MISURE DI DEFORMAZIONE MEDIANTE … del... · Estensimetri ottici Gli estensimetri ottici sono...

MISURE DI DEFORMAZIONEMEDIANTE ESTENSIMETRI

unità di misura unità di misura L/L [L/L [m/m] (1m/m] (1m = 10m = 10-6-6 m) m)

NB: i termini microepsilon, microstrain non sono NB: i termini microepsilon, microstrain non sono unità ISO e non si usanounità ISO e non si usano

yy

xx

yyyy xx

EE EE

xxxx yy

EE EE

xx

xx yyEE

11 22

yy

yy xxEE

11 22

GG

EE

22 11

xyxy xyxyGG

11

zz 00Stato di Tensione pianoStato di Tensione piano

Forma originale

xx

Ey

Ez

E

yx

Ey

Ez

E

zx

Ey

Ez

E

Stato di Tensione triassialeStato di Tensione triassiale

Se si estende lo stato di tensione a tutte e e tre le dimensioni

Quando si devono misurare deformazioniQuando si devono misurare deformazioni

PROGETTOPROGETTO VERIFICAVERIFICA UTENZAUTENZA

COLLAUDOCOLLAUDO

ESERCIZIOESERCIZIO

MONITORAGGIOMONITORAGGIO

REALIZZAZIONEREALIZZAZIONE

In applicazioni prevedibili...

In applicazioni imprevedibili...

Come si misurano le deformazioni

Per la misura di deformazioni si usano trasduttori chiamati estensimetri, capaci di convertire il segnale di deformazione in un segnale analogico di tipologia differente a seconda della tipologia di estensimetro e se necessario di amplificarlo opportunamente mediante un sistema di leve .

Tipi di estensimetri

Estensimetri meccanici (a leva meccanica) : sono stati i primi ad essere sviluppati in ambito industriale, ma non avendo un accettabile rapporto tra livello di accuratezza e costi di realizzazione, sono stati soppiantati da altri tipi. Un altro limite è costituito dal fatto che gli elementi meccanici presentano inevitabilmente inerzia e attriti che non consentono di fare misure di deformazioni dinamiche.

Estensimetri ottici (a leva ottica, fotoelastici, interferometrici): garantiscono elevate accuratezze, ma a causa dell'elevato costo sono generalmente impiegati solo in laboratori metrologici.

Estensimetri acustici: usano il principio della corda vibrante, ovvero il fatto che una corda vibrante emette onde sonore a differente frequenza a seconda della tensione della corda.

Estensimetri elettrici a resistenza: i più diffusi e più economici, realizzabili in diverse dimensioni, generalmente di ottima accuratezza, con facile circuito di lettura

Generalmente si pratica anche la seguente diversificazione

estensimetro (strain gauge) = trasduttore utilizzato per misurare le deformazioni locali in un componente di forma qualsiasi;

estensometro (extensometer) = particolare tipo di estensimetro adatto principalmente a misurare la deformazione media di un provino, per esempio il tipico provino utilizzato nelle prove di trazione.basi di misura normalizzate: 25 - 50 - 100 - 150 - 250 mm

Gli estensometri trovano appilcazione soprattutto nelle macchine di trazione ( verifica delle proprietà meccaniche dei materiali)

Estensimetro meccanico

In un estensimetro meccanico sono presenti in genere:

Gli allungamenti da misurare, in campo elastico su materiali metallici, sono molto piccoli.

Bisogna quindi ricorrere all’amplificazione per mezzo di viti micrometriche, leve e sistemi di leve o ingranaggi

due coltelli (o due afferragi), disposti su di un’apposita incastellatura ad una distanza prefissata che costituisce la base di misura dell’estensimetro. Lo spostamento del coltello mobile rispetto al coltello fisso consente di determinare la deformazione;

il trasduttore di misura, che trasforma lo spostamento tra i coltelli in un segnale amplificato;

Estensimetro di Howard (1888)

Lo spostamento relativo tra i due tubi è misurato utilizzando la vite micrometrica che assicura un’accuratezza di circa 5 μm.

L'estensimetro, molto semplice, è costituito da due tubi coassiali terminanti con punte coniche che si inseriscono in forellini praticati nel componente da misurare

Estensimetro di Howard (1888)

Estensimetro di Berry (1910)

In seguito vennero usate soluzioni più complesse per aumentare l'accuratezza di misura attreverso leve meccaniche come nell'estensimetro di Berry

Estensimetro meccanici a leve multiple ( Huggenberger)

Il piu' accurato fra gli estensimetri meccanici sviluppato attorno al 1935.

