PPGECV 3171 Instrumentação de Ensaios
Prof. Luis Alberto Gómez
Introdução
A forma tradicional de analisar partes estruturais de máquinas, edificações, veículos,
aeronaves etc. se baseia em cálculos da resistência do material.
Este método é satisfatório sempre que as componentes das cargas são conhecidas tanto
qualitativamente como quantitativamente. Aparecem problemas quando as cargas são
desconhecidas ou quando só podem ser aproximadas de forma grosseira.
Afortunadamente o risco de sobrecarga é compensado utilizando coeficientes de segurança
(sobredimensionando). As modernas estrategias de desenho, demandam economia de
material, em parte por motivos de custo e em parte para economia de peso. Para satisfacer
os requisitos de segurança assim como garantir um comportamento adequado do
compoente ao longo da sua vida, os esforços devem ser conhecidos. Disto surge a
necessidade de medições de esforços em condições operacionais.
A variavel utilizada na avaliação de partes estruturais é a tensão mecanica á qual o material
está sendo solicitado. Esta tensão mecanica é praticamente impossivel de ser medida em
condições operacionais (alguns esquemas de medição baseados em raios X foram
propostos, ficando porem muito longe de applicações práticas). Métodos práticos para a
determinação. de tensões em materiais são baseados na lei de Hooke (1635 - 1703). Hook
determinou a relação entre a tensão suportada pelo material e a deformação resultante. A
deformação especifica chamada de "strain", também, ocorre na superficie do objeto, e é
acesivel para medição.
A parte mais importante de determinação experimental das tensões; é baseada no principio
da medição da deformação ("strain").
No inicio complicados mecanismos mecanicos foram usados para medir as deformações.
As deformações eram mostradas através de alavancas com relações de 1000:1 ou maiores.
Ver Fig. 1.1.
Dispositivos deste tipo ou similares foram uitlizados por muito tempo para realizar as
medições que eram escensiais para a analise de tensões. A pesar do seu desenho
engenhoso e construção precisa, estes instrumentos apresentavam problemas intrinsecos
que restringiam severamente o range de aplicações nas quais poderiam ser ocupados:
STRAIN GAUGES - PARTE 1
1
PPGECV 3171 Instrumentação de Ensaios
Prof. Luis Alberto Gómez
Fig. 1.1: Tensometro de Huggenberger com mecanismo de duas alavancas.
-
-
Somente poderiam ser utilizados em fenômentos estáticos,
grandes forças eram necessarias para evitar que se produceram escorregamentos
sobre condições de vibração.
corpo de prova devia permanecer fixo em relação ao observador,
tamanho dos medidores era um problema em relação ao corpos de prova pequenos e
em alguns casos este tipo de medição era impossivel,
a base de medição relativamente grande, só fornecia resultados corretos quando.o
ensaio apresentava condições extremadamente uniformes. Condições de concentração
de tensões (em dobras por exemplo) não podeim ser medidas,
medições automáticas eram impossiveis.
Como resultado destes problemas, tecnicas de medição eletrica foram propostas.
1.1
Strain Gages Metalicos
Nos finais dos anos 30s se deu atenção ao efeito mencionado por Charles Wheastone em
1843 na publicação que apresentou seu circuito ponte. Este efeito é a mudança de
resistência num condutor eletrico devido aos efeitos de tensão mecânica. William Thomson
(1824-1905) (Lord Kelvin em 1892) avançou com alguns trabalhos publicados em 1856.
Muitos problemas tecnicos deveram ser resolvidos nos seguintes 80 anos para que
aplicações práticas deste fenómeno apareceram.
A mudancá de resistência de um fio eletrico submentido a esforços é muito pequena. Para
suas medições, Thomson usava um galvamometro muito sensitivo que não são adequados
para a maioria das aplicações tecnicas ou serrem utilizados na industria. Outro aspecto é
que os galvanometros só eram adequados para medições estáticas. Só foi possivel superar
estas dificuldades com o aparecimento de amplificadores eletronicos.
STRAIN GAUGES - PARTE 1
2
PPGECV 3171 Instrumentação de Ensaios
Prof. Luis Alberto Gómez
Fig. 1.2: O banco de probas de Thomson para a pesquisa da
mudança da resistencia eletrica de um consutor eletrico submetido
a esforços mecânicos.
Em 1938 dois pesquisadores (Edward E. Simmons e Arthur Claude Ruge) dos Estados
Unidos, trabalhando de forma independente, utilizaram o "Efeito Thomson" para propositos
de medir. Os trabalhos levaram ao desenvolvimento dos strain gage e as suas aplicações.
Simmons, trabalhando na California, com fios delgados de arame resistivo, formou bobinas
que colou num cilindro de aço e fabricou um dispositivo eletrico mara medir impulsos de
forças causados por impactos de pendulos, Fig. 1.3.
