Strain gages: O que você precisa saber

A estrutura

Strain gages convencionais (abreviado como SG) normalmente consistem de uma placa de alumínio e um condutor elétrico. Por que convencional? Novas tecnologias em SG também foram introduzidas, como os sensores de fibra ótica FBG, que funcionam de forma diferente. “Convencional” aqui significa strain gages que trabalham com folhas elétricas.

Para entender a estrutura de um SG, é útil considerar o processo usado para sua criação, usando um modelo padrão como exemplo: uma folha de poliamida é a base. Uma camada de Constantan é aplicada nela (Contantan é um condutor elétrico). Um modelo é usado para gravar todas as áreas que não serão mais condutoras. O que resta é um grid de medição Constanta extremamente fino, permanentemente conectado com a folha de suporte.

O grid de medição consiste de um número de “teias” dispostas em um padrão de meandro, que possui a aparência de enrolamentos de serpentina.

Estrutura de um strain gage tradicional

A propósito

Jens Boersch (inicialmente gerente de produto para strain gages na HBM e agora, líder da equipe de gerenciamento de produtos) explica, neste artigo técnico, como os strain gages funcionam.

O que torna os strain gages especiais para ele:

“Geralmente não focamos neles, mas eles estão escondidos em todos os lugares”."

Método de operação

Strain gages medem deformação, mas o que realmente nos interesse é a tensão mecânica”, explica o gerente de produto Jens Boersch. Deformação mecânica descreve o grau no qual forças internas e externas são exercidas em um material. Um fator crucial disso são os pontos nos quais as forças atuam no material e suas respectivas intensidades. Estes estudos pertencem ao campo de aplicação chamado análise experimental de tensão (ESA – Experimental Stress Analysis).

Se um strain gage for contraído, sua resistência elétrica (Ω) diminui; se for esticado, a resistência aumenta.

Portanto, os strain gages geralmente são fixados nos matérias que estão sendo examinados em vários locais e conectados por um cabo a um amplificador de medição. Se o strain gage for estendido ou comprimido, a resistência elétrica do grid de medição muda. A razão é que quando o grid de medição é esticado, a corrente te que viajar uma distância maior, e o condutor que passa por ela também fica mais fino, aumentando ainda mais a resistência. A partir desta mudança na resistência, a deformação do SG pode ser determinada, expressa em µm/m. A propósito, a deformação também pode se referir à compressão, em outras palavras, em deformação negativa. Neste caso, a resistência é reduzida proporcionalmente

No entanto, deformação não é uma tensão mecânica. Para descobrir o que é, dois pontos importantes precisam ser considerados em primeiro lugar:

Coeficiente de temperatura α do material

Quando a temperatura ambiente muda, o material também muda. Esta alteração é designada pelo coeficiente de temperatura α. Por exemplo: quando um cilindro de aço é aquecido, ele se expande e, com ele, o SG colado sobre. “Esta deformação do material dependente da temperatura é precisamente o que não queremos medir”, diz Boersch. Para compensar este efeito, os strain gages são adaptados a um material específico e desenvolvidos de modo que possam exibir exatamente o comportamento de temperatura oposto. Em última análise, os dois efeitos se equilibram, compensando a deformação do material para que o strain gage possa medir apenas o que interessa: a deformação induzida pela carga externa do material. Isso refere-se como um SG auto-compensado ou SG com resposta de temperatura correspondente.

Módulo de elasticidade (módulo de Young)

Quando um material é submetido a uma carga, ele apresenta uma tensão mecânica (tensão mecânica é a força dividida pela área). Mas como é relacionada à deformação, que é gravada pelo SG? Esta correlação pode ser definida na forma de uma curva característica para diferentes materiais sujeitando amostras dos materiais a cargas sob condições controladas. Como uma regra geral, maior tensão mecânica é combinada com um aumento na deformação. Inicialmente esta correlação é linear. Isso é referido como a faixa elástica e a correlação é descrita pelo módulo de elasticidade.

Após certo ponto, entretanto, o material é tão fortemente deformado pela força atuante que não é mais capaz de retornar à sua condição original. Esta deformação plástica continua até o material quebrar. Apenas a faixa linear, onde não ocorre deformação plástica, é de interesse para a análise experimental de tensão.

Se o modulo de elasticidade de um determinado material é conhecido, a tensão mecânica pode ser determinada baseada na deformação: este é o objetivo das medições SG.

 

 

Esta geometria do SG (roseta) seria adequada, por exemplo, para medições biaxiais de tensão com uma direção conhecida.

Como os strain gages diferem um do outro?

“Existem algumas características importantes que diferenciam os strain gages: especialmente a geometria, o comprimento do grid de medição e a adaptação à temperatura”.

– Jens Boersch

A HBM oferece mais de 2.500 diferentes tipos de strain gages, que são selecionados conforme sua aplicação.

O que os diferencia é uma série de características, incluindo as mais importantes a seguir:

  • Geometria;
  • Comprimento da grade de medição;
  • Adaptação à temperatura.

Geometria

A geometria de um strain gage é definido por quantos grids de medição possui e seus alinhamentos. Dependendo do carregamento do material, podem ocorrer diferentes tensões a serem medidas: em tensões uniaxiais, há apenas uma direção de tensão conhecida. Este é um caso claro. Um grid de medição é o suficiente. Está alinhado de acordo com a direção da tensão principal.

Nas tensões biaxiais, múltiplas direções de tensão acontecem simultaneamente, como por exemplo, tensão, pressão, inclinação ou torção. Em alguns casos, o engenheiro de medição pode desconhecer a direção da tensão principal. Estão disponíveis strain gages com três grids de medição alinhados de forma diferente para estas aplicações. Isso torna possível a determinação da magnitude da tensão principal e secundária, bem como de suas direções.

