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Acelerômetros: um guia completo para aplicações e técnicas em medições de vibração

Acelerômetros são transdutores essenciais usados para medir vibração e aceleração em diversas aplicações, incluindo segurança automotiva, eletrônicos de consumo e máquinas industriais. Este guia aborda a seleção, montagem, calibração, coleta de dados e técnicas de análise necessárias para usar acelerômetros de maneira eficaz para medições precisas de vibração.

O que é um acelerômetro?

Um acelerômetro é um transdutor que mede a vibração em termos da aceleração do movimento de uma estrutura. Funciona convertendo a vibração em um sinal elétrico proporcional, baseado na Segunda Lei do Movimento de Newton, que afirma que a aceleração (m/s²) é diretamente proporcional à força (Newton) que atua sobre um corpo e inversamente proporcional à sua massa (grama). Essencialmente, um acelerômetro mede a aceleração indiretamente, detectando a força aplicada a um de seus eixos. Uma abordagem comum de medição usada em acelerômetros é a medição da força gerada pelo movimento de uma massa. O método de transdução depende do tipo de acelerômetro, com diferentes construções mecânicas para acelerômetros piezoelétricos e MEMS.

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Quais são os tipos de acelerômetros?

Os principais tipos de acelerômetros incluem:

  • Acelerômetros piezoelétricos usam um cristal sensor ao qual um peso sísmico é acoplado. Quando o sensor sofre aceleração, o peso exerce força sobre o cristal, gerando uma carga elétrica proporcional à força e, portanto, à aceleração. Este sinal de alta impedância pode ser medido diretamente ou amplificado e condicionado por circuitos eletrônicos. Eles são amplamente utilizados em medições de vibração de máquinas.
  • Acelerômetros MEMS (sistemas microeletromecânicos) são construídos usando tecnologia de microfabricação, consistindo de minúsculos componentes mecânicos em um chip de silício. Um mecanismo de detecção comum envolve a detecção de capacitância, onde mudanças na posição de uma massa microusinada causam variações na capacitância. Quando o corpo do acelerômetro é movido por uma força aplicada externamente, o movimento da massa sísmica é detectado por elementos sensores capacitivos diferenciais. O sinal produzido é amplificado, condicionado e filtrado por componentes do circuito montados dentro do mesmo pacote IC. Os acelerômetros MEMS são amplamente utilizados em eletrônicos de consumo, para medir vibrações humanas e para vibrações de solo de baixa frequência.
  • Acelerômetros piezoresistivos utilizam materiais que alteram a resistência elétrica quando submetidos a estresse mecânico. Eles funcionam de forma semelhante aos extensômetros, medindo a tensão. Uma força aplicada ao material piezoresistivo deforma-o, alterando a sua resistência. Isto é medido usando elementos resistivos dispostos em uma configuração de ponte. Acelerômetros piezoresistivos têm alta largura de banda e baixa sensibilidade, tornando-os adequados para medições de alta frequência e curta duração, como testes de colisão ou armas. Eles são essenciais em aplicações de testes de colisão automotiva.
  • Os acelerômetros extensômetros utilizam extensômetros fixados a uma estrutura que se deforma sob aceleração. Essa deformação altera a resistência dos extensômetros, que é medida por meio de um circuito em ponte. Um acelerômetro moderno de extensômetro normalmente usa um extensômetro de silício ou folha depositado ou ligado a um elemento que flexiona com o movimento de uma massa sísmica. Esses acelerômetros podem medir acelerações até zero Hertz, tornando-os adequados para medições estáticas. Eles são amplamente utilizados na indústria automotiva para aplicações de segurança, como sistemas de freios antibloqueio, implantação de airbags e sistemas de controle de tração.

Os acelerômetros são importantes porque fornecem medições precisas de aceleração e vibração, que aumentam a segurança, melhoram a navegação e o controle, permitem funcionalidades avançadas, facilitam a manutenção preditiva, apoiam o monitoramento sísmico e auxiliam em aplicações médicas. Essas capacidades tornam os acelerômetros indispensáveis em vários setores, garantindo operações eficientes, confiáveis e seguras nos setores automotivo, aeroespacial, eletrônicos de consumo, maquinário industrial, saúde estrutural e saúde.

