PT107353B - Amplificador mecânico para aplicação em estruturas para medição de extensões - Google Patents

Abstract

O PRESENTE INVENTO DIZ RESPEITO A UM AMPLIFICADOR MECÂNICO (1) PARA APLICAÇÃO EM ESTRUTURAS (3) PARA MEDIÇÃO DE EXTENSÕES, CAPAZ DE AUMENTAR A SENSIBILIDADE DOS TRADICIONAIS EXTENSÓMETROS. ESTE DISPOSITIVO IRÁ AMPLIFICAR A EXTENSÃO MECÂNICA DA ESTRUTURA BASE, REPRODUZINDO ESSE VALOR DE EXTENSÃO AMPLIFICADO NUMA ZONA SEPARADA DA ESTRUTURA BASE, ONDE SERÁ COLOCADO UM ELEMENTO SENSITIVO (2). A SECÇÃO (4) DE ÁREA VARIÁVEL (8) E A SECÇÃO (5) PROVOCAM UMA CONCENTRAÇÃO DE DEFORMAÇÕES NO ELEMENTO SENSITIVO (2) PROVOCADA PELO ESTRANGULAMENTO DE SECÇÃO. PARALELAMENTE O MESMO ELEMENTO ESTÁ SUJEITO AO MOMENTO FLETOR CRIADO PELA GEOMETRIA DO AMPLIFICADOR MECÂNICO. ATRAVÉS DO EFEITO DUPLO DE CONCENTRAÇÃO DE TENSÕES CONSEGUE-SE QUE A AMPLIFICAÇÃO OBTIDA NO ELEMENTO SENSITIVO (2) SEJA PROPORCIONAL E AMPLIFICADA DA DEFORMAÇÃO SOFRIDA PELA BASE (10). AS ABAS (6), DE COMPRIMENTO (7) E (9), PERMITEM A CORRETA FIXAÇÃO DA ESTRUTURA AMPLIFICADORA AO LOCAL EM QUE SE PRETENDE OBTER A MEDIÇÃO DA BASE (10).

Description

O PRESENTE INVENTO DIZ RESPEITO A UM AMPLIFICADOR MECÂNICO (1) PARA APLICAÇÃO EM ESTRUTURAS (3) PARA MEDIÇÃO DE EXTENSÕES, CAPAZ DE AUMENTAR A SENSIBILIDADE DOS TRADICIONAIS EXTENSÓMETROS. ESTE DISPOSITIVO IRÁ AMPLIFICAR A EXTENSÃO MECÂNICA DA ESTRUTURA BASE, REPRODUZINDO ESSE VALOR DE EXTENSÃO AMPLIFICADO NUMA ZONA SEPARADA DA ESTRUTURA BASE, ONDE SERÁ COLOCADO UM ELEMENTO SENSITIVO (2). A SECÇÃO (4) DE ÁREA VARIÁVEL (8) E A SECÇÃO (5) PROVOCAM UMA CONCENTRAÇÃO DE DEFORMAÇÕES NO ELEMENTO SENSITIVO (2) PROVOCADA PELO ESTRANGULAMENTO DE SECÇÃO. PARALELAMENTE O MESMO ELEMENTO ESTÁ SUJEITO AO MOMENTO FLETOR CRIADO PELA GEOMETRIA DO AMPLIFICADOR MECÂNICO. ATRAVÉS DO EFEITO DUPLO DE CONCENTRAÇÃO DE TENSÕES CONSEGUE-SE QUE A AMPLIFICAÇÃO OBTIDA NO ELEMENTO SENSITIVO (2) SEJA PROPORCIONAL E AMPLIFICADA DA DEFORMAÇÃO SOFRIDA PELA BASE (10). AS ABAS (6), DE COMPRIMENTO (7) E (9), PERMITEM A CORRETA FIXAÇÃO DA ESTRUTURA AMPLIFICADORA AO LOCAL EM QUE SE PRETENDE OBTER A MEDIÇÃO DA BASE (10).

