O que é um strain gauge e como ele funciona com Arduino

Neste post, vamos explorar o funcionamento do strain gauge, sensor de deformação essencial para medir a deformação de materiais sob diferentes tipos de força. Abordaremos desde o princípio de funcionamento desses dispositivos até como conectá-los e utilizá-los com o Arduino. Você aprenderá também a utilizar o FSR50N, um sensor de força resistivo, para realizar medições em projetos DIY.

O que é um strain gauge?

O strain gauge, ou extensômetro, é um sensor utilizado para medir a deformação de um material quando ele é submetido a uma força ou tensão. Ele funciona com base na propriedade física de materiais condutores, cuja resistência elétrica varia proporcionalmente à deformação sofrida. Essa variação de resistência pode ser convertida em valores numéricos para análise e monitoramento estrutural.

Os strain gauges são utilizados em diversas áreas, como engenharia civil, mecânica e eletrônica, sendo essenciais para testes de materiais, monitoramento de estruturas e controle de processos industriais.

Tipos de strain gauges

Existem diferentes tipos de strain gauges, cada um adequado para aplicações específicas, entre eles:

Strain gauge de resistência elétrica: O mais comum, baseado em fios ou filmes metálicos que alteram sua resistência com a deformação. Exemplos deste tipo de strain gauge são o BF350 e o FSR50N.
Strain gauge semicondutor: Oferece maior sensibilidade devido à alteração da resistividade do material semicondutor sob tensão.
Strain gauge óptico: Utiliza a tecnologia de fibra óptica para medir deformações, ideal para ambientes extremos.

Esses sensores podem ser aplicados diretamente na superfície de um material por meio de adesivos especiais e, geralmente, exigem circuitos de amplificação para interpretar os pequenos sinais gerados.

Como funciona um strain gauge?

O princípio de funcionamento do strain gauge baseia-se na relação entre a deformação mecânica de um material e a variação de resistência elétrica do sensor. Quando um material ao qual o strain sensor está fixado sofre uma tensão (seja de tração ou compressão), ele se alonga ou se contrai, resultando em uma alteração na resistência elétrica do sensor. Essa mudança pode ser medida e convertida em unidades de deformação.

A equação básica que rege o funcionamento do strain gauge é:

Onde:

ε = Deformação (strain), geralmente expressa em microdeformações (με).
ΔR = Variação da resistência elétrica do strain gauge (ohms).
R = Resistência original do strain gauge (ohms).
Gf = Fator de gauge, que depende das propriedades do material do sensor e geralmente está entre 2 e 5.

Como o strain gauge mede deformações?

O strain gauge é composto por uma grade metálica extremamente fina, montada sobre um suporte flexível. Quando colado à superfície de um material, qualquer deformação nessa superfície também ocorre na grade do sensor de deformação. Essa deformação causa:

Alongamento: Aumenta o comprimento da grade, resultando em um aumento da resistência elétrica.
Compressão: Reduz o comprimento da grade, diminuindo a resistência elétrica.

Essas pequenas variações de resistência são geralmente da ordem de milésimos de ohm, exigindo um circuito de amplificação para tornar os sinais utilizáveis.

A relação entre deformação e resistência

A mudança de resistência em um sensor strain gauge segue o princípio da Lei de Ohm, que estabelece que a resistência de um condutor depende de seu comprimento, área da seção transversal e resistividade do material:

Onde:

𝜌 = Resistividade do material.
L = Comprimento do condutor.
A = Área da seção transversal.

Quando o material se deforma, o comprimento L aumenta ou diminui, alterando a resistência de acordo.

Uso da ponte de Wheatstone para medição

Para medir as pequenas variações de resistência do extensômetro strain gauge de forma precisa, ele é geralmente conectado em uma ponte de Wheatstone, um circuito elétrico equilibrado que permite detectar mudanças mínimas de resistência. Esse circuito converte as variações em um sinal de tensão proporcional à deformação aplicada.

A configuração mais comum da ponte de Wheatstone pode ter:

Um strain gauge ativo e resistores fixos.
Dois strain gauges, onde um mede a tração e o outro a compressão.
Quatro strain gauges para máxima precisão e compensação térmica.

Materiais necessários

Para utilizar um sensor strain gauge com o Arduino, como o Sensor FSR50N, é necessário reunir alguns materiais:

O FSR50N é um sensor de força resistivo que altera sua resistência conforme a pressão aplicada, permitindo medições de força de até 50 Newtons. Diferente dos strain gauges tradicionais, ele oferece uma solução mais simples para medir pressão e força em projetos DIY e aplicações industriais.

Como conectar um strain gauge ao Arduino?

Conectar um sensor strain gauge, como o FSR50N, ao Arduino é um processo relativamente simples, pois ele funciona como um resistor variável. À medida que a força aplicada ao sensor aumenta, sua resistência diminui, permitindo que o Arduino meça essa variação por meio de um divisor de tensão.

Abaixo está o circuito do sensor strain gauge com o Arduino:

No esquema acima, foram adicionados alguns LEDs que indicam a força aplicada no sensor FSR50N.

Código para leitura do strain gauge com Arduino

Abaixo está um código básico para leitura do strain gauge FSR50N com o Arduino, que permite medir a força aplicada e exibir os valores no monitor serial.