Arthur Claude Ruge (MIT) queira medir os as tensões e vibrações provocadas por
terremotos. Os metodos de medida de deformaçào disponivel na época, não podia ser
utilizado em modelos de parede muito delgada. Em uma ultima tentativa, Ruge colou um fio
eletrico muito fino em um papel e a conetou a cabos mais grossos. Para testar o prototipo,
ele o colou a uma viga submetida a flexão, e comparou a suas medições com os métodos
tradicionais, e ele encontrou um correlação linear entre os dois métodos, tanto para
medições positivas quanto para medições negativas (compressão) e estabilidade no zero.
STRAIN GAUGES - PARTE 1
3
PPGECV 3171 Instrumentação de Ensaios
Prof. Luis Alberto Gómez
Fig. 1.3: Mecanismo medição de forças de Simmons.
Neste momento o " strain gauge de resistência electrica de grade colada" foi inventado. A
forma origianl é parecida com a que é usada hoje.
Fig. 1.4:Arthur Claude Ruge, o inventor do strain gage trabalhando na sua bancada.
STRAIN GAUGES - PARTE 1
4
PPGECV 3171 Instrumentação de Ensaios
Prof. Luis Alberto Gómez
A principal diferença entre Ruge e Simmsons; é que a idea de Ruge na qual o fio de
medição era grudado em um material portador, produzindo um instrumento independente
que era fácil de manusear e poderia ser colado em quaisquer superficie, e não requeria
rebites ou outro mecanismo de fixaçào e não afetava as medições, perimtindo seu uso em
medições de objetops pequenos os primeiros prototipos dos strain gage foram superiores
aos antigos instrumentos em todos os aspectos.
Outro aspecto foi que a descoverta de Ruge levou a produção em massa dos Strain Gauges
também é importante destacar que muitos problemas de medição foram atacados e
resolvidos por Ruge.
Se pensou incialmente que a débil estrutura deveria ser fixa a um suporte firme, e os seu
pequenos fios de conexão serem protegidos. A figura Fig. 1.5 mostra os primeiros strain
gages produzidos em serie.
Fig. 1.5: Primeiro Strain gauge producido em serie
A demanda, especialmente da insustria aeronautica, era tão grande que este tipo de
construção foi abandonada (a produção era de 30000 strain gauges / mes em 1941). A
experiência demonstrou que esta complicada estutura de suporte não era necesaria e o
modelo simplificado da Fig. 1.6 foi introduzido. Este desenho permanece com pequenas
modificações ate hoje.
Fig. 1.6: Strain gage com sua grade de medição
Nos anos seguites várias modificações foram testadas para aumentar a produção. Uma das
mais que devem ser mencionadas é a tecnica de circuito impresso sobre um substrato de
papel (Paul Eisler em 1952)[1.6].
STRAIN GAUGES - PARTE 1
5
PPGECV 3171 Instrumentação de Ensaios
Prof. Luis Alberto Gómez
Fig. 1.7: Caracteristica de um Strain Gauge metálico.
Comparada com a tecnica de bobinas, este método aumenta substancialmente as
posibilidade de desenho dos strain gauges, já que quaisquer forma pode ser executada.
Fig. 1.8: Exemplos de desenho strain gage a)
Rossete em ponte b) Ponte de strain gage com
elementos de compensação.
Os strain gages são fabricados em um grande numero de configurações para serem
adequados as mais dificis tarefas de medição.
As principais áreas de aplicação dos strain gages são:
- Analise experimental das tensões, incluindo medições em modelos, biomecánica fabricação de transdutores.
A versatilidade dos strain gauges fez com que sejam amplamente utilizados no camo da
analise experimental de tensões. Sua alta precisão fez com que sejam atrativos tambem
para os fabircantes de transdutores: células de carga, penetrometros, medidores de
deslocamentosould be obtained which made the strain gage attractire for transducer
manufacture. Both wound-wire and foil types produce straingages which are known as metal
strain gages due to their metal alloy measuringgrids.
1.0.2
Semiconductor strain gages
Alem dos strain gages metálicos existem outros tipos de strain gages resistivos. Os strain
gages semicondutores, pertencem a esta categoria e estendem o rage de aplicações que
podem ser atacadas utilizando straing gauges. O principio de medição e o efeito
piezoresistivo descoberto por por C.S. Smith em 1954. Inicialmente se utilizou o
germanio(Ge) e depois o silicio(Si).
A construção dos strain gages de semicondutor é a mesma que para os strain gages
metálicos. O elemento de medicão é uma tira de algumas décimas de mm de lagura e
STRAIN GAUGES - PARTE 1
6
PPGECV 3171 Instrumentação de Ensaios
Prof. Luis Alberto Gómez
algmas milesimas de milimetro de espessura, fixados num suporte adequado e provisto dos
conetores. O efeito diodo é evitado usando fios de ouro para as conexões.
Fig. 1.9: Representação esquematica de strain gage semicondutor.
