UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DISC.: INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA

PROF. PEDRO BERTEMES FILHO

CÉLULA DE CARGA

FELIPE G. STEIN

GUILHERME M. ZILLI

JOINVILLE, 2 DE MAIO DE 2012

1. INTRODUÇÃO

O extensômetro (também chamado de strain gauge) é um sensor resistivo usado na

medição de deformações mecânicas. Por muitos anos, os extensômetros foram utilizados

como elementos sensores de muitos tipos de transdutores, incluindo sensores de pressão, de

torque, de posição e em células de carga.

A maior parte dos strain gauges são formados por uma fina camada de material

metálico, montada sobre um isolante e com uma geometria específica, que permite gerar uma

variação na resistência elétrica do metal em função de variações mecânicas. As camadas de

metais podem ser de diversas formas e tamanhos. Um exemplo de strain gauge é mostrado na

Erro! Fonte de referência não encontrada..

Figura 1 - Strain gauge

O funcionamento do strain gauge é baseado no princípio da resistência elétrica dos

condutores. A resistência de um condutor é dada por:

onde R é a resistência elétrica, ρ é a resistividade elétrica do material, L é o comprimento do

condutor e A é a área da seção transversal do mesmo. A resistência é diretamente

proporcional ao comprimento e inversamente proporcional à área da seção transversal.

Quando o condutor é esticado, ele sofre um estiramento, resultando na diminuição da

área da seção transversal e aumento do comprimento. Como consequência, a resistência

elétrica do condutor aumenta. Da mesma forma, quando a barra é comprimida, a

resistência diminui devido à diminuição do comprimento e ao aumento da área transversal.

Para medir a variação da resistência do extensômetro, é comum conectá-lo a uma

Ponte de Wheatstone. A Ponte de Wheatstone é excitada com uma tensão CC e um circuito

adicional para condicionamento de sinal é, normalmente, utilizado. O circuito de

condicionamento tem como principais funções o ajuste do ponto zero de medição

(balanceamento da ponte) e a amplificação do sinal. A partir daí, quando o extensômetro sofre

algum estresse, a variação na sua resistência causa um desbalanceamento da Ponte de

Wheatstone.

Podem ser utilizado um único sensor (quarter bridge), dois sensores (half bridge) ou

quatro sensores (full bridge). Embora seja mais comum a utilização dos strain gauges na

configuração half bridge e full bridge por serem mais sensíveis, a configuração full bridge é a

melhor delas. Nesta configuração, o sinal de saída é proporcional à força aplicada ao sensor.

Tais configurações são mostradas na Figura 2.

Figura 2 - Configurações de Ponte de Wheatstone para Strain Gauges: (a) quarter bridge, (b) half bridge e (c) full bridge.

2. METODOLOGIA

Neste experimento foi montada uma célula de carga utilizado um extensômetro. Para

tal, foi utilizado um strain gauge em Ponte de Wheatstone na configuração full bridge. A célula

de carga foi montada conforme ilustrado na Figura 3.

Figura 3 - Montagem do experimento

Os sensores, representados por SG1 e SG2, correspondem a um par de strain gauge

cada um. Sobre cada um dos pares de extensômetros foi apoiada uma barra metálica. Supõe-

se que a variação de peso sobre a barra metálica causará deformação mecânica nas bases dos

extensômetros e consequentemente, afetará a resistência elétrica dos sensores.

Para realização do experimento foram utilizados os dois pares de strain gauges, um

resistor de 50Ω, um potenciômetro de 2,2 MΩ, um amplificador de instrumentação INA111,

um multímetro de bancada e uma fonte de alimentação simétrica. Além disso, foram utilizados

os equipamentos que compõem a estrutura do sensor (suportes e barra metálica) e pesos de

referência.

O circuito utilizado no experimento é mostrado na Figura 4.

Figura 4 - Circuito utilizado na medição

O amplificador de instrumentação utilizado (INA111) é um amplificador com alta

velocidade, baixa tensão de offset e alta rejeição de modo comum, recomendado para

aplicações médicas e para aquisição de dados. De acordo com o fabricante, o ganho do

amplificador é dado por:

Desta forma, no experimento, o sinal de tensão medido na Ponte de Wheatstone,

correspondente ao peso aplicado ao sensor, foi amplificado por um ganho de 1001, ou seja,

aproximadamente 1000.

