Strain Gage

Strain Gage

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO 4

2 EXTENSOMETRIA 4

3 SENSOR ELÉTRICO DE RESISTÊNCIA – O STRAIN GAGE 6

3.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO – PONTE DE WHEATSTONE 7

3.2 VANTAGENS E CUIDADOS A SEREM TOMADOS 11

4 CONCLUSÃO 12

5 REFERÊNCIAS 13

ANEXOS 14

1 INTRODUÇÃO

A preocupação com a análise das patologias nas construções é antiga e acompanhou a evolução do processo construtivo: as estruturas tornaram-se mais arrojadas, os materiais de construção evoluíram, assim como as alvenarias. Com isso novos fenômenos patológicos estruturais foram sendo observados, principalmente no que se refere à estrutura. Tais fenômenos, muitas vezes não previstos corretamente, tratam-se das deformações estruturais. Assim surgiu a importância em conhecê-las e monitorá-las.

É sabido que quando um corpo é submetido à ação de uma força externa sofre uma deformação, possível de ser mensurada enquanto o corpo permanecer em seu domínio elástico.

Para tal procedimento de medição existe a Extensometria, uma técnica que utiliza células de carga para obter informações e monitorar as deformações e tensões as quais um corpo é exposto, sendo também útil para o desenvolvimento de sensores de precisão e transdutores aplicados como medidores de força, pressão e torque.

A importância da extensometria não se restringe à coleta de dados, mas também ao estudo sobre o esforço máximo que um corpo, a estrutura, por exemplo, suporta.

Existe diversos tipo de sensores responsáveis por essa análise: mecânicos, magnéticos, ópticos e elétricos. Neste último se enquadra o chamado strain gage, um sensor elétrico atrativo por sua versatilidade e precisão. Trata-se do objeto de estudo desse trabalho, que visa esclarecer seu funcionamento e aplicabilidade na Engenharia Civil.

2 EXTENSOMETRIA

Trata-se de uma técnica utilizada para analisar experimentalmente as tensões e deformações em estruturas mecânicas e de alvenaria. Essas são apresentadas nas estruturas devido aos carregamentos e efeito da temperatura. Como já foi citado, conhecer a extensão destas e monitorá-las constantemente é muito importante.

Os chamados extensômetros elétricos são dispositivos para medir deformações cujo principio é transformar pequenas variações nas dimensões em variações equivalentes em resistência elétrica. Tal princípio será aprofundado posteriormente.

A medida de deformação é realizada colando um extensômetro na estrutura de interesse, de forma que maior vantagem desta técnica é não modificar ou prejudica-la durante o estudo.

As características das medidas com extensômetros são resumidas abaixo (Disponível em: <www.nepae.feis.unesp.br/Apostilas/Extensometria%20basica.pdf>, acesso em 26 de maio de 09.):

  • Alta precisão de medição;

  • Pequeno tamanho e pouco peso;

  • Excelentes respostas aos fenômenos dinâmicos;

  • Fácil utilização desde que conhecida a boa técnica;

  • Excelente linearidade;

  • Medições possíveis dentro de uma ampla faixa de temperatura;

  • Aplicáveis submersos em água ou em atmosfera de gás corrosivo desde que utilizado tratamento apropriado;

  • Usados como elementos transdutores para medidas de várias quantidades físicas (força, pressão, torque, aceleração, deslocamento);

  • Possibilita a medida de locais remotos;

  • A saída (sinal analógico, ou após transformação em sinal digital) pode ser aplicada à engenharia de controle.

Esses extensômetros elétricos dividem-se em três grupos: (Disponível em: <www.dec.fct.unl.pt/seccoes/S_Estruturas/Mecanica_Meios_Continuos/upgrade/I_extensometria.pdf> , acesso em 26 de maio de 2009):

  • Extensômetros elétricos de indução: baseados na variação da impedância do circuito de um solenóide quando submetido a uma deformação;

  • Extensômetros de semicondutores: que se baseiam na propriedade que exibem certos materiais não metálicos de variarem a resistência sob a ação de deformações.

