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Marcelo Del Guerra
ESTUDO DE TRANSDUTORES PARA GERAÇÃO DO
SINAL DE DISPARO EM APALPADORES
COMUTADORES PARA MÁQUINAS-FERRAMENTAS
CNC.
Tese apresentada à Escola de
Engenharia de São Carlos, da
Universidade de São Paulo, como
parte dos requisitos para a obtenção
do Título de Doutor em Engenharia
de Produção.
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: PROCESSOS E GESTÃO DE OPERAÇÕES
ORIENTADOR: Prof. Ass. Reginaldo Teixeira Coelho
São Carlos
2009
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ii
iii
AGRADECIMENTOS
A Deus, pela Vida e oportunidades.
A minha Esposa, pela dedicação e apoio incondicional.
A minha Família, por não poupar esforços em me proporcionar educação para
a Vida.
Ao Prof. Reginaldo Teixeira Coelho pela orientação, paciência e confiança ao
longo dos anos.
Aos amigos Adolfo, Alex, Américo, Aquiles, Arai, Ariel, Cris, Dinho, Eraldo,
Fábio, Gustavo, Irene, José Eduardo, Juliano, Nunzio, Thiago, Tobias, Vanda e
Vinícius, pelo auxílio técnico e excelente convívio no laboratório.
À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, FAPESP pelo
financiamento do projeto.
iv
EPÍGRAFE
“Não há nada que seja maior evidência de insanidade do que fazer a
mesma coisa dia após dia e esperar resultados diferentes”.
Albert Einstein
v
RESUMO
O presente trabalho tem por objetivo pesquisar transdutores comerciais que
viabilizem a geração do sinal de disparo em apalpadores comutadores capazes de
realizar medições tridimensionais em máquinas-ferramenta CNC. Em uma fase
inicial, foram comparados diversos transdutores a fim de se verificar qual seria o
mais adequado para a finalidade, de acordo com critérios de seleção definidos.
Desta avaliação, os extensômetros resistivos e piezoresistivos obtiveram a maior
pontuação. Os extensômetros foram então ensaiados em um Centro de Usinagem,
ambiente de utilização dos apalpadores comutadores, para levantamento da sua
relação Sinal/Ruído, sensibilidade térmica, resposta a uma entrada degrau e
repetitividade. Em seguida foi realizado ensaio também em Centro de Usinagem
para determinação da repetitividade de um mecanismo de geração do sinal de
disparo baseado em contato elétrico, técnica esta amplamente utilizada nos
apalpadores comutadores atuais. Os resultados comparativos entre os dois tipos de
extensômetros mostraram que os extensômetros piezoresistivos foram mais
adequados pra a aplicação, apresentado repetitividade (±6DP) igual a 0,23µm, além
de apresentar menor sensibilidade térmica e menor tempo de resposta à aplicação
de uma entrada degrau. Os ensaios para determinação da repetitividade do
mecanismo de geração do sinal de disparo baseado em contato elétrico
apresentaram repetitividade (±6DP) igual a ±0,16µm. Como principal conclusão para
o presente trabalho, comprova-se a viabilidade da utilização de extensômetros
piezoresistivos como substitutos do mecanismo de ativação do sinal de disparo, com
vantagens no que se refere ao fenômeno de folga de percurso verificado no sistema
convencional.
Palavras-Chaves: Monitoramento e Controle da Qualidade Dimensional,
Apalpadores Comutadores, Medição durante a usinagem, Centro de Usinagem CNC.
vi
ABSTRACT
The objective of this work is to research commercially available transducers to
be used for trigger signal generation in 3D touch trigger probes for CNC machine
tools. First, a variety of transducers was compared to verify witch one best suit the
application according to the developed metrics. Resistive and piezoresistive strain-
gages obtained the best rating from the comparison. The strain-gages were then
experimented using a milling machine, where touch trigger probes are widely used, to
acquire information regarding transducers signal/noise ratio, thermal sensibility, step
response and repeatability. Also, the repeatability of a mechanism developed to
generate trigger signal based on electrical contact, widely used technique, was
calculated using the same milling machine. The comparative results between the two
strain-gages showed that piezoressitive model is more suitable for the application,
with repeatability (±6SD) equal 0,23µm, also showing smaller thermal sensibility and
smaller step time response. The experiments to determine the repeatability of the
electrical contact mechanism showed results (±6SD) equal 0,16µm. The main
conclusion of this work shows that piezoresistive strain-gages transducers can be
used to generate trigger signal in touch trigger probes as a substitute to the electrical
contact system, showing advantages regarding pre-travel variation.
Keywords: Dimensional Quality Monitoring and Control, Touch-Trigger-Probes,
On-Machine Measuring systems, CNC Machine Center.
vii
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 2.1 - Representação de um extensômetro colado e devidamente
protegido ............................................................................................ 24
FIGURA 2.2 – Extensômetros utilizados em teste de torção em tubos de
Carbono ............................................................................................. 24
FIGURA 2.3 – Exemplos de extensômetros disponíveis comercialmente
[FONTE: HBM (2006)] ....................................................................... 25
FIGURA 2.4 - Diagrama representativo de um extensômetro semicondutor
[FONTE: HOFFMANN (1989)] ........................................................... 26
FIGURA 2.5 - Extensômetro depositado diretamente no corpo de um
transdutor [FONTE: HOFFMANN (1989)] .......................................... 27
FIGURA 2.6 – Fabricação de MEMS pelo processo denominado “surface
Micromachining” [FONTE: FREESCALE
SEMICONDUCTOR(a), (2007)] ......................................................... 30
FIGURA 2.7 - Diagrama de um sistema de medição para extensômetros.
[FONTE: HOFFMANN, (1989)] .......................................................... 34
FIGURA 2.8 - Extensômetro em uma ponte de Wheatstone [FONTE:
HOFFMANN, (1989)] ......................................................................... 35
FIGURA 2.9 - Princípio de funcionamento de uma ponte de Wheatstone
[FONTE: HELFRICK e COOPER, (1989)] ......................................... 36
FIGURA 2.10 - Tipos de pontes de Wheatstone [FONTE: HELFRICK e
COOPER, (1989)] .............................................................................. 38
FIGURA 2.11 - Esquema básico de um amplificador operacional ............................. 41
FIGURA 2.12 - Representação simplificada do circuito interno de um
amplificador operacional. ................................................................... 41
FIGURA 2.13 - Esquema do circuito seguidor de tensão. ......................................... 43
FIGURA 2.14 - Esquema do circuito inversor............................................................ 43
FIGURA 2.15 - Esquema do circuito não inversor. .................................................... 44
FIGURA 2.16 - Esquema do circuito de amplificação da diferença. .......................... 45
FIGURA 2.17 - Esquema do circuito amplificador para instrumentação. .................. 46
FIGURA 2.18 – Estrutura de um sensor de pressão Piezoresistivo.
[FONTE: MIDLE EAST TECHNICAL UNIVERSITY, 2008.] ............... 47
viii
FIGURA 2.19 - Diferenciação entre elemento sensor para a medição de
pressões absolutas e diferenciais. [FONTE: MERIT
SENSOR SYSTEMS (2008)] ............................................................. 48
FIGURA 2.20 - Distribuição das tensões de Von Misses no diafragma de
silício. [FONTE: FRAGA (2005)] ....................................................... 48
FIGURA 2.21 - Processo de remoção anisotrópica na fabricação de
sensores de pressão piezoresistivos. [FONTE: MAXIM,
(2001)] ............................................................................................... 49
FIGURA 2.22 – Sofisticação e miniaturização dos sensores de pressão
Piezoresistivos [FONTE: FREESCALE SEMICONDUCTOR,
(2005)] ............................................................................................... 49
FIGURA 2.23 – Representação de um corte lateral realizado em um sensor
de pressão diferencial. [FONTE: FREESCALE
SEMICONDUCTOR, (2005)] ............................................................. 50
FIGURA 2.24 - Diferentes tipos de encapsulamento para sensores de
pressão [FONTE: FREESCALE SEMICONDUCTOR, (2005)] .......... 50
FIGURA 2.25 - Aplicação de uma força sobre a superfície do sensor de
toque. [FONTE: CROWDER (1998)] ................................................. 52
FIGURA 2.26 - Sensor de toque composto de duas placas paralelas e
espuma condutiva. [FONTE: CROWDER, (1998)] ............................ 52
FIGURA 2.27 - Aplicação de sensores táteis na análise da oclusão dental.
[FONTE: TEKSCAN, 2006] ............................................................... 54
FIGURA 2.28- Esquema de funcionamento de um sistema de medição
acoplado a um Centro de Usinagem ................................................. 55
FIGURA 2.29 - Exemplo de um sistema de transmissão óptico via
infravermelho (TP10 - Renishaw) ...................................................... 56
FIGURA 2.30 - Discrepância entre a posição de contato real e a percebida
pelo CNC ........................................................................................... 58
FIGURA 2.31 - Princípio de funcionamento de um “Kinematic touch trigger
probe” [FONTE: TOOLING & PRODUCTION (1999)] ....................... 59
FIGURA 2.32 - Teste padrão da folga de percurso ou “pretravel” em XY de
um Kinematic TTP [FONTE: KIM; CHUNG, (2001)] .......................... 59
FIGURA 2.33 - Ponte de Wheatstone usando 4 extensômetros [FONTE:
OMEGA HANDBOOK SERES, 1998] ............................................... 60
ix
FIGURA 2.34 - Comparação dos valores da folga de percurso entre
apalpadores convencionais e Apalpadores “Strain-Gages”
[FONTE: RENISHAW PLC, METROLOGY DIVISION, 2008] ............ 62
FIGURA 2.35 - Princípio de funcionamento dos “apalpadores a Laser” e a
variação do ponto de incisão do feixe na fotocélula sensível
quando há a deflexão da haste [FONTE: HEIDENHAIN,
2007] .................................................................................................. 63
FIGURA 2.36 - Transmissão da força de toque para os sensores nos “piezo
probes”. [FONTE: RENISHAW PLC, METROLOGY
DIVISION, 2008] ................................................................................ 64
FIGURA 3.1 - Subsistemas propostos para o desenvolvimento do
apalpador ........................................................................................... 66
FIGURA 3.2 - Circuito interno do TI-INA121. [FONTE TEXAS
INSTRUMENTS (2000)]..................................................................... 69
FIGURA 3.3 - Esquemático da interface para os sensores Honeywell
FSG15N1A e FSS1500NSB. ............................................................. 70
FIGURA 3.4 - Circuito da interface amplificadora dos sensores de força
piezoresistivos ................................................................................... 71
FIGURA 3.5 - Vistas superior e inferior das interfaces amplificadoras
desenvolvidas para os sensores de força Piezoresistivos ................. 71
FIGURA 3.6 - Circuito do filtro passa-baixa passivo e diagrama de relação
de amplitudes entre saída e entrada (Vout/Vin) ................................. 73
FIGURA 3.7 – Esquema do circuito elétrico desenvolvido pra testes dos
extensômetros ................................................................................... 73
FIGURA 3.8 – Esquema do sistema desenvolvido para simulações em
sensores ............................................................................................ 74
FIGURA 3.9 – Comportamento esperado na saída de um sensor
amplificado e método adotado para acionamento do sinal de
disparo. .............................................................................................. 75
FIGURA 3.10 – Fluxograma representativo do software Labview® .......................... 76
FIGURA 3.11 - Módulo de aquisição de dados USB-6009, National
Instruments ........................................................................................ 77
FIGURA 3.12 - Diagrama de blocos do simulador desenvolvido em
LabView® .......................................................................................... 77
x
FIGURA 3.13 - Gráfico LabView® da aquisição instantânea do sinal de
tensão do sensor ............................................................................... 78
FIGURA 3.14 - Gráfico LabView® da série histórica de aquisição do sinal
de tensão do sensor .......................................................................... 79
FIGURA 3.15 - Tela frontal do simulador desenvolvido para testes dos
sensores ............................................................................................ 79
FIGURA 3.16 - Bancada para testes e simulações dos sensores ............................ 80
FIGURA 3.17 – Modelo de extensômetro escolhido para experimentos .................. 82
FIGURA 3.18 – Extensômetro colado em uma viga em balanço. ............................. 83
FIGURA 3.19 - Gráfico demonstrando a ocorrência do fenômeno de
histerese. ........................................................................................... 84
FIGURA 3.20 - Dois diferentes tipos de encapsulamento de sensores de
força piezoresistivos. [FONTE: HONEYWELL (2008)] ...................... 85
FIGURA 3.21 -Aquisição de dados do sensor FSG15N1A pelo período de
45 horas ............................................................................................ 86
FIGURA 3.22 - Ilustração do dispositivo para simulação de efeito de pré-
carga no sensor FSS1500NSB ......................................................... 89
FIGURA 3.23 - Foto do dispositivo para simulação de efeito de pré-carga
no sensor FSS1500NSB ................................................................... 89
FIGURA 3.24 - Aquisição de dados do sensor FSS1500NSB pelo período
de 45 horas ....................................................................................... 90
FIGURA 3.25 - Foto obtida em microscópio do diafragma de um sensor de
pressão antes do teste de excitação mecânica direta. ...................... 92
FIGURA 3.26 - Remoção da tampa superior do sensor de pressão para
acesso ao diafragma ......................................................................... 92
FIGURA 3.27 - Espessura reduzida e fragilidade dos cristais impedem
excitação direta do diafragma de sensores de pressão
piezoresistivos. .................................................................................. 93
FIGURA 3.28 - Sensor de toque analógico FlexiForce A201. [FONTE:
TEKSCAN, (2006)] ............................................................................ 94
FIGURA 4.1 – Extensômetro piezoresistivo com compensação térmica ................ 101
FIGURA 4.2 – Ilustração de ajuste do ganho para casamento da amplitude
do sinal ............................................................................................ 104
xi
FIGURA 4.3 – Aplicação de força na extremidade livre de uma viga
engastada ........................................................................................ 105
FIGURA 4.4 – Dimensões em (mm) da viga para simulação .................................. 105
FIGURA 4.5 – Deslocamento na direção (3) dada pelo software ............................ 106
FIGURA 4.6 – Deslocamento na direção (2) dada pelo software (sentido
negativo) .......................................................................................... 106
FIGURA 4.7 – Viga em balanço fixada à suporte .................................................... 107
FIGURA 4.8 – Fluxograma do procedimento de deslocamento incremental
do eixo árvore e medição da tensão do extensômetro e valor
do MT 1201 ...................................................................................... 108
FIGURA 4.9 – Fluxograma do procedimento de deslocamento incremental
do eixo para levantamento de curva sinal X deslocamento. ............ 111
FIGURA 4.10 – Ilustração da curva de Tensão (VDC) X Deslocamento (µm)
à temperatura T1 ............................................................................. 112
FIGURA 4.11 - Fluxograma do procedimento adotado para monitoramento
da variação sinal do extensômetro em função da
temperatura dentro da máquina. ...................................................... 113
FIGURA 4.12 – Ilustração do mecanismo de contato entre plano e esfera. ............ 115
FIGURA 4.13 – Ilustração do mecanismo para ensaio da técnica de disparo
do sinal de (“Trigger”) por contato elétrico. ...................................... 116
FIGURA 4.14 – Ilustração do sistema de teste de repetitividade do contato
elétrico ............................................................................................. 117
FIGURA 4.15 – Sistema de aquisição de dados do experimento de
repetitividade de contato elétrico. .................................................... 118
FIGURA 4.16 – Estabelecimento do contato elétrico .............................................. 119
FIGURA 4.17 –Variabilidade da posição da perda do Contato Elétrico
medida pelo (“Length Gage)”. .......................................................... 119
FIGURA 4.18 – Conexão básica do INA-125 para amplificação de sinal
proveniente de Ponte de Wheatstone. ............................................. 121
FIGURA 4.19 – Interface amplificadora desenvolvida a partir do
amplificador operacional INA 125 .................................................... 122
FIGURA 4.20 – Conexão básica do sensor de temperatura ................................... 123
FIGURA 4.21 – Vedação do sensor de temperatura para imersão em água. ......... 123
FIGURA 4.22 – Fixação do sistema de medição ao eixo árvore ............................. 124
xii
FIGURA 4.23 - Display digital de posição modelo ND 280 ..................................... 124
FIGURA 4.24 – Tela frontal do painel de instrumentação virtual
desenvolvido em LabView
®
. ............................................................ 125
FIGURA 4.25 – Fixação da viga em balanço à base da máquina .......................... 126
FIGURA 4.26 – Preparação para ensaio com extensômetros no centro de
usinagem Mori Seiki ........................................................................ 126
FIGURA 4.27 – Preparação para ensaios com extensômetros. ............................. 127
FIGURA 4.28 – Polimento realizado na face inferior da barra de aço mola............ 128
FIGURA 4.29 – Medição da Rugosidade da face inferior da barra de aço
mola ................................................................................................ 128
FIGURA 4.30 – Montagem do sistema disparo do sinal de (“Trigger”) por
contato elétrico. ............................................................................... 129
FIGURA 4.31 - Sistema disparo do sinal de (“Trigger”) por contato elétrico
instalado no Centro de Usinagem ................................................... 130
FIGURA 5.1 – Resposta do extensômetro resistivo (G=10.000) ............................ 132
FIGURA 5.2 – Resposta do extensômetro resistivo (G=7.900) .............................. 132
FIGURA 5.3 - Resposta do extensômetro resistivo (G=1.715) ............................... 133
FIGURA 5.4 – Resposta do extensômetro Piezoresistivo (G=110) ........................ 134
FIGURA 5.5 – Resposta do extensômetro Piezoresistivo (G=508) ........................ 134
FIGURA 5.6 – Resposta do extensômetro Piezoresistivo (G=873) ........................ 135
FIGURA 5.7 – Gráfico Tensão (VDC) X Deslocamento (µm) ao longo do
tempo. ............................................................................................. 136
FIGURA 5.8 – Curva de calibração do extensômetro resistivo. .............................. 137
FIGURA 5.9 - Gráfico Tensão (VDC) X Deslocamento (µm) ao longo do
tempo. ............................................................................................. 138
FIGURA 5.10 - Curva de calibração do extensômetro piezoresistivo. .................... 138
FIGURA 5.11 – Desvio padrão observado ao longo do deslocamento
(extensômetro Resistivo) ................................................................. 139
FIGURA 5.12 – Desvio padrão observado ao longo do deslocamento
(extensômetro Piezoresistivo) ......................................................... 140
FIGURA 5.13 – Sensibilidade Térmica do extensômetro resistivo ......................... 141
FIGURA 5.14 – Sensibilidade Térmica do extensômetro piezoresistivo ................. 142
FIGURA 5.15 – Variação térmica comparativa dos dois extensômetros ao
longo do ensaio ............................................................................... 143
xiii
FIGURA 5.16 – Resposta do extensômetro resistivo a uma entrada degrau. ......... 145
FIGURA 5.17 – Resposta do extensômetro resistivo a uma entrada degrau. ......... 146
FIGURA 5.18 – Experimento demonstrando a posição do “Length Gage” no
momento do contato elétrico. ........................................................... 148
xiv
LISTA DE TABELAS
TABELA 3-1 - Parâmetros obtidos para o sensor de força FSG15N1A .................... 85
TABELA 3-2 - Parâmetros obtidos para o sensor de força FSSS1500NSB ............. 88
TABELA 3-3 - Detalhamento das características dos sensores FlexiForce
A201. [FONTE: TEKSCAN, (2006)] .................................................. 94
TABELA 3-4 - Avaliação sobre o uso de extensômetros no projeto ......................... 96
TABELA 3-5 - Avaliação sobre o uso de semicondutores piezoresistivos de
força no projeto ................................................................................. 97
TABELA 3-6 - Avaliação sobre o uso de semicondutores piezoresistivos de
pressão no projeto............................................................................. 98
TABELA 3-7 - Avaliação sobre o uso de sensores de toque resistivos no
projeto ............................................................................................... 99
TABELA 3-8 - Matriz geral de avaliação dos sensores ............................................. 99
TABELA 5-1 – Resposta à entrada degrau – Extensômetro Resistivo ................... 145
TABELA 5-2 - Resposta à entrada degrau – Extensômetro Piezoresistivo ............ 147
TABELA 5-3 - Resultado do experimento 4 – posições de contato ........................ 148
TABELA 5-4 - Dados compilados para as repetições de 1 a 7 (valores em
micrometros). .................................................................................. 148
TABELA 5-5 - Dados compilados para as repetições de 8 a 14 (valores em
micrometros). .................................................................................. 149
TABELA 5-6 - Dados compilados para as repetições de 15 a 21 (valores
em micrometros). ............................................................................ 149
xv
LISTA DE SIGLAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
A/D – Analógico/Digital
AmpOp – Amplificador Operacional
CAD – Projeto auxiliado por computador
CAM – Manufatura auxiliada por computador
CLP – Controlador Lógico Programável
CMOS- Semicondutor metal-óxido complementar
CN – Comando Numérico
CNC – Comando Numérico Computadorizado
DDP – Diferença de Potencial
IHM – Interface Homem Máquina
LPCVD - Deposição Química de Vapor a Baixa Pressão
MMC – Máquina de medir por coordenadas
MEMS – Sistemas micro eletromecânicos
PDA – Assistente pessoal digital
PECVD - Deposição Química de Vapor por Plasma
R&R – Reetitividade e Reprodutibilidade
TTP – Apalpadores comutadores
xvi
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 19
1.1 Objetivos ..................................................................................................................... 19
1.2 Estrutura da Tese ....................................................................................................... 20
2 REVISÃO DA LITERATURA ............................................................................. 22
2.1 Extensometria ............................................................................................................. 22
2.1.1 Princípio de Funcionamento dos Extensômetros Elétricos de Resistência .......... 22
2.1.2 Extensômetros Piezoresistivos ............................................................................. 25
2.1.3 Extensômetros por Deposição Direta de Vapor ................................................... 27
2.1.4 Demais Tipos de Extensômetros .......................................................................... 27
2.2 Piezoresistividade ....................................................................................................... 28
2.2.1 O Efeito Piezoresistivo......................................................................................... 28
2.2.2 O Processo de Fabricação de Piezoresistores ...................................................... 29
2.2.3 Especificações ...................................................................................................... 31
2.3 O Sistema de Medição de Sinais Elétricos ............................................................... 34
2.3.1 Circuito de Medição – Ponte de Wheatstone ....................................................... 35
2.4 Amplificação da Tensão de Saída ............................................................................. 39
2.4.1 Notação ................................................................................................................ 41
2.4.2 AmpOp Ideal ........................................................................................................ 42
2.4.3 Realimentação Negativa: “Closed Loop Gain” ................................................... 42
2.4.4 Voltage Follower/Voltage Buffer (Seguidor de Tensão) ..................................... 43
2.4.5 Circuito Inversor .................................................................................................. 43
2.4.6 Circuito não Inversor ........................................................................................... 44
2.4.7 Circuito Amplificador da Diferença .................................................................... 44
2.4.8 Amplificador para Instrumentação ....................................................................... 45
2.5 Sensores de Pressão e Força Piezoresistivos ............................................................ 47
2.6 Sensores Táteis e de Toque ........................................................................................ 51
2.7 Os Apalpadores .......................................................................................................... 54
2.7.1 Características Gerais dos Apalpadores ............................................................... 55
2.7.2 Programação e Rotinas de Medição ..................................................................... 56
2.8 Tecnologias em Uso na Geração do Sinal de Disparo ............................................. 57
2.8.1 O “Kinematic Contact” ........................................................................................ 58
2.8.2 Extensômetros ...................................................................................................... 60
2.8.3 Laser ..................................................................................................................... 62
2.8.4 Sensores Piezoelétricos ........................................................................................ 63
3 EXPERIMENTOS INICIAIS E ESCOLHA DOS SENSORES ............................. 65
xvii
3.1 Definição dos Subsistemas ......................................................................................... 65
3.2 Critérios de Avaliação dos Transdutores ................................................................. 67
3.3 Preparação dos Bancos de Ensaios Iniciais .............................................................. 68
3.3.1 Desenvolvimento de Interfaces Amplificadoras para Sensores de Força ............. 68
3.3.2 Desenvolvimento de Interfaces Amplificadoras para Extensômetros .................. 72
3.3.3 Aquisição de Sinais Via LabView
®
...................................................................... 73
3.3.4 Montagem da Bancada ......................................................................................... 80
3.4 Extensômetros ............................................................................................................. 81
3.5 Sensores de Força Piezoresistivos .............................................................................. 84
3.6 Sensores de Pressão Piezoresistivos .......................................................................... 90
3.7 Sensores de Toque Resistivos ..................................................................................... 93
3.8 Resultado da Escolha dos Transdutores ................................................................... 95
3.8.1 Extensômetros ...................................................................................................... 95
3.8.2 Sensores de Força Piezoresistivos ........................................................................ 96
3.8.3 Sensores de Pressão Piezoresistivos ..................................................................... 97
3.8.4 Sensores Toque Resistivos ................................................................................... 98
3.8.5 Compilação dos Dados ......................................................................................... 99
4 MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................ 100
4.1 Definição dos Parâmetros de Comparação ............................................................ 101
4.2 Planejamento dos Experimentos ............................................................................. 102
4.2.1 Extensômetros .................................................................................................... 102
4.2.1.1 Ensaio de Ajuste do Ganho e Equalização de Amplitudes ............................. 108
4.2.1.2 Levantamento das Curvas de Calibração e Cálculo da Repetitividade .......... 110
4.2.1.3 Levantamento da Resposta dos Transdutores a Variações Térmicas ............. 112
4.2.1.4 Levantamento da Resposta Dinâmica dos Transdutores a Aplicação de um
Deslocamento em Degrau ........................................................................................... 114
4.2.2 Contato Elétrico .................................................................................................. 115
4.3 Bancos de Ensaios ..................................................................................................... 120
4.3.1 Medição e Monitoramento do Sinal do Extensômetro ....................................... 120
4.3.2 Medição e Monitoramento de Temperatura ....................................................... 122
4.3.3 Medição e Monitoramento do Deslocamento do Eixo Árvore ........................... 124
4.3.4 Sistema de Aquisição de Dados ......................................................................... 124
4.3.5 Preparação dos Ensaios com Extensômetro Resistivo e Piezoresistivo no Centro
de Usinagem Mori Seiki ..................................................................................................... 125
4.3.6 Preparação dos Experimentos para Determinar a Repetitividade do Sinal de
Disparo via Contato Elétrico .............................................................................................. 127
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ...................................................................... 131
5.1 Extensômetros ........................................................................................................... 131
xviii
5.1.1 Ajuste do Ganho para Equalização de Amplitude ............................................. 131
5.1.2 Curvas de Calibração e Repetitividade .............................................................. 136
5.1.3 Resposta dos Transdutores a Variações Térmicas ............................................. 141
5.1.4 Resposta Dinâmica à Aplicação de um Deslocamento em Degrau ................... 144
5.2 Contato Elétrico........................................................................................................ 147
6 CONCLUSÕES ................................................................................................ 151
6.1 Sugestões Para Trabalhos Futuros ......................................................................... 153
REFERÊNCIAS ....................................................................................................... 154
ANEXO I – CALIBRAÇÃO DO SENSOR DE TEMPERATURA ATRAVÉS DE
BANHO TERMOSTÁTICO ............................................................................... 159
ANEXO II – USINAGEM DE VIGA EM BALANÇO, SUPORTE E PINO GUIA E
COLAGEM DOS EXTENSÔMETROS ............................................................. 161
ANEXO III – PROGRAMAÇÃO C PARA O MICROCONTROLADOR ................... 164
ANEXO IV – DADOS DE REPETITIVIDADE DOS EXTENSÔMETROS ................ 166
Capítulo 1 - Introdução
19
1 INTRODUÇÃO
Segundo (YANDAYAN; BURDEKIN, 1997), métodos de inspeção automáticos
podem ser a solução para o aumento da demanda por qualidade dimensional nas
peças usinadas e a redução dos custos envolvidos. Tais métodos de inspeção
devem ser capazes de realizar o controle dimensional durante o processo de
usinagem e realimentar o sistema com as informações necessárias para as
correções. Ainda segundo (YANDAYAN; BURDEKIN, 1997), a estratégia para atingir
alta qualidade, produtividade e “lead times” reduzidos é trazer o controle da
qualidade para próximo da máquina-ferramenta, o que pode ser atingido através da
utilização de medições em processo, inspecionando as partes na medida em que
são produzidas.
A utilização dos apalpadores comutadores (“Touch Trigger Probes”) acoplados
às máquinas-ferramentas tem se mostrado a solução mais prática na realização do
controle de processos automatizados, pois possibilita uma integração entre a
ferramenta, a peça e o comando numérico. Tal integração promove soluções como:
compensação de desgastes de flanco na ferramenta, detecção de quebra da
ferramenta, localização automática do ponto zero, “setup” simplificado e rápido,
posicionamento rápido da ferramenta, controle dimensional, realização de medições
e calibrações em processo mediante as especificações de projeto, dentre muitas
outras.