RESUMO

Amplificador mecânico para aplicação em estruturas para medição de extensões presente invento diz respeito a um amplificador mecânico (1) para aplicação em estruturas (3) para medição de extensões, capaz de aumentar a sensibilidade dos tradicionais extensómetros. Este dispositivo irá amplificar a extensão mecânica da estrutura base, reproduzindo esse valor de extensão amplificado numa zona separada da estrutura base, onde será colocado um elemento sensitivo (2) . A secção (4) de área variável (8) e a secção (5) provocam uma concentração de deformações no elemento sensitivo (2) provocada pelo estrangulamento de secção. Paralelamente o mesmo elemento está sujeito ao momento fletor criado pela geometria do amplificador mecânico. Através do efeito duplo de concentração de tensões consegue-se que a amplificação obtida no elemento sensitivo (2) seja proporcional e amplificada da deformação sofrida pela base (10). As abas (6), de comprimento (7) e (9), permitem a correta fixação da estrutura amplificadora ao local em que se pretende obter a medição da base (10).

DESCRIÇÃO

Amplificador mecânico para aplicação em estruturas para medição de extensões

Domínio técnico da invenção presente invento diz respeito a um amplificador mecânico para aplicação de extensões, capaz de aumentar a sensibilidade dos tradicionais extensómetros, tornando as medições de deformação mais sensíveis e com capacidade de registar valores de menor amplitude, que é colado à estrutura onde se pretende quantificar a extensão mecânica e irá amplificar a extensão mecânica da estrutura base, reproduzindo esse valor de extensão amplificado numa zona separada da estrutura base, onde será colocado um elemento sensitivo semicondutor.

Âmbito da invenção

A presente invenção tem por base o conceito de efeito duplo de concentração de tensões. Utiliza a concentração de tensões provocada por estrangulamento de secção de uma viga e em simultâneo por momento fletor nessa mesma viga. Quando a estrutura base, à qual se pretende efetuar a medição da deformação, está sujeita a esforços que a deformam, o sistema de amplificação mecânica de deformação, cria proporcionalmente e amplificadamente a deformação que está a ocorrer na estrutura base, numa área própria do sistema amplificador. Esta área com a deformação amplificada permite a colocação de sensores de extensão, chamados

1/11 extensómetros, capazes de medir a deformação da estrutura base com grande sensibilidade e precisão.

Estado da técnica

Um extensómetro tal como o próprio nome indica, mede extensão (ε) que é definida como a fração entre a variação do comprimento e o comprimento inicial:

Em materiais metálicos a extensão tem normalmente uma magnitude de medição muito pequena sendo usualmente expressa em microdeformações (με) . Existem diversos métodos para medir a extensão, o mais comum é recorrer a extensómetros, um sensor resistivo que varia a sua resistência elétrica em proporção com a extensão sofrida. 0 extensómetro mais usado é o extensómetro metálico. No geral os extensómetros são de pequenas dimensões e massa, de baixo custo, facilmente colocáveis, de grande sensibilidade à extensão e, com o devido condicionamento de sinal, insensíveis ao ambiente e variações de temperatura.

A sensibilidade apresentada pelos extensómetros na medição, e a sua afetação com a temperatura têm sido tentados resolver através de hardware elétrico ou software de tratamento e condicionamento de sinal. A invenção que se apresenta permite reduzir significativamente os problemas nas medições com recurso a extensómetros, tornando a leitura de deformações mais fácil e mais precisa.

Um amplificador consiste num dispositivo que obtém um sinal de saída em função do seu sinal de entrada. A relação entre

2/11 o sinal de entrada e de saída denomina-se de função de transferência. Na presente invenção é desenvolvido um amplificador mecânico, este amplia uma extensão noutra extensão com uma função de transferência constante e dependente da geometria do amplificador.

