Projetos Mecânicos para Uso Didático

Resumo

A necessidade de medir peso e força está presente em múltiplos setores da sociedade, abrangendo desde a engenharia e a indústria até aplicações do cotidiano. Desde as primeiras civilizações, o ser humano criou instrumentos para medir a massa de objetos, inicialmente por meio de balanças de alavanca, que operavam pelo equilíbrio entre dois braços e pesos previamente conhecidos. Com o avanço da tecnologia, esses dispositivos evoluíram para sistemas eletrônicos de alta precisão, permitindo não apenas medições mais rápidas e confiáveis, mas também a integração com sistemas digitais para análise e controle automatizado. O uso de sensores de deformação como os Strain Gages se destaca como uma das soluções mais eficientes para a medição de deformações em elementos estruturais. Esses sensores têm sua resistência elétrica alterada quando são submetidos a esforços mecânicos, proporcionalmente à deformação a que são submetidos. Os Strain Gauges têm elevada sensibilidade, sendo capazes de registrar variações mínimas de deformação que permitem calcular a força causadora da deformação, como o peso, no caso de transdutores de força. Para uso em transdutores de força normalmente são usados quatro Strain Gauges ligados entre si na forma de um circuito do tipo Ponte de Wheatstone que produzirá uma diferença de potencial elétrico proporcional ao esforço (ou peso) aplicado. Para operar o sistema faz-se necessária alimentação elétrica da PW e amplificação do sinal gerado por esta. Dentro deste contexto este projeto tem como objetivo desenvolver um sistema eletrônico de baixo custo para uma balança utilizando extensometria de resistência elétrica utilizando Arduino. Uma balança de capacidade de 3 kg, originalmente construída em um trabalho de conclusão de curso anterior, foi utilizada como base para o desenvolvimento deste trabalho. A balança contém um elemento elástico na forma de viga bi apoiada com quatro Strain Gauges colados nos pontos de maior deformação. Os Strain Gauges, ligados na forma de Ponte de Wheatstone, foram conectados a um Arduino UNO no qual estava acoplado um amplificador operacional do tipo HX711, para amplificação do sinal. A alimentação da Ponte de Wheatstone foi feita pelo próprio Arduino. Um software foi desenvolvido para ler o sinal elétrico amplificado e, utilizando um fator de correlação, entregar o valor correspondente à força aplicada em kgf. Para obter o fator de correlação e, assim, ter a indicação da força (peso) em kgf, foi preciso fazer a calibração do sistema, o que foi feito utilizando uma carga de referência de 3 kg. Após a calibração, a indicação da força pode ser feita em um computador ou por meio de um display modular para Arduino. Para a caracterização da funcionalidade da balança posteriormente a calibração foram feitos testes de carregamento progressivo com incremento de carga de 200 g até atingir o valor máximo de 3 kg. Por meio dos testes foi possível avaliar parâmetros operacionais como linearidade, repetibilidade e incerteza (erro) da balança. Os resultados obtidos até o momento são satisfatórios, demostrando a viabilidade de um sistema eletrônico de baixo custo para aplicações em extensometria de resistência elétrica. As próximas etapas do trabalho envolverão a construção de elementos de suporte para o Arduino, amplificador e display junto à estrutura da balança, transformando-a em um elemento de pesagem independente (sem a necessidade de computador ou condicionadores de sinais grandes e pesados) para sua utilização.