  • Extensômetros elétricos de resistência, o strain gage: que se baseiam na variação da resistência elétrica de um condutor (circuito) quando submetido a uma deformação.

3 SENSOR ELÉTRICO DE RESISTÊNCIA – O STRAIN GAGE

O strain gage possui grande utilidadeno ramo da Engenharia. Trata-se de um sensor elétrico cujo principio de funcionamento é baseado na variação da resistência quando submetido a uma deformação.

Consta essencialmente de uma grade metálica sensível, ligada a uma base que se cola à peça ou estrutura que se deseja monitorar. O fio sensível tem, na maioria dos extensômetros, um diâmetro aproximado de 0,01mm e é constituído por ligas metálicas especiais. A grade fica embebida entre duas folhas de papel ou dentro de uma fina película de plástico. Nas extremidades do fio sensível estão soldados dois outros de maior diâmetro que constituem o elemento de ligação do extensômetro ao circuito de medição (Disponível em: <www2.dbd.puc-rio.br/pergamum/tesesabertas/0221071_07_cap_03.pdf>, acesso em 27 de maio de 2009).

Existem dois tipos básicos de strain gages:

  • Wire gage: extensômetro de fio;

  • Foil gage: extensômetro de película.

Figura 1 – Strain Gages

Fonte: Disponível em <www.nepae.feis.unesp.br/Apostilas/Extensometria%20basica.pdf>, acesso em 27 de maio de 2009.

3.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO – PONTE DE WHEATSTONE

As primeiras aplicações da extensometria ocorreram por volta de 1856 quando Thomsom (Lord Kelvin) realizou experimentos com ferro e cobre e concluiu que a resistência elétrica de ambos mudava quando estes sofriam deformações. Para tal procedimento, ele utilizou a chamada "Ponte de Wheatstone" e um galvanômetro (indicador).

Porém foi só a partir do século passado que o strain gage passou a ser considerado o único sistema de medição de deformação que contempla todas as propriedades requeridas para o desempenho ótimo, capaz de fornecer medidas com precisão de 10-6 mm/mm (“Solo Grampeado: ensaios, mecanismos e monitoramento”..., disponível em: <www2.dbd.puc-rio.br/pergamum/tesesabertas/0221071_07_cap_03.pdf> , acesso em 27 de maio de 2009).

Como sabemos, um extensômetro elétrico transforma uma deformação, numa variação proporcional da sua resistência elétrica, de forma que a relação entre a deformação aplicada () e tal variação de resistência é dada por:

Onde R0 é a resistência inicial do extensômetro, é a variação dessa resistência devido à deformação e é o chamado fator do extensômetro, um valor característico de cada tipo e calculado experimentalmente.

A ponte de Wheatstone está representada na Figura 2:

Figura 2: Ponte de Wheatstone

Fonte: Disponível em:

<www.dec.fct.unl.pt/seccoes/S_Estruturas/Mecanica_Meios_Continuos/upgrade/I_extensometria.pdf>, acesso em 27 de maio de 2009).

O circuito da ponte contém quatro resistências, a . Se os nós e forem ligados a uma fonte de potência com voltagem conhecida, aparecerá uma outra diferença de potencial , entre os nós e . O valor de depende dos quocientes entre resistências e . Tem-se então a seguinte equação:

A ponte de Wheatstone está em equilíbrio quando:

Assim é necessário que se verifique:

ou

Partindo então do princípio que uma dada ponte de Wheatstone está equilibrada, qualquer variação de resistência em uma ou mais resistências da ponte, provocará uma diferença de potencial diferente de zero.

Sabe-se também que a resistência elétrica está relacionada com o comprimento e área transversal de um dado material da seguinte forma:

A partir daí é fácil concluir que quando uma barra metálica sofre uma variação do seu comprimento, por tração ou compressão, também acarreta uma variação do seu volume, resultando a diminuição (no caso da tração) ou um aumento (no caso da compressão) da área da seção transversal desta barra, e consequentemente variando sua resistência.

