Células de carga celcar

8/6/2019 Clulas de carga celcar

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Clulas de Carga

Prof. Valner Brusamarello


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Medio de Fora

Fora

Peso Torque

Presso Outras

Variveis que dependem direta ou indiretamenteda fora


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Fundamentao Terica

Robert Hook estabeceu a relao entre tenso e deformao.Quando uma fora submetida a uma mola, a mesma

deflexiona segundo a lei de Hook: F fora em N, k a constante de rigidez da mola e x o

deslocamento em m. De fato, a lei de Hook uma aproximao do que realmente

acontece com os corpos deformveis, pois a relao entre afora e a deflexo aproximadamente linear quando ascargas aplicadas apresentam baixos nveis. A lei de Hooktambm pode ser expressa por:

onde a tenso mecnica , a deformao percentual(%) e E o modulo de Young ou mdulo de elasticidadeexpresso nas mesmas unidades que a tenso mecnica.

F Kx=

E =


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Fundamentao Terica

Tenso e deformao so asverses normalizadas de forae deflexo. Tenso fora porunidade de rea e deformao o alongamento por unidadede comprimento inicial.

O mdulo de elasticidade uma caracterstica fsica domaterial e de grandeimportncia no projeto declulas de carga.

Clulas de carga sotransdutores de fora, nosquais uma estrutura

mecanicamente rgida possuisensores fixados. Quando aplicada uma carga mecnica,o sistema deforma-se e ainformao transmitida aosensor.


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Fundamentao Terica

O conceito de deformao anlogo ao dedeslocamento unitrio:

onde o comprimento inicial e o comprimento final. Em geral, aplica-se como unidade unitria uma micro-

deformao ( ) que equivale a uma variao de em umcomprimento inicial de um metro. Apesar deadimensional a deformao relativa geralmente

relacionada com (microstrain) Para deslocamentos pequenos, para a grande maioriados materiais verifica-se a lei de Hooke, que estabelecea proporcionalidade direta entre tenses e as

deformaes.

l

oo

l ldl

l l

= =0

0

0l l

mm


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Fundamentao Terica

A deformao noocorre apenas nadireo em que a fora

aplicada, eixo x, mastambm ocorre umareduo (ou aumento)da seco transversaldo corpo, eixo y e z.

A relao entre adeformao transversale a longitudinal, paramateriais isotrpicos,aqueles que

apresentam as mesmaspropriedades mecnicaspara todas as direes, representada pelocoeficiente de Poisson

xx

E

= xy x

E

= = xz x

E

= =


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Fundamentao Terica

Resumindo em poucaspalavras, quando um material submetido a uma tenso

mecnica, uma compressouniaxial ou um cisalhamentoocorre uma deformao elsticaat um valor de tensomecnica, compresso ou forade cisalhamento crticos. A partir

deste ponto, comea a ocorreruma deformao plstica. Durante a deformao elstica,

os tomos do material estodeslocados, mas tendem avoltar para a posio deequilbrio quando a cargamecnica removida.

Na figura mostrada umatrao, compresso e umcizalhamento.

F =0

ll

=P =


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Balanas e a medio de peso

Atualmente pouco comum encontrar-se emsupermercados, em farmcias, ou em aougues as balanasmecnicas. Geralmente so utilizadas balanas eletrnicas.

Seu menor custo, simplicidade de operao, masprincipalmente a melhor qualidade de medio fez com queestas substitussem as balanas analgicas (mecnicas).


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Transdutores de fora

Transdutor de fora piezo-eltrico Uma vez que a tenso eltrica

aumenta quase que linearmente

com a tenso mecnica aplicada, oPZT pode ser utilizado como sensorde fora. Deve, entretanto, serobservado que as cargas eltricassurgem apenas quando a cargamecnica aplicada. A mesma ser

descarregada pela resistncia deentrada do instrumento que utilizado para fazer a medida. Destaforma, no possvel utilizar oPZT na medio de fora oupresso esttica.

Um sensor de fora piezo-eltrico quase to rgido quanto uma peade ao. Esta caracterstica permiteque esses sensores sejam inseridosdiretamente em partes de estruturas

de mquinas.