Attraverso una amplificazione a leve multiple, consente una amplificazione dello spostamento del coltello mobile fra 300 e 2000.

Estensimetri ottici Gli estensimetri ottici sono analoghi agli estensimetri meccanici a leva, solo che utilizzano leve ottiche e non meccaniche.

In questi estensimetri è presente uno specchio solidale al coltello mobile (braccio meccanico della leva) che per effetto della deformazione ruota attorno alla cerniera. Lo specchio riflette un raggio luminoso (braccio ottico della leva) che per la legge della riflessione ruota di un angolo doppio.

Le leve ottiche consentono rapporti di amplificazione più elevati delle leve meccaniche.

La base di misura è di solito compresa tra 50 e 200 mm.Con l’estensometro di Martens si hanno risoluzione e fondo scala dell’ordine rispettivamente di 4 μm/m e 6000 μm/m (per la base di misura di 50 mm).

Nella figura a destra estensometro Martens con due specchi di misura le cui letture vengono mediate.

Estensometro Laser

Si basa sullo scattering diffuso di una luce laser inviata su striscie adesive poste sul provino.La luce diffusa viene registrata mediante un apposito sensore laser che permette, mediante la conoscenza accurata della rotazione dello specchio, di ricostruire la posizione delle striscie durante la prova di trazione.

Sono ormai gli estensometri più utilizzati nelle prove di trazione.

- la costante di taratura dell’estensimetro deve - la costante di taratura dell’estensimetro deve essereessere stabile e non variare nel tempo, per effetti termicistabile e non variare nel tempo, per effetti termici od altri fattori ambientali;od altri fattori ambientali;- deve misurare la deformazione locale e non quella- deve misurare la deformazione locale e non quella media (quindi lo spostamento relativo tra due puntimedia (quindi lo spostamento relativo tra due punti molto vicini);molto vicini);- deve avere una buona risposta in frequenza;- deve avere una buona risposta in frequenza;- deve essere economicamente accessibile per - deve essere economicamente accessibile per permettere un largo impiego.permettere un largo impiego.

Caratteristiche desiderate in un estensimetro

Estensimetri elettrici a resistenza

Gli estensimetri elettrici a resistenza si basano sul princiopio fisico che l'allungamento di un conduttore filiforme è proporzionale alla sua resistenza interna

Gli estensimetri elettrici sono qundi costuituiti da una o più griglie di conduttore filiforme disposti su un supporto che viene incollato al materiale da testare. L'estensimetro è ovviamente anche isolato elettricamente dal materiale sottostante

griglia fotoincisa

Una volta incollato l'estensimetro viene collegato al circuito di lettura e ricoperto di uno strato protettivo

Deformazione massima

Deformazione misurata

Lunghezza (mm)Lunghezza della griglia

L'estensimetro legge sempre una deformazione media relativa alla lunghezza della griglia

Configurazioni tipiche

Valori tipiciValori tipici● resistenza nominale: R = 120 resistenza nominale: R = 120 ΩΩ, 350 , 350 ΩΩ tolleranza: ± 1% tolleranza: ± 1%● base: 0,6-200 mmbase: 0,6-200 mm

per acciaioper acciaio 0,6/120 1,5/120 3/120 6/120 10/120 3/350 6/350 10/350 0,6/120 1,5/120 3/120 6/120 10/120 3/350 6/350 10/350

perper alluminio alluminio 0,6/120 1,5/120 3/120 6/120 10/120 3/350 6/350 10/350 0,6/120 1,5/120 3/120 6/120 10/120 3/350 6/350 10/350

per acciaioper acciaio 0,6/120 1,5/120 3/120 6/1200,6/120 1,5/120 3/120 6/120

Come scegliere la lunghezza dell'estensimetro?