A possibilidade de utilização dessas funções é de extrema importância no
contexto dos modelos atuais de manufatura, pois permitem o controle dimensional
mais rigoroso, podendo-se até chegar ao controle peça-a-peça, garantindo que erros
dimensionais sejam imediatamente detectados, diminuindo o refugo, ou minimizando
as conseqüências de retrabalho.
1.1 Objetivos
O presente trabalho de Doutoramento tem como objetivo pesquisar sensores e
técnicas capazes de serem utilizadas na geração do sinal de disparo, (“Trigger
Signal”), em apalpadores comutadores. Em uma fase inicial de pesquisa bibliográfica
e pré-escolha de sensores e técnicas, foram determinados, através de método
descrito no Capítulo Experimentos Iniciais, aqueles mais adequados ao projeto. Em
Capítulo 1 - Introdução
20
seguida foram desenvolvidos os sistemas eletrônicos necessários para a
amplificação do sinal dos sensores e projetados experimentos a fim de levantar as
características dos mesmos quanto a sua viabilidade para a fabricação de
apalpadores capazes de realizar medições tridimensionais em um centro de
usinagem CNC.
1.2 Estrutura da Tese
A presente Tese de Doutoramento está dividida nos capítulos abaixo:
• Capítulo 1: Introdução Posiciona o leitor a respeito da importância da
utilização de apalpadores nas máquinas-ferramenta perante o panorama
da indústria de manufatura moderna, bem como as possíveis utilizações e
vantagens no uso desse equipamento Explica os objetivos definidos para
o presente projeto e apresenta os capítulos da Tese.
• Capítulo 2: Revisão da Literatura: Aborda tópicos importantes
relacionados ao trabalho. Os primeiros tópicos tratam de apresentar ao
leitor diferentes tipos de transdutores cuja utilização se mostrou relevante
ao presente trabalho, bem como a conexão por meio das pontes de
Wheatstone e métodos de amplificação de sinais analógicos. É
apresentado também um apanhado geral sobre acoplamentos
cinemáticos, dispositivos indispensáveis no desenvolvimento de sistemas
repetitivos. Finalmente, nos últimos dois tópicos, é feito um apanhado
geral a respeito da utilização dos apalpadores no auxílio do Controle de
Processos e da Qualidade Dimensional, discorrendo sobre seu histórico,
características gerais, sua programação e rotinas de medição e as
tecnologias utilizadas na geração do sinal de disparo.
• Capítulo 3: Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores: Define os
subsistemas adotados para o desenvolvimento do projeto. Para auxiliar
na escolha dos sensores, é apresentado uma proposta de parâmetros
críticos e pesos, onde cada tecnologia recebe uma avaliação a respeito
de sua utilização no presente trabalho. Através desta avaliação é feita
uma pré-escolha dos sensores e sistemas mais viáveis para o
desenvolvimento de apalpadores comutadores.
Capítulo 1 - Introdução
21
• Capítulo 4: Materiais e Métodos: Expõe os procedimentos e sistemas
desenvolvidos para a realização dos experimentos afim de determinar
parâmetros comparativos entre o sensor/transdutor proposto e o sistema
baseado em contato elétrico.
• Capítulo 5: Resultados e Discussão: Trata de descrever os resultados
dos ensaios realizados e traçar comparações entre as tecnologias afim de
posicionar o sistema proposto em comparação com o existente
atualmente.
• Capítulo 6: Conclusões: Apresenta as conclusões e sugestões para
trabalhos futuros.
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
22
2 REVISÃO DA LITERATURA
A pesquisa que se segue visa prover ao projeto os conhecimentos necessários
para seu bom desenvolvimento. Inicialmente são apresentados transdutores cuja
utilização para o presente projeto se mostrou mais adequada durante toda a fase de
pesquisa bibliográfica. Em seguida são apresentadas as pontes de Wheatstone e as
técnicas utilizadas para amplificação de sinais analógicos.
Por fim são apresentados os Apalpadores comutadores, seu funcionamento,
utilização e os sistemas existentes atualmente.
2.1 Extensometria
Uma abordagem sobre os extensômetros, do inglês “strain gages”, torna-se
necessária para esse trabalho devido à sua importância, relevância e base para o
desenvolvimento de métodos mais modernos. Tais sensores ainda são
extensivamente utilizados nos dias de hoje em aplicações que vão de balanças
eletrônicas de alta precisão e células de carga, à medição de tensões e deformações
em edifícios, aeronaves, obras arqueológicas, dentre outros.
2.1.1 Princípio de Funcionamento dos Extensômetros Elétricos de
Resistência
Segundo (HOFFMANN, 1989), na segunda metade da década de 1930, dois
pesquisadores trabalhando separadamente, Edward E. Simmons e Arthur Claude
Ruge, voltaram sua atenção para um fenômeno descoberto quase um século antes,
em 1843, por Charles Wheatstone. Tratava-se da observação de que havia uma
variação da resistência de um condutor elétrico quando o mesmo era submetido à
aplicação de tensões.
Simmons, que trabalhava na Califórnia, desenvolveu um equipamento elétrico
utilizando uma fina resistência para medir a força exercida em um corpo de prova em
uma máquina de teste de impacto.
Ruge, que trabalhava no instituto de sismologia do Massachusetts Institute of
Technology, queria medir as tensões geradas durante suas simulações de
terremotos. Ele utilizou um fio elétrico dobrado repetidas vezes que foi então colado
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
23
em um tecido. Para investigar as propriedades do protótipo, ele colou o tecido no
local de estudo do simulador de terremotos e comparou os resultados com aqueles
obtidos através do método tradicional de análise do simulador . Foi então observada
uma ótima correlação e linearidade dos valores sobre toda a faixa de medição, tanto
no campo positivo quanto no campo negativo.
HOFFMANN (1989) afirma que a grande vantagem do sistema desenvolvido
por Ruge se deve ao fato de que o mesmo proporciona um método bastante exato,
não destrutivo, simples e muito eficaz de se medir as tensões, bastando para isso
fixar um pequeno fio na superfície que se quer analisar, criando-se um sistema
independente, não interferente no processo.
Segundo HANNAH e REED (1992), o princípio de funcionamento dos
extensômetros tem como base a variação da resistência elétrica de um condutor que
é submetido a uma deformação, princípio descoberto por Wheatstone e Thomson
em 1843 e 1856. Tal variação de resistência é devida à deformação do condutor e a
mudança da resistividade do material devido a variações microestruturais. Esse
processo é descrito pela Equação 2.1
ρ
ρ
γε
d
R
dR
++= )21(
Equação 2.1
Onde,
R= Resistência elétrica
ρ= Resistividade elétrica do material
γ
= coeficiente de Poisson
ε
= deformação
Costuma-se representar a sensibilidade global do extensômetro (K
g
) pela razão
entre a variação da resistência e a deformação. A essa variável dá-se o nome de
fator de sensibilidade (“gage-factor”).
Tem-se assim:
a
g
R
dR
K
ε
=
Equação 2.2
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
24
Onde,
R= Resistência elétrica
a
ε
= deformação do material segundo a direção principal do extensômetro.
Os extensômetros são construídos com resistências elétricas típicas de 120 e
350 Ω.
Os extensômetros são habitualmente colados às superfícies nas quais se
pretende medir as deformações, FIGURA 2.1. A cola deve possuir características
que permitam uma boa adesão do extensômetro à superfície; não deve ser
demasiado rígida de modo a impedir a deformação do material onde se cola o
extensômetro.
FIGURA 2.1 - Representação de um extensômetro colado e devidamente protegido
A seguir, FIGURA 2.2, exemplifica-se a utilização de extensômetros em testes
de torção de tubos de fibra de carbono.
FIGURA 2.2 – Extensômetros utilizados em teste de torção em tubos de Carbono
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
25
O sistema desenvolvido naquela época é basicamente o mesmo que os
utilizados nos dias de hoje. Durante as ultimas décadas, várias modificações foram
apresentadas, visando à facilidade de produção em larga escala, (HANNAH; REED,
1992).
FIGURA 2.3 – Exemplos de extensômetros disponíveis comercialmente [FONTE: HBM (2006)]
A utilização de circuitos impressos estendeu ainda mais as possibilidades de
uso dos extensômetros, possibilitando o desenho das trilhas em qualquer formato
que possa ser representado em um plano. Formas espirais podem ser facilmente
reproduzidas, facilitando o desenvolvimento de transdutores para medição de
variáveis mecânicas como forças, pressão, torque, dentre outras.
Segundo as técnicas usuais e mais estabelecidas (HANNAH; REED, 1992),
sua utilização requer o uso de circuitos de amplificação e ajuste de ganho, técnicas
de compensação de variações térmicas, circuito de análise de sinal e filtragem de
ruído e fonte externa de alimentação. Outra informação muito difundida desde a
década de 60 é que os extensômetros consomem uma quantidade razoável de
corrente, pois sua resistência elétrica é relativamente baixa, (na faixa de algumas
centenas de ohms), sendo seu uso inadequado em aplicações que requerem
portabilidade.
Além dos extensômetros elétricos de resistência apresentados, outros demais
tipos de extensômetros existentes são apresentados a seguir.
2.1.2 Extensômetros Piezoresistivos
IVCHENKO et al. (1975), em sua pesquisa, afirmam que, além dos
extensômetros elétricos de resistência, já discutidos, existem outros tipos de
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
26
extensômetros resistivos, dentre os quais se encontram os extensômetros
semicondutores. Seu princípio de medição é baseado no efeito piezoresistivo,
descoberto em alguns semicondutores por C. S. Smith em 1954 e detalhado em
seus pormenores no capítulo Piezoresistividade.
No que se refere à construção, esses extensômetros não diferem muito dos
extensômetros tradicionais. O elemento sensor consiste de uma tira de silício
(a)
de
alguns décimos de milímetro de comprimento e alguns milésimos de milímetro de
largura, que é fixada em um filme isolante
(b)
onde são colados os fios para
conexão
(d)
. Pequenos fios de ouro
(c)
são utilizados para conectar o elemento
semicondutor, evitando a criação de um diodo, FIGURA 2.4.
FIGURA 2.4 - Diagrama representativo de um extensômetro semicondutor [FONTE: HOFFMANN (1989)]
O fator de sensibilidade, “Gage Factor”, desse tipo de extensômetro é da
ordem de 50 a 80 vezes maior que os extensômetros elétricos de resistência. Por
essa razão, sua principal aplicação se da na medida de variáveis de pequena
grandeza.
Abaixo, são apresentadas algumas características dos extensômetros
piezoresistivos:
• Alta sensibilidade;
• Alta imunidade a ruídos elétricos e magnéticos;
• Apresenta características de não-linearidade demandando correção eletrônica
quando se deseja alta exatidão de medições;
• São normalmente mais caros do que os extensômetros elétricos de resistência;
• São mais sensíveis a variações de temperatura do que os extensômetros
tradicionais;
• São de difícil manuseio devido à fragilidade dos cristais semicondutores.
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
27
2.1.3 Extensômetros por Deposição Direta de Vapor
Esse tipo de extensômetro é formado a partir de técnicas de deposição química
de vapor de algumas ligas sob vácuo. Assim, o elemento sensor é diretamente
depositado sobre a superfície onde se deseja realizar a medição, (BRAY;
VALABREAGA, 1964).
FIGURA 2.5 - Extensômetro depositado diretamente no corpo de um transdutor [FONTE: HOFFMANN (1989)]
Segundo (IVCHENKO et al., 1975), a substituição da camada de cola pela
camada diretamente depositada proporciona vantagens como: redução de
sensibilidade à umidade, aumento da faixa de operação e estabilidade a altas
temperaturas e eliminação do efeito do extensômetro na deformação do objeto.
Ainda segundo (IVCHENKO et al., 1975), a deposição direta do extensômetro
no objeto permite sua redução dimensional até a ordem de 10X em comparação com
extensômetros comerciais fixados por cola e proporcionam um aumento na exatidão
de posicionamento dos mesmos sobre o objeto.
Uma desvantagem desta técnica, de acordo com (DJUGUM, 2006) é o seu
processo de fabricação que é bastante demorado e, conseqüentemente, custoso.
Antes da deposição do fio metálico, é necessária a deposição de uma camada
isolante. A deposição desta camada através dos processos atuais requer
tipicamente horas até a obtenção de uma camada de (4-7µm) que é necessária.
2.1.4 Demais Tipos de Extensômetros
Além dos tipos de extensômetros apresentados, são citados a seguir modelos
especialmente desenvolvidos para aplicações específicas:
• Extensômetros Capacitivos: Utilizados para altíssimas temperaturas não
suportadas por metais;
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
28
• Extensômetros Piezelétricos: Construídos a partir de Titanato de Bário, trata-se
de um elemento ativo, capaz de gerar separação de cargas elétricas quando
submetido a tensões. (Não adequado para cargas estáticas)
• Extensômetros Fotoelásticos: Variações na reflexão óptica de um elemento são
detectadas em função da aplicação de deformação ao material.
2.2 Piezoresistividade
Neste capítulo são tratados temas relacionados aos sensores piezoresistivos
De acordo com (SINGH et al., 2002), da mesma forma como ocorre com os
extensômetros, os piezoresistores sofrem variações na sua resistividade de acordo
com a aplicação de uma deformação mecânica.
Por esse motivo, a utilização desse efeito na fabricação de transdutores requer
a utilização de Pontes de Wheatstone para amplificação da tensão de saída e os
sensores apresentam parâmetros similares, como “Gage Factor”, sensibilidade a
variações térmicas, histerese, “drift”, dentre outros, fatores estes que serão
detalhados no item 2.2.3, Especificações.
A seguir são detalhadas as características do efeito piezoresistivo, os
processos mais difundidos de fabricação de piezoresistores e sua integração para
fabricação de transdutores, bem como as principais especificações técnicas desses
elementos sensores.
2.2.1 O Efeito Piezoresistivo
GARCIA (2006) afirma que a piezoresistência é uma propriedade observada
em alguns materiais, como metais, silício mono-cristalino, poli-cristalino e amorfo,
onde a resistividade do material é influenciada pelo estresse mecânico aplicado.
Desde que foi descoberto, o efeito piezoresistivo observado no silício mono-cristalino
foi amplamente estudado (TUFTE, 1963) e muitos trabalhos sobre suas aplicações
foram publicados (GIELES, 1969).
BRIZEC (1996) diz que as primeiras aplicações comerciais de sistemas Micro-
Eletro Mecânicos (MEMS) se deu pela indústria de biomedicina, sendo rapidamente
incorporada por diversos outros ramos da indústria sensores, equipamentos
eletrônicos, automação, dentre outras.
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
29
Sensores baseados em MEMS são atualmente componentes cruciais na
indústria automotiva, de equipamentos médicos, telefones celulares, “PDAs”, “hard
disks”, dentre outros, sendo encontrados até em cartuchos de impressoras a jato de
tintas e tênis “inteligentes”.
Segundo (MIDDELHOEK et al., 1995), a maioria dos sensores mecânicos
fabricados comercialmente nos dias de hoje são baseados no efeito piezoresistivo.
Ainda segundo (GARCIA, 2006), os principais motivos pelo qual os sensores
piezoresistivos são amplamente utilizados nos dias de hoje recaem sobre as
vantagens apresentadas, como alto fator de sensibilidade, podendo atingir valores
centenas de vezes superiores aos verificados em materiais metálicos.
Outro fator que favorece a utilização de piezoresistores se deve ao fato dos
mesmos apresentarem valores nominais de resistência muito superiores aos
extensômetros (da ordem de dezenas de quilo ohms contra centenas de ohms,
respectivamente). Devido a esse fato, os sensores piezoresistivos apresentam um
consumo de corrente muito inferior aos extensômetros, o que faz deles uma ótima
opção para aplicações onde o consumo de energia é crítico, como aplicações que
utilizam pilhas e baterias.
2.2.2 O Processo de Fabricação de Piezoresistores
De acordo com (KANÉ et al., 1995), uma nova gama de aplicações se abriu na
década de 1990 em decorrência do desenvolvimento de micro-sistemas nos quais
sensores, atuadores e circuitos eletrônicos são combinados. O desenvolvimento de
sensores de silício integrados com processamento eletrônico de sinal é um passo
importante na integração e oferece novas oportunidades de miniaturização, redução
de custo e aumento de performance.
O termo utilizado para esses sistemas integrados é comercialmente tido como
MEMS, do inglês “Micro-ElectroMechanical Systems” ou sistemas Micro-
Eletromecânicos. Esses dispositivos utilizam componentes micrométricos que são
capazes de sentir com altíssima precisão, processar e/ ou controlar o ambiente que
os cerca. Alguns dos benefícios dessa tecnologia são:
• Baixo Custo;
• Baixo Consumo;
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
30
• Miniaturização;
• Desempenho;
• Integração.
Conforme afirma (BALTES, 1993), outra vantagem importante dos sensores
piezoresistivos é que parte do seu processo de fabricação é compatível com a
tecnologia de fabricação de circuitos integrados, o que inclui os processos CMOS
padrão.
Basicamente, dois processos distintos são usados na fabricação de sensores
baseados em MEMS: “Surface Micromachining” e “Bulk Micromachining”.
Segundo (FREESCALE SEMICONDUCTOR(a), 2007), no processo
denominado “Surface Micromachining”, os sensores são formados no topo de um
conjunto de camadas, que são “montadas” através da deposição de filmes finos. De
acordo com (RESNIK et al., 2005), esses filmes normalmente são feitos por
deposição química de vapor por plasma (PECVD) ou deposição química de vapor a
baixa pressão. (LPCVD).
Esses materiais depositados consistem da parte estrutural usada para a
formação do sensor e das camadas para definir os espaçamentos entre condutores.
Muitos desses sensores usam transdutores capacitivos para converter um sinal
mecânico em um equivalente sinal elétrico. Nesse método, o sensor pode ser
considerado como sendo um capacitor onde uma das placas se move mediante a
aplicação de um estimulo físico. Essa variação no espaçamento entre os dois
eletrodos gera uma variação da capacitância proporcional ao estímulo, FIGURA 2.6.
FIGURA 2.6 – Fabricação de MEMS pelo processo denominado “surface Micromachining” [FONTE: FREESCALE
SEMICONDUCTOR(a), (2007)]
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
31
No processo denominado (“Bulk Micromachining”), ou micro-usinagem em
volume, uma estrutura de silício é “corroída” para formar um elemento tri-
dimensional. Um agente de “corrosão” úmido (“wet etching”) como Hidróxido de
Potássio, EDP (solução aquosa de etilenodiamina e pirocatechol) ou TMAH
(Hidróxido de tetrametilamonia) ou, alternadamente, um processo de “corrosão” seco
usando, por exemplo o gás SF6 é usado para gravar estruturas em 3D diretamente
no wafer de silício, (MANDOU, 2002).
Ainda segundo (FREESCALE, SEMICONDUCTOR(a), 2007), trata-se de um
processo subtrativo, no qual o silício é seletivamente removido utilizando processos
químicos anisotrópicos. Utilizando esse método, MEMS como, por exemplo,
sensores de pressão piezoresistivos puderam sem fabricados em alto volume. Na
sua implementação mais simples, o silício é removido em certas áreas para formar
um diafragma.
2.2.3 Especificações
Segundo (ELWENSPOEK; JANSEN, 1999), ao contrario do que ocorre com a
maioria dos metais, o silício apresenta um comportamento linear até a fratura e não
exibe o efeito de histerese típico da deformação plástica. A histerese apresentada
nos sensores piezoresistivos se deve à incompatibilidade térmica entre o silício e os
materiais utilizados na montagem e encapsulamento do sensor, sendo muitas vezes
desprezível.
FRAGA (2005), diz que no projeto de um sensor piezoresistivo, é
imprescindível analisar o efeito da não linearidade que, geralmente, é decorrente dos
seguintes fatores:
• Em semicondutores, observa-se que os coeficientes de piezoresistência variam
com a temperatura e concentração de dopantes. Quanto maior a temperatura e a
dopagem, menor o fator de sensibilidade associado ao resistor (KANDA, 1982).
• Grandes deflexões mecânicas provocam efeitos de não linearidade. No caso de
membranas finas de silício, os grandes deslocamentos e os esforços de tensão
provocam não linearidades geométricas.
• Não linearidades advindas da ponte de Wheatstone, como, diferença de
sensibilidade das resistências que constituem a ponte, mudança da resistência
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
32
em decorrência de pressão / força aplicada em elementos implantados ou
difundidos no diafragma.
Ainda de acordo com (FRAGA, 2005), os parâmetros que definem a
sensibilidade de um sensor piezoresistivo são o tamanho do diafragma e a
dopagem.
Sensores piezoresistivos apresentam ainda sensibilidade à variação térmica. O
coeficiente piezoresistivo indica a variação relativa da resistividade devido ao esforço
aplicado. Em semicondutores muito dopados, existem muitos portadores livres nas
bandas de condução e, por esse motivo, a variação da resistividade é menor. No
silício pouco dopado, o número de portadores livres depende da temperatura, pois
há a geração de pares elétrons-lacunas quando do aumento da temperatura,
(BELTRÁN, 2003). Desta forma, o efeito da temperatura é maior em sensores com
baixo nível de dopagem.
Segundo (HAGEN, 2001), a especificação de sensores piezoresistivos
geralmente requer que certos aspectos do projeto não sejam violados. O exemplo
mais simples é a pressão de operação de um sensor de pressão, que geralmente é
uma especificação de alta prioridade. Com o advento dos processos de micro-
usinagem, é possível considerar uma ampla faixa de pressões disponíveis para a
escolha do usuário. Além da pressão de operação, outros critérios como
sensibilidade, tamanho, custo, exatidão, estabilidade térmica, confiabilidade e
compatibilidade devem ser levadas em consideração.
Ainda segundo (HAGEN, 2001), exatidão e estabilidade térmica têm se
mostrado os fatores mais complexos a se gerenciar na escolha de sensores
piezoresistivos. Cada fabricante descreve e especifica a exatidão de seus sensores
de maneira diferente, que necessitam de conversão para tornar possível uma
comparação justa.
A seguir é apresentada uma lista que explica as definições para os parâmetros
mais comuns utilizados na especificação de sensores piezoresistivos: (FREESCALE
SEMICONDUCTOR(a), 2007), (FREESCALE SEMICONDUCTOR(b), 2007),
(HAGEN, 2001) e HONEYWELL (2008).
• Tensão Máxima de Saída, ou (“Full Scale Output”): É a medida da tensão
apresentada na saída do sensor quando a máxima pressão/força é aplicada.
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
33
• Variação Máxima de Saída, ou (“Full Scale Span”): É a diferença algébrica entre
a tensão apresentada na saída do sensor quando sujeito à máxima pressão/força
e quando sujeito à mínima pressão/força permitida.
• Tensão de offset, ou (“Zero Pressure/Force Offset”): Trata-se da tensão de saída
apresentada pelo sensor à 25º C, sem nenhuma pressão/força aplicada e
respeitando-se as tensões de excitação do catálogo. Tipicamente é expressa em
milivolts. Um aumento na tensão de alimentação ou corrente resulta em maior
offset. De acordo com (BELTRÁN, 2003), Tensão de Offset existe devido à
diferença entre a geometria e a concentração de impurezas das resistências que
constituem o sensor. Outra causa é o stress induzido pelo encapsulamento.
• Histerese em Zero, ou (“Pressure/Force Hysteresis of Zero”): É a medida da
repetitividade do zero quando o sensor é submetido a um ou mais ciclos para
atingir a pressão/força máxima permitida. A unidade é normalmente expressa em
termos da porcentagem em relação à saída apresentada à pressão/força
máxima. Diferentes fabricantes de sensores podem utilizar diferentes números de
ciclos e faixas de pressão/força máxima para o cálculo desse parâmetro.
• Variação da Histerese com a Pressão/Força ou “Span Pressure/Force
Hysteresis”: É a medida da diferença da saída apresentada pelo sensor quando
submetido a dois ou mais ciclos de pressão/força. O valor usualmente expressa a
maior variação ocorrida, em termos da porcentagem em relação à saída
apresentada à pressão/força máxima.
• Variação da Histerese com a Temperatura ou “Span Temperature Hysteresis”: É
a medida da repetitividade da saída do sensor quando submetido à ciclos de
variações térmicas. Em outras palavras, o sensor é submetido à máxima e
mínima temperatura suportada. A diferença de leitura apresentada entre dois ou
mais ciclos é a variação da histerese com a temperatura. O valor usualmente
expressa a maior variação ocorrida, em termos da porcentagem em relação à
saída apresentada à pressão/força máxima
• Derivação ou “Drift”: É a variação apresentada no sinal de saída de um
dispositivo ao longo do tempo quando a entrada é nula e a temperatura é
mantida constante.
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
34
2.3 O Sistema de Medição de Sinais Elétricos
As variações das resistências dos extensômetros são muito pequenas e não
podem ser medidas diretamente. Desta maneira os extensômetros devem ser
incluídos em um sistema de medição, conforme ilustra a FIGURA 2.7 a seguir.
FIGURA 2.7 - Diagrama de um sistema de medição para extensômetros. [FONTE: HOFFMANN, (1989)]
A primeira parte do sistema (sensor) é formada pelo próprio extensômetro, que
converte uma deformação mecânica em variação de uma resistência elétrica.
A segunda parte do sistema (Casamento e Amplificação) é composta pelo
complemento da ponte te Wheatstone (tendo o extensômetro conectado ao braço
livre da ponte), circuito de Amplificação do sinal da ponte (amplificação esta,
ajustada através do Ganho) e fonte externa de alimentação. No sentido físico, os
elementos extensômetro, complemento da ponte e circuito de amplificação são
componentes passivos, de forma que é necessária a adição de uma fonte de
alimentação para a obtenção de um sinal. Essa fonte é obtida a partir de uma fonte
externa de tensão ou corrente constante que alimenta tanto o circuito em ponte
quanto circuito de amplificação.
A terceira parte do sistema (Saída) é composta pelos displays, capazes de
converter a saída do amplificador de uma forma que possa ser entendida pelo
usuário e sistema de aquisição dos dados para gravação.
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
35
A descrição do sistema de medição acima destaca apenas os elementos
essenciais. Na prática, freqüentemente são adicionados demais componentes como
scanners, sistemas de gravação de picos e vales, limitadores de curso, sistemas
eletrônicos de processamento de sinais, dentre outros.
Nos itens que se seguem os componentes do sistema de medição serão
detalhados.
2.3.1 Circuito de Medição – Ponte de Wheatstone
Segundo (BECKWITH et al., 1995), uma das formas de efetuar a medição do
valor da resistência de um extensômetro consiste na utilização de uma ponte de
Wheatstone. A FIGURA 2.8 representa a ilustração elétrica da mesma.
FIGURA 2.8 - Extensômetro em uma ponte de Wheatstone [FONTE: HOFFMANN, (1989)]
Esse circuito possibilita a medição da variação da resistência elétrica do
extensômetro com grande precisão. Os quatro braços da ponte são formados pelas
resistências R
1
a R
4
. Os pontos 2 e 3 da ponte se destinam a conexão da fonte de
alimentação Vs, enquanto a tensão de saída, ou sinal de medição, é capturada entre
os pontos 1 e 4.
Usualmente é utilizada uma tensão DC estabilizada como fonte de alimentação
da ponte (Vs), porém existem métodos que utilizam fonte de tensão alternada ou
aplicam uma corrente constante. A aplicação de uma tensão DC estabilizada é
preferida pela característica de correção automática de desvios de linearidade dos
extensômetros.
A tensão Vs aplicada aos pontos 2 e 3, eletricamente divide a ponte em duas
partes, formadas por R
1
, R
2
e R
4
, R
3
, conforme a relação entre as resistências. Isto
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
36
significa que cada metade de ponte forma um divisor de tensões, a seguir, FIGURA
2.9.
FIGURA 2.9 - Princípio de funcionamento de uma ponte de Wheatstone [FONTE: HELFRICK e COOPER,
(1989)]
Os valores de V1 e V4 podem ser calculados como:
Vs
RR
R
V ×
+
=
21
1
1
e Vs
RR
R
V ×
+
=
43
4
4
Equação 2.3
A diferença entre V1 e V4 é a saída Vo da Ponte de Wheatstone:
( )
41
43
4
21
1
VVVs
RR
R
RR
R
VsVo −=
+
−
+
=
Equação 2.4
Se o desbalanceamento da ponte é definido como Vo/Vs, temos:
43
4
21
1
RR
R
RR
R
Vs
Vo
+
−
+
= ou
( ) ( )
4321
4231
RRRR
RRRR
Vs
Vo
+×+
×−×
=
Equação 2.5
Desta forma, só existem duas condições em que Vo=0:
• Quando todos os resistores possuírem o mesmo valor
• Quando a relação entre R
1
e R
2
for igual à relação entre R
4
e R
3
.
