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O que é um Extensômetro (Strain Gauge)?
Um extensômetro é um sensor que mede a quantidade de tensão (deformação) em um objeto convertendo a força mecânica em uma mudança mensurável na resistência elétrica. Quando forças externas como pressão, tensão, compressão, ou peso são aplicados a um objeto estacionário, eles criam forças de resistência internas conhecidas como estresse e deformação física conhecida como tensão.
Os extensômetros estão entre as ferramentas mais essenciais em técnicas de medição elétrica usadas para quantificar deformações mecânicas. Como o próprio nome indica, eles são projetados para medir a deformação, que pode ser de tração (expansão), compressão (contração) ou cisalhamento (paralelo ou tangencial), dependendo se a força aplicada estica, comprime ou distorce o material.
Compreendendo o estresse e a tensão
A deformação em um material pode resultar de cargas externas, pressão, torque, calor ou até mesmo alterações internas no material. Sob as condições certas, a magnitude da deformação pode ser diretamente correlacionada à quantidade de tensão ou força atuando no material. Este princípio forma a base da análise experimental de stress, onde os engenheiros usam valores de deformação medidos na superfície de um componente para determinar a distribuição de stress, prever a fadiga e garantir o desempenho de segurança a longo prazo.
Strain Gauges: Princípio de Construção e Trabalho
Um extensômetro típico consiste em três camadas:
- Uma camada superior laminada protetora
- Um fino elemento sensor metálico (geralmente um fio fino ou folha metálica)
- Uma base plástica ou polimérica
Quando colado a uma superfície sob carga, o extensômetro se deforma junto com ela. Esta deformação provoca uma alteração proporcional na resistência elétrica do elemento sensor. A variação na resistência pode ser medida e convertida —usando equações de calibração estabelecidas— em um valor de deformação preciso.
Compreendendo o princípio de funcionamento de um extensômetro
O princípio de funcionamento de um extensômetro é baseado no efeito piezoresistivo, ou na tendência da resistência elétrica de um material mudar quando ele é esticado ou comprimido.
Quando um extensômetro é firmemente ligado à superfície de um material sob tensão, ele se deforma em uníssono com essa superfície. Essa deformação altera o comprimento e a área da seção transversal do elemento condutor do medidor, produzindo uma mudança correspondente em sua resistência elétrica.
A relação entre deformação (ε) e mudança de resistência é expressa pela equação de medição de deformação:
Onde:
- ΔR = mudança na resistência
- R = resistência original
- K = fator do extensômetro (uma constante que depende do material e da construção do extensômetro)
- ε = deformação (sem unidade, frequentemente expressa em microdeformação, με = 10⁻⁶)
Na maioria dos extensômetros, o fator (K) normalmente varia de 2,0 a 2,2 para os modelos de folhas metálicas.
Ponte de Wheatstone e condicionamento de sinal
Como a mudança na resistência produzida por um extensômetro é extremamente pequena (geralmente apenas alguns centésimos de ohm), um circuito da ponte de Wheatstone é usado para detectá-la com precisão. Este circuito converte a mudança de resistência em uma saída de tensão proporcional, que pode então ser amplificada, digitalizada e expressa como deformação, força ou pressão.
A configuração da ponte Wheatstone
Uma ponte tradicional de Wheatstone consiste em quatro braços resistivos dispostos em uma rede em forma de diamante. Uma fonte de tensão é aplicada em uma diagonal da ponte e a tensão de saída é medida na outra.
Quando todos os quatro resistores têm resistência igual, a ponte é balanceada e nenhuma tensão de saída é produzida. Quando um extensômetro ligado a uma estrutura sofre deformação, sua resistência muda ligeiramente, desequilibrando a ponte e produzindo uma tensão de saída mensurável proporcional à deformação aplicada.
Existem três configurações comuns usadas na medição de deformação:
- Quarto de Ponte: Um extensômetro ativo e três resistores fixos. Usado em medições de deformação unidirecionais onde a compensação de temperatura é menos crítica.
- Meia Ponte: Dois medidores ativos —um em tensão e outro em compressão— montados em lados opostos da amostra. Oferece melhor compensação de temperatura e saída de sinal duplicada.
- Ponte completa: Quatro medidores ativos dispostos de modo que braços opostos experimentem tensão igual e oposta. Oferece a mais alta sensibilidade, rejeição de ruído e compensação de temperatura.