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Transdutores de fora Transdutor de fora capacitivo Considerando-se um capacitor de

placas paralelas tem-se:

onde a constante dieltrica doar, a constante dieltrica relativado material isolante entre as placas(se houver algum), A a rea dasplacas condutoras e d a distnciaentre as placas.

Uma tendncia atual a

miniaturizao de componentes.Desta forma, muitos dispositivossensores esto sendo fabricadosdiretamente em pastilhassemicondutoras. Esses sensoresso conhecidos como MEMS (MicroElectro-Mechanical Systems).

0 rACd

=

0

r


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Transdutores de fora

Resistor sensor de fora(FSR- Force sensitiveresistor)

Um FSR apresenta umavariao de resistnciadependente da fora (oupresso) aplicada. Naverdade o nome corretodeveria ser sensor depresso ao invs de sensor

de fora, uma vez que omesmo dependente da reaonde a fora aplicada.

O FSR consiste em umpolmero que exibe umadiminuio da resistncia com

um aumento da fora nasuperfcie ativa do sensor. Os sensores do tipo FSR so

conhecidos pela precisomuito pobre, por erros daordem de 25% e pela nolinearidade da sada


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Extensmetro de resistncia eltrica (Strain gages)

onde K constante (fator do extensmetro ou fator gage), aresistncia inicial do fio metlico, o comprimento inicial, e asvariaes de resistncia e comprimento respectivamente e a

deformao relativa.

0

0

RR

Kl

l

=

0

RR

K

=

A extensometria o mtodo que utiliza o princpio da relaoque existe entre tenses e deformaes em corpos submetidosa solicitaes mecnicas, conforme estabelecido por Hook.

Em 1856, Kelvin realizou experimentos utilizando fios de cobre eferro e observou que a resistncia eltrica de ambos mudavaquando os materiais sofriam deformao na regio elstica

A variao relativa da resistncia sobre a variao relativa da

deformao uma constante.

0R

0l R l


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Extensmetro de resistncia eltrica (Strain gages)

A resistncia eltrica R de um fio com comprimento l , seco A eresistividade :

Quando o fio deformado longitudinalmente, cada uma dasquantidades que afetam R alteram-se.

Como abordado anteriormente, esta relao vlida para a regiode deformao elstica.

Considerando-se pequenas variaes, a resistncia R de um fio

metlico pode ser considerada:

Onde Ro a resistncia quando no aplicada carga

lR

A=

2dR dl d dD

R l D

= +

( ) ( )1 1 . 1o o o oo

dR R R dR R R K R x

R

= + = + + = +


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Extensmetro de resistncia eltrica (Strain gages) O extensmetro de resistncia eltrica (tipo folha) formado por dois

elementos: a base e a grade Os extensmetros de resistncia eltrica do tipo folha so os sensores mais

populares na medio de fora (e grandezas relacionadas) em funo do seutamanho, alta linearidade e baixa impedncia.


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Extensmetros de resistncia eltrica com compensao de

temperatura

Os extensmetros de resistncia eltrica so construdos de diferentes metais eligas tais como constantan (Cu57Ni43), karma (Ni75Cr20FexAly), nicromo(Ni80Cr20) entre outras. Tambm so produzidos em semicondutores, tais

como, o silcio e o germnio. Basicamente a escolha do sensor consiste na determinao de umacombinao de parmetros compatveis com o ambiente e com as condiesde operao do sensor.

Em aplicaes estticas tanto a ponte de Wheatstone como o extensmetrodevem ser compensados para anular o efeito da temperatura. Quando atemperatura varia podem ocorrer quatro efeitos: O fator do extensmetro varia com a temperatura A grade sofre um alongamento ou uma contrao. . A clula alonga ou contrai . A resistncia do extensmetro varia

comum que os fabricantes de extensmetros selecionem ligas no intuito decompensar os efeitos dos parmetros observados. Essa caracterstica conhecida como auto-compensao de temperatura.

Strain gagescom auto-compensao de temperatura so projetados paraapresentar o mnimo de deformao aparente em uma faixa aproximada de -45

a 200C.