Nessas condições, diz-se que a ponte está balanceada.
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
37
Se qualquer um dos quatro resistores sofrerem uma variação ∆R em sua
resistência, a ponte estará desbalanceada e aparecerá uma diferença de portencial
Vo entre os pontos 1 e 4.
4433
44
2211
11
RRRR
RR
RRRR
RR
Vs
Vo
∆++∆+
∆+
−
∆++∆+
∆+
=
Equação 2.6
Qualquer condição da ponte pode ser calculada com base na equação acima
independentemente do valor das resistências, porém, nas técnicas empregadas em
extensômetros, todos os elementos da ponte devem possuir a mesma resistência
elétrica ou, pelo menos, o braço formado por R
1
e R
2
e o braço formado por R
3
e R
4
devem possuir, na sua soma, o mesmo valor nominal.
Nos extensômetros elétricos de resistência, a variação da resistência elétrica é
baixa, da ordem de 10
-3
Ω. Dessa maneira, a aproximação proposta pela Equação
2.7 é bastante usada, promovendo resultados suficientemente acurados,
(HELFRICK; COOPER, 1989):
∆
−
∆
+
∆
−
∆
=
4
4
3
3
2
2
1
1
4
1
R
R
R
R
R
R
R
R
Vs
Vo
Equação 2.7
A equação acima mostra que a variação entre as resistências dos braços da
ponte é o fator predominante do seu desbalanceamento, e não a variação absoluta
da resistência. Além disso, a equação mostra que qualquer uma das resistências
pode variar. Essa situação ocorre, por exemplo, nos transdutores de força. Em
análises de deformação, isso dificilmente é utilizado e usualmente apenas alguns
dos braços da ponte contém extensômetros ativos enquanto o restante da ponte é
completado com resistores.
Da equação Equação 2.2 que define o fator de sensibilidade (“gage factor”),
tem-se que:
ε
×=
∆
k
R
R
Equação 2.8
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
38
De forma que a Equação 2.7 pode ser escrita como:
( )
4321
4
εεεε
−+−=
k
Vs
Vo
Equação 2.9
Desta forma, verifica-se que as mudanças de resistência e a deformação que
as causam contribuem para o desbalanceamento da ponte e daí para o resultado da
medição, com diferentes sinais. Na montagem de extensômetros visando à medição
de deformações, os seguintes efeitos devem ser observados:
• A indicação será positiva se: ε
1
>ε
2
e/ou ε
3
>ε
4
• A indicação será negativa se: ε
1
<ε
2
e/ou ε
3
<ε
4
A magnitude das variações em extensômetros localizados em braços
adjacentes da ponte é subtrativa se tiverem o mesmo sinal. Esse efeito é utilizado,
por exemplo para a realização compensação térmica.
A magnitude das variações em extensômetros localizados nos braços
adjacentes da ponte é somada se tiverem sinais opostos. Esse efeito é utilizado, por
exemplo, em transdutores.
Abaixo, FIGURA 2.10, são apresentadas as diferentes formas de utilização de
extensômetros nas pontes, bem como sua designação:
FIGURA 2.10 - Tipos de pontes de Wheatstone [FONTE: HELFRICK e COOPER, (1989)]
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
39
Para completar a ponte de Wheatstone, é necessária a adição de resistores
com características como: grande estabilidade ao longo do tempo e insensibilidade a
variações de temperatura. Resistências de filmes metálicos são componentes úteis
nesses casos. Outro método bastante empregado em detrimento à adição de
componentes passivos é a utilização de extensômetros de compensação no lugar
das resistências. Inseridos estrategicamente, de modo a não sofrer alterações
mecânicas, esses elementos estarão sujeitos às mesmas variações térmicas que o
extensômetro de medição, agindo como elemento de compensação de variações de
temperatura.
CHAVÉZ et al. (1997) afirmam que a configuração mais utilizada para a
amplificação de sensores resistivos é em forma de ponte de Wheatstone. Desta
maneira as resistências são colocadas de modo que duas aumentem o seu valor e
as outras duas diminuam o seu valor com o aumento da deformação. O sinal de
saída é a tensão diferencial à saída da ponte. De forma similar, pode se construir
uma ponde ativa utilizando um amplificador operacional totalmente diferencial com a
vantagem que a sensibilidade é o dobro da ponte de Wheatstone.
HABERKAMP (1993) afirma que a configuração de meia ponte também tem
sido utilizada, com a desvantagem que a sensibilidade é a metade de uma ponte
completa, embora seja empregada associada a configurações que permitem
determinado grau de compensação. Tanto a ponte quanto a meia ponte podem ser
alimentadas com tensão ou com corrente, dependendo do circuito de processamento
do sinal e do tipo de compensação utilizada.
2.4 Amplificação da Tensão de Saída
De acordo com (SEDRA; SMITH, 2004), a função principal dos amplificadores
é aumentar o valor apresentado na saída da ponte de Wheatstone (Vo) de alguns
milivolts para valores em torno de alguns volts. O sinal amplificado deve, se possível,
ser a reprodução “perfeita” da variável medida. Outras funções do circuito de
amplificação são o ajuste do zero (“zero signal”), ajuste da tensão de fundo de
escala (“full scale output”), compensação de temperatura, calibração e
complementação do circuito da ponte.
Atualmente o método mais utilizado para a amplificação de sinais é a utilização
de amplificadores operacionais.
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
40
Amplificadores operacionais, também referidos como “AmpOps”, são
dispositivos extremamente versáteis, sendo aplicados vastamente na indústria
eletrônica, cumprindo funções de condicionamento de sinais, funções de
transferência especiais, instrumentação analógica, computação analógica e projeto
de sistemas especiais. Estes circuitos são caracterizados pela sua simplicidade e
precisão, (GEIGER; ALLEN; STRADER, 1990). O seu custo é baixo e, atualmente,
são projetados tendo em vista a durabilidade: muitos são construídos com circuitos
de proteção, de forma a suportar sobrecargas de corrente em suas saídas sem
sofrer danos.
A origem do termo “amplificador operacional” remonta à época da computação
analógica, quando estes circuitos eram utilizados para a realização de cálculos
matemáticos. Dependendo da disposição de componentes elétricos externos
(resistores, capacitores, indutores, etc.), conseguiam-se realizar operações de
adição, subtração, média, e até mesmo integração e diferenciação de uma função.
Isso tudo era viabilizado pelo uso da “realimentação negativa” do amplificador
operacional, que, associado ao inerente alto fator de amplificação sem
realimentação (open loop gain), era capaz de produzir um ganho finito em malha
fechada (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2004).
Hoje, mesmo com o advento da computação digital, a computação analógica
ainda é bastante empregada para a realização de simulações em tempo real. Isto é
possível devido à correlação de “fenômenos do mundo real” – elasticidade, inércia e
amortecimento para sistemas mecânicos, por exemplo; inércia fluídica, capacitância
fluídica e perda de carga para sistemas fluídicos e capacitância e resistência
térmicas para sistemas térmicos – com os fenômenos básicos de indutância,
capacitância e resistência elétrica. Além disso, obviamente, estes circuitos também
são comumente utilizados para a amplificação de sinais elétricos em aplicações de
instrumentação e controle de sistemas. Estas áreas utilizam-se de muitos sensores,
que geralmente emitem saídas da ordem de milivolts, inadequados para a maioria
dos sistemas de processamento existentes, usualmente compatíveis com tensões de
3,3 a 5 Volts.
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
41
2.4.1 Notação
O símbolo que identifica um AmpOp é um triângulo com seis terminais: há duas
entradas de sinal – uma negativa, que inverte o sinal ligado a ela e outra positiva que
mantém o sinal original. Além disso apresenta uma saída, um pino de referência
(aterramento) e dois terminais de alimentação, geralmente ligados a +VCC e -VCC.
Em um circuito sem realimentação, a saída do amplificador está em função da
diferença de tensão entre as duas entradas.
FIGURA 2.11 - Esquema básico de um amplificador operacional
Internamente, o circuito de um amplificador operacional é uma complexa
associação de inúmeros componentes eletrônicos como transistores, resistores,
capacitores e diodos. Entretanto, o estudo da aplicação destes dispositivos é
simplificado através do modelo esquematizado abaixo, FIGURA 2.12:
FIGURA 2.12 - Representação simplificada do circuito interno de um amplificador operacional.
Onde:
R
in
= Resistência de entrada
AV
in
= Ganho sem realimentação (open loop gain)
R
out
= Resistência de saída
V
in
= (V
+
- V
-
)
Sendo V
+
e V
-
, respectivamente, as entradas não inversora e inversora e V
out
, a
saída do amplificador operacional.
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
42
Assim, segundo (GEIGER; ALLEN; STRADER, 1990), tem-se:
( )
−+
−⋅=
⋅=
VVAV
VAV
out
inout
Equação 2.10
2.4.2 AmpOp Ideal
SEDRA e SMITH (2004), afirmam que, idealmente, um amplificador
operacional possui:
• Resistência de entrada infinita: não há passagem de corrente entre o circuito de
entrada (cujo sinal deverá ser amplificado) e o amplificador operacional, ou seja,
não há fuga de energia do circuito de entrada.
• Resistência de saída nula: o amplificador operacional é capaz de suprir toda
corrente demandada pelo circuito de saída (que receberá o sinal amplificado –
um microcontrolador, por exemplo), sem que isto acarrete alterações no valor de
V
out
(representada pela queda de tensão em R
out
).
• Ganho A infinito.
• Tempo de resposta nulo: a saída do amplificador varia imediatamente de acordo
com mudanças nas suas entradas.
• Offset nulo: quando a diferença de tensão entre as duas entradas do amplificador
operacional é nula, a saída deverá ser nula. (offset: é definido como o desvio no
valor da saída do dispositivo quando a diferença entre as suas entradas é nula)
2.4.3 Realimentação Negativa: “Closed Loop Gain”
A linearidade e a flexibilidade dos amplificadores operacionais estão
diretamente relacionadas ao seu uso com realimentação negativa. Neste caso, a
saída do amplificador, V
out
, estará em função de si mesma, sendo ligada, a V
-
.
Verifica-se que, matematicamente, a presença de V
out
nas entradas gera um fator
in
out
V
V
G = com realimentação negativa “closed loop gain” finita e controlável,
diferentemente do fator A infinito, nos circuitos “open loop”.
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
43
Em circuitos com realimentação negativa, o amplificador operacional controla
V
out
de forma que V
-
sempre tenda para o valor de V
+
, minimizando a diferença de
tensão entre as duas entradas do dispositivo.
A seguir, são apresentados os principais circuitos com realimentação negativa
utilizando Amplificadores Operacionais.
2.4.4 Voltage Follower/Voltage Buffer (Seguidor de Tensão)
A principal função deste circuito é o isolamento entre entrada e saída do
circuito. Devido à alta impedância de entrada do amplificador operacional, esse
circuito apresenta baixa fuga de corrente do circuito de entrada.
FIGURA 2.13 - Esquema do circuito seguidor de tensão.
A principal característica do circuito seguidor de tensão se deve ao fato de
apresentar ganho unitário, ou seja, V
out
=V
in
.
2.4.5 Circuito Inversor
O circuito inversor apresenta na saída, o valor negativo da tensão de entrada,
amplificada por um fator G determinado pelos resistores. Um problema deste circuito
é drenar corrente do circuito de entrada, ligado a V
in
, correspondente a I
1
.
FIGURA 2.14 - Esquema do circuito inversor.
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
44
Devido à alta impedância de entrada do amplificador operacional, I
3
≈ 0, é
possível determinar que:
inout
V
R
R
V ⋅
−=
1
2
, ou seja,
−=
1
2
R
R
G
Equação 2.11
2.4.6 Circuito não Inversor
O circuito não inversor amplifica a tensão de entrada por um fator G
determinado pelos resistores, sem inverter o seu sinal.
FIGURA 2.15 - Esquema do circuito não inversor.
Da mesma forma que o circuito inversor, tem-se que I
3
≈ 0, o que permite a
determinação da tensão de saída V
out
como:
inout
V
R
R
V ⋅
+=
1
2
1
Equação 2.12
Observa-se que o ganho nunca poderá ser menor do que 1. Assim, este
circuito sempre amplificará a tensão de entrada.
2.4.7 Circuito Amplificador da Diferença
Esse circuito é bastante utilizado para a amplificação de sinais de
extensômetros ou outros transdutores que são acoplados a uma ponte de
Wheatstone, por apresentar saída de tensão diferencial. Este circuito amplifica uma
diferença de tensão. Entretanto, conforme se observa na FIGURA 2.16, há
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
45
drenagem de corrente do circuito de entrada, I
1
e I
3
, correspondentes às saídas do
circuito de entrada ligadas a V
1
e V
3
, respectivamente.
FIGURA 2.16 - Esquema do circuito de amplificação da diferença.
A equação geral que determina a tensão de saída V
out
, para o circuito de
amplificação da diferença é dada por:
(
)
( )
1
1
2
2
143
421
V
R
R
V
RRR
RRR
V
out
⋅
−⋅
⋅+
⋅+
=
Equação 2.13
Escolhendo os resistores de maneira que R
1
= R
3
e R
2
= R
4
, diz-se que o
circuito está equilibrado (balanced differential amplifier). Nestas condições, a
equação que determina a tensão de saída, V
out
, para o circuito de amplificação da
diferença é dada por:
( )
12
1
2
VV
R
R
V
out
−⋅=
Equação 2.14
2.4.8 Amplificador para Instrumentação
O amplificador para instrumentação, assim como o amplificador de diferença,
também apresenta na saída V
out
a diferença de tensão em suas entradas
multiplicada por um fator que é determinado por seus resistores. Entretanto, como
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
46
possui 3 estágios de amplificação, este circuito apresenta duas vantagens em
relação ao anterior:
• A impedância de entrada é, idealmente, infinita, pois as saídas do circuito de
entrada se ligam diretamente às entradas não inversoras dos amplificadores
operacionais dos estágios 1 e 2;
• o ganho G pode ser alterado através de um único resistor, R
G
.
FIGURA 2.17 - Esquema do circuito amplificador para instrumentação.
A equação geral que determina a tensão de saída V
out
, para o circuito de
amplificação da diferença é dada por:
)(1
12
65
VV
R
RR
V
G
out
−⋅
+
+=
Equação 2.15
Determinando-se que
65
RR
=
, tem-se que:
)(
2
1
12
5
VV
R
R
V
G
out
−⋅
⋅
+=
Equação 2.16
Desta forma, fixando-se R
5
, pode-se variar G simplesmente mudando o valor
de R
G
., (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2004).
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
47
2.5 Sensores de Pressão e Força Piezoresistivos
Segundo (EATON; SMITH, 1997), desde o descobrimento do efeito
piezoresistivo em silícios na metade da década de 1950, sensores de pressão
piezoresistivos foram amplamente produzidos. A tecnologia de micro-usinagem
trouxe grandes benefícios para a indústria de circuitos integrados e, por esse motivo,
os dispositivos MEMS capturaram grande parte do mercado de sensores e
catalisaram o desenvolvimento de novos mercados.
Segundo (COOMBS, 2001), na fabricação de um sensor de pressão, a
estrutura formada durante o processo de micro-usinagem é então colada em outra
estrutura (também de silício ou pirex) para formar uma cavidade selada abaixo do
diafragma, FIGURA 2.18, a seguir. Assim, o diafragma deflete em resposta a
aplicação de pressão.
FIGURA 2.18 – Estrutura de um sensor de pressão Piezoresistivo. [FONTE: MIDLE EAST TECHNICAL
UNIVERSITY, 2008.]
Ainda como pode ser observado na FIGURA 2.18, após a micro-fabricação da
cavidade, formando um diafragma de silício, quatro piezoresistores são formados e
implantados nos pontos de máxima tensão do mesmo.
A deflexão gerada pela pressão aplicada irá causar uma variação na
resistência dos piezoresistores. Tipicamente, esses resistores são implantados em
pontos estratégicos do diafragma de silício, na forma de uma ponte de Wheatstone
(dependendo do fabricante do sensor, são utilizados circuitos em um quarto de
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
48
ponte, meia ponte ou ponte completa) e a tensão aplicada entre os terminais 2 e 3
da ponte gera uma tensão diferencial a ser medida entre os terminais 1 e 4.
A base de pirex pode conter um furo central para medição de pressões
diferenciais ou ser completamente selada para medição de pressões absolutas,
FIGURA 2.19, a seguir.
FIGURA 2.19 - Diferenciação entre elemento sensor para a medição de pressões absolutas e diferenciais.
[FONTE: MERIT SENSOR SYSTEMS (2008)]
Segundo (FRAGA, 2005), os piezoresistores são implantados nas posições de
maior deformação do diafragma, de maneira a produzir boa sensibilidade ao sensor
de pressão. Abaixo, FIGURA 2.20, é representada uma análise em Elementos
Finitos dos pontos de maior tensão no diafragma, dados em amarelo e vermelho:
FIGURA 2.20 - Distribuição das tensões de Von Misses no diafragma de silício. [FONTE: FRAGA (2005)]
De acordo com (MAXIM, 2001), seguindo um processo de remoção
anisotrópica do silício para a formação da cavidade (processo conhecido como
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
49
“anisotropic etching”), é possível criar diafragmas de formatos redondos ou
quadrados com extremo controle da espessura final, que pode variar de 5 até 50
mícrons ±1 mícron e áreas de até 3mm x 3mm, conforme pode ser observado no
corte lateral, FIGURA 2.21.
FIGURA 2.21 - Processo de remoção anisotrópica na fabricação de sensores de pressão piezoresistivos.
[FONTE: MAXIM, (2001)]
Ainda segundo (MAXIM, 2001), a faixa de pressão suportada pelos sensores
está diretamente ligada à espessura do diafragma, de forma que quanto mais
espesso o diafragma, maior a pressão suportada antes da ruptura, menor a
sensibilidade a pequenas variações de pressão e maior deve ser a utilização da
estrutura para a fabricação de sensores de força.
Devido à utilização da tecnologia MEMS, atualmente os sensores de pressão e
força são componentes extremamente integrados. Já são disponíveis
comercialmente sensores amplificados, micro-controlados, com compensação de
variações térmicas e condicionamento de sinais. A FIGURA 2.22 é uma mostra
desta sofisticação. Além disso, o ajuste fino dos piezoresistores é feito
eletronicamente a laser, promovendo medições que garantem 0,5% de erro máximo
na leitura.
FIGURA 2.22 – Sofisticação e miniaturização dos sensores de pressão Piezoresistivos [FONTE: FREESCALE
SEMICONDUCTOR, (2005)]
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
50
A FIGURA 2.23 representa o encapsulamento de um sensor de pressão
piezoresistivo disponível comercialmente, bem como o esquema elétrico do mesmo:
FIGURA 2.23 – Representação de um corte lateral realizado em um sensor de pressão diferencial. [FONTE:
FREESCALE SEMICONDUCTOR, (2005)]
Tais sensores de pressão são disponíveis em diferentes modelos de
encapsulamento para melhor adequação a diferentes aplicações. Abaixo, FIGURA
2.24, são exemplificados alguns dos encapsulamentos comercialmente disponíveis.
FIGURA 2.24 - Diferentes tipos de encapsulamento para sensores de pressão [FONTE: FREESCALE
SEMICONDUCTOR, (2005)]
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
51
2.6 Sensores Táteis e de Toque
Segundo (CROWDER, 1998), sensores táteis e de toque são dispositivos que
medem características do contato entre o sensor e um objeto. A interação obtida é
confinada em uma região pequena e definida do sensor. Essa definição contrasta
com a definição de sensores de força que medem a força total aplicada a um objeto.
Com relação aos sensores táteis e de toque, as seguintes definições são
comumente utilizadas:
• Sensoriamento do toque: É a detecção e medição da força de contato em um
ponto definido. Um sensor de toque pode também se restringir a uma informação
binária, denominada toque e “não toque”.
• Sensoriamento do tato: É a detecção e medição da distribuição de forças
perpendiculares a uma área de sensoriamento pré-determinada e subseqüente
interpretação da informação espacial. Uma matriz de sensoriamento de toque
pode ser considerada como um grupo coordenado de sensores de toque.
• Sensoriamento do escorregamento: É a detecção e medição de um movimento
relativo entre a superfície do sensor e o objeto. Essa funcionalidade pode ser
alcançada tanto com o desenvolvimento de sensores especiais quanto pela
interpretação de dados advindos de um sensor de toque ou uma matriz tátil.
Segundo (CROWDER, 1998), não existe uma padronização de especificações
para esses tipos de sensores, visto que poucas empresas os produzem em larga
escala. Porém, os dados abaixo apresentam uma boa base para a definição das
características de um sensor de toque adequado para aplicações industriais:
• Sensores de toque devem, idealmente, possuir apenas um ponto de contato. Na
prática, uma área em torno de 2 mm
2
é considerada satisfatória, devido às
dificuldades de fabricação do elemento sensor miniaturizado.
• A sensibilidade ao toque é dependente de uma série de fatores determinados
pelas características físicas de construção dos sensores. Valores normalmente
encontrados de sensibilidade se encontram na faixa de 0,4 a 10N/mm
2
além da
proteção contra sobrecargas.
• Apresentam tempo de resposta de, pelo menos, 10ms.
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
52
• As características do sensor devem ser estáveis e repetitivas, apresentando
valores baixos de histerese. Uma saída linear não é absolutamente necessária,
visto que técnicas de processamento de sinais podem ser usadas para
compensar não-linearidades moderadas.
• Devem ser robustos e operar em ambientes hostis.
O uso de materiais que têm características de força/resistência definidas tem
recebido considerável atenção na fabricação de sensores de toque e táteis. O
princípio básico desse tipo de sensor é a medição da resistência elétrica de um
elastômero condutivo ou espuma entre duas placas. A maioria dos sensores utilizam
elastômero que consiste de borracha dopada em carbono. Aplicação de uma força
sobre a superfície do sensor de toque gera um aumento da densidade de partículas
condutivas, alterando o valor da resistência elétrica, FIGURA 2.25.
FIGURA 2.25 - Aplicação de uma força sobre a superfície do sensor de toque. [FONTE: CROWDER (1998)]
Se a medida da resistência é feita entre duas superfícies, os contatos
superiores devem ser impressos em pasta condutiva flexível para permitir a
movimentação sobre a aplicação de forças.
FIGURA 2.26 - Sensor de toque composto de duas placas paralelas e espuma condutiva. [FONTE: CROWDER,
(1998)]
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
53
Sensores táteis formados por elastômero ou espuma condutiva, apesar de
relativamente simples, apresentam inúmeras e significativas desvantagens:
• Elastômeros apresentam constante de tempo não linear. Adicionalmente, quando
uma força é aplicada, essa constante difere daquela quando o sensor está sem
carga;
• A relação força-resistência elétrica dos elastômeros em questão não é linear, o
que demanda a aplicação de algoritmos de processamento eletrônico de sinais;
• Com o uso contínuo, os elastômeros sofrem fadiga e se deformam
permanentemente. Isso gera uma baixa estabilidade do sensor ao longo de sua
vida, o que pode requerer a troca do sensor.
Apesar das desvantagens apresentadas, a maioria dos sensores de toque
analógicos se baseiam no princípio da variação da resistência elétrica. Isso se deve
à simplicidade do seu projeto e interface simples.
Novas tecnologias possibilitam a fabricação de sensores de toque resistivos
através da utilização de pastas de polímeros condutivos que variam a resistência
elétrica de forma altamente previsível conforme há uma variação da força aplicada à
sua superfície. São usualmente fornecidos em folhas que apresentam o filme
sensível impresso. O filme sensível é constituído de partículas condutivas e não
condutivas suspensas em uma matriz. O tamanho das partículas é da ordem de
frações de um mícron e são formuladas para reduzir a interferência da temperatura,
maximizar propriedades mecânicas e durabilidade da superfície. A aplicação de uma
força na superfície do filme sensível faz com que partículas toquem o eletrodo
condutivo, mudando a resistência do filme.
Como exemplo de aplicação dessa tecnologia no dia-a-dia, temos
equipamentos de a analise da oclusão dental, FIGURA 2.27.
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
54
FIGURA 2.27 - Aplicação de sensores táteis na análise da oclusão dental. [FONTE: TEKSCAN, 2006]
Da mesma forma que os outros modelos de sensores de toque resistivos,
esses sensores requerem uma interface eletrônica relativamente simples, e podem
ser operados satisfatoriamente em ambientes hostis.
2.7 Os Apalpadores
O primeiro apalpador foi desenvolvido para solucionar um requisito particular
de inspeção, mas acabou por revolucionar o uso das máquinas de medir a
coordenadas (MMCs) para inspeção pós-processo de componentes manufaturados.
No final dos anos 70, praticamente todas as MMCs eram vendidas com os
apalpadores já acoplados. Posteriormente, com o avanço dos CNCs incluindo
funções e rotinas específicas, e o uso de réguas ópticas de medição nos eixos das
máquinas-ferramenta, seu uso se estendeu, tornando-se um componente vital nos
processos de produção automatizados, permitido às industrias, das automotivas às
aeroespaciais, produzir componentes precisos, minimizando refugos e maximizando
a produtividade, (RENISHAW PLC, METROLOGY DIVISION, 2008).
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
55
A tecnologia dos apalpadores tridimensionais foi desenvolvida em 1972 por
David McMurtry enquanto trabalhava na fábrica da Rolls-Royce em Bristol, UK. Seu
desafio era inspecionar tubulações de combustível das turbinas Olympus usadas no
Concorde, tarefa que requeria cuidado especial no controle da deflexão dos tubos de
6mm de diâmetro. A solução encontrada por ele foi o "Touch Trigger Probe" (TTP),
que utiliza um princípio simples para identificar o contato com a peça a ser medida.
Após negociação da patente com a Rolls-Royce, surgia a Renishaw, atual líder
Mundial na fabricação e comercialização de tais equipamentos, tendo David como
fundador e atual presidente. Desde então, a linha de produtos se expandiu para
atender a demanda por alta flexibilidade e automação dos processos de medição.
(RENISHAW PLC, METROLOGY DIVISION, 2008). Paralelamente, vários
fabricantes surgiram, porém, com o princípio de funcionamento patenteado,
diferentes tecnologias precisaram ser desenvolvidas.
2.7.1 Características Gerais dos Apalpadores
Independentemente da tecnologia utilizada, o princípio se baseia na geração
(ou interrupção) de um sinal elétrico no momento em que ocorre o contato entre a
haste do TTP e a peça a ser medida. Esse sinal, comumente denominado “trigger
signal” ou sinal de disparo, é então enviado a uma interface que o converte em uma
forma inteligível pelo CNC. Após a conversão, o sinal é transmitido ao CNC que
capta instantaneamente os valores dimensionais dos eixos X, Y e Z da máquina-
ferramenta e armazena-os para posterior leitura, cálculos ou geração de relatórios,
FIGURA 2.28.
FIGURA 2.28- Esquema de funcionamento de um sistema de medição acoplado a um Centro de Usinagem
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
56
A transmissão do sinal de disparo do apalpador para a interface pode ser
realizada basicamente através de três tecnologias distintas: infravermelho, cabo
blindado ou via freqüências normalizadas de ondas de rádio. Geralmente se utiliza a
transmissão via cabos blindados em apalpadores que ficam presos à mesa da
máquina (em centros de usinagem e fresadoras), também chamados “toolsetter
probes”, pois estes realizam pequena ou nenhuma movimentação, sendo que a
ferramenta se movimenta para tocá-lo. Desse modo, o cabo pode ser
adequadamente fixado à mesa e à estrutura da máquina, ficando livre de torções,
eliminando riscos de danos provocados pelas ferramentas de corte.
A utilização da transmissão via ondas de rádio é indicada para máquinas de
grande porte, pórticos ou então na inspeção de furos profundos, pois nesses casos o
sinal infravermelho pode ser excessivamente atenuado, (TOOLING &
PRODUCTION, 1999). Para aplicações convencionais, costuma-se utilizar a
comunicação via infravermelho pela sua alta confiabilidade, velocidade de
transmissão e alta imunidade a ruídos externos, FIGURA 2.29.