A ponte de Wheatstone converte essa variação de resistência em uma tensão na saída, da ordem de mV ou V; esses dados de variação podem ser coletados por diferentes voltímetros e até mesmo ser processado num microcomputador para um melhor monitoramento do objeto analisado.

São três as maneiras de utilizar as pontes de Wheatstone associadas à strain gages, de forma que os extensômetros ocupem o lugar de uma das resistências da ponte. A Figura 3 as ilustra:

Figura 3 – Associações possíveis da ponte de Wheatstone

Fonte: Disponivel em: <www.dec.fct.unl.pt/seccoes/S_Estruturas/Mecanica_Meios_Continuos/upgrade/I_extensometria.pdf> acesso em 27 de maio de 2009).

Outro tipo de associação de extensômetros é a do tipo roseta, geralmente usada para medir duas ou três componentes planas da deformação, pois um extensômetro só pode medir efetivamente a deformação em uma direção. Assim, para determinar as componentes independentes de uma deformação plana, outras medidas linearmente independentes devem ser realizadas por dois ou três extensômetros, com a forma de roseta (ver Figuras 8 e 9 do Anexo 1) (Disponível em http://www.fem.unicamp.br/~instmed/Deformacao_Torque.htm, acesso em 29 de maio de 2009). Outras associações possíveis são:

  • Extensômetro tipo diafragma: utilizado para medir deformações em duas direções diferentes, associação constituída de quatro strain gages sobre uma mesma base;

  • Extensômetro para medir tensão residual: composto de três strain gages sobre uma base, devidamente posicionados para utilização do método de medição de tensão residual;

  • Extensômetro para transdutores de carga (strain gage load cell): dois extensômetros dispostos lado a lado sobre a mesma base, sendo assim utilizados em células de carga (medição de tensão e compressão).

3.2 VANTAGENS E CUIDADOS A SEREM TOMADOS

Para uma adequada medição da variação da resistência nas associações de strain gages e ponte de Wheatstone é necessário considerar alguns fatores, como por exemplo: os cabos elétricos utilizados para montagem do circuito e instalação do extensômetro, terminais dos extensômetros, compensação da variação da temperatura, etc.O bom desempenho do strain gage vai depender destes fatores.

Os adesivos normalmente utilizados na colagem de strain gages podem ser nitrocelulose, cianacrilato, cerâmicos e fenólicos (“Solo Grampeado: ensaios, mecanismos e monitoramento”..., disponível em: <www2.dbd.puc-rio.br/pergamum/tesesabertas/0221071_07_cap_03.pdf> , acesso em 27 de maio de 2009). Eles devem apresentar elevada resistência mecânica, boa aderência, facilidade de aplicação e baixa sensibilidade ao efeito da temperatura sobre o seu desempenho.

Considerando-se que a temperatura gera deformações em corpos sólidos e que estas poderiam ser confundidas com a provocada pela ação da força a ser medida, há necessidade de se "compensar" os efeitos de temperatura através da introdução no circuito de Wheatstone de resistências especiais que variem com o calor de forma inversa a dos extensômetros (ANTES, Marcos A. ”Célula de Carga”, Universidade de Caxias do Sul, Caixas do Sul, 2004, Disponível em: < www.ucs.br/ccet/demc/vjbrusam/inst/celula.pdf> acesso em 27 de maio de 2009). Outra grande vantagem deste tipo de extensômetro é ser capaz de substituir outros tipos quando de trata de locais de difícil acesso, também é de fácil manuseio e análise e não compromete a estrutura durante o processo de instalação.

4 CONCLUSÃO

Os strain gages possuem outras inúmeras aplicações que vão além de medir deformações, de forma que grandeza física capaz de produzir uma variação de resistência elétrica pode em princípio ser analisada através deste sensor: deslocamento, força, torque, aceleração, temperatura, vazão, pressão, etc.

