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Acelerómetro

¿Qué es un acelerómetro?

Un acelerómetro es un dispositivo que mide la vibración o la aceleración del movimiento de una estructura. La fuerza generada por la vibración o el cambio en el movimiento (aceleración) hace que la masa "comprima" el material piezoeléctrico, generando una carga eléctrica que es proporcional a la fuerza ejercida sobre él.

El hecho de que la carga sea proporcional a la fuerza y que la masa sea constante hace que la carga también sea proporcional a la aceleración.

Esquema del funcionamiento de un acelerómetro clásico

Más información sobre los acelerómetros

Tipos de acelerómetros

Existen dos tipos de acelerómetros piezoeléctricos (sensores de vibración).

Acelerómetro de propósito general El primero de ellos es el acelerómetro de salida de carga de "alta impedancia". En este tipo de acelerómetro, el cristal piezoeléctrico genera una carga eléctrica que está conectada directamente a los instrumentos de medición. La salida de carga requiere instalaciones e instrumentación especiales, que habitualmente encontramos en los centros de investigación. Este tipo de acelerómetro también se emplea en aplicaciones de altas temperaturas (>120 ºC) en las que no se pueden utilizar modelos de baja impedancia.

El segundo tipo de acelerómetro es el acelerómetro de salida de baja impedancia. Un acelerómetro de baja impedancia incluye un acelerómetro de carga en su extremo delantero, así como un minúsculo microcircuito integrado y un transistor FET (de efecto de campo) que convierte la carga en una tensión de baja impedancia que puede interaccionar fácilmente con la instrumentación estándar. Este tipo de acelerómetro es el que se emplea habitualmente en la industria. Una fuente de alimentación para acelerómetro como la ACC-PS1 proporciona al microcircuito un suministro eléctrico adecuado de 18 a 24 V a una corriente constante de 2 mA y elimina la corriente de polarización CC. Este tipo de fuente de alimentación suele generar una señal de salida a partir de cero de hasta +/- 5 V dependiendo del índice mV/g del acelerómetro. Todos los acelerómetros OMEGA son acelerómetros de baja impedancia.

Historia de los acelerómetros

Aceleración temprana y sensores de vibración son complejos artilugios mecánicos (como se muestra a continuación) y eran más adecuados para el laboratorio de la planta. Acelerómetros modernos, sin embargo, se han beneficiado del avance de la tecnología, su coste, precisión y facilidad de uso han mejorado con los años.

Los primeros acelerómetros eran dispositivos analógicos electrónicos que más tarde se convirtieron en diseños electrónicos y digitales basados ??en un microprocesador. Los controles de la bolsa de aire de la industria del automóvil híbrido utiliza sistemas micro-electromecánicos (MEMS). Estos dispositivos se basan en lo que alguna vez fue considerado un defecto en el diseño de semiconductores, una "capa liberados" o un trozo suelto de material de circuito en el microespacio sobre la superficie del chip. En un circuito digital, esta capa suelta interfiere con el flujo normal de electrones, ya que reacciona con el medio ambiente circundante analógico.

En un acelerómetro MEMS, esta capa suelta se utiliza como un sensor para medir la aceleración. En autos de hoy en día, los sensores MEMS se utiliza en bolsas de aire y control de chasis, en la detección de impactos laterales y en sistemas de frenado antibloqueo. Auto sensores de aceleración de la industria están disponibles para las frecuencias de 0,1 a 1.500 Hz, con rangos dinámicos de 1,5 a alrededor de 250 G 1 ó 2 ejes, y con sensibilidad de 7,62 a 1333 mV / G.

¿Cómo elegir un acelerómetro?


