Gli estensimetri – spesso denominati con l’abbreviazione inglese SG (strain gage) – sono dispositivi di misura che modificano la loro resistenza elettrica a seguito di deformazioni meccaniche. Sono utilizzati in una varietà di strumenti di misura: oltre a bilance e celle di carico troviamo anche i sensori di pressione.
Gli strumenti di misura della pressione utilizzano diverse grandezze fisiche, tra cui l’induttanza, la capacità o la piezoelettricità. La grandezza fisica più comune con cui funzionano i trasmettitori di pressione, però, è la resistenza elettrica, che si osserva negli estensimetri metallici o negli estensimetri a semiconduttore a effetto piezoresistivo. La pressione è determinata da una deformazione meccanica. Gli estensimetri vengono applicati su un supporto elastico. Qui è importante che gli estensimetri possano seguire i movimenti del supporto. Se sul supporto agisce una pressione, la deformazione che ne deriva provoca una variazione della sezione trasversale della pista conduttiva e questa, a sua volta, provoca una variazione della resistenza elettrica. È quest’ultima variazione ad essere rilevata da un sensore di pressione ed è attraverso questa variazione che si rileva la pressione.
Immagine 1: estensimetri che si deformano sotto pressione
Si modifica così la lunghezza L per via della deformazione che agisce sul supporto (Δl). Poiché il volume rimane lo stesso, la sezione trasversale e quindi, la resistenza ohmica R, cambiano:
ΔR/R = k • ΔL/L
La variazione di resistenza ΔR è proporzionale alla variazione della lunghezza ^L. La costante di proporzionalità k dipende dalla geometria e dalle proprietà del materiale. Mentre nel caso dei conduttori metallici k è uguale a 2, nei semiconduttori la costante di proporzionalità può essere molto elevata. A causa della costante k relativamente alta dei semiconduttori, questi risultano essere più sensibili e possono pertanto misurare anche le più piccole variazioni di pressione. Di conseguenza, però, la dipendenza dalla temperatura è altrettanto maggiore.
La variazione di resistenza negli estensimetri metallici deriva dai cambiamenti dimensionali (geometria). Negli estensimetri a semiconduttore la variazione è dovuta ai cambiamenti della struttura cristallina (effetto piezoresistivo).
La valutazione della variazione di resistenza a seguito di una deformazione causata dalla pressione avviene tramite un circuito a ponte. A tale scopo gli estensimetri vengono collegati a un ponte di Wheatstone (immagine 2). Due estensimetri vengono posti in direzione radiale, due in direzione tangenziale. In questo modo, durante una deformazione due estensimetri si dilatano e due si comprimono. Per fare in modo che gli effetti della temperatura possano essere compensati e avere un segnale il più possibile lineare, è importante che gli estensimetri abbiamo le stesse resistenze e che siano disposti con una geometria precisa.
Immagine 2: circuito a ponte
Estensimetri metallici
Per quanto riguarda gli estensimetri metallici occorre distinguere tra estensimetri a lamina e estensimetri a film sottile.
Gli estensimetri a lamina sono costituiti da un foglio laminato spesso solo pochi micrometri. Come materiale si utilizza solitamente la costantana, ma sono utilizzati anche il karma e il modco, soprattutto se è necessario un intervallo di temperatura più ampio o se si presentano temperature inferiori a -150 °C. La costantana ha una costante k di 2,05 molto bassa e, quindi, non è molto sensibile. In cambio, questo materiale risulta essere poco dipendente dalla temperatura, motivo per cui viene utilizzato maggiormente per gli estensimetri a lamina.
Gli estensimetri a lamina vengono utilizzati principalmente per le celle di carico. Per i sensori di pressione spesso non sono abbastanza sensibili. Infatti, non registrano valori inferiori a 1 bar. Anche l’intervallo di temperatura è relativamente limitato, tanto che a seconda del modello non è possibile superare già temperature di 80 °C.
Gli estensimetri a film sottile sono realizzati con la cosiddetta tecnica a film sottile, come ad esempio la deposizione da vapore o la polverizzazione catodica. Il processo di produzione è un po’ più dispendioso e, quindi, anche più costoso rispetto agli estensimetri a lamina. In compenso è possibile raggiungere un intervallo di temperatura di 170 °C e anche la stabilità a lungo termine è molto buona.
