Documentação

Objetivo

Desenvolver um protótipo de balança baseado na deflexão do extensômetro Strain Gauge quando submetido à compressão monitorado pelo Arduino.
O desenvolvimento se dará nos seguintes passos:

  1. Desenvolvimento do circuito eletrônico
  2. Montagem do suporte mecânico
  3. Calibração
  4. Implementação da conversão para massa via Arduino

A seguir o relato do que foi feito em cada estágio, bem como os resultados, discussões e possibilidades de melhoria.

Etapa 1: Circuito Eletrônico

O extensômetro Strain Gauge é um resistor variável que modifica sua resistência de acordo com a deflexão provocada pelo contato com algum objeto. O circuito é uma ponte Wheatstone, onde dois dos resistores são substituídos pelos Strain Gauges, este modelo é conhecido como Half Bridge. Os Strain Gauges são fixados na barra de medida, de modo que um fique na parte superior e outro na parte inferior, assim quando um é defletido para baixo, o outro é defletido para cima devido ao peso do objeto que é colocado sobre o ponto de medição. Quando todas as resistências são iguais não há diferença de tensão medida na ponte, porém, com a presença dos extensômetros há possibilidade de medir as oscilações de tensão devido às variações de suas resistências. As oscilações de resistência dos Strain Gauges têm baixa amplitude, portanto, para amplificá-las foi usado um amplificador de instrumentação AD620, com ganho de cerca de 100x controlado por um resistor externo. As figuras a seguir mostram o desenho esquemático do circuito e algumas fotos da implementação.

Resultados esperados via análise teórica

O esquema da figura abaixo mostra um modelo Half Bridge de modo geral. Rx e Ry representam as resistências variáveis dos dois Strain Gauges. Neste modelo, a variação de tensão esperada é calculada pela seguinte equação:

Em repouso, sem nenhuma deflexão e, portanto, sem variação de resistência, a saída Vg deve ser nula de acordo com a equação. A variação máxima de resistência de um Strain Gauge é cerca de 0,1 Ω, assim, pela equação acima, é esperado uma variação de tensão de aproximadamente 0,7 mV quando os extensômetros estiverem totalmente defletidos. Essas variações são, obviamente, muito pequenas e, portanto, não é possível controlá-las sem um estágio de amplificação.

Resultados observados e formas de melhoria

Em repouso a saída Vg não foi idealmente zero: variações das resistências nominais dos resistores utilizados e ruídos provenientes de diversos fatores induziram uma saída diferente de zero, na ordem de mV que depois é amplificada, porém este zero “não ideal” pode ser corrigido numericamente na determinação da reta de calibração. Durante as deflexões os sistema se comportou como esperado, mostrando variações na saída Vg de acordo com a magnitude da deflexão.

Etapa 2: Suporte Mecânico

O suporte mecânico é composto de uma base de madeira, onde uma régua plástica que contém os Stain Gauges colados com cola Bonder é fixada. As figuras seguintes mostram duas vistas do suporte mecânico montado.

Observações e melhorias

Um dos problemas observado devido ao sistema mecânico foi a falta de um ponto fixo para medição o que fez com que as medidas não fossem tão exatas quanto se esperava. Também foi observado que as medidas não conseguem ser repetidas com sucesso, ou seja, para uma mesma massa ter como resposta a mesma tensão medida anteriormente. Estes problemas podem ser resolvidos com a colocação de um prato de medição, acoplado a um pino que ficaria sempre sobre o sensor, maximizando a pressão sobre ele e fazendo com que as medidas sejam mais precisas e eu possam ser repetidas com sucesso. Outro fator que poderia resolver este problema é a torca do material que é defletido: sabe-se que o plástico, que foi usado neste caso, deforma-se plasticamente, não retornando ao seu estado inicial após ser liberado da carga. Isso pode explicar a falta de reprodutibilidade das medidas, já que o sistema não retorna ao seu estado inicial, um "novo zero" acabo sendo estabelecido após cada medida. Para não acontecer esse tipo de efeito, é necessário um material que deforme-se elasticamente, assim, uma vez ajustado o zero, após realizar uma medida ele volta a ser estabelecido.

Etapas 3 e 4: Calibração e Interfaceamento com Arduino

A ideia da calibração é medir a resposta do dispositivo para medidas de massa conhecidas e a partir dos dados obtidos é possível determinar uma curva de calibração. A equação da curva pode ser implementada via programa no Arduino e a resposta, já convertida para massa, é mostrada na tela do computador.
A calibração não foi feita com sucesso, devido aos problemas mencionados anteriormente com o sistema mecânico e consequentemente não foi possível definir uma curva de calibração com resultados satisfatórios.

Expectativa

Em um dispositivo funcionando corretamente o procedimento para realização de medições e o seguinte:

- Ligar o Arduino ao computador. Desta forma o sistema já será alimentado e poderá executar o programa.
- Fazer upload do programa de leitura.
- Abrir o monitor serial.
- Notar que sem nenhum objeto o sistema ficara flutuando em torno do zero.
- Colocar o objeto bem sobre o local marcado, cuidando para que fique centralizado.
- Observar os valores que estão sendo dados que estão sendo mostrados no monitor serial.

Assim que o objeto é colocado sobre a barra de medição aguardam-se alguns instantes até estabilizar o sistema e o valor já convertido para massa permanecerá aparecendo no monitor serial. Provavelmente ocorrerão flutuações estatísticas devido a diversos motivos ainda não muito bem compreendidos, mas dado as condições do experimento e a alta sensibilidade do sensor de carga, estas flutuações são esperadas.

A cada troca de algum componente, uma nova calibração deve ser feita e a equação de conversão deve ser escrita no local indicado dentro do programa. O arquivo 4 contém o programa que faz a conversão.

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