Nozioni di base sulle misurazioni con estensimetri

L'estensimetro è uno degli strumenti più utili per misurare con precisione l'espansione o la contrazione di un materiale quando vengono applicate le forze. Gli estensimetri sono utili anche per misurare indirettamente le forze applicate se sono allineati approssimativamente linearmente con la deformazione del materiale.

Cosa sono gli estensimetri

Gli estensimetri sono sensori la cui resistenza elettrica varia in proporzione alla quantità di deformazione (deformazione di un materiale).

Un estensimetro ideale cambierebbe la sua resistenza in proporzione alla deformazione longitudinale sulla superficie alla quale è fissato il sensore.

Tuttavia, ci sono altri fattori che possono influenzare la resistenza, come la temperatura, le proprietà del materiale e l'adesivo che lega il misuratore al materiale.

Un estensimetro è costituito da una griglia parallela di filo metallico molto sottile o lamina legata alla superficie tesa da un sottile strato isolante di resina epossidica. Quando il materiale incollato viene teso, la tensione viene trasmessa attraverso l'adesivo. La forma della griglia è progettata in un modello che fornisce la massima variazione di resistenza per unità di area.

Come selezionare gli estensimetri

Quando si seleziona un estensimetro per un'applicazione, le tre considerazioni principali sono la temperatura di esercizio, la natura della deformazione da rilevare e i requisiti di stabilità.

Poiché un estensimetro è montato su una superficie tesa, è importante che sia teso allo stesso modo della superficie. Il materiale adesivo deve essere selezionato con attenzione per trasmettere la sollecitazione al sensore in modo affidabile in un ampio intervallo di temperature e altre condizioni.

Il valore di resistenza di un estensimetro varia in funzione della deformazione applicata in base a: variazione di R / R = S e dove R è la resistenza, e è la deformazione e S è il fattore di sensibilità alla deformazione. Per i misuratori a foglio metallico, il fattore di sensibilità alla deformazione è di circa 2.

Gli incrementi di deformazione sono generalmente inferiori a 0,005 pollici / pollici e sono spesso espressi in unità di micro-deformazione. Dalla formula, si vede che la resistenza dell'estensimetro cambierà in quantità molto piccole con la deformazione data, nell'ordine dello 0,1%.

Una lettura di tensione può quindi essere tolta da questo resistore in termini di milli-volt per volt (mV / V) per fornire il valore di misurazione della deformazione.

Il rapporto di Poisson è una misura dell'assottigliamento e dell'allungamento che si verificano nel materiale quando viene sottoposto a tensione. Se, ad esempio, viene applicata una forza di trazione a un filo resistivo, il filo diventerebbe leggermente più lungo e allo stesso tempo più sottile. Questo rapporto di questi due ceppi è il rapporto di Poisson.

Questo è il principio di base alla base delle misurazioni degli estensimetri, poiché la resistenza del filo aumenterebbe proporzionalmente a causa dell'effetto Poisson.

Come misurare accuratamente l'uscita degli estensimetri

Per misurare con precisione una piccola variazione di resistenza, gli estensimetri si trovano quasi sempre in una configurazione a ponte con una sorgente di eccitazione di tensione.

Il ponte di Wheatstone è comunemente usato come mostrato nel diagramma. Il ponte è bilanciato quando i rapporti delle resistenze sono uguali su entrambi i lati o R1 / R2 = R4 / R3. Evidentemente, la tensione di uscita è zero in questa condizione.

Quando la resistenza dell'estensimetro (Rg) cambia, la tensione di uscita (Vout) cambia di pochi milliVolt e questa tensione viene quindi amplificata da un amplificatore differenziale per restituire un valore leggibile.

Questo circuito di Wheatstone è anche adatto per la compensazione della temperatura: può quasi eliminare gli effetti della temperatura. A volte il materiale del misuratore è progettato per compensare l'espansione termica, ma ciò non rimuove completamente la sensibilità termica.

Per ottenere una migliore compensazione termica, un resistore come R3 potrebbe essere sostituito da un estensimetro simile. Ciò tenderebbe ad annullare gli effetti della temperatura.

Infatti, tutte e quattro le resistenze potrebbero essere sostituite da sensori estensimetrici per la massima stabilità della temperatura. Due di loro (R1 e R3) possono essere impostati per misurare la compressione, mentre gli altri due (R2 e R4) sono impostati per misurare la tensione.

Questo non solo compenserà la temperatura, ma aumenterà anche la sensibilità di un fattore quattro. I misuratori di tensione con elementi di resistenza elettrica sono di gran lunga il tipo più comune di sensore per misurare la deformazione, poiché possiedono anche i vantaggi di un costo inferiore come ben consolidato.

Sono disponibili in piccole dimensioni e sono solo moderatamente influenzati dalle variazioni di temperatura, ottenendo contemporaneamente un errore inferiore a +/- 0,10%. Anche gli estensimetri a resistenza incollata sono altamente sensibili e possono essere utilizzati per misurare la deformazione sia statica che dinamica.

Tuttavia, sono disponibili altri tipi per determinate applicazioni, come piezo-resistivi, resistenti al carbonio, semiconduttivi, acustici, ottici e induttivi.

Esistono anche sensori estensimetrici basati su un circuito di condensatori.