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Extensômetria (Strain Gauge) – O que é? Quando utilizar?

Postado em 14 de março de 2016 por

Extensômetria (Strain Gauge) – O que é? Quando utilizar?

O extensômetro ou strain gauge é um sensor que é colocado na superfície de uma peça, responsável por medir a deformação diante da aplicação de um carregamento. Essa técnica é muito utilizada para a verificação dos níveis de tensão atuante diante da condição de operação de um equipamento ou máquina.

Extensometro-01

Figura 1 – imagem representativa de um extensômetro (strain gauge)

Como funciona?

O fio resistivo mostrado na figura acima, altera sua resistência de acordo com o “alongamento” da superfície em que está colocado, gerando dessa maneira sinais elétricos que são interpretados pela placa de aquisição, transformando os valores em deformação (Strain). Os valores de deformação por sua vez podem ser convertidos em tensão mecânica (ex. MPa).

Os extensômetros são colados cuidadosamente na superfície das peças que devem estar totalmente limpas diretamente em contato com o metal base (ausência de tinta, oxidação, etc).

5 Passos para o ensaio de extensômetria (strain gauge):

     01) Selecionar o local de instalação:

O local de instalação do extensômetro, será o local em que a deformação (ou tensão), será medida, portanto deve ser cuidadosamente selecionado para que a resposta desejada seja encontrada.

Como selecionar o local de instalação correto?

O primeiro ponto é definir claramente o objetivo da instalação, ou seja, porque está sendo medido a deformação? É para validar um modelo de elementos finitos? Encontrar as máximas tensões existentes em um equipamento? etc…

Após a identificação desse primeiro ponto, é necessário conhecer a direção e intensidade esperada de deformação na peça sob análise. Por exemplo – caso o objetivo seja identificar a tensão de uma coluna que está sendo tracionada, é fácil de perceber que as deformações estão no sentido longitudinal e caso não haja concentrador de tensão o local de instalação poderia ser qualquer um desde que a grade do extensômetro esteja alinhada com o sentido da deformação.

Caso o equipamento analisado seja de geometria complexa, o local e direção das máximas tensões é uma tarefa difícil, e portanto o ideal é que seja realizado uma análise de elementos finitos no equipamento, para se obter um “mapa” da distribuição de deformação no produto inteiro.

     02) Selecionar o tipo de extensômetro: Extensômetro Uniaxial ou Roseta?

Os principais tipos de extensometros são denominados como uniaxial e roseta, onde sua principal diferença do ponto de vista de aplicação, é que o uniaxial é capaz de medir a deformação em apenas 01 direção, enquanto a roseta é capaz de medir em 03 direções.

 

Uniaxial-e-roseta-02

Figura 2 – extensometro uniaxial no lado esquerdo e roseta do lado direito

O extensometro uniaxial geralmente é instalado onde as tensões no local de instalação se apresentam predominantemente em apenas 01 direção, que deve ser a mesma orientação do sentido longitudinal do sensor.

Já a roseta, é mais utilizada em casos onde as tensões predominantes estão em mais de 01 direção, e a instalação do sensor pode ser realizada em qualquer orientação, pois posteriormente a coleta dos dados é possível calcular as tensões principais e determinar a direção das mesmas.

Ficou muito difícil de entender? Vamos dar um exemplo para simplificar…

  • Imagine uma barra de aço, que é presa de um lado e tracionado do outro, como mostra a imagem abaixo:

    • Nesse caso é fácil de perceber que a deformação está predominantemente no sentido longitudinal da barra, e que um extensômetro uniaxial é capaz de ler a tensão principal se for instalado nesse mesmo sentido.

tensao-principal

Figura 3 – direção da tensão principal em barra tracionada

  • Agora, imagine uma peça mais complexa, que tenha geometria irregular sendo fixa de um lado e sofrendo carregamento combinado do outro, como mostra a imagem abaixo:

    • Note que a direção da tensão principal não é homogenea, ou seja, em cada local possui uma direção;

    • Dependendo do ponto de instalação na peça, ainda sim é possível instalar sensor uniaxial que fornecerão bons resultados, porém já acaba sendo uma atividade mais difícil.

