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Acelerómetro - Introducción y tipos

¿Qué son acelerómetros?

¿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. 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(R) son acelerómetros de baja impedancia.

Especificaciones de los acelerómetros

Rango dinámico: es el rango de amplitud máxima que puede medir el acelerómetro antes que la señal de salida resulte distorsionada o recortada. Normalmente se especifica en "g".

Respuesta de frecuencia: viene determinada por la masa, las propiedades piezoeléctricas del cristal y la frecuencia de resonancia de la carcasa. Es el rango de frecuencia en el que la salida del acelerómetro se encuentra dentro de una desviación específica, normalmente +/- 5 %.

g 1g: es la aceleración debida a la gravedad terrestre, que es igual a 9,8 m/s2 (o 32,2 ft/sec2, o 386 in/sec2).

Puesta a tierra: en los acelerómetros existen dos tipos de puesta a tierra de la señal. En los acelerómetros con carcasa puesta a tierra, la parte inferior de la señal está conectada a su carcasa. La carcasa forma parte de la trayectoria de la señal y puede acoplarse a un material conductor; por tanto, si se usa este tipo de acelerómetro, deberá evitarse el ruido procedente del plano de puesta a tierra. Por otro lado, los acelerómetros aislados de tierra presentan los componentes eléctricos aislados de la carcasa y son mucho menos sensibles al ruido inducido por la puesta a tierra.

Límite de alta frecuencia: es la frecuencia a la que la salida supera la desviación de salida establecida. Suele venir definido por la resonancia mecánica del acelerómetro.

Corte de baja frecuencia: es la frecuencia a partir de la cual la salida es inferior a la precisión establecida. La salida no se "corta", pero la sensibilidad disminuye rápidamente a frecuencias inferiores.

Ruido: el circuito de amplificación genera ruido electrónico. Dicho ruido puede ser de banda ancha (por encima de un espectro de frecuencias) o espectral (a frecuencias específicas). Los niveles de ruido se especifican en "g", es decir, 0,0025 g en un rango de 2-25 000 Hz. El ruido suele reducirse al aumentar la frecuencia, por lo que el problema del ruido es mayor a bajas frecuencias que a altas frecuencias.

Frecuencia de resonancia: es la frecuencia a la que el sensor resuena. Las mediciones de frecuencia deben ser muy inferiores a la frecuencia de resonancia del acelerómetro.

Sensibilidad: es la tensión de salida generada por una determinada fuerza, medida en "g". Los acelerómetros suelen ser de dos categorías: los que generan 10 mV/g y los que generan 100 mV/g. La frecuencia de la tensión de salida CA coincidirá con la frecuencia de las vibraciones. El nivel de salida será proporcional a la amplitud de las vibraciones. Los acelerómetros de baja salida se usan para medir altos niveles de vibración, mientras que los acelerómetros de alta salida se usan para medir vibraciones de bajo nivel.

Sensibilidad de temperatura: es la salida de tensión por cada grado de temperatura medida. Los sensores incluyen compensación de temperatura para que los cambios en la salida se mantengan dentro de los límites especificados para una determinada variación de la temperatura.

Rango de temperatura: está limitado por el microcircuito electrónico que convierte la carga en una salida de baja impedancia. En general, el rango es de -50 a 120 ºC.

Elección de un acelerómetro

    A la hora de elegir un acelerómetro para su aplicación específica, deberá tener en cuenta numerosos parámetros.

  • ¿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?


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.

Gráfico 14 del acelerómetro
Gráfico 15 del acelerómetro