Comprimento do grid de medição

Dependendo do material e da aplicação da medição, o comprimento do grid de medição desempenha um papel: por exemplo, ao medir a curva de tensão (gradiente de tensão) em uma peça de trabalho de força muito precisa. Neste caso, é melhor colocar inúmeros grids de medição mais curtos próximos uns aos outros para alcançar um grid fino ou analisar um ponto chave de forma precisa. Por outro lado, se a carga geral (média aritmética) é importante, um grid de medição mais comprido é suficiente.

Diferentes estruturas de superfície representam um desafio similar: concreto, por exemplo, é desigual e micro cristais estão inseridos neles. Se o grid de medição é muito curto neste caso, micro fissuras inseridas podem distorcer o resultado da medição porque um pequeno campo de tensão independente se aplica neste ponto. Para prever isso, deveria ser escolhido um grid de medição maior: a tensão medida é calculada ao longo do comprimento do grid de medição.

Adaptação à temperatura

A adaptação à temperatura dos strain gages para um material específico garante que a tensão causada no material pela mudança na temperatura é compensada conforme descrito acima. Portanto, é importante selecionar o SG correto para o material.

Outro critério de seleção

Além dos recursos descritos acima, existem alguns outros que devem ser mencionados aqui: os strain gages estão geralmente disponíveis com diferentes resistências mais comumente usadas (120, 350 ou 1000 ohms, etc.). Escolher a correta, muitas vezes depende das restrições da medição, por exemplo, os resistores completos que podem ser selecionados no amplificador ou nos pulsos de interferência antecipados. O material portador, o material condutor ou o tipo de conexão também pode variar. Alguns strain gages pode ser entregues pré-cabeados, enquanto que outros precisam ser soldados pelo usuário. Strain gages pré-cabeados tomam menos tempo e, portanto, reduzem os custos de configuração.

Usando strain gages

Alguns requisitos básicos devem ser atendidos para garantir que os strain gages funcionem corretamente: o mais importante é que sejam firmemente conectados com o material para que realmente possam participar de cada deformação deste material. Por conta disso, os strain gages são geralmente colados com adesivo, ou às vezes, também são soldados. Alguns pontos também devem ser considerados quando selecionar um adesivo, uma vez que, naturalmente, a consistência do adesivo altera com as variações de temperatura. A instalação do SG no material é uma pequena ciência por si: por exemplo, não são permitidas bolhas de ar entre o SG e o material ou entre o SG e o adesivo.

No entanto, os strain gages sozinhos são, praticamente, inúteis. “As mudanças na resistência são tão pequenas que elas sempre devem ser amplificadas antes de serem medidas”, explica Jens Boersch. Isso é feito pelos amplificadores de medição, que estão disponíveis em muitas diferentes variações para diferentes aplicações.

Campos de aplicação

Existem dois campos principais de aplicação para os strain gages: ou são usados na construção de transdutores ou para testar durabilidade. A construção de transdutores é um dos tópicos com um diferente propósito: por exemplo, é importante para o material do transdutor ser o mais livre de fadiga possível. O propósito dos strain gages é medir grandezas físicas operantes, como força ou torque.

A fadiga (que, se possível, não deve desempenhar nenhum papel na construção do transdutor) é o principal foco na análise experimental de tensão. O gerente de produto Jens Boersch: “A questão é: quando o material falha sob carga constante?”. Estas cargas são simuladas pelos ciclos de teste nos quais o material é submetido repetidamente a carregamentos. A carga é normalmente tão baixa que o material não é destruído imediatamente. Assim, ele varia dentro de uma faixa elástica, conforme descrito acima, onde a deformação e a tensão mecânica ainda são linearmente dependentes entre si.

A questão da fadiga é interessante em diversas áreas: nos testes de partes de aeronaves, em instalações de infraestrutura, como pontes ou vias férreas, ou mesmo em placas impressas de circuitos elétricos e placas-mães. Os componentes são cuidadosamente testados para se descobrir se a durabilidade necessária é fornecida para que possam resistir às cargas esperadas.

Aeronave no hangar com pontos de medição de strain gages.
Exemplo de aplicação 1: Testes de fadiga em estruturas de aeronaves.
Imagem esquemática de uma célula de carga.
Exemplo de aplicação 2: Construção de transdutor (neste caso, uma célula de carga tipo beam).
Uma ponte sobre a água.
Exemplo de aplicação 3: Ensaios em instalações de infraestrutura, como em pontes.

A curva de fadiga para os materiais a serem testados é conhecida por testes laboratoriais. Assim, ela pode ser prevista depois de um determinado número de ciclos de testes e sob qual carga o material irá falhar. O ciclo de vida do material é encurtado com cada carga. Quanto mais carros passando sobre uma ponte, por exemplo, mais próximo é o ponto onde um de seus componentes será danificado. Quanto mais pesada a carga, menos ciclos o material pode suportar. Caminhões pesados são cargas muito mais significativas do que pequenos carros.

“Esta é uma pergunta fascinante: qual será a carga que realmente prejudica o material”, diz Jens Boersch. “Esta é a questão-chave em uma aplicação que achei particularmente fascinante: estimar o tempo em que uma ponte ferroviária seria capaz de suportar a carga. Mas já estava em operação por décadas na época do teste. Os operadores da seção relevante foram capazes de olhar para o passado através de antigos documentos para retraçar exatamente quantos trens, pesando quanto, passaram pela ponte em todos esses anos. Isso foi realmente fascinante”.

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