Gli estensimetri metallici a film sottile permettono di creare strumenti di misura stabili a lungo, ma per lo più davvero costosi: minore è la pressione da misurare, maggiore è il prezzo di produzione. Basse pressioni al di sotto di 6 bar vengono rilevate con scarsa precisione.
Estensimetri a semiconduttore
Gli estensimetri a semiconduttore funzionano con l’effetto piezoresistivo. Come materiale nella maggior parte dei casi si utilizza il silicio. Gli estensimetri a semiconduttori tendono ad essere più sensibili degli estensimetri metallici. Sono solitamente separati dal fluido tramite una membrana di separazione, pertanto la pressione viene trasmessa mediante un fluido di trasmissione.
Immagine 3: unità di misura piezoresistiva
Nei materiali semiconduttori l’effetto piezoresistivo è circa 50 volte maggiore che negli estensimetri metallici. Gli estensimetri a semiconduttore vengono incollati su un supporto oppure vengono direttamente polverizzati. Quest’ultima opzione consente un collegamento intensivo e permette libertà dall’isteresi, nonché resistenza all’invecchiamento e alla temperatura. Sebbene l’effetto piezoresistivo non sia limitato ai soli estensimetri a semiconduttore, viene comunemente utilizzato il termine “sensore di pressione piezoresistivo” per indicare quegli strumenti di misura la cui struttura elastica che si deforma sotto pressione e i cui resistori sono integrati in un unico chip. I sensori di pressione piezoresistivi possono essere realizzati di piccole dimensione e (a parte la membrana) possono essere realizzati senza parti mobili. La loro produzione si basa sui normali metodi di fabbricazione dei semiconduttori. Allo stesso tempo si ha la possibilità di integrare in un unico chip i resistori e la membrana elastica che si deforma sotto pressione, realizzando così una cella di misura della pressione dalle dimensioni di un chip.
Qui puoi trovare ulteriori informazioni sulla costruzione dei trasmettitori di pressione della STS.
Gli estensimetri piezoresistivi a film sottile vengono applicati su un supporto in silicio e vengono separati dal supporto stesso attraverso uno strato isolante. Questo fa aumentare i costi di produzione e, di conseguenza, anche il prezzo. In cambio è possibile coprire intervalli di temperatura che vanno da -30 °C a 200 °C. Grazie al comportamento molto elastico del silicio, bisogna solo tenere conto di un’isteresi minima. L’elevata costante k causa una forte sensibilità. Per questo motivo i sensori di pressione piezoresistivi rappresentano la scelta migliore in caso di campi di pressione molto bassi nella gamma dei millibar. Inoltre, è possibile produrre dispositivi di misure molto ridotte, cosa che influenza positivamente le possibili applicazioni. La stabilità a lungo termine è buona, così come lo è la compatibilità elettromagnetica. Ovviamente, quest’ultima dipende dal materiale con cui è fatto il supporto. A tal proposito la compensazione della temperatura richiede un po’ più di sforzo. Tuttavia, anche questa sfida può essere ben gestita. Qui trovi maggiori informazioni sul tema della compensazione della temperatura.
Gli estensimetri a film spesso vengono stampati su membrane ceramiche o metalliche. Con uno spessore di 20 micrometri questi estensimetri sono fino a 1000 volte più spessi degli estensimetri a film sottile. Per via dei costi di produzione bassi hanno un prezzo più economico, ma con il tempo non sono molto stabili a causa dell’invecchiamento dello spessore.
Conclusioni: il tipo di estensimetro ha una grossa influenza sullo strumento di misura. Fattori come il prezzo, l’accuratezza e la stabilità a lungo termine svolgono un ruolo importante nella scelta del giusto sensore di pressione. In base alla nostra esperienza i trasmettitori di pressione con estensimetri piezoresistivi a film sottile hanno dimostrato di essere i più efficienti, poiché grazie alla loro sensibilità riescono a rilevare con alta precisione ampi intervalli di temperatura e offrono una buona stabilità a lungo termine.