O fator de gage (gage factor) ( relação entre a deformação medida e e o sinal de saída) de
strain gages semicondutores, é nomalmete 50 a 60 vezes maior do que de strain gages
metálicos. Em conseqüência são os preferidos na maioria das aplicações, já que requerem
amplificadores muito simples.
Os strain gages semiconductores não são amplamente utilizados em analises experimental
de estruturas, já are que:
-
-
apresentam características não lineares (o que obriga a instalar elementos
compensadores)
os strain gages semiconductores são mais caros.
por causa da sua grande sensibilidade são mais afetados por fatores externos
(temperatura, cross-strain etc.) do que os strain gages metálicos e estes efeitos são
mais dificeis de compensar
o manuseio é mais dificil
Por outro lado, a alta sensibilidade é o principal motivo para a utilização dos strain gages
semiconutores na medição de deformações muito pequenas.
1.3 Thin-film strain gages (Vapor deposited Strain Gauges)
Um terceiro tipo de strain gage resistivo se obtem através de métodos de deposição de
vapor. Aqui o elemento de medição é diretamente depositado no ponto de medição sob
vacuo pela vaporização da liga. As aplicações se limitam à produção de transdutores.
STRAIN GAUGES - PARTE 1
7
PPGECV 3171 Instrumentação de Ensaios
Prof. Luis Alberto Gómez
Fig. 1.10: Thin-film strain gage montados sobre o transdutor.
A fabricação de strain gages através das técnicas de deposição de vapor não deu
resultados saatisfatórios e varias tentativas foram abandonadas.
1.4 Strain gages Capacitivos
Foram desenvolvidos quase simultaneamente em três locais:
1 . Na Inglaterra foram desenvolvidos pela Central Electricity Research Laboratories
(C.E.R.L.) junto com a empresa Planer. Um capacitor com forma de palcas é utilizado, e a
separação entre placas é utilizada para medir o strain.
Os strain gage capacitivos são tidos como uma alternativa aos strain gages convencionais
para uso em altas temperaturas.
Fig. 1.11: Diagrama de um strain gage
2. Nos Estados Unidos foram desenvolvidos pela Boeing Aircraft que desenvolveu um
capacitor diferencial.
Fig. 1.12: Diagrama de um strain gage capacitivo (Boeing).
3. Um desenvolvimento alemão estava baseado num capacitor plano.
STRAIN GAUGES - PARTE 1
8
PPGECV 3171 Instrumentação de Ensaios
Prof. Luis Alberto Gómez
A promcipal aplicação dos straing gauges capacitivos são aquelas que envolvem altas
temperaturas 500 oC até 800 oC, onde os strain gauges resistivos falham.
Fig. 1.13: Diagrama dos strain gage capacitivos planos.
As tecnicas de medição dos strain gauges capacitivos são muito diferentes das dos strain
gauges resistivos e não serão abordadas nesta apostila.
1.5
Strain Gauges Piezoeletricos
Os strain gauges piezoelectricos são dispositivos ativos (em oposição aos resistivos que
são passivos). Compostos de bario são utilizados como material para os sensores. Da
mesma forma que outros transdutores piezoeletricos (usando quarzo) como material dos
sensores (acendedores de fogões a gas por ex.), este tipo de strain gauge proporciona uma
carga eletrica nos seus extremos que é proporcional à deformação que pode ser medida por
disositivos medidores de carga. Somente medições estáticas são possiveis. Por estes
motivos são raras as aplicações que utilizam este tipo de strain gauges.
1.6
Strain Gauges Fotoelasticos
Uma tira de material exibe uma campo cromatico, que se modifica a medida de que a tira é
submetida a esforços. Comparado com uma escala, da uma ideia da deformação à qual a
tira está submetida. Muito pouco utilizada nos dia de hoje.
1.7
Strain gages Metalicos
These devices occur relatively infrequently, but they have a long tradition. Cn account of
their construction they can usually only be applied to larger objectá, The measurement effect
is shown by a trace scratched on a metal plate or on a glass cylinder, which however can
only be evaluated at the end of the test under a microscope. This disadvantage is offset
somewhat by the large temperature range. The recorded measurement can still be read for
example, if the transducer is subject to a fire following an accident [1.16].
STRAIN GAUGES - PARTE 1
9
PPGECV 3171 Instrumentação de Ensaios
Prof. Luis Alberto Gómez
Fig. 1.14: Mechanical extensometer (from [1.161)
1.8
Outros sistemas
Existem muitos dispositivos que são designados com "transdutores de deformação". Strain
gages baseados em sistemas resistivos, indutivos (LVDTs) e os métodos dos cabo vibrante
todos pertencem a este grupo, que inclui metodos óticos (interferometros e de fibra ótica).
Na maioria dos casos, a saída dos trandutores, não é proprocional à deformação especifica,
e sim a deformação absoluta. A deformação especifica (strain) tem que ser calculado,
dividindo a medição pelo comprimento base.
STRAIN GAUGES - PARTE 1
10