    • A roseta por sua vez, poderia ser instalada em qualquer local da peça que com os resultados obtidos, é possível “encontrar” a direção exata da tensão principal por meio de equações matemáticas.

tensao-nao-homogenea

Figura 4 – direção da tensão principal em geometria irregular

A definição do tipo de extensômetro deve ser analisada caso a caso, levando em consideração o objetivo do ensaio, tipo do carregamento, geometria da peça, canais disponíveis na placa de aquisição e tempo disponível de instalação.

     03) Instalação do extensômetro:

Uma vez selecionado o local de instalação e tipo do extensômetro, a próxima etapa consiste em realizar todo o procedimento de limpeza da superfície e marcação para que a colagem do sensor seja realizada de maneira correta. As etapas para esta atividade, podem ser subdivididas abaixo:

  • Remoção de tintas e impurezas do local;

  • Demarcação do local do extensômetro;

  • Colagem do extensômetro;

  • Conexão ao fio;

instalacao-gage-barra

Figura 5 – instalação de extensômetro em barra de teste

É importante ressaltar que a instalação de extensômetros é uma atividade minuciosa que requer tempo de instalação e acesso adequado ao local. A instalação de extensômetros deve ser realizada com cautela para que os resultados sejam condizentes e gerem resultados adequados para a aplicação.

      04) Preparação do Teste e Coleta de dados:

Antes do início da coleta de dados, é muito importante que seja verificado a passagem dos cabos que conectam o extensômetros a placa de aquisição, ou mesmo se for um módulo wireless, o local de instalação do módulo deve ser verificado, para que durante o funcionamento do equipamento sob análise os cabos não sejam rompidos ou o módulo danificado.

A deformação dos sensores devem ser “zeradas” com o equipamento sem carga, para que as deformações sejam contabilizadas corretamente. Essa é uma função que todas as placas de aquisição possuem, e que consiste em zerar a deformação residual que existe no sensor.

Outro ponto importante, é a taxa de aquisição que deve ser selecionada no software de aquisição, que consiste em quantos pontos serão gravados por segundo. Ou seja, uma taxa de aquisição de 100Hz, significa que serão coletados 100 pontos por segundo de leitura do sensor.

Essa taxa deve ser definida com base na máxima frequência esperada no equipamento, por exemplo, caso o teste seja realizado em um motor elétrico com rotação máxima de 1800rpm, a taxa de aquisição deve ser maior que  2 x 1800rpm que resulta em 3600rpm (60Hz). Isso deve ser obedecido de acordo com o teoremo de Nyquist que explica a relação entre a taxa de aquisição e a máxima frequência de operação. Esse e outros parâmetros de aquisição de sinal, serão explicados em próximos artigos devido a ser um assunto extenso.

Uma vez que as todas as funções estão programadas, a coleta de dados tem que ser realizada com o equipamento em funcionamento, já que o extensômetro mede a deformação da superfície em que está colado, com a aplicação de força no equipamento sob análise.

     05) Processamento dos Sinais:

O processamento de sinais consiste na interpretação dos resultados com auxílio de ferramentas matemáticas para fornecer as respostas adequadas para as dúvidas ou objetivos do teste. Essa etapa deve ser correlacionada com os objetivos do ensaio, que foram salientados anteriormente neste artigo.

O analista responsável pela etapa de processamento de sinais, deve possuir um entendimento muito claro do problema de engenharia que está sendo estudado, sendo de extrema importância a análise das direções das deformações atuantes, os tipos de sensores (uniaxial e roseta), que exigem processamentos diferentes devido sua construção e propósito de ensaio.

Comparações dos resultados obtidos com os resultados esperados devem sempre ser realizados. O analista deve sempre “duvidar” dos resultados obtidos, fazendo perguntas para si mesmo do tipo:

  • Esta deformação máxima era esperada?

  • A deformação máxima do teste coincide (ou chega próximo) a resultados de cálculos analíticos ou modelo de elementos finitos?

De uma maneira geral, deve ser entendido o comportamento da máquina em geral, fazendo com que cada etapa do gráfico de deformação seja analisado.

Qualquer erro ou engano nesta etapa, pode fazer com que o ensaio seja inútil, muitas vezes gerando mais dúvidas para uma situação onde o desejado era entender um pouco mais.

