Strain Gage: l’importanza dei sensori nel mondo automotive

Molti dei prodotti realizzati oggi sono dotati di molti sensori ultracompatti, che captano vari cambiamenti fisici e li convertono in segnali elettrici. Gli smartphone, ad esempio, ne sono particolarmente ricchi e spaziano tra accelerometri, giroscopi a magnetometri, sensori GPS e sensori di luce ambientale. Molti sono progettati per combinare più funzioni. Tuttavia, questi minuscoli sensori esistono solo dagli anni ’80. Allo stesso tempo, dagli anni ’60 sono stati utilizzati sensori autonomi più basilari per effettuare tutti i tipi di misurazioni: i campi della ricerca e sviluppo della produzione e della manutenzione degli impianti dipendono in particolare modo da questi oggetti piccolissimi. I più basilari e più longevi di questi sono i sensori noti come estensimetri (chiamati anche Strain Gage o Strain Gauge).

La parola “estensimetro” probabilmente ti fa venire in mente qualcosa come un righello. Tuttavia, il sensore non è né a forma di righello né è di per sé uno strumento di misura della lunghezza. Sebbene esistano vari tipi di estensimetri, il più basilare è costituito da una lamina metallica posta su una base di resina e collegata a due o tre conduttori (filo conduttore ricoperto di poliestere o vinile). Uno Strain Gage ha una lunghezza che varia da pochi millimetri a una dozzina di millimetri. La base in resina viene fissata direttamente all’oggetto da misurare con adesivi ad azione rapida.

Strain Gage: a che servono gli estensimetri

Gli estensimetri misurano le sollecitazioni che si verificano. Quando una forza esterna viene applicata a un oggetto, ovvero quando esso viene tirato o compresso, al suo interno si verificano forze di resistenza o sollecitazioni per controbilanciare le forze esterne. A condizione che queste sollecitazioni compensino sufficientemente la forza esterna, l’oggetto non si romperà. Tuttavia, non appena la forza applicata dall’esterno supera la sollecitazione interna dell’oggetto, quest’ultimo verrà irreparabilmente danneggiato. Lo stress si concentra anche in sezioni più sottili o altre parti vulnerabili dell’oggetto, che saranno le prime a rompersi.

Quando è fissato a un oggetto, l’estensimetro agisce come un sensore che rileva le sollecitazioni andando a vedere di quanto cambia la resistenza elettrica all’interno. La resistenza cambia in risposta alla quantità di deformazione (cioè cambiamenti di forma o volume) che queste sollecitazioni causano in un oggetto. Il rilevamento, la registrazione e l’analisi di questi cambiamenti di tensione consentono di misurare le sollecitazioni invisibili all’occhio umano. Per essere più precisi, all’estensimetro è collegato un Ponte di Wheatstone: senza alcuna pressione rilevata, questo ponte composto da 4 resistenze è in perfetto equilibrio. Nel momento in cui viene rilevata una sollecitazione dallo Strain Gage, il Ponte di Wheastone si sbilancia generando una tensione e una corrente di squilibrio che sono proporzionali alla pressione esercitata. Leggendo il valore di tensione, pertanto, è possibile risalire alla pressione rilevata sullo Strain Gage.

Nel mondo dell’automotive, gli estensimetri sono usati anche per testare la resistenza delle parti che compongono la struttura di un veicolo, in particolare il telaio e la carrozzeria, che sono direttamente collegati alla sicurezza dell’auto. Il telaio di un veicolo è saldato insieme da circa 1.000 diverse parti metalliche, la maggior parte delle quali sono realizzate mediante stampaggio. Se il metallo si rompe a seguito dell’applicazione di forze inadeguate, esso potrebbe causare un incidente o rendere l’auto non più utilizzabile. La robustezza dei componenti del telaio, in particolare, ha un forte impatto sulla sicurezza di un veicolo, compresa la stabilità di guida e la protezione degli occupanti durante una collisione. Le auto vengono guidate per più di un decennio, a volte percorrendo centinaia di migliaia di chilometri, quindi i test di resistenza sono cruciali.

L’importanza degli estensimetri per la sicurezza dei veicoli

Naturalmente, per tutti i componenti, la forza è attentamente calcolata dalla fase di progettazione e sviluppo di un’auto. I componenti del telaio vengono inoltre sottoposti a ripetuti test di resistenza da parte delle divisioni di progettazione e valutazione durante lo sviluppo. Inoltre, i componenti vengono anche accuratamente controllati durante tutto il processo di produzione per garantire che non presentino crepe, graffi o altri difetti di fabbricazione.

Tra le fasi di prototipazione e produzione di massa, tuttavia, le strutture delle parti e i metodi di fabbricazione variano, il che modifica anche la resistenza dei componenti. Ci si chiede se il metodo di costruzione e fabbricazione di un pezzo fornisce la resistenza necessaria. In caso contrario ci sono degli specialisti che grazie agli Strain Gage conducono i test di resistenza per impostare le condizioni per la produzione di massa. Dai risultati ottenuti durante i test, è possibile ottimizzare la resistenza dei componenti, il che aiuta a rendere le auto più resistenti e sicure.

Ad esempio, la creazione di parti stampate con fogli più spessi del necessario aumenterà il peso dell’auto, aumentando potenzialmente il carico su altri componenti. In altre parole, le parti più leggere sono migliori se possono essere prodotte con la stessa resistenza. Sfortunatamente, alcuni materiali diventano più inclini a rompersi se resi più sottili. Chi si occupa di misurare la resistenza dei componenti, conduce anche valutazioni di base, analizzando la forza e altre proprietà di nuovi materiali e metodi di produzione prima che vengano utilizzati per realizzare altri componenti. I dati così raccolti vengono utilizzati anche nella futura progettazione e sviluppo delle singole parti.