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Acelerómetros: una guía completa de aplicaciones y técnicas en mediciones de vibraciones

Los acelerómetros son transductores esenciales que se utilizan para medir la vibración y la aceleración en diversas aplicaciones, incluida la seguridad automotriz, la electrónica de consumo y la maquinaria industrial. Esta guía cubre las técnicas de selección, montaje, calibración, recopilación de datos y análisis necesarias para utilizar acelerómetros de manera efectiva para mediciones precisas de vibraciones.

¿Qué es un acelerómetro?

Un acelerómetro es un transductor que mide la vibración en términos de la aceleración del movimiento de una estructura. Funciona convirtiendo la vibración en una señal eléctrica proporcional, basada en la Segunda Ley del Movimiento de Newton, que establece que la aceleración (m/s²) es directamente proporcional a la fuerza neta (Newton) que actúa sobre un cuerpo e inversamente proporcional a su masa (gramo). ). Básicamente, un acelerómetro mide la aceleración indirectamente detectando la fuerza aplicada a uno de sus ejes. Un enfoque de detección común utilizado en los acelerómetros es la detección de capacitancia, donde la aceleración está relacionada con el cambio en la capacitancia de una masa en movimiento. El método de transducción depende del tipo de acelerómetro, con diferentes construcciones mecánicas para acelerómetros piezoeléctricos y MEMS.

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¿Cuáles son los tipos de acelerómetros?

Los principales tipos de acelerómetros incluyen:

  • Los acelerómetros piezoeléctricos utilizan un cristal sensor al que se adjunta un peso sísmico. Cuando el sensor experimenta aceleración, el peso ejerce fuerza sobre el cristal, generando una carga eléctrica proporcional a la fuerza y, por tanto, a la aceleración. Esta señal de alta impedancia puede medirse directamente o amplificarse y acondicionarse mediante circuitos electrónicos. Se utilizan ampliamente en mediciones de vibraciones de máquinas.
  • Los acelerómetros MEMS (sistemas microelectromecánicos) se construyen utilizando tecnología de microfabricación, que consiste en pequeños componentes mecánicos en un chip de silicio. Un mecanismo de detección común implica la detección de capacitancia, donde los cambios en la posición de una masa micromecanizada provocan variaciones en la capacitancia. Cuando el cuerpo del acelerómetro se mueve mediante una fuerza aplicada externamente, el movimiento de la masa sísmica es detectado por elementos sensores capacitivos diferenciales. La señal producida se amplifica, acondiciona y filtra mediante componentes del circuito montados dentro del mismo paquete de CI. Los acelerómetros MEMS se utilizan ampliamente en electrónica de consumo, para medir vibraciones humanas y vibraciones del suelo de baja frecuencia.
  • Los acelerómetros piezoresistivos utilizan materiales que cambian la resistencia eléctrica cuando se someten a tensión mecánica. Funcionan de manera similar a las galgas extensométricas y miden la tensión. Una fuerza aplicada al material piezoresistivo lo deforma, cambiando su resistencia. Esto se mide utilizando elementos resistivos dispuestos en una configuración de puente. Los acelerómetros piezoresistivos tienen un gran ancho de banda y baja sensibilidad, lo que los hace adecuados para mediciones de alta frecuencia y corta duración, como pruebas de accidentes o armas. Son esenciales en aplicaciones de pruebas de choque automovilístico.
  • Los acelerómetros extensímetros utilizan extensímetros unidos a una estructura que se deforma bajo aceleración. Esta deformación cambia la resistencia de las galgas extensométricas, que se mide mediante un circuito puente. Un acelerómetro de galga extensométrica moderno normalmente utiliza un galga extensométrica de silicio o lámina depositada o unida a un elemento que se flexiona con el movimiento de una masa sísmica. Estos acelerómetros pueden medir aceleraciones hasta cero Hertz, lo que los hace adecuados para mediciones estáticas. Se utilizan ampliamente en la industria automotriz para aplicaciones de seguridad, como sistemas de frenos antibloqueo, despliegue de bolsas de aire y sistemas de control de tracción.

Los acelerómetros son importantes porque proporcionan mediciones precisas de aceleración y vibración, que mejoran la seguridad, mejoran la navegación y el control, permiten funcionalidades avanzadas, facilitan el mantenimiento predictivo, apoyan el monitoreo sísmico y ayudan en aplicaciones médicas. Estas capacidades hacen que los acelerómetros sean indispensables en diversas industrias, garantizando operaciones eficientes, confiables y seguras en los sectores automotriz, aeroespacial, electrónica de consumo, maquinaria industrial, salud estructural y atención médica.

