Medições com strain gage Renan Azevedo Engenheiro de Produto, DAQ & Teste NI Henrique Sanches Marketing Técnico, LabVIEW NI
Pontos principais Conceitos básicos de strain gage Conceitos básicos das medições baseadas em ponte Redução de erro de medição Medição de strain com fibra óptica
Componentes de medição Medição física Sensor Conectividade Aquisição & Condicionamento de Sinais Computador
Strain Gage Gage backing (não condutor) Corpo de prova Força Força Folha condutora Fios de ligação
Operação de strain gages de folhas Strain gages são sensores resistivos variáveis. A resistência do gage varia com a deformação. Fator de gage é a relação entre a variação da resistência e a variação da deformação. Strain L L R GF L R L
Divisor de tensão Divide a tensão em um circuito linear. R 1 + V EX - V IN R 2
Ponte de Wheatstone Usada para medir dispositivos resistivos. V IN = 0 se R 1 /R 2 = R 3 /R 4 V IN 0 se houver variação na resistência (deformação) Requer excitação de tensão. R 3 R 1 + + V IN - V EX - R 4 R 2
Componentes de medição Medição física Sensor Conectividade Aquisição & Condicionamento de Sinais Computador
Strain gage de quarto de ponte Um gage R 1, R 2 e R 3 são resistores fixos. R 3 é chamado resistor de complemento de um quarto de ponte Corpo Grid R 3 R 1 + V IN - R 2
Quarto de ponte tipo I R 3 R 1 + V IN - R 4 R 2
Quarto de ponte tipo II R 3 R 1 + V IN - R 4 R 2
Strain gage de meia ponte Dois gages R 1 e R 2 são resistores fixos. Corpo Grid R 1 + V IN - R 2
Meia ponte tipo I R 3 R 1 + V IN - R 4 R 2
Meia ponte tipo II R 3 R 1 + V IN - R 4 R 2
Strain gage de ponte completa Quatro gages Todos os resistores na ponte de Wheatstone são strain gages. Geralmente dois sensores na parte superior e dois na parte inferior. Corpo V EX + + V IN - V EX -
Ponte completa tipo I R 3 R 1 + V IN - R 4 R 2
Ponte completa tipo II R 3 R 1 + V IN - R 4 R 2
Ponte completa tipo III R 3 R 1 + V IN - R 4 R 2
Configurações de ponte Tipo de Medição Quarto de ponte Meia ponte Ponte completa Tipo I Tipo II Tipo I Tipo II Tipo I Tipo II Tipo III Deformação axial Sim Sim Sim Não Não Não Sim Deformação por flexão Sim Sim Sim Sim Sim Sim Não Compensação Temperatura Não Sim Sim Sim Sim Sim Sim Sensibilidade transversal Não Não Sim Não Não Sim Sim Sensibilidade ß Sensibilidade em 1,000 ue ~0.5 mv/v ~0.5 mv/v ~0,65 mv/v ~1,0 mv/v ~2,0 mv/v ~1,3 mv/v ~1,3 mv/v Instalação Quantidade de gages colados 1 1* 2 2 4 4 4 Local de montagem Um lado Um lado Um lado Ambos os lados Ambos os lados Ambos os lados Quantidade de fios 2 ou 3 3 3 3 4 4 4 Resistores de complemento de ponte 3 2 2 2 0 0 0 * Outro strain gage é colocado em estreito contato térmico com a estrutura, mas não é colado. Ambos os lados
Rosette Layout específico usado em aplicações de deformação plana. 45 45
Componentes de medição Medição física Sensor Conectividade Aquisição & Condicionamento de Sinais Computador
Montagem de strain gages Preparação da superfície Colagem do gage Fios de ligação devem ser soldados Proteção com revestimento
Fontes de erro Ruído de alta frequência Filtragem, nível de excitação. Autoaquecimento do sensor Tipo de gage, nível de excitação, estrutura. Estabilidade da fonte de excitação Compensação, arquitetura ratiométrica. Resistência de braços (fios) da ponte Detecção remota, calibração de shunt. Calibração inadequada Calibração de shunt e zeragem de offset.
Filtragem Filtro passa baixa Domínio do tempo Domínio do tempo Filtro passa baixa Domínio da frequência Domínio da frequência
Nível de excitação Relação sinal/ruído (SNR) Excitação mais alta gera um melhor SNR. Impacta no autoaquecimento do gage Excitação mais alta leva ao autoaquecimento. o Gera efeitos no termopar. o Altera a capacidade adesiva de transferir deformação. o Altera a sensibilidade e resistividade do gage. Dependente da configuração de ponte
Estabilidade da excitação A relação de tensão é usada em todas as equações para calcular a deformação. (V com deformação V sem deformação ) / V excitação Excitação instável gera erros na leitura. Detecção remota.
Medições de ponte ratiométrica Abordagem tradicional Abordagem ratiométrica Vantagens Alta precisão e baixa susceptibilidade Requisitos de projeto reduzidos permitindo maior quantidade de canais.
Calibração com zeragem Remove offsets. Garante que ~0 V seja medido quando um gage não tem deformação. Compensa o desequilíbrio inerente à ponte. Pode ser feita em hardware ou software.
Calibração de Shunt + V IN - + _ V EX
Calibração de shunt e zeragem ε Erro de offset Sem calibração Calibração com zeragem de offset Erro de ganho Calibração de shunt e zeragem de offset σ
Medição dos efeitos de terremotos em pontes Desafio Criar um teste que meça da melhor forma como a suspensão de um veículo interage com uma ponte durante um terremoto. Solução Medir deformação, força e deslocamento para caracterizar o comportamento dos veículos e da ponte.
Demonstração de medições de deformação
Medição analógica: Strain Gages Gage resistivo (folha) Força Força L Deformação: L R R GF GF 2 Gage óptico FBG Força Força L Deformação: L λ λ K K 0.8
Fibra óptica em redes de bragg (FBG) λ Sinais de entrada Fibra óptica em redes de bragg λ B λ Sinais transmitidos Núcleo da fibra óptica Sinais refletidos Λ B = Período da rede B = 2n e Λ B λ B
Comprimento de onda - Multiplexação por divisão λ 1 λ 2 λ 3 Λ 1 Λ 2 Λ 3 Diversos sensores FBG multiplexadores em um comprimento de onda em uma fibra óptica. λ λ 5 λ 6 λ 4 n-1 λ n λ 3 λ 1 λ 2 Interrogador de sensores ópticos (NI PXIe-4844) P Sinais refletidos λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 λ 6 λ n-1 λ n λ
Temperatura e deformação b 2n Λ - Variação da deformação
Benefícios dos sensores ópticos FBG Passivo e não condutivo eletricamente Imune a altas tensões, EMI Não explosivo Ambientalmente sustentável Imune aos meios corrosivos e cáusticos Sensores multiplexadores Dezenas de sensores por fibra reduzem o cabeamento Permite transmissão de sinais em longas distâncias (km) Muito leve e pequeno Efeito peso/resistência reduzido
Aquisição de Medição PXI Módulos de entrada para ponte PXIe-4330 PXIe-4331 PXIe-4339 CompactDAQ Módulos de entrada para ponte NI 9237 NI 9235 NI 9236 CompactRIO Módulos de entrada para ponte NI 9237 NI 9235 NI 9236 Vantagens da plataforma Melhor sincronização Padrão amplamente adotado pela indústria Vantagens da plataforma Medições de transferência de forma de onda Rápida customização de software Vantagens da plataforma Medições determinísticas em um único ponto Temporização e trigger customizado
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