  • ¿Qué amplitud de vibración se va a monitorizar?
  • ¿Qué rango de frecuencia se va a monitorizar?
  • ¿Cuál es el rango de temperatura de la instalación?
  • ¿Cuál es el tamaño y la forma de la muestra que se va a monitorizar?
  • ¿Existen campos electromagnéticos?
  • ¿Existe un alto nivel de ruido eléctrico en la zona?
  • ¿La superficie sobre la que se va a montar el acelerómetro está conectada a tierra?
  • ¿El entorno es corrosivo?
  • ¿La zona requiere el uso de instrumentos intrínsecamente seguros o a prueba de explosiones?
  • ¿Existe humedad o agua en la zona de instalación?
Las aplicaciones industriales para los acelerómetros, incluyen el monitoreo de vibraciones de maquinaria para diagnosticar, por ejemplo, out-of-balance de las condiciones de las piezas giratorias. Un analizador de vibraciones basado en el acelerómetro puede detectar vibraciones anormales, analizar la firma de vibración, y ayudar a identificar la causa.

Otra aplicación es pruebas estructurales, donde la presencia de un defecto estructural, tal como una grieta, mala soldadura, o la corrosión puede cambiar la firma de vibración de una estructura. La estructura puede ser la carcasa de un motor o turbina, un recipiente del reactor, o un tanque. La prueba se realiza golpeando la estructura con un martillo, excitando la estructura con una función de forzando conocida. Esto genera un patrón de vibración que puede ser registrado, analizado, y en comparado con una firma de referencia.

Los sensores de aceleración también desempeñan un papel importante hallando la orientación y la dirección. En tales aplicaciones, los mini-sensores triaxiales detectan cambios en el balance, cabeceo, y azimut (ángulo de desviación horizontal), o X, Y, y Z. Tales sensores pueden ser utilizados para rastrear las brocas en las operaciones de perforación, para determinar la orientación de las boyas y sistemas de sonar, sirven como brújulas, y remplazar giroscopios en sistemas de navegación inerciales.

Acelerómetros mecánicos, tales como el acelerómetro de masa sísmica, el sensor de velocidad, y el interruptor magnético mecánico, detectan la fuerza impuesta sobre una masa cuando se produce aceleración. La masa se resiste a la fuerza de la aceleración y de este modo provoca una deformación o un desplazamiento físico, que puede ser medido por los detectores de proximidad o galgas extensiométricas (como se muestra a continuación). Muchos de estos sensores están equipados con dispositivos de amortiguación, tales como muelles o imanes para impedir la oscilación.

Un acelerómetro servo, por ejemplo, mide aceleraciones de 1 microg a más de 50 G. Se utiliza un mecanismo de rotación que es intencionalmente desequilibrado en su plano de rotación. Cuando la aceleración se produce, un movimiento angular es producido, el cual puede ser detectado por un detector de proximidad.

Entre los diseños más nuevos de acelerómetros mecánicos, el acelerómetro térmico: Este sensor detecta la posición a través de la transferencia de calor. Una masa sísmica se coloca encima de una fuente de calor. Si la masa se mueve a causa de la aceleración, la proximidad de la fuente de calor y la temperatura de la masa cambia. Las termopilas de polisilicio se utilizan para detectar cambios en la temperatura.

En acelerómetros de capacidad de detección, micromecanizados de placas capacitivas (placas de condensador CMOS sólo 60 micras de profundidad) forman una masa de unos 50 microgramos. Como la aceleración deforma las placas, un cambio de capacitancia es medible. Pero los acelerómetros piezoeléctricos son quizás los dispositivos más prácticos para medir impactos y vibraciones. Similar a un sensor mecánico, este dispositivo incluye una masa que, cuando se acelera, ejerce una fuerza inercial en un cristal piezoeléctrico.

En aplicaciones de alta temperatura en los que es difícil de instalar el sensor dentro de la microelectrónica, dispositivos de alta impedancia pueden ser utilizados. Aquí, los cables del sensor de cristal se conectan a un amplificador de alta ganancia. La salida, que es proporcional a la fuerza de aceleración, se lee entonces por el amplificador de alta ganancia. Donde la temperatura no es excesiva, la microelectrónica de baja impedancia puede ser incrustada en el sensor para detectar los voltajes generados por los cristales. Ambos diseños tanto de impedancia alta y baja pueden ser conectados mecánicamente a la superficie de la estructura, o fijados a ella por medio de adhesivos o medios magnéticos. Estos sensores piezoeléctricos son adecuados para la medición de cortas duraciones de aceleración.