Condicionamento de sinal
A saída da ponte normalmente está na faixa de milivolts, por isso ela deve ser amplificada e condicionada antes de ser processada. Um amplificador de extensômetro ou condicionador de sinal executa funções-chave:
- Amplificação: Aumenta o sinal de baixo nível para digitalização precisa
- Filtragem: Remove ruído elétrico e desvio
- Compensação de temperatura: Ajusta-se para expansão ou contração térmica que pode afetar a resistência
- Conversão: Traduz a tensão analógica em um sinal digital para registro ou exibição
Configurações comuns de extensômetros
Os extensômetros são usados para monitorar quanta tensão um material ou estrutura pode suportar antes da falha. Eles vêm em várias configurações dependendo da aplicação, incluindo projetos de elemento único, roseta e biaxial. A seleção do extensômetro correto depende de:
- A direção da deformação primária
- O tipo de deformação que está sendo medida (tração, compressão ou cisalhamento)
- O tamanho e a geometria da área de medição alvo
Além das diferenças nos materiais e princípios de detecção, os extensômetros também variam de acordo com a configuração—o layout físico e a orientação de seus elementos sensores. Cada configuração é otimizada para medir um tipo ou direção específica de deformação, garantindo precisão e relevância para a aplicação pretendida.
Extensômetros lineares
Extensômetros lineares medem a deformação ao longo de um único eixo e são ideais para aplicações onde a direção da tensão é conhecida. Eles são a configuração mais comum, frequentemente usados em medições básicas de tensão ou compressão em vigas, eixos e componentes estruturais.
Extensômetro de Diafragma
Extensômetros de Diafragma são projetados para medir deformação, tensão, pressão e força em materiais de parede fina ou flexíveis como metais, plásticos e compósitos. Eles são comumente ligados à diafragmas ou membranas em transdutores de pressão, onde a deflexão de uma superfície sob pressão produz uma deformação mensurável.
Extensômetros Rosette
Extensômetros Rosette contêm múltiplos elementos sensores dispostos em ângulos específicos —geralmente 0°, 45° e 90°— para medir a tensão biaxial em materiais onde as principais direções de tensão são desconhecidas. Ao analisar as saídas de cada elemento, os engenheiros podem determinar tanto a magnitude quanto a direção das deformações principais, tornando os modelos Rosettes essenciais para a análise de tensões e validação de elementos finitos.
Extensômetros por torção e cisalhamento
Extensômetros por torção e cisalhamento são orientados para medir a deformação a 45° em relação ao eixo primário, permitindo detectar tensão de cisalhamento e torque. Eles são frequentemente usados em eixos rotativos, braços de torque e componentes de acionamento para monitorar a potência transmitida ou o desempenho mecânico sob carga.
Extensômetros paralelos duplos
Extensômetros lineareas paralelos duplos usam duas grades de detecção alinhadas paralelamente uma à outra. Esta configuração fornece medição precisa da deformação por flexão comparando a tensão de um lado de um componente com a compressão do outro. Medidores duplos são frequentemente usados em células de carga de vigas, testes de flexão estrutural e análise de fadiga.
Extensômetros Tee Rosette
Extensômetros Tee Rosette medem a tensão biaxial quando as direções principais são conhecidas. Eles consistem em duas grades de medição perpendiculares em um arranjo “T”. Esses modelos são ideais para análise de tensão/deformação, desenvolvimento de transdutores e monitoramento de condições industriais, particularmente em aplicações que envolvem mudanças de temperatura, cargas dinâmicas ou efeitos de vibração em componentes.
Aplicações comuns de extensômetros
Devido à sua precisão, versatilidade e adaptabilidade, os extensômetros são usados em quase todas as disciplinas de engenharia para medir forças, tensões e deformações que ocorrem em materiais e estruturas. Eles desempenham um papel fundamental em testes, controle e monitoramento de segurança, muitas vezes formando a base de transdutores e sistemas de aquisição de dados mais complexos.
Engenharia Estrutural e Mecânica
Em testes estruturais, os extensômetros ajudam os engenheiros a monitorarem as tensões e a distribuição de carga em pontes, edifícios, componentes de aeronaves e máquinas em geral. Eles geralmente são colados a vigas, juntas ou eixos rotativos para monitorar o desempenho sob carga, avaliar a vida útil e validar modelos computacionais, como análise de elementos finitos (FEA).
Exemplos de aplicações:
- Teste de deflexão de ponte
- Monitoramento da carga da asa da aeronave
- Análise de tensão da lança de guindaste
Medição de carga e força
Os extensômetros são elementos sensores essenciais dentro de células de carga, transdutores de torque e sensores de pressão. Quando aplicados a uma estrutura deformável (como uma viga ou diafragma), eles convertem entrada mecânica —força, peso ou torque— em um sinal elétrico.
Exemplos de aplicações:
- Sistemas de pesagem industrial
- Medição de pré-carga do parafuso
- Detecção de torque em motores e acionamentos
Instrumentação de pressão e fluxo
Quando colados a diafragmas ou elementos cilíndricos, os extensômetros podem detectar pequenas deformações causadas por pressão ou fluxo interno. Essas medições formam a base para transdutores de pressão, sensores de pressão diferencial e medidores de vazão usados em sistemas HVAC, controle de processos e sistemas de energia por fluídos.