FIGURA 2.29 - Exemplo de um sistema de transmissão óptico via infravermelho (TP10 - Renishaw)
2.7.2 Programação e Rotinas de Medição
Poucos discutem os méritos dos apalpadores em relação à diminuição do
tempo de preparação da máquina, inserção de dimensões das ferramentas e
realização de medições na própria máquina. Porém, na prática, tais sistemas
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
57
freqüentemente são vistos como caros e difíceis de operar. Conseqüentemente, tem
se tornado uma ferramenta usada exclusivamente por programadores experientes
em ambientes de alta produtividade (MODERN MACHINE SHOP ON LINE, 2001).
Com o intuito de tornar a utilização dos apalpadores mais efetiva e acessível a uma
grande gama de usuários, os mais importantes fabricantes de CNCs como Fanuc,
Heidenhain, Okuma, Cincinnati Milacron e Siemens têm empregado em seus
comandos, softwares contendo interfaces gráficas amigáveis de fácil utilização,
específicos para a realização de medições. O comando Heidenhain série TNC, por
exemplo, é capaz de realizar medições tridimensionais automáticas ou manuais e
possui funções de inspeção, como: checagem da qualidade dimensional de furos,
identificação de desvios de tolerância e medição da geometria da peça pré-acabada,
determinando a profundidade de corte e o sobre-metal restante para a operação de
acabamento (ZHOU; HARRISON; LINK, 1996).
Atualmente, algumas máquinas-ferramenta modernas têm exatidão de
posicionamento comparável as MMCs de mesmo porte. Acoplando-se a essas
máquinas um sistema constituído por apalpadores e um software com as rotinas de
medição adequadas, esta pode ser capaz de desempenhar algumas funções de uma
MMC, reduzindo ou até mesmo eliminando, a necessidade de inspeções posteriores
fora da máquina (MODERN MACHINE SHOP ONLINE, 2001). Tomando-se certos
cuidados, atualmente não é mais necessária a utilização de uma máquina
independente das utilizadas na fabricação para realizar a inspeção de uma peça,
pois os fatores que geram os erros de medição e os que geram erros de corte são
distintos, podendo ser rastreados e corrigidos separadamente (MODERN MACHINE
SHOP ONLINE, 2001).
2.8 Tecnologias em Uso na Geração do Sinal de Disparo
Rigorosamente, o sinal de disparo não é gerado quando a haste do apalpador
entra em contato com a peça. Como pode ser observado na FIGURA 2.30, o
apalpador irá continuar seu movimento, haverá uma deflexão da haste até um valor
mínimo necessário para ativar o sistema sensor do apalpador. A distância percorrida
entre o instante do toque e a geração efetiva do sinal é chamada de “Folga de
Percurso” ou ("pretravel"), (SHEN; MOON, 1996). Essa distância deve ser
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
58
minimizada ou, se possível, deve ser mantida constante, para efeitos de exatidão e
repetitividade da medição.
FIGURA 2.30 - Discrepância entre a posição de contato real e a percebida pelo CNC
Existem basicamente quatro princípios físicos distintos que são utilizados pelos
diversos fabricantes de apalpadores para gerar o sinal que indica o contato com a
peça. Esses princípios são: O contato elétrico, ou falta dele, (“Kinematic Contact”),
Luz (Interferometria a laser), deformação (Strain-Gages) e o efeito Piezoelétrico.
2.8.1 O “Kinematic Contact”
Atualmente é o tipo de apalpador mais difundido mundialmente. Desenvolvido
por David McMurtry, foi o princípio que revolucionou o uso das máquinas de medição
por coordenadas. Conforme ilustrado na FIGURA 2.31, trata-se de um mecanismo
cinemático formado por três pequenos cilindros que permanecem assentados sobre
seis rolos, ou esferas, devido a pressão exercida pela mola sobre os cilindros. Uma
corrente elétrica normalmente passa pelas seis esferas e os três cilindros em série.
Quando ao contato com a peça a ser medida, a força sobre a haste ultrapassa a
resistência da mola em manter o mecanismo na posição estável, os cilindros irão
mover-se cortando a corrente elétrica que passava por eles, gerando o sinal de
disparo. Depois de realizada a medição e afastando-se o apalpador da peça, a mola
novamente força o mecanismo a posição inicial de estabilidade e restabelece a
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
59
corrente elétrica entre eles, (RENÉ et al., 1996). Segundo (REID, 1995), o sinal de
disparo desse tipo de apalpador não só ocorre quando um dos contatos elétricos é
interrompido, mas já tem início pela alteração da resistência elétrica do contato.
FIGURA 2.31 - Princípio de funcionamento de um “Kinematic touch trigger probe” [FONTE: TOOLING &
PRODUCTION (1999)]
Dentre as vantagens apresentadas pelo uso do “Kinematic Contact”, destaca-
se: Princípio simples de funcionamento; robustez do conjunto eletro-mecânico;
amplamente utilizado e pesquisado. Além disso, uma característica típica desse tipo
de apalpador é que a exatidão da medição varia quando o mesmo se aproxima da
peça em diferentes direções (REID, 1993). Isso se deve ao fato de que a força
necessária para gerar o sinal de disparo é dependente da direção de aproximação,
pois o mecanismo se apóia em três direções com um ângulo de 120
o
entre elas,
conforme afirmam (KIM; CHUNG, 2001). Isso está ilustrado na.FIGURA 2.32.
FIGURA 2.32 - Teste padrão da folga de percurso ou “pretravel” em XY de um Kinematic TTP [FONTE: KIM;
CHUNG, (2001)]
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
60
Além disso, a força dinâmica necessária para abrir um dos contatos elétricos
do apalpador é dependente da velocidade de aproximação, (MIGUEL; KING;
ABACKERLI, 1998). Devido à fabricação e leves variações no processo de
montagem, apalpadores do mesmo modelo e projeto podem apresentar diferenças
quanto às características da folga de percurso, (SHEN; MOON, 1996). A magnitude
dos erros varia quando são utilizadas hastes de comprimento superior a 30mm. Isso
se deve ao fato da força de toque necessária para a geração do sinal de disparo ser
relativamente alta, o que prejudica bastante a utilização de hastes longas causando
grande deflexão.
Com relação à aquisição do equipamento, seus custos são relativamente altos
se comparados a outros modelos. Apesar de existirem apalpadores mais precisos a
um custo mais baixo, este é o equipamento mais conhecido e procurado, estando
seu fabricante associado à alta confiabilidade, e apenas estes, por serem os
detentores da patente do mecanismo, são autorizados a produzi-lo.
2.8.2 Extensômetros
Utiliza-se comumente em células de carga quatro extensômetros ligados entre
si segundo uma ponte de Wheatstone e o desbalanceamento da mesma, em virtude
da deformação dos extensômetros, é proporcional à força que a provoca. É através
da medição deste desbalanceamento que se obtém o valor da força aplicada
FIGURA 2.33.
FIGURA 2.33 - Ponte de Wheatstone usando 4 extensômetros [FONTE: OMEGA HANDBOOK SERES, 1998]
Os extensômetros são colados a uma peça metálica (alumínio, aço ou liga
cobre-berílio), denominada corpo da célula de carga e inteiramente solidários à sua
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
61
deformação. A força atua portanto sobre o corpo da célula de carga e a sua
deformação é transmitida aos extensômetros, que por sua vez medirão sua
intensidade.
Diferentemente dos “Kinematic Probes” que lidam com uma informação:
“contato aberto” ou “contato fechado” através da abertura ou fechamento de uma
“chave” mecânica, os apalpadores por extensômetros tratam de informações
analógicas advindas da variação de suas resistências quando a haste do apalpador
toca a peça. O resultado advindo de três células de carga contendo micro-
extensômetros de silício são combinados de maneira a gerar uma resultante.
Para que essa resultante seja capaz de gerar o sinal de disparo, é necessário
que haja um tratamento eletrônico desse sinal procurando por um valor que exceda
o limite determinado (“Threshold”), estabelecendo-se um limite a partir do qual é
disparado o sinal.
Uma das grandes vantagens desse tipo de apalpador é a característica de
possuir valores da folga de percurso muito inferiores a outros modelos, pois a própria
deformação da haste é responsável por gerar o sinal de disparo, evento este que
ocorre anteriormente à geração da força necessária para a abertura dos contatos
elétricos, nos Kinematic probes. Por este motivo, podem ser extremamente sensíveis
ao toque.
O ensaio de repetitividade unidirecional e de acordo com a norma ISSO 10360-
2 2D, conforme ilustrado na FIGURA 2.34, onde TP20 (vermelho) indica um
apalpador do tipo “Kinematic Probe” e TP800 (azul) indica um apalpador que utiliza
“Strain Gages”, verifica-se que esse último possibilita a utilização de hastes mais
longas, da ordem de 200mm de comprimento, mantendo a repetitividade inferior a
um micrometro.
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
62
FIGURA 2.34 - Comparação dos valores da folga de percurso entre apalpadores convencionais e Apalpadores
“Strain-Gages” [FONTE: RENISHAW PLC, METROLOGY DIVISION, 2008]
Os apalpadores do tipo Strain Gages utilizam eletrônica de estado sólido,
proporcionando vida bastante longa e baixo desgaste. Por serem baseados em um
princípio analógico, que pode ser devidamente calibrado, são capazes de detectar o
contato através da aplicação de forças da ordem de 0,2N. Dentre as desvantagens
desse tipo de equipamento destacam-se o preço elevado, utilização de tecnologia
eletrônica extremamente avançada, o que torna o equipamento delicado e pouca
literatura trata especificamente desses apalpadores.
2.8.3 Laser
Esse tipo de apalpador utiliza uma chave óptica como sensor para gerar o sinal
de disparo. Um feixe de laser emitido por um LED é colimado por um sistema de
lentes e emitido sobre uma célula diferencial fotovoltaica, passando pela haste de
medição, conforme ilustra a seguir a FIGURA 2.35.
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
63
FIGURA 2.35 - Princípio de funcionamento dos “apalpadores a Laser” e a variação do ponto de incisão do feixe
na fotocélula sensível quando há a deflexão da haste [FONTE: HEIDENHAIN, 2007]
No momento do contato, há uma deflexão da haste que gera uma mudança no
ponto onde o laser incide sobre a superfície sensível. Quando essa variação
ultrapassa uma tolerância pré-estabelecida, o sinal de disparo é então gerado.
Os apalpadores a laser são extremamente exatos e pouco suscetíveis a
desgastes. Outra característica marcante desse equipamento é o seu preço, baixo
se comparado a outros modelos similares. Nos “apalpadores a laser”, para que haja
uma variação no ponto de incisão do laser e conseqüentemente a geração do sinal
de disparo, primeiramente a haste deve deformar, semelhantemente ao que ocorre
nos “Kinematic Probes” para a abertura dos contatos elétricos. Por esse motivo,
esses dois tipos de apalpadores possuem características semelhantes em relação à
folga de percurso, como utilização não indicada para hastes maiores que 30mm e
exatidão dependente da direção de aproximação com a peça.
2.8.4 Sensores Piezoelétricos
Baseia-se no princípio pelo qual ao se exercer uma pressão sobre um cristal
piezoelétrico, este gera uma diferença de potencial entre as superfícies
pressionadas. Utilizando-se dessa característica, é possível acionar o sinal de
disparo a partir dessa diferença de potencial gerada no momento do toque da haste
com a peça a ser medida, a seguir, FIGURA 2.36.
Capítulo 2 - Revisão da Literatura
64
FIGURA 2.36 - Transmissão da força de toque para os sensores nos “piezo probes”. [FONTE: RENISHAW PLC,
METROLOGY DIVISION, 2008]
São extremamente exatos e repetitivos. Como os apalpadores “Strain gage”,
podem ser calibrados para serem capazes de acionar o sinal de disparo ao detectar
forças da ordem de 0,2N.
Por serem extremamente sensíveis, podem sofrer interferência de ruídos de
baixa freqüência como pancadas, interferência da freqüência da rede elétrica,
acionamento de motores, dentre outros.
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
65
3 EXPERIMENTOS INICIAIS E ESCOLHA DOS SENSORES
Após realização de pesquisa bibliográfica a respeito dos temas relevantes ao
projeto, partiu-se então para o planejamento dos trabalhos visando a proposição de
um transdutor que se mostrasse adequado à geração do sinal de disparo em
apalpadores comutadores. Para a visualização adequada do problema, mostrou-se
apropriada a divisão do apalpador em subsistemas, cada qual com suas entradas,
tarefas a serem executadas e saídas.
Assim, neste capitulo, são definidos os subsistemas que formam um apalpador
comutador e propostos critérios de avaliação a partir dos quais cada transdutor será
submetido. É apresentada a preparação da bancada de testes iniciais e são
realizados ensaios para mensurar os critérios propostos. Ao final, aqueles
transdutores que obtiveram os melhores resultados na avaliação passaram para a
próxima etapa de experimentação.
3.1 Definição dos Subsistemas
A divisão do sistema apalpador foi realizada com o intuito de prover ao leitor
um maior esclarecimento acerca da maneira como o elemento sensor (transdutor)
pesquisado é usualmente inserido ao conjunto do corpo do aparelho apalpador
comutador e sua interação com o ambiente externo. Tal definição não tem como
objetivo entrar em detalhes sobre o funcionamento de cada um dos subsistemas.
Trata-se de um elemento didático cujo objetivo é auxiliar na determinação do grau de
adequação de cada um dos transdutores pesquisados ao corpo do apalpador
comutador.
A FIGURA 3.1 na página seguinte representa esquematicamente o projeto de
um apalpador convencional.
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
66
FIGURA 3.1 - Subsistemas propostos para o desenvolvimento do apalpador
Verifica-se que o mesmo é formado por três subsistemas cujas funções são
detalhadas a seguir:
• MECANISMO DE RETORNO DA HASTE (KINEMATIC): Desempenha a função
de ajuste e posicionamento mecânico da haste. Seu projeto deve ser tal que
possibilite o re-posicionamento da haste após a ocorrência de um toque com a
peça.
• ARRANJO MECÂNICO: Representa a solução eletromecânica empregada para
unir o Elemento Sensor (transdutor pesquisado nessa Tese) ao Mecanismo de
Retorno da Haste, possibilitando assim que movimentações da haste sejam
captadas.
• ELETRÔNICA: É o subsistema responsável pelo processamento eletrônico do
sinal que advém do elemento sensor e acionamento do sinal de disparo.
Verifica-se porém que o desempenho individual dos subsistemas interfere
diretamente no desempenho final do apalpador. Isso fica evidente quando se
observa, por exemplo, que a escolha do local de instalação do elemento sensor
(projeto do arranjo mecânico) interfere diretamente no desempenho do Apalpador.
Do ponto de vista esquemático dos subsistemas propostos, o presente trabalho
tem por objetivo discorrer a respeito dos elementos sensores mais adequados na
geração de sinal de disparo em apalpadores comutadores. Por esse motivo, para a
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
67
segunda etapa, optou-se pela seleção e experimentação de dois sensores, que, no
Capítulo 4 serão sistematicamente comparados ao sistema de acionamento do sinal
de disparo por contato elétrico.
3.2 Critérios de Avaliação dos Transdutores
Com base na pesquisa bibliografia realizada, algumas considerações puderam
ser feitas com relação à viabilidade de uso de cada uma das tecnologias para o
propósito do presente trabalho.
Nessa primeira etapa, optou-se por analisar experimentalmente aqueles
transdutores que se mostraram mais promissores. Para auxiliar nessa tarefa, foram
criados parâmetros críticos e pesos (valor entre parênteses), de forma que quanto
maior a nota final, mais adequado se mostra o transdutor. Abaixo são detalhados os
parâmetros críticos utilizados:
• MÉTODO INÉDITO (0 a 2): Cada fabricante de apalpadores utiliza métodos
próprios e, muitas vezes, patenteados para a geração do sinal de disparo. Nota
zero é aplicada quanto o método é amplamente utilizado e devidamente
patenteado, dificultando sua utilização por outros fabricantes. A nota 1 atribuída a
esse critério significa que a tecnologia já é utilizada, porém é possível modificar o
arranjo mecânico interno de maneira a não incorrer em problemas com patentes.
Finalmente a nota 2 é aplicada quanto o método é realmente inédito.
• SIMPLICIDADE (0 a 2): O método adotado deve ser mantido simples, de forma
que necessite do menor número possível de componentes e interfaces, causando
impacto positivo nos itens Robustez, Custo e Consumo.
• ROBUSTEZ (0 a 3): Indica que interferências externas como ruídos elétricos,
vibrações, variações de temperatura, pressão e umidade devem ter mínima
interferência no desempenho do equipamento.
• CONSUMO DE ENERGIA (0 a 3): Como boa parte dos apalpadores são portáteis
e funcionam à bateria, reduções de consumo que melhorem a autonomia do
equipamento são de grande interesse para o projeto.
• CUSTO (0 a 3): Apesar não ser objeto de estudo desse trabalho, o custo dos
equipamentos deve ser observado, mantido o mais baixo possível e compatível
com os modelos disponíveis internacionalmente.
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
68
• INTEGRAÇÃO AO PRODUTO (0 a 3): O sistema desenvolvido, o qual será
formado por sensores e circuitos elétricos de tratamento do sinal, deve ser
miniaturizado o suficiente para poder ser montado internamente ao Apalpador.
Além disso, a fixação do sensor e o seu posicionamento devem ser adequados.
Outro ponto importante diz respeito à repetitividade e a exatidão do sistema,
porém esses parâmetros só podem ser analisados durante os ensaios finais, etapa
essa posterior à escolha das tecnologias. Dessa maneira, optou-se pela pesquisa
bibliográfica daqueles princípios que, em uma análise qualitativa, se mostraram
promissores sobre esse aspecto.
Os ensaios com cada um dos sensores seguirá a seguinte seqüência:
1- Análise física, onde será verificado empiricamente a resistência
mecânica dos sensores para a aplicação;
2- Avaliação de Integração ao Produto, onde serão verificados a forma e
tamanho dos sensores para a aplicação;
3- Avaliação funcional em banco de ensaios, onde serão verificadas a
Simplicidade, Robustez, Consumo e Custo.
3.3 Preparação dos Bancos de Ensaios Iniciais
Com o objetivo de completar a tabela de critérios de avaliação para cada um
dos transdutores, foi necessária a preparação de ensaios compostos por sistema de
fornecimento de níveis de tensão adequados, sistemas de amplificação de sinais e
sistemas de aquisição e armazenamento de dados.
A seguir é descrito o desenvolvimento dos itens cujo desenvolvimento foi
necessário para a aplicação dos ensaios iniciais.
3.3.1 Desenvolvimento de Interfaces Amplificadoras para Sensores
de Força
De acordo com (FREESCALE, 2005), requisitos para o projeto de módulos de
amplificação são determinados pelas características da saída dos sensores. Devido
ao fato de sensores não amplificados apresentarem saída tipicamente da ordem de
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
69
algumas dezenas de milivolts em fundo de escala, é necessário amplificar o sinal,
utilizando-se ganhos de 100 a 250 dependendo da voltagem aplicada ao sensor e da
máxima pressão/força a ser medida. Além disso, é necessário realizar uma
conversão diferencial para transformar a saída do sensor em um valor de tensão DC
que varie de zero até alguns volts.
Adicionalmente, um ajuste é necessário para converter a saída a níveis
apropriados de tensão, compatíveis com microcontroladores, módulos de aquisição
de dados e computadores. Para entradas A/D de microcontroladores, geralmente
valores de 0,5V para indicar o “zero” do sensor e valores em torno de 4,5V para
indicar o fundo de escala são bastante apropriados.
O Valor de 0,5V para indicar o “zero” é necessário para garantir a saturação da
tensão de saída de amplificadores operacionais que operam com alimentação
simples (VEE=0). Na outra extremidade, tensões em torno de 4,5V para indicar o
fundo de escala, mantêm a saída com conversor A/D dentro de uma margem
confortável para suportar a tolerância dos componentes.
Usando amplificadores operacionais de instrumentação, foram desenvolvidas
interfaces para amplificação dos diferentes sensores, adequando-se a tensão de
saída aos valores compatíveis com o módulo de aquisição de dados.
Para os dois modelos de transdutores de força piezoresistivos testados,
escolheu-se o amplificador de instrumentação da Texas Instruments modelo INA121,
capaz de prover um ganho G variando de 1 a 10000 V/V, cujo esquema é mostrado
abaixo, FIGURA 3.2:
FIGURA 3.2 - Circuito interno do TI-INA121. [FONTE TEXAS INSTRUMENTS (2000)].
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
70
Entre as vantagens deste modelo de amplificador de instrumentação, está a
baixa corrente quiescente (450 µA), representando baixo consumo, baixa tensão de
“offset” na saída (200 µV) e baixo erro de não-linearidade (máximo de 0,001%).
A fórmula do ganho com realimentação deste circuito integrado é dada por:
G
R
k
G
Ω
⋅
+=
50
1
Equação 3.1
Para ambos os sensores, FSG15N1A e FSS1500NSB, a amplitude de tensão
diferencial é praticamente a mesma (142mV para o primeiro e 137mV para o
segundo). Por esse fato, foram construídos dois circuitos de amplificação idênticos,
com ganho G = 30.
Devido à faixa da saída diferencial não amplificada apresentada pelos
sensores FSG15N1A e FSS1500NSB ser praticamente a mesma (quando
alimentados em 11,3 V e sem carga aplicada e com carga máxima, temos uma faixa
de 8 – 150 mV para o primeiro e 13,1 – 150 mV para o segundo), foram construídos
dois circuitos de amplificação idênticos, com ganho G = 30.
Pode-se observar o esquema do circuito a seguir, FIGURA 3.3, montado no
programa ExpressSCH
®
:
FIGURA 3.3 - Esquemático da interface para os sensores Honeywell FSG15N1A e FSS1500NSB.
Além do amplificador de instrumentação (U1) e do sensor (U3), foram incluídos
alguns outros componentes semicondutores. A interface de amplificação foi
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
71
alimentada com +18 Volts, ligados diretamente aos pinos de alimentação do INA121.
O regulador de tensão 7812 (U2) transforma a tensão de entrada no circuito para um
nível compatível com a especificação máxima de alimentação do sensor, sendo que
o diodo 1N4148 atua como uma segurança para que este não seja alimentado com
mais de 12VDC. Os capacitores C1 e C2 são utilizados para dar estabilidade às
saídas do amplificador e do regulador, respectivamente.
O diagrama da placa de circuito impresso confeccionado no ExpressPCB
®
, é
mostrado a seguir, FIGURA 3.4:
FIGURA 3.4 - Circuito da interface amplificadora dos sensores de força piezoresistivos
As placas foram confeccionadas manualmente, com o uso de uma caneta de
ponta fina para acetato, desenhando-se o diagrama acima sobre placas de fibra de
vidro recobertas com cobre e, posteriormente, mergulhadas em uma solução de
percloreto de ferro, para corrosão. O resultado final é mostrado a seguir, FIGURA
3.5:
FIGURA 3.5 - Vistas superior e inferior das interfaces amplificadoras desenvolvidas para os sensores de força
Piezoresistivos
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
72
3.3.2 Desenvolvimento de Interfaces Amplificadoras para
Extensômetros
O extensômetro foi então conectado a uma ponte de Wheatstone, dotada não
só de resistores, mas também de potenciômetros para permitir o ajuste fino das
resistências que formam a ponte.
Inicialmente, montou-se uma ponte de Wheatstone (Um Quarto de Ponte),
fixando-se somente um extensômetro na face superior da estrutura. Verificada a alta
variação na saída devido a efeitos de variação térmica, decidiu-se pela utilização de
um circuito de Wheatstone em Meia Ponte. A ponte de Wheatstone foi alimentada
com 2,5 VDC, obtidos através de um resistor de 240 Ohms ligado em série a ela
(dada que a sua impedância total é de 240 Ohms, obtendo-se, assim, um divisor
resistivo para uma tensão de alimentação total de 5 Volts).
A saída da ponte de Wheastone foi ligada em um circuito amplificador da
diferença, com o uso de um amplificador operacional “single supply” da Microchip,
modelo MCP604, com um ganho de G = 1620, obtido com valores altos de
resistência
Ω⋅
Ω⋅
==
k
M
R
R
G
10
2,16
1
2
para garantir uma alta impedância de entrada no
circuito de amplificação. Desta forma, não se drena corrente do circuito da ponte de
Wheastone e a influência da amplificação na saída do circuito de entrada é
minimizada.
Foi adicionado um filtro passivo passa-baixa na saída do circuito de
amplificação, com o intuito de filtrar ruídos observados ao se ligar a saída do
amplificador diretamente à placa de aquisição NI-6009. Para tanto, considerando a
atenuação na freqüência de corte (fc) de -3 dB e escolhendo um capacitor de 4,7 µF
e um resistor de 1 kΩ, obteve-se fc = 33,9 Hz, valor que tornou a aquisição de dados
satisfatória.
Constante de tempo do filtro:
CR
⋅
=
τ
Hzf
FkCR
f
f
c
c
c
⋅=⇒
⋅⋅Ω⋅
=
⋅
=∴
=
86,33
7,41
11
1
µ
τ
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
73
FIGURA 3.6 - Circuito do filtro passa-baixa passivo e diagrama de relação de amplitudes entre saída e entrada
(Vout/Vin)
Abaixo é apresentado o esquema elétrico do circuito, composto pelos dois
extensômetros, complemento da ponte de Wheatstone, circuito de amplificação e
filtro passa-baixa.
FIGURA 3.7 – Esquema do circuito elétrico desenvolvido pra testes dos extensômetros
3.3.3 Aquisição de Sinais Via LabView
®
Os circuitos compostos por sensor e amplificador operacional foram montados
em uma bancada. Cargas foram aplicadas sobre cada sensor, simulando o efeito do
toque realizado pelo apalpador.
O circuito foi monitorado via software desenvolvido em LabView
®
, através da
aquisição de dados do sinal analógico do sensor utilizando-se um módulo de
aquisição de dados modelo NI USB-6009 da National Instruments. Abaixo, FIGURA
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
74
3.8, é apresentado o esquema da montagem em bancada para as simulações e
análises:
FIGURA 3.8 – Esquema do sistema desenvolvido para simulações em sensores
Desta maneira, será possível analisar e entender o comportamento do sinal
analógico proveniente de cada sensor, desenvolver a solução mais adequada e
otimizar os parâmetros para o acionamento do sinal de disparo.
A FIGURA 3.9 abaixo apresenta um gráfico que demonstra, ao longo do tempo,
o comportamento típico esperado na saída de um sensor amplificado utilizado em
apalpadores. Verifica-se que existe uma pré-carga no sensor, proveniente da força
exercida pela mola sobre a peça inferior do mecanismo de acoplamento para
garantir um posicionamento acurado da haste.
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
75
FIGURA 3.9 – Comportamento esperado na saída de um sensor amplificado e método adotado para
acionamento do sinal de disparo.
Conforme se observa ainda na FIGURA 3.9, uma técnica possivelmente viável
para o controle de um apalpador comutador com sensor analógico consiste na
monitoração e comparação do valor do sinal analógico advindo do sensor (lido
através de conversão A/D) com os limites superior e inferior de tolerância.
Desta forma, caso o valor do conversor A/D seja maior que o Limite Superior
ou menor que o Limite Inferior, haverá o acionamento do sinal de disparo.
O fluxograma representativo dos processos e decisões factível de
implementação em microcontrolador é apresentado a seguir, FIGURA 3.10.
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
76
FIGURA 3.10 – Fluxograma representativo do software Labview®
Foi desenvolvido programa em LabView
®
para monitoramento do sinal dos
sensores, tendo em vista o fluxograma apresentado acima.
As funcionalidades do programa desenvolvido em LabView
®
englobaram:
• Possibilidade de alteração do parâmetro Taxa de aquisição de dados e limites de
tolerância Superior e Inferior;
• Possibilidade de salvar os dados obtidos durante todo o período de aquisição.
Pretende-se dessa forma propiciar uma ferramenta para experimentação dos
sensores em bancada, proporcionando funcionalidades como, armazenamento
eletrônico de dados para análise, fácil modificação de parâmetros e verificação de
resultados, troca de sensores e interfaces amplificadoras.
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
77
FIGURA 3.11 - Módulo de aquisição de dados USB-6009, National Instruments
Com base no fluxograma proposto e funcionalidades requeridas, o software foi
desenvolvido, sendo o diagrama de blocos desenvolvido em LabView
®
Versão 7.0
apresentado a seguir, FIGURA 3.12.
FIGURA 3.12 - Diagrama de blocos do simulador desenvolvido em LabView®
Uma breve descrição do funcionamento do programa é apresentada a seguir:
Inicialmente, é aberto um canal para aquisição de tensão e são especificados
os parâmetros desse canal, como porta onde o módulo de aquisição esta instalado e
valores máximos e mínimos de tensão.