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Extensmetros de resistncia eltrica com compensao

de temperatura

Um estudo cuidadoso deve ser feito antes da escolha de extensmetros paraaplicaes especiais


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Extensmetro de uso geral

Ilustrao da mdia da distribuio dastenses na regio sob a grade sensorado extensmetro de resistncia eltrica

Quando podem ser utilizados, osextensmetros mais longos (regulares)devem ser escolhidos, pois geralmenteso mais fceis de manusear e instalar.Sua rea maior, tambm implica emuma dissipao maior de calor. Estapropriedade pode ser bastante

importante quando aplicados emplsticos ou outros materiais que socondutores pobres de calor.

Como uma regra geral, quandopossvel, comprimentos de 3 a 6 sopreferveis. Os comprimentos maisusuais e que geralmente encontram-seem estoques de fornecedoresencontram-se dentro desta faixa.Extensmetros fora desta faixa tambmcustam mais caro.


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Extensmetros uniaxiais

Consistem nos straingagescom o formato

de grades mais simples As resistncias tpicas

so 120 ou 350 .Neste aspecto, quando

possvel a escolha, melhor optar porresistncias maiores,pois isto reduz o

aquecimento na grade,alm de reduzir o efeitodevido a conexes esoldas.


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Extensmetros do tipo roseta

Para um estado de tensesbiaxiais necessria autilizao de mais de umelemento. Neste caso, existemos extensmetros do tiporoseta, os quais apresentammais de uma grade sensoraem uma mesma base.Os extensmetros do tipo

roseta devem ser escolhidosde acordo com a distribuiodas tenses e posicionadosde forma que as direespreferenciais de cada gradecoincidam com as direes

das componentes da tensomecnica, ou em outros casosquando no se conhece adireo de tenses principais.


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Extensmetros do tipo roseta

Na prtica, com tenses superficiais comeixos principais desconhecidos, pode-seutilizar uma roseta com trs elementos e

determinar as direes preferenciais. As rosetas podem ser do tipo planar ouempilhadas . Geralmente a primeira umaescolha mais vantajosa em relao segunda. As rosetas empilhadas apresentamuma dificuldade maior na dissipao de calor

das grades e isso pode influenciar nodesempenho bem como na estabilidade dosensor.

Outra desvantagem em relao aaplicaes com pequenas amplitudes detenses, onde as rosetas planares estoprximas da superfcie submetida ao esforo,enquanto que nas rosetas empilhadas, atransmisso da deformao mais pobreuma vez que a mesma se faz pelas gradesindividuais


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Campo de deformaes e fator de

Sensibilidade transversal nos Strain Gages A sensibilidade de um condutor submetido a uma deformao

unidirecional definida como:

Em um extensmetro, o condutor dificilmente ser uniforme sobre toda agrade, dessa forma a sensibilidade depende de outros fatores. De fato,uma boa aproximao pode ser feita ao considerar um strain gage

colado em um corpo (como uma barra, por exemplo) e submetido a umesforo de trao ou compresso. Sua variao de resistncia pode serdefinida:

A sensibilidade do extensmetro para a deformao na direo docisalhamento pequena e pode ser desprezada. Entretanto asensibilidade deformao transversal significativa e os fabricantesfornecem um fator de sensibilidade transversal para cada sensor

L

dR RR R

S

=

a a t t cis at

RK K K

R

= + +

tt

a

SK

S

=


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Sensibilidade transversal nos Strain Gages E assim:

A sensibilidade do extensmetro geralmente expressa em termos de um fatorK (como colocado anteriormente):

O fator do extensmetro determinado pelo fabricante medindo uma amostrade sensores de cada lote. Na calibrao, os extensmetros so fixados em uma

barra com uma razo de Poisson de -0,285. Uma deformao axial conhecida aplicada, a qual produz uma deformao transversal:

e assim a variao da resistncia pode ser definida: e Observa-se que esta equao indica que mesmo que a deformao medida

seja apenas a longitudinal, a mesma sofre influncia transversal pela razo dePoisson. importante deixar claro que a menos que se trate de um campo de tenses

uniaxial, (e at nesse caso, com o sensor montado em uma direo diferente daprincipal), se a sensibilidade transversal ou a deformao transversal noforem nulos, ocorrer um erro se este fator no for considerado.

( )a a t t R

S KR

= +

a

RK

R

=

t a =

( )1a a tR

S KR

= ( )1a tK S K=


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Sensibilidade transversal nos Strain Gages Erro devido a

sensibilidade

transversalpara vriasrelaes de

deformao Esquema para

medio da

deformaode Poisson

100tt

a

K


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Extensmetros semicondutores

Os strain gagessemicondutores foram inventados nos Laboratrios da BellTelephone Companynos anos 50. No inicio da dcada de 70 os primeirosextensmetros semicondutores foram aplicados na indstria automobilstica.

