Acelerômetros. Acelerômetros de alta impedância

INTRODUÇÃO

A instrumentação e monitoração de vibrações em estruturas tem sido objeto de inúmeros estudos devido a sua aplicação na identificação modal e na avaliação da saúde estrutural, linha de pesquisa que permite avaliar a integridade da estrutura e garantir seu tempo de vida útil. Um parâmetro importante a ser monitorado e a aceleração a partir da qual a frequência natural da estrutura pode ser obtida, devido a que a detecção de uma mudança nesta frequência esta relacionada com sua degradação (fraturas e deformações).

Dentro dos instrumentos utilizados para medir as acelerações e vibrações de estruturas submetidas a diferentes carregamentos dinâmicos, se encontram os acelerômetros, transdutores e vibro-metros, e nos casos que seja necessário determinar deformações e deslocamentos os strain gages, sistemas laser e GPS são comumente usados.

A seguinte pesquisa tem como objetivo apresentar uma descrição e a aplicação de alguns destes instrumentos amplamente utiliza.

ACELERÔMETROS

Os acelerômetros são dispositivos para medir aceleração e vibração. Tais dispositivos convertem a aceleração da gravidade ou movimento em um sinal analógico eléctrico proporcionais à força aplicada ao sistema ou mecanismo sujeito a vibrações ou aceleração. Este sinal analógico mostrado em tempo real mede a aceleração instantânea do objeto no qual o acelerómetro é montado.

Os acelerômetros medem a aceleração em unidades de "g". A g é definida como a atração gravitacional da terra aplicada sobre um objeto ou pessoa. Os acelerômetros são direcionais, o que significa que a aceleração e medida em apenas um eixo. Para monitorizar a aceleração em três dimensões, é utilizado multi-eixo acelerómetro (x, y, z), que são ortogonais. Existem dois tipos de acelerômetros são: passivo e ativo.

Os acelerômetros passivos enviam a carga gerada pelo elemento sensor (pode ser um material piezoeléctrico), e porque a intensidade do sinal é muito pequena, estes acelerómetros requerem um amplificador para aumentar seu sinal. Os acelerômetros ativos incluem circuitos internos para converter a carga do acelerômetro em um sinal de tensão, mas requerem uma fonte de corrente constante para fornecer energia ao circuito. As opções de saída eléctrica dependem do sistema usado com os acelerômetros (Medições de Vibrações, 2007).

Figura 2.1 Aparência física de um acelerômetro

As opções analógicas mais comuns são tensão, corrente e frequência. As opções digitais são os sinais paralelos e seriais. Outra opção é a utilização de acelerómetros com uma mudança de saída de estado de interruptores ou alarmes. Existem basicamente dois tipos de acelerômetros:

Acelerômetros de alta impedância

A saída de carga do cristal tem uma impedância de saída muito elevada e pode ser facilmente obtida. Técnicas especiais podem ser empregues para o sinal do sensor. A alta impedância resultante do acelerômetro e útil onde as temperaturas excedem os 120°C, proibindo o uso de sistemas microeletrônicos dentro do sensor. Este tipo de sensor requer a utilização de um condutor de baixo ruído.

Note-se que os sinais de alta impedância devem ser convertidos em baixa impedância com um conversor de impedância ou amplificador de carga antes de ser ligado a um sistema de aquisição de dados.

Acelerômetros de baixa impedância

Em um acelerómetro de baixa impedância deve ser usado sistema microeletrônico localizado dentro da carcaça do sensor, para detectar a carga gerada pelo cristal piezoeléctrico. Assim, a transformação de alto para baixo é feita no ponto de medição e apenas transmitem sinais a partir do sensor de baixa impedância. Uma saída de baixa impedância é desejável para grandes distâncias.

Principais características de um acelerômetro

Sensibilidade

A sensibilidade de um acelerômetro é a razão entre a sua saída eléctrica e a entrada mecânica. Os acelerómetros piezoeléctricos indicam sua sensibilidade em mV/g, (milli volt/g), para outros instrumentos será análogo, a tensão por unidade de deslocamento ou velocidade.

No caso de dispositivos ativos no qual o sensor não é autogerador como sensores piezo-resistentes é necessário incluir o parâmetro de energia fornecida ao instrumento, então a nossa relação é transformada em energia eléctrica ingressada por energia elétrica de saída por aceleração. Em geral a sensibilidade refere-se à capacidade de captar a energia e transformá-la corretamente.