Em pesquisa ao estado da técnica da invenção, a qual foi realizada com o objetivo de aferir se a mesma já teria sido pensada ou executada por outros inventores, foram identificados os seguintes documentos de patente, dos quais destacamos a sua distinção com a presente invenção:

(Dl) EP1840500 A2 - Dl consiste num dispositivo de medição de quantidades mecânicas recorrendo ao uso de dois ou mais elementos sensores. Pelo menos um elemento sensor é caracterizado por ter quatro camadas do tipo p e outro por ter quatro camadas do tipo n, ambos são compostos por silício monocristalino. Em termos de direções das camadas têm duas das quatro camadas paralelas e duas ortogonais. Onde a alta sensibilidade é resultado da inclusão de vários elementos sensores em direções específicas. A presente invenção não é isoladamente um transdutor (dispositivo de medição de quantidades mecânicas com saída elétrica) . Esta necessita de um ou mais elementos sensitivos, pois a mesma consiste num amplificador mecânico, a instalar entre a superfície onde se pretende medir a deformação e o sensor (constituído por um ou mais elementos sensitivos) , que pretende amplificar as deformações de modo a que elemento (s) sensitivo(s) a ser (em) colado(s) ao amplificador esteja(m) sujeito (s) a uma maior deformação. Deste modo o(s) elemento (s) sensitivo (s) apresentarão uma

3/11 maior variação na saída elétrica para a mesma deformação (maior sensibilidade). Esta amplificação é conseguida através da redução de secção (no amplificador proposto) e através do momento fletor (resultante da estrutura mecânica do amplificador proposto), fatores geométricos estes que contribuem para o aumento das deformações na zona indicada para a colocação do(s) elemento(s) sensitivo(s). Portanto para Dl ser semelhante à invenção teria de deixar de ser um dispositivo de medição e passar a ser um amplificador mecânico através de: deixar de ter elementos sensitivos; a geometria deixar de ser um volume sólido de modo a conseguir obter uma redução de secção e conseguir aproveitar o momento fletor para criar ampliação da deformação; conter abas de forma a facilitar o acoplamento ao material a mensurar. Além disso Dl não tem qualquer geometria que o permita amplificar mecanicamente a deformação verificada na sua base, princípio principal da invenção proposta. 0 propósito e funcionamento de Dl é completamente distinto e complementar do amplificador proposto. Dl é um sensor, converte uma grandeza física num sinal elétrico, quando o amplificador proposto é um transdutor mecânico que converte uma grandeza mecânica de entrada numa grandeza mecânica de saída (neste caso amplifica deformações). Para exemplificar a diferença Dl pode ser utilizado conjuntamente com o amplificador proposto (aplicado na zona 3) como resultado a saída elétrica de Dl apresentaria uma sensibilidade amplificada (várias vezes superior ao caso de Dl se utilizado isoladamente) dada pela função de transferência do amplificador proposto.

4/11 (D2) JPH07270109 A - D2 propõe uma disposição constituída por extensómetros (resistências sensíveis a deformação mecânica) e resistências (sensíveis à temperatura) que permite reduzir a sensibilidade da saída elétrica do sensor à temperatura independentemente do material a ser mensurada a deformação mecânica. Esta disposição consiste no uso de dois extensómetros e duas resistências de valor fixo, estes quatro elementos resistivos encontram-se próximos uns dos outros, os extensómetros estão ligados respetivamente a dois lados da ponte e as resistências fixas estão ligadas aos lados opostos. Ao ser aplicada uma tensão elétrica, a tensão elétrica resultante à saída da ponte é insensível à temperatura dependendo apenas da deformação. D2 difere da presente invenção porque se trata de um sensor, com o objetivo de tornar a medição insensível à temperatura, recorrendo para o efeito a uma configuração de extensómetros e resistências. A presente invenção por si só não permite insensibilidade à temperatura, não sendo este o objetivo da mesma, apenas reduz o efeito da temperatura devido ao afastamento do elemento sensor ao material que se pretende mensurar.

Sumário da invenção

A presente invenção acresce as vantagens do extensómetro metálico aproximando-o aos extensómetros semicondutores, por aumento de sensibilidade através de um amplificador mecânico e isolamento à influência térmica. Concretamente, baseia-se no conceito de amplificação da deformação por recurso de concentração de tensões mecânicas provocadas por estrangulamento geométrico e momento fletor. A deformação

5/11 da estrutura base que se pretende medir é amplificada para uma zona afastada e independente, conseguindo atingir melhores medições de deformação e não influenciadas pela temperatura à da estrutura base.

