Funcionamento dos sensores de deformação

Deformação é uma mudança relativa no comprimento de um componente ou estrutura sob carga. Pode ser uma extensão (alongamento) ou também um encurtamento (compressão). A deformação pode resultar de forças ou binários (deformação mecânica) aplicados a uma estrutura, mas também da expansão térmica em caso de alteração da temperatura. Com a medição de força indireta usando sensores de deformação, é determinada a deformação mecânica.

A mudança relativa no comprimento é descrita como deformação ε em [m/m] e é definida como a razão entre uma mudança absoluta no comprimento Δl e o comprimento total l0. A deformação é adimensional. O símbolo de deformação é ɛ. Visto que pequenas deformações geralmente ocorrem durante a monitorização do componente, a deformação é indicada em [µm/m] (1 µm = 10-6 m). Na área europeia, a deformação é indicada principalmente em [µm/m], na área anglo-americana mais em microesforço ou microepsilon [µɛ]. Se um componente é alongado, fala-se de deformação positiva. Quando o componente é comprimido, a deformação é negativa.

Na maioria dos casos, a deformação é medida para determinar o grau de tensão e, portanto, as tensões de um material devido à carga mecânica. Ao medir a deformação, também se pode deduzir a força que causou a deformação. Assim, a medição de deformação oferece uma alternativa inteligente para a determinação de grandes forças. Num ambiente de laboratório, medidores de deformação são frequentemente colados a um componente. Numa produção em série, no entanto, é mais fácil usar sensores de deformação aparafusados ​​para criar condições constantes e de alta qualidade para a medição de força indireta.

Sensores de deformação são uma alternativa adequada a sensores de força para grandes faixas de força e construções rígidas. Em contraste com os sensores de força, os sensores de deformação não são montados diretamente no fluxo de força, mas são aparafusados ​​na superfície do componente correspondente. O stress na estrutura da máquina leva a deformações. Usando sensores de deformação, a deformação de superfície medida pode ser usada para inferir facilmente a força atuante. Com a medição de força indireta com sensores de deformação, podem ser determinadas grandes forças de maneira económica com um pequeno sensor de deformação.

Além dos sensores de deformação que podem ser aparafusados ​​por fora, também existem projetos que medem a deformação num orifício. Isso pode ser útil dependendo do design do sistema.

Cada componente carregado com uma força (F) também experimenta uma certa deformação (ε). Esta deformação, na área elástica linear, é sempre dependente do módulo de elasticidade do material (E), da secção transversal (A) do material e da força. Com a ajuda destes três parâmetros, a deformação pode ser calculada da seguinte maneira:

Esta equação também pode ser usada para inferir facilmente a tensão do componente correspondente. Estes cálculos são baseados na lei de Hooke. A lei de Hooke, na sua forma mais simples, determina a proporcionalidade direta da deformação ε [m/m] e da tensão σ [N/mm²] de um determinado material com base no seu módulo de elasticidade E [N/mm²].

O projeto mecânico e a escolha do material do componente se baseiam nas tensões mecânicas que ocorrem. No caso de aços com baixa resistência, são permitidas menores tensões e, portanto, deformações. Com aços de alta resistência, maiores tensões e deformações são permitidas. 
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Os sensores de deformação têm diferentes intervalos de medição que cobrem a deformação esperada.

Além da geometria e da força, a deformação sentida por um componente depende sempre do material do componente. O parâmetro decisivo é o módulo E (módulo de elasticidade). Ele descreve a relação proporcional entre tensão e dilatação durante a deformação de um corpo sólido na área elástica linear. Quanto mais rígido for o material, maior será o seu módulo de elasticidade. O módulo de elasticidade para o aço temperado e revenido comumente usado em sensores de deformação é E = 210.000 N/mm².
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O módulo de elasticidade do alumínio é de cerca de 70.000 N/mm², o módulo de elasticidade da borracha dura é de 5 N/mm².

Deformação medida no sensor de deformação: 240 µm/m

Largura da barra de aço 20 mm x 20 mm --> Secção transversal A = 20 mm x 20 mm = 400 mm^{2
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F= 400 mm² x 210’000 N/mm² x 240 x 10-6 m/m = 20160 N

A variável mecânica de força do sinal elétrico é processado em quatro etapas em sensores de deformação baseados em extensómetros. O ponto de partida é um componente que é deformado pela ação de uma força. Essa deformação é transmitida ao sensor de deformação por meio da ligação de ajuste forçado. O sensor de deformação, em contrapartida, tem um corpo de mola de aço temperado no qual são criadas deformações na superfície do material devido a cargas externas. Esta deformação é medida por meio de medidores de deformação aplicados à superfície do corpo da mola. Para tal, os extensómetros convertem a deformação mecânica numa alteração de resistência elétrica e atuam como um conversor mecânico-elétrico. Através desta alteração de resistência, eles geram uma alteração de tensão proporcional à deformação. Com a ajuda da ligação inteligente dos extensómetros individuais a uma ponte de medição Wheatstone, até as menores dilatações podem ser detetadas.

Os extensómetros são o coração dos sensores de força e de tração da Baumer e são utilizados ​​para medir as dilatações na superfície do material. Geralmente consistem numa película transportadora (poliamida), uma grelha de medição sinuosa feita de constantan e uma camada de cobertura. Os extensómetros convertem a deformação mecânica numa alteração de resistência elétrica e atuam como um conversor mecânico-elétrico. A alteração na resistência do extensómetro é proporcional e é chamada de fator k. 

Modelos
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Os extensómetros metálicos para a construção do transdutor estão disponíveis em vários modelos. Além dos extensómetros lineares típicos, os extensómetros de rosetas em T, os extensómetros de roseta e os extensómetros Scher são outros modelos típicos:

A ligação de ponte de Wheatstone é uma ligação especial de resistores elétricos, com a ajuda da qual é possível a medição precisa das alterações de resistência elétricas. Na ligação de ponte completa utilizado na construção do sensor, quatro extensómetros estão sempre interligados num arranjo específico. A ligação de ponte consiste em dois divisores de tensão ligados em paralelo, que são fornecidos por uma fonte de tensão comum com a fonte da ponte U_B.

Com a ajuda da ligação de ponte de Wheatstone, as menores alterações na resistência podem ser detetadas com precisão. As alterações nas resistências individuais levam a uma perturbação na ponte UA, que pode ser medida facilmente. O sinal de medição da ponte é raciométrico e proporcional à tensão de alimentação. O sinal de medição típico dos extensómetros dos sensores de deformação está entre 0,4 e 3,0 mV/V.

Mecanicamente, os sensores de deformação da Baumer são concebidos para durar pelo menos 10 milhões de ciclos durante +/- toda a área de deformação (por exemplo, +/- 500 µm/m). Isso permite que processos com um grande número de ciclos e cargas sejam monitorizados em direções positivas e negativas. 

O portfólio de produtos da Baumer de sensores de deformação oferece possibilidades de aplicação quase ilimitadas. Existem sensores de deformação para espaço limitado, aplicações industriais normais e também para aplicações externas adversas.