Acustica Sperimentale Estensimetria Gaetano Arena Progetto Low Noise 1

Estensimetria L'estensimetro è stato in uso per molti anni ed è fondamentale elemento sensibile per molti tipi di sensori, tra cui sensori di pressione, celle di carico, sensori di coppia, sensori di posizione, etc. La maggioranza degli estensimetri sono tipo foil, disponibili in un'ampia scelta di forme e dimensioni per soddisfare una varietà di applicazioni. Sono costituiti da una Reticolo di lamina resistiva che è montato su un materiale di supporto. Essi operare sul principio che la pellicola è sottoposta allo stress, che provoca variazioni di resistenza della lamina. 2

Estensimetria L'estensimetro è collegato ad un circuito a ponte Wheatstone con una combinazione di quattro rami attivi (full bridge), due rami (mezzo ponte), o, meno comunemente, un unico ramo attivo (quarto ponte). Nel circuito a mezzo ponte a quarto di ponte, il ponte si completa con resistenze di precisione. 3

Estensimetria Il ponte completo di Wheatstone è eccitato con un alimentazione DC stabilizzata e con l'aggiunta di elettronica di condizionamento, può essere azzerato alla condizione di carico nullo. Poiché lo stress viene applicato all'estensimetro incollato, avviene che il poste si sbilancia per variazione del valore resistivo. Ciò si traduce in un segnale di uscita, relativo al valore di sollecitazione. Poiché il segnale è piccolo, (tipicamente qualche millivolt) il condizionamento del segnale con elettronica fornisce l'amplificazione per aumentare il livello del segnale da 5 a 10 volt, un livello adatto per l'applicazione di sistemi di raccolta di dati esterni quali registratori o modem Acquisitori e Sistemi di analisi. 4

Estensimetria Alcuni modelli di Stain Gauge disponibili La maggior parte dei produttori di estensimetri offrono ampie gamme di diversi modelli per soddisfare un'ampia varietà di applicazioni per la ricerca e progetti industriali. Essi forniscono anche tutti gli accessori necessari per la preparazione dei materiali, adesivi, cavi, etc. Per L’installazione di estensimetri sono offerti da alcuni fornitori corsi di formazione. 5

Maggiori informazioni sul Gauge Strain Se una striscia di metallo conduttore è posta a trazione, diventerà sottile e più lunga, queste variazioni comporteranno un aumento della resistenza elettrica end-to-end. Al contrario, se una striscia di metallo conduttore è sottoposta a forza di compressione (evitando fenomeni di Buckling), si allargherà e si accorcerà. Se queste sollecitazioni rimangono entro il limite elastico del conduttore metallico (così che la striscia non si deforma in modo permanente), il filo può essere utilizzato come un elemento di misura della forza fisica, la quantità di forza applicata dedotta dalla misurazione della sua resistenza. Tale dispositivo è chiamato estensimetro. Gli estensimetri vengono utilizzati di frequente nella ricerca meccanica e nelle prove di sviluppo, per misurare le sollecitazioni generate dalle macchine. La sperimentazione su componenti aeronautici è un settore di grande utilizzo di S/G, piccoli estensimetri (S/G) vengono incollati a elementi strutturali, a elementi di giunzione, e ad ogni altro componente di una cellula per misurare lo stress. La maggior parte degli estensimetri sono più piccoli di un francobollo, e simile a questi:. 6

Estensimetria I Conduttori di un estensimetro sono molto sottili: se fatti di filo a sezione circolare, sono di 1/1000 di pollice di diametro. In alternativa, i conduttori degli strain gauge possono essere sottile strisce di pellicola metallica depositati su un substrato non conduttore di materiale chiamato vettore. Quest'ultima forma di estensimetri è rappresentata nella figura precedente. Il nome «Bonded Gauge" è dato all’ incollaggio degli estensimetri ad una struttura sotto stress (chiamata Test Specimen ). L’operazione di incollaggio di estensimetri può sembrare essere molto semplice, ma non è così. «La calibrazione della Misura" è un mestiere che richiede grande esperienza, assolutamente necessaria per ottenere accurate e stabili misure di deformazione. È anche possibile utilizzare un filo teso montato tra due punti di una struttura meccanica per misurarne lo stato tensionale, ma questa tecnica ha le sue limitazioni 7

Estensimetria La Resistenza tipica di estensimetri varia da 30 Ohm a 3 kOhm. Questa resistenza può variare solo di una frazione dell’uno per cento, per la limitazione dinamica in forza del misuratore, per le limitazioni imposte dai limiti elastici del materiale dello strain gauge e del provino stesso. Forze abbastanza grandi da indurre cambiamenti di resistenza maggiori farebbero deformare permanentemente il campione di prova e / o le dimensioni dei conduttori stessi, rovinando l'indicatore come dispositivo di misurazione. Pertanto, al fine di utilizzare la misura dello Strain Gauge come uno strumento pratico, dobbiamo misurare estremamente piccole variazioni di resistenze con grande accuratezza. 8