Destacamos abaixo as principais respostas de um ensaio de extensometria e que podem ser obtidas através do processamento de sinais.

  • Qual a máxima deformação/tensão do extensômetro durante o teste ou condição de operação do equipamento?

  • Como calcular as tensões principais de uma roseta?

  • Como validar o modelo de elementos finitos com os resultados dos extensômetros?

  • Qual a frequência de excitação da máxima tensão no equipamento?

  • Como calcular o amortecimento a partir dos resultados dos extensômetros?

Todas essas perguntas podem ser respondidas através do ensaio de extensometria, e são de grande importância para a compreensão do comportamento estrutural da peça.

O objetivo principal deste artigo foi resumir as etapas do ensaio de extensômetria e salientar algumas tarefas importantes. Caso exista alguma dúvida sobre esta técnica, ou caso especial de seu produto ou equipamento, compartilhe conosco que teremos o maior prazer em ajuda-lo.

Nossa missão é ajudar o desenvolvimento da tecnologia através da utilização de ferramentas de simulação e técnicas experimental, visando a redução de custo e a busca de um produto melhor e mais eficiente.

José Guilherme

José Guilherme

Engenheiro Mecânico pela Universidade Presbiteriana Mackenzie e pós-graduado em Análise Estrutural utilizando o Método dos Elementos Finitos pelo Instituto ESSS....
Saiba mais sobre o autor

28 comentários em “Extensômetria (Strain Gauge) – O que é? Quando utilizar?”

  1. Avatar Ulisses Carvalho disse:

    Olá amigos, eu estou com uma dúvida em realizar um validação usando extensometria, que é a seguinte: Eu faço parte de uma equipe de Baja, que é um projeto de extensão universitário em que alunos da instituição projetam e constroem um carro off-road do tipo Baja, em que é levado em competições em âmbito nacional. E um dos problemas de engenharia enfretados por nós é no dimensionamento do nosso semieixo, que é a ligação entre a nossa caixa de redução para o cubo de roda. Nós ja constatamos analiticamente que o nosso componente quebra principalmente por fadiga, mas nós não temos os dados do histórico de carregamento atuante no semieixo para realizar um dimensionamento correto levando em consideração esses carregamentos. Para isso temos em mente utilizar um ensaio de extensometria para termos esses dados em uma simulação de volta em nossa pista, só que como é um eixo girante, teríamos que utilizar um extensometro wireless, e além da dificuldade de encontrar esse extensometro, este é muito caro. Vocês que já têm uma experiência vasta nesse assunto, teria alguma dica ou sugestão que pudesse nos ajudar? Ficaríamos extremamente gratos. Desde ja, muito obrigado e parabéns pelos ensinamentos!

    • José Guilherme José Guilherme disse:

      Ulisses,

      Realmente não é uma validação simples se tratando de um eixo. Tenho 02 sugestões a você:

      1) Para ter o histórico de carregamento você não precisa necessariamente instalar o extensômetro no eixo. Eu pensaria em instalar acelerômetros e extensômetros em locais “não girantes” que recebem impacto diretamente do solo. Com esses dados experimentais e com uma simulação de Elementos Finitos (considerando o eixo e as partes onde os sensores foram instalados), você vai conseguir replicar a solicitação estrutural que o veículo sofre e as tensões no eixo serão consequências. Lembre-se que se tratando de veículos as solicitações são aleatórias, ou seja, você não pode prever matematicamente as solicitações e portanto você deve trabalhar com probabilidades e não com eventos determinísticos. Nesse caso, vocês vão ter que realizar uma análise aleatória no software de Elementos Finitos, colocando como input o sinal PSD que será obtido através dos acelerômetros na aquisição do teste experimental. Os extensômetros nesse caso vão servir para calibrar e validar o modelo, de tal forma que vocês podem comparar as amplitudes e frequências obtidas pelo acelerômetro com as respostas de deformação do extensômetro.
      Com relação a validação da fadiga, minha sugestão é que você faça um cálculo de vida de fadiga no domínio da frequência, utilizando métodos como Dirlik ou Lalane. Existem outros software’s específicos para esse tipo de cálculo, como por exemplo o nCode.
      Se essas análises forem muito complexas e vocês tiverem pouco tempo, sugiro que vocês façam uma análise estática considerando a aplicação de cargas inerciais (ex. 1g, 2g, 3g, etc), sendo que esses valores serão baseados na resposta do acelerômetro que obtiverem. A comparação entre vibração e deformação ainda é muito importante de se realizar aqui, com o intuito de calibrar/validar o modelo de elementos finitos.