// Definição do pino analógico onde o sensor FSR50N está conectado
const int pinFSR = A0;

// Variável para armazenar a leitura do sensor
int valorSensor = 0;

void setup() {
  // Inicializa a comunicação serial para monitoramento dos valores
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // Leitura do valor analógico do sensor FSR50N (0 a 1023)
  valorSensor = analogRead(pinFSR);
  
  // Exibição do valor bruto no monitor serial
  Serial.print("Leitura do sensor: ");
  Serial.println(valorSensor);

  // Pequena pausa para evitar sobrecarga na comunicação serial
  delay(500);
}

Sem força aplicada, o valor retornado deve estar próximo de 0 (sensor em repouso). À medida que a força aumenta, os valores devem subir para até 1023, dependendo da força aplicada.

Calibração e interpretação dos dados

Se desejar estimar a força aplicada em Newtons (aproximadamente), pode usar uma calibração experimental, assumindo que a relação tensão-força é quase linear para uma faixa de medição específica.

// Definição dos pinos dos LEDs
const int ledPins[] = {2, 3, 4, 5, 6, 7};  // Pinos dos LEDs
const int numLeds = 6;  // Número total de LEDs

// Definição do pino do sensor FSR50N
const int pinFSR = A0;

// Variáveis para cálculo da força
int valorSensor = 0;
float forcaNewton = 0.0;

void setup() {
  // Configuração dos pinos dos LEDs como saída
  for (int i = 0; i < numLeds; i++) {
    pinMode(ledPins[i], OUTPUT);
  }

  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // Leitura do sensor FSR50N e compensação do valor de repouso
  int valorSensor = analogRead(pinFSR);  

  // Conversão aproximada para força em Newtons (ajuste essa fórmula conforme necessário)
  forcaNewton = valorSensor * (50.0 / 1023.0);  // 50N é a capacidade máxima do FSR50N
 
  Serial.print("Valor bruto: ");
  Serial.print(valorSensor);
  Serial.print(" | Força estimada: ");
  Serial.print(forcaNewton);
  Serial.println(" N");

  // Mapeia o valor lido para 6 níveis de força (0 a 1023 dividido por 6)
  int nivelForca = map(valorSensor, 0, 1023, 0, numLeds);

  // Liga os LEDs de acordo com o nível de força detectado
  for (int i = 0; i < numLeds; i++) {
    if (i < nivelForca) {
      digitalWrite(ledPins[i], HIGH);  // Acende o LED
    } else {
      digitalWrite(ledPins[i], LOW);   // Apaga o LED
    }
  }

  delay(200);  // Pequeno atraso para evitar leituras muito rápidas
}

Acima, multiplicamos o valor lido pelo fator de escala da força máxima do sensor: 50.0 / 1023.0, assumindo que o valor máximo lido no ADC (1023) corresponde a 50 Newtons. Essa fórmula pode precisar ser ajustada experimentalmente para maior precisão.

A força será dividida em 6 níveis, e conforme o valor lido do sensor aumenta, mais LEDs se acenderão.

Aplicações práticas com strain gauge e Arduino

Monitoramento estrutural: O strain gauge pode ser utilizado para monitorar a integridade de estruturas como pontes, edifícios e tubulações industriais. Com o uso do Arduino, é possível medir deformações e detectar variações que podem indicar problemas nas construções. O sistema pode ser programado para enviar alertas sempre que forem detectados esforços excessivos, contribuindo para a manutenção preventiva e aumentando a segurança das infraestruturas.
Construção de balanças eletrônicas DIY: O sensor de pressão strain gauge pode ser empregado na criação de balanças eletrônicas caseiras, onde ele mede o peso de objetos pequenos, como ingredientes de cozinha ou componentes em sistemas de controle de estoque. O Arduino lê as variações de resistência do sensor e converte esses dados em valores de peso. Isso pode ser exibido em um display LCD ou monitor serial, oferecendo uma solução simples e eficiente para medições de peso em diversos contextos.
Robótica e biomecânica: No campo da robótica e em próteses biomecânicas, o strain gauge ajuda a monitorar a força aplicada por braços robóticos e dispositivos de assistência, como próteses. Isso permite controlar a pressão aplicada para garantir um movimento preciso e seguro, evitando danos a objetos manipulados ou desconforto para o usuário. O Arduino facilita o processamento dos dados em tempo real, garantindo respostas automáticas e eficientes nos sistemas.
Esportes e biomecânica: O uso do strain gauge também é interessante em esportes, onde ele pode ser aplicado para analisar o desempenho de atletas. Ele pode ser usado em equipamentos de treinamento para monitorar a pressão exercida durante exercícios, ajudando a corrigir posturas e evitar lesões. Além disso, em calçados esportivos, o sensor pode fornecer dados sobre a distribuição da força, permitindo melhorias no design de calçados para maior conforto e desempenho.
Sistemas de segurança e alarmes: Em sistemas de segurança, o strain gauge pode ser usado para detectar movimentações não autorizadas. Instalado em portas, janelas e outras superfícies, ele pode identificar tentativas de arrombamento. Com o Arduino, o sistema pode ser programado para acionar alarmes sonoros ou enviar alertas para dispositivos móveis, garantindo uma camada extra de proteção em ambientes residenciais ou comerciais.

Avaliação de desempenho de componentes mecânicos: Na indústria, o strain gauge é comumente utilizado para testar a resistência de materiais e componentes mecânicos, como chassis de automóveis, molas e amortecedores. O Arduino pode ser integrado para registrar os dados de força e deformação em tempo real, permitindo a análise e otimização de peças e produtos, garantindo maior durabilidade e eficiência.

Se você tiver dúvidas, sugestões ou experiências para compartilhar, fique a vontade para deixar um comentário abaixo. E para não perder nenhum conteúdo como este, não deixe de nos seguir no Instagram.