In caso di applicazione di forze esterne a un oggetto fermo, ne derivano sollecitazioni e deformazioni. La sollecitazione è definita come la forza di resistenza interna dell'oggetto, mentre la deformazione è definita come lo spostamento e la deformazione che si verificano. Per una distribuzione uniforme delle forze di resistenza interne, la sollecitazione può essere calcolata (Figura 2-1) dividendo la forza (F) applicata per l'area unitaria (A):
Titolo didascalia immagine Unità di misura della deformazione
La deformazione è definita come la quantità di deformazione per unità di lunghezza di un oggetto quando viene applicato un carico. La deformazione viene calcolata dividendo la deformazione totale della lunghezza originale per la lunghezza originale (L):
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I valori tipici della deformazione sono inferiori a 0,005 pollici/pollice e sono spesso espressi in unità di microdeformazione:
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La deformazione può essere compressiva o tensiva e viene tipicamente misurata con estensimetri. Fu Lord Kelvin a segnalare per primo nel 1856 che i conduttori metallici sottoposti a deformazione meccanica mostrano una variazione della loro resistenza elettrica. Questo fenomeno fu applicato per la prima volta in modo pratico negli anni '30.
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Fondamentalmente, tutti gli estensimetri sono progettati per convertire il movimento meccanico in un segnale elettronico. Una variazione della capacità, dell'induttanza o della resistenza è proporzionale alla deformazione subita dal sensore. Se un filo viene sottoposto a tensione, si allunga leggermente e la sua sezione trasversale si riduce. Ciò modifica la sua resistenza (R) in proporzione alla sensibilità alla deformazione (S) della resistenza del filo. Quando viene introdotta una deformazione, la sensibilità alla deformazione, chiamata anche fattore di gauge (GF), è data da:
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Il sensore di deformazione ideale cambierebbe resistenza solo a causa delle deformazioni della superficie a cui è fissato il sensore. Tuttavia, nelle applicazioni reali, la temperatura, le proprietà dei materiali, l'adesivo che lega il sensore alla superficie e la stabilità del metallo influenzano la resistenza rilevata. Poiché la maggior parte dei materiali non ha le stesse proprietà in tutte le direzioni, la conoscenza della sola deformazione assiale non è sufficiente per un'analisi completa. È necessario misurare anche le deformazioni di Poisson, di flessione e di torsione. Ciascuna di esse richiede una diversa disposizione degli estensimetri.
Titolo della didascalia dell'immagine La deformazione di taglio considera la distorsione angolare di un oggetto sotto sforzo. Immaginiamo che una forza orizzontale agisca sull'angolo superiore destro di un libro spesso appoggiato su un tavolo, costringendo il libro ad assumere una forma trapezoidale (Figura 2-2). La deformazione di taglio in questo caso può essere espressa come la variazione angolare in radianti tra l'asse y verticale e la nuova posizione. La deformazione di taglio è la tangente di questo angolo.
La deformazione di Poisson esprime sia l'assottigliamento che l'allungamento che si verificano in una barra sottoposta a sollecitazione (Figura 2-3). La deformazione di Poisson è definita come il rapporto negativo tra la deformazione nella direzione trasversale (causata dalla contrazione del Diametro della barra) e la deformazione nella direzione longitudinale. All'aumentare della lunghezza e al diminuire dell'area della sezione trasversale, aumenta anche la resistenza elettrica del filo.
Titolo della didascalia dell'immagine La deformazione da flessione, o deformazione da momento, viene calcolata determinando la relazione tra la forza e la quantità di flessione che ne deriva. Sebbene non sia rilevata comunemente come gli altri tipi di deformazione, la deformazione da torsione viene misurata quando è di interesse la deformazione prodotta dalla torsione. La deformazione torsionale viene calcolata dividendo la sollecitazione torsionale per il modulo di elasticità torsionale.
Progettazione dei sensori
La deformazione di un oggetto può essere misurata con mezzi meccanici, ottici, acustici, pneumatici ed elettrici. I primi sensori di deformazione erano dispositivi meccanici che misuravano la deformazione misurando la variazione di lunghezza e confrontandola con la lunghezza originale dell'oggetto. Ad esempio, l'estensimetro (estensimetro) utilizza una serie di leve per amplificare la deformazione fino a un valore leggibile. In generale, tuttavia, i dispositivi meccanici tendono a fornire basse risoluzioni e sono ingombranti e difficili da usare.
