-aquecimento (devido à energia elétrica transformada em strain gage) possui um resultado simular, pois leva a uma diferença de temperatura entre o material e o strain gage. Este é o motivo pelo qual é possível se definir tensões muito baixas em amplificadores de medição modernos. Mesmo as saídas de tensão de ponte reduzida podem ser amplificadas com precisão pelos dispositivos. Aconselha-se precaução, principalmente, com materiais finos e materiais que mal dissipam o calor.

No caso da deformação alternar de forma freqüente com uma grande amplitude (> 1500 µm/m), pode ocorrer fadiga no material da grade de medição, resultando em um desvio de zero.

Uma sensibilidade transversal do strain gage está presente, mas não produz quaisquer desvios significativos. No estado de tensão uniaxial, a sensibilidade transversal é levada em consideração pela determinação experimental do fator K devido à forma como o fator é definido.

Um desvio da linearidade de até 1000 µm/m é insignificante para deformações

A penetração da umidade reduz as resistências de isolamento, o que, por sua vez, causa um shunt da resistência às conexões do strain gage e é geralmente refletido pela instablidade na exibição de valores medidos. Strain gages com baixa amperagem são menos sensíveis à influência da umidade.

O amplificador de medição

O valor da entrada no amplificador de medição é a carga relativa na resistência do strain gage.

Uma vez que é muito pequena (a 1000 µm/m e com um fator K de 2 é apenas 0,2% ou 0,24Ω de 120Ω), há um complemento para a ponte de Wheatstone (circuito com ¼ de ponte) na análise experimental de tensão por meio de três resistores fixados (normalmente no amplificador de medição). A vantagem de circuitos com ½ ponte ou ponte inteira e maneiras de usá-los para reduzir incertezas de medição não será tratado aqui.

A conexão de um único strain gage em um circuito com ¼ de ponte é considerado aqui. Normalmente a correlação entre uma ponte desbalanceada e a carga relativa é descrita com

A correlação atual mostra um pequeno grau de não-linearidade, que será examinado mais detalhadamente a seguir.

O amplificador de medições fornece tensão para o circuito ponte, amplifica a tensão de saída da ponte e gera o valor medido.

Intencionalmente deixados de fora das considerações aqui estão os erros de medição que podem acontecer durante o longo fornecimento de chumbo, campos de interferência, tensões termoelétricas e os próprios eletrônicos de medição.

Estes podem ser evitados quase que totalmente usando tecnologias bem conhecidas (técnicas de multiwire, circuitos estendidos Kreuzer, projetos de proteção, modernos amplificadores de medição TF).

Continua...

Leia mais sobre este assunto na 3ª parte da nossa série de artigos sobre "Precisão de medição na análise experimental de tensão".

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