Estensimetri

Per la valutazione delle proprietà ricercate, nelle prove di trazione e taglio, è richiesta la misura delle deformazione longitudinali e trasversali del provino. Per questo motivo vengono impiegati gli estensimetri.

Viene definito estensimetro uno strumento in grado di misurare deformazioni di elementi strutturali sottoposti ad un generico stato di sforzo, derivante da carichi di qualsiasi tipo. Questi strumenti rilevano le variazioni di distanza relativa fra due qualsiasi punti dell’elemento in prova lungo la loro congiungente, misurandone quindi la deformazione, pari al rapporto fra la variazione subita dai due punti considerati e la loro distanza prima dell’applicazione del carico.

Si possono distinguere diversi tipi di estensimetri:

 Meccanici,

 Ottici,

 Acustici,

 Elettrici.

In questo lavoro sono stati utilizzati estensimetri elettrici.

Estensimetri elettrici

Gli estensimetri elettrici (strain gage) sono sicuramente i più comuni ed i più usati.

Vengono così chiamati perché effettuano la misura della deformazione tramite la variazione di resistenza che essi stessi subiscono.

Come noto, il valore della resistenza elettrica è direttamente proporzionale alla resistività del materiale in uso e alla lunghezza del conduttore considerato, e inversamente proporzionale all’ area della sezione del conduttore stesso:

R = rL / A

con R valore di resistenza elettrica, r resistività del materiale, L lunghezza del provino e A area della sezione esaminata.

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Incollando quindi, su un provino caricato assialmente, un tratto di conduttore, si otterrà che in seguito ad una deformazione varierà la sezione resistente e quindi la resistenza del conduttore stesso. Se si garantisce poi la stessa deformazione per il provino ed il conduttore, si dispone allora di una legge in grado di correlare la deformazione del provino con la variazione di resistenza.

Figura 3.8: Tratto di conduttore incollato sopra un tratto di provino sottoposto a trazione.

In realtà, però, si è scoperto che la sensibilità di un solo tratto di conduttore incollato al pezzo non era sufficiente per avere una sensibilità che soddisfacesse la prova. Si pensò, quindi, di mettere in serie più tratti di conduttore giungendo alla configurazione più comune degli estensimetri.

Il filo di materiale conduttore è, così, disposto a serpentina, in modo da migliorare la sensibilità senza obbligare a disporre di una lunghezza iniziale di misura L eccessiva. I valori tipici di resistenza per un estensimetro a resistenza elettrica sono: R = 120 oppure 350 , con tolleranze dell’1%.

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Figura 3.9: Rappresentazione semplificata di un estensimetro.

La base è una grandezza molto importante per la scelta di un estensimetro: essa è il tratto utile per la misura. Maggiore è la base, maggiore sarà il tratto che si deforma, con conseguente aumento della risoluzione della misura, essendo una media della variazione di lunghezza del conduttore stesso. Dunque, se forti gradienti di deformazione sono attesi lungo la direzione di misura e si desidera conoscere la deformazione in uno specifico punto, sarà necessario utilizzare basi piccole; se lo stato di deformazione è invece costante lungo la direzione di misura si potranno scegliere basi di dimensioni maggiori.

Vedendo la costituzione dell’estensimetro, e avendo capito il suo funzionamento, viene naturale pensare che un estensimetro (nel caso l’asse longitudinale coincida con l’asse x di misura) sia sensibile alle dilatazioni lungo la direzione x e poco alle dilatazioni nella direzione y, perpendicolare a x. Se, quindi, l’applicazione dell’estensimetro era atta a misurare la deformazione sull’asse x, lo stesso andrà dunque incollato in modo che la direzione di misura coincida con l’asse x.

Tuttavia l‘estensimetro risulterà parzialmente sensibile anche alle deformazioni secondo la direzione y, a causa della presenza dei gomiti della serpentina, che, anche se per un breve tratto investono la direzione perpendicolare a quella di misura. Per ridimensionare il problema e ridurre la sensibilità trasversale (così viene chiamato questo fenomeno) si costruiscono estensimetri con i raccordi a sezione maggiore.

La tecnica oggigiorno più diffusa per la produzione di estensimetri è quella della fotoincisione, che tra l’altro consente agevolmente la realizzazione di raccordi a sezione maggiore per ridurre la sensibilità trasversale.

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Un’altra caratteristica molto importante per questo tipo di provino è la sensibilità espressa attraverso il fattore di taratura dell’estensimetro, noto con il termine gage factor o ingegneristicamente “k dell’estensimetro”.

Tale coefficiente è dato da

k = R / R

Un problema al quale si può andare incontro utilizzando questo tipo di estensimetri è quello dell’insorgenza di deformazioni apparenti dell’estensimetro dovute ad effetti termici che si sovrappongono a quelle dovute all’applicazione del carico. L’entità di queste deformazioni è piuttosto elevata e il fenomeno, se non compensato, può portare gravi errori. Una possibile strada per superare questo problema è quella di utilizzare leghe speciali e opportuni trattamenti termici per ottenere estensimetri con gli stessi coefficienti di dilatazione del materiale da testare. Strain gage così ottenuti vengono chiamati “a compensazione termica”. Questa soluzione però mal si adatta ai compositi poiché questi ultimi presentano un’espansione termica anisotropa. Per questi materiali sarà quindi necessario utilizzare altre tecniche di compensazione come ad esempio il metodo dummy

gage.

Questo metodo fa uso di due estensimetri: l'active gage, che necessita di essere compensato, e il dummy gage, che svolge questa funzione; entrambi gli estensimetri devono provenire dal medesimo lotto. Il dummy gage deve essere montato su un provino del medesimo materiale, avente circa le stesse dimensioni, e allineato come l'active gage. Infine si deve garantire che i due provini siano nelle stesse condizioni termiche e vengano posti in prossimità l'uno dell'altro. L'inosservanza di uno qualsiasi di questi requisiti può causare grandi errori. I due estensimetri sono poi connessi in serie in maniera tale da eliminare il segnale termico.

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