Exemplos de aplicações:
- Monitoramento de pressão da linha de processo
- Controle do sistema hidráulico
- Loops de feedback de taxa de fluxo
Pesquisa e Análise Experimental de Estresse
Em ambientes de laboratório e pesquisa, os extensômetros permitem a análise experimental de tensões (ESA) —uma técnica usada para estudar o comportamento do material sob condições de carga complexas. Ao colocar medidores estrategicamente em protótipos ou espécimes de teste, os pesquisadores podem medir como os materiais se deformam sob carga e correlacionar os dados com modelos teóricos.
Exemplos de aplicações:
- Teste de material composto
- Análise de fadiga
- Validação de protótipo
- Estudos de vibração
Indústrias Aeroespaciais, Automotivas e de Energia
A medição de deformação de alta precisão é essencial em indústrias onde segurança, confiabilidade e desempenho são essenciais. Os extensômetros são amplamente utilizados em testes estruturais aeroespaciais, programas de durabilidade automotiva e sistemas de energia renovável, como turbinas eólicas e suportes de painéis solares.
Exemplos de aplicações:
- Monitoramento de deformação da fuselagem da aeronave
- Teste de suspensão automotiva
- Rastreamento de fadiga de pás de turbinas eólicas
Monitoramento de condições industriais
Na fabricação inteligente moderna, os extensômetros podem ser integrados em sistemas de IoT Industrial (IIoT) para permitir o monitoramento de condições em tempo real. Quando conectados a condicionadores de sinal e transmissores sem fio, eles fornecem feedback contínuo sobre a integridade, vibração e carga da máquina, dando suporte à manutenção preditiva e reduzindo o tempo de inatividade.
Exemplos de aplicações:
- Diagnóstico de saúde de equipamentos
- Sistemas preditivos orientados por aprendizado de máquina
- Otimização automatizada de processos
Soluções inovadoras da DwyerOmega
Extensômetros lineares pré-cabeados KFH
Extensômetros lineares pré-cabeados KFH oferecem fácil instalação e análise de estresse de alta precisão. Apresentando um padrão de roseta plana (0°/45°/90°), esses medidores eliminam os erros de alinhamento frequentemente associados a projetos de empilhamento, garantindo leituras confiáveis de deformação biaxial.
- O pré cabeamento (dois de 1 m ou três de 3 m por grade) simplifica a configuração —não é necessária soldagem no ponto de medição
- Otimizado para estruturas de aço, proporcionando compensação precisa de temperatura
- Vendido em embalagens práticas de dez, ideais para mapeamento de deformação multiponto ou testes de laboratório
O extensômetro KFH é uma escolha confiável para testes estruturais, validação de componentes e aplicações de pesquisa onde a direção da tensão biaxial deve ser resolvida com precisão e eficiência.
Extensômetros de diafragma de ponte completa SGT
Extensômetros de diafragma de ponte completa SGT fornecem desempenho com qualidade de transdutor para aplicações de medição de flexão e deformação axial. Projetados para ambientes exigentes, esses medidores combinam precisão, robustez e estabilidade de longo prazo em um design compacto.
- A configuração de ponte completa suporta medições estáticas e dinâmicas altamente precisas
- O elemento sensor de folha constantan gravado garante desempenho e sensibilidade consistentes
- O meio transportador de poliamida proporciona excelente flexibilidade, um pequeno raio de curvatura e vedação de longo prazo para maior durabilidade
- Opera de forma confiável em uma ampla faixa de temperatura, tornando-o adequado para diversas aplicações industriais e de pesquisa
- Vendido em embalagens de cinco para testes multiponto convenientes ou fabricação de transdutores
A série Diafragma de ponte completa SGT é ideal para projetos de transdutores de precisão, medição de pressão e carga e testes estruturais dinâmicos, onde tanto a precisão quanto a resistência ambiental são críticas.
Extensômetros SGK Tee Rosette Karma
Extensômetros SGK Tee Rosette Karma oferecem desempenho e qualidade de transdutor e estabilidade excepcional em uma ampla faixa de temperatura de –75 °C a 200 °C.
Construídos com liga Karma, esses medidores T-rosette mantêm excelente linearidade, vida útil em fadiga e estabilidade térmica, tornando-os ideais para medições de longo prazo e alta precisão.
- As grades de liga Karma garantem alta resistência térmica e produção consistente sob condições ambientais variáveis
- Almofadas de solda revestidas simplificam a instalação —não são necessárias soldas ou fluxos especiais
- Disponível em várias configurações de roseta T para aplicações de deformação axial e células de carga de coluna
- Bom desempenho de fadiga e estabilidade a longo prazo, adequado para testes estáticos e dinâmicos
- Medidores personalizados disponíveis com entrega rápida para aplicações especializadas de transdutores ou P & D
O extensômetro SGK Tee Rosette Karma é uma excelente escolha para transdutores industriais de carga e força, medição de deformação de coluna e ambientes sensíveis à temperatura que exigem precisão e resiliência.
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