Estensimetria Tale esigenze di precisione richiede un circuito di misura a ponte. Non come il ponte di Wheatstone mostrato precedentemente a bilanciamento nullo. Il ponte dovrà disporre di un sistema rivelatore e di un operatore per mantenere uno stato di bilanciamento, una diagonale del circuito a ponte indicherà la deformazione misurata, in base al grado di sbilanciamento, utilizzando un voltmetro di precisione posto al centro del ponte per fornire una misura precisa di tale sbilanciamento: 9

Estensimetria Tipicamente, viene impostato su un ramo del ponte un reostato (R2 nel diagramma) ad un valore pari alla resistenza dell’estensimetro senza forza applicata. I due bracci del ponte (R1 e R3) sono impostati uguali. In questo modo, con nessuna forza applicata all’ estensimetro, il ponte sarà simmetricamente bilanciato e il voltmetro indicherà lo zero volt, che rappresenta la forza zero sull’ estensimetro. 10

Estensimetria Come l’estensimetro è compresso o teso, la sua resistenza diminuirà o aumentare rispettivamente, sbilanciando così il ponte e producendo l'indicazione al voltmetro. Questa disposizione, con un unico elemento del ponte con variazione di resistenza in risposta alla grandezza misurata (forza meccanica), è noto come un circuito a quarto di ponte. 11

Estensimetria Poiché la distanza tra l'estensimetro e le altre tre resistenze del circuito a ponte può essere notevole, la resistenza dei conduttori ha pertanto un impatto significativo sul funzionamento del circuito. Per illustrare gli effetti della resistenza dei conduttori, si mostra lo stesso schema del ponte, ma aggiungendo due resistore in serie con l'estensimetro a rappresentazione dei conduttori: 12

Estensimetria La resistenza estensimetrica (Rgauge) non è l'unica resistenza misurata: La resistenza dei cavi Rwire1 e Rwire2, stando in serie allo StrainGauge, contribuiranno all’aumento della resistenza della metà inferiore del braccio del ponte, e di conseguenza contribuiscono alla indicazione del voltmetro. Questo, naturalmente, sarà erroneamente interpretato dalla Lo strumento come uno stato tensionale sull’articolo di prova. 13

Estensimetria Anche se questo effetto non può essere completamente eliminato, in questa configurazione, può essere minimizzato con l'aggiunta di un terzo filo, collegando il lato del voltmetro direttamente al filo superiore dell’estensimetro: Poiché il terzo filo comporta praticamente nessun passaggio di corrente (dovuta alla altissima resistenza interna del voltmetro), la sua resistenza non fornirà quantità di tensione. Si noti come la resistenza del filo superiore (Rwire1) è stato "scavalcato" ora che il voltmetro collega direttamente il terminale superiore dell’ estensimetro, lasciando solo la resistenza del filo inferiore (Rwire2). in serie. Questa non è una soluzione perfetta, naturalmente, ma sarà migliorativa rispetto all’ultimo circuito! 14

Estensimetria C'è un modo, però, per ridurre l'errore di resistenza del filo ben oltre il metodo appena descritto, e serve anche di aiuto per mitigare un altro tipo di errore di misura dovuto alla temperatura. Una caratteristica negativa degli estensimetri è quella che la resistenza cambia con le variazioni temperatura. 15

Estensimetria Questa è una proprietà comune a tutti i conduttori, qualcuno un ancora un po‘ più di altri. Così, il nostro circuito a quarto di ponte come mostrato (sia con due o tre fili di collegamento con il misuratore a ponte) funziona come termometro altrettanto bene che come fa un indicatore di Strain. Se tutto quello che vogliamo fare è misurare la deformazione, questo non va bene. 16

Estensimetria Possiamo superare questo problema, tuttavia, utilizzando un estensimetro "fittizio" al posto di R2, in modo che per entrambi gli elementi del ponte cambierà la resistenza nella stessa proporzione al variare della temperatura, in tal modo annullando gli effetti delle variazioni di temperatura: 17

Estensimetria I Resistori R1 e R3 sono di uguale valore resistivo, e quelle del lato di misura sono identiche tra loro. Senza forza applicata, il ponte dovrebbe essere in una condizione perfettamente bilanciato e il voltmetro dovrebbe registrare 0 volt. Entrambi gli Strain Gauge sono legati allo stesso provino, solo uno è posto in una posizione e orientamento in modo da essere esposto allo sforzo fisico (Strain Gauge attivo). L'altro indicatore è isolato da ogni stress meccanico, e agisce soltanto come compensazione in temperatura 18