      2) Realizar medições de extensômetria em eixo é realmente complicado. Além de exigir uma tecnologia wireless, você também tem o problema de desbalanceamento que poderá afetar as respostas estruturais, como também a parte de instalação do hardware no eixo deve ser muito bem realizada garantindo ele não saia “voando” durante o teste. A Lynx Tecnologia desenvolveu um módulo de aquisição com transmissão de dados via rádio Bluetooth de 01 canal que me parece ser a opção mais indicada para esse caso. Sugiro que entre em contato com a Lynx Tecnologia, explique o problema e comente sobre o módulo ADS 0240.

  2. Boa tarde, eu preciso medir a tensão em dois rolamentos de um tambor de acionamento de um transportador de correia. Qual o modelo mais apropriado?

    • José Guilherme José Guilherme disse:

      Elton,

      Onde será instalado o extensômetro? Será no mancal do rolamento? Você conhece as direções das deformações atuantes no local em que o sensor será instalado?
      Você precisa definir esses parâmetros antes de selecionar o modelo mais apropriado. Uma vez respondida essas questões, se a deformação que você quer analisar esteja em 01 direção você pode selecionar o modelo uniaxial, se as deformações estiverem em várias direções, selecione uma roseta.
      O tamanho do extensômetro pode ser definido de acordo com o local disponível para a instalação. Se não tiver problema com isso, indico que você compre um extensômetro de 5 a 10mm de comprimento (fornece resultados bons e é fácil de instalar).
      Abraço,

  3. Avatar Lenise Martins disse:

    Oi, tudo bom? Adorei o artigo, parabéns!

    Estou realizando o ensaio de retração restringida no concreto com auxílio de extensômetros e gostaria de saber sobre a coleta de dados. Qual é o equipamento necessário para realizar a leitura? Qual é a placa de aquisição de dados e o software recomendado?

    • José Guilherme José Guilherme disse:

      Ótimo que tenha gostado do artigo, é muito bom esse feedback para nós da Ensus.
      Com relação a placa de aquisição, nós utilizamos equipamentos da Lynx e National Instruments. Existem vários módulos desses fabricantes que podem te atender, aí vai depender muito do número de canais, precisão e recurso $$ que você tem disponível. Aconselho que você entre em contato com essas empresas para entender um pouco mais sobre as opções existentes.

      Com relação ao Software para análise dos sinais, o que mais temos utilizados é o DAQLOGGER desenvolvido pela empresa DAQSYS.

      Qualquer dúvida que tenha, entre em contato novamente conosco. Teremos prazer em te ajudar!

  4. Avatar Martina disse:

    Boa tarde,
    Desde já parabéns pelo artigo. Tenho uma questão, pois vou utilizar extensómetros nos trabalhos laboratoriais da minha tese.
    A minha tese incide, maioritariamente, sobre uma problemática muito frequente nos pavimentos industriais que é o ‘curling’ que, basicamente, é a deformação da laje fruto de gradientes de humidade. Deste modo vou realizar lajes em laboratório e vão-se colocar extensometros nos limites da laje para ver a deformação vertical (quanto é que ela levanta/desce). Pensamos instalar duas cantoneiras, uma na cofragem e outra do limite superior da laje e depois medir as deformações. Mas necessitamos de uma material deformável para para ligar as duas cantoneiras e colocar o extensómetro para posteriormente retirar as leituras.
    Gostaria de saber a sua opinião quanto à viabilidade deste esquema de montagem experimental, e da sua opinião quanto ao material deformável a utilizar.
    Muito obrigada.

  5. Avatar Alberto disse:

    Bom dia,

    Possuo um certificado de calibração de um extensometro e preciso realizar uma análise critica ou validação de calibração para verificar se o equipamento está dentro dos parâmetros, para isso preciso definir um critério de aceitação, a questão é como definir esse critério para um extensometro?

