Quais cabos de conexão usar para aplicações de strain gauge elétrico em testes experimentais

Existem muitos cabos disponíveis no mercado que podem ser usados para aplicações de strain gauge.

O sucesso de uma medição depende dos cabos de conexão corretos. Eles não apenas precisam transferir os sinais de medição do sensor para o sistema DAQ, mas também precisam evitar sinais de interferência e resistir ao estresse durante o uso.

Idealmente, o cabo não tem influência na medição da tensão. Na realidade, no entanto, cabos/fios podem ter influência no sinal de medição. Os efeitos dos cabos podem ser minimizados para um nível aceitável. A HBM oferece uma ampla variedade de diferentes cabos de medição e fios trançados de pequena escala para uma ampla gama de aplicações.  Existem alguns pontos importantes a serem considerados ao selecionar o cabo certo para sua aplicação:

Os cabos de múltiplas vias com revestimento de estanho são usados principalmente para aplicações de strain gauges. Normalmente, os condutores de cobre são usados como cabos (padrão mais comum devido à boa relação preço/condutividade).

O sinal de medição de tensão em uma configuração de quarto de ponte é muito sensível:

  • Uma tensão de excitação típica para um strain gauge em quarto de ponte é de 2,5 V

  • A tensão aplicada ao strain gauge cria uma saída de tensão da ponte relativamente baixa!

(0,000125V para a tensão de 100 µm/m, respectivamente, 0,0025V para a deformação de 2000 µm/m). Isto é visualizado nos gráficos abaixo para uma aplicação de quarto de ponte típica.

Este sinal de tensão medido não deve ser interferido por sinais externos. Esta é a razão pela qual o cabo de medição correto é absolutamente necessário!

Sinal de saída em tensão da ponte com sinal de deformação de 100µm/m:


1 Função dos cabos

Conexão entre o sensor e o amplificador

 

  • Fornecer energia para excitar o circuito do strain gauge
  • Transmitir o sinal de medição do sensor para o sistema DAQ
  • Função de proteção contra interferências externas

2 Interferências / Impactos no cabo de medição


3 Os requisitos de um cabo para aplicações de strain gauge em resumo

  1. Baixa resistência (geralmente) e baixa capacitância
  2. Bom isolamento
  3. Boa proteção mecânica
  4. Bom manuseio (flexibilidade)
  5. Resistência à temperatura para a aplicação e baixa influência de mudanças de temperatura
  6. Boa soldabilidade dos fios
  7. Requisitos de segurança (à prova de fogo, etc.)
  8. Robustez mecânica
  9. Robustez contra diferentes meios (água, óleo, solventes, etc.)

4 Requisitos ambientais para cabos/fios:

O revestimento e o isolamento do cabo influenciam a faixa de temperatura à qual eles podem ser expostos. O diagrama a seguir mostra a faixa de temperatura típica dos cabos, dependendo do revestimento.

  • Para a maioria das aplicações, os cabos com isolamento de PVC são adequados; eles oferecem uma excelente relação preço/desempenho (até 80 °C)

  • Para temperaturas médias, os cabos TPE são uma boa opção (até 150 °C)

  • Para temperaturas mais altas, recomendamos o uso de cabos PFA (até 250 °C) ou cabos revestidos com poliimida (> 300 °C)

  • Em baixas temperaturas, os cabos padrão podem ficar quebradiços. Isto é especialmente crítico quando eles são usados em ambientes de teste dinâmico. Recomenda-se o uso de cabos com revestimento de PTFE, PI ou fibra de vidro neste caso.

Existem muitos outros requisitos em cabos, como resistência a diferentes fluidos e inflamabilidade. A tabela a seguir fornece uma visão geral dos revestimentos de cabos/materiais de isolamento típicos e sua faixa de temperatura:


5 Diâmetro do condutor:

  • O diâmetro do fio tem uma enorme influência na resistência. A tensão de excitação de uma ponte de strain gauge gera uma corrente que aquece o condutor. Quanto menor o diâmetro, maior o aumento da temperatura no condutor.

  • Para minimizar erros, o maior diâmetro possível de fio deve ser usado para minimizar o efeito da resistência do cabo em aplicações de strain gauge e os efeitos térmicos do cabo.

  • Em algumas aplicações, são necessários cabos finos para reduzir a inércia/peso ou permitir um pequeno raio de curvatura.

  • Os cabos longos do sensor geralmente exigem diâmetros de fio maiores.

Um cabo de pequeno diâmetro deve ser usado no strain gauge para reduzir a quantidade de solda e o estresse parasitário no gauge. No entanto, deve-se levar em consideração que estes fios finos afetam a estabilidade e a sensibilidade do circuito.

  • Um terminal de solda pode ser usado como ponto de interseção entre o cabo de medição e o fio de conexão do strain gauge. Este método permite a transição de um cabo de pequeno diâmetro para um cabo com um diâmetro mais grosso:

Strain gauge conectado com a tecnologia patenteada de 4 fios da HBM:

O que é a configuração de 4 fios patenteada da HBM?

