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Medição de Força
• Forma:
– Direta: comparação através de balanças de alavancas com peso morto.
– Indireta: a partir da medição de outras grandezas (deformações, velocidade acústica, aceleração, etc.)
• Métodos para medições indiretas:
– Hidráulicos: convertem força em variação de pressão;
– Óticos: interferometria, difratômetros;
– Acústicos: extensômetro de corda vibrante;
– Elétricos: utilizam sensores de deslocamento (capacitivos ou medem relutância) ou resistivos (EREs)
– Magnetoelásticos: materiais ferromagnéticos variam dimensões quando magnetizados ou mudam permeabilidade magnética quando deformados;
– Piezoelétricos: cristais piezoelétricos geram carga elétrica quando deformados e vice-versa.
Células de Cargas
• Transdutores: são instrumentos que transformam algum tipo de
sinal neles induzido pela quantidade a ser medida num outro sinal
que pode ser medido e registrado.
• Células de carga: são transdutores de força que utilizam
extensômetros de resistência elétrica como elementos sensores.
• Elementos de uma célula de carga:
– Elemento de mola: material e geometria rigidez K.
– Sensor: por exemplo, extensômetro de resistência elétrica.
– Circuito de condicionamento do sinal do sensor: por exemplo, ponte de
Wheatstone.
– Circuito de indicação do sinal do transdutor.
– Circuito de zeragem inicial e circuito de calibração.
Princípio básico dos EREs – sensibilidade à
deformação dos fios metálicos condutores
Diâmetro D
Área A
Comprimento L
A
dA
L
dLd
R
dR
A
dA..Ld.
A
LdL.
A
A
LR
dR
A
dA..Ld.
A
LdL.
AdR
A
L.R
2
2
1
Extensômetros de Resistência Elétrica
d.KR
dR
..cK
d...cR
dR
dd..d..dcR
dR
d..dcd
d..dA
dA
L
dL
V
dV
AdLLdAdV
A.LVmas
Bridgemandetetanconsaéconde
V
dV.c
d
BridgemanSegundo
1221
1221
22
2
2
dd..d
R
dR
Poissondeecoeficientoéonde
d..A
dA
L
dL.d.d
D
dDmas
D
dD.
A
dAdD.D..dA
D.A
dA
dAd
R
dR
L
dLd
A
dA
L
dLd
R
dR
A
L.R
xy
2
2
24
24
2
Equação fundamental para
os EREs
.KR
R
Lf
L
Li
L
L
Lln
L
dLd
,sdeformaçõepequenasparae
L
Lln.K
R
Rln
,tetanconsKpara
L
dL.Kd.K
R
dR
d.KR
dR
K,csequeNotar
..cK
i
f
i
f
i
f
21
1221
Material Composição K Aplicação
Advance ou
Constantan
45% Ni
55% Cu 2.1Uso geral. K é
constante até
8%.
Karma
74% Ni
20% Cr
3% Al
3% Fe
2.0
Melhor
compensação
de temperatura,
resistência à
fadiga e
estabilidade.
Isoelastic
36% Ni
8% Cr
0.5% Mo
55.5% Fe
3.6Uso geral. Mais
sensível à
temperatura.
Nichrome80% Ni
20% Cr 2.1Para trabalhos a
altas
temperaturas.
Resistentes à
oxidação.
Platina-
Tungstênio
92% Pt
8% W 4.0
Armour D
70% Fe
20% Cr
10% Al
2.0
Materiais
para EREs
x
x
yy
Elemento sensor de
deformação. Condutor,
só sente e mede
deformação na sua
direção longitudinal, x
Superfície do
componente que
está sob
deformação
Cabo condutor
para levar sinal
elétrico ao
condicionador de
sinais, AWG 24-28
Terminal para
conectar por solda
o ERE ao cabo
condutor
Camadas de
proteção: verniz,
epóxi, borracha
RTV, massa 3M
Adesivo:
cianoacrilato,
resina epóxi, cola
cerâmicaBase do ERE,
para resistência e
rigidez para
manuseio, feita de
papel, resina
epóxi ou fenólica
ou poliimida
EREs típicos
R1+R1R2+R2
D
C
B
A E
V
A equação básica para uma ponte de
Wheatstone inicialmente balanceada é:
RdepequenosvaloreseR
Rr
R
R
R
R
R
R
R
R.
r
r.VE
1
2
4
4
3
3
2
2
1
1
12
R4+R4
R3+R3
Ponte de Wheatstone
Ponte de Wheatstone – Ligações típicas para células de cargas
Ponte Completa– Esforço Normal ou Flexão – Compensação Elétrica
do Efeito de Temperatura
Além de dobrar a resposta de uma ligação em meia ponte, a ligação
em ponte completa também elimina eletricamente a influência:
•da temperatura na resposta dos EREs e
•de efeitos espúrios de outros esforços com relação àqueles que
são o objetivo principal de medição.
E.K.V.K.VE
Flexão
E.
K.V..
K.VE
.
Tração
xy
1
212
4
Ponto 3 T
D
C
B
A
Ponto 1 T
Ponto 4 T
Ponto 2 T
X
PP
Pontos 1 e 3
Pontos 2 e 4
Pontos 1 e 3
Pontos 2 e 4
M
MX
Y
Z
Elementos de Mola
• Carregamento e geometria rigidez K.– Características necessárias:
• Suportar o carregamento e proporcionar deformação adequada para ser medida (ou deslocamento adequado para ser medido).
• Ter comportamento linear elástico.
• Ter estabilidade com temperatura e tempo.
• Geometria/carregamento devem ser tais que relação entre a força a ser medida e qualquer outro sinal devido a solicitações espúrias deve ser muito alta.
– Tipos básicos:• Tração, compressão: cargas grandes.
• Flexão: cargas pequenas.
• Cisalhamento: cargas médias (porém vantagem está na eliminação de sinais espúrios devido à posição da carga).
– Tipos• Coluna, haste trativa;
• Viga em flexão - engastada, bi-engastada, anel, placa;
• Cisalhamento: coluna, viga, placa.
Sistemas de Medição e Transdutores – Outros Tópicos
• Medição de Torque
• Medição de Pressão
• Transmissão de Sinais para Componentes Girantes
• Minimizando o Erro de Transdutores
• Calibração de Transdutores
• Resposta de Freqüência de Transdutores– Forçamento tipo rampa
– Forçamento periódico
• Materiais para Transdutores
• Transdutores Baseados em Fibras Óticas
• Princípios de Metrologia– Valor verdadeiro
– Erro, incerteza
– Exatidão
– Repetibilidade, Fidelidade, Reprodutibilidade
– Resolução
– Sensibilidade
– Desvio de zero, deriva de zero
• Bibliografia