Se ho materiali poco omogenei ( materiali da costruzione) devo scegliere basi di misura elevate per avere un valore medio del comportamento del materiale

Se ho elevati gradienti di deformazione uso griglie di misura ridotta

Altre Caratteristiche

Corrente di alimentazione Alta Bassa

Autoriscaldamento Alto Basso

Sensibilità alla riduzione dell'isolamento Bassa Alta

Sensibilità all'Interferenza elettromagnetica Bassa Alta

Effetto di resistenze nella trasmissione ( cavi,slipring...) Alto Basso

120 Ω 350 Ω

Legame tra deformazione e variazione di resistenza

Per un conduttore filiforme la resistenza vale:

RlA

Dove l e' la lunghezza , A la sezione e ρ è la resistività elettrica del materiale

RR

1R

R R

ll

R

AA

RR

ll

AA

Esprimendo la variazione di resistenza relativa in funzione dei parametri si ha:

Rappresentando l'area mediante un fattore di forma C e un parametro caratteristico D si ha :

A C D2 AA

2C DA

AA

2D

D

RR

ll

2D

D

Ricordando che nel caso elastico è possibile scrivere:

RR

ll

2l

l

t a

DD

ll

RR

ll

1 2

quindi:

sostituendo a

ll

RR a

aa 1 2 a

a

1 2

KR

R1

a a

1 2 ν ≈ 0.3 per i metalli quindi 1+2ν ≈ 1.6

Sensibilità geometricaSensibilità piezoresistiva

Per estensimetri metallici è ≈ 0.4Per estensimetri a semiconduttore varia tra 100 e 1000

Si ha

Sensibilità dell'estensimetro chiamata K o anche GF ( Gauge Factor)

1a LEGGE FONDAMENTALE DELLA ESTENSIMETRIA

Caratteristica lineare di estensimetri assiali

K K ≈ 2≈ 2

α= α= atan(K)atan(K)

RR

K

10 3mm

103 mm

RR

2 10 3

se R 120 R 2 10 3 120 0.24

se base dimisura L 5mm e ho L 5 m

LL

5 10 6m

5 10 3m

Sensibilità trasversale

La relazione di ingresso per un estensimetro ideale non tiene conto del fatto che la griglia ha dei tratti di conduttore disposti in direzione ortogonale alla direzione di misura e che quindi sono sensibili alla deformazione lungo l'asse ortogonale a quello di misura.

Si può però notare che i tratti trasversali sono di lunghezza abbastanza limitata e quindi la loro influenza sulla variazione della resistenza si può pensare limitata e spesso trascurabile

S t

K t

K

t

a

E' comunque possibile adattare la formula trovata precedentemente mediante il coefficiente di sensibilità trasversale S

t

St in

genere <1%R

RK a K t t

RR

K a S t t

K * R

R a

K 1 S t

SStt

erro

re (

%)

erro

re (

%)

tt//

aa

554433221100-1-1-2-2-3-3-4-4-5-5

+40+40

+30+30

+20+20

+10+10

00

-10-10

-20-20

-30-30

-40-40-0,06-0,06 -0,04-0,04 -0,02-0,02 00 +0,02+0,02 +0,04+0,04 +0,06+0,06

Schema originario (1843) del ponte di Wheastone

Lettura degli estensimetri

La resistenza degli estensimetri viene letta in un circuito a ponte di Wheastone

RR11RR22

RR44 RR33

EbEb

E0E0

C

B

G

A

++

--

ponte di Wheastone

II11 II22

E 0 R2 I 2 R1 I 1 0E b R1 R4 I 1

E b R2 R3 I 2

I 2

I 1

R1 R4

R2 R3

E 0 R1 I 1 R2 I 2

E 0

E b

R1 I 1

R1 R4 I 1

R2

R1 R4 I 1

R2 R3 R1 R4 I 1

E 0

E b

R1

R1 R4

R2

R2 R3

Dal sistema si ottiene

Che semplificando diventa

E 0

E b

R1R3 R2 R4

R1 R4 R2 R3

ponte di Wheastone

Supponiamo che il ponte sia inizialmente azzerato

E 0

E b

R1 R1 R3 R2 R4

R1 R1 R4 R2 R3

R1 R3

R1 R4 R2 R3 R1 R2 R3

E 0 R1 R3 R2 R4 0

variamo ora la resistenza R1 di ΔR1

E 0

E b

R1 R3

R1 R4 R2 R3

1

1R1

R1 R4

R3

R2 R3

e Rm R1 R4

sostituendo

E 0

E b

R1

Rm

1

1R1

Rm

R1

Rm

molto piccolo e R1 R2 R3 R4

Nelle ipotesi

E 0

E b

R1

Rm

1

1R1

Rm

R1

Rm

12

R1

2 R1

14

R1

R1

Quindi lo sbilanciamento del ponte è direttamente proporzionale alla variazione di resistenza

