Marcos Portnoi

Introdução
Strain-Gauge
Princípio de Funcionamento e Uso
Tipos de Extensômetros Elétricos (Strain-Gauges)
    Extensômetro axial único
    Extensômetro axial múltiplo
Comentários Finais
Referências Bibliográficas

 

Introdução

A extensometria é uma técnica utilizada para a análise experimental de tensões e deformações em estruturas mecânicas e de alvenaria. Estas estruturas apresentam deformações sob carregamento ou sob efeito da temperatura. É importante conhecer a extensão destas deformações e muitas vezes precisam ser monitoradas constantemente, o que pode ser feito de diversas formas. Algumas são o relógio comparador, o detetor eletrônico de deslocamento, por camada frágil, por fotoelasticidade e por strain-gauge. Dentre todas, o strain-gauge, do inglês medidor de deformação, é um dos mais versáteis métodos.

Os extensômetros elétricos são largamente utilizados para medir deformações em estruturas como pontes, máquinas, locomotivas, navios e ainda associados a transdutores para medir pressão, tensão, força e aceleração. São ainda associados a outros instrumentos de medidas para uso desde análise experimental de tensão até investigação e práticas médicas e cirúrgicas.

Em 1856 William Thomson, ou conhecido como Lord Kelvin, apresentou à Royal Philosophical Society de Londres os resultados de um experimento envolvendo a resistência elétrica do cobre e ferro quando submetidos a estresse. As observações de Kelvin foram consistentes com a relação entre resistência elétrica e algumas propriedades físicas de um condutor, segundo a equação:

R = rL/A

onde R é a resistência elétrica, r é a constante de condutividade, L é o comprimento do condutor e A é a área da seção transversal deste. A resistência é diretamente proporcional ao comprimento e inversamente proporcional à área da seção transversal.

Quando uma barra metálica é esticada, ela sofre um alongamento em seu comprimento e também uma diminuição do seu volume, resultado da diminuição da área da seção transversal desta barra. A resistência elétrica da metálica aumenta quando esta barra é esticada, também resultado da diminuição da área da seção transversal e do aumento do comprimento da barra. Da mesma maneira, quando a barra é comprimida, a resistência diminui devido ao aumento da área transversal e diminuição do comprimento.

A relação entre comprimento e dimensão da seção transversal pode ser expressa através do coeficiente de Poisson:

n = -(dD/D)/dL/L = e_L / e_a

onde n (ni) é o coeficiente de Poisson, D é a dimensão da seção transversal, L é o comprimento, e_L (epslon) é a deformação lateral e e_a é a deformação axial. Esta relação demonstra basicamente que, quando o comprimento diminui para um material (compressão), a seção transversal aumenta, e vice-versa para um aumento no comprimento (tensão) do material.

Experimentos realizados pelo norte-americano P. W. Bridgman em 1923 mostraram algumas aplicações práticas da descoberta de Kelvin para realização de medidas, mas foi a partir de 1930 que estas tomaram impulso. É creditado a Roy Carlson uma das primeiras utilizações de um fio resistivo para medições de estresse em 1931. Entre 1937 e 1939, Edward Simmons (Califórnia Institute of Technology, - Pasadena, CA, USA) e Arthur Ruge (Massachusetts Institute of Technology - Cambridge, MA, USA) trabalhando independentemente um do outro, utilizaram pela primeira vez fios metálicos colados à superfície de um corpo de prova para medida de deformações. Esta experiência deu origem aos extensômetros que são utilizados atualmente. A Figura 1 mostra um a construção geral de um extensômetro à base de fio colado.

A partir de 1950, o processo de fabricação de extensômetros adotou o método de manufaturar finas folhas ou lâminas contendo um labirinto ou grade metálica, colado a um suporte flexível feito geralmente de epóxi (Figura 2). As técnicas de fabricação de circuitos impressos são usadas na confecção dessas lâminas, que podem ter configurações bastante variadas e intrincadas, como mostra a Figura 3.

Os extensômetros elétricos têm as seguintes características gerais, que denotam sua importância e alto uso:

• alta precisão de medida;
• baixo custo;
• excelente linearidade;
• excelente resposta dinâmica;
• fácil instalação;
• pode ser imerso em água ou em atmosfera de gases corrosivos (com tratamento adequado);
• possibilita realizar medidas à distância.

A base do extensômetro pode ser de: poliamida, epóxi, fibra de vidro reforçada com resina fenólica, baquelita, poliéster, papel e outros. O elemento resistivo pode ser confeccionado de ligas metálicas tais como Constantan, Advance, Nicromo V, Karma, Níquel, Isoelatic e outros.