Un acelerómetro de vibración puede medir:

  • Aceleración: La tasa de cambio de velocidad, que es la medida principal proporcionada por los acelerómetros.
  • Velocidad: Al integrar los datos de aceleración, es posible derivar la velocidad del objeto que vibra.
  • Desplazamiento: integrando aún más los datos de velocidad, se puede calcular el desplazamiento del objeto vibrante. Esto es particularmente útil para evaluar el alcance de la vibración en sistemas mecánicos.

¿Cuáles son las principales aplicaciones de los acelerómetros?

Los acelerómetros son cruciales en el diseño, operación y mantenimiento de sistemas en diversas industrias. Se seleccionan diferentes tipos de acelerómetros en función de sus capacidades específicas y los requisitos de la aplicación:

  • Diseño: En la fase de I+D, se utilizan acelerómetros para probar y validar diseños. Para los sistemas de seguridad automotrices, MEMS y acelerómetros piezoresistivos prueban componentes como bolsas de aire, sistemas de frenos antibloqueo (ABS) y sistemas de control de tracción. Los acelerómetros piezoresistivos manejan impactos de alta frecuencia en pruebas de choque. En la electrónica de consumo, los acelerómetros MEMS habilitan funciones como la rotación de la pantalla, los juegos de movimiento y el seguimiento del estado físico, lo que proporciona datos críticos para el diseño de interfaces de usuario. En el sector aeroespacial y de defensa, los acelerómetros piezoeléctricos y MEMS ayudan a diseñar sistemas de navegación, control de estabilidad y monitoreo del estado estructural midiendo vibraciones de alta frecuencia y parámetros de navegación inercial.
  • Operación: Durante la operación, los acelerómetros brindan funcionalidad en tiempo real y características de seguridad. En aplicaciones automotrices, los acelerómetros MEMS detectan una desaceleración rápida para desplegar bolsas de aire. En la electrónica de consumo, los acelerómetros MEMS rotan las pantallas de los teléfonos inteligentes y las tabletas, y miden las vibraciones corporales para realizar evaluaciones de salud y ergonomía. Para el monitoreo de la actividad sísmica, MEMS y acelerómetros capacitivos detectan y registran movimientos del suelo, proporcionando mediciones de alta sensibilidad y amplio rango de frecuencia. En maquinaria industrial, los acelerómetros piezoeléctricos monitorean y analizan las vibraciones para determinar la estabilidad operativa, detectando desequilibrios y posibles fallas.
  • Mantenimiento: Para un mantenimiento continuo, los acelerómetros monitorean el estado y el rendimiento de los sistemas. En el mantenimiento predictivo, los acelerómetros piezoeléctricos y extensímetros analizan las vibraciones para predecir y prevenir fallas en los equipos, programando el mantenimiento antes de que ocurran fallas catastróficas. En el monitoreo de la salud estructural, los galgas extensométricas y los acelerómetros capacitivos evalúan la integridad de estructuras como puentes, edificios y presas midiendo vibraciones y deformaciones de baja frecuencia. En el monitoreo del estado del vehículo, MEMS y acelerómetros piezoresistivos monitorean continuamente las vibraciones y los impactos, identificando problemas que requieren mantenimiento, como desequilibrios o componentes desgastados.
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¿Cómo utilizar acelerómetros para medir vibraciones?

El uso de acelerómetros para mediciones de vibraciones requiere conocimientos y experiencia específicos. Normalmente, estos dispositivos son utilizados por ingenieros, técnicos e investigadores que tienen experiencia en el manejo e interpretación de datos de acelerómetros.

¿Qué dispositivos utilizan acelerómetros?

Los acelerómetros son parte de una cadena de medición de vibrómetros que incluye alimentación, cables y conectores. La alimentación adecuada del acelerómetro es esencial para obtener lecturas precisas. El uso de cables y conectores adecuados garantiza una transmisión de señal fiable y minimiza la pérdida de datos. Los vibrómetros pueden ser monocanal o multicanal, por lo que los acelerómetros están disponibles en versiones de uno y tres ejes.

¿Cómo elegir el acelerómetro adecuado?

