ILHA SOLTEIRA
XII Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica - 22 a 26 de agosto de 2005 - Ilha Solteira - SP
Paper CRE05-AN03
PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE AQUISIÇÃO PARA EXTENSOMETRIA
Carolina B. Medeiros e Dayson R. Waldschmidt
UFSC, Departamento de Engenharia Mecânica, Grupo de Análise e Projeto Mecânico
Trindade / Caixa Postal: 476 - Florianópolis/SC - 88040-900
E-mail para correspondência: [email protected]
Introdução
As propriedades mecânicas dos materiais são avaliadas a partir de modos de falhas. Um deles é o de
fluência, o qual materiais viscoelásticos são submetidos a carregamento constante e a deformação conseqüente,
ao longo do tempo, é acompanhada através do uso de um sistema de aquisição baseado em extensômetros.
O sistema de aquisição é composto de cinco blocos:
ƒ Sinal de entrada: transdutor ou sensor;
ƒ Filtragem e Amplificação;
ƒ Transporte;
ƒ Tratamento do Sinal;
ƒ Sinal de Saída: banco de dados ou gráficos em um microcomputador.
Objetivos
O presente trabalho visa discorrer sobre o sistema de aquisição para extensometria projetado e desenvolvido
no âmbito do GRANTE – Grupo de Análise e Projeto Mecânico, laboratório do Departamento de Engenharia
Mecânica da UFSC, sob orientação do Prof. Edison da Rosa.
Metodologia
A origem do projeto parte do sinal de entrada que consiste em extensômetros. Estes são sensores que variam
sua resistência elétrica quando submetidos à deformação mecânica. Matematicamente, eles seguem o Fator Gage
(“Gage Factor”) que representa a variação de resistência elétrica com a deformação; este fator é apresentado na
Eq.(1). Na equação GF significa o Fator Gage; dR/R, a razão entre a variação da resistência elétrica do
extensômetro e o seu valor nominal; e ε a deformação mecânica.(Geórgia, 2004)
(1)
Não é usual medir-se variação de resistência elétrica. O artifício mais difundido é o uso de uma ponte de
Wheatstone para que a variação da resistência possa ser interpretada através da variação de tensão na saída da
ponte. Para os ensaios de fluência, a configuração ponte completa é utilizada e é apresentada na Fig. 1 abaixo.
Nesta configuração, são utilizados extensômetros em todos os ramos da ponte.
A tensão de saída da ponte, denotada na Fig. 1 por “e”, é da ordem de μV(10-6V) a mV(10-3V). Estes níveis
de tensão são de difícil mensuração por voltímetros comuns e são muito susceptíveis a ruídos irradiados e por
condução. Portanto, foi projetada uma etapa de filtragem e amplificação do sinal.
Figura 1 – Ponte de Wheatsonte Completa com Quatro Extensômetros
Filtragem e Amplificação
Para tal fim, um amplificador de instrumentação se mostra ideal. Este dispositivo eletrônico amplifica o
sinal e sua referência de tensão, e após, subtrai-os. Assim, o ruído presente nos dois sinais será anulado. Um
circuito integrado, INA114BP (Texas, 2005), é utilizado para este fim. É um componente compacto, de apenas
oito pinos, que realiza a função de três amplificadores operacionais com a adição de dois componentes passivos,
o resistor de ganho e um capacitor de desacoplamento. A grandeza do sinal do INA está na faixa de 0 a 5V.
Transporte
Em sistemas onde a relação sinal-ruído não é crítica, o parâmetro transporte não é considerado. No caso da
extensometria, a ausência dele, pode levar a perda total do sinal. O sistema de transporte é composto de dois
dispositivos: um, o transmissor e receptor de corrente elétrica; e o outro, cabos de par trançado. O transmissor,
XTR106 (Texas, 2003), converte a tensão de 0 a 5V em corrente de 4 a 10mA(10-3A). Este procedimento é
realizado para eliminar as perdas por queda de tensão ao longo do fio. O sinal em corrente é praticamente isento
de perdas para este faixa de valores.
O sinal do transmissor ao receptor é transportado por fios de par trançado que reduzem o efeito de
indutâncias parasitas na linha. A facilidade do conjunto transmissor-receptor permite que o sinal, alimentação e a
referência sejam transportados por apenas dois fios. No receptor, o integrado RCV420 (Texas, 2003), o sinal será
convertido em tensão novamente, de 0 a 5V.
Tratamento do Sinal
Na mesma placa de circuito impresso do receptor, estão presentes o multiplexador, o conversor analógicodigital e o microcontrolador. O conversor analógico-digital converte o sinal de tensão analógica em palavras
digitais de 10bits. A digitalização é mais um dispositivo utilizado em metrologia para imunizar o sinal dos
ruídos. Os sinais digitais são levados ao multiplexador que lê até dezesseis canais de pontes de Wheatstone em
seqüência, disponibilizando a realização de vários ensaios independentes.
O microcontrolador tem importantes funções no sistema de aquisição: ele controla o conversor analógicodigital, o multiplexador e controla a comunicação da placa com o microcomputador através da RS232 (porta
serial) e da plataforma SPI do microcontrolador PIC16F877A.(Microchip, 2003)
Comunicação realizada, os dados poderão ser visualizados em gráficos e armazenados em bancos de dados
para pesquisas de mestrado e doutorado.
Resultados
Os resultados foram satisfatórios para sinais simulados com fontes de tensão nos mesmos níveis de tensão
da Ponte. Os resultados aplicados aos ensaios de fluência dependem da finalização dos transdutores
desenvolvidos por mestrados e doutorandos para que sejam obtidos.
Conclusões
Em suma, o sistema desenvolvido é de relevante importância para ensaios dos modos de falha, em especial
ao ensaio de fluência, que será ferramenta indispensável para a pesquisa no laboratório. Assim, teremos um
dispositivo nacional, de baixo custo e acessível à manutenção e à atualização segundo a demanda, o que não
ocorre com outros equipamentos de aquisição existentes.
Referências Bibliográficas
D. D. Anderson; A. J. Rosakis. “Comparison of three real time techniques for the measurement of dynamic
fracture initiation toughness in metals”. Engineering Fracture Mechanics, v.72, Issue 4, 535-555p, March
2005.
GRANTE/EMC/UFSC, “Apostila: Extensometria”, 47p., Florianópolis, Brasil, 2005.
Georgia Institute of Technology, School of Aerospace Engineering. “AE3145 Resistance Strain Gag Circuits”,
27p., Georgia, USA, 2004.
Microchip Technology, Inc., “Datasheet: Enhance Flash Microcontroller”, USA, 2003.
Texas Instruments, Inc., “Datasheet: Precision Instrumentation Amplifier”, 14p., Texas, USA, 2005.
Texas Instruments, Inc., “Datasheet: XTR106 - 4-20mA Current Transmitter with Bridge Excitation And
Linearization”, 14p., Texas, USA, 2003.
Texas Instruments, Inc., “Datasheet: Precision 4mA to 20mA Current Loop Receiver”, 14p., Texas, USA, 2003.