Método de Seleção de Extensômetros por Resistência

Resistência extensômetros (denominados extensômetros) são componentes sensíveis essenciais que convertem a deformação mecânica de elementos estruturais em variações de resistência, amplamente utilizados em células de carga , sensores de força, monitoramento da saúde estrutural, testes aeroespaciais e outros campos. A sua seleção determina diretamente a precisão, estabilidade e vida útil do sistema de medição. A lógica principal é a "correspondência bidirecional entre as características de deformação e o ambiente de operação"—evitando desperdício de custos causado por redundância de parâmetros e prevenindo falhas de medição devido a desempenho insuficiente. Abaixo está um método de seleção completo, que combina parâmetros técnicos, adaptação ambiental e pontos práticos essenciais para auxiliar na seleção precisa.

Passo 1: Esclarecer os Requisitos Principais de Medição e os Cenários de Aplicação (Pré-requisito para a Seleção)

Antes da seleção, é necessário definir "que tipo de deformação medir, em que ambiente medir e como instalar", o que constitui a base para a seleção subsequente de parâmetros e evita a busca cega por parâmetros de alto desempenho.

1. Definição dos Requisitos Principais de Medição

• Tipo e faixa de deformação: Esclareça a natureza da deformação do componente medido (deformação estática, como deformação por peso próprio estrutural, ou deformação dinâmica, como deformação por vibração mecânica) e o valor máximo de deformação, reservando uma margem de segurança de 1,2 a 1,5 vezes. Exemplo: se a deformação máxima real for de 1000με, deve-se selecionar um extensômetro com faixa de 1200 a 1500με; para deformações dinâmicas (como cargas de impacto), recomenda-se reservar um fator de segurança de 1,5 a 2 vezes para evitar danos à grade sensível causados por sobrecarga instantânea.
• Requisito de precisão: É um monitoramento qualitativo (como alerta precoce de rachaduras estruturais), análise quantitativa (como calibração de sensores) ou medição de precisão (como testes laboratoriais de tensão)? Exemplo: extensômetros para células de carga precisam atender a um erro de sensibilidade de ±0,1%, o monitoramento da saúde estrutural pode ter um erro de ≤±0,5%, e a medição de precisão em laboratório exige ≤±0,05%.
• Direção da força: O componente está sujeito a força unidirecional (como flexão de viga em balanço), bidirecional (como peças mecânicas em estado de tensão plana) ou multidirecional (como nós estruturais complexos)? Selecione extensômetros uniaxiais para força unidirecional, e extensômetros biaxiais (ângulo reto, roseta de extensão) ou multiaxiais para força bidirecional/multidirecional.
• Frequência de medição: Para medição dinâmica, deve-se esclarecer a faixa de frequência do sinal de deformação. A frequência de resposta do extensômetro deve ser ≥3 vezes a frequência do sinal medido (para evitar distorção do sinal). Exemplo: Para medir deformação vibratória de 50 Hz, deve-se selecionar um extensômetro com frequência de resposta ≥150 Hz.

2. Instalação e Condições Estruturais

• Características da superfície do componente: A superfície do componente é plana, curva (qual é o raio de curvatura) ou de formato especial? Extensômetros flexíveis (como do tipo folha) são adequados para componentes curvos, e extensômetros com comprimento de grade curto são necessários para pequenos raios de curvatura (≤10 mm); tipos com forte adesão do substrato são adequados para superfícies rugosas.
• Espaço de instalação: Extensômetros miniaturizados (comprimento da grade ≤2 mm) são necessários para áreas estreitas de componentes (como chanfros de peças de precisão), e extensômetros com grades de comprimento médio e longo podem ser selecionados para componentes de grande porte, conforme a uniformidade da deformação.
• Método de instalação: É uma instalação por colagem em temperatura ambiente, instalação por soldagem em alta temperatura ou colagem temporária? Extensômetros soldáveis são necessários em cenários de alta temperatura, e extensômetros do tipo magnético podem ser usados para monitoramento temporário.

3. Condições Ambientais de Operação

• Faixa de temperatura: Esclareça a faixa de temperatura normal (-20℃~60℃), média temperatura (60℃~200℃), alta temperatura (200℃~1000℃) ou baixa temperatura (<-20℃) do ambiente de trabalho. A faixa de compensação térmica do extensômetro deve cobrir totalmente a temperatura real, evitando impactos na precisão causados por deriva térmica.
• Ambiente médio: Há umidade (como em ambientes subaquáticos, oficinas úmidas), corrosão (como gases ácido-base, poluição por óleo em oficinas químicas), poeira ou forte radiação? São necessários extensômetros à prova d'água para ambientes úmidos, materiais resistentes à corrosão (como grades de liga níquel-cromo, substratos de poliimida) para ambientes corrosivos, combinados com tratamento de vedação.
• Fatores de interferência: Há interferência eletromagnética forte (como próximo a motores, equipamentos de alta tensão) ou impacto por vibração? São necessários extensômetros com camadas de blindagem em cenários de forte interferência, e tipos com boa tenacidade nos substratos e adesivos em cenários de impacto por vibração.