Um acelerômetro de vibração pode medir:

  • Aceleração: A taxa de variação da velocidade, que é a principal medida fornecida pelos acelerômetros.
  • Velocidade: Ao integrar os dados de aceleração, é possível derivar a velocidade do objeto vibrante.

Deslocamento: Integrando ainda mais os dados de velocidade, o deslocamento do objeto vibrante pode ser calculado. Isto é particularmente útil na avaliação da extensão da vibração em sistemas mecânicos.

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Quais são as principais aplicações dos acelerômetros?

Os acelerômetros são cruciais no projeto, operação e manutenção de sistemas em vários setores. Diferentes tipos de acelerômetros são selecionados com base em suas capacidades específicas e nos requisitos da aplicação:

  • Projeto: Na fase de P&D, acelerômetros são usados ​​para testar e validar projetos. Para sistemas de segurança automotiva, MEMS e acelerômetros piezoresistivos testam componentes como airbags, sistemas de freio antibloqueio (ABS) e sistemas de controle de tração. Acelerômetros piezoresistivos lidam com impactos de alta frequência em testes de colisão. Na eletrônica de consumo, os acelerômetros MEMS permitem recursos como rotação de tela, jogos de movimento e rastreamento de condicionamento físico, fornecendo dados críticos para o design de interfaces de usuário. Na indústria aeroespacial e de defesa, os acelerômetros piezoelétricos e MEMS ajudam a projetar sistemas de navegação, controle de estabilidade e monitoramento da saúde estrutural, medindo vibrações de alta frequência e parâmetros de navegação inercial.
  • Operação: Durante a operação, os acelerômetros fornecem funcionalidade em tempo real e recursos de segurança. Em aplicações automotivas, os acelerômetros MEMS detectam desaceleração rápida para acionar airbags. Na eletrônica de consumo, os acelerômetros MEMS giram telas em smartphones e tablets e medem vibrações corporais para avaliações de saúde e ergonômicas. Para monitoramento de atividades sísmicas, MEMS e acelerômetros capacitivos detectam e registram movimentos do solo, proporcionando medições de alta sensibilidade e ampla faixa de frequência. Em máquinas industriais, os acelerômetros piezoelétricos monitoram e analisam vibrações para estabilidade operacional, detectando desequilíbrios e possíveis falhas.
  • Manutenção: Para manutenção contínua, os acelerômetros monitoram a integridade e o desempenho dos sistemas. Na manutenção preditiva, acelerômetros piezoelétricos e extensômetros analisam vibrações para prever e prevenir falhas de equipamentos, programando a manutenção antes que falhas catastróficas ocorram. No monitoramento da integridade estrutural, extensômetros e acelerômetros capacitivos avaliam a integridade de estruturas como pontes, edifícios e barragens medindo vibrações e deformações de baixa frequência. No monitoramento da integridade dos veículos, MEMS e acelerômetros piezoresistivos monitoram continuamente vibrações e choques, identificando problemas que exigem manutenção, como desequilíbrios ou componentes desgastados.
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Como usar acelerômetros para medições de vibração?

O uso de acelerômetros para medições de vibração requer conhecimento e experiência específicos. Normalmente, esses dispositivos são usados por engenheiros, técnicos e pesquisadores com experiência no manuseio e interpretação de dados de acelerômetros.

Quais dispositivos usam acelerômetros?

Os acelerômetros fazem parte de uma cadeia de medição de medidores de vibração que inclui alimentação, cabos e conectores. A alimentação adequada do acelerômetro é essencial para obter leituras precisas. O uso de cabos e conectores apropriados garante uma transmissão confiável do sinal e minimiza a perda de dados. Os medidores de vibração podem ser simples ou multicanais e, portanto, os acelerômetros estão disponíveis em versões de um e três eixos.

Como escolher o acelerômetro certo?