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I sensori ottici sono sensibili e precisi, ma sono delicati e non molto diffusi nelle applicazioni industriali. Utilizzano frange di interferenza prodotte da piani ottici per misurare la deformazione. I sensori ottici funzionano al meglio in condizioni di laboratorio.
La caratteristica più utilizzata che varia in proporzione alla deformazione è la resistenza elettrica. Sebbene siano stati costruiti estensimetri basati sulla capacità e sull'induttanza, la sensibilità di questi dispositivi alle vibrazioni, i loro requisiti di montaggio e la complessità dei circuiti ne hanno limitato l'applicazione. L'estensimetro fotoelettrico utilizza un raggio di luce, due griglie sottili e un rilevatore a fotocellula per generare una corrente elettrica proporzionale alla deformazione. La lunghezza di misura di questi dispositivi può essere di appena 1/16 di pollice, ma sono costosi e delicati.
Quando si seleziona un estensimetro, è necessario considerare non solo le caratteristiche di deformazione del sensore, ma anche la sua stabilità e sensibilità alla temperatura. Sfortunatamente, i materiali più desiderabili per gli estensimetri sono anche sensibili alle variazioni di temperatura e tendono a modificare la resistenza con l'invecchiamento. Per prove di breve durata, questo potrebbe non essere un problema grave, ma per misurazioni industriali in continuo è necessario includere la compensazione della temperatura e della deriva.
Ogni materiale del filo dell'estensimetro ha il suo fattore di gauge caratteristico, la resistenza, il coefficiente di temperatura del fattore di gauge, il coefficiente termico di resistività e la stabilità. I materiali tipici includono Constantan (lega di rame-nichel), Nichrome V (lega di nichel-cromo), leghe di platino (solitamente tungsteno), Isoelastic (lega di nichel-ferro) o fili di lega di tipo Karma (lega di nichel-cromo), lamine o materiali semiconduttori. Le leghe più utilizzate per gli estensimetri sono le leghe di rame-nichel e le leghe di nichel-cromo. A metà degli anni '50, gli scienziati dei Bell Laboratories scoprirono le caratteristiche piezoresistive del germanio e del silicio. Sebbene questi materiali presentassero una notevole non linearità e sensibilità alla temperatura, avevano fattori di gauge più di cinquanta volte superiori e una sensibilità più di 100 volte superiore a quella degli estensimetri a filo metallico o a foglio. I wafer di silicio sono anche più elastici di quelli metallici. Dopo essere stati sottoposti a deformazione, ritornano più facilmente alla loro forma originale.
Intorno al 1970, furono sviluppati i primi estensimetri a semiconduttore (silicio) per il Settore automobilistico. A differenza di altri tipi di estensimetri, gli estensimetri a semiconduttore si basano sugli effetti piezoresistivi del silicio o del germanio e misurano la variazione di resistenza in funzione della sollecitazione anziché della deformazione. L'estensimetro a semiconduttore incollato è un wafer con l'elemento resistivo diffuso in un substrato di silicio. L'elemento wafer di solito non è dotato di supporto e incollarlo alla superficie sottoposta a sollecitazione richiede grande attenzione, poiché per fissarlo viene utilizzato solo un sottile strato di resina epossidica (Figura 2-4B). Le dimensioni sono molto più ridotte e il costo molto inferiore rispetto a un sensore a foglio metallico. Le stesse resine epossidiche utilizzate per fissare gli estensimetri a foglio vengono utilizzate anche per incollare gli estensimetri a semiconduttore.
Sebbene la maggiore resistenza unitaria e sensibilità dei sensori a wafer a semiconduttore siano indubbi vantaggi, la loro maggiore sensibilità alle variazioni di temperatura e la tendenza alla deriva sono svantaggi rispetto ai sensori a foglio metallico. Un altro svantaggio degli estensimetri a semiconduttore è che il rapporto resistenza-deformazione non è lineare, variando del 10-20% rispetto a un'equazione lineare. Con la strumentazione controllata da computer, queste limitazioni possono essere superate attraverso la compensazione software.
Un ulteriore miglioramento è rappresentato dall'estensimetro a film sottile che elimina la necessità di incollaggio adesivo (Figura 2-4C). Il sensore viene prodotto depositando prima un isolante elettrico (tipicamente una ceramica) sulla superficie metallica sollecitata, quindi depositando l'estensimetro su questo strato isolante. Per legare molecolarmente i materiali vengono utilizzate tecniche di deposizione sotto vuoto o sputtering.