  6. Avatar Henrique disse:

    Bom dia,

    Realizo algumas medições de strain gage em PCIs com um extensômetro EA-06-062AQ-350, coletando os valores com sistema StrainSmart Data Acquisition.

    Porém estou com uma dúvida, com o esforço mecânico submetido na placa eu obtenho dois tipos de deformações positiva e negativa em dois espaços curtos de tempo.

    A deformação que eu devo adotar seria o valor de pico ou o valor total da soma das duas deformações (positiva e negativa) que foram geradas pelo mesmo esforço mecanico?

    Obrigado

  7. Avatar João disse:

    Olá, parabens pelo artigo. Cadastrei.
    Estou com um projeto para um cliente e está dificil definir qual extensômetro a ser utilizado. Eles estão precisando monitorar tirantes em uma estrutura de concreto. Não tenho a carga que será aplicada sobre eles, mas a idéia é monitorar a tensão de deformação. Quais os parametros que devo atentar? Estou pensando nessa especificação da OMEGA: Grade XY, Roseta T, grade de 3,0mm; 350Ω; 2 fios. Qual diferença em 2 e 3 fios?

    • José Guilherme José Guilherme disse:

      João tudo bem?

      O tirante é de aço correto?
      Você deve se atentar aos seguintes pontos:

      • Você fará a medição com ¼ , ½ ou ponte completa? Isso vai influenciar na resistência do sensor que você precisa comprar;
      • Com relação a amplitude de deformação, isso você deve configurar o seu “fundo de escala” de acordo com o maior valor que você acredita obter (essas informações são definidas no software de aquisição);
      • Com relação a 2 ou 3 fios, isso é a maneira como você liga o strain gauge na placa de aquisição. Recomendo sempre utilizar 3 fios para medição em ¼ de ponte pois você elimina o erro de medição oriundo de variação de temperatura no cabo;
      • Se atente também a taxa de aquisição – isso deve ser correlacionado com o tipo de força que será aplicado no tirante. É uma força constante ou varia muito com o tempo? Quando mais constante for, menor é a frequência de variação de força, e portanto sua taxa de aquisição pode ser baixa (isso influencia no tamanho do seu arquivo);
      • Com relação ao tamanho do strain gauge, eu recomendo utilizar 5mm (se tiver espaço disponível) – essa medida de sensor não é muito pequena nem muito grande e eu acho uma medida ideal para se realizar uma boa instalação;

  8. Avatar Gustavo disse:

    Olá, gostaria de saber se é possível utilizar o sensor mais de uma vez ?

  9. Avatar Gustavo disse:

    Olá, tudo bom ?
    Gostaria de saber se é possível utilizar mais de uma vez o sensor em diferentes locais

    • José Guilherme José Guilherme disse:

      Gustavo,

      O sensor que utilizamos (extensômetro elétrico) pode ser utilizado apenas 01 vez.
      Por ele ser colado na superfície da peça, fica impraticável a utilização dele por mais vezes em mais de um lugar.

      Abraço,

  10. Avatar Isabela disse:

    Bom dia,
    Participo de um projeto de extensão no Instituto Federal Catarinense que visa a construção de um equipamento para ensaios de fadiga e pretendemos fazer a medição na haste que irá se movimentar provocando a fadiga no corpo de prova. Estamos na dúvida quanto ao tipo de strain gage a ser utilizado, principalmente quanto às limitações referentes ao número de ciclos e à carga. Gostaria de saber a quais especificações devo estar atenta. Grata!

  11. Avatar Fabio disse:

    Como calcular as tensões principais de uma roseta?

  12. Avatar Lucas Soares disse:

    Olá, estou querendo desenvolver a analise de um componente estrutural, o dado que necessito obter é a força que atua em um elemento causando sua flexão. Para isso gostaria de saber como posso processar os dados obtidos com um strain gauge bf350 ligado ao módulo hx711 e posteriormente à um arduino. Como proceder com a ligação e o processamento desse dado para força em Newton. Obs: a estrutura é de aço

  13. Avatar Lucas Bonino disse:

    Bom dia! Gostei muito do artigo!