Somente o circuito de 4 fios, ou o circuito Kreuzer patenteado pela HBM, permite compensar diferentes resistências de cabo. Uma corrente elétrica conhecida flui através do resistor por dois dos condutores. A queda de tensão no resistor RKab1 é corrigida (em alta impedância) por meio de dois fios adicionais.

O circuito Kreuzer mede a tensão no resistor RKab2 e a adiciona à excitação. A tensão e, portanto, a corrente através do resistor de completação Rerg são independentes da resistência do cabo. Erros de ponto zero e sensibilidade resultantes de efeitos de cabo são compensados eletronicamente.

https://www.hbm.com/pt/3458/como-compensar-corretamente-a-resistencia-dos-cabos/

Dicas para decapar fios de strain gauges

1 Retire termicamente 5 mm de isolamento do fio a ser conectado ao extensômetro.

A decapagem térmica evita danos que podem ocorrer devido à decapagem mecânica com um alicate.

2 Estanhe a ponta do fio com solda.

3 Apare o condutor estanhado para que não estenda o suporte do gauge após a soldagem (1-3 mm, dependendo da geometria do strain gauge).


6 Número de condutores

1 fio: Conexões entre strain gauges e terminais de solda

3/4 fios: Para aplicações de quarto de ponte (apenas 4 fios mostrados) ou pontes completas:

5 fios: Aplicações de meia ponte

6 fios: Aplicações de ponte completa


7 comprimento do cabo

  • Na medição do strain gauge, os comprimentos dos cabos variam de alguns centímetros a centenas de metros.
  • Use cabos trançados e blindados para minimizar a interferência eletromagnética
  • Geralmente, mantenha o comprimento o mais curto possível para minimizar a interferência térmica e eletromagnética.
  • Para longas distâncias, escolha diâmetros de condutor maiores para manter baixa a influência da resistência.
  • Se os sinais são transmitidos com alta frequência e CC, também é recomendado um fio de baixa capacitância.

Qual é a diferença entre um amplificador DC e um de frequência portadora?

Amplificador DC

  • Contém um gerador que fornece uma tensão CC estabilizada para alimentar o circuito da ponte
  • Amplifica sinais estáticos e dinâmicos até altas frequências
  • Na prática: geralmente máx. 10 kHz; frequências mais altas resultam de pulsos de interferência que não devem influenciar o sinal de medição

Desvantagem: A interferência (causada por campos elétricos ou magnéticos, bem como tensões termoelétricas e galvânicas no circuito de medição) é totalmente amplificada.

  • Erro no resultado da medição
  • É necessária blindagem elétrica ou magnética
  • Ou correção matemática de tensões termoelétricas

Amplificador de frequência portadora

  • O gerador fornece uma tensão alternada estabilizada em tensão e frequência para alimentar o circuito da ponte
  • Tensão de saída = tensão alternada cujas amplitudes são proporcionais a um desequilíbrio de ponte (modulação de amplitude)
  • Seleção de frequência para que apenas a frequência da tensão de alimentação seja amplificada (interferências não influenciam)
  • Frequências portadoras comuns:
    • 225 Hz: Medição de processos estáticos e quase estáticos (até 9 Hz)
    • 5 kHz: Medição de processos estáticos e quase estáticos (até 1 kHz)

Desvantagem: Largura de banda limitada

8 Proteção do cabo ao redor do strain gauge para condições adversas

  • Conexão à prova de umidade entre o fio e o revestimento protetor.  Portanto, é necessária uma adesão máxima entre o agente de cobertura e o cabo de conexão e a superfície do material
  • Os cabos fluoropolímeros devem ser previamente gravados para permitir a vedação adequada do cabo de medição
  • Cabos especiais com fita de bloqueio de água são recomendados para submersão na água (entre em contato com a equipe de assistência da HBM)
  • Garanta um comprimento mínimo do agente de proteção ao redor do acesso ao cabo para maximizar a distância de fluência e garantir que os pontos críticos sejam selados

9 Dinâmica de teste

  • Para medições de alta dinâmica, devem ser utilizados fios de jumper. Os cabos de ligação em ponte consistem em muitos condutores simples de fio fino cercados por um isolamento realmente flexível.
  • O cabo sólido deve ser usado apenas em objetos estáticos (por exemplo, para interconexões de pontes)

10 Conclusão

  1. Use o cabo de diâmetro máximo
  2. Use cabo de baixa resistência e baixa capacitância
  3. Minimize os comprimentos dos cabos, se possível
  4. Use o diâmetro mínimo diretamente no strain gauge
  5. Escolha o cabo certo, dependendo do cenário de teste
  6. Use cabos flexíveis
  7. Use cabos com blindagem condutora
  8. Garanta o aterramento adequado da blindagem
  9. Garanta a gaiola de Faraday para a cadeia de sinal de medição
  10. Roteamento cuidadoso de fios
  11. Fios trançados
  12. Não coloque os cabos de alimentação principais próximos ao cabo de medição em um cabo (cruzamento de 90 ° das linhas de energia e das linhas de sinal de medição)
  13. Remover fontes de ruído
  14. Use amplificadores de frequência portadora
  15. Use os filtros corretos
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