Nesta invenção pode-se manter a utilização dos extensómetros metálicos, contudo são aplicados numa superfície externa à estrutura base, com melhor qualidade de medição e ainda com a grande vantagem da reutilização. A aplicação clássica dos extensómetros não permite a reutilização.

Descrição das figuras

A descrição que se segue baseia-se nas figuras apresentadas com o presente pedido de patente, as guais não devem ser interpretadas como limitativas no âmbito de proteção.

Figura 1 - Amplificador mecânico de deformação: ilustra, em perspetiva, o modelo do invento, que devido à sua configuração geométrica efetua a amplificação de deformação da estrutura base para uma outra área de medição independente à superfície base.

Figura 2 - Representação esquemática da montagem experimental: apresenta o exemplo da montagem do sistema de amplificação de deformação num ensaio de tração de uma barra, na qual estão representados o extensómetro metálico tradicional (1), o dispositivo de medição de deformação (2), local onde a medição da deformação é feita no dispositivo (3), as amarras da máquina de ensaios de tração (4) e a força aplicada à barra (5).

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Figura 3 - Gráfico representativo dos valores obtidos para os dois extensómetros ao longo do ciclo de carga, o qual apresenta os resultados da deformação medida duplamente na barra Standard, pelo extensómetro clássico (extensómetro 1) e pelo dispositivo de medição de deformação (extensómetro 2), perante aplicação cíclica de uma carga. A deformação medida pelo dispositivo é proporcionalmente amplificada à estrutura base da barra Standard.

Figura 3 - Ciclo de cargas registado pelos dois extensómetros para a geometria 1.

Figura 4 - Gráfico extensómetro 1 versus extensómetro 2 para a geometria 1.

Figura 5 - Ciclo de cargas registado pelos dois extensómetros para a geometria 2.

Figura 6 - Gráfico extensómetro 1 versus extensómetro 2 para a geometria 2.

Figura 7 - Gráficos da extensão na zona central do amplificador (linha tracejada) e no provete (linha contínua) para geometria 60 x 60 x 8 mm.

Figura 8 - Gráficos da extensão na zona central do amplificador (linha tracejada) e no provete (linha contínua) para geometria 40 x 40 x 8 mm.

Descrição detalhada da invenção

O presente invento diz respeito a um amplificador mecânico (1) para aplicação em estruturas para medição de extensões,

7/11 capaz de aumentar a sensibilidade dos tradicionais extensómetros, tornando as medições de deformação mais sensíveis e com capacidade de registar valores de menor amplitude.

A invenção baseia-se num amplificador mecânico maquinado com uma geometria específica para o efeito, que é colado à estrutura (3) onde se pretende quantificar a extensão mecânica.

Este dispositivo irá amplificar a extensão mecânica da estrutura base, reproduzindo esse valor de extensão amplificado numa zona separada da estrutura base, onde será colocado um elemento sensitivo (2). A secção (4) de área variável (8) provoca uma concentração de deformação na zona central do elemento sensitivo (2) devido à criação de momento fletor máximo nessa zona. Este efeito provoca que a deformação na zona central do dispositivo seja proporcional e amplificada da deformação sofrida pela base (10). Adicionalmente através de redução de secção (4) consegue-se ampliar ainda mais a relação entre as deformações da base (10) com a zona central do elemento sensitivo (2). A secção (5) cria a proporcionalidade de deformação baseada na redução de secção em altura e largura. As abas (6), de comprimento (7) e (9), permitem a correta fixação da estrutura amplificadora ao local em que se pretende obter a medição da base (10).

A presente invenção consiste na amplificação mecânica de deformação para aplicação em estruturas permitindo o aumento de sensibilidade da medição e ainda captura de valores de deformação com amplitudes muito baixas.

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A presente invenção pode ser colocada no mesmo local que os tradicionais extensómetros metálicos assim como é colada da mesma forma, efetua uma medição da deformação afastada da estrutura base, garantindo redução à influência térmica e ainda possibilitando a sua reutilização para medir deformações em outras peças ou estruturas.

dispositivo de amplificação da deformação, objeto da presente invenção, pode ser composto por várias geometrias diferentes que promovam a concentração de tensões na zona de medição da deformação do dispositivo, sendo alteradas de acordo com a aplicação ou com o material base onde se pretende medir a deformação, e é feito em materiais diferentes tais como ligas ferrosas, ligas de alumínio, ligas de cobre ou ligas de níquel. A produção do dispositivo em materiais diferentes irá conferir a capacidade de medição de deformação para gamas de medida maior.