Utilizzando il principio di sovrapposizione degli effetti con la formula semplificata appena ricavata si può scrivere la più generale formula in cui tutte e quattro le resistenze possono variare

E 0

E b

14

R1

R1

R2

R2

R3

R3

R4

R4

E 0

E b

14K 1 2 3 4

2a LEGGE FONDAMENTALE DELLA ESTENSIMETRIA

KR

RRicordando

Possiamo quindi collocare da 1 a 4 estensimetri in un ponte di Wheastone e conoscere la deformazione attraverso la lettura dello sbilanciamento del ponte

Quarto di ponte

Mezzo ponte Ponte Intero

E 0

E b

14K 1

E 0

E b

14K 2

E 0

E b

14K 1 2

E 0

E b

14K 1 2 3 4

R1

Rm

1

1R1

Rm

R1

Rm

L'approssimazione

ovvero trascurare il termine

1

1R1

Rm

1Si ritiene valido se

Oltre a questo valore bisogna tenere conto dell'errore di non linearità

Generalmente si accetta :

1

1R1

Rm

R1

Rm

1%R1

Rm

10 10 3Quindi

k2

R1

2 R1

10 10 3 1k

20 10 3mm

10 103 mm

A

LR

Termine che tiene conto delle variazioni specifiche di resistività del materiale (termine piezoresistivo)

dRR

K

21

Coefficiente poisson materiale griglia

Effetti della temperatura nelle misure di deformazione con estensimetri elettrici

La temperatura costituisce un ingresso di disturbo sia interferente che modificante nelle misure di deformazione tramite estensimetri elettrici

ingresso di disturbo di natura interferente:provoca variazioni dirette della resistenza facendo variare

ingresso di disturbo di natura modificante:

resistività del filo

lunghezza della griglia a causa delle dilatazioni differenziali fra griglia e materiale su cui l’estensimetro è incollato

resistenza dei cavi di collegamento tra i lati del ponte

connesso alla dipendenza del termine piezoresistivo dalla temperatura

1) La variazione di resistività risulta pari a:

Ove 0 è la resistività alla temperatura di riferimento e p è il coefficiente termico per la resistività

La variazione di resistenza sarà allora pari a:

2) l’estensimetro subisce una deformazione l a causa della differenza tra il coefficiente di dilatazione del materiale su cui è incollato l’estensimetro m e quello del materiale di cui è costituita la griglia g:

Effetti della temperatura nelle misure di deformazione con estensimetri elettrici a resisenza ( EFFETTO INTERFERENTE)

Data una variazione di temperatura ΔT=T-T0 si possono calcolare le

variazioni di resistenza dell’estensimetro.

T 0 0 p T

R R T R T 0 R0 p T

l l m g T

Per la definizione di deformazione e del fattore di taratura degli estensimetri si potrà scrivere

KR

Rl

l m g T T

RR0

K m g T

R R0 K m g T

Combinando ora i due effetti

R T R R R0 p T R0 K m g T T R0 p R0 K m g

R T

R0

T p K m g

Quindi scegliendo opportunamente i coefficienti di dilatazione termica dell'estensimetro e della griglia si può compensare la variazione di resistività (autocompensazione) e ridurre l'effetto interferente

p K m g 0

Esempio

Si calcoli la deformazione fittizia dovuta all'ingresso interferente di temperatura in un estensimetro con K=2.055 con g=1510-6 °C-1 incollato su acciaio (m=1110-6 °C-1) per una variazione di temperatura di 5°C dalla temperatura di taratura. Si sappia che il coefficiente di temperatura della resistività elettrica p=2010-6 °C-1

R T

R0

T p K m g 5 20 10 6 2.055 11 10 6 15 10 6

5 (20*10^-6 -8.21*10^-6)R T

R0

5 20 10 6 8.21 10 6 5.8910 5mm

58.9m

m

Disturbo dell'ordine del 6 % di una misura di 1000 μm/m

L'effetto modificante è connesso alla dipendenza dalla temperatura del termine piezoresistivo che compare nella formula del fattore di taratura K.

