L’estensimetro, detto anche strain gage, è uno degli strumenti più importanti della tecnica di misurazione.
In generale è un sensore la cui resistenza varia con la forza applicata ossia converte la forza, la pressione, la tensione, il peso, in una variazione di resistenza elettrica che può essere misurata.
Esso perciò è utile per rilevare piccole deformazioni dimensionali di un corpo sottoposto a sollecitazioni meccaniche o termiche. Conoscendo a priori le caratteristiche meccanico/fisiche del materiale e misurando le deformazioni si possono facilmente non solo ricavare i carichi a cui il materiale è sottoposto ma, utilizzando estensimetri di giusta tipologia e applicandoli in modo oculato, si possono sia rilevare la direzione e il verso di queste deformazioni ma anche il vettore delle forze applicate.
I campi d’applicazione sono molteplici:
- prove in laboratorio su componenti meccanici o materiali;
- analisi statiche e dinamiche di componenti o sistemi meccanici installati;
- monitoraggio di componenti o sistemi strutturali;
- utilizzo e applicazioni in campo logistico, artigianale e industriale.
Nel corso della storia sono stati sviluppati vari tipi di estensimetri, ognuno con caratteristiche peculiari adatte a specifici campi d’applicazione. Nel tempo però, per le loro ottime caratteristiche generali, gli estensimetri elettrici a resistenza hanno sopraffatto le altre tipologie nella maggior parte delle applicazioni.
Estensimetri elettrici a resistenza
L’estensimetro elettrico a resistenza è costituito sostanzialmente da una griglia di sottilissimo filo metallico rigidamente applicata su un supporto di materiale plastico. L’estensimetro viene utilizzato incollandolo sulla superficie del corpo di cui si vogliono misurare le deformazioni. Il filo dell’estensimetro segue le deformazioni della superficie a cui è incollato, allungandosi ed accorciandosi insieme ad essa; queste variazioni dimensionali causano una variazione della resistenza elettrica del filo. Misurando, tramite un ponte di Wheatstone o altro sistema, tali variazioni, si può risalire all’entità della deformazione che le ha causate.
Le dimensioni di un estensimetro possono variare da pochi micron ad alcuni centimetri. Quelli di dimensioni minori sono utilizzati per misure puntuali, cioè per conoscere il valore delle deformazioni in un punto preciso, mentre quelli di maggior lunghezza sono utili per rilevare la deformazione media relativa ad un’area più estesa. Occorre ovviamente tener presente nel calcolo l’influenza della temperatura sul filo. Essi inoltre possono essere di tre tipi: monoassiale, biassiale e triassiale
Estensimetri capacitivi
Uno strumento ormai quasi scomparso è l’estensimetro capacitivo. Questo strumento basa la rilevazione di minuscoli spostamenti sul fatto che questi creano una variazione della distanza o della superficie attiva nelle armature di un condensatore che ne costituisce l’elemento sensore. Anche se questo strumento ha una buona sensibilità, è stato sostituito da sistemi più precisi e pratici da usare.
Estensimetri induttivi
Uno strumento che ha ancora un discreto utilizzo è l’estensimetro induttivo. Questo strumento si basa sul rilevamento delle deformazioni da parte di un sensore LVDT (Linear Variable Displacement Transducer), appositamente ottimizzato per leggere piccoli spostamenti. Anche se le dimensioni di questo strumento ne limitano fortemente le applicazioni, la precisione e la praticità d’uso ne fanno uno strumento largamente impegnato nei laboratori di prova per materiali e componenti meccanici.
Estensimetri ottici laser
Un sistema ottico in uso è l’estensimetro ottico laser: si tratta in pratica un misuratore di lunghezze che si basa sul principio dell’interferometria ottica mediante laser. Questi sistemi sono in grado di fare misurazioni di deformazioni con risoluzione del centesimo di micron. Sebbene questi sistemi permettono di fare misure con una precisione non comparabile con nessun altro sistema, problemi di costo, dimensioni e limitazioni, legate alla possibilità di realizzare in pratica l’adeguato circuito ottico, limitano le applicazioni a rari casi, in particolare alla ricerca scientifica.
Estensimetri a fibra ottica (FBG)
Recentemente sono stati introdotti un particolare tipo di estensimetri chiamati estensimetri a fibra ottica FBG (Fiber Bragg Grating). Questi funzionano su un principio analogo all’estensimetro ottico laser, dove però il circuito ottico è realizzato completamente all’interno di una fibra ottica, la quale viene applicata al materiale da testare. I principali vantaggi di questo sistema sono l’immunità ai disturbi e la praticità nella realizzazione dei circuiti ottici. Sono inoltre molto robusti ,esenti da corrosione e in grado di trasmettere il segnale a distanze molto elevate.
Estensimetri acustici
Una curiosità storica è invece l’estensimetro acustico. Questo strumento si basava sulla rilevazione della variazione di frequenza che subiva un filo metallico teso e messo in vibrazione ai capi di una sezione sottoposta a deformazione: al variare della lunghezza si otteneva una variazione della tonalità del suono.
Estensimetri a semiconduttore
Essi sono disponibili in versione bi o monoassiali e sono particolarmente indicati per micro deformazioni. Impiegano un elemento resistivo al silicio tipo N per controllare il coefficiente di dilatazione termica del materiale in accordo all’espansione lineare dell’oggetto misurato, così da minimizzare la variazione termica di resistenza.