Criado o canal de aquisição, o próximo passo é o ajuste da taxa e o modo de
aquisição (aquisição contínua ou aquisição de um número finito de amostras). Esses
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
78
ajustes iniciais são realizados “off-line”, ou seja, antes de se iniciar a aquisição dos
dados.
O valor de tensão entra então em uma seqüência repetitiva. A primeira tarefa
realizada dentro da seqüência é a leitura do canal (conversão A/D). Após a leitura, o
valor do sinal é plotado no gráfico, juntamente com os limites. Em seguida o sinal ;é
comparado com os limites. Paralelamente, o valor original da leitura segue dois
caminhos. No primeiro, é imediatamente plotado em um gráfico de ajuste dinâmico
que mostra apenas as ultimas aquisições. Esse gráfico tem a função de “amplificar”
visualmente o que acontece instantaneamente, ignorando a série histórica de dados,
FIGURA 3.13.
FIGURA 3.13 - Gráfico LabView® da aquisição instantânea do sinal de tensão do sensor
No segundo caminho, com base nos parâmetros “número de pontos para
cálculo da média” e “tolerância” inseridos pelo usuário, o valor da tensão será
utilizado para cálculo dos limites superior e inferior e acionamento do sinal de
disparo. Após a realização dos cálculos, os limites são plotados em um gráfico,
juntamente com o valor original da leitura. Esse gráfico tem a função de mostrar uma
série histórica de dados adquiridos de forma a explicitar tendências, FIGURA 3.14.
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
79
FIGURA 3.14 - Gráfico LabView® da série histórica de aquisição do sinal de tensão do sensor
Abaixo, FIGURA 3.15, é apresentada a tela frontal completa do programa
desenvolvido, onde se pode visualizar todas as informações em uma mesma tela,
trocar parâmetros como ajuste do canal, modo e taxa de aquisição de dados, valores
máximos e mínimos de tensão da aquisição e selecionar o arquivo e diretório onde a
série de dados é salva.
FIGURA 3.15 - Tela frontal do simulador desenvolvido para testes dos sensores
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
80
3.3.4 Montagem da Bancada
Devido à necessidade de realização de testes extensos, foi escolhido um local
fechado e isolado para a instalação da bancada. Além disso, o local escolhido é
térreo, para minimizar o efeito de vibrações.
O computador utilizado para rodar o simulador foi um Laptop Acer, modelo
Extensa 2304WLMi, com 512Mb de memória RAM e sistema operacional Windows
XP Professional.
Para a alimentação das interfaces amplificadoras e do sensores, foi utilizada
uma fonte DC digital MPS-3003D da fabricante Minipa. Esse equipamento conta com
display de 3 dígitos (tensão e corrente), é capaz de fornecer uma saída variável com
tensão de 0 a 30V DC e corrente de 0 a 3A DC. Possui ajuste grosso e fino tanto
para tensão como para corrente, além de proteção de sobrecarga e inversão de
polaridade.
A bancada é composta também pelo sensor, circuito de amplificação, módulo
de aquisição de dados USB, cabos elétricos e conexões.
Abaixo, FIGURA 3.16, vê-se uma foto da bancada preparada para experimento
com sensor de força Honeywell modelo FSG15N1A
FIGURA 3.16 - Bancada para testes e simulações dos sensores
Algumas notações são feitas aqui para facilitar a comparação dos parâmetros
entre os sensores:
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
81
I
n
: Corrente nominal consumida pelo conjunto circuito de amplificação + sensor,
expressa em milivolts.
V
min
: Tensão apresentada na saída do sensor, após amplificação, quando
nenhuma carga é aplicada sobre o mesmo, expressa em volts;
V
max
: Tensão apresentada na saída do sensor, após amplificação, quando o
mesmo é submetido à máxima carga suportada, expressa em volts;
C
max
: Carga máxima suportada pelo sensor, expressa em gramas;
S
t
: Sensibilidade teórica do sensor: definida como a razão
(
)
max
minmax
C
VV
−
,
expressa em milivolts/grama.
3.4 Extensômetros
Os Extensômetros são elementos bastante flexíveis, cuja utilização em
sensoriamento e fabricação de células de carga é bastante conhecida e aplicada.
Devido ao fato dos extensômetros serem extremamente pequenos, finos e sua
aplicação se dar diretamente na superfície onde se deseja medir a deformação,
tornam-se elementos naturais de escolha para a utilização no presente projeto,
sendo o critério INTEGRAÇÃO um grande diferencial.
Apesar de não se tratar de um método inédito, a fabricante inglesa Renishaw
utiliza essa tecnologia na fabricação de apalpadores comutadores para máquinas de
medir por coordenadas e centros de usinagem, é possível projetar um arranjo de
extensômetros de forma a não incorrer em violações de patentes.
Com base nas informações obtidas na revisão da literatura, a primeira
conclusão que se chega é que a utilização de dois extensômetros em uma meia
ponte e conseqüente amplificação (um dos métodos mais simples), teria um
consumo excessivo para um sistema alimentado por pilhas ou baterias, visto que os
apalpadores comutadores não possuem cabos conectando-os à máquina-
ferramenta, tornando o critério CONSUMO um grave problema para a utilização
dessa tecnologia.
Porém, a tecnologia avançou e atualmente já estão disponíveis
comercialmente extensômetros cuja resistência elétrica atinge a casa de alguns
milhares de ohms, com alto fator de sensibilidade, mantendo boa linearidade e baixa
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
82
variação térmica. No campo da eletrônica, já estão disponíveis comercialmente
amplificadores operacionais de instrumentação, que consomem cerca de 0,5mA,
frente aos 10mA consumidos por amplificadores operacionais padrão. Com o
advento de conversores A/D de 24bit de resolução, poderão tornar possível a leitura
direta dos valores de tensão do extensômetro caso seja necessário, eliminando
completamente a etapa de amplificação, o que reduz a complexidade, custo e
consumo do circuito elétrico.
Para a utilização de extensômetros resistivos como transdutores no projeto,
buscou-se por um modelo que atendesse às seguintes exigências:
• Tamanho reduzido;
• Tensão de alimentação da ponte de até 5VDC;
• Alta resistividade ôhmica;
• Grande disponibilidade no mercado.
Após pesquisa por fornecedores e modelos mais adequados, levando-se em
conta as exigências de projeto, optou-se pelo modelo 1-LY11-1.5/120 da empresa
Alemã HBM, com representação em São Paulo.
FIGURA 3.17 – Modelo de extensômetro escolhido para experimentos
Parâmetros do extensômetro escolhido:
• Resistência Nominal: 120Ω;
• Dimensões externas (Largura x Altura): 4,7x6,5mm;
• Dimensões do “Grid” (Largura x Altura): 1,2x1,5mm;
• Tensão máxima de alimentação da ponte: 2,5 VDC.
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
83
Verificou-se que o parâmetro “Resistência Nominal” é proporcional ao
parâmetro “Máxima tensão de alimentação da ponte”, de forma que não é possível
encontrar um extensômetro com alta resistência nominal e baixa tensão de
alimentação.
Como a potência consumida varia com o quadrado da tensão, (
R
U
P
2
=
), optou-
se por um extensômetro com baixa tensão de alimentação e alta resistência, com o
intuito de manter a potência consumida no menor nível possível.
Em uma placa de aço mola AISI-9255 de 2 mm de espessura, foi usinado um
perfil em forma de U, constituindo assim uma estrutura em balanço, com 12 mm de
comprimento, FIGURA 3.18. Sobre a extremidade livre da viga foi aplica uma força
para causar deflexão da mesma. Esta deformação é medida pelo extensômetro
colado na extremidade engastada da viga.
FIGURA 3.18 – Extensômetro colado em uma viga em balanço.
Conforme descrito no item 3.3.2, Desenvolvimento de Interfaces Amplificadoras
para Extensômetros, os extensômetros foram conectados em uma Meia-Ponte de
Wheatstone onde foram realizados experimentos iniciais.
O circuito foi então conectado ao sistema de aquisição de sinais via LabView,
onde o sinal advindo dos extensômetros foi monitorado através do simulador
desenvolvido para testes dos tensores.
Por meio da aplicação de pesos sobre a extremidade livre da viga em balanço,
notou-se que o sinal dos extensômetros tinha relação direta com a força aplicada,
apresentando boa linearidade. Porém, observou-se a ocorrência do fenômeno de
histerese quando era invertido o sentido de aplicação da força, FIGURA 3.19.
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
84
FIGURA 3.19 - Gráfico demonstrando a ocorrência do fenômeno de histerese.
3.5 Sensores de Força Piezoresistivos
Os sensores de força piezoresistivos são uma novidade no mercado, não
sendo possível encontrar artigos acadêmicos, nem mesmo informações na mídia /
Internet que tratem da sua utilização para a fabricação de apalpadores.
Seu princípio de funcionamento é bastante similar aos extensômetros, sendo
que, internamente, os sensores são formados por elementos piezoresistivos
montados em forma de uma ponte de Wheatstone. Desta maneira, a mesma
aplicação desenvolvida para os testes com extensômetros pode ser diretamente
transferida para os experimentos com os sensores de força piezoresistivos.
Tratando-se de um sensor formado por elementos semicondutores, sua
resistência elétrica é da ordem de 5kΩ, o que proporciona um baixo consumo.
Durante o processo de pesquisa bibliográfica e busca por fornecedores, foi
possível a localização de apenas um fabricante, a Honeywell, que disponibiliza
comercialmente esses componentes em alto volume. Foram adquiridas amostras de
dois de seus modelos para a realização de experimentações e testes.
Os sensores de força piezoresistivos comerciais são fornecidos em invólucros
miniaturizados patenteados, em dois formatos diferentes, conforme FIGURA 3.20.
As dimensões e encapsulamento não impedem sua inserção em apalpadores,
porém a integração do transdutor com os demais subsistemas se mostra um
problema.
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
85
FIGURA 3.20 - Dois diferentes tipos de encapsulamento de sensores de força piezoresistivos. [FONTE:
HONEYWELL (2008)]
A seguir, são detalhados os resultados dos testes e simulações obtidos para os
sensores de força piezoresistivos da Honeywell.
Conforme descrito anteriormente, dois modelos de sensores de força
piezoresistivos foram pré-selecionados para a fase de testes e simulações.
Sensor de força Piezoresistivo modelo FSG15N1A:
Abaixo, TABELA 3-1, encontram-se os valores dos parâmetros obtidos para o
sensor de força piezoresistivo modelo FSG15N1A.
TABELA 3-1 - Parâmetros obtidos para o sensor de força FSG15N1A
I
n
8mA
V
min
0,34V
V
max
4,52V
S
t
2,786mV/g
Parâmetros obtidos FSG15N1A
Observa-se que a corrente nominal do circuito é de 8mA. A quase totalidade
desse valor é consumida pelo regulador de tensão utilizado no circuito (LM-7812), ou
seja, a substituição desse componente por um similar de baixo consumo irá baixar o
valor para algo em torno de 3mA.
Utilizando-se o conversor A/D de 14bits do módulo de aquisição USB, teremos
à disposição 16.383 divisões. Configurando o canal de aquisição de tensão para
funcionar de 0 a 5V, teremos uma resolução do A/D de 0,305mV. Como a
sensibilidade do sensor é de 2,786mV/g, o sistema terá uma resolução final de
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
86
aproximadamente 0,11 gramas. Ou seja, o sistema é sensível a qualquer variação
de carga mecânica igual ou superior a 0,11g.
Para análise da deriva do sistema, foi feito um experimento na bancada de
testes. Uma carga de aproximadamente 1Kgf foi cuidadosamente colocada sobre o
sensor, de forma a simular o efeito da pré-carga da mola encontrada sobre o sistema
de retorno da haste em apalpadores comutadores do tipo Kinematic Contact. Desta
forma faz-se a simulação da troca de um dos três apoios cinemáticos pelo sensor de
força, capaz de forças aplicadas sobre a haste em certas direções.
Foi realizada a captura de dados do sensor por um período de dois dias,
desprezando-se as primeiras e as últimas 1,5 horas por motivo de aquecimento do
sistema elétrico e presença física dentro da sala. Assim foram colhidos dados
válidos de 45 horas consecutivas, a uma taxa de aquisição de um ponto por segundo
e a gravação dos dados em um arquivo texto. A sala onde o experimento foi
realizado permaneceu trancada durante todo o período para evitar ao máximo a
influência de parâmetros alheios ao processo.
Após a coleta e armazenamento, os dados foram transferidos para o software
ORIGIN
®
devido à quantidade de pontos ser superior a 32.000 (valor máximo
permitido para tratamento no Excel
®
). A seguir, FIGURA 3.21, é apresentado o
gráfico que representa o processo durante o período analisado:
FIGURA 3.21 -Aquisição de dados do sensor FSG15N1A pelo período de 45 horas
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
87
Para análise do gráfico, foi realizada uma divisão do mesmo em 3 partes que
serão tratadas distintamente a seguir:
Primeiros 60.000 segundos (aproximadamente 17 horas)
Durante esse período, o gráfico apresenta um comportamento bem definido,
com um inicial decaimento do sinal (deriva de 55mV) e posterior estabilização. No
final desse período, uma pequena recuperação do sinal é observada.
De 60.000 a 81000 segundos (aproximadamente 6 horas)
Inicialmente ocorre uma abrupta queda do sinal de tensão advinda do sensor
(queda de 220mV), aparentemente indicando que algum fator externo (causa
especial de variação) influenciou na medida obtida. Essa variação pode ter sido
causada por uma repentina queda de tensão na rede elétrica, trincas no cristal
piezoresistivo, acomodação da carga sobre o sensor, dentre outros.
Após, verifica-se uma recuperação do sinal, indicando que o sistema tenta se
estabilizar a valores próximos aos obtidos anteriormente à incidência da causa
externa de variação.
De 81000 segundos em diante (aproximadamente 20 horas)
Inicialmente observa-se uma queda gradual da tensão advinda do sensor
seguida de estabilização, similarmente ao ocorrido no início do experimento. Após
esse período, verifica-se uma recuperação do sinal até o fim do experimento.
Considerações sobre os resultados obtidos
O experimento demonstrou a ocorrência de uma causa especial de variação
atuando sobre o sistema, cuja fonte não pode ser determinada com exatidão.
O sensor não apresenta um comportamento estável e linear, variando a saída
em cerca de 5% no decorrer do experimento, desprezada a causa especial de
variação. Observa-se que esse experimento fornece informações sobre a faixa de
tolerância a ser adotada para acionamento do sinal de disparo, caso fosse usado
esse sensor para disparo do apalpador comutador.
Com base na variação do sinal advindo do sensor, desprezando-se o vale
gerado pela causa especial de variação, se verifica que sua amplitude de variação
se encontrou na faixa de 150mV.
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
88
Para inferirmos a respeito da resolução desse transdutor, caso o apalpador
utilizasse diretamente este sensor para “sentir” o toque com a peça, podemos definir
uma tolerância igual a duas vezes a amplitude verificada (desprezando-se o vale
gerado pela causa especial de variação) como limite para acionamento do sinal de
disparo. Utilizando a relação de 2,786mV/g do sensor, o apalpador teria uma
sensibilidade para disparo do sinal de aproximadamente 8,4N, podendo gerar “pré-
travel” muito grande, especialmente para o uso de hastes longas.
Sensor de força Piezoresistivo modelo FSS1500NSB:
A seguir, TABELA 3-2, encontram-se os valores dos parâmetros obtidos para o
sensor de força piezoresistivo modelo FSS1500NSB da Honeywell.
TABELA 3-2 - Parâmetros obtidos para o sensor de força FSSS1500NSB
I
n
8mA
V
min
0,38V
V
max
4,43V
S
t
2,70mV/g
Parâmetros obtidos FSS1500NSB
Observa-se que a corrente nominal do circuito também é de 8mA devido à
utilização do regulador de tensão LM-7805, ou seja, a substituição desse
componente por um similar de baixo consumo poderá baixar o valor para algo em
torno de 3mA.
Como a sensibilidade do sensor é de 2,70mV/g, de maneira análoga ao
realizado para o sensor FSG15N1A, o sistema terá uma resolução final de
aproximadamente 0,11grama. Ou seja, o sistema é sensível a qualquer variação de
carga mecânica igual ou superior a 0,11g.
Diferentemente da família FSG de sensores de força piezoresistivos da
Honeywell, a família FSS não apresenta o disco circular para aplicação direta de
carga, mas sim uma pequena espera de aço temperado, sobre a qual a carga deve
ser aplicada.
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
89
Por esse motivo, um dispositivo para simular o efeito da pré-carga da mola foi
desenvolvido, FIGURA 3.22. Esse dispositivo é útil também para simular a aplicação
de uma força constante sobre o sensor e determinar o comportamento do sinal ao
longo do tempo.
FIGURA 3.22 - Ilustração do dispositivo para simulação de efeito de pré-carga no sensor FSS1500NSB
A rotação do parafuso central do dispositivo acarreta uma variação na
compressão da mola, que conseqüentemente, exerce maior ou menor carga sobre o
sensor. Para a realização das simulações, a compressão da mola foi ajustada de
forma que a saída do sensor fosse de 3080mV, valor que representa a aplicação de
uma carga de 1Kgf sobre o sensor.
Abaixo, FIGURA 3.23, é apresentada uma foto do dispositivo fabricado.
FIGURA 3.23 - Foto do dispositivo para simulação de efeito de pré-carga no sensor FSS1500NSB
De maneira análoga, foi realizada a captura de dados do sensor por um
período de aproximadamente 45 horas consecutivas, a uma taxa de aquisição de um
ponto a cada segundo e a gravação dos dados em um arquivo texto. A sala onde o
experimento foi realizado permaneceu trancada durante todo o período para evitar
ao máximo a influência de parâmetros alheios ao processo.
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
90
A seguir, FIGURA 3.24, se apresenta o gráfico que representa o processo
durante o período analisado:
FSS1500NSB Tensão(mv) X Tempo(sX5)
3,35
3,4
3,45
3,5
3,55
3,6
3,65
3,7
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000
Base de Tempo = 5 segundos
Tensão (mv)
FIGURA 3.24 - Aquisição de dados do sensor FSS1500NSB pelo período de 45 horas
Verifica-se a ocorrência de uma causa especial de variação atuando no sentido
contrário ao observado no gráfico do transdutor modelo FSG15N1A. Observa-se que
a duração e a intensidade do fenômeno são semelhantes para os dois sensores.
Da mesma forma que o ocorrido no caso do sensor FSG15N1A, não foi
possível determinar a causa de tais variações abruptas, tão pouco o motivo pelo qual
o sentido de variação ser invertido.
3.6 Sensores de Pressão Piezoresistivos
Conforme descrito anteriormente, sensores piezoresistivos de pressão são
fabricados desde meados da década de 1950, sendo amplamente utilizados na
indústria. Os métodos de fabricação, fusão de conectores, implantação de
piezoresistores e técnicas de encapsulamento são bastante conhecidos e há um
constante aprimoramento visando redução de custos de fabricação e aumento da
qualidade dos componentes fabricados.
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
91
Existem comercialmente dezenas de fabricantes de sensores de pressão
piezoresistivos, disponíveis em diversos tipos de encapsulamento, sendo que existe
ainda a possibilidade de aquisição apenas do elemento sensor, ou “chip”, contento a
membrana e os piezoresistores, sem encapsulamento.
Da mesma forma que os sensores de força piezoresistivos, por se tratar de
transdutores formados por elementos semicondutores, sua resistência elétrica é da
ordem de 5kohms, o que proporciona um baixo consumo.
Durante o trabalho de pesquisa e busca por fornecedores, foi possível
estabelecer uma boa relação com os fabricantes Freescale, USA e Merit Sensors
Systems, Canadá, sendo que o primeiro nos forneceu amostras de vários sensores
nos diversos encapsulamentos e faixas de pressão e o segundo nos auxiliou
tecnicamente na busca por uma solução que pudesse viabilizar a implantação de
sensores de pressão nos apalpadores, além de fornecer sensores com
encapsulamento cerâmico e elementos sensores para testes.
O grande desafio do uso de sensores de pressão nos apalpadores se encontra
na integração do sensor ao mecanismo de posicionamento da haste. Por mais
sensível que seja o sensor de pressão, de algum modo deve-se construir um êmbolo
capaz de transformar a movimentação da haste em variação de pressão para o
sensor.
Após vários esboços e contatos realizados com os fornecedores, não foi
possível encontrar uma solução razoável que possibilitasse a inserção direta dos
sensores de pressão ao equipamento de forma a garantir exatidão das medições e
durabilidade, visto que membranas flexíveis e compartimentos totalmente selados
deveriam ser projetados. Esses elementos tenderiam a perder suas características
de flexibilidade e vedação com o passar do tempo.
Desta forma partiu-se para a tentativa de excitar direta e mecanicamente o
diafragma de silício do elemento sensor, visto que isso abriria algumas
possibilidades para a utilização do sensor.
Foram testados diferentes tipos de sensores que suportavam diferentes faixas
de pressão. A seguir, FIGURA 3.25, é apresentada uma foto obtida pelo sistema de
captura de imagens Zeiss AxioCam MRc e microscópio Zeiss modelo Stemi 2000-C
do elemento sensor do sensor de pressão Freescale modelo MPXM2010D, capaz de
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
92
suportar 1,45PSI (o maior valor suportado pelos modelos desse fabricante é de
150PSI).
FIGURA 3.25 - Foto obtida em microscópio do diafragma de um sensor de pressão antes do teste de excitação
mecânica direta.
Para ter acesso ao diafragma, foi necessária a remoção parcial do
encapsulamento, de modo a garantir que o “chip” continuasse fixo à base e com os
fios e conectores intactos, fornecendo um ambiente propício para a realização dos
experimentos, FIGURA 3.26:
FIGURA 3.26 - Remoção da tampa superior do sensor de pressão para acesso ao diafragma
A excitação sobre os diafragmas foi realizada manualmente, através de um fio
de cobre flexível de 1mm de diâmetro com cobertura de borracha de 2mm de
diâmetro externo.
De acordo com (MAXIM, 2001), a espessura do diafragma dos sensores de
pressão piezoresistivos disponíveis comercialmente fica na faixa de 5 a 50
micrometros. Assim, a escolha pela excitação via fio de cobre flexível com
encapsulamento de borracha é adequada para testes iniciais, visto que a cobertura
de borracha tende a proteger o diafragma contra riscos.
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
93
Conforme é observado na FIGURA 3.27, o resultado preliminar, puramente
exploratório, demonstra que o diafragma dos sensores de pressão piezoresistivos é
extremamente delicado e não suporta a aplicação direta de uma força mecânica.
FIGURA 3.27 - Espessura reduzida e fragilidade dos cristais impedem excitação direta do diafragma de sensores
de pressão piezoresistivos.
Observa-se ainda que o simples contato com o fio de teste foi capaz de destruir
as conexões elétricas e danificar a matriz de silício em vários pontos.
Esse experimento preliminar for replicado para sensores com diferentes faixas
de pressão, encapsulamentos, e fabricantes, sendo observado resultados similares
em todos os casos.
3.7 Sensores de Toque Resistivos
Novos materiais e técnicas empregadas na fabricação de sensores táteis e de
toque possibilitam a obtenção de sensores que apresentam excelentes
características. A utilização de pastas e tintas resistivas de polímeros e prata,
juntamente com técnicas avançadas de impressão, possibilita a construção de
sensores de toque extremamente finos, flexíveis, robustos e duráveis, sendo que
alguns fabricantes garantem funcionamento estável de seus sensores até 5.000.000
de ciclos e suportar pesos de até 25Kgf.
A interface necessária para aquisição dos sinais dos sensores é relativamente
simples, composta apenas por amplificadores operacionais e alguns resistores. A
resistência elétrica desses sensores é extremamente alta, na casa de 20MΩ sem
carga e 20KΩ à carga máxima, tornando-os bastante apropriados para aplicações
que requerem baixo consumo.
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
94
A busca por fornecedores retornou dois fabricantes que atendem às
especificações preliminares de miniaturização, flexibilidade e faixa de medição.
Optou-se pela escolha do fornecedor americano Tekscan, que fornece uma linha de
sensores de toque analógicos denominada FlexiForce, FIGURA 3.28.
FIGURA 3.28 - Sensor de toque analógico FlexiForce A201. [FONTE: TEKSCAN, (2006)]
De acordo com TEKSCAN (2006), esses sensores são extremamente finos,
impressos em um circuito flexível. São construídos em duas camadas, em filmes de
poliéster e poliamida. Em cada camada, um material condutivo (prata) é aplicado,
seguido por uma camada de tinta sensível à pressão. Em seguida, as duas camadas
são coladas para formar o sensor. A área sensível é definida pelo circulo prateado.
O circuito impresso em prata se estende até os conectores do sensor, formando as
trilhas que conduzirão o sinal.
Abaixo, TABELA 3-3, são apresentadas as principais características dos
sensores FlexiForce A201:
TABELA 3-3 - Detalhamento das características dos sensores FlexiForce A201. [FONTE: TEKSCAN, (2006)]
Espessura
0,208mm
Largura
14mm
Área sensível
Circular: Diâmetro de 9,53mm
Erro de Linearidade <+/-5%
Repetibilidade
<+/-2,5% em fundo de escala
Histerese
<4,5% do fundo de escala
Drift
<5% por escala de tempo logarítmica
Tempo de resposta
<5 microsegundos
Temperatura de operação
(-9°C a 60°C)
Faixa de Força
(0 a 110 N)
Variação Térmica
Saída varia até 0,6% por °C
Performance
Sensor A201
Propriedades Físicas
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
95
O sensor A201 foi devidamente conectado a uma entrada analógica do módulo
de aquisição de dados USB-6009. Sobre o sensor foram sendo adicionadas
pequenas esferas de chumbo, cujo peso era anteriormente medido em uma balança
digital com resolução de 0,1grama. Os pesos foram adicionados até se atingir 1Kgf e
posteriormente foram sendo retirados na ordem inversa em que foram inseridos.
Os dados obtidos mostraram uma amplitude de variação de 0,25VDC entre a
aplicação de zero e 1Kgf. Esses dados nos permitem verificar que o sensor é capaz
de resolver 0,25mV/g. Segundo dados do catálogo, esse sensor apresenta inda
erros de linearidade, repetitividade, histerese e drift, que podem adicionar maior
incerteza a resolução do sensor.
3.8 Resultado da Escolha dos Transdutores
A seguir são apresentados os resultados obtidos da avaliação dos
transdutores.
3.8.1 Extensômetros
Avaliando o desempenho do circuito através do software de aquisição de
dados desenvolvido no LabVIEW, descrito no Item: Aquisição de Sinais Via
LabView
®
, observou-se claramente a ocorrência do fenômeno de histerese entre a
“ida” e a “volta” do sinal quando uma força é aplicada à extremidade livre da viga em
balanço
Foi então desenvolvimento um novo algoritmo mais robusto para compensação
da histerese e “drift”. O modelo foi implementado, demonstrando a versatilidade e
possibilidades de tratamento de sinais analógicos via software.
Porém, o tratamento desses fenômenos pode acabar por maquiar problemas
mecânicos reais como uma colisão do apalpador com a peça. Por esse motivo, o
tratamento de fenômenos como histerese e “drift” por software não é adequado para
a aplicação em questão.
Ponderando todos os dados obtidos nessa avaliação inicial, tem-se a matriz de
avaliação para o uso dos extensômetros, TABELA 3-4.
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
96
TABELA 3-4 - Avaliação sobre o uso de extensômetros no projeto
CRITÉRIO
TECNOLOGIA
Extensômetros 1 1 2 1 3 3
11
Método Inédito
(0 a 2)
Simplicidade
(0 a 2)
Robustez
(0 a 3)
TOTAL
Consumo
(0 a 3)
Custo
(0 a 3)
Integração
(0 a 3)
3.8.2 Sensores de Força Piezoresistivos
Após a realização dos experimentos e familiarização com a utilização desse
tipo de transdutores, algumas conclusões puderam ser levantadas no que tange sua
utilização:
1- Nos transdutores de força piezoresistivos experimentados, a força é aplicada
diretamente sobre o diafragma cristalino. Por esse motivo, tais sensores possuem
um parâmetro de especificação denominado “overforce” que indica a força máxima
que pode ser exercida sobre o cristal antes da sua ruptura. Nos modelos testados o
valor do parâmetro “overforce” é especificado em 4,5Kgf.
Esse fato se mostrou negativo ao projeto, pois a aplicação de mais de 4,5Kgf
causa dano irreversível ao sensor. Analisando a aplicação, verifica-se que raramente
esse valor será atingido em condições normais de trabalho, mas qualquer queda ou
mesmo uma leve colisão do apalpador com a máquina irá danificá-lo severamente.