Diferente dos sensores metlicos, os extensmetros semicondutores utilizam oefeito piezo-resistivo do silcio ou germnio. Normalmente necessrio um cuidado muito especial para a colagem por nem

sempre apresentar uma base como os extensmetros metlicos As principais vantagens dos extensmetros semicondutores so as altas

sensibilidades, os valores de resistncia elevados alm do tamanho reduzido.As comparaes com os extensmetros populares (metlicos tipo folha) soinevitveis e muitas vezes controversas na literatura. Sabe-se que os straingagessemicondutores so bastante sensveis variao de temperatura,apresentando forte tendncia de drift. Outro problema dos semicondutores odesvio de linearidade. Estes problemas, entretanto, podem ser

consideravelmente minimizados com eletrnica e processamento adequados. Aplicaes prticas, atuais deste tipo de tecnologia podem ser encontradas em

muitos sensores de presso onde o diafragma micro-usinado em silcio e osextensmetros so difundidos neste substrato na forma de ponte


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Extensmetros semicondutores

Comparando os extensmetros metlicos tipo folha e os extensmetrossemicondutores, pode afirmar que os semicondutores possuem sinalde 25 a 50 vezes maior que os strain gages, alm de possuir um

tamanho mais reduzido Com esta regio de trabalho, os extensmetros semicondutores tm

uma vida til maior em relao fadiga. Alm disso, a altasensibilidade permite que menores tenses mecnicas possam sermedidas

As vantagens dos extensmetros do tipo folha incluem o baixo custo, agrande oferta e popularidade com a conseqente oferta de recursos noque diz respeito ao processo de projeto das clulas de carga

Os processos de difuso encontrados em circuitos integrados so osmesmos utilizados na fabricao de diafragmas para sensores depresso. Nestes dispositivos, o diafragma construdo de silcio aoinvs de metal e as impurezas so depositadas para formarstraingagesintrnsecos nas posies desejadas. Este tipo de construopode permitir confeces com um custo mais baixo, uma vez quevrios diafragmas podem ser feitos em uma nica pastilha.


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Introduo ao projeto de transdutores de

fora Um Sistema Mecnico

(Elemento Mola)converte fora em

alongamento mecnico Colando o strain gage

sobre o corposubmetido tensomecnica, ambos

estaro submetidos mesma deformao.Desta forma, umavariao de resistnciaocorrer na sada, a

qual ligada a umcircuito do tipo pontecomo ser mostrado

d j d d d


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Introduo ao projeto de transdutores de

fora A Figura mostra as etapas distintas de transduo desde o estmulo

at a resposta

Processo de colagem dos extensmetros de

resistncia eltrica

P d l d d


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resistncia eltrica

P d l d d


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resistncia eltrica

P j d l l d


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Projeto da clula de carga

A sensibilidade da clula de carga influenciada diretamentepelo nmero de extensmetros, pela posio dos extensmetros

e pela configurao na ponte de Wheatstone

4 2

oE K

E K

=

3

6

10

4 2 10

oE K mVVE K

=

( )( )

3

61 10

4 2 1 10o KE mV

VE K

+ = +

P j d l l d


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310

2

oE K mV

VE

=

3

6

10

2 10

oE K mVVE K

= +

( ) 3

6

1 10

2 (1 ) 10

oKE mV

VE K

+ = +

P j d l l d


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( ) 31 10

2

oKE mV

VE

+ =

3

10oE

mVK VE

=

Cl l d d ti l


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Clula de carga do tipo coluna

Transdutor de fora do tipo lmina


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Transdutor de fora do tipo lmina

engastada 26 Fonte

EbhF

KlE=

Cl la de arga do tipo Anel


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Clula de carga do tipo Anel

Transdutor de fora composto por duas


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Transdutor de fora composto por duas

vigas bi-engastadas

Medida de Fora e Momento


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Medida de Fora e Momento

Arranjos para

medir momento oufora. (a) arranjopara medir foraaxial (b) Arranjopara medir

momento e (c)Arranjo para medirmomento .

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