Effetti della temperatura nelle misure di deformazione con estensimetri elettrici a resisenza ( EFFETTO MODIFICANTE)

I materiali comunemente adottati per gli estensimetri elettrici a resistenza, e in particolare la costantana, manifestano un ridotto contributo piezoresistivo al fattore di taratura, di conseguenza anche l’effetto modificante non ha rilevanza nell’impiego a temperatura ambiente, in particolare indicata con tamb=24 °C per un campo di temperature compreso in 25°C rispetto tamb, l’eventuale correzione da apportare al fattore di taratura è minore del 0.5% e quindi solitamente dello stesso ordine di grandezza dell’incertezza con cui è noto tale parametro.

L’impiego di estensimetri elettrici in campi di temperatura esterni all’intervallo indicato richiede la correzione del fattore di taratura per mezzo di appositi diagrammi forniti dal costruttore dell’estensimetro.

K T K 24°C 1 T 24 ° C

Tipica variazione dell'uscita di zero di estensimetri autocompensanti in costantana (A-alloy) e Karma(K-alloy)

Siccome per gli estensimetri l'autocompensazione non è efficace se non nell'intorno della condizione nominale gli effetti termici vengono ridotti mediante opportuni accorgimenti sulla configurazione del ponte di Wheastone

Copensazione degli effetti della temperatura nella lettura del ponte di Wheastone

RR11RR22

RR44 RR33

EbEb

E0E0

C

B

G

A

++

--

II11 II22

Quarto di ponte

Si supponga di avere un solo estensimetro( resistenza varaibile R1 ) e che le altre resistenze del ponte siano costanti

E 0

E b

14K 1 a 1 T

Lo sbilanciamento sarà dato dalla trasduzione del segnale desiderato (ε

1a) e del segnale interferente di

temperatura (ε1ΔT

)

Nella configurazione a quarto di ponte non c'e' compensazione

E 0

E b

14K 1

RR11RR22

RR44 RR33

EbEb

E0E0

C

B

G

A

++

--

II11 II22

Mezzo ponteSi supponga di avere due estensimetri(resistenze variabili R1 e R2 ) e che le altre resistenze del ponte siano costanti e si supponga che l'estensimetro R2 non sia soggetto alla condizione di carico ma sia incollato sullo stesso materaiale e sia alla stessa temperatura di R1

Nella configurazione a mezzo ponte c'e' compensazione

Copensazione degli effetti della temperatura nella lettura del ponte di Wheastone

E 0

E b

14K 1 a 1 T 2 T

E 0

E b

14K 1 2

E 0

E b

14K 1a

Estensimetro compensatore

Effetti dei cavi lunghi nella lettura del ponte di Wheastone

EbEbEE00

Le resistenze Rk1 e Rk2 influiscono nel voltaggio di alimentazione del ponte ( il ponte “vede” un voltaggio più basso di Eb ) mentre Rk3 e Rk4 non influenzano la lettura perche' l'impedenza del Voltmetro è molto più elevata della resistenza dei cavi.

Ponte intero

Chiamando Rp la resistenza equivalente del ponte “vista” dal generatore di tensione Eb

IE b

R p Rk1 Rk2

La tensione effettivamente applicata al ponte sarà:

E b* E b

R p

R p Rk1 Rk2

E 0

E b*

14K 1 2 3 4

E 0

E b

14K 1 2 3 4

R p

R p Rk1 Rk2

La conseguente lettura:


EbEbEE00

Semi ponte


adesso Rk2 e Rk3 sono interne al ponte e vanno direttamente a influenzare la sensibilità del ponte. Se si ipotizza Rk2 = Rk3=Rk e R1=R4=R

E 0

E b

14

R1

R1 Rk2

R4

R4 Rk3

14K 1 4

RR Rk

E 0

E b

14K 1 4

RR Rk

14K 1 4

1

1Rk

R

14K 1 4

1Rk

R

1Rk

R1

Rk

R

E 0

E b

14K 1 4 1

Rk

R

Esempio:

un conduttore di rame di 10m sezione 0.5 mm^2 ha una resistenza Rk=0.35Ω. Considerando un estensimetro da 120Ω si ha:

1Rk

R1

0.35120

0.99708

1Rk

R

1Rk

R1

Rk

R

10.35120

10.35120

10.35120

0.99709


EbEbEE00

Quarto di ponte

Il caso è simile al precedente

E 0

E b

14K 1

RR 2 Rk

14K 1

1

12 Rk

R

E 0

E b

14K 1

12Rk

R

12Rk

R1

2 Rk

R

14K 1 1

2Rk

R


EbEbEE00

Quarto di ponte con terzo cavo

Il terzo cavo e' necessario perche' nella configurazione precedente a un quarto di ponte non vi e' compensazione di temperatura per i cavi elettrici perche' sono entrambi dalla stessa parte del ponte

Utilizzando il terzo cavo Rk11 il cavo Rk12 compensa in temperatura il cavo Rk2 perche è su un ramo contiguo del ponte

Ovviamente anche in questo caso Rk2 diminuisce la sensibilità del ponte:

E 0

E b

14K 1 1

Rk

R


Effetti della temperatura nei cavi lunghi del ponte di Wheastone

I cavi di collegamento tra i vari lati del ponte possono, talvolta, essere lunghi anche diversi metri di conseguenza una variazione di temperatura ne determina una variazione di resistenza che conduce ad uno sbilanciamento del ponte di Wheatstone con la possibilità di interpretare tale sbilanciamento come causato da una deformazione rilevata dagli estensimetri.

Il coefficiente di temperatura per la resistività del metallo base della griglia è di norma modesto (ad es. per la costantana α

g=2010-6 °C-1) mentre per il rame tale valore è circa

pari a 410-3 °C-1 e quindi variazioni di temperatura sono di un fattore 1000 più cospicue.

23 1025104

tR

Rram e 10735.0102 32R

Esempio

Un conduttore lungo 10m, di sezione 0.5 mm2, la sua resistenza è di circa 0.35, per una variazione di 5 °C la corrispondente variazione di resistenza diventa:

Cui corrisponde, assumendo che tale conduttore sia collegato all’estensimetro in esame, una deformazione apparente di:

m

μm

KR

RT 4.28

055.2120

107 3

Come si è visto questo genere di disturbo è comunque eliminabile con la connessione a 3 fili.

Disturbo dell'ordine del 3% di una misura di 1000 μm/m

Quindi in tutte le configurazioni precedentemente analizzate la presenza di cavi lunghi determina:

Disturbo modificante: Variazione della sensibilità del ponte

Disturbo interferente: dovuto a eventuali variazioni di temperatura dei cavi lunghi ( compensato nel ponte intero, mezzo ponte e quarto di ponte con 3 fili, non compensato nel quarto di ponte senza terzo filo)


Come detto in precedenza è di fondamentale importanza che il supporto dell'estensimetro e il collante sottostante fungano efficacemente da isolante elettrico in modo da non mettere in parallelo per il circuito di lettura il segnale desiderato ( resistenza dell'estensimetro) con una resistenza esterna.

Isolamento elettrico dell'estensimetro

La resistenza di isolamento verso terra deve essere almeno dell'ordine di migliaia di MΩ.

RR Ri

R Ri

RR

1Ri

R

Considerando R la resistenza dell'estensimetro e Ri la resistenza di isolamento si ha una variazione fittizia della resistenza R pari a

Parallelo delle resistenzese R 120 eRi 1 M

RR

1

1Ri

R

1

1106

120

1

8.33 103 1.19 10 4

RRK

5.99 10 5mm

59.9m

m

Disturbo dell'ordine dello 6 % di una misura di 1000 μm/m

Aumentando la resistenza di isolamento a 1000 MΩ si ha:

RR

1

1Ri

R

1

1109

120

1

8.33 106 1.19 10 7

RRK

5.99 10 8mm

0.0599m

m

Disturbo dell'ordine dello 0.006 % di una misura di 1000 μm/mTRASCURABILE

Questi estensimetri invece da una griglia di fili sono costituiti da una lamina di semiconduttore di tipo N o di tipo P (dipendentemente dal drogaggio eseguito).

Estensimetri elettrici a semiconduttore ( chiamati anche piezoresistori)

Hanno elevatissima sensibilità piezoresistiva e quindi in generale più elevata sensibilità degli estensimetri a filo, ma hanno come svantaggio una elevata sensibilità alla temperatura e una elevata fragilità meccanica.