Etapa 2: Seleção dos Parâmetros Técnicos Principais (Correspondência Precisa aos Requisitos)

Após esclarecer os requisitos, concentre-se nos parâmetros técnicos principais do extensômetro, que é o elo central da seleção e determina diretamente o desempenho da medição.

1. Parâmetros Principais da Grade Sensível (Determinam o Desempenho Básico de Medição)

• Valor da resistência: O valor convencional de resistência dos extensômetros é 120Ω (compatível com a maioria dos extensômetros, com maior versatilidade), existindo também especificações como 350Ω e 1000Ω. Extensômetros de alta resistência são adequados para sistemas de baixo consumo de energia, e os extensômetros de 120Ω apresentam o melhor custo-benefício em cenários industriais. Na seleção, garanta que o valor da resistência do extensômetro corresponda à resistência de entrada do medidor de deformação (desvio ≤±5%) para evitar atenuação do sinal.
• Fator de escala: Indica a relação proporcional entre deformação e variação da resistência (valor convencional 2,0±0,02), sendo um parâmetro fundamental para o cálculo do valor da deformação. Na seleção, deve-se priorizar extensômetros com boa consistência do fator de escala (desvio de lote ≤±1%), especialmente quando múltiplos extensômetros são utilizados em uma ponte (como um circuito de ponte completa de uma célula de carga), pois a baixa consistência resultará em erros de medição aumentados.
• Comprimento da grade e largura da grade: O comprimento da grade determina o "intervalo médio de medição" do extensômetro. O comprimento pequeno da grade (0,2~2 mm) é adequado para medir deformações locais (como pontas de trincas), o comprimento médio da grade (3~10 mm) é adequado para componentes convencionais, e o comprimento grande da grade (10~100 mm) é adequado para componentes de grande porte com gradientes de deformação pequenos. A largura da grade deve corresponder à direção da força no componente: largura estreita para forças unidirecionais e largura ampla ou estrutura de rosca de deformação para forças bidirecionais.
• Material da grade sensível:
  • Liga cobre-níquel (Constantan): Preferida para cenários de temperatura normal (-20℃~150℃), com coeficiente térmico pequeno e boa estabilidade, adequada para células de carga e monitoramento estrutural;
  • Liga níquel-cromo (Karma): Para cenários de média e alta temperatura (-50℃~400℃), com alta sensibilidade, adequada para monitoramento de motores e tubulações de alta temperatura;
  • Liga platina-irídio: Para cenários de alta temperatura (400℃~1000℃), com forte resistência à corrosão, adequada para equipamentos aeroespaciais e metalúrgicos;
  • Materiais semicondutores: Sensibilidade extremamente alta (50~100 vezes maior que a dos metais), mas baixa estabilidade térmica, adequados para medições de precisão em laboratório.

2. Parâmetros do Substrato e do Adesivo (Determinam a Adaptabilidade Ambiental)

• Material do substrato:
  • Substrato de papel: Baixo custo, fácil aplicação, adequado para ambientes de temperatura normal e secos (≤60℃), como monitoramento temporário de equipamentos civis;
  • Substrato de resina fenólica: Resistência térmica de 120℃, boa resistência ao óleo, adequado para cenários convencionais de máquinas industriais;
  • Substrato de poliimida: Resistência térmica de 250℃, resistência à corrosão e à água, adequado para cenários químicos, úmidos e de média-alta temperatura;
  • Substrato cerâmico: Resistência térmica acima de 1000℃, adequado para ambientes extremos como fornos de alta temperatura e motores aeroespaciais.
• Tipo de adesivo: Deve ser compatível com o material do substrato e a temperatura de trabalho. São selecionados adesivos à base de cianoacrilato (secagem rápida) para cenários de temperatura ambiente, à base de resina epóxi (resistência térmica de 150℃) para cenários de média temperatura e adesivos inorgânicos (resistência térmica acima de 500℃) para cenários de alta temperatura. A resistência ao cisalhamento do adesivo deve ser ≥2MPa para evitar descolamento do extensômetro.

3. Parâmetros de Compensação Térmica (Determinam a Estabilidade da Medição)

• Método de compensação térmica:
  • Extensômetros auto-compensadores: Ao selecionar materiais da grade sensível, a variação de resistência causada pela temperatura é compensada pela expansão térmica do componente, adequado para componentes de material único (como aço, alumínio), fácil de instalar e preferido em cenários industriais;
  • Compensação por extensômetro auxiliar: Extensômetros adicionais do mesmo modelo dos extensômetros ativos são colados em componentes idênticos não submetidos a tensão, e os erros de temperatura são compensados por meio de circuitos, adequado para campos térmicos complexos ou componentes com múltiplos materiais.
• Faixa de compensação de temperatura: Deve abranger a faixa de temperatura de trabalho real. Exemplo: Em um ambiente de oficina de -10 °C a 80 °C, deve-se selecionar um extensômetro com faixa de compensação de -20 °C a 100 °C para garantir folga térmica.