Inicialmente esse fator havia sido negligenciado, (na matriz de avaliação da
tecnologia, havida sido dada nota 2 (Máxima 3) ao parâmetro robustez). Porém, com
os experimentos, verificou-se que o limite “overforce” é um fator crítico para o
projeto.
2- Apesar de pequenos (os menores existentes comercialmente na época em
que essa tese foi elaborada), os sensores de força piezoresistivos selecionados não
puderam ser alocados de forma satisfatória a se integrar com o arranjo mecânico de
um apalpador sensível às 3 direções. Mostrou-se necessária a utilização de pelo
menos 3 sensores, o que inviabiliza sua utilização pelos critérios custo e tamanho do
produto final.
3- Como seria necessário utilizar 3 sensores, o consumo nominal do circuito
seria de, no mínimo 5mA (utilizando um regulador de tensão SMD e consumo de
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
97
1mA por sensor). Utilizando uma bateria com capacidade de 100mAh, a autonomia
do apalpador seria de apenas 20 horas.
4- Os experimentos de aquisição de dados por um tempo prolongado
demonstraram que a saída dos sensores apresentaram variações abruptas da
ordem de 5% do fundo de escala sem que nenhum fator externo fosse inserido ao
sistema além da natural variação térmica da sala onde os testes foram realizados.
Fica evidente que esse comportamento não é esperado do transdutor mais
adequado ao projeto. Mesmo utilizando-se da correção do “drift” por software, esse
fato é negativo e prejudica a utilização dos sensores de força piezoresistivos nos
apalpadores.
Ponderando todos os dados obtidos, tem-se, TABELA 3-5, a matriz de
avaliação para o uso dos sensores de força piezoresistivos:
TABELA 3-5 - Avaliação sobre o uso de semicondutores piezoresistivos de força no projeto
CRITÉRIO
TECNOLOGIA
Semicondutores Piezoresistivos (Força) 2 1 2 2 1 2
10
Método Inédito
(0 a 2)
Simplicidade
(0 a 2)
Robustez
(0 a 3)
TOTAL
Consumo
(0 a 3)
Custo
(0 a 3)
Integração
(0 a 3)
De posse dessas considerações, decidiu-se que a tecnologia, apesar de
promissora, ainda se encontra em fase incipiente de desenvolvimento sendo, no
momento, pouco adequada ao propósito desse trabalho. No futuro, com uma maior
miniaturização dos sensores, robustez e confiabilidade, certamente sua utilização
deverá ser reconsiderada.
3.8.3 Sensores de Pressão Piezoresistivos
Até a data de impressão desta Tese, não foi possível identificar patente ou
sistema comercialmente disponível que utilizasse sensores de pressão
piezoresistivos em apalpadores comutadores.
Esses transdutores são bastante simples e relativamente fáceis de serem
utilizados, sendo que muitos deles possuem módulos de amplificação acoplados.
Além disso, são transdutores baratos devido a sua produção em larga escala
Por outro lado, sua utilização no projeto de um apalpador comutador de alto
desempenho se mostrou impraticável devido à impossibilidade de integração do
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
98
transdutor com o sistema apalpador. A excitação direta do diafragma se mostrou
inviável devido a sua fragilidade.
Os fatos observados proporcionaram o levantamento da matriz de avaliação
dos sensores de pressão piezoresistivos para o uso em apalpadores, cujo resultado
é apresentado a seguir, TABELA 3-6:
TABELA 3-6 - Avaliação sobre o uso de semicondutores piezoresistivos de pressão no projeto
CRITÉRIO
TECNOLOGIA
Semicondutores Piezoresistivos (Pressão ) 2 1 1 2 2 0
8
Método Inédito
(0 a 2)
Simplicidade
(0 a 2)
Robustez
(0 a 3)
TOTAL
Consumo
(0 a 3)
Custo
(0 a 3)
Integração
(0 a 3)
3.8.4 Sensores Toque Resistivos
Os dados de catálogo mostram que o sensor apresenta erros de linearidade,
repetitividade, histerese e drift. Inicialmente esses erros não impedem sua utilização
para acionamento do sinal de disparo, porém existiria a necessidade de tratamento
de sinal por software, caso contrário a estabilidade do sistema fica completamente
comprometida, visto que os erros apresentados pelo sensor podem gerar falsos
acionamentos ou então esconder problemas e falhas reais decorrentes de colisões
do apalpador.
O custo de aquisição desses sensores se compara ao custo de extensômetros
simples. Não existem fabricantes ou representantes no Brasil, sendo necessária a
importação direta da matriz nos Estados Unidos.
Apesar de serem maleáveis e possuírem aplicações bastante vastas, sendo
facilmente implantados no local onde se deseja realizar a medição da força, a
integração desse transdutor aos demais subsistemas do apalpador se mostrou
pouco vantajosa. Por serem sensíveis apenas a forças pontuais e normais ao plano
do disco sensor, não foi possível identificar uma forma de integrá-lo ao apalpador
sem prejudicar demasiadamente a integração com o arranjo mecânico e o
mecanismo de retorno da haste.
Ponderando todos os dados obtidos, tem-se, TABELA 3-7, a matriz de
avaliação para o uso dos sensores de toque resistivos modernos:
Capítulo 3 - Experimentos Iniciais e Escolha dos Sensores
99
TABELA 3-7 - Avaliação sobre o uso de sensores de toque resistivos no projeto
CRITÉRIO
TECNOLOGIA
Sensores de Toque Resistivos 2 1 1 2 2 1
9
Método Inédito
(0 a 2)
Simplicidade
(0 a 2)
Robustez
(0 a 3)
TOTAL
Consumo
(0 a 3)
Custo
(0 a 3)
Integração
(0 a 3)
3.8.5 Compilação dos Dados
Com base nos critérios estipulados e nas análises preliminares, foi montada a
seguinte matriz de avaliação:
TABELA 3-8 - Matriz geral de avaliação dos sensores
CRITÉRIO
TECNOLOGIA
Extensômetros 1 1 2 1 3 3
11
Semicondutores Piezoresistivos (Força)
2 1 2 2 1 2
10
Semicondutores Piezoresistivos (Pressão ) 2 1 1 2 2 0
8
Sensores de Toque Resistivos 2 1 1 2 2 1
9
Método Inédito
(0 a 2)
Simplicidade
(0 a 2)
Robustez
(0 a 3)
TOTAL
Consumo
(0 a 3)
Custo
(0 a 3)
Integração
(0 a 3)
Iniciando-se pelos extensômetros, esse transdutor obteve avaliação final 11,
sendo o mais pontuado. Os parâmetros custo e, principalmente, a flexibilidade de
instalação desses transdutores (podendo ser fixados em praticamente qualquer peça
mecânica, facilitando a integração de subsistemas) foram definitivos para sua
escolha. Outro fator levado em consideração é a recente disponibilidade comercial
de extensômetros piezoresistivos, que, por apresentarem resistência elétrica cerca
de 100 vezes maior, vem a somar pontos no critério “consumo”, sem prejudicar
demasiadamente os demais critérios.
A matriz de avaliação indica que a tecnologia de sensores de força
Piezoresistivos se mostra promissora. Mas ainda necessita de desenvolvimentos nos
quesitos miniaturização e fragilidade mecânica.
Desta forma, conforme a Matriz de Avaliação optou-se pela experimentação
com extensômetros.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
100
4 MATERIAIS E MÉTODOS
Decorrida a etapa de estudos e pré-escolha de sensores, partiu-se para a
etapa de projeto, construção e avaliação dos sistemas baseados em extensômetros
e comparação com o sistema de acionamento do sinal de disparo via contato
elétrico.
Conforme determinado no capítulo anterior, os seguintes transdutores foram
escolhidos para prosseguir os trabalhos:
Extensômetro Resistivo:
• Modelo: 1-LY11-1.5/120;
• Fabricante: HBM;
• Resistência Nominal: 120Ω;
• Dimensões externas (Largura x Altura): 4,7x6,5mm;
• Dimensões do “Grid” (Largura x Altura): 1,2x1,5mm;
• Tensão máxima de alimentação da ponte: 2,5 VDC;
• Fator de sensibilidade: 2.
Extensômetro Piezoresistivo:
Decidiu-se avaliar também o desempenho de extensômetros piezoresistivos,
visto que teoricamente, o mesmo apresenta vantagens sobre os extensômetros
resistivos, tal como maior resistência elétrica, que proporciona baixo consumo. Outro
fator positivo se deve ao fato de que o “gage factor” de extensômetros
piezoresistivos chega a ser 100 vezes o valor de extensômetros resistivos,
proporcionando alto ganho de sensibilidade.
Foram adquiridos através de importação Extensômetros piezoresistivos cujas
características são descritas abaixo:
• Modelo: SS-060-033-1000PB-SSGH;
• Fabricante: Micron Instruments, USA;
• Resistência Nominal: 1050Ω;
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
101
• Dimensões externas (Largura x Altura): 3x10,7mm;
• Tensão máxima de alimentação da ponte: 2,5 VDC;
• Fator de sensibilidade: 155.
FIGURA 4.1 – Extensômetro piezoresistivo com compensação térmica
O transdutor é fornecido já montado, conforme FIGURA 4.1, com dois
piezoresistores (longitudinal e transversal) termicamente casados montados em uma
base de Duraver E-CU-104 e resistores para complemento da ponte.
4.1 Definição dos Parâmetros de Comparação
A seguir são definidos os parâmetros de comparação entre os extensômetros.
Como parâmetro que possibilite a análise comparativa com o sistema de
acionamento do sinal de disparo por contato elétrico, a Repetitividade foi escolhida.
1- Nível de Ruído
No desenvolvimento de um apalpador comutador de alto desempenho, espera-
se que seu sistema de sensoriamento seja capaz de determinar um toque e
diferenciá-lo de ruídos, naturais em qualquer sistema analógico de aquisição de
dados.
Fisicamente, a aplicação de uma força advinda do toque do apalpador deve
gerar no extensômetro uma deformação e conseqüentemente um sinal elétrico
diferente daquele de ruído branco ou ruído de fundo. Quanto maior essa
diferenciação, mais eficiente é o sistema de detecção de toque desenvolvido.
2- Repetitividade
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
102
A repetitividade aqui se refere à variação da saída do extensômetro quando
solicitado várias vezes com a mesma deformação. Essa característica é de extrema
importância, pois garante o bom funcionamento do equipamento sem a necessidade
de “zeramento” e correções eletrônicas.
3- Sensibilidade térmica
Para o presente trabalho, o parâmetro Sensibilidade térmica, deve ser
entendido como a variação do sinal elétrico apresentado na saída do extensômetro
quando o mesmo não está submetido a nenhuma deformação.
4.2 Planejamento dos Experimentos
Abaixo são detalhados os procedimentos adotados para a determinação das
características dos extensômetros e contato elétrico quanto à sua utilização como
técnica de disparo do sinal de (“Trigger”) em apalpadores comutadores.
4.2.1 Extensômetros
A utilização de vigas em balanço ou (“cantilevers”) se mostrou bastante
adequada para a experimentação com extensômetros. A utilização de três vigas em
balanço a 120º no interior de um apalpador tendo o sistema de retorno da haste
apoiado sobre as extremidades livres da vigas em balanço através de um
acoplamento cinemático formaria um arranjo mecânico capaz de realizar perceber
forças aplicadas na haste de toque em qualquer sentido e direção.
Através de ensaios utilizando um apalpador comutador modelo TP-10 da
Renishaw e uma balança, levantou-se que a força média necessária para vencer a
pré-carga aplicada pela mola sobre pelo menos um dos 3 apoios cinemáticos e
ativar sinal de disparo é de 0,3Kgf.
Desta forma, decidi-se pela colagem de extensômetros na região de maior
deformação de vigas em balanço e aplicação de deslocamentos sobre a
extremidade livre das vigas para gerar uma variação na resistência elétrica dos
extensômetros.
Os transdutores eram então conectados a um circuito de amplificação para
posterior leitura e armazenamento dos dados.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
103
Utilizando-se o mesmo circuito de amplificação para os extensômetros
resistivos e piezoresistivos, têm-se as seguintes variáveis possíveis de alteração no
sistema eletro-mecânico:
• Tensão de Alimentação do Amplificador operacional;
• Tensão de Alimentação da Ponte de Wheatstone;
• Ganho do Amplificador Operacional;
• Comprimento do Cabo;
• Blindagem do Cabo;
• Deformação aplicada sobre o extensômetro;
• Temperatura do ambiente.
Para uma análise comparativa entre os dois transdutores, é necessário
controlar o maior número de variáveis possível, variando somente aquela cujo efeito
se quer observar.
Abaixo são detalhadas as abordagens utilizadas para tratamento de cada uma
das variáveis.
Tensões de alimentação:
Tanto a tensão de alimentação do amplificador operacional quanto a tensão de
alimentação da ponte de Wheatstone serão estabilizadas e referenciadas, de forma
a garantir uma alimentação confiável ao sistema, independentemente de flutuações
na rede elétrica.
Ganho do Amplificador Operacional:
Foi aplicado um método para determinação do ganho do amplificador
operacional a ser utilizado em cada sistema.
Mantendo-se a tensão de alimentação constante e referenciada, utilizando-se o
mesmo sistema de amplificação, cabos e blindagem, é possível variar o ganho dos
amplificadores operacionais a fim de equalizar a amplitude do sinal dos dois
sistemas mediante a aplicação da mesma deformação, FIGURA 4.2.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
104
Tensão (Vdc) X Tempo(ms)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
1 5 9 13 1721 25 29 33 3741 45 49 5357 61 65 6973 77 81
Tempo (ms)
Tensão (Vdc) a
Extensômetro A
Extensômetro B
FIGURA 4.2 – Ilustração de ajuste do ganho para casamento da amplitude do sinal
Desta forma, tem-se a variável (amplitude de sinal) determinada e igualada nos
dois sistemas. A partir daí, aplicando-se a mesma deformação nos dois
extensômetros, é possível verificar as características de cada um deles, levantado a
curva de resposta à deformação aplicada. É possível também comparar o nível de
ruído presente em cada sistema.
O resultado da aplicação desse método é parte integrante do Capítulo-5.
Comprimento e blindagem do cabo:
Os cabos que conectam os extensômetros à interface de amplificação serão
blindados para reduzir a sensibilidade do sistema a ruídos e será utilizado o mesmo
comprimento para os dois cabos.
Deformação aplicada sobre o extensômetro:
Para um melhor entendimento do fenômeno, bem como a região ideal para
colagem do extensômetro, foi realizada uma análise em software de elementos
finitos, simulando a aplicação de uma força normal ao plano formado pela superfície
superior da viga, aplicada sobre uma esfera rígida posicionada na extremidade livre,
FIGURA 4.3.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
105
FIGURA 4.3 – Aplicação de força na extremidade livre de uma viga engastada
O software utilizado para a simulação foi o Abaqus
®
Versão:6.5.1 e o material
utilizado para a viga foi o Aço Mola AISI-9255. A viga em balanço foi projetada
utilizando as mesmas medidas daquela que se deseja ensaiar nos experimentos
físicos reais. As dimensões da viga em (mm) são apresentadas a seguir, FIGURA
4.4
FIGURA 4.4 – Dimensões em (mm) da viga para simulação
O desenho foi então exportado para o software Abaqus
®
. A região anterior da
viga foi engastada, de forma que a aplicação da força de 0,3Kgf na extremidade
oposta gere uma deflexão da viga. Abaixo, FIGURA 4.5 e FIGURA 4.6, são
apresentados os resultados da simulação.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
106
FIGURA 4.5 – Deslocamento na direção (3) dada pelo software
FIGURA 4.6 – Deslocamento na direção (2) dada pelo software (sentido negativo)
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
107
Verifica-se que a aplicação de 0,3Kgf à extremidade livre da viga teve como
resultado uma deformação elástica de aproximadamente 0,7µm na direção (3),
concentrada na região logo após o engaste da viga, FIGURA 4.5. Medições
realizadas no software mostram que a região onde se concentra a deformação tem
2,2mm de comprimento na direção (3). Outro efeito observado quando da aplicação
da força se dá pelo deslocamento de 13µm da extremidade livre da viga na direção
(2) (sentido negativo), FIGURA 4.6. Ressalta-se que as direções (1, 2 e 3) são
nomeadas pelo software, sendo as direções 1 e 3 no plano da folha e a direção 2
atravessando a mesma perpendicularmente.
Como resultado da simulação foi possível estabelecer o local mais adequado
para instalação dos extensômetros bem como determinar a grandeza dos
deslocamentos e deformações presentes no material quando da aplicação uma força
de 0,3kgf.
Após a fixação dos extensômetros no local determinado pela simulação, a viga
deverá ser fixada em um suporte, conforma a ilustração a seguir, FIGURA 4.7.
FIGURA 4.7 – Viga em balanço fixada à suporte
A fixação da viga ao suporte é feita por meio de dois parafusos inclinados que
empurram a peça contra o batente localizado na região oposta.
O suporte deve então ser fixado à base de um Centro de Usinagem com
capacidade de deslocamento sub-micrométrico no eixo Z. Um pino guia acabando
em uma superfície plana retificada e polida será fixado em cone HSK E32 no eixo
árvore. O pino será posicionado sobre a extremidade livre da viga em balanço e será
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
108
aplicado deslocamento em “Z” a fim de defletir a extremidade livre da viga e gerar
deformação nos extensômetros.
Para o monitoramento da temperatura, um sensor térmico deve ser inserido
próximo ao sistema, de forma a monitorar a temperatura no decorrer de toda a
experimentação.
4.2.1.1 Ensaio de Ajuste do Ganho e Equalização de Amplitudes
Com base nos dados obtidos da simulação em elementos finitos, optou-se pela
aplicação de um deslocamento de 4µm em “Z” com incrementos de 0,2µm”. Esse
valor se mostrou mais adequado dado o alto fator de sensibilidade dos
extensômetros piezoresistivos, rapidamente saturando o sinal de saída da interface
amplificadora. Após cada deslocamento foram capturadas 40 amostras do canal
analógico referente ao sinal do extensômetro e 40 amostras da posição do eixo “Z”
provenientes da comunicação serial com a interface ND 280. O fluxograma da
interação é apresentado a seguir, FIGURA 4.8.
FIGURA 4.8 – Fluxograma do procedimento de deslocamento incremental do eixo árvore e medição da tensão
do extensômetro e valor do MT 1201
Desta forma partiu-se para os ensaios de ajuste do ganho para os
extensômetros.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
109
• Extensômetro Resistivo
Foram selecionados três ganhos distintos para a realização do ensaio:
G1
r
=10.000, G2
r
=7.900 e G3
r
=1.715. A máxima amplificação permitida para o
amplificador operacional selecionado é de 10.000 vezes, FIGURA 4.18, página 121.
Desta forma, este ganho foi selecionado com a finalidade de se verificar a máxima
amplificação possível para extensômetros resistivos cujo Fator de Sensibilidade é
igual a 2.
O ganho G2
r
foi selecionado de forma a se obter uma amplificação próxima a
80% do valor máximo permitido para o amplificador operacional. Esse valor foi
denominado “valor máximo seguro” pelo fato de minimizar erros de linearidade e
instabilidade presentes quando o valor de ganho utilizado se aproxima do máximo
permitido. Os erros de linearidade e instabilidade decorrem do fato dos valores da
resistência R
G
se tornarem muito pequenos para amplificações da ordem de 10.000
vezes, fazendo com que a própria resistência elétrica dos fios finos, trilhas e soldas
influenciem substancialmente no resultado da medição.
O ganho G3
r
foi selecionado com a finalidade de se obter informações a
respeito do comportamento desses extensômetros quando se utiliza amplificação
próxima de 20% do valor máximo seguro.
• Extensômetro Piezoresistivo
Com base nos ganhos estipulados para os extensômetros resistivos, foram
realizados os cálculos para se obter a amplificação teórica necessária para o
extensômetro piezoresistivo a fim de se obter a mesma relação tensão X
deformação dos extensômetros resistivos com G=7.900.
Como o “Gage Factor” dos extensômetros convencionais é 77,5 vezes menor
que o “Gage Factor” dos extensômetros piezoresistivos selecionados, estes
apresentam relação tensão X deformação 77,5 vezes maior. Desta forma, o ganho
teórico é calculado dividindo-se G2
r
pelo valor do Fator de Sensibilidade do
extensômetro piezoresistivo, GF
p
, Equação 4.1.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
110
102
5,77
900.7
2
1
2
1 ==
×
=
p
r
p
GF
G
G
Equação 4.1
Calculado G1
p
teórico, foram selecionados outros 2 ganhos distintos para
verificar o desempenho dos extensômetros piezoresistivos com amplificações cinco
e dez vezes maiores que G1
p
. Utilizando-se resistores comerciais, foi possível
ajustar os 3 ganhos de forma que G1
p
=110, G2
p
=508 e G3
p
= 873.
4.2.1.2 Levantamento das Curvas de Calibração e Cálculo da
Repetitividade
Com base na configuração proposta, foi realizado o seguinte experimento:
Fixando–se o sistema à mesa do Centro de Usinagem, o eixo árvore foi
posicionado sobre a esfera fixada na extremidade livre da viga em balaço e foram
aplicados deslocamentos incrementais de 0,2µm no eixo (Z), na direção (-) até a
detecção da menor deformação do extensômetro, indicando que a superfície plana
do pino guia fixado no cone do eixo árvore tocou o ponto mais alto da esfera. Neste
momento a coordenada do eixo (Z) é zerada.
Em seguida, serão aplicados deslocamentos incrementais de 0,2µm no eixo
(Z), na direção (-). Completando o deslocamento de 16µm, será realizado o percurso
de volta. O valor de deslocamento de 16µm oi determinado como sendo o inteiro
mais próximo daquele observado na simulação, FIGURA 4.6, acrescido de 25%.
Para medir o deslocamento em (Z) a cada incremento do eixo árvore, um
sistema de medição de comprimento (“Length Gage”) da empresa Heidenhain
®
,
modelo METRO CT 6000 com exatidão de 0,01µm (após inserção da curva de
calibração fornecida pelo fabricante no Indicador Digital ND 280) foi posicionado na
base do Centro de Usinagem de forma que a ponta de medição meça o
deslocamento do eixo árvore.
Desta forma, a cada incremento, o valor de tensão da saída do Amplificador
Operacional foi coletado, bem como o valor de deslocamento indicado no indicador
digital do (“Length Gage”).
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
111
O procedimento foi repetido 80 vezes, totalizando um deslocamento teórico de
16µm na extremidade livre da viga, deslocamento este, compatível com a
deformação gerada pela pré-carga aplicada sobre cada um dos três cilindros dos
apalpadores comutadores do tipo Kinematic Contact somada à deformação gerada
por um toque.
Em seguida o procedimento foi aplicado na direção inversa, aliviando a
deformação sobre o extensômetro.
O fluxograma da interação é apresentado na FIGURA 4.9.
FIGURA 4.9 – Fluxograma do procedimento de deslocamento incremental do eixo para levantamento de curva
sinal X deslocamento.
O resultado da interação é o levantamento da curva Tensão (VDC) X
Deslocamento (µm) aplicado na extremidade livre da viga a uma dada temperatura,
conforme ilustra a FIGURA 4.10.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
112
FIGURA 4.10 – Ilustração da curva de Tensão (VDC) X Deslocamento (µm) à temperatura T1
De acordo com o fluxograma, o procedimento que consiste na aplicação do
deslocamento de 16µm descrito foi repetido por trinta vezes consecutivas a fim de se
levantar um conjunto de dados para o calculo da repetitividade do sistema.
A porta da máquina foi mantida fechada desde uma hora antes do início do
experimento, para se obter uma estabilização térmica do ambiente onde o
experimento se realizará.
Cada ciclo de aplicação de 16µm na direção (Z) (-) e alívio na direção inversa
levou aproximadamente dez segundos, de forma que tempo decorrido do início ao
fim do experimento foi de aproximadamente cinco minutos. Durante esse período,
alterações térmicas do ambiente interno da máquina podem ser desprezadas com
segurança desde que nenhuma causa especial de variação térmica haja durante o
experimento.
4.2.1.3 Levantamento da Resposta dos Transdutores a Variações
Térmicas
O seguinte método foi aplicado para determinação da curva de resposta dos
transdutores com relação à variação térmica do ambiente, (Sinal(VDC) X
Temperatura(
o
C)).
Um sensor de temperatura foi instalado próximo aos extensômetros dentro da
máquina, de forma a monitorar a temperatura do ambiente do transdutor. Para evitar
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
113
variações bruscas de temperatura, a porta da máquina foi mantida fechada por todo
o período de experimentação.
Para o experimento em questão, o Centro de Usinagem foi utilizado apenas
como ambiente para a execução do experimento, visto que é o local onde os
apalpadores são instalados.
O eixo árvore do centro de usinagem foi afastado do sistema, ou seja, os
extensômetros trabalharam sem nenhuma deformação durante todo o experimento,
de forma que a principal fonte de alteração no sinal proveniente desses transdutores
foi a variação térmica do ambiente dentro da máquina.
O experimento se traduziu pelo monitoramento da temperatura e sinal
proveniente de cada extensômetro pelo período de vinte e quatro horas
consecutivas. Os dados foram capturados a cada dez minutos e armazenados para
posterior análise. A cada medição foram capturados o valor da temperatura e
quarenta amostras do valor do sinal do extensômetros.
Os Transdutores foram ensaiados separadamente, em dias diferentes. O
fluxograma do ensaio é apresentado a seguir, FIGURA 4.11.
FIGURA 4.11 - Fluxograma do procedimento adotado para monitoramento da variação sinal do extensômetro em
função da temperatura dentro da máquina.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
114
4.2.1.4 Levantamento da Resposta Dinâmica dos Transdutores a
Aplicação de um Deslocamento em Degrau
O seguinte método foi realizado para determinação da resposta dos
transdutores com relação à aplicação de um deslocamento em degrau à
extremidade livre da viga em balanço, de forma a se obter uma curva Sinal(VDC) X
Tempo(ms).
Um fio elétrico foi conectado a um pequeno martelo metálico normalmente
utilizado em análise dinâmica de estruturas. A outra extremidade do fio foi conectada
aos 5VDC da fonte de alimentação por meio de uma resistência elétrica de 1KΩ e a
uma entrada analógica do módulo de aquisição de dados, de forma que toda vez
que o martelo (metálico) entrasse em contato com a esfera fixada na extremidade
livre da viga em balanço(também metálica) conectada ao terra, haveria uma
passagem de corrente elétrica pela resistência, fazendo com que o sinal adquirido
caísse de 5VDC para 0VDC.
Foram então aplicadas 30 pequenas batidas com o martelo sobre a esfera fixa
na extremidade livre da viga em balanço e realizada a aquisição de dados do evento.
Nesse processo, foram consideradas válidas as batidas que não apresentem rebotes
e tivessem amplitudes similares.
A taxa de aquisição de dados utilizada para os ensaios foi de 10.000 amostras
por segundo, a fim de se verificar a resposta dinâmica e o atraso da resposta dos
transdutores com relação ao instante de contato do martelo com a esfera da viga em
balanço.
A avaliação de cada extensômetro foi dada em função do tempo necessário
para início da resposta a partir do instante da batida e do tempo necessário para
atingir o pico do sinal também a partir do instante da batida.
A resposta dinâmica não foi caracterizada por meio do tempo de resposta (Ts)
padrão pois é de interesse determinar o tempo do pico do sinal e não 63,2% do sinal
total como determina esse padrão de análise.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
115
4.2.2 Contato Elétrico
Diferentemente dos sistemas desenvolvidos para experimentação dos
extensômetros, a técnica de geração do sinal de disparo por contato elétrico se vale
apenas da passagem ou interrupção de passagem de corrente elétrica quando
ocorre o fechamento ou abertura de uma chave elétrica.
Desta forma, foi desenvolvido um dispositivo eletromecânico com a finalidade
de gerar o sinal de disparo quando houvesse o contato entre uma esfera metálica,
fixa em uma base de referência, e um plano retificado e polido, caracterizando um
contato pontual, . O plano era então deslocado sobre a esfera repetidamente e a
posição do plano no momento do contato elétrico era capturada.
FIGURA 4.12 – Ilustração do mecanismo de contato entre plano e esfera.
A configuração de contato pontual entre plano e esfera proposta simula o
contato que ocorre nos acoplamentos cinemáticos existentes nos apalpadores
comutadores do tipo Kinematic Contact e tem por finalidade inferir a respeito da
repetitividade na geração do sinal de disparo de sistemas baseados em contato
elétrico.
Como nos extensômetros, o experimento se baseou na utilização de um Centro
de Usinagem com capacidade de deslocamento sub-micrométrico no eixo vertical
(Z), onde um pino guia acabando em uma face plana retificada foi fixado em cone
HSK E32 no eixo árvore. Foram então aplicados deslocamentos em (Z) a fim fechar
o contato elétrico entre o plano e a esfera de referência.