Al seleccionar un acelerómetro para una aplicación determinada, considere las siguientes características clave:

  1. Rango de frecuencia (Hz): Indica el rango de frecuencias de vibración al que responde el acelerómetro. Por ejemplo, el rango de frecuencia de medición del instrumento de medición de la severidad de las vibraciones será de 10 Hz a 1000 Hz, pero puede incluir otros rangos. (En algunas partes de ISO 20816, se utiliza una frecuencia de corte más baja de 2 Hz o incluso menos).
  2. Rango dinámico (g): El rango entre la amplitud más pequeña detectable y la amplitud más grande antes de distorsionar o recortar la señal de salida.
  3. Sensibilidad (mV/g o mV/ms²): Define la señal mínima detectable o el cambio en la señal eléctrica de salida por cambio en el cambio mecánico de entrada. Generalmente se proporciona con una frecuencia; la sensibilidad está relacionada con el rango de funcionamiento.
  4. Temperatura: el rango de temperatura operativa que puede soportar el acelerómetro.
  5. Masa: El peso del acelerómetro, que puede afectar su montaje y la precisión de la medición.
  6. Tipo de montaje: el método mediante el cual se fija el acelerómetro a la superficie de medición.
  7. Compatibilidad con el vibrómetro: Garantizar que el acelerómetro funcione perfectamente con el vibrómetro que se utiliza.

¿Cómo garantizar la precisión del acelerómetro?

Para garantizar mediciones precisas, los acelerómetros necesitan una calibración y verificación inicial en un laboratorio cada dos años. Este proceso implica establecer una línea de base y ajustar la salida del sensor para que coincida con los valores de referencia conocidos. También son necesarias comprobaciones in situ periódicas para mantener la precisión a lo largo del tiempo, normalmente utilizando calibradores portátiles como el SV110.

¿Cómo montar los acelerómetros?

Las mediciones precisas de vibraciones dependen de las técnicas de montaje correctas. Los fabricantes de acelerómetros suelen describir los siguientes métodos de montaje:

  • Montaje con pernos
  • Montaje adhesivo (incluido montaje con cemento y cera)
  • Montaje magnético

Asegurar adecuadamente el acelerómetro a la maquinaria o estructura minimiza la interferencia y garantiza que el sensor capture con precisión las vibraciones.

¿Cómo recopilar datos de vibración de los acelerómetros?

La configuración de un sistema de adquisición de datos implica configurar el equipo (vibrador) para registrar los datos de vibración con precisión. Seleccionar la frecuencia de muestreo y los parámetros de registro de datos adecuados es crucial para capturar los detalles necesarios y evitar la pérdida de datos. Es esencial seleccionar resultados como PEAK, RMS, MAX, PEAK-PEAK, VDV o análisis de espectro de frecuencia como FFT o 1/3 de octava, y grabar datos sin procesar (grabación WAV).

Procesamiento y análisis de datos.

Una vez que se recopilan los datos, es necesario procesarlos y analizarlos. El software especializado, como las herramientas SvanPC++, aplica filtros y algoritmos a los datos sin procesar, extrayendo información significativa sobre patrones, frecuencias y amplitudes de vibración.

Interpretar datos y hacer ajustes.

El último paso consiste en interpretar los datos procesados para comprender el estado de la maquinaria o estructura. Con base en este análisis, los ingenieros y técnicos pueden realizar los ajustes necesarios para mejorar el rendimiento, prevenir fallas y garantizar la seguridad.

Conclusiones clave

  1. Los acelerómetros son transductores versátiles fundamentales para medir la vibración y la aceleración en diversas aplicaciones, desde seguridad automotriz y electrónica de consumo hasta maquinaria aeroespacial, industrial y monitoreo de salud estructural.
  2. Existen diferentes tipos de acelerómetros, como acelerómetros piezoeléctricos, MEMS, piezoresistivos y extensómetros. La selección del tipo correcto depende de los requisitos específicos de la aplicación, incluido el rango de frecuencia, el rango dinámico, la sensibilidad y la compatibilidad con el sistema de medición.
  3. El uso eficaz de acelerómetros requiere conocimientos y experiencia específicos en técnicas de montaje, calibración y adquisición de datos. La instalación y calibración adecuadas garantizan mediciones precisas, mientras que las técnicas avanzadas de análisis y procesamiento de datos son esenciales para interpretar los datos de vibración y realizar ajustes informados.
  4. Los acelerómetros mejoran la seguridad y la eficiencia operativa al proporcionar datos en tiempo real para el mantenimiento predictivo, el monitoreo del estado estructural y la detección de cambios rápidos en el movimiento, que pueden activar mecanismos de seguridad como las bolsas de aire en los vehículos.
  5. La precisión y confiabilidad de las mediciones de vibraciones dependen de una cadena de medición integral que incluya alimentación adecuada, cables y conectores adecuados y sistemas robustos de adquisición de datos. Es necesaria una calibración periódica y comprobaciones in situ para mantener la precisión y fiabilidad de las mediciones.

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