O extensômetro pode ser confeccionado também com elemento semicondutor, que consiste basicamente de um pequeno e finíssimo filamento de cristal de silício que é geralmente montado em suporte de epóxi ou fenólico.

As características principais dos extensômetros elétricos de semicondutores são sua grande capacidade de variação de resistência em função da deformação e seu alto valor do fator do extensômetro, que é de aproximadamente 150, podendo ser positivo ou negativo. Para os extensômetros metálicos a maior variação de resistência é devida às variações dimensionais, enquanto que nos de semicondutor a variação é mais atribuída ao efeito piezo-resistivo.

Para um extensômetro ideal, o fator de extensômetro deveria ser uma constante, e de maneira geral os extensômetros metálicos possuem o fator de extensômetro que podem ser considerados como tal. Nos extensômetros semicondutores, entretanto, o fator do extensômetro varia com a deformação, numa relação não linear. Isto dificulta quando da interpretação das leituras desses dispositivos. Entretanto é possível se obter circuitos eletrônicos que linearizem esses efeitos. Atualmente, os extensômetros semicondutores são bastante aplicados quando se deseja uma saída em nível mais alto, como em células de cargas, acelerômetros e outros transdutores.

Na sua forma mais completa, o strain-gauge ou extensômetro elétrico é um resistor composto de uma finíssima camada de material condutor, depositado então sobre um composto isolante. Este é então colado sobre a estrutura em teste com auxílio de adesivos como epóxi ou cianoacrilatos. Pequenas variações de dimensões da estrutura são então transmitidas mecanicamente ao strain-gauge, que transforma essas variações em variações equivalentes de sua resistência elétrica (por esta razão, os strain-gauges são definidos como transdutores).

Os strain-gauges são usados para medir variações de carga, pressão, torque, deslocamento, tensão, compressão, aceleração, vibração. A seleção do strain-gauge apropriado para determinada aplicação é influenciada pelas características seguintes: material da grade metálica e sua construção, material do suporte isolante, material do adesivo, tratamento e proteção do medidor e configuração. O design dos gauges incorpora várias funcionalidades como alto fator de medição, alta resistividade, insensibilidade à temperatura, alta estabilidade elétrica, alta resistência mecânica, facilidade de manipulação, baixa histerese, baixa troca termal com outros materiais e durabilidade. A sensibilidade à temperatura é um ponto fundamental no uso de strain-gauges, e freqüentemente o circuito de medição contém um compensador de temperatura.

Da mesma forma, o tipo de adesivo usado para fixar o strain-gauge à estrutura a ser monitorada é de suma importância. O adesivo deve transmitir as variações mecânicas com o mínimo de interferência possível, por isso deve ter alta resistência mecânica, alta resistência ao cisalhamento, resistência dielétrica e capacidade de adesão, baixas restrições de temperatura e facilidade de aplicação.

A relação básica entre deformação e a variação na resistência do extensômetro elétrico pode ser expressa como:

e = (1 / F) (DR / R)

onde e é a deformação, F é o fator do medidor e R é a resistência do medidor. Para um medidor típico, F é 2.0 e R é 120 ohm.

Utilizado quando se conhece a direção da deformação, que é em um único sentido (Figura 4).

Roseta de 2 direções. São dois extensômetros sobre uma mesma base, sensíveis a duas direções. Utilizada para medir deformações principais quando se conhecem as direções (Figura 5).

Roseta de 3 direções. São três extensômetros sobre uma mesma base, sensíveis a três direções. Utilizada quando as direções principais de deformações não são conhecidas (Figura 6).

A Figura 7(a) apresenta um extensômetro tipo diafragma, que são quatro extensômetros sobre uma mesma base, sensíveis a deformações em duas posições diferentes. Usado para transdutores de pressão. A Figura 7(b) apresenta um extensômetro para medida de tensão residual, que são três extensômetros sobre uma base devidamente posicionados para utilização em método de medida de tensão residual. Finalmente, a Figura 7(c) mostra um extensômetro para transdutores de carga (strain-gauge load cell), que são dois extensômetros dispostos lado a lado, sobre a mesma base, para utilização em células de cargas (para medição de tensão e compressão).

A extensometria, como técnica de medição de deformações ocorridas em materiais, é essencial para monitoramento dinâmico de estruturas sujeitas a carregamentos e tem no extensômetro elétrico ou strain-gauge seu instrumento principal.

Os strain-gauges têm aplicações tão variadas quanto monitoramento de deformações em pontes, vigas, medição de vibração em máquinas, medição de pressão, de força, em acelerômetros e torquímetros. Devido às vantagens e importância dos extensômetros elétricos, estes aparelhos são indispensáveis a qualquer equipe que se dedique ao estudo experimental de medições.

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