RR

C 1 C 22 C 3

3

E' generalmente possibile esprimere la variazione della resistenza con legge polinomiale

I coefficienti C1,C

2,C

3 dipendono dalla

temperatura

Utilizzo degli estensimetri per la misura di deformazione in applicazioni caratteristiche

Vengono ora presentate alcune applicazioni “classiche” degli estensimetri per la determinazione di stati di deformazione.

Si ricordi sempre che per un ponte di Wheastone nelle due ipotesi di: comportamento linearizzabile ( variazione relativa delle reistenze <1%) e ponte inizialmente equilibrato vale che :

Variazioni di resistenza su rami contigui del ponte si sottraggono

Variazioni di resistenza su rami opposti del ponte si sommano

E 0

E b

14

R1

R1

R2

R2

R3

R3

R4

R4

Sollecitazione normale

x cost x

E

x costFA

Asta soggetta a trazione e incernierata a sinistra

Non incollare qui!

G* Disposizione degli estensimetri

Nessuna compensazione termica

sensibilità elevata ma nessunacompensazione termica

compensazione termica

sensibilità massima, compensazione termica

F

F

F

F

F

F

F

F

sensibilitàE 0

F14G * K E b F

EADinamometro assiale

Asta soggetta a flessione retta e incernierata a sinistra

Flessione retta

Non incollare qui!

F

La tensione è legata al momento flettente applicato in ogni singola sezione

Mo

men

to (

Nm

)

Distanza (m)

M=F*x

Mmax=FL

La deformazione ha lo stesso andamento della tensione ed e' scalata mediante il modulo di Young

xx

E xmax6 Fl

a b2 E

x

MI

y

y

0 Asse neutro

Zona in compressione

Zona in trazione

La tensione in ogni singola sezione ha forma a farfalla, è possibile individuare in ogni sezione un asse neutro che delimita le due zone in cui il materiale e' in compressione e trazione. Lo stato di tensione è proporzionale alla distanza dall'asse neutro

x

F L 12

ab3 y

Ia b3

12

Per una sezione rettangolare

xmax

F L 12

ab3

b2

6Fl

a b2

b

\\\Nessuna compensazione termica

Compensazione termica

Sensibilità massima, compensazione termica

sensibilità non massima, compensazione termica

G* Disposizione degli estensimetrisensibilità

E 0

F14G * K 6 L E b

ab2

Dinamometro a mensola

F

F

F

F

a b

L

\

Esempi applicativi

Cella di carico per carichi assiali con 3+3 estensimetri ( a 3 a 3 in serie)

Gli estensimetri sono spesso utilizzati nella costruzione di misuratori di forza ( dinamometri e celle di carico)

Cella di carico per carichi assiali con 4 estensimetri

Dinamometro a 4 estensimetri per carichi assiali

Esempi applicativi

Esempi applicativi

estensimetri

Alcune configurazioni “classiche” di celle di carico

Cenni alle rosette estensimetriche

Le rosette estensimetriche sono composizioni di almeno due estensimetri (solitamente tre) disposti in opportuna geometria e sono generalmete utilizzate nell'analisi dello stato di tensione piano.

Potrete trovare due grandi gruppi : rosette rettangolari e rosette a delta

rosette rettangolari sono quelle in cui il secondo e terzo asse di misura sono messi a 45° e a 90° rispetto al primo asse

rosette a delta sono quelle in cui gli assi sono disposti rispettivamente a 60° e 120° rispetto al primo asse.

Esistono passaggi matematici (consultare testi specifici) che permettono attraverso tre misure indipendenti di deformazione di determinare gli assi principali di stress e deformazione e l'entità dello stress e della deformazione.

Nella figura è riportato il concio di un tirante a sezione circolare cava, di una struttura reticolare. Su tale tirante vengono collocati quattro estensimetri per la misura del carico F in direzione assiale.

1) Indicare la collocazione e l’orientazione degli estensimetri sul tirante e la disposizione sul ponte di misura giustificando la scelta.

2) Determinare lo sforzo normale F corrispondente ad una lettura di 10.0 mV di sbilanciamento con il ponte

alimentato a 10.0 V

D=26 mm

d=0.8 inc

E=205 Gpa

=0.30

Caratteristiche estensimetro:

K=2.0550.5%

Ro=120 0.3%

R1 R2

R3R4

indicat.

D

C

BAVi

Vo = Vunbal.

