Sensores de Aceleración y Vibración

ACELERACIÓN Y VIBRACIÓN

El principio de aceleración está basado en la física Newtoniana, aunque fue reemplazada a principios del siglo XX por las nuevas físicas, permanece viable todavía. La aceleración es la razón de cambio de la velocidad con respecto al tiempo. La fuerza de la gravedad produce la aceleración, y en efecto Einstein insistió en una principal equivalencia la cual mantuvo la gravedad es la aceleración.

La vibración se define como el movimiento oscilante que hace una partícula alrededor de un punto fijo. Este movimiento puede ser regular en dirección, frecuencia.

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

MEDICION DE LA ACELERACION

Acelerómetro de masa sísmica:Medida por un transductor de fuerza

Un acelerómetro es un dispositivo que mide la aceleración. La mayoría de los acelerómetros trabajan de manera indirecta. Llevan una cantidad de masa conocida, denominada masa sísmica a una unión mecánica con el objeto que está siendo medido, la masa sísmica debe de experimentar la misma masa sísmica. Entonces el acelerómetro detectara la fuerza ejercida sobre la masa sísmica. El valor de la fuerza medida está relacionada con el valor de la aceleración por la segunda Ley de Newton:
 

Por tanto el transductor de fuerza puede estar calibrado para leer las unidades de aceleración.

La figura 10-30 representa un diagrama de un acelerómetro basado en calibrador de tensión. El marco del acelerómetro debe estar firmemente unido al objeto medido. La masa sísmica se adjunta al marco del acelerómetro por un vínculo elástico de baja deflexión, que se puede concebir como un resorte muy rígido. La masa sísmica se restringe a las direcciones dentro/fuera y arriba/abajo por medio de guías, pero las guías permiten un movimiento libre en dirección izquierda/derecha.

 Cuando el objeto medido se acelera hacia la derecha, el marco transmite una fuerza vía el vínculo elástico a la masa sísmica, ocasionando que se acelere por igual. La fuerza de reacción comprime el vínculo elástico, lo cual permite a la masa desplazarse ligeramente hacia la izquierda. La tensión sobre el vínculo elástico se manifiesta como un  cambio de resistencia en el calibrador de tensión, el cual puede relacionarse con la fuerza en la forma habitual de calibrador de tensión, y después la aceleración por solicitud de la segunda Ley de Newton, como se explico anteriormente. 

Figura 10-30

 

Acelerómetros piezoeléctricos:

Los materiales piezoeléctricos generan una fem cuando se someten a un movimiento o una fuerza mecánica, y no generan una salida en condiciones de fuerza estática. Este enunciado se recalca debido a que estos tipos de materiales son útiles solo para mediciones dinámicas. Los materiales piezoeléctricos poseen un rango elástico lineal en el que pueden producir una fem proporcional al esfuerzo mecánico que reciben.

En la figura 9.15 se muestra un acelerómetro sísmico lineal en el cual se utiliza un elemento piezoeléctrico, de tal modo que se produce una carga eléctrica proporcional a la aceleración aplicada. Los detectores sísmicos piezoeléctricos se pueden representar por medio de los elementos que se muestra en la figura 9.15b, donde una masa es sostenida sobre un resorte lineal sujeto al soporte del instrumento. El cristal piezoeléctrico que produce la carga actúa como resorte. El amortiguamiento viscoso entre la masa y el soporte está representado por el amortiguador C. En la figura 9.15c, el marco recibe una aceleración ascendente para lograr un desplazamiento U que produce una compresión en el resorte, equivalente a S, que es el desplazamiento de la masa en relación al resorte.

Para frecuencias mucho menores que la resonancia de la masa y del resorte, el desplazamiento es directamente proporcional a la aceleración del marco e independiente de la frecuencia.

Acelerómetros Piezoresistivos:

Un acelerómetro piezo-resistivo a diferencia de uno piezo-eléctrico utiliza un sustrato en vez de un cristal piezo-eléctrico, en esta tecnología las fuerzas que ejerce la masa sobre el sustrato varían su resistencia, que forma parte de un circuito que mediante un puente de Whetstone mide la intensidad de la corriente. La ventaja de esta tecnología respecto a la piezo-eléctrica es que pueden medir aceleraciones hasta cero Hz de frecuencia.

                                                                 

Acelerómetros Capacitivos:

Modifican la posición relativa de las placas de un microcondensador cuando está sometido a aceleración. El movimiento paralelo de una de las placas del condensador hace variar su capacidad. Los acelerómetros capacitivos basan su funcionamiento en la variación de la capacidad entre dos ó más conductores entre los que se encuentra un dieléctrico, en respuesta a la variación de la aceleración. Los sensores capacitivos en forma de circuito integrado en un chip de silicio se emplean para la medida de la aceleración. Su integración en silicio permite reducir los problemas derivados de la temperatura, humedad, capacidades parásitas, terminales, alta impedancia de entrada, etc.

Montaje de los acelerómetros:

Los métodos de unión de los acelerómetros con la superficie de medida son los siguientes: unión roscada, base magnética, cera de abeja, resinas epoxi, o mediante piquetas. La selección del tipo de sujeción depende de las posibilidades que ofrezca la superficie a medir y el efecto de la sujeción en la frecuencia de resonancia del acelerómetro, puesto que ésta disminuye conforme se reduce la rigidez de la sujeción. A continuación se presentan y comentan las diferentes posibilidades de unión.

