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Calculadora Strain Gauge Bridge

Calcule a tensão de saída da ponte Wheatstone para medidores de tensão. Suporta configurações de ponte trimestral, parcial e completa para monitoramento estrutural e projeto de células de carga.

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Fórmula

Vout=Vin⋅GF⋅ε4⋅NV_{out} = V_{in} \cdot \frac{GF \cdot \varepsilon}{4} \cdot N
V_out— Tensão de saída da ponte (V)
V_in— Tensão de excitação (V)
GF— Fator de medição
ε— Tensão aplicada (m/m) (m/m)
N— Número de braços ativos (1, 2 ou 4)

Como Funciona

Esta calculadora calcula a tensão de saída da ponte de medidor de tensão a partir da deformação aplicada, essencial para engenheiros estruturais, técnicos de teste e projetistas aeroespaciais que realizam análises de tensão e medição de carga. Os medidores de tensão convertem a deformação mecânica em mudança de resistência por meio do fator de medição: dR/r = GF épsilon, onde o GF (fator de medição) é normalmente 2,0-2,2 para medidores de folha metálica e 100-200 para medidores de semicondutores, de acordo com os fabricantes Vishay e HBM. A ponte de Wheatstone converte essa pequena mudança de resistência (0,01-0,1%) em uma tensão mensurável: Vout = Vex GF epsilon N/4, onde N é o número de medidores ativos (1, 2 ou 4). Um quarto de ponte (N = 1) com 2,1 GF e 1000 microdeformações produz Vout = 5V 2,1 0,001/4 = 2,625 mV. A ponte completa (N = 4) quadruplica a sensibilidade para 10,5 mV e fornece compensação automática de temperatura de acordo com a ASTM E251. A não linearidade da ponte é < 0,1% para cepas abaixo de 5000 microcepas. As células de carga industriais alcançam uma precisão de +/- 0,02% usando medidores de folha de 350 Ohm compatíveis com os requisitos da OIML R60.

Exemplo Resolvido

Problema: projete um circuito de medidor de tensão de ponte completa para medir 0-2000 microdeformações em uma longarina de asa de aeronave. Os medidores são Vishay EA-06-125AD-120 (GF = 2,095, 120 Ohm). A excitação é de 5V. Determine a tensão de saída e o ganho de amplificador necessário para um ADC de 3,3 V.

Solução:

  1. Configuração de ponte completa: N = 4 medidores ativos
  2. Deformação máxima: épsilon = 2000 microdeformação = 0,002
  3. Tensão de saída: Vout = Vex GF epsilon N/4 = 5 2,095 0,002 1 = 20,95 mV
  4. Sensibilidade: 20,95 mV/2000 microdeformação = 10,48 UV/microdeformação
  5. Ganho de amplificador necessário: G = 3300 mV/20,95 mV = 157,5 V/V
  6. Use INA128 com Rg = 50k/ (G-1) = 50k/156,5 = 319 Ohm (use 316 Ohm, 0,1%)
  7. Resolução com ADC de 12 bits: 3300 mV/4096/157,5 = 5,1 uV = 0,49 microtensão/LSB
Resultado: Ponte completa produz 20,95 mV a 2000 microdeformações. Com ganho de 157,5, a resolução do ADC é de 0,5 microdeformação por contagem.

Dicas Práticas

  • ✓Para testes estruturais, use medidores de 350 Ohm para minimizar o autoaquecimento (0,7 mW a excitação de 5 V) enquanto mantém o nível de sinal adequado; medidores de 120 Ohm dissipam 52 mW, causando desvio térmico de acordo com ASTM E251
  • ✓Aplique medidores com M-Bond 200 (cianoacrilato) para temperatura ambiente ou M-Bond 610 (epóxi) na faixa de -269 a +260 C de acordo com o boletim de instalação B-127 da Vishay
  • ✓Use um cabo blindado de 4 fios para eliminar erros de resistência de chumbo; 10 m de 24 AWG adicionam 1,7 Ohm, causando 1,4% de erro de ganho em uma ponte trimestral de 120 Ohm sem cabos de detecção

Erros Comuns

  • ✗Negligenciando a compensação de temperatura: a saída de um quarto de ponte não compensada varia de 10 a 50 UV/c devido ao medidor e ao cabo TCR; use medidores com compensação de temperatura automática (STC) compatíveis com o material da amostra, de acordo com o Vishay Tech Note TN-504
  • ✗Usando o fator de medição incorreto: o GF varia de 2,0 (constante) a 3,2 (isoelástico) para folhas de metal e 100-175 para medidores semicondutores; um erro de GF de 10% causa diretamente um erro de medição de deformação de 10%
  • ✗Ignorando a estabilidade de excitação da ponte: 0,1% de variação de fornecimento causa 0,1% de erro de saída (1 microdeformação a 1000 microdeformação); use referência de tensão de precisão (REF5050, +/- 0,05%) ou medição raciométrica de ADC

Perguntas Frequentes

O fator de medição (GF) é a razão entre a mudança de resistência relativa e a deformação: GF = (dR/r) /épsilon. Os medidores de folha metálica têm GF = 2,0-2,2 (dominados pela mudança geométrica), enquanto os medidores de semicondutores têm GF = 100-200 (efeito piezorresistivo). O GF mais alto fornece mais tensão de saída por microdeformação, mas os medidores de semicondutores são mais sensíveis à temperatura (+/ -10% /50C vs +/- 1% /50C para papel alumínio). Para medições de precisão, medidores de folha com incerteza de GF <+/ -0,5% por calibração do fabricante são preferidos de acordo com a ASTM E251.
Em 1000 microdeformações com GF = 2,1, a resistência muda apenas 0,21% (0,252 Ohm no calibre de 120 Ohm). A medição direta do ohmímetro não pode resolver isso contra o desvio de temperatura e a resistência do chumbo. A ponte Wheatstone converte 0,21% de mudança de resistência em saída diferencial de 2,625 mV, que é facilmente amplificada. As configurações de ponte também fornecem compensação automática de temperatura quando medidores fictícios experimentam a mesma temperatura, mas não deformação, rejeitando o desvio térmico de modo comum de acordo com o VDI/VDE 2635.

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