Por substituir outros tipos de sensores, principalmente quando se trata de locais remotos (o strain gage pode ter apenas 1 mm de comprimento enquanto um relógio micrométrico requer um espaço muito maior para ser instalado), ser simples e eficaz, ele tem sido cada vez mais utilizado e muito atrativo no ponto de vista da construção civil, atendendo adequadamente às suas necessidades.

5 REFERÊNCIAS

ANTES, M. A. SGARIA, P.; MARCHIORO, R. Célula de carga,, Caxias do Sul, [s.n.], 2004. Disponível em: <www.ucs.br/ccet/demc/vjbrusam/inst/celula.pdf>. Acesso em 27 de maio de 2009.

Solo Grampeado: ensaios, mecanismos e monitoramento, Rio de Janeiro, [s.n.;s.d.]. Disponível em:

<www2.dbd.puc-rio.br/pergamum/tesesabertas/0221071_07_cap_03.pdf>. Acesso em 28 de maio de 2009.

Extensometria, [S.L.:s.n.,s.d.]. Disponível em: <www.dec.fct.unl.pt/seccoes/S_Estruturas/Mecanica_Meios_Continuos/upgrade/I_extensometria.pdf>. Acesso em 29 de maio de 2009.

andolfato, R. P.;camacho, j. s.; DE BRITO, G. A. Extensometria Básica, São Paulo: [s.n.], 2004. Disponível em: <www.nepae.feis.unesp.br/Apostilas/Extensometria%20basica.pdf>. Acesso em 29 de maio de 2009.

Portnoi, M. Extensometria: história, usos e aparelhos. [S.L.:s.n.,s.d.]. Disponível em: <http://www.cis.udel.edu/~portnoi/academic/academic-files/extensometria.html>. Acesso em 29 de maio de 2009.

MEDEIROS, H. Alerta! Deformações excessivas, Revista Téchne, n. 97, abr. 2005.

KLECKERS, T.; GÜNTHER, B. Strain gages óticos e elétricos: uma comparação, [S.L.], HBM, [s.d.]. Disponível em: <http://www.hbm.pt/custserv/SEURLF/ASP/SFS/ID.802/MM.4,101,180/SFE/techarticles.htm>. Acesso em 27 de maio de 2009.

OLIVEIRA ALMEIDA, Dr. P. A. de. Extensometria elétrica I,Escola Politécnica de São Paulo, São Paulo,[s.n.], 2004. Disponível em: <www.lem.ep.usp.br/pef5003/EE-1-0304.pdf>. Acesso em 27 de maio de 2009.

ANEXOS

ANEXO 1 – Exemplos de Strain Gages e de suas aplicações

Figura 4 – Extensômetro elétrico de resistência.

Fonte: Disponível em < http://empe.fe.up.pt/node/31> , acesso em 28 de maio de 2009.

Figura 5 – Aplicação de Strain Gage.

Fonte: Disponível em < http://empe.fe.up.pt/node/31> , acesso em 28 de maio de 2009

Figura 6 – Strain Gage aplicado em um cubo metálico.

Fonte: Disponível em: < http://multianvil.asu.edu/ASU%20Multianvil%20Page/TheCube.html>, acesso em 28 de maio de 2009.

Figura 7 – UCAM – 60 – Indicador de deformação digital.

Fonte: Disponível em: < www.nepae.feis.unesp.br/Apostilas/Extensometria%20basica.pdf>,acessoem 29 de maio de 2009)

Figura 8 – Três extensômetros associados em uma roseta.

Fonte: Disponível em: <http://www.straingage-ltda.com.br/>,acesso em 29 de maio de 2009.

Figura 9 – Associação de dois extensômetros em uma roseta de duas direções.

Fonte: Disponível em: < http://www.cis.udel.edu/~portnoi/academic/academic-files/extensometria.html>, acesso em 29 de maio de 2009.

ANEXO 2 – Especificação de Strain Gage

Figura 8 – Decodificação de Strain Gage

Fonte: Disponível em: <http://www.straingage.com.br/cod.htm> , acesso em 29 de maio de 2009.

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