O dispositivo eletromecânico, além de chave elétrica, fez o papel de divisor de
deslocamento. Conforme ilustra a FIGURA 4.13, fixando-se as duas peças na base
do centro de usinagem, aproximando-se o eixo árvore sobre a esfera da direita e
aplicando-se um deslocamento em (Z) na direção negativa na esfera, a viga se
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
116
deflete, sendo que o deslocamento vertical verificado na extremidade livre da viga é
maior que aquele verificado sobre a esfera da esquerda.
FIGURA 4.13 – Ilustração do mecanismo para ensaio da técnica de disparo do sinal de (“Trigger”) por contato
elétrico.
Ainda com relação à FIGURA 4.13, mantendo-se a distância (LE) constante,
quanto maior a distância entre as duas esferas (LD), maior será a divisão de
deslocamento, segundo a relação dada pela equação:
LE
LDLE
R
+
=
Equação 4.1
Onde:
LD= distância entre o ponto de contato com a esfera de referência na superfície de referência
e o centro da esfera da direita.
LE= distância entre o ponto de contato com a esfera de referência na superfície de referência e
o ponto de restrição da viga;
O mecanismo proposto foi fixado por meio de parafusos a um suporte de
material isolante e todo o conjunto foi fixado à mesa do Centro de Usinagem. Sob a
viga, foi fixada uma estrutura que serviu de suporte e fixação para a esfera de
referência da esquerda. Quando houvesse deflexão da barra, a esfera entraria em
contato com a face inferior da barra, fechando o contato da chave elétrica. A seguir,
FIGURA 4.14, tem-se uma ilustração do mecanismo montado.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
117
FIGURA 4.14 – Ilustração do sistema de teste de repetitividade do contato elétrico
Devido ao material isolante da base, o contato elétrico entre as duas peças
(viga central e peça de referência) só é possível através do contato mecânico entre a
esfera da esquerda no suporte e a superfície inferior retificada e polida da peça da
viga.
O sinal elétrico foi monitorado por meio de uma entrada analógica (“single
suply”: GND e +5VDC) do módulo de aquisição de dados. O pólo positivo
proveniente da fonte de alimentação interna do módulo foi conectado diretamente ao
pólo correspondente da entrada analógica, enquanto o pólo (GND) da fonte foi
conectado à viga central do sistema de medição e uma outra conexão foi feita entre
a peça referência e o pólo GND do módulo de aquisição.
Desta forma, não havendo contato entre a face inferior da viga e a esfera da
esquerda na peça referência, a Diferença de Potencial (DDP) presente na entrada
analógica é nula, pois o circuito está aberto. Quando houver o contato, a entrada
analógica do módulo de aquisição de dados é provida de dois pólos com tensões
distintas. Com o auxílio do software de aquisição de dados, é possível, por exemplo,
armazenar os dados ou criar o gráfico da DDP x Tempo na tela do computador. A
seguir, FIGURA 4.15, é apresentado o esquema proposto para a aquisição do sinal
elétrico do contato.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
118
FIGURA 4.15 – Sistema de aquisição de dados do experimento de repetitividade de contato elétrico.
De posse dos materiais, métodos e dispositivos, o seguinte experimento foi
realizado:
O pino fixado ao cone e este, por sua vez, fixado ao eixo árvore, foi
posicionado sobre a esfera da direita e foram aplicados deslocamentos incrementais
de 0,2µm em “Z” (-), fazendo com que a face inferior da viga sobre a esfera da
esquerda também se desloque em “Z” (-) aproximando-se da esfera da esquerda,
sendo esta relação entre os deslocamentos dada pela Equação 4.1.
Para medir o deslocamento em “Z” a cada incremento do eixo árvore, um
sistema de medição de comprimento (“Length Gage”) da empresa Heidenhain
®
,
modelo METRO CT 6000 com exatidão de 0,01µm (após inserção da curva de
calibração fornecida pelo fabricante no Indicador Digital ND 280) foi posicionado na
base do Centro de Usinagem de forma que a ponta de medição meça o
deslocamento do eixo árvore.
O procedimento foi repetido até se verificar, pelo software de aquisição, que
houve o contato permanente entre a esfera e a superfície de referência. Defini-se
como contato estabelecido, o momento em que não existam mais ruídos de
fechamento de contato elétrico, FIGURA 4.16.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
119
FIGURA 4.16 – Estabelecimento do contato elétrico
O eixo árvore era afastado mais 2µm (Z+) e o procedimento repetido por 10
vezes, sempre anotando o valor do indicador digital do “Length Gage” quando
houvesse o contato. Ao final do experimento, obtinha-se um conjunto de dados com
10 valores referentes à coordenada “Z” do instante em que houve o contato elétrico.
A FIGURA 4.17 abaixo, ilustra o resultado esperado para um conjunto de 10
interações.
Primeira Repetição
23
23,5
24
24,5
25
T
o
q
ue
1
Toque 2
T
o
q
ue 3
T
o
q
ue
4
T
o
q
ue 5
T
o
q
ue
6
Toque 7
T
o
q
ue 8
T
o
q
ue
9
Toque 10
Toques
Deslocamento (microns)
FIGURA 4.17 –Variabilidade da posição da perda do Contato Elétrico medida pelo (“Length Gage)”.
Para a obtenção da variabilidade real do deslocamento observado sobre a
esfera da direita, os valores de variabilidade obtidos através do (“Length Gage”)
devem ser divididos pelo parâmetro “R” obtido pela Equação 4.1.
Devido à instalação da barra divisora de deslocamento, o sistema como um
todo se tornou bastante sensível a variações térmicas. A relação entre LD e LE nos
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
120
mostra que, por exemplo, uma contração térmica de 1µm do suporte da esfera de
referência faz com que seja necessária uma movimentação adicional de 7,48µm do
eixo árvore até que haja o contato elétrico, o que levaria a um grande erro de
medição do sistema.
Para evitar que isso ocorra, cada ensaio composto de 10 toques foi realizado o
mais brevemente possível, de forma a ser concluído em, no máximo, 1 minuto.
Com base no conjunto de dados, é possível o cálculo da repetitividade do
sistema de acionamento do sinal de disparo por contato elétrico, possibilitando a
comparação com os resultados obtidos para os extensômetros.
4.3 Bancos de Ensaios
A instrumentação do Centro de Usinagem teve por objetivo realizar a aquisição
das principais variáveis que se desejam medir: Posição/Deslocamento do eixo
árvore, tensão (VDC) referente à deformação dos extensômetros e temperatura, no
caso dos ensaios com extensômetros, e posição do eixo árvore e contato elétrico
entre superfície de referência e esfera, no caso dos ensaios do contato elétrico.
Além dos dados a serem obtidos, foram necessárias a usinagem e preparação
de alguns dispositivos, cujo processo também é descrito nesse item.
4.3.1 Medição e Monitoramento do Sinal do Extensômetro
É apresentado a seguir o detalhado projeto da interface amplificadora cujo
objetivo foi o de amplificar o sinal analógico advindo dos extensômetros e adequá-
los à sua leitura via software LabView
®
.
Visando minimizar a influência de variáveis externas ao processo, foi
desenvolvida uma interface amplificadora versátil, com ajuste fino do ganho
realizado por resistores e conector para fácil troca dos extensômetros.
No projeto do circuito foi utilizado amplificador de instrumentação, modelo INA-
125 da Burr-Brown, FIGURA 4.18. Trata-se de um amplificador de baixo consumo,
que fornece tensões referenciadas de alta precisão (2,5, 5 e 10 VDC) para a
alimentação da ponte de Wheatstone. O ganho, variável de 4 a 10.000, pode ser
ajustado através de um único resistor.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
121
Desta forma, a tensão de alimentação estabilizada para a ponte de Wheatstone
foi fornecida pelo próprio amplificador operacional, o qual foi alimentado pelo módulo
de aquisição de dados.
FIGURA 4.18 – Conexão básica do INA-125 para amplificação de sinal proveniente de Ponte de Wheatstone.
A FIGURA 4.19 mostra o esquema da interface amplificadora desenvolvida.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
122
FIGURA 4.19 – Interface amplificadora desenvolvida a partir do amplificador operacional INA 125
No circuito projetado, o módulo de aquisição NI USB-6009 fornece 5VDC para
alimentar a interface amplificadora e o amplificador operacional, uma vez alimentado
corretamente, fornece tensão de 2,5VDC calibrada e referenciada para a ponte de
Wheatstone, da qual os extensômetros fazem parte através de um circuito de meia
ponte.
O circuito propicia ainda o balanceamento da ponte através de um
potenciômetro de ajuste fino.
A saída da interface amplificadora fornece um sinal analógico de 0,5 a 4,5 VDC
referentes à amplificação do sinal do extensômetro para ser inserido diretamente em
uma entrada analógica do módulo de aquisição NI USB-6009.
4.3.2 Medição e Monitoramento de Temperatura
Para a medição da temperatura durante os experimentos com extensômetros,
foi utilizado um sensor de temperatura modelo LM35DH da National Semiconductor
com encapsulamento metálico TO-46. O sensor apresenta saída a tensão
proporcional à temperatura em Graus Celsius e linear na faixa de +2
o
C à +150
o
C
quando alimentado com uma tensão (“Single Supply”) entre +4 e +30VDC, FIGURA
4.20.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
123
FIGURA 4.20 – Conexão básica do sensor de temperatura
Foi utilizado um amplificador operacional de ganho unitário na saída do sensor
para isolar a impedância do circuito de entrada. Optou-se pela utilização de ganho
unitário para evitar distorções de amplificação. Como o sensor fornece uma variação
de 10mV/
o
C, a resolução dos conversores A/D do módulo de aquisição é suficiente
para resolver até 0,05
o
C sem a necessidade de amplificação. Desta forma, o sinal
proveniente o Amplificador Operacional de ganho unitário foi diretamente conectado
a uma entrada analógica do módulo de aquisição de dados.
Como proteção e vedação dos cabos elétricos e sensor, visto que a imersão
em água se fez necessária para o banho, o sensor foi envolto em um tubo de
silicone, de forma que apenas a ponta do sensor fosse exposta ao banho, FIGURA
4.21.
FIGURA 4.21 – Vedação do sensor de temperatura para imersão em água.
Decidiu-se pela realização da calibração do sensor através de banho
termostático para garantir boa exatidão das medidas, cujo procedimento e resultado
é apresentado como Anexo.
A curva de calibração do sensor foi então inserida no software Labview
®
,
obtendo-se diretamente na tela o gráfico da temperatura calibrada do sensor ao
longo do tempo.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
124
4.3.3 Medição e Monitoramento do Deslocamento do Eixo Árvore
Para o controle exato do deslocamento do eixo árvore na direção “Z”, o sistema
de medição de comprimento METRO CT 6000 foi fixado ao eixo árvore por meio de
um suporte usinado, FIGURA 4.22.
FIGURA 4.22 – Fixação do sistema de medição ao eixo árvore
Desta forma, deslocamentos do eixo árvore podiam ser lidos diretamente no
display digital de posição, modelo ND 280 da Heidenhain, FIGURA 4.23.
FIGURA 4.23 - Display digital de posição modelo ND 280
Para possibilitar a visualização e o armazenamento dos dados de posição no
computador, foi realizada comunicação serial entre o display ND 280 e o PC.
4.3.4 Sistema de Aquisição de Dados
Para monitoramento dos três sinais (Sinal analógico amplificado do
extensômetro, sinal analógico de temperatura e posição “Z”), visualização na tela e
gravação dos dados em arquivos Excel
®
foi desenvolvida um painel de
instrumentação virtual em LabView
®
, FIGURA 4.24.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
125
FIGURA 4.24 – Tela frontal do painel de instrumentação virtual desenvolvido em LabView
®
.
Tanto o sinal do extensômetro quanto a temperatura foram adquiridas por meio
da utilização de duas entradas analógicas do módulo de aquisição de dados modelo
NI USB-6009 da National Instruments.
A aquisição da posição do (“Length Gage”) modelo METRO MT 1201 foi
realizada via comunicação serial entre o indicador digital ND 280 e o LabView
®
.
Para realizar o sincronismo de ações entre o sistema de aquisição de dados e
o programa CNC responsável por realizar os incrementos e decrementos de posição
em “Z”, foi realizada uma passagem de parâmetros do LabView
®
para o CNC,
através da escrita em variáveis do tipo “Custom Macro”. Essa passagem de
parâmetros foi realizada através da Rede Kyatera, que disponibiliza a comunicação
entre o Centro de Usinagem Mori Seiki e o computador. Desta forma, a execução de
movimentos do eixo “Z” pôde ser comandada pelo LabView
®
.
4.3.5 Preparação dos Ensaios com Extensômetro Resistivo e
Piezoresistivo no Centro de Usinagem Mori Seiki
Após a fixação dos extensômetros no local determinado pela simulação, a viga
em balanço foi fixada ao suporte previamente usinado. O cone foi então acoplado ao
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
126
eixo árvore e o suporte de extensômetros por sua vez, foi fixado à mesa do Centro
de Usinagem por meio de uma Morsa de precisão, FIGURA 4.25.
FIGURA 4.25 – Fixação da viga em balanço à base da máquina
Ainda de acordo com a FIGURA 4.25, para o monitoramento da temperatura, o
sensor térmico foi posicionado próximo ao extensômetro, de forma a monitorar a
temperatura do ambiente no decorrer de toda a experimentação.
A FIGURA 4.26 mostra a montagem do sistema eletromecânico completo.
FIGURA 4.26 – Preparação para ensaio com extensômetros no centro de usinagem Mori Seiki
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
127
Ao lado do centro de usinagem, foi posicionada a bancada onde foram
colocados os equipamentos eletrônicos dos sistemas de medição de temperatura,
deslocamento do eixo árvore em “Z” e sinal elétrico advindo do extensômetro,
computador e fonte de alimentação.
A seguir, FIGURA 4.27, é apresentada uma visão da bancada com todos os
equipamentos ao lado do centro de usinagem.
FIGURA 4.27 – Preparação para ensaios com extensômetros.
4.3.6 Preparação dos Experimentos para Determinar a
Repetitividade do Sinal de Disparo via Contato Elétrico
Conforme descrito no Planejamento dos Experimentos, a técnica de disparo do
sinal de (“Trigger”) por contato elétrico se vale da passagem ou interrupção de
passagem de corrente elétrica quando ocorre o fechamento ou abertura de uma
chave elétrica.
O mecanismo proposto foi usinado em Aço Mola AISI9255, de forma a se obter
a peça em forma de “L”. Um “alivio” foi usinado na região de maior deflexão da barra
para aproveitar ao máximo o efeito de mola requerido para o experimento. Após a
usinagem, a face inferior da barra foi retificada e polida com a finalidade de se obter
um plano de referência para o toque com a esfera, FIGURA 4.28
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
128
FIGURA 4.28 – Polimento realizado na face inferior da barra de aço mola
Foi realizada a medição de rugosidade em vários pontos da face inferior da
barra na região de contato com a esfera de referência, FIGURA 4.29.
FIGURA 4.29 – Medição da Rugosidade da face inferior da barra de aço mola
Após sucessivos polimentos, as medições mostraram que a máxima
rugosidade para a região foi de 0,04µm Ra, valor bastante abaixo da faixa de
medição que se pretende medir.
Finalizada a preparação, a barra foi fixada ao suporte e à base isolante. A
esfera de referência foi também instalada na base e os fios elétricos foram
conectados, FIGURA 4.30.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
129
FIGURA 4.30 – Montagem do sistema disparo do sinal de (“Trigger”) por contato elétrico.
O sistema foi então fixado pela base isolante à mesa do centro de usinagem
por meio de uma morsa de precisão. O sensor de temperatura foi instalado próximo
ao ponto de contato entre a face e a esfera de referência e os fios elétricos foram
devidamente conectados à entrada analógica do sistema de aquisição de dados.
A restrição usinada na viga teve por finalidade proporcionar o deslocamento da
mesma através da aplicação de forças da ordem de 0,1Kgf sobre a esfera. Como a
base do sistema é feita de material isolante de baixa rigidez, a necessidade
aplicação de forças da ordem de alguns Kgf para deslocar a barra de aço mola
poderia gerar uma deformação plástica ou torção de todo o sistema fixado na morsa,
o que geraria medições imprecisas.
O pino fixado ao cone e este, por sua vez, fixado ao eixo árvore, foi
posicionado sobre a esfera da extremidade e foram aplicados deslocamentos
manuais incrementais via “Hand Wheel” em “Z” (-), fazendo com que a face inferior
da viga sobre a esfera da extremidade também se deslocasse em “Z” (-)
aproximando-se da esfera de referência.
Para medir o deslocamento em “Z” a cada incremento do eixo árvore, o sistema
de medição de comprimento CT 6000 foi posicionado no eixo árvore do Centro de
Usinagem de forma que a ponta de medição media o deslocamento do eixo árvore
com relação à base, FIGURA 4.31.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
130
FIGURA 4.31 - Sistema disparo do sinal de (“Trigger”) por contato elétrico instalado no Centro de Usinagem
O procedimento foi repetido até se verificar, pelo software de aquisição, que
houve o contato permanente entre a esfera e a superfície de referência. Neste
momento, o valor da coordenada do indicador digital do “Length Gage” era anotado.
Após isso, o eixo árvore subia e o procedimento se repetia por 10 vezes,
sempre anotando o valor do indicador digital do “Length Gage” quando houvesse o
contato. Ao final do experimento, eram obtidos conjuntos de dados com 10 valores
referentes à coordenada “Z” do contato elétrico relativa ao valor do indicador digital.
Esse procedimento foi repetido 21 vezes ao longo de três dias (7 vezes ao dia).
Para a obtenção da variabilidade real do deslocamento observado sobre o
ponto de contato, os valores de variabilidade obtidos através do (“Length Gage”)
foram divididos por 7,48, que é a relação entre LD e LE obtidas para o sistema real
através da medição em traçador de alturas.
Capítulo 5 – Resultados e Discussões
131
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Abaixo são detalhados os ensaios realizados e resultados obtidos.
5.1 Extensômetros
A seguir são apresentados os resultados dos ensaios realizados para
determinação das características dos extensômetros.
5.1.1 Ajuste do Ganho para Equalização de Amplitude
Conforme descrito no item Planejamento dos Experimentos, foi utilizado um
método para determinação dos ganhos do amplificador operacional que foram
utilizados em cada um dos dois extensômetros:
Os equipamentos foram todos ligados duas horas antes do início dos
experimentos a fim de minimizar alterações provenientes do aquecimento de
componentes elétricos.
• Extensômetros Resistivos
A seguir são apresentados os gráficos em patamares obtidos da aquisição de
dados para os três ganhos:
Capítulo 5 – Resultados e Discussões
132
FIGURA 5.1 – Resposta do extensômetro resistivo (G=10.000)
Observou-se na FIGURA 5.1 uma variação de 0,9 VDC e um deslocamento de
3,6 µm, o que resulta em uma resolução de 0,25 Volt por µm.
FIGURA 5.2 – Resposta do extensômetro resistivo (G=7.900)
Capítulo 5 – Resultados e Discussões
133
Observou-se na FIGURA 5.2 uma variação de 0,75 VDC e um deslocamento
de 3,7 µm, o que resulta em uma resolução de 0,20 Volt por µm.
FIGURA 5.3 - Resposta do extensômetro resistivo (G=1.715)
Observou-se na FIGURA 5.3 uma variação de 0,15 VDC e um deslocamento
de 3,6 µm, o que resulta em uma resolução de 0,04 Volt por µm.
Desta forma, verifica-se que a máxima relação tensão X deformação possível
para o sistema resistivo, utilizando-se o “valor máximo seguro” (G=7.900), foi de 0,20
Volt por mícron deslocado na ponta da viga em balanço. A utilização do ganho
G=10.000 vai além dos limites de confiabilidade e linearidade dados pela interface
amplificadora desenvolvida e por isso não foi utilizada.
• Extensômetros Piezoresistivos
A seguir são apresentados os gráficos em patamares obtidos da aquisição de
dados para os três ganhos:
Capítulo 5 – Resultados e Discussões
134
FIGURA 5.4 – Resposta do extensômetro Piezoresistivo (G=110)
Observou-se na FIGURA 5.4 uma variação de 0,74 VDC e um deslocamento
de 3,8 µm, o que resulta em uma resolução de 0,19 Volt por µm.
FIGURA 5.5 – Resposta do extensômetro Piezoresistivo (G=508)
Capítulo 5 – Resultados e Discussões
135
Observou-se na FIGURA 5.5 que houve saturação saída da interface
amplificadora, cuja máxima tensão de saída é 4VDC. Desta forma, o último patamar
de incremento não pode ser lido e deve ser desconsiderado. Verificou-se uma
variação de 2,7 VDC e um deslocamento de 3,4 µm, descontado o último patamar
onde houve a saturação, o que resulta em uma resolução de 0,79 Volt por µm.
FIGURA 5.6 – Resposta do extensômetro Piezoresistivo (G=873)
Conforme a FIGURA 5.6, observa-se que houve saturação mais rápida da
saída da interface amplificadora, cuja máxima tensão de saída é 4VDC, capturando
alterações até o oitavo patamar. Desta forma, o nono patamar em diante de
incremento não puderam ser lidos e devem ser desconsiderados. No intervalo de
confiança, descontando a faixa de saturação, verificou-se uma variação de 2,5 VDC
e um deslocamento de 1,5 µm, o que resulta em uma resolução de 1,66 Volt por µm.
• Análise dos Dados
Nessa etapa foi possível identificar a maior amplificação segura a se utilizar no
extensômetro resistivo, que possibilitou uma resolução de 0,2 VDC por milésimo de
milímetro deslocado e foi possível identificar o ganho correspondente a se utilizar no
extensômetro piezoresistivo para equalizar a amplitude dos dois sistemas mediante
Capítulo 5 – Resultados e Discussões
136
a aplicação da mesma deformação, possibilitando uma comparação direta das
características de ambos.
A utilização dos ganhos para exploração de informações adicionais foram úteis
para se verificar que não é viável utilizar os extensômetros resistivos com ganhos
muito abaixo do valor máximo seguro. Verificou-se também que é possível alcançar
melhores resoluções com extensômetros piezoresistivos, visto seu maior fator de
sensibilidade.
5.1.2 Curvas de Calibração e Repetitividade
A seguir são apresentados os resultados dos ensaios e levantamento das
curvas.
• Extensômetro Resistivo (G=7.900)
A seguir, FIGURA 5.7, é apresentado o gráfico das primeiras 10 iterações
resultantes do ensaio realizado conforme fluxograma proposto na FIGURA 4.9.
Extensômetro Resistivo
curva Tensão (VDC) X Deslocamento (µm)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Tempo [Min.]
Deslocamento (micron/100)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Sinal (VDC)
Deslocamento em "Z" (y esq.)
Sinal do Extensômetro (y dir.)
Deslocamento [
µ
m]
Sinal (VDC)
1 320
FIGURA 5.7 – Gráfico Tensão (VDC) X Deslocamento (µm) ao longo do tempo.
Capítulo 5 – Resultados e Discussões
137
A seguir, FIGURA 5.8, é apresentado o levantamento da nuvem de pontos de
Tensão (VDC) X Deslocamento (µm) adquirida no experimento completo, bem como
a equação linear que a descreve e o coeficiente de determinação R-quadrado.
Curva de Calibração de Tensão X Deslocamento
Extensômetro Resistivo
[µm] = 4,7404[VDC] - 2,2066
R
2
= 0,9999
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Sinal de Entrada (VDC)
Deslocamento
Deslocamento
Linear (Deslocamento)
Saída Deslocamento [
µ
m]
FIGURA 5.8 – Curva de calibração do extensômetro resistivo.
• Extensômetro Piezoresistivo (G=110)
A seguir, FIGURA 5.9, é apresentado o gráfico das primeiras 10 iterações
resultantes do ensaio realizado também conforme o fluxograma da FIGURA 4.9.
Capítulo 5 – Resultados e Discussões
138
Extensômetro Piezoesistivo
curva Tensão (VDC) X Deslocamento (µm)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Tempo [Min.]
Deslocamento (micron/100)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Sinal (VDC)
Deslocamento em "Z" (y esq.)
Sinal do Extensômetro (y dir.)
Sinal (VDC)
Deslocamento [
µ
m]
1 320
FIGURA 5.9 - Gráfico Tensão (VDC) X Deslocamento (µm) ao longo do tempo.
A seguir, FIGURA 5.10, é apresentado o levantamento da nuvem de pontos de
Tensão (VDC) X Deslocamento (µm) adquirida no experimento completo, bem como
a equação linear que a descreve e o coeficiente de determinação R-quadrado.
Curva de Calibração de Tensão X Deslocamento
Extensômetro Resistivo
[µm] = 4,4817[VDC] - 2,2918
R
2
= 0,9999
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Sinal de Entrada [VDC]
Deslocamento
Linear (Deslocamento)
Saída Deslocamento [
µ
m]
FIGURA 5.10 - Curva de calibração do extensômetro piezoresistivo.
Capítulo 5 – Resultados e Discussões
139
• Análise dos Dados
Observando-se as curvas de calibração dos dois transdutores, nota-se que
ambos apresentam comportamento linear em toda a amplitude de medição, tendo
bem definida a equação da reta que descreve a relação entre sinal e deslocamento
da viga.
A partir do conjunto de dados obtidos como resultado da aplicação dos
deslocamentos (tabela com valor do deslocamento aplicado (µm) e respectivo sinal
do extensômetro (VDC)), foi feito um levantamento do desvio padrão dos sinais
obtidos para os mesmos deslocamentos aplicados, visto que, no ciclo de 30
excitações da viga, os deslocamentos se repetem, Anexo IV. Com isso é possível
inferir a respeito da repetitividade do sistema em cada ponto.
Em seguida, FIGURA 5.11 e FIGURA 5.12, são apresentados os desvios
padrão (transformados em deslocamento através da curva de calibração)
observados ao longo do deslocamento de 15 micrometros para o extensômetro
resistivo e piezoresistivo respectivamente.
Extensômetro Resistivo G=7.900
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Deslocamento [µm]
Desvio Padrão
Desvio Padrão [
µ
m]
FIGURA 5.11 – Desvio padrão observado ao longo do deslocamento (extensômetro Resistivo)
Capítulo 5 – Resultados e Discussões
140
Extensômetro Piezoresistivo G=110
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Deslocamento [µm]
Desvio Padrão
Desvio Padrão [
µ
m]
FIGURA 5.12 – Desvio padrão observado ao longo do deslocamento (extensômetro Piezoresistivo)
A média dos desvios padrão observada foi de 0,043 micrômetro para o
extensômetro resistivo e 0,038 micrômetro para o extensômetro piezoresistivo,
enquanto o máximo desvio padrão observado foi de 0,118 micrômetro para o
extensômetro resistivo e de 0,114 micrômetro para o extensômetro piezoresistivo
respectivamente.
Para cálculo da repetitividade dos sistemas com a finalidade de compará-las
diretamente, foi utilizado o cálculo das médias dos desvios padrão para o conjunto
de dados de cada um dos sistemas. Desta forma, temos:
×±=
∑
n
padrãoDesvio
REPET
n
amostras
1
_
6
Equação 5.1
Aplicando a fórmula para os conjuntos de dados obtidos tanto para o
extensômetro resistivo quanto para o extensômetro piezoresistivo, temos:
Capítulo 5 – Resultados e Discussões
141
m
n
padrãoDesvio
REPET
n
sExt
µ
258,0043,06
_
6
1
.Re.
±=×±=
×±=
∑
Equação 5.2
m
n
padrãoDesvio
REPET
n
PiezExt
µ
228,0038,06
_
6
1
..
±=×±=
×±=
∑
Equação 5.3
5.1.3 Resposta dos Transdutores a Variações Térmicas
A seguir são apresentados os resultados obtidos para cada transdutor.
• Extensômetro Resistivo (G=7.900)
A FIGURA 5.13 mostra o resultado do experimento ao longo das vinte e quatro
horas de aquisição de dados do extensômetro resistivo.
Resposta do extensômetro resistivo
a variações térmicas
26
26,5
27
27,5
28
28,5
Deslocamento (micron/100)
0,5
0,6
0,7
0,8
Sinal (VDC)
Temperatura (oC) (y esq.)
Sinal do Extensômetro (y dir.)