Poiché l'estensimetro a film sottile è legato molecolarmente al campione, l'installazione è molto più stabile e i valori di resistenza subiscono meno derive. Un altro vantaggio è che il rilevatore di forza sollecitata può essere un diaframma metallico o una trave con uno strato depositato di isolante ceramico.
Gli estensimetri a semiconduttore diffuso rappresentano un ulteriore miglioramento nella tecnologia degli estensimetri perché eliminano la necessità di agenti leganti. Eliminando gli agenti leganti, vengono eliminati anche gli errori dovuti allo scorrimento e all'isteresi. L'estensimetro a semiconduttore diffuso utilizza tecniche di mascheratura fotolitografica e diffusione allo stato solido del boro per legare molecolarmente gli elementi di resistenza. I conduttori elettrici sono collegati direttamente al modello (Figura 2-4D).
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Il sensore diffuso è limitato ad applicazioni a temperatura moderata e richiede una compensazione della temperatura. I semiconduttori diffusi sono spesso utilizzati come elementi sensibili nei trasduttori di pressione. Sono piccoli, economici, precisi e ripetibili, offrono un ampio intervallo di pressione e generano un segnale di uscita forte. Tra i loro limiti vi è la sensibilità alle variazioni della temperatura ambiente, che può essere compensata con trasmettitori dal design intelligente.
In sintesi, l'estensimetro ideale è di piccole dimensioni e massa, economico, facile da installare e altamente sensibile alla deformazione, ma insensibile alle variazioni della temperatura ambiente o di processo.
Estensimetri a resistenza incollati
L'estensimetro a semiconduttore incollato è stato descritto schematicamente nelle Figure 2-4A e 2-4B. Questi dispositivi rappresentano un metodo diffuso per misurare la deformazione. L'estensimetro è costituito da una griglia di filo metallico molto sottile, lamina o materiale semiconduttore incollato alla superficie deformata o alla matrice di supporto tramite un sottile strato isolante di resina epossidica (Figura 2-5). Quando la matrice di supporto viene deformata, la deformazione viene trasmessa al materiale della griglia attraverso l'adesivo. Le variazioni della resistenza elettrica della griglia vengono misurate come indicazione della deformazione. La forma della griglia è progettata per fornire la massima resistenza del misuratore, mantenendo al minimo sia la lunghezza che la larghezza del misuratore.
Gli estensimetri a resistenza incollati godono di buona reputazione. Sono relativamente economici, possono raggiungere una precisione complessiva superiore a +/-0,10%, sono disponibili in lunghezze ridotte, sono solo moderatamente influenzati dalle variazioni di temperatura, hanno dimensioni fisiche ridotte e massa bassa e sono altamente sensibili. Gli estensimetri a resistenza incollati possono essere utilizzati per misurare sia la deformazione statica che quella dinamica.
Titolo della didascalia dell'immagine Quando si incollano elementi estensimetrici su una superficie sottoposta a deformazione, è importante che l'estensimetro subisca la stessa deformazione dell'oggetto. Con un materiale adesivo inserito tra i sensori e la superficie sottoposta a deformazione, l'installazione è sensibile allo scorrimento dovuto al degrado del legame, agli influssi della temperatura e all'isteresi causata dalla deformazione termoelastica. Poiché molte colle e resine epossidiche sono soggette allo scorrimento, è importante utilizzare resine progettate specificamente per gli estensimetri.
L'estensimetro a resistenza incollato è adatto a un'ampia varietà di condizioni ambientali. È possibile misurare la deformazione nelle turbine dei motori a reazione che funzionano a temperature molto elevate e in applicazioni con liquidi criogenici a temperature fino a -452 °F (-269 °C). Ha massa e dimensioni ridotte, alta sensibilità ed è adatto per applicazioni statiche e dinamiche. Gli elementi a foglio sono disponibili con resistenze unitarie da 120 a 5.000 ohm. Sono disponibili in commercio lunghezze di misura da 0,008 pollici a 4 pollici. Le tre considerazioni principali nella scelta dell'estensimetro sono: la temperatura di esercizio, la natura della deformazione da rilevare e i requisiti di stabilità. Inoltre, la scelta del materiale di supporto, della lega della griglia, dell'adesivo e del rivestimento protettivo giusti garantirà il successo dell'applicazione.
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Scritto da: Dan Schultz
Aggiornato il: 30 ottobre 2025
Capire il significato di "intrinsecamente sicuro"
Written by: Dan Schultz
Updated on: March 30, 2026