Desenvolvimento de um sistema portátil de baixo custo para medição de força axial em parafusos com strain gauges

Abstract

A medição precisa da força axial em fixadores roscados, como parafusos e porcas, é fundamental para garantir a integridade estrutural de sistemas mecânicos e prevenir falhas decorrentes da perda de pré-carga ou do afrouxamento das uniões aparafusadas. Métodos convencionais de monitoramento, incluindo sensores ultrassônicos, piezoelétricos, de fibra óptica e extensometria, embora ofereçam alta precisão, apresentam custos elevados, complexidade operacional e limitada portabilidade, restringindo sua aplicação em campo, em testes de prototipagem rápida e em ambientes industriais de pequeno porte. Nesse contexto, soluções acessíveis, portáteis, robustas e confiáveis tornam-se essenciais para permitir o monitoramento eficaz de parafusos em condições reais de operação, incluindo ensaios experimentais, manutenção preditiva e validação de projetos mecânicos. Diante dessa necessidade, o presente projeto desenvolveu um sistema de aquisição de força para parafusos sensorizados com extensômetros (strain gauges) baseado em Arduino e sensor HX711, capaz de realizar a leitura de dados em tempo real e converter os valores brutos do sensor em força aplicada com precisão e repetibilidade. O desempenho do sistema foi comparado com aquisitores profissionais, demonstrando confiabilidade, baixo custo e robustez, consolidando-se como uma ferramenta adequada para monitoramento de fixadores, análise experimental e controle de qualidade de uniões aparafusadas. Assim, o projeto atende plenamente aos objetivos propostos, oferecendo uma solução prática, portátil e confiável para o monitoramento da força em parafusos, com potencial aplicação em pesquisa acadêmica, treinamentos técnicos, ensaios experimentais e manutenção preditiva de estruturas mecânicas.

The precise measurement of axial force in threaded fasteners, such as bolts and nuts, is essential to ensure the structural integrity of mechanical systems and to prevent failures resulting from the loss of preload or the loosening of bolted joints. Conventional monitoring methods, including ultrasonic sensors, piezoelectric sensors, fiber optic sensors, and strain gauges, although highly accurate, involve high costs, operational complexity, and limited portability, which restricts their application in field measurements, rapid prototyping tests, and small-scale industrial environments. In this context, affordable, portable, robust, and reliable solutions are essential to enable effective monitoring of bolts under real operating conditions, including experimental testing, predictive maintenance, and validation of mechanical designs. In response to this need, the present project developed a force acquisition system for bolts instrumented with strain gauges, based on Arduino and HX711 sensors, capable of performing real-time data acquisition and converting raw sensor readings into applied force with precision and repeatability. The system's performance was compared with professional acquisition devices, demonstrating reliability, low cost, and robustness, establishing it as a suitable tool for fastener monitoring, experimental analysis, and quality control of bolted joints. Thus, the project fully achieves the proposed objectives, providing a practical, portable, and reliable solution for monitoring bolt forces, with potential applications in academic research, technical training, experimental testing, and predictive maintenance of mechanical structures.