Estensimetria Se la temperatura andrà a modificherà, entrambe le resistenze estensimetriche queste cambieranno nella stessa percentuale, e lo stato di equilibrio del ponte rimarrà inalterato. Solo variazioni di resistenza (differenza di resistenza tra i due rami del ponte) prodotte dalla forza fisica sul provino possono alterare il bilanciamento del ponte. 19

Estensimetria Per quanto prima, la resistenza del conduttore non influisce sull’accuratezza del circuito, perché i fili di collegamento di ambedue gli estensimetri sono approssimativamente della stessa unghezza. Pertanto, le sezioni superiore e inferiore del ponte contiene approssimativamente la stessa quantità di variazione di resistenza, e i loro effetti tendono ad annullarsi: 20

Estensimetria Anche se ora ci sono due estensimetri nel circuito del ponte, solo uno è sensibile alle sollecitazioni meccaniche, facendo sempre riferimento alla disposizione ad un quarto di ponte. Tuttavia, se dovessimo prendere l’estensimetro superiore e posizionarlo in modo che esso è esposto al carico come misura sul lato inferiore (cioè quando l’estensimetro superiore è compresso, quello in basso sarà allungato, e viceversa), avremo due misuratori dello stato tensionale che rispondono alle sollecitazioni, e il ponte sarà più sensibile alle forze applicata. Questo utilizzo è noto come configurazione a ½ ponte. 21

Estensimetria Per entrambi gli estensimetri con l’aumentare o diminuire della resistenza della stessa proporzione in funzione alle variazioni di temperatura, gli effetti della variazione di temperatura restano annullati e il circuito subirà temperatura indotta minima dovute all’ errore di misura : 22

Estensimetria Un esempio di come una coppia di estensimetri può essere collegata ad un campione di prova in modo da produrre questo effetto è illustrato sopra: Senza forza applicata al provino, entrambi gli estensimetri hanno parità di resistenza e il circuito a ponte è equilibrato. Tuttavia, quando una forza verso il basso è applicata all'estremità libera del campione, si piegherà verso il basso, procurando un allungamento dell’estensimetro # 1 e una compressione dell’estyensimetro # 2 allo stesso tempo: 23

Estensimetria In applicazioni in cui tali coppie complementari di estensimetri possono essere legate al provino, può essere vantaggioso rendere tutti e quattro gli elementi del ponte "attivi" per disporre di una maggiore sensibilità. Questo è chiamato un circuito a ponte intero. 24

Estensimetria Entrambe le configurazioni a mezzo ponte e a ponte intero garantiscono una maggiore sensibilità, rispetto al circuito a quarto di ponte, ma spesso non è possibile collegare coppie complementari di estensimetri al provino. Così, il circuito a quarto di ponte è spesso utilizzato nei sistemi di misurazione delle deformazioni. 25

Estensimetria Quando possibile, è meglio usare la configurazione a ponte intero. Questo è vero non solo perché è più sensibile rispetto alle altre configurazioni, ma perché è lineare, mentre gli altri no. Il quarto di ponte e il circuito a mezzo ponte forniscono un segnale di uscita (sbilanciamento) che è solo approssimativamente proporzionale alla forza applicata. La Linearità, o la proporzionalità, di questi circuiti a ponte è migliore quando la quantità di variazione di resistenza dovuta alla forza applicata è molto piccola rispetto alla resistenza nominale dell’ estensimetro (s). Con un ponte intero, tuttavia, la tensione di uscita è direttamente proporzionale alla forza applicata, senza approssimazione (a condizione che il cambiamento nella resistenza causata dalla forza applicata è uguale per tutti e quattro Strain Gauge. 26

Estensimetria A differenza dei ponti di Wheatstone e Kelvin, che forniscono la misura ad uno stato di perfetto equilibrio e quindi funzionano indipendentemente della tensione di sorgente, la quantità di alimentazione (o "eccitazione") è vantaggiosa in un ponte a sbilanciamento come questo. Pertanto, i ponti estensimetrici sono classificati in millivolt di squilibrio prodotti per volt di eccitazione, per unità di misura della forza. Un esempio tipico di un strain gauge del tipo usato per la misurazione della forza in industriale ambienti è 15 mV / V a 500 Kg. Cioè, esattamente 500 Kg forza applicata (di compressione o di trazione), il ponte sarà sbilanciato da 15 millivolt per ogni volt di tensione di eccitazione. Ancora, tale configurazione è preciso se il circuito del ponte è completamente attivo (quattro estensimetri attivi, uno su ogni braccio del ponte), ma approssimativa per la configurazione a mezzo ponte e il quarto di ponte. 27

Estensimetria Estensimetri possono essere acquistati come unità complete, sia con supporto, comprensiva di S/G e resistori in un unico alloggiamento e incapsulati per la protezione dalle intemperie, e dotato di punti di ancoraggio meccanico per il fissaggio ad una macchina di prova o una struttura. Tale dispositivo è tipicamente chiamata una cella di carico. 28