As células de carga são componentes úteis e permitem a criação de dispositivos que medem a massa de objetos e outras aplicações interessantes. Assim, neste post, veremos em detalhes o que é a célula de carga, o extensômetro (strain gauge) e como eles funcionam em conjunto.

Informações básicas

O que é a célula de carga (partes constituintes)

A célula de carga é um dispositivo capaz de informar (indiretamente) a massa de um objeto por meio de um sinal elétrico. Sendo mais preciso, ela mede a distensão/deslocamento em um material exercida pelo peso de um objeto e converte essa grandeza em um sinal elétrico. Ou seja, a massa do objeto é obtida de forma indireta por meio da medição do deslocamento. Veja o exemplo de uma célula de carga comum na imagem abaixo:

celula_de_carga_comum

O conceito de distensão/deslocamento ficou vago na explicação anterior, mas ele será melhor detalhado nos tópicos seguintes. Antes disso, precisamos entender as partes constituintes de uma célula de carga.

Existem variados formatos de célula de carga, mas todos eles compartilham a mesma essência, possuindo: um corpo metálico e 1 ou mais extensômetros (strain gauge em inglês). Na imagem anterior, não dá para ver o extensômetro diretamente, pois ele está montado embaixo da “massa” branca, que possivelmente é um epóxi usado para proteger ele. Adiante explicarei o que ele é.

Extensômetro (strain gauge)

O extensômetro é um elemento, tecnicamente chamado de transdutor, que (simplificadamente) é uma resistência que altera seu valor a partir do deslocamento sofrido por ele. As imagens seguintes mostram exemplos de extensômetros:

Fonte: Wikipedia
Fonte: Wikipedia

Repare que ele nada mais é do que um condutor longo. Aqui vale recapitular a formula que determina a resistência de um elemento:

R = \rho \frac{L}{A}

Onde R é a resistência (ohms), L é o comprimento do condutor, A a área da seção transversal e ρ é a constante de resistividade elétrica do material (específica para cada elemento da tabela periódica).

A partir da fórmula acima, sabemos que entre os dois fios do extensômetro, vai haver uma resistência típica. Mas o que isso ajuda na medição do peso?

Acontece que esse transdutor é montado na face de um material (normalmente metálico) e tende a sofrer o mesmo deslocamento que ele. Deslocamento aqui diz respeito a se o material encolheu ou expandiu e é um conceito atrelado à “resistência dos materiais” (caso queira pesquisar mais sobre). E esse deslocamento ocorre toda vez que o material é comprimido ou tracionado (tração é o contrário de compressão).

Como funciona a célula de carga

Tendo em vista a explicação anterior, fica evidente que, se um peso for aplicado em cima da célula de carga, o material é comprimido, sofrendo uma redução dimensional. Se você considerar isso na fórmula da resistência apresentada acima, perceberá que a resistência do extensômetro diminuirá quanto maior for a força aplicada nele, já que, quanto maior a compressão, menor será o valor de “L” (o material é encolhido).

Assim, vai existir uma relação linear entre a força de compressão (peso) e a resistência do extensômetro. E como também existe uma relação linear entre a força peso e a massa do objeto (Fg = m*g), é possível obter o valor da massa aplicando uma correspondência linear no valor medido no extensômetro. Essa correspondência linear não é constante e deve ser encontrada para cada célula de carga.

Aqui tem dois adendos importantes:

  1. O extensômetro não é necessariamente montado no mesmo sentido da força exercida na célula de carga. Ele pode ser montado de tal forma que uma compressão feita na célula de carga é percebida como uma tração no extensômetro. Na própria imagem que mostrei no início do post, a força na célula de carga é feita perpendicular à face em que o extensômetro é instalado, o que faz ele tracionar quando um peso é aplicado. Sendo assim, a resistência medida vai aumentar quanto maior for o peso;
  2. O deslocamento do material ao ser comprimido ou tracionado é bem pequeno e imperceptível a olho nu (a não ser que você aplique uma força grande o suficiente para deformar plasticamente a célula de carga). E isso faz com que a variação da resistência do extensômetro seja bem pequena, o que por sua vez, exige um aparelho de medição bem sensível para ler o sinal elétrico.

Por que mais de 2 fios?

Agora você pode estar se perguntando por quê algumas células de carga possuem 3 ou até 4 fios se o extensômetro que mostrei possui apenas 2. Isso acontece pois as células de carga podem ser construídas utilizando um arranjo de extensômetros. Veja um exemplo abaixo (por baixo do epóxi da célula de carga mostrada no início do post):

Fonte: Wikipedia

No arranjo da imagem acima, você teria como se fosse um circuito de um potenciômetro (pino central com duas resistências variáveis), em que os dois extensômetros medem o deslocamento (ignore o 50% da imagem abaixo):

circuito potenciômetro centro

Esse tipo de arranjo permite ligar a célula de carga num circuito chamado ponte de Wheatstone, o qual é adequado para a medição de resistências de forma precisa. Como a variação dela é pequena, esse tipo de ligação acaba sendo importante. Aqui no site tem um post dedicado a ponte de Wheatstone, então recomendo ler para entender melhor.

No âmbito dos circuitos digitais, é comum ligar a célula de carga à um conversor AD de precisão, como o HX711, justamente para conseguir ler as pequenas variações do sinal elétrico (na casa das centenas de nano volts).

Por fim, queria deixar ilustrado um caso em que usaram 4 extensômetros, gerando uma ligação de 4 fios:

Fonte: Dewesoft

Pelo que pesquisei, a montagem acima foi usada para medir o torque de um eixo.

Aplicações da célula de carga

Ao longo da explicação, foquei na medição de massa, mas essa não é a única aplicação da célula de carga, embora seja a mais comum de ver. Veja a lista adiante com essa e outras aplicações:

  • Balanças: medição de massa, seja para uso doméstico, comercial ou até industrial;
  • Medição de força (dinamômetro): a medição da massa é um caso específico em que a célula de carga mede a força peso de um objeto, mas ela é capaz de medir qualquer tipo de força que for aplicada nela;
  • Medição de pressão: a pressão nada mais é do que uma força aplicada em uma área. Então, a célula de carga pode ser usada para medi-la;
  • Medição de torque em eixos: quando um eixo está exercendo torque, ele sofre torção, o que gera um deslocamento que pode ser medido via extensômetro;
  • Ensaios industriais: o extensômetro pode ser usado diretamente em materiais para testar sua resistência e verificar por exemplo: quantos ciclos de trabalho o material aguenta antes de rompe, qual é a força máxima suportada pelo material etc;
  • Entre outras…

Lendo células de carga com HX711 e Arduino