Ao selecionar um acelerômetro para uma determinada aplicação, considere as seguintes características principais:

  1. Faixa de frequência (Hz): Indica a faixa de frequências de vibração à qual o acelerômetro responde. Por exemplo, a faixa de frequência de medição do instrumento de medição de severidade de vibração deve ser de 10 Hz a 1.000 Hz, mas pode incluir outras faixas. (Em algumas partes da ISO 20816, é usada uma frequência de corte mais baixa de 2 Hz ou até mais baixa.)
  2. Faixa Dinâmica (g): A faixa entre a menor amplitude detectável e a maior amplitude antes de distorcer ou cortar o sinal de saída.
  3. Sensibilidade (mV/g ou mV/ms²): Define o sinal mínimo detectável ou a alteração no sinal elétrico de saída por alteração na alteração mecânica de entrada. Geralmente fornecido em uma frequência; a sensibilidade está relacionada à faixa operacional.
  4. Temperatura: A faixa de temperatura operacional que o acelerômetro pode suportar.
  5. Massa: O peso do acelerômetro, que pode afetar sua montagem e a precisão da medição.
  6. Tipo de montagem: O método pelo qual o acelerômetro é fixado à superfície de medição.
  7. Compatibilidade com o medidor de vibração: Garantir que o acelerômetro funcione perfeitamente com o medidor de vibração usado.

Como garantir a precisão do acelerômetro?

Para garantir medições precisas, os acelerômetros precisam de uma calibração e verificação inicial em laboratório a cada dois anos. Este processo envolve definir uma linha de base e ajustar a saída do sensor para corresponder aos valores de referência conhecidos. Verificações regulares no local também são necessárias para manter a precisão ao longo do tempo, normalmente usando calibradores portáteis como o SV110.

Como montar os acelerômetros?

Medições precisas de vibração dependem de técnicas de montagem corretas. Os fabricantes de acelerômetros normalmente descrevem os seguintes métodos de montagem:

  • Montagem em pinos
  • Montagem adesiva (incluindo montagem de cimento e cera)
  • Montagem magnética

A fixação adequada do acelerômetro ao maquinário ou estrutura minimiza a interferência e garante que o sensor capte as vibrações com precisão.

Como coletar dados de vibração dos acelerômetros?

A configuração de um sistema de aquisição de dados envolve a configuração do equipamento (medidor de vibração) para registrar os dados de vibração com precisão. A seleção da taxa de amostragem e dos parâmetros de registro de dados apropriados é crucial para capturar os detalhes necessários e evitar a perda de dados. É essencial selecionar resultados como PEAK, RMS, MAX, PEAK-PEAK, VDV ou análises de espectro de frequência como FFT ou 1/3 de oitava e gravar dados brutos (gravação WAV).

Processamento e análise de dados

Uma vez coletados os dados, eles precisam ser processados e analisados. Softwares especializados, como ferramentas SvanPC++, aplicam filtros e algoritmos aos dados brutos, extraindo informações significativas sobre padrões de vibração, frequências e amplitudes.

Interpretando dados e fazendo ajustes

A etapa final envolve a interpretação dos dados processados para compreender a condição do maquinário ou estrutura. Com base nesta análise, engenheiros e técnicos podem fazer os ajustes necessários para melhorar o desempenho, prevenir falhas e garantir a segurança.

Principais conclusões

  1. Os acelerômetros são transdutores versáteis, essenciais para medir vibração e aceleração em diversas aplicações, desde segurança automotiva e eletrônicos de consumo até aeroespacial, maquinário industrial e monitoramento de saúde estrutural.
  2. Existem diferentes tipos de acelerômetros, como acelerômetros piezoelétricos, MEMS, piezoresistivos e extensômetros. A seleção do tipo certo depende dos requisitos específicos da aplicação, incluindo faixa de frequência, faixa dinâmica, sensibilidade e compatibilidade com o sistema de medição.
  3. O uso eficaz de acelerômetros requer conhecimento e experiência específicos em técnicas de montagem, calibração e aquisição de dados. A instalação e a calibração adequadas garantem medições precisas, enquanto técnicas avançadas de processamento e análise de dados são essenciais para interpretar dados de vibração e fazer ajustes informados.
  4. Os acelerômetros melhoram a segurança e a eficiência operacional, fornecendo dados em tempo real para manutenção preditiva, monitoramento da saúde estrutural e detecção de mudanças rápidas no movimento, que podem acionar mecanismos de segurança como airbags em veículos.
  5. A precisão e a confiabilidade das medições de vibração dependem de uma cadeia de medição abrangente que inclua alimentação adequada, cabos e conectores adequados e sistemas robustos de aquisição de dados. Calibração regular e verificações in-situ são necessárias para manter a precisão e a confiabilidade das medições.

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