Sensores de força baseados em strain gages

Forma de trabalho

Para explicar como um sensor de força funciona, primeiro precisamos responder à pergunta: como um strain gage (ou SG) funciona? Para a maioria dos sensores de força, existem strain gages dentro deles.

Vamos dar uma rápida olhada nos strain gages: são condutores elétricos firmemente fixados a um filme. Quando este filme é puxado, ele e seus condutores ficam mais longos. Quando é contraído, fica mais curto. Isso resulta em uma mudança na resistência nos condutores elétricos e, com isso, podemos determinar a deformação, porque a resistência aumenta quando há deformação e diminui quando há uma contração.

Para produzir um sensor de força, além do strain gage, você também precisa de um material deformável, feito de metal, por exemplo. O strain gage está ligado de forma segura a este material.

Como a forma mais simples de material deformável, podemos imaginar um cilindro de aço que é alongado ou contraído sob o impacto da força. Desconsideraremos outras forças, como as que atuam lateralmente, neste artigo. A força atuante no aço produz uma tensão mecânica no material, levando à sua deformação.  A deformação também pode significar contração, já que está é uma deformação negativa.

Neste artigo, Thomas Kleckers, Gerente de Produto para Sensores de Força da HBM, explica como um sensor de força funciona.

“Quando são puxados, os materiais não ficam apenas mais compridos, também ficam mais finos. A relação de Poisson indica a relação entre a deformação transversal e em relação ao eixo. Comparamos isso com um objeto de borracha, a qual fica visivelmente mais fino quando é esticado.” – Thomas Kleckers

Se um strain gage é contraído, sua resistência elétrica (Ω) diminui; se é esticado, a resistência aumenta.
Material deformável com SG. Quando contraído, o material deformável não se torna apenas menor, mas também mais espesso. Por outro lado, à medida que é esticado, se torna mais fino. E o SG anexado, consequentemente, também sofre estas alterações.
O diagrama mostra como é um circuito de ponte de Wheatstone: aqui, quatro SGs são conectados em forma de anel.

Se o cilindro de aço é contraído, ele fica menor e também mais espesso. Quando é puxado longitudinalmente, fica mais fino. A espessura (fino ou grosso) depende das moléculas do aço. É claro que se o corpo de metal é muito volumoso, são necessárias maiores forças para contraí-lo a um determinado tamanho do que se fosse mais fino. Este fato é útil quando se fabrica sensores de força para diferentes propósitos: pequenos sensores são usados para forças nominais mais baixas; sensores maiores, para forças nominais mais altas. Aqui, a força nominal indica a carga máxima pretendida do sensor.

Mas vamos retornar ao strain gage. Um sensor de força, geralmente, contém quatro SGs, conectados em forma de anel em um circuito de ponte de Wheatstone, que não iremos explicar com muitos detalhes aqui (saiba mais no livro de referência"An Introduction to Stress Analysis and Transducer Design using Strain Gauges"). O que é importante é que os SGs são firmemente presos ao material do sensor e, portanto, sofrem a mesma deformação que ele. Quando o aço é deformado, a resistência do strain gage muda, conforme citado acima. Assim, o sinal de saída do circuito de ponte fornece informações de quão grande é esta deformação. A partir daí, podemos calcular a força atuante no SG. É desta forma que o sensor de força funciona.

De um ponto de vista matemático, é interessante ver que o sensor de força funciona unicamente no princípio de relações lineares. Assim, a força é proporcional à deformação mecânica (σ=pequeno sigma), o σ é proporcional à deformação. A mudança relativa na resistência é proporcional à deformação. Finalmente, o sinal de saída da ponte de Wheatstone é linearmente proporcional à mudança relativa na resistência do SG.

Qual é a diferença entre um sensor de força e uma célula de carga?

Em princípio, ambas parecem ser realmente similares: a célula de carga mede massa ou peso; o sensor de força mede força (isto é, N ou Newtons). São intercambiáveis? Basta considerar 100 gramas de peso para cada Newton e você pode transformar um sensor de força em uma célula de carga!

Mas não é tão simples assim.

Diferença 1:

A célula de carga mede massa, e apenas em uma direção, porque a massa é sempre maior que zero. Se um container é colocado em uma célula de carga, ele não consegue se levantar e produzir um peso negativo. O sensor de força, por outro lado, mede forças negativas e positivas de tração e de compressão.

Diferença 2:

A célula de carga é produzida e então, instalada em algum local nas instalações do usuário, sendo então calibrada. Os sensores de força são calibrados em nossa fábrica logo após sua produção e devem sempre realizar a mesma medição, mesmo se forem retirados e instalados diversas vezes. O sensor de força, portanto, possui uma construção mais robusta que as células de carga, a fim de garantir a reprodução dos valores medidos em condições variadas.

Diferença 3:

A célula de carga deve satisfazer a alguns requisitos legais, como por exemplo, atender à capacidade legal-for-trade. O sensor de força atende a diversas regulamentações: padrão, como a VDI2635 ou a ISO376. Diferente da célula de carga, a reprodutibilidade acima citada, por exemplo, é um fator importante.

Sensor de força U10M
Célula de carga tipo beam Z6

Campos de aplicação

“Os sensores de força podem ser usados em, praticamente, todos os lugares – é difícil de imaginar. Fiquei impressionado com o uso em um banco de ensaios onde a força era medida através de um entreferro. Em outras palavras, a medição acontece mesmo se o sensor de força não estiver tocando a plataforma. Ainda acho incrível como isso realmente funciona.” – Thomas Kleckers

Para concluir, vamos olhar para os negócios: alguns campos onde os sensores de força são usados.

  • Simulações em objetos para saber a quantidade de forças atuantes neles. Por exemplo: o impacto em um capacete de moto, como em um acidente.
  • Medições de referência são usadas para produzir comparações nacionais e internacionais entre valores medidos. Aqui, institutos de metrologia ao redor do mundo usam principalmente sensores precisos de força para testar sistemas. Estes institutos então fornecem valores de referência para toda a economia nacional e internacional.
  • Em bancos de ensaios, sensores de força garantem que uma carga em um determinado material possa ser precisamente controlada: quando a asa de um avião é empurrada em várias direções com a ajuda de um equipamento, para simular condições reais de voo, por exemplo.
  • Equipamentos industriais e sistemas precisam de sensores para medir forças, como por exemplo, em prensas, linhas de montagem ou testes no final da produção. Por exemplo: com qual firmeza deve ser pressionada a tampa de uma caneta para que ela permaneça fixada?
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