Los sensores piezoresistivos y extensométricos operan de una manera similar, pero los elementos extensométricos son sensibles a la temperatura y requieren una compensación. Se prefieren para las aplicaciones de vibraciones de baja frecuencia, descarga de larga duración, y de aceleración constante. Las unidades piezoresistivas son resistentes, y pueden operar a frecuencias de hasta 2,000 Hz.

Tipos de acelerómetros

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Acelerómetro de grado industrial ACC101 Acelerómetro de grado industrial
Los acelerómetros de grado industrial son la base de la industria. Se usan en todo tipo de equipos, desde máquinas-herramienta hasta mezcladoras de pintura. OMEGA dispone de cuatro modelos a elegir. El modelo ACC101 (mostrado) es un acelerómetro de alta calidad y bajo coste para aplicaciones generales. El modelo ACC 102A está herméticamente sellado para uso en entornos difíciles, presenta un cable fijo y pesa tan solo 50 gramos. El modelo ACC786A (cable superior) y el modelo ACC787A (cable lateral) están herméticamente sellados y presentan cables extraíbles aislados frente a la intemperie.
Acelerómetro triaxial ACC301 Acelerómetro triaxial ACC301
Los acelerómetros triaxiales miden la vibración en los 3 ejes: X, Y y Z. Disponen de tres cristales situados de forma que cada uno reacciona a la vibración en un eje diferente. La salida presenta tres señales, cada una de ellas representa la vibración en uno de los tres ejes. El modelo ACC301 presenta un diseño de bajo peso en titanio y una salida de 10 mV/g con un rango dinámico de +/-500 g en un rango de 3 a 10 kHz.

Preguntas frecuentes

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Otras consideraciones:

La masa de los acelerómetros deberá ser significativamente menor que la masa del sistema que se va a monitorizar.
El rango dinámico del acelerómetro deberá ser mayor que el rango de amplitud de vibraciones esperado de la muestra.
El rango de frecuencia del acelerómetro deberá ajustarse al rango de frecuencia esperado.
La sensibilidad del acelerómetro deberá generar una salida eléctrica compatible con la instrumentación existente. Use un acelerómetro de baja sensibilidad para medir vibraciones de alta amplitud y, a la inversa, use un acelerómetro de alta sensibilidad para medir vibraciones de baja amplitud.

Montaje

Para medir correctamente las vibraciones, el sensor debe montarse directamente sobre la superficie de la máquina. Esto puede realizarse mediante diversos tipos de montajes:

  • Montaje con imán plano
  • Montaje con imán de 2 polos
  • Adhesivos (epoxi/cianoacrilato)
  • Espárrago de montaje
  • Espárrago aislante


Los montajes con imanes suelen ser montajes provisionales
Los montajes magnéticos se usan para montar los acelerómetros sobre los materiales ferromagnéticos que suelen encontrarse en máquinas-herramienta, estructuras y motores. Permiten trasladar fácilmente el sensor de un sitio a otro para poder realizar lecturas en múltiples ubicaciones. Los montajes con imán de dos polos se usan para montar un acelerómetro sobre una superficie ferromagnética curva.

Los montajes con adhesivos y con espárragos roscados se consideran montajes permanentes.
Los adhesivos de tipo epoxi o cianoacrilato han demostrado proporcionar una unión satisfactoria en la mayoría de las aplicaciones. Aplique una capa de adhesivo lo más fina posible para evitar una amortiguación no deseada de las vibraciones como consecuencia de la flexibilidad de la capa de adhesivo. Para retirar un acelerómetro montado con adhesivo, coloque una llave en las caras planas de la carcasa y gire la llave para romper la unión adhesiva. NO USE UN MARTILLO. Si golpea el acelerómetro, éste resultará dañado.

El uso de espárragos de montaje es el método de montaje preferencial.
Aunque requiere la perforación y el roscado de la estructura, proporciona montajes sólidos y fiables. Asegúrese de emplear los ajustes de par especificados para evitar daños en el sensor o en las roscas.