Temperatura (oC)
Sinal (VDC)
FIGURA 5.13 – Sensibilidade Térmica do extensômetro resistivo
Capítulo 5 – Resultados e Discussões
142
Verifica-se que o comportamento do sinal proveniente do transdutor varia de
maneira inversamente proporcional à variação térmica, porém não foi possível
observar uma relação linear que descreva essa função. Observando-se o gráfico das
24 horas de dados, verifica-se que a temperatura variou de 26,4
o
C até 28,3
o
C,
enquanto o sinal do transdutor variou de 0,57Volt até 0,71Volt. Desta maneira, para
o experimento realizado, houve uma variação de 0,14Volt no sinal do transdutor para
uma variação térmica do ambiente de 1,9
o
C. Aplicando a equação de calibração do
extensômetro resistivo sobre a amplitude da variação do sinal no período,
verificamos uma variação 0,7 micrometros. Esse valor se mostra excessivamente
alto, visto que proporcionalmente, uma variação de 10ºC, que é normal em um chão
de fábrica convencional, acarretaria uma incerteza de medição de aproximadamente
3,5 micrometros.
• Extensômetro Piezoesistivo (G=110)
A FIGURA 5.14 mostra o resultado do experimento ao longo das vinte e quatro
horas de aquisição de dados do extensômetro piezoresistivo.
Resposta do extensômetro piezoresistivo
a variações térmicas
25,5
26
26,5
27
27,5
28
28,5
Deslocamento (micron/100)
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,5
0,5
0,5
0,5
Sinal (VDC)
Temperatura (oC)
Sinal do Extensômetro
Temperatura (oC)
Sinal (VDC)
FIGURA 5.14 – Sensibilidade Térmica do extensômetro piezoresistivo
Verifica-se que a variação do sinal proveniente do transdutor pouco tem a ver
com a variação térmica do ambiente, de forma que não foi possível observar uma
Capítulo 5 – Resultados e Discussões
143
relação linear que descreva essa função. Observando-se o gráfico das 24 horas de
dados adquiridos, verifica-se que a temperatura variou de 25,8
o
C até 28,3
o
C,
enquanto que o sinal do transdutor variou de 0,45Volt até 0,47Volt. Desta maneira,
para o experimento realizado, houve uma variação de 0,02Volt no sinal do transdutor
para uma variação térmica do ambiente de 2,5
o
C. Aplicando a equação de
calibração do extensômetro piezoresistivo sobre a amplitude da variação do sinal no
período, verificamos uma variação 0,09 micrometros. Esse valor se mostra
adequado, visto que proporcionalmente, uma variação de 10ºC, que é normal em um
chão de fábrica convencional, acarretaria uma incerteza de medição de
aproximadamente 0,3 micrometros.
Plotando o sinal dos dois extensômetros no período de experimentação, visto
que a variação térmica para os dois casos foi similar, verifica-se claramente a
vantagem dos extensômetros piezoresistivos com relação a influencia da
temperatura, FIGURA 5.15.
Comparativo de Sensibilidade térmica
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
0,75
0
1
2
3
3
4
5
6
7
8
8
9
10
11
12
13
13
14
15
16
17
18
18
19
20
21
22
23
23
Tempo [hs]
Tensão [VDC]
Extensômetro Resistivo
Extensômetro Piezoresistivo
Tensão [VDC]
FIGURA 5.15 – Variação térmica comparativa dos dois extensômetros ao longo do ensaio
• Análise dos Dados
Analisando as curvas de temperatura e sinal ao longo do tempo, é possível
verificar que o extensômetro resistivo ensaiado se mostrou cerca de 10 vezes mais
Capítulo 5 – Resultados e Discussões
144
sensível à variação térmica do que o extensômetro piezoresistivo. Esse
comportamento se deve ao alto ganho aplicado ao extensômetro resistivo, que faz
com que o efeito da variação térmica sobre os demais componentes do sistema
eletrônico também sejam multiplicados pelo mesmo fator. Verifica-se ainda que,
embora não seja possível determinar uma função que descreva a tensão dos
transdutores em função da temperatura, o extensômetro resistivo apresentou
variações cujo comportamento é visivelmente relacionado à variação térmica do
ambiente.
Apesar de ambos estarem ligados em meia ponte, com um extensômetro
sofrendo deformação e outro colado a 90 graus com a finalidade de realização de
uma compensação térmica, essa configuração, tida teoricamente como a mais
estável para realização da compensação térmica, não obteve o efeito desejado para
o extensômetro resistivo.
5.1.4 Resposta Dinâmica à Aplicação de um Deslocamento em
Degrau
A seguir são apresentados os resultados obtidos para o ensaio dos
extensômetros resistivos e piezoresistivos.
• Extensômetro Resistivo (G=7.900)
A FIGURA 5.16 mostra o resultado de um dos ensaios para uma entrada em
degrau proveniente da excitação do martelo para o extensômetro resistivo.
Capítulo 5 – Resultados e Discussões
145
Resposta Dinâmica
Extensômetros Resistivos
0
1
2
3
4
5
6
0
0,3
0,6
0,
9
1,
2
1,5
1,
8
2,1
2,
4
2,
7
3
3,3
3,
6
3,9
4,
2
4,5
4,8
5,
1
5,
4
5,
7
6
6,3
6,6
6,
9
7,
2
7,
5
7,8
Tempo [ms]
Sinal [VDC]
Batida com martelo (entrada)
Sinal do extensômetro (Saída)
Sinal (VDC)
FIGURA 5.16 – Resposta do extensômetro resistivo a uma entrada degrau.
Analisando os dados das 30 excitações válidas para o extensômetro resistivo,
verifica-se que após o contato do martelo com a esfera da viga, decorrem-se em
média 0,3ms (com desvio padrão de 0,1ms) e o pico do sinal referente à batida
ocorre em média 2,3ms (com desvio padrão de 0,2ms) após o inicio do evento.
Abaixo, TABELA 5-1 são apresentados os dados referentes às 30 excitações.
TABELA 5-1 – Resposta à entrada degrau – Extensômetro Resistivo
Excitação Início Pico Excitação Início Pico Excitação Início Pico
1 0,3 2,3 11 0,3 2,5 21 0,2 2,1
2 0,3 2,5 12 0,3 2,6 22 0,4 2,5
3 0,2 2,1 13 0,4 2,4 23 0,4 2,6
4 0,3 2,5 14 0,4 2,3 24 0,4 2,1
5 0,3 2,4 15 0,3 2,3 25 0,3 2,5
6 0,3 2,3 16 0,2 2,5 26 0,4 2,1
7 0,4 2,4 17 0,3 2,4 27 0,3 2,2
8 0,3 2,4 18 0,4 2,2 28 0,2 2,3
9 0,3 2,5 19 0,3 2,4 29 0,3 2,2
10 0,2 2,4 20 0,3 2,1 30 0,3 2,3
0,3
2,3
Excitações - Extensômetro Resisivo (valores em milisegundos)
Desvio Padrão - Início
Desvio Padrão - Pico
0,1
0,2
Média - Pico
Média - Início
Capítulo 5 – Resultados e Discussões
146
• Extensômetro Piezoresistivo (G=110)
A FIGURA 5.17 mostra o resultado de um dos ensaios para uma entrada em
degrau proveniente da excitação do martelo para o extensômetro piezoresistivo.
Resposta Dinâmica
Extensômetros Piezoresistivos
0
1
2
3
4
5
6
0
0,3
0,6
0,
9
1,
2
1,
5
1,8
2,1
2,
4
2,
7
3
3,
3
3,6
3,9
4,2
4,
5
4,
8
5,1
5
,4
5,7
6
6,
3
6,
6
6,
9
7,2
7,5
7,
8
Tempo [ms]
Sinal [VDC]
Batida com martelo (entrada)
Sinal do extensômetro (Saída)
Sinal (VDC)
FIGURA 5.17 – Resposta do extensômetro resistivo a uma entrada degrau.
Analisando os dados das 30 excitações válidas para o extensômetro
piezoresistivo, verifica-se que o transdutor começa a responder à excitação menos
de 0,1ms após o contato do martelo com a esfera da viga e o pico do sinal referente
à batida ocorre em média 1ms (com desvio padrão de 0,1ms) após o início do
evento.
Abaixo, TABELA 5-2, são apresentados os dados referentes às 30 excitações.
Capítulo 5 – Resultados e Discussões
147
TABELA 5-2 - Resposta à entrada degrau – Extensômetro Piezoresistivo
Excitação Início Pico Excitação Início Pico Excitação Início Pico
1 0 0,9 11 0 0,9 21 0 0,8
2 0 0,9 12 0 0,8 22 0 0,8
3 0 1,1 13 0 1,1 23 0 1,1
4 0 1,2 14 0 0,8 24 0 1,2
5 0 0,8 15 0 0,9 25 0 0,9
6 0 0,9 16 0 1,1 26 0 1,1
7 0 1 17 0 1 27 0 0,9
8 0 1 18 0 1 28 0 0,9
9 0 1,1 19 0 1,2 29 0 1,2
10 0 0,9 20 0 0,8 30 0 0,8
Excitações - Extensômetro Piezoresisivo (valores em milisegundos)
Média - Início 0,0
Desvio Padrão - Pico 0,1
Média - Pico 1,0
Desvio Padrão - Início 0,0
• Análise dos dados
Quando da aplicação de uma excitação do tipo degrau, esse ensaio
complementar apresenta resultados que evidenciam que o extensômetro
piezoresistivo responde mais rapidamente que o extensômetro resistivo testado,
tanto para começar a responder ao estimulo quanto para atingir o pico do sinal.
Trata-se de um dado importante pois, caso seja aplicado em um apalpador
comutador, um atraso na resposta do sistema sensor pode acarretar em erros nas
medições.
Utilizando tempo de resposta Ts=63,2% do pico da resposta com relação ao
instante da batida com o martelo, tem-se que Ts=0,9ms para o extensômetro
resistivo e Ts=0,5ms para o extensômetro piezoresistivo.
5.2 Contato Elétrico
Os valores de posição do “Length Gage” e do sinal analógico advindo do
contato elétrico eram capturados paralelamente a uma taxa de 40 amostras por
segundo e armazenados em colunas diferentes de uma planilha para posterior
análise.
A seguir, FIGURA 5.18, é apresentado o resultado de uma repetição composta
por 10 toques.
Capítulo 5 – Resultados e Discussões
148
FIGURA 5.18 – Experimento demonstrando a posição do “Length Gage” no momento do contato elétrico.
Para a determinação exata da posição em que ocorreu o contato, era verificado
na coluna de dados referente ao contato elétrico, o número do elemento onde ouve a
mudança definitiva de 0VDC para 5VCD. Em seguida era lido o valor contido no
mesmo elemento da coluna de dados referente à posição.
Os resultados obtidos para o experimento acima são mostrados a seguir,
TABELA 5-3
TABELA 5-3 - Resultado do experimento 4 – posições de contato
Toque1 Toque2 Toque3 Toque4 Toque5 Toque6 Toque7 Toque8 Toque9 Toque10
19,38 19,35 19,50 19,50 19,45 19,57 19,47 19,54 19,40 19,45
Desvio Padrão dos Dados
0,070 micrometro
Posição de "Trigger" (micrometros) - Experimento 4
Média dos Dados
19,46 micrometros
A seguir é apresentado o resultado final dos dados compilados para os 21
experimentos.
TABELA 5-4 - Dados compilados para as repetições de 1 a 7 (valores em micrometros).
Experimento 1 Experimento 2 Experimento 3 Experimento 4 Experimento 5 Experimento 6 Experimento 7
Toque 1 24,46 23,63 21,47 19,38 13,23 10,4 9,4
Toque 2
24,34 23,38 21,57 19,35 13,22 10,42 9,19
Toque 3 24,3 23,2 21,19 19,5 13,26 10,15 9,11
Toque 4 24,22 23,32 21,29 19,5 13,3 9,93 9,04
Toque 5
24,13 23,27 21,33 19,45 13,14 9,75 9,28
Toque 6 24,35 23,06 21,44 19,57 13,05 9,7 9,14
Toque 7
24,1 23,43 21 19,47 12,88 9,8 9,18
Toque 8
24,24 23,41 21,05 19,54 12,99 9,84 9,4
Toque 9 24,36 24,4 20,77 19,4 13,02 9,46 9,44
Toque 10
24,3 23,23 20,89 19,45 13,02 9,66 9,23
Média
24,28 23,433 21,2 19,461 13,111 9,911 9,241
Desvio Padrão 0,110 0,373 0,266 0,070 0,139 0,318 0,136
Capítulo 5 – Resultados e Discussões
149
TABELA 5-5 - Dados compilados para as repetições de 8 a 14 (valores em micrometros).
Experimento 8 Experimento 9 Experimento 10 Experimento 11 Experimento 12 Experimento 13 Experimento 14
Toque 1 8,58 5,36 4 1,25 -1,3 15,13 15,2
Toque 2
8,55 5,53 4,01 0,79 -1,45 14,55 14,92
Toque 3 8,64 4,59 4 0,98 -1,51 15,31 15,47
Toque 4 8,54 4,8 4,03 1,34 -1,5 15,1 15,45
Toque 5
8,36 4,69 4,01 1,16 -1,15 14,82 15,8
Toque 6 8,01 4,69 4,01 0,74 -1,59 14,49 15,83
Toque 7
8,28 4,65 4,01 0,95 -1,2 14,48 15,85
Toque 8
8,31 4,59 4,01 0,94 -1,12 15,32 15,77
Toque 9 8,31 4,84 4,03 0,69 -1,19 14,76 15,79
Toque 10
8,42 4,62 3,98 1,23 -1,37 14,69 15,66
Média
8,4 4,836 4,009 1,007 -1,338 14,865 15,574
Desvio Padrão 0,188 0,334 0,014 0,229 0,169 0,327 0,313
TABELA 5-6 - Dados compilados para as repetições de 15 a 21 (valores em micrometros).
Experimento 15 Experimento 16 Experimento 17 Experimento 18 Experimento 19 Experimento 20 Experimento 21
Toque 1 15,71 15,65 14,3 9,76 7,89 6,78 4,74
Toque 2
15,73 15,62 14,13 9,68 7,83 6,8 4,95
Toque 3 15,62 15,61 14,29 9,68 7,73 6,75 4,58
Toque 4 15,56 15,27 14,21 9,69 7,8 6,59 4,75
Toque 5
15,34 15,3 14,17 9,62 7,94 6,66 4,53
Toque 6 15,24 15,43 14,1 9,53 7,73 6,46 4,82
Toque 7
15,64 15,07 14,22 9,13 7,78 6,72 4,77
Toque 8
15,48 15,27 14,07 9,21 7,8 6,81 4,83
Toque 9 15,31 15,39 14,16 9,28 7,72 6,36 4,87
Toque 10
15,48 14,88 14,16 9,06 7,78 6,42 4,77
Média
15,511 15,349 14,181 9,464 7,8 6,635 4,761
Desvio Padrão 0,171 0,248 0,075 0,265 0,071 0,168 0,126
• Análise dos Dados
A repetitividade do sistema baseado em contato elétrico sem a aplicação do
fator divisor foi calculada como sendo ±6 vezes a média dos desvios padrão de
todos os experimentos, Equação 5.4.
m
padrãoDesvio
REPET
amostras
µ
18,1196,06
21
_
6
21
1
±=×±=
×±=
∑
Equação 5.4
Aplicando-se o fator divisor igual a 7,48, que é a relação entre LD e LE obtidas
para o sistema real, temos:
m
m
R
REPET
amostras
ce
µ
µ
σ
16,0
48,7
18,1
±=
±
=
=
Equação 5.5
Capítulo 5 – Resultados e Discussões
150
Desta maneira, a repetitividade do contato elétrico foi calculada como sendo de
±0,16µm (6 Sigma). Esse valor não leva em conta o desgaste dos contatos,
variações térmicas e de umidade que influenciam de forma a piorar essa
característica.
Capítulo 6 - Conclusões
151
6 CONCLUSÕES
Foi apresentada nesse trabalho uma síntese geral dos transdutores mais
comumente encontrados no mercado para aplicação como elemento sensor de um
apalpador comutador. Propôs-se e se aplicou um método para identificar
primeiramente quais desses elementos são os mais adequados para o fim proposto.
Finalmente foram realizados ensaios e análises estatísticas com a finalidade de se
obter parâmetros de comparação do desempenho dos extensômetros resistivos e
piezoresistivos em relação ao desempenho do contato elétrico.
Com base em todos os ensaios apresentados nesse trabalho, as seguintes
conclusões podem ser traçadas:
• Devido à miniaturização dos transdutores e especificidade necessária para a
aplicação como elemento sensor de um apalpador comutador cujas dimensões
sejam compatíveis com o padrão miniaturizado existente mercado para
Máquinas-Ferramenta, não foi possível encontrar até então uma solução
comerciar pronta para ser diretamente aplicada ao sistema;
• Dentre os transdutores ensaiados na fase de experimentação inicial, os
extensômetros foram os que obtiveram maior pontuação segundo a metodologia
aplicada;
• A máxima relação tensão X deformação possível para o sistema resistivo,
utilizando-se o “valor máximo seguro” (G=7.900), foi de 0,20 Volt por mícron
deslocado na ponta da viga em balanço. O ganho aplicado ao extensômetro
piezoresistivo capaz de geral a mesma relação tensão X deformação foi (G=110).
Desta forma verifica-se que o extensômetro piezoresistivo se mostrou cerca de
setenta vezes mais sensível à deformação que os extensômetros convencionais;
• O levantamento da curva de calibração dos extensômetros demonstra que,
apesar sensibilidade superior do extensômetro piezoresistivo, este não apresenta
relação sinal / ruído diferente do extensômetro resistivo, visto que a repetitividade
apurada dos dados é similar para os dois transdutores;
• O valor da repetitividade ± 6 desvios-padrão apurada (sem a influência da
variação térmica) para o extensômetro resistivo e piezoresistivo foi de ±0,258µm
e ±0,228µm respectivamente;
Capítulo 6 - Conclusões
152
• Apesar de ambos os extensômetros terem sido montados em um circuito meia-
ponte composto por dois extensômetros (o primeiro na direção da deformação e
o segundo perpendicular a ela) para efeitos de compensação térmica, o
extensômetro resistivo se mostrou cerca de 10 vezes mais sensível a variações
térmicas do que o extensômetro piezoresistivo. (0,35 mícron/°C contra 0,036
mícron/°C respectivamente);
• Com relação à resposta dinâmica advinda da aplicação de um deslocamento em
degrau, verificou-se que o extensômetro piezoresistivo foi capaz de responder
mais rapidamente a excitação;
• Os ensaios realizados mostram que em todos os casos o extensômetro
piezoresistivo obteve resultados iguais ou superiores ao extensômetro resistivo,
evidenciando que, comparativamente, o extensômetro piezoresistivo é mais
adequado para a aplicação em questão.
• O ensaio realizado para determinar a repetitividade ± 6 desvios-padrão apurada
(sem a influência da variação térmica) do contato elétrico foi de ±0,16µm, valor
esse melhor que o obtido para o extensômetro piezoresistivo;
• Verifica-se que o extensômetro piezoresistivo se apresenta como uma boa
alternativa ao contato elétrico, visto que proporciona boa integração entre os
subsistemas eletromecânicos do apalpador, baixa sensibilidade a variações
térmicas e de umidade do ambiente e repetitividade similar.
•
Capítulo 6 - Conclusões
153
6.1 Sugestões Para Trabalhos Futuros
No decorrer do desenvolvimento da Tese em questão, análise dos ensaios e
dificuldades encontradas, foram surgindo novas possibilidades de trabalho para
enriquecer e dar continuidade ao que foi realizado até o momento.
Abaixo são elencados algumas sugestões para trabalhos futuros:
• Avaliar a influência da utilização de ganhos acima de 1000 em extensômetros
piezoresistivos na sensibilidade térmica e na repetitividade do sistema;
• Avaliar a viabilidade da utilização de conversores A/D de alta resolução como
substitutos dos amplificadores operacionais na amplificação dos sinais dos
extensômetros piezoresistivos;
• Avaliar a influência da variação da umidade na repetitividade do contato elétrico;
• Estudar metodologias de interpretação do sinal analógico amplificado advindo do
extensômetro piezoresistivo para acionamento do sinal de disparo;
• Construir sistemas apalpadores baseados em contato elétrico e em
extensômetros piezoresistivos e analisar a repetitividade obtida para cada
sistema;
• Avaliar o efeito da dilatação térmica nos apalpadores baseados em contato
elétrico e em extensômetros piezoresistivos.
Referências
154
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Anexos
159
ANEXO I – CALIBRAÇÃO DO SENSOR DE TEMPERATURA
ATRAVÉS DE BANHO TERMOSTÁTICO
A calibração do sensor de temperatura em banho termostárico foi realizada
para faixa de temperatura de 10ºC a 50ºC. O sistema de banho era composto por
uma cuba serpenteada por um aquecedor elétrico. Inicialmente foi inserido gelo e
água na cuba de forma a se obter água a 0ºC. Em seguida o aquecedor controlado
por termostato foi ligado e a temperatura foi incrementada de 1 em 1ºC até atingir
50ºC. Um conjunto de termômetros analógicos de precisão calibrados foi utilizado
para verificar a temperatura do banho. A cada incremento de 1ºC e estabilização da
medida do termômetro o valor da temperatura e o correspondente valor de tensão na
saída analógica do sensor de temperatura era anotado.
Abaixo, FIGURA I.1, é apresentada a banda de testes montada para a
realização da calibração.
FIGURA I.1 – Bancada de calibração do sensor de temperatura.
O resultado da calibração Temperatura(
o
C) x Tensão(milivolts), bem como o
polinômio de terceiro grau que melhor representa a curva é apresentado a seguir,
FIGURA I.2.
Anexos
160
Calibração do Sensor de Temperatura
y = 196,27x
3
- 203,08x
2
+ 160,74x - 1,4311
R
2
= 0,9994
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Tensão (milivolts)
Temperatura (oC)
Curva de Temperatura x
Tensão
Polinômio (Curva de
Temperatura x Tensão)
Temperatura (oC)
FIGURA I.2 – Resultado da calibração do sensor de temperatura
Anexos
161
ANEXO II – USINAGEM DE VIGA EM BALANÇO, SUPORTE
E PINO GUIA E COLAGEM DOS EXTENSÔMETROS
Usinagem das Vigas em Balanço e Colagem dos Extensômetros
Para a fabricação das vigas em balanço para experimentação com
extensômetros, foram utilizadas as mesmas especificações de projeto utilizadas nas
simulações em elementos finitos, detalhadas nos itens 4.2, Planejamento dos
Experimentos. As vigas foram usinadas partindo-se de um bloco de Aço Mola AISI-
9255. Para a usinagem, foi utilizado um centro de usinagem CNC HERMLE modelo
C800U.
O perfil da viga e os alívios laterais para concentração de tensão na região de
posicionamento dos extensômetros foram usinados com fresa de 3mm de diâmetro
com quatro facas de corte.
Após a usinagem das vigas, foi feita a preparação das superfícies onde os
extensômetros seriam aplicados. A preparação foi feita através das seguintes
etapas:
• Eliminação de irregularidades da superfície por abrasão com lixa granulação 300;
• Limpeza da superfície através da aplicação de solvente;
• Marcação do ponto de aplicação do extensômetro;
• Colagem do extensômetro.
Após a colagem dos extensômetros, os fios envoltos por cabo blindado foram
devidamente soldados e fixados nas vigas.
A seguir, FIGURA II.1, encontra-se o resultado final da preparação das vigas
para ensaio.
Anexos
162
FIGURA II.1 – Vigas em balanço com extensômetros colados.
Em ambos os casos, os extensometros foram ligados em meia ponte visando à
diminuição do efeito da temperatura sobre os sistemas. Isso foi feito através da
colagem de dois extensometros. O primeiro, na direção da deformação e o segundo,
colado a 90 graus com relação ao primeiro.
Usinagem do Suporte de Extensômetros
O projeto do suporte foi realizado de forma a promover a fixação da viga à
mesa do Centro de Usinagem Mori Seiki. Inicialmente o suporte é fixado à mesa da
máquina por meio de um parafuso Métrico de 12mm (M-12). A viga deve ser então
inserida no suporte e fixada por meio dos dois parafusos (M-5) posteriores. O
suporte foi usinado partindo-se de um bloco de Aço 1020. Para a usinagem, também
se utilizou um centro de usinagem CNC HERMLE modelo C800U.
Abaixo, FIGURA II.2, encontra-se o suporte usinado sobre o qual é fixada a
viga que contém os extensômetros.
FIGURA II.2 – Suporte das vigas em balanço
Anexos
163
Usinagem do Pino Guia
Um pino guia de aço rápido acabando em uma superfície plana retificada e
polida foi usinado e fixado em cone HSK E32, FIGURA II.3.
FIGURA II.3- Pino retificado fixado em cone HSH E32
Anexos
164
ANEXO III – PROGRAMAÇÃO C PARA O
MICROCONTROLADOR
#include <16f877a.h>
#device adc=10
#device *=16
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#use delay(clock=4000000)
#fuses NOWDT,XT, PUT, NODEBUG, NOPROTECT, BROWNOUT, NOLVP, NOCPD, NOWRT
#use rs232(baud=9600,parity=N,xmit=PIN_C6,rcv=PIN_C7,bits=8)
#define N 30
#define DISPERS_MIN 2
#define LIM_TRIGGER 60
#define TRIGGER PIN_D2
#define UPDATED PIN_D1
int16 offset, valor, buffer_est[N], lim_inf, lim_sup, dispersao, contador_buffer=0,
contador_offset=0, g=0;
signed int16 temp;
int8 i;
char s_saida[20], s_offset[5], s_sinal[5], s_it[10];
void main()
{
setup_timer_0(RTCC_INTERNAL|RTCC_DIV_1);
setup_timer_1(T1_INTERNAL|T1_DIV_BY_8);
setup_timer_2(T2_DISABLED, 0, 1);
setup_comparator(NC_NC_NC_NC);
setup_vref(FALSE);
setup_psp(PSP_DISABLED);
setup_adc_ports(AN0);
setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_2);
set_adc_channel(0);
//Atualização preliminar do Offset
for (i=0; i<N; i++){
buffer_est[i] = 0;
offset += Read_ADC();
delay_ms(150);
}
offset = offset/N;
sprintf(s_offset, "X%lu", offset);
while(1){
contador_buffer++;
contador_offset++;
sprintf(s_it, "@%lu-%lu", contador_offset, contador_buffer);
if (contador_buffer == 200){
contador_buffer = 0;
//Achar desvio padrão
for (i=0; i<g; i++){
temp = (buffer_est[i] - offset);
dispersao += ( temp*temp );
}
dispersao = sqrt(dispersao/g);
if (dispersao < DISPERS_MIN)
dispersao = DISPERS_MIN;
//Calcula o Limite Inferior
temp = (offset-3*dispersao);
if ( temp < 0 )
lim_inf = 0;
else
Anexos
165
lim_inf = temp;
//Calcula o Limite Superior
temp = (offset+3*dispersao);
if ( temp > 1023 )
lim_sup = 1023;
else
lim_sup = temp;
//Ler o valor instantâneo
valor = Read_ADC();
delay_us(30);
//Verificar se o valor está dentro da faixa tolerante para entrar no buffer
if ( (valor<lim_sup) && (valor>lim_inf) ){
if (g<N)
g++;
//Permutação do vetor de buffer
for (i=(N-1); i>0; i--)
buffer_est[i] = buffer_est[i-1];
//Armazena valor no buffer
buffer_est[0] = valor;
}
}
//calcula o *sinal*
valor = Read_ADC();
delay_us(30);
sprintf(s_saida, "%lu", valor);
temp = (valor-offset);
valor = abs(temp);
sprintf(s_sinal, "@%lu", valor);
//Concatena e impime todas as strings
strcat(s_saida, s_sinal);
strcat(s_saida, s_offset);
strcat(s_saida, s_it);
printf("%s \n", s_saida);
delay_ms(60);
//determinar saída do trigger
if (valor > LIM_TRIGGER){
output_high(TRIGGER);
delay_ms(100);
output_low(TRIGGER);
}
else
output_low(TRIGGER);
if ( (contador_offset == 60000) && (g>0) ){
contador_offset = 0;
//Atualizar Offset
for (i=0, offset=0; i<g; i++)
offset += buffer_est[i];
offset = (offset/g);
sprintf(s_offset, "@%lu", offset);
//Pisca Led para indicar que o offset foi atualizado
output_high(UPDATED);
delay_ms(200);
output_low(UPDATED);
delay_ms(200);
}
}
}
Anexos
166
ANEXO IV – DADOS DE REPETITIVIDADE DOS
EXTENSÔMETROS
Extensômetros Resistivos
Anexos
167
Anexos
168
Anexos
169
Anexos
170
Anexos
171
Anexos
172
Extensômetros Piezoresistivos
Anexos
173
Anexos
174
Anexos
175
Anexos
176
Anexos
177
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