Resolução

A resolução como definição para os transdutores convencionais é a menor mudança na entrada mecânica e interpretável em saída elétrica. A resolução de um acelerómetro é uma função do transdutor e de desenho mecânico.

O sistema de registo de acelerações é fundamental para determinar a resolução do instrumento e do sistema de medição. Esta foi determinada em testes consecutivos como a menor variação de aceleração detectada nos dados acima nomeados. A resolução pode ser limitada por os diferentes níveis de ruído no instrumento, quer por fricção ou de interferência de todos os campos eléctricos ou magnéticos para o caso de transdutores piezoeléctricos ou piezo-resistentes. Em geral, qualquer sinal que está abaixo do nível de ruído vai ser mascarado por isso, de modo que o ruído muitas vezes determina a resolução dos sistemas de medição.

Sensibilidade transversal

Um transdutor quando e submetido a um dos seus eixos de sensibilidade pode ter pouca resposta em outro eixo, isto é conhecido como sensibilidade cruzada. Na figura 2.2 é representada a sensibilidade típica transversal.

Figura 2.2 Representação da sensibilidade típica transversal em um transdutor de vibração

Linearidade da amplitude

A relação entre a entrada mecânica é a sinal de saída de um transdutor (sensibilidade) deve ser linear numa faixa definida com um erro estimado, então podemos dizer que a resposta do transdutor nunca é perfeitamente linear com respeito à excitação que mede, mas que se encaixa convenientemente um sector da banda de frequência, de modo a tornara-la linear por uma tolerância o erro na banda de trabalho. A linearidade das peças descritas acima é uma função que depende de diversas variáveis do acelerômetro: a concepção mecânica do sensor, do transdutor e da interpretação e integração numérica posterior.

A variável incidente mais importante é a amplificação dinâmica que é uma função das características do vibrador e das frequências requerentes. Esta é a variável mais importante, porque é a que condiciona mais fortemente o desenho do sensor e consequentemente no acelerômetro.

Linearidade da frequência

Tal como no caso da amplitude no instrumento tem que trabalhar em uma faixa que assegure a linearidade da frequência para a qual está funcionando. A linearidade da frequência e da amplitude está intimamente relacionada devido a que a amplificação dinâmica é uma função das frequências de excitação do instrumento.

A linearidade da frequência pode ser traduzida na linearidade do defase no tempo do registro do instrumento, este defase é uma função de r e do grau de amortecimento do instrumento. O atraso no tempo é gerado como uma resposta natural do vibrador e inclui do desenho, encontrar uma faixa de intervalos estabelecidos anteriormente para se comportar de forma linear.

Todo processo informático associado ao registro desde a captura até a sua interpretação associada a uma variável no tempo tem também é um defase próprio de seu funcionamento, este defase corresponde ao tempo em que o microprocessador tarda em discernir sobre as informações fornecidas pelo chip fotográfico e associar-se com uma variável no tempo. Podemos dizer que esse tempo é menor ou igual 1/10000seg que por sua vez é a velocidade de entrega máxima 10000 dados máximo de dados por segundo. Isto indica que a possível não linearidade do microprocessador na velocidade de entrega de dados devido a uma carga maior ou menor de informação não é relevante para estabelecer os parâmetros de linearidade.

Efeitos Ambientais

Temperatura

A temperatura é um valor tipicamente estudado e mencionado em acelerómetros comerciais, especialmente aqueles com elementos piezo-resistivos ou piezoeléctricos. A temperatura pode afetar a sensibilidade, a frequência natural, amortecimento e bom funcionamento dos microprocessadores e equipamentos eletrônicos. Os efeitos e o grau de incidência dependeram do tipo de transdutor ou equipamento utilizado.

A sensibilidade pode ser aumentada ou reduzida com a temperatura, ou em alguns casos permanecer constante. Existem dois mecanismos conhecidos para compensar os efeitos da temperatura.

A temperatura da captação pode ser mantida constante.

Pode ser medida em função da temperatura, realizando assim uma correção das características do instrumento que depende da temperatura de funcionamento em função do tempo.

Em equipamentos cujo sensor é composto de materiais sensíveis ao calor as características de rigidez e amortecimento varia com a introdução de ruído dentro do sistema. Para efeitos de utilização de amortecimento viscoso o fluido

...