Otimizando Desempenho de Deformação Mecânica para Materiais Não Homogêneos

Deformação Mecânica é a mudança na forma de um material resultante da aplicação de força, e é medida pela mudança em seu comprimento. Ela pode ser de extensão ou de compressão. Um sensor de deformação mecânica é um equipamento que varia sua resistência elétrica proporcionalmente à deformação mecânica. A deformação mecânica pode resultar de uma variedade de influências internas ou externas, incluindo pressão, temperatura ou mudança estrutural. Os sensores mais comumente usados são sensores de deformação mecânica metálicos de junção, que consistem em um fio ou lâmina finos instalados em uma estrutura de grade. A grade é unida à amostra de teste e detecta mudanças no comprimento que ocorrem quando uma carga é aplicada. Isso leva a uma mudança na resistência, que é medida por um circuito elétrico. Materiais não homogêneos podem apresentar muitas complicações para se obter deles medições de deformação mecânica precisas.

Até recentemente, a maioria das medições de deformação mecânica eram aplicadas a metais como ligas de aço e alumínio. A tendência atual de substituir metais por polímeros e compostos trouxe à tona um número crescente de plásticos reforçados com propriedades mecânicas, térmicas e químicas significativamente diferentes. Uma importante diferença nas propriedades físicas de metais e polímeros é o módulo de elasticidade. Um material composto com uma matriz de polímero ou plástico pode ter um módulo de elasticidade que é mais que o dobro daquele de metais, dependendo do material da fibra e do volume de reforço. Como resultado, as medições de deformação mecânica desses materiais não homogêneos são consideravelmente maiores que as de metais e normalmente requerem técnicas especiais de fiação e ligação de sensores de deformação mecânica.

A condutividade térmica de compostos de matriz de polímero pode ser até duas ordens de grandeza menor que a de metais. Quando a amostra de teste e o sensor sofrem deformação, a resistência do sensor muda em resposta à deformação mecânica e gera um deslocamento da voltagem calibrada. Sensores de deformação mecânica com uma resistência mais alta resultam em menos aquecimento para a voltagem produzida. Entretanto, compostos de matriz de polímero não conduzem calor bem e podem fazem com que o calor se acumule no sensor. Este aumento na temperatura causa um aumento na resistência e, subsequentemente, um erro na medição de deformação mecânica. Em alguns casos, isso pode requerer compensação de temperatura.

Alguns materiais não homogêneos são higroscópicos e podem se expandir ou se contrair conforme muda o conteúdo de umidade. Essas flutuações dimensionais não diferem do efeito térmico e resultam em falsas medidas de deformação mecânica. Matrizes de composto de plástico variam significativamente quanto a propriedades higroscópicas. Por exemplo, plástico acrílico tem uma forte tendência a absorver umidade, enquanto que o polietileno não absorve praticamente nada de umidade. Madeira é outro material não homogêneo propenso a absorver umidade. A madeira se expande e se contrai com mudanças atmosféricas. Adicionalmente, o encolhimento que ocorre durante a secagem é menor na direção paralela ao grão do que na direção transversal ao grão. Isso ressalta a necessidade de seleção de amostra apropriada para a compensação dos sensores de deformação mecânica e para o provimento de condições atmosféricas consistentes tanto para os sensores ativos como para os sensores de compensação.

O comprimento de sensor é definido como a região receptiva da grade. Abas de solda e enrolamentos de extremidades estão excluídos do que é considerada a área sensível a deformação mecânica do sensor devido ao tamanho relativamente grande de sua área transversal e baixa resistência elétrica. Os comprimentos de sensores de deformação mecânica estão geralmente baseados no tamanho e na forma da amostra e antecipam a distribuição da deformação mecânica. O comprimento do sensor também cumpre um papel essencial na precisão da medição de deformação mecânica. Sensores de deformação mecânica de 0,125 polegadas ou maiores normalmente proporcionam estabilidade e intervalo de medição maiores. Além disso, sensores maiores proporcionam melhor dissipação de calor, pois eles têm uma menor potência elétrica por unidade de área da grade.

O comprimento do sensor também é algo importante a se levar em consideração em medições de deformação mecânica de materiais não homogêneos como plásticos reforçados e concreto. O comprimento deve ser grande em relação ao tamanho das não homogeneidades na amostra para que sejam proporcionadas medições de deformação mecânica representativas da estrutura. Medições de materiais não homogêneos normalmente têm como objetivo medir uma deformação mecânica média e não as inconsistências que surgem na periferia de materiais agregados ou de matriz.

A escolha do padrão de sensor certo é crucial para otimizar medições de deformação mecânica. O padrão de sensor determina a configuração da grade e as abas de solda. A largura da grade pode ser pequena ou grande, dependendo da aplicação. Uma grade estreita minimiza o erro por média para inclinações de deformação mecânica alinhadas verticalmente ao sensor, enquanto que grades mais largas facilitam a dissipação de calor para amostras que têm escassas propriedades de transferência de calor. A configuração da aba de solda deve ser compatível com o tamanho e a posição da instalação e permitir a conexão de fios.

Frequentemente, padrões de sensor idênticos são oferecidos com resistência diferente; os mais comuns são de 120 e 350 Ω. O sensor de resistência mais alta é mais frequentemente preferido porque ele reduz a quantidade de calor gerado e diminui o ruído de sinal vindo de fios e outras fontes de mudanças de resistência.

A escolha do adesivo pode afetar o desempenho do sensor de deformação mecânica, pois ele essencialmente se torna parte do sistema de medição. Assim, é aconselhável usar adesivos recomendados pelo fabricante do sensor. Adesivos de epóxi que endurecem a temperatura ambiente são aceitáveis para a maioria dos materiais não homogêneos, como os compostos. Eles estão disponíveis em muitas formulações, com propriedades para se adaptar a variações de temperatura, tempo e capacidade de prolongamento. Se você está aplicando epóxi para grudar placas de composto, o epóxi usado seria uma boa escolha para colar o sensor. Adesivos com carga são normalmente preferidos para minimizar deslizamento. Entretanto, materiais compostos com fibras que resultam em uma superfície irregular podem apresentar dificuldades para colagem. Nesses casos, um adesivo parcialmente com carga pode ser aplicado para alisar a superfície antes de se colar a amostra ao sensor com adesivo sem carga.

O SGD-30/120-LY40 da OMEGA™ é um sensor de deformação mecânica extralongo projetado especificamente para materiais não homogêneos. Sua grade mede 25 por 8 mm, e o carregador tem 40 por 12 mm. A resistência nominal é de 120 Ω, e ele tem terminações com abas de solda. Lâmina de constantan é usada para fazer a grade, que é selada em um carregador de poliimida. O SGD-30/120-LY40 da OMEGA é flexível e forte para proporcionar medições estáticas e dinâmicas altamente precisas.

O sensor de deformação mecânica SGD-30/350-LY40 é feito dos materiais da mesma qualidade que o SGD-30/120-LY40. Seus 50 mm de comprimento melhoram a precisão da medição de deformação mecânica de materiais não homogêneos. A grade tem 30 por 3 mm, e o carregador tem 36 por 5 mm. A resistência nominal do SGD-30/350-LY40 é de 350 Ω. Este sensor de deformação mecânica de padrão linear é projetado para medir deformação mecânica em uma única direção.

Sensores de deformação mecânica extralongos proporcionam várias vantagens para medição de deformação mecânica de materiais não homogêneos. Eles têm uma área maior para medição, o que permite uma melhor representação da estrutura dos materiais. Além disso, a área de superfície maior facilita a dissipação de calor possibilitando medições mais estáveis.