Foi validado o funcionamento do dispositivo de medição de deformação numa máquina de ensaios de tração, Figura 2, utilizando uma barra normalizada sujeita a um esforço de tração. A medição da deformação foi realizada em paralelo por um extensómetro metálico tradicional e pelo dispositivo baseado na invenção.

Testes e resultados da presente invenção

Para uma descrição clara e concisa da presente invenção e também para um melhor entendimento da presente invenção, acrescentam-se testes e ensaios efetuados.

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Para a verificação do aumento de sensibilidade em relação ao uso de apenas um extensómetro, recorreu-se ao chassi NI cDAQ-9172 e ao módulo NI 9237 da National Instrument para obter os valores dos extensómetros. Se se verificasse, o extensómetro 2 mediria maior extensão do que o extensómetro 1, tendo portanto maior sensibilidade para a mesma força aplicada. Este teste foi realizado na máquina de testes Instron 8802J4310 ideal para testes de compressão, tração e fadiga, conseguindo aplicar diferentes tipos de ciclos de cargas.

Foram produzidas geometrias diferentes:

'é Geometria 1: 60 x 60 x 8 mm com abas;

•S Geometria 2: 40 x 40 x 8 mm com abas.

Na figura 3 é visível o ciclo de carga aplicado, assim como é já notória a amplificação do extensómetro 2 em relação ao extensómetro 1, para a geometria 1. Esta ampliação é visível através da amplitude em relação ao zero do sensor. Para se conseguir a relação de ampliação obtida, os dados foram comparados entre si. Na figura 4, no eixo das abcissas temos os valores do extensómetro 1 e no eixo das ordenadas os valores do extensómetro 2. A razão de ampliação para esta geometria é de cerca de 1.9336 vezes. O coeficiente de determinação (R²) é muito próximo de 1, o que mostra uma boa linearidade.

Para a geometria 2 foram feitos vários testes em contínuo para que visualmente fosse comparada a diferença de amplitude. Como pode ser visto na Figura 5, a amplitude do extensómetro 2 é superior à do extensómetro 1, constatandose que existe ampliação. Na Figura 6 estão representados os vários ciclos efetuados, assim como uma reta de regressão linear para cada um dos testes. Mais uma vez, no eixo das / 11 abcissas temos os valores do extensómetro 1 e no eixo das ordenadas os valores do extensómetro 2. A razão de ampliação para esta geometria é de cerca de 1.57 96 vezes (média dos declives dos 6 testes), estando os declives de cada um destes testes representado na Figura 6, por baixo da legenda e de forma sequencial. 0 coeficiente de determinação (R²) continua a ser muito próximo de 1 o que mostra uma boa linearidade.

Conclusão

Foram pensadas várias configurações para disposição dos elementos sensitivos, sendo testadas e otimizadas as estruturas para cada uma destas configurações. Os ganhos obtidos por via numérica, para o provete em causa, para as geometrias 1 e 2 da presente invenção são, respetivamente, 2.2109 e 2.0325 vezes.

Claims (5)

1. Amplificador mecânico (1) para aplicação em estruturas para medição de extensões constituídas por base (10) que inclui elemento sensitivo (2) caracterizado por ser constituído por:

a) secção (4 - figura 1) de área variável e comprimento (8) ;

b) secção (5 - figura 1);

c) abas (6), de comprimento (7) e (9) variáveis.

2. Amplificador de acordo com a reivindicação1 caracterizado por ser feito em ligas ferrosas.

3. Amplificador de acordo com a reivindicação1 caracterizado por ser feito em ligas de alumínio.

4. Amplificador de acordo com a reivindicação1 caracterizado por ser feito em ligas de cobre.

5. Amplificador de acordo com a reivindicação1 caracterizado por ser feito em ligas de níquel.

Leiria, 22 de setembro de 2014