Functionality of strain sensors

Strain is the relative change in length of a component or structure under stress. This can consist of an extension (elongation) or contraction (compression). Strain can result from forces or moments (mechanical strain) applied to a structure, as well as thermal expansion in the case of temperature changes. The indirect force measurement via strain sensors determines the mechanical strain.

The relative change in length is described as the strain ε in [m/m] and defined as the ratio of an absolute change in length Δ l to a total length l0. Strain does not have dimensions.
The unit symbol for strain is ɛ. As small strains occur when a component is monitored, the strain is given in [µm/m] (1 µm = 10-6 m). In European countries, strains are primarily given in [µm/m], whereas in Anglo-American countries, microstrain or microepsilon [µɛ] is more prevalent.
If a component is expanded, it is referred to as positive strain. If the component is compressed, the strain is negative.

In most cases, strain is measured to determine the degree of wear and thus the tension of a material through mechanical stress. At the same time, measurement of the strain can also provide information about the force causing the strain. This makes strain measurement a clever alternative for the determination of large forces. In laboratory settings, strain gauges are often glued to a component. However, in serial production it is easier to use screw-on strain sensors to create constant, high-quality conditions for indirect force measurement.

For large force ranges and stiff constructions, strain sensors are a suitable alternative to force sensors. As opposed to force sensors, strain sensors are not installed directly in the force flow but are screwed onto the surface of the corresponding component. The stress on the machine structure leads to deformation. By measuring the surface strain, the strain sensors can be used to easily deduct the effective force. Indirect force measurement via strain sensors can cost-efficiently determine large forces using a small strain sensor.

In addition to the external screw-on strain sensors, there are also versions that determine strain via a drill hole. This can be useful depending on the system design.
 

Each component subjected to a force (F) experiences a specific strain (ε). In the linear elastic area, this strain is always dependent on the E-module of the material (E), the cross-sectional area (A) of the material, and the force. Using these three parameters, the strain can be calculated as follows:

Tale equazione consente di determinare facilmente anche la tensione del componente corrispondente. Tali calcoli si basano sulla legge di Hooke. La legge di Hooke, nella sua forma più semplice, determina la proporzionalità diretta della deformazione ε [m/m] e della sollecitazione σ [N/mm²] di un determinato materiale in base al suo modulo di elasticità E [N/mm²].

La concezione meccanica e la scelta dei materiali del componente avvengono sulla base delle tensioni meccaniche che si verificano. In caso di acciai a bassa resistenza sono consentite tensioni più basse e quindi deformazioni. In caso di acciai altamente resistenti sono consentite tensioni più elevate e deformazioni. 
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Gli estensimetri hanno diversi range di misura che coprono le deformazioni previste.

L’allungamento effettivo di un componente, oltre alla geometria e alla forza, dipende anche sempre dal suo materiale. Il valore caratteristico decisivo è il modulo E (modulo di elasticità). Descrive il rapporto proporzionale tra tensione ed allungamento durante la deformazione di un corpo solido nel tratto elastico lineare. Vige che più rigido è un materiale, maggiore sarà anche il suo modulo E. Il modulo E per l’acciaio da bonifica comune negli estensimetro corrisponde a E = 210000 N/mm².
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Il modulo E dell’alluminio corrisponde a circa 70000 N/mm², il modulo E dell’ebanite a 5 N/mm².

Deformazione misurata sull’estensimetro: 240 µm/m

Larghezza della barra in acciaio 20 mm x 20 mm --> Sezione A = 20 mm x 20 mm = 400 mm^{2
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F= 400 mm² x 210000 N/mm² x 240 x 10-6 m/m = 20160 N

La grandezza meccanica rispetto al segnale elettrico viene elaborata in quattro fasi nei sensori di estensione basati su estensimetro. Il punto di partenza è un componente soggetto ad una deformazione a causa dell’applicazione di una forza. Tale deformazione viene trasmessa all’estensimetro tramite il collegamento per attrito. L’estensimetro, a sua volta, è dotato di un corpo a molla in acciaio da bonifica su cui si sviluppano deformazioni sulla superficie del materiale dovute a sollecitazioni esterne. Gli estensimetri applicati sulla superficie del corpo a molla rilevano tale deformazione. Essi trasformano quindi la deformazione meccanica in una variazione in resistenza elettrica e agiscono come convertitore meccanico-elettrico. Tramite questa variazione in resistenza generano una variazione di tensione proporzionale alla deformazione. La configurazione intelligente dei singoli estensimetri in un ponte di Wheatstone consente di evidenziare anche deformazioni minime.

Gli estensimetri sono il nucleo dei sensori di forza e di deformazione Baumer e vengono utilizzati per rilevare le deformazioni sulla superficie del materiale. Consistono di solito in un foglio di supporto (poliimmide), una griglia di misurazione a serpentina in constantana e uno strato di copertura. Essi trasformano quindi la deformazione meccanica in una variazione in resistenza elettrica e agiscono come convertitore meccanico-elettrico. La variazione in resistenza degli estensimetri avviene in modo proporzionale e viene definita fattore k. 

Modelli
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Gli estensimetri metallici per la costruzione di rilevatori sono disponibili in diversi modelli. Oltre ai tipici estensimetri lineari, sono modelli tipici anche le rosette estensimetriche a T, le rosette estensimetriche e gli estensimetri di taglio:

Il circuito a ponte di Wheatstone è un circuito speciale di resistente elettriche con cui è possibile eseguire una misurazione accurata delle variazioni in resistenza. Nel circuito a ponte completo utilizzato nella sensoristica vengono configurati sempre quattro estensimetri in successione secondo un determinato ordine. Il circuito a ponte è costituito da due partitori di tensione collegati in parallelo alimentati con una fonte di tensione comune con alimentazione ponte U_B.

Il circuito a ponte di Wheatstone consente di rilevare in modo accurato le minime variazioni in resistenza. Le variazioni delle singole resistenze implicano uno squilibrio del ponte UA che può essere misurato facilmente. Il segnale di misura del ponte si comporta in modo raziometrico ed è proporzionale alla tensione di alimentazione. Il segnale di misura tipico degli estensimetri rientra nell’intervallo 0,4…3,0 mV/V.

La meccanica degli estensimetri Baumer è concepita resistente alla fatica per almeno 10 milioni di cicli su +/- l’intero intervallo di deformazione (es. +/- 500 µm/m). In questo modo, è possibile monitorare processi con un elevato numero di cicli e sollecitazioni in direzione positiva e negativa. 

Il portfolio Baumer degli estensimetri offre possibilità d’impiego pressoché illimitate. Esistono estensimetri per spazi ridotti, applicazioni industriali standard e anche per applicazioni esterne rigide.