4. Parâmetros de Estrutura e Cabos (Determinam Instalação e Transmissão de Sinal)

• Estrutura do extensômetro:
  • Extensômetros uniaxiais: Para cenários de força unidirecional (como vigas em balanço, tirantes), estrutura simples e baixo custo;
  • Extensômetros biaxiais (extensômetros em ângulo reto): Para cenários de força bidirecional (como componentes sob tensão plana), podem medir deformações em duas direções perpendiculares simultaneamente;
  • Rosetas de extensão (45°, 60°): Para cenários de força multidirecional (como nós estruturais, peças complexas), podem calcular a deformação principal e a direção da tensão principal, adequados para análise de tensões.
• Especificações do cabo: Os materiais dos cabos são geralmente fios de cobre revestidos a prata. São selecionados cabos com isolamento em PVC para cenários de temperatura normal e cabos com isolamento em PTFE para cenários de alta temperatura. O comprimento do cabo deve corresponder à distância de medição. Para transmissão de longa distância (10 m), são necessários cabos com camadas de blindagem para evitar interferência eletromagnética.

Passo 3: Adaptação ao cenário e evitação de erros de seleção

Selecione extensômetros de acordo com as características dos diferentes aplicação cenários, evitando erros comuns de seleção para garantir a estabilidade e confiabilidade do sistema de medição.

1. Exemplos Típicos de Seleção por Cenário

2. Erros Comuns de Seleção e Métodos para Evitá-los

• Erro 1: Focar apenas no fator de extensão e ignorar a consistência — quando múltiplos extensômetros são usados em uma ponte, mesmo que o fator de extensão de um único extensômetro atenda ao padrão, grandes desvios entre lotes (±1%) causarão desequilíbrio na ponte e aumentarão acentuadamente os erros de medição. Evitação: Exigir dos fornecedores relatórios de teste do fator de extensão para extensômetros do mesmo lote, controlando o desvio dentro de ±0,5%.
• Erro 2: Incompatibilidade entre o comprimento da grade e o gradiente de deformação — selecionar extensômetros com grande comprimento de grade em áreas locais de concentração de deformação, como pontas de trincas, resultará na "média" dos valores medidos e na incapacidade de refletir a deformação real. Evitação: selecione extensômetros com comprimento de grade ≤2 mm para áreas com grandes gradientes de deformação e de 5 a 10 mm para áreas com deformação uniforme.
• Erro 3: Ignorar a correspondência entre a compensação térmica e o material do componente — usar extensômetros compensados para aço em componentes de alumínio causará sérios erros de temperatura devido às diferenças nos coeficientes de expansão térmica. Evitação: selecione extensômetros auto-compensados com os tipos de compensação correspondentes de acordo com o material do componente (aço, alumínio, cobre, etc.).
• Erro 4: "Fazer com" parâmetros de adaptabilidade ambiental — selecionar extensômetros com substrato de papel comum em ambientes úmidos sem tratamento de vedação causará falha do substrato devido à umidade em um curto período de tempo. Evitação: Selecione materiais de substrato apropriados conforme as classes ambientais (úmido/corrosivo/alta temperatura) e adicione revestimentos selantes impermeáveis se necessário.

Etapa 4: Observações Adicionais para a Seleção Prática

• Compatibilidade da ponte: Quando múltiplos extensômetros formam um circuito em ponte completa/meia ponte, garanta que o valor de resistência, fator do extensômetro e características térmicas dos extensômetros sejam consistentes. Recomenda-se selecionar da mesma partida para reduzir erros na ponte.
• Requisitos de calibração: Para extensômetros utilizados em liquidações comerciais (como células de carga) ou medições de precisão, selecione marcas rastreáveis para garantir que os produtos tenham passado por certificação metrológica, facilitando a calibração subsequente do sistema.
• Compatibilidade do processo de instalação: Para componentes curvos, confirme previamente o desempenho de flexão do extensômetro (raio de curvatura flexível ≤ raio de curvatura do componente). Para extensômetros soldáveis, utilize equipamentos e processos de soldagem compatíveis.
• Suporte do fornecedor: Priorize fornecedores que ofereçam suporte técnico. Informe-os sobre o material do componente, condições de força e parâmetros ambientais para obter recomendações de seleção mais precisas e evitar a escolha independente sem critério.

Resumo: Lógica Central na Seleção de Extensômetros por Resistência

A essência da seleção de extensômetros por resistência é um ciclo fechado de "decomposição de requisitos → correspondência de parâmetros → verificação em cenários": primeiro, decompor os quatro requisitos principais de "faixa de deformação, precisão, ambiente e instalação", depois combinar de forma direcionada parâmetros-chave como grade sensível, substrato e compensação térmica, e finalmente verificar a adequação da escolha por meio de exemplos de cenários e prevenção de erros.

Se você ainda tiver dúvidas sobre a seleção, pode fornecer as seguintes informações ao fornecedor: ① Material do componente e tipo de força (uniaxial/bidirecional); ② Valor máximo de deformação e requisito de precisão; ③ Temperatura de operação e ambiente do meio; ④ Espaço e método de instalação. O fornecedor poderá rapidamente identificar o modelo adequado.