Princípios básicos da extensometria – Parte 2

A extensometria é um método de experimentação que tem como objetivo medir deformações e, consequentemente, obter as tensões em componentes, estruturas e equipamentos. Isso se dá a partir da instalação de sensores que são fixados na superfície do objeto em estudo, denominados extensômetros (ou strain gauges).

Para a aplicação dessa metodologia, deve-se conhecer a teoria por trás do seu funcionamento. No artigo Princípios básicos da extensometria – Parte 1, foi apresentado como a Lei de Hooke relaciona as deformações de um material com as tensões aplicadas nele, que é a base para os estudos utilizando a extensometria. Nesta segunda parte, conheça mais sobre os extensômetros, os princípios do seu funcionamento e quais são os principais tipos encontrados no mercado.

A estrutura do extensômetro

Os extensômetros são sensores baseados em resistência elétrica, comportando-se como um resistor. Ele é colado ao componente estudado, e quando este é sujeito à deformação em uma determinada direção (com um, dois ou três eixos), é gerada uma diferença de potencial no sensor.

Basicamente, os sensores são compostos por uma grade de material condutor depositada em um composto adesivo isolante. Quando colado a um corpo que está sendo deformado devido a uma aplicação de carga, o extensômetro sofre uma deformação. Assim, as malhas aumentam de tamanho, gerando uma variação na resistência inicial do extensômetro. Por meio da aplicação de uma tensão elétrica constante nos terminais do extensômetro e com a variação da resistência com deformação linear, é possível obter a variação de corrente do sistema fechado. [1]

A grade de metal dos strain gauges é sensível, e a base à qual é conectada adere à peça ou estrutura que se deseja monitorar. O fio sensível tem, em grande parte dos extensômetros comerciais, um diâmetro aproximado de 0,1 mm e é fabricado em ligas metálicas especiais. A grade é embutida dentro de um filme plástico fino ou entre 2 (duas) folhas de papel. Exemplos de extensômetros uniaxial e triaxial são apresentados na Figura 1.

Kot_Extensômetro — Figura 1 – Extensômetro uniaxial (à esquerda) e triaxial ou roseta (à direita) – SILVA (2019)

O princípio da condutância elétrica

O funcionamento do extensômetro parte, basicamente, do princípio da condutância elétrica e depende muito da geometria da estrutura analisada. Ele é projetado simplesmente com base no fenômeno de que o comprimento específico de um determinado fio de resistência é diretamente proporcional à resistência do fio, conforme a Equação 1. [3]

Equação 1 – Cálculo de resistência elétrica – BESTECH (2019)

Onde:

R = resistência do fio;

ρ = resistividade;

A = área da seção transversal do específico fio.

Partindo do princípio de que quando o fio é tracionado a área da sua seção transversal é diminuída, utilizando a Equação 1 obtém-se a Equação 2.

Equação 2 – Cálculo da nova resistência – BESTECH (2019)

Onde:

R₂ = é a nova resistência gerada devido à mudança nas dimensões e também é chamada de resistência deformada;

D= diâmetro do objeto;

∆D = variação no diâmetro do objeto.

A partir da equação da deformação –que pode ser vista aqui– substituindo ∆L pela variação na resistência do extensômetro devido à tensão e L pelo fator de resistência inerente ao extensômetro, tem-se a Equação 3:

Equação 3 – Cálculo do Strain– BESTECH (2019)

Sendo:

∆R = Variação na resistência do extensômetro devido à deformação;

R = resistência do extensômetro;

K = fator de medição do extensômetro.

Ponte de Wheatstone

De forma geral, percebe-se que um extensômetro funciona de acordo com o princípio básico de um fio condutor de metal simples que tende a ter uma variação em seu comprimento, área da seção transversal e resistência devido a uma determinada tensão aplicada.

Extrapolando esse conceito, todas as configurações de extensômetro são baseadas no conceito de uma ponte de Wheatstone, a qual é uma rede de 4 resistências. De forma simplificada, uma ou mais dessas pernas podem ser elementos sensores ativos. Em suma, uma ponte de Wheatstone é um circuito divisor de tensão, como mostrado na Figura 2, que pode detectar pequenas mudanças na resistência.

