Introdução aos acelerómetros piezoelétricos

A introdução aos acelerómetros piezoelétricos é o tema tratado neste artigo.

Introdução

O acelerómetro é um dispositivo usado para medir a aceleração. Podem funcionar a partir de diversos efeitos físicos e são capazes de medir uma ampla gama de valores de aceleração, logo tendo uma gama de aplicações bastante elevada. Estes dispositivos são muito usados em sistemas de posicionamento, sensores de inclinação, bem como sensores de vibração e choque ou ligados a analisadores de vibrações. No nosso dia a dia estamos rodeados de acelerómetros, sendo aplicações bastante conhecida a orientação dos écrans de telemóveis que se ajustam de acordo com o ângulo que fazem em relação à aceleração da gravidade ou os sensores de disparo de “air-bags” de automóveis.

Existem inúmeros tipos de acelerómetros que usam diferentes tipos de efeitos físicos para medir a aceleração.

Os mais usados para manutenção preditiva em análise de vibrações, são os acelerómetros piezoelétricos e vão ser aqui tratados.

Definição de Eletricidade Piezoelétrica

A Eletricidade Piezoelétrica consiste na capacidade de alguns materiais (nomeadamente cristais e alguns cerâmicos) para gerarem um potencial elétrico em resposta à aplicação de uma força mecânica. Isto pode assumir a forma de uma carga elétrica na matriz do cristal. Se o material não for curto-circuitado, a carga elétrica induz uma voltagem no material.

Introdução aos acelerómetros piezoelétricos figura 1

Introdução aos acelerómetros piezoelétricosO Transdutor Piezoelétrico

O elemento ativo de todos os dispositivos piezoelétricos é um elemento de material piezoelétrico. Existem muitas soluções construtivas diferentes de sensores baseados em diversos cristais e materiais.

Os tipos de condicionamento de sensores piezoelétrico utilizados hoje em dia são:

  • Modo Voltagem (com diversas designações comerciais. IEPE, LIVM, ICP, Piezotron, Isotron) em que existe uma eletrónica montada no próprio transdutor;
  • Modo Carga que estão ligados a um amplificador de carga externo

Cada um tem as suas vantagens e desvantagens que a seguir vão ser vistas.

Porque utilizamos sensores piezoelétricos?

São as seguintes as razões pelas quais utilizamos acelerómetros piezoelétricos:

  • Reduzida dimensão
  • Leves
  • Com dois fios (IEPE)
  • Grande gama dinâmica
  • Grande gama de temperatura
  • Larga gama de frequência
  • Muito baixo ruído
  • Condicionamento de sinal simples
  • Implementação económica
  • Avaliação de integridade de estruturas

Soluções construtivas de sensores piezoelétricos com eletrónica integrada (modo voltagem)

São as seguintes as principais soluções construtivas dos acelerómetros piezoelétricos:

Característica
Eletrónica integradaSim Não necessitam de condicionamento de sinal; mais económicos. Limite de temperatura superior imposto pela eletrónica incluída (Exemplo típico: 120 ºC) Muitos equipamentos de medida modernos incluem alimentação IEPE.Não Aguentam maiores temperaturas
Material piezoeltricoQuartzo  Cerâmico. Mais sensíveis
Montagem do sensor piezoelétricoÀ compressãoAo corte Menos sensíveis a deformação da base.

O sensor com material piezoelétrico pode ser montado à compressão ou ao corte como se pode ver a seguir. A montagem ao corte tem a vantagem de ser menos sensível a deformações da base do acelerómetro.

Introdução aos acelerómetros piezoelétricos figura 2

 Características de Entrada/Saída dos sensores de modo voltagem (IEPE)

São as seguintes as principais características dos acelerómetros IEPE.

Entrada: 18 – 24 Volts DC, 2-20mA corrente constante; valores de entrada distintos dos referidos podem danificar o sensor

Saída: voltagem proporcional à aceleração ou vibração

Nota: O sensor de modo voltagem ou IEPEE é um dispositivo de dois fios (sinal/ alimentação e terra)

Introdução aos acelerómetros piezoelétricos figura 3

Introdução aos acelerómetros piezoelétricosSistema IEPE típico

Os analisadores de vibrações modernos têm todos alimentação para este tipo de acelerómetros.

Introdução aos acelerómetros piezoelétricos figura 4

Níveis de voltagem BIAS em sistemas IEPE típicos

Introdução aos acelerómetros piezoelétricos figura 1 – Resposta em frequência de acelerómetros piezoelétricos IEPE

A resposta de baixa frequência é controlada pela Constante de Tempo de Descarga (DTC)

  • Ajustado em fábrica e não pode ser alterado.
  • Pode ser alterado aquando do fabrico.

A resposta a alta frequência é função da frequência de ressonância (natural) do sensor.

Os filtros no sensor ou no condicionamento do sinal também podem afetar a resposta em frequência do sensor.

  • Sensores de elevada sensibilidade têm normalmente uma baixa frequência de ressonância.
  • Sensores de baixa sensibilidade têm normalmente uma frequência de ressonância elevada.

Constante de Tempo de Descarga (DTC)

Constante de Tempo de Descarga – tempo requerido para a tensão de saída do sensor, para descarregar para 37% do seu valor original, em resposta a uma subida abrupta, em degrau, da aceleração de entrada.

  • Determina a resposta de baixa frequência do sensor
  • A resposta a baixa frequência é aproximadamente igual a:

                                Ponto -3dB         =             .16/DTC

                               Ponto -5%           =             Ponto -3dB x 3

Soluções construtivas de sensores piezoelétricos sem eletrónica integrada (modo carga)

São as seguintes as soluções construtivas de sensores piezoelétricos sem eletrónica integrada (modo carga).

  • Ligam a um amplificador de carga que converte o sinal do acelerómetro em Volts
  • Normalmente com sensor cerâmico
  • Sem eletrónica incluída
  • Adequados a temperaturas elevadas, como seja por exemplo a monitorização de turbinas a gás (por exemplo até 700°C)
  • Condicionamento de sinal caro
  • Cabos de baixo ruido necessários para a maioria das aplicações
  • Os amplificadores de carga normalmente são mais difíceis de utilizar (ex.: ajuste de sensibilidade, etc.)

A seguir pode-se ver o acelerómetro CA901 de alta temperatura, que funciona até 700ºC..

Introdução aos acelerómetros piezoelétricos – A montagem do acelerómetro

A forma como se monta um acelerómetro é muito importante porque pode influenciar a sua resposta em frequência.

Tipos de montagem

  • Montagem com perne
    • Resposta em frequência ótima
  • Adaptador colado com cola epóxido, sensor montado em perne
    • Boa resposta em frequência
  • Base magnética
    • Cómodo, resposta em frequência limitada
  • Base magnética em adaptador colado com cola epóxido
    • Método melhor para montagem com base magnética

  • Efeitos da resposta em frequência da montagem
  • Gama dinâmica

    Intervalo de níveis que o acelerómetro pode medir, que pode ser expresso de diversas formas

    O fim de escala dos sensores IEPE é normalmente ±5 Volts de sinal de saída

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