Ii

I1I2

Rki1

Rki2

Per convenzione le impedenze del ponte sono nominate in verso orario.

circuito a ponte di Wheatstone

R4

R3

DIi

R1

Vi

A

I2

I1

R2

indicat.Vo

B

C

4

4

3

3

2

2

1

10

4

1

R

R

R

R

R

R

R

R

V

V

i

Lo stato di tensione associato ad una sollecitazione monodimensionale di trazione sul provino da luogo in una qualsiasi sezione ortogonale all’asse del provino ad una tensione normale costante nella sezione considerata e pari a:

4

22 dD

F

A

F

Si disporranno quindi 2 estensimetri lungo l’asse longitudinale (su due generatrici opposte del cilindro), e tali trasduttori saranno collegati su rami opposti nel ponte di Wheastone (R1 e R3) (il segnale si somma), mentre gli ulteriori 2 estensimetri (R2 e R4) saranno disposti ortogonalmente all’asse della sollecitazione e permetteranno di compensare gli ingressi interferenti dovuti alla temperatura.

Se sul provino agisse una sollecitazione di momento flettente giacente su un piano passante sull’asse del provino e sugli estensimetri 1 e 3, la deformazione conseguente a tale sollecitazione non darebbe luogo ad uno sbilanciamento del ponte di Wheatstone: in questo caso gli estensimetri 1 e 3 sono sottoposti a deformazioni uguali in modulo ma di segno opposto, il conseguente sbilanciamento del ponte di Wheatstone, visto il collegamento di R1 e R2, risulta quindi, per tale componente di sollecitazione, nullo.

La disposizione a ponte completo così come indicata nel caso in esame consente di :

1) fornire il segnale massimo

2) compensare gli effetti della temperatura

3) eliminare gli effetti dell’eventuale presenza del momento flettente

Nell’eventualità siano disponibili 2 soli estensimetri (collegamento a 1/2 ponte) da porsi su due rami adiacenti del ponte di Wheatstone, gli estensimetri da scegliere sono il nr. 1 e 2 oppure il nr. 3 e 4, le altre combinazioni a 1/2 ponte fornirebbero segnale nullo.

La disposizione a 1/2 ponte completo così come indicata nelle righe precedenti porta a:

1) fornire il segnale pari alla metà di quello rilevato nel caso di ponte intero

2) compensare gli effetti della temperatura

3) gli effetti di un eventuale momento flettente sono misurati e sommati al contributo dato dalla forza di trazione F

R1 R2

R3R4

indicat.

D

C

BAVi

Vo = Vunbal.

Ii

I1I2

Rki1

Rki2

Per convenzione le impedenze del ponte sono nominate in verso orario.

circuito a ponte di Wheatstone

R4

R3

DIi

R1

Vi

A

I2

I1

R2

indicat.Vo

B

C

4

4

3

3

2

2

1

10

4

1

R

R

R

R

R

R

R

R

V

V

i

Ricordando le modalità di collegamento degli estensimetri a ponte intero esposte in precedenza si avrà:

Estensimetro 1 e 3

deformazione cui è sottoposto:

A

F

El

ove

Estensimetro 2 e 4

deformazione cui è sottoposto:

lt

Quindi le variazioni sui singoli rami del ponte di Wheatstone risulteranno

lKR

R

1

1lK

R

R

3

3 lt KKR

R

2

2 lKR

R

4

4

Supponendo di impiegare estensimetri uguali, e quindi con lo stesso fattore di taratura K, dalla relazione per il calcolo dello sbilanciamento dl ponte di Wheatstone si ottiene:

1

212

44

10 KKK

V

Vllll

i

1

20

l

i

K

V

V

Noto pertanto lo sbilanciamento di 10mV del ponte di Wheatstone è possibile ricavare il conseguente valore della deformazione, in particolare si ottiene:

m

m

m

m

KV

V

i

l

6.748106.748)3.01(055.2

2

10

1010

1

2 63

0

Nota la relazione che esprime la deformazione attesa sul provino in funzione della forza esterna applicata F, impiegando unità di misura fra loro congrue si ricava:

2222

4 ;

4A ; ove dDEεσAFdD

A

F

Ell

mmmincd 31032.2032.204.258.08.0 mmmD 3102626

NdDEεF l 317111032.20264

106.748102054

6226922

MISURE DI DEFORMAZIONE MEDIANTE … del... · Estensimetri ottici Gli estensimetri ottici sono...

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