Kot_Diagrama-típico-de-uma-ponte-de-Wheatstone — Figura 2 – Diagrama típico de uma ponte de Wheatstone – ANDOLFATO, CAMACHO e BRITO (2004)

Essa ponte é o equivalente elétrico de 2 circuitos paralelos. Neste sentido, R_A/R_B e R_C/R_D compõem esses dois circuitos, sendo a tensão medida na saída. A saída de uma ponte de Wheatstone é medida na interface.

Um fenômeno físico, como uma mudança na deformação aplicada a um objeto que está sendo monitorado ou uma mudança de temperatura, altera a resistência dos elementos sensores na ponte de Wheatstone. Sendo assim, a sua configuração é usada para ajudar a medir as pequenas variações na resistência. Esta variação da resistência que os elementos sensores produzem induz uma variação de tensão que, na prática, corresponde a uma mudança física no objeto que está sendo medido/monitorado.

Basicamente, existem três tipos de configurações de extensômetro: ¼ de ponte, ½ ponte e ponte completa. Cada uma dessas configurações é subdividida em vários subtipos. Dois exemplos podem ser visualizados na Figura 3 e 4.

Kot_Medição-com-tração — Figura 3 – Medição com tração utilizando ¼ de ponte – ANDOLFATO, CAMACHO e BRITO (2004)

Kot_Medição-de-flexão — Figura 4 – Medição de flexão utilizando ½ ponte – ANDOLFATO, CAMACHO e BRITO (2004)

Tipos de extensômetro

Existem muitos tipos de extensômetros e suas escolhas devem ser feitas de acordo com vários critérios. Tais critérios incluem o nível de deformação, a temperatura em que o monitoramento está sendo realizado, o material do objeto, o ambiente, a geometria, o fabricante, a utilização, entre outros fatores. A literatura e os fabricantes fornecem várias classificações e tipos de extensômetro para utilização. De forma simplificada, na Tabela 1, são apresentados alguns tipos de extensômetros mais comuns que podem ser utilizados para extensometria.

As possibilidades de utilização de extensometria para soluções em integridade estrutural são grandes. Mas é importante destacar que também existem limitações para a utilização dessa ferramenta. Em algumas situações seu uso não é o mais indicado, existindo possibilidades mais adequadas de acordo com a necessidade do estudo. Em determinados casos é recomendável a utilização somente da análise de elementos finitos (FEA). Em outros, a junção de FEM e extensometria. A KOT tem grande experiência na área e pode fornecer aos seus clientes soluções de extensometria para ensaios e monitoramento para a promoção de integridade de ativos.

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Aender Ferreira

Técnico em Mecânica pelo CEFET-MG, Engenheiro Mecânico/Aeronáutico pela UFMG e Mestre em Engenharia Mecânica pela mesma universidade. Antes da graduação, teve experiências nos setores de mineração, manutenção, projetos mecânicos, engenharia experimental e indústria automotiva. Como engenheiro, iniciou sua carreira em uma montadora aeronáutica realizando atividades de cálculo de fadiga em componentes e estruturas aeronáuticas. Posteriormente foi convidado pelo fundador Prof. Ihor Kotchergenko a compor o corpo diretor da Kot Engenharia, onde atua há mais de 16 anos. Atualmente, Aender ocupa o cargo de CEO da empresa.

Referências:

[1] SILVA, Anderson Langone et al. A study of strain and deformation measurement using the Arduino microcontroller and strain gauges devices. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 41, n. 3, 2019.

[2] BIELEN, Paul; LOSSIE, Mieke; VANDEPITTE, Dirk. A low cost wireless multi-channel measurement system for strain gauges. In: Proceedings of ISMA. 2002. p. 663-670.

[3] BESTECH. UNDERSTANDING THE FUNDAMENTALS OF STRAIN GAUGE. 16-09-2019 Disponível em: https://www.bestech.com.au/blogs/strain/understanding-fundamentals-strain-gauge/. Acesso em: 3 de março. 2021

[4] ANDOLFATO, R. P., CAMACHO, J. S., de BRITO, G. A., Extensometria básica, (NEPAE UNESP, Ilha Solteira, 2004)