O potenciômetro é utilizado para compensação de offset e calibração da célula de

carga. Ele deve ser ajustado para que, quando não houver nenhuma carga (nenhum peso)

sobre a estrutura do sensor, a tensão de saída do circuito de medição seja nulo.

Para analisar o comportamento da célula de carga, o circuito da Figura 4 foi montado e

calibrado. A partir daí, foram adicionadas cargas de referência à estrutura da célula de carga. A

massa da carga foi variadas entre 0 e 6.5 Kg, com passos de 500 g. O valor de tensão, medido

na saída do amplificador de instrumentação, foi anotado para cada variação da massa. Os

resultados são mostrados na seção seguinte.

3. RESULTADOS

3.1 O Experimento

No experimento foram registrados os dados da tensão no pino 6 do amplificador de

instrumentação INA111, o qual é o pino de saída do AMPOP. Devido ao fato da tensão

fornecida pelo arranjo das duas células de carga ser da ordem de milivolts foi empregado o

amplificador com ganho igual a 1000.

Primeiramente, foi realizado o ajuste da tensão de offset do amplificador, através do

potenciômetro de 2,2MΩ. Não foi possível zerar completamente o offset devido,

principalmente, ao fato de se estar utilizando um potenciômetro “de tambor”, o qual sofre

com o efeito de histerese da resistência e não propicia um ajuste fino. O offset após o ajuste

ficou em .

A Tabela 1 mostra os valores de tensão relacionados com a massa depositada sobre as

células de carga.

Massa (Kg) VO (V)

0,5 0,0994

1,0 0,2040

1,5 0,3115

2,0 0,4095

2,5 0,5140

3,0 0,6210

3,5 0,7285

4,0 0,8488

4,5 0,9563

5,0 1,0512

5,5 1,1588

6,0 1,2643

6,5 1,3693 Tabela 1 - Dados obtidos no experimento: massa versus. tensão de saída do circuito de medição.

Os dados do experimento foram plotados formando o Gráfico 1. O comportamento da

tensão de saída em relação a massa sobre as células de carga é linear, conforme pode ser

observado. Este era o comportamento esperado para o arranjo utilizado, com dois pares de

strain gauges.

Gráfico 1 Célula de Carga (sinal amplificado 1000 X)

3.2 Sensibilidade

A sensibilidade fornecida pelo fabridante da célula de carga utilizada é de

. O que significa que a tensão de saída é de 1,0 miliVolt quando a tensão de

alimentação é de 1,0 Volt com a carga máxima, que é de 50KG.

Com os dados obtidos em laboratório obteve-se a sensibilidade das células utilizadas,

conforme a equação.

A sensibilidade é um valor único, pois a curva de resposta do strain gauge é linear.

Como trabalhou-se com duas células, a sensibilidade obtida é a sensibilidade média da

sensibilidade das duas células.

O erro da sensibilidade ficou dentro da margem estabelecida pelo fabricante ( )

que é de .

00.000

00.000

00.000

00.001

00.001

00.001

00.001

00.001

00.002

00 01 02 03 04 05 06 07

Ten

são

(V)

Massa (Kg)

Célula de Carga

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Com o experimento foi possível verificar que o comportamento da tensão de saída do

strain gauge com relação à pressão exercida pela massa sobre ele é linear, ou seja, a tensão

fornecida aumenta linearmente com o aumento da massa.

Pela característica de ter comportamento de tensão de saída linear, foi possível obter a

sensibilidade da célula de carga. Esta foi comparada com aquela fornecida pelo fabricante,

ficando próximas uma da outra, dentro da margem delimitada pelo fabricante.

5. BIBLIOGRAFIA

How they work: The Staing Gauge. Em:

<http://www.sensorland.com/HowPage002.html>. Acesso em: 01 de maio de 2012.

KUPHALDT, Tony R. Strain gauge. All about circuits. Em:

<http://www.allaboutcircuits.com/vol_1/chpt_9/7.html>. Acesso em: 01 de maio de 2012.

PORTONOI, Marcos. EXTENSOMETRIA: História, Usos e Aparelhos. Em:

<http://www.reocities.com/ResearchTriangle/4480/academic/academic-

files/extensometria.html#_Toc511736066>. Acesso em: 01 de maio de 2012.

Texas Instruments. INA 111 Datasheet. Em: <

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina111.pdf>. Acesso em: 01 de maio de 2012.