    Tenho uma dúvida, estou fazendo testes de tensão residual após têmpera em aços. O problema é que é um trabalho novo na minha universidade e não dispomos aqui de rosetas. Como é instituição pública, não consigo comprar as rosetas aqui para realizar os testes. Existe alguma maneira de montar extensômetros uniaxiais para funcionar como uma roseta funcionaria? Grato!

  14. Avatar Thuany disse:

    Olá, tudo bem?
    Gostei muito do artigo e foi de grande valia em algumas dúvidas que possuía.
    Minha dissertação é sobre alvenaria estrutural de blocos de concreto, e é a primeira vez que vou usar extensômetros elétricos.
    Para a instrumentação das paredes vou utilizar transdutores lineares para a verificação do deslocamento vertical e a ideia é utilizar os strain gauges para analisar a deformação lateral da parede.
    Estudando um pouco sobre, e pesquisando alguns fornecedores, verifiquei que o modelo ideal pra utilização nessa situação é o PA-06-1000BA-120L da excel sensores. Com sua experiência, o que você acha? Será adequado?
    Grata!

  15. Avatar Wataro Nelson Ogawa disse:

    Olá amigos, o strain gauge mostrado na matéria tem sensibilidade suficiente para detectar deformações de pequenos pedaços de músculos?

    • José Guilherme José Guilherme disse:

      Wataro,

      Obrigado pelo comentário.
      Somos especializados na instalação de extensômetros em metais.
      Infelizmente não temos conhecimento para ajuda-lo em sua solicitação.

      Obrigado.

  16. Avatar Carlos Roberto Roncáglio Filho disse:

    Muito bom o artigo, eu não conhecia esse extensômetro.

    Gostaria de saber se é aplicável na área plástica, gostaria de utilizar em materiais de Polipropileno para saber o impacto que sofre uma peça.
    Grato!

  17. Avatar Diego Nogueira Antunes disse:

    Bom dia;
    Preciso calcular o valor de uma tensão residual medido por uma roseta. 0º/60º/120º. Poderia me ajudar com este calculo. Qual formula devo utilizar?

  18. Avatar Edson disse:

    Olá Guilherme,
    Tenho um silo de capacidade de 100TON suspenso por 4 colunas perfil quadrado. Eu queria instalar (“colar”) um strain gauge nas colunas e medir a deformação e então estimar a quantidade de massa (“peso”) do material dentro do silo. Qual strain gauge voce recomenda? Ou uma célula de carga mesmo, mas penso conectar (“colar”) na coluna e medir deformação. Obrigado.

    • José Guilherme José Guilherme disse:

      Edson,

      A principal diferença entre você instalar um extensômetro ou uma célula de carga, é que no projeto da célula de carga é conhecido a relação entre força e deformação do local onde o extensômetro é colado – isso significa que os resultados de força podem ser obtidos diretamente.

      Do ponto de vista de instalação da célula de carga, acredito que você tenha que fazer alguma adaptação no silo, pois a célula de carga deve receber essa força diretamente. Por exemplo, se você instalar uma célula de carga de compressão, pode instalar a célula nos pés do silo para receber essa carga (não estou pensando em viabilidade de instalação e nem segurança).

      Já os extensômetros podem ser colados diretamente nas colunas, entretanto você tem que conhecer a relação de força vs deformação do local onde o extensômetro for colado. Se você for seguir nessa direção, eu aconselho que faça um teste com um aquisitor de dados antes de gastar tempo no desenvolvimento de uma solução final, ou seja, faça algumas coletas de dados com o silo sendo carregado e descarregado e analise se esta solução é viável….existem vários fatores que na prática podem ser diferente da teoria:
      • Carga não ser igual nos 04 pés de apoio;
      • Momentos fletores que podem complicar a relação entre força vs deformação;
      • Entre outros;

  19. Avatar Vanessa Mendonça disse:

    Boa tarde Guilherme,

    Num ensaio simples à tração é possível relacionar os dados adquiridos a partir de um equipamento à tração que contém um célula de cargo, com os dados adquiridos do extensómetro? Ou seja, existe relação entre a força aplicada do equipamento e a extensão do extensómetro? Se o nº de dados for diferente (equipamento vs extensómetro), como relacionar a quantidades de dados de ambos?

    Desde já obrigada.

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