• Una unión roscada es la unión que menos modifica la frecuencia de resonancia del acelerómetro, por lo que es la más adecuada en caso de alta frecuencia. La seguridad de este tipo de unión permite la medición de grandes amplitudes de vibración y no modifica el rango de temperaturas de uso del acelerómetro. Como contrapartida, no siempre es posible mecanizar la superficie de medida, y su instalación requiere tiempo.

 • La cera de abeja modifica la frecuencia de resonancia ligeramente, y es útil en caso de acelerómetros sin rosca, en caso de tests rápidos o si hay que realizar mediciones en superficies no alterables. En contrapartida, no se pueden utilizar en casos de grandes amplitudes debido a que no se trata de una unión sólida, y tampoco son aconsejables para temperatura altas en las que la cera se pueda fundir, ni se puede garantizar la repetitividad del punto de medida.

• Las uniones magnéticas son rápidas y se pueden utilizar en casos de altas amplitudes, pero se necesita que la superficie de medida sea ferro magnética, el hecho de añadir la base magnética al acelerómetro aumenta su masa.

 • Las resinas epoxi son útiles en caso de no disponer de rosca en el acelerómetro o no poder mecanizar la superficie de medida, son válidas también para grandes amplitudes y un amplio rango de temperaturas. Como contrapartida hay que señalar el cuidado que exige la retirada del transductor: la unión debe usualmente romperse mediante un golpe seco en la base del acelerómetro, en dirección paralela a la superficie, lo que puede causar daños en el transductor. Es aconsejable, por este motivo, usar una base añadida (que puede ser la base magnética que suelen equipar los acelerómetros) para realizar este tipo de fijación.

• El uso de piquetas es normalmente el único recurso para realizar mediciones en un terreno natural o superficies muy rugosas, aunque suele ser un procedimiento laborioso. Proporciona buenas características en general pero se pueden ver limitadas por el uso de cera o resinas al unir el acelerómetro con la piqueta. Hay que asegurar también la verticalidad de la piqueta.

MEDICIÓN DE LA VIBRACIÓN

Sensores de desplazamiento de fibra óptica:

Los sensores de desplazamiento de fibra óptica constan de un emisor de luz y dos receptores, si la superficie de medida es reflectante la cantidad de luz recibida es proporcional a la distancia entre la superficie de medida y el sensor.

Sensor LVDT:
 Los LVDT constan de una bobina primaria, y de dos bobinas secundarias todas bobinadas entorno un mismo cilindro dentro del cual se halla otro cilindro móvil o núcleo magnético que sirve de camino al flujo magnético tal como se ve en la Figura 2.

Cuando se aplica una diferencia de potencial en la bobina primaria, se induce una diferencia de potencial en las dos bobinas secundarias que están conectadas en serie tal como se indica en la Figura 2. El voltaje proporcionado por el sensor (vs) es la diferencia de los voltajes inducidos en las bobinas (v1 yv2). Cuando el núcleo magnético está en su posición central (Figura 2) v1 y v2 son iguales, por lo que el voltaje proporcionado por el sensor es 0. Sin embargo, el núcleo se desplaza con la superficie de medida induciendo una diferencia de potencial mayor en la bobina hacía la cual se mueve y menor en la otra; por lo tanto v1 y v2 dejan de ser iguales y vs es función del desplazamiento del núcleo.

Vibrómetros:

Los vibrómetros laser emiten sobre la superficie de medida una luz láser que se refleja en ella y se recibe de nuevo en el vibrómetro. La frecuencia de la luz recibida está afectada por el efecto Doppler que es función de la velocidad relativa entre el vibrómetro (estático) y la superficie de medida. Suele utilizarse cuando no es posible utilizar otros sensores puesto que no exigen montaje y no necesitan contacto con la superficie de medida.

Sensores electromagnéticos de velocidad:

Los sensores electromagnéticos de velocidad constan de un imán que se mueve solidariamente a la superficie de medida dentro de un par de bobinas, el movimiento del núcleo induce un voltaje en la bobina que según la Ley de Faraday, es proporcional a su velocidad.

Sensores de proximidad:

Un sensor de proximidad es un tipo de sensor de vibración que está destinado a medir la distancia entre un objeto y una sonda. Si el objeto está vibrando, significa que se moverá hacia y lejos de la sonda, y recoger el movimiento de los sensores, puede detectar el alcance de la vibración en que tiene lugar. Estas sondas se pueden utilizar para pequeñas aplicaciones como la detección de vibraciones dentro de la maquinaria, o para aplicaciones más grandes como la detección de vibraciones en la tierra como signo de terremotos.

SENSOR PARA MEDIR VIBRACION EN MAQUINAS (motores, compresores, bandas de transporte):

PCH 1106:                                            

Este sensor se encuentra dentro de los sensores capacitivos, los cuales ya se describieron anteriormente. Es capaz de medir parámetros como velocidad (mm/s), aceleración (m/s²).

Tiene un rango de medición de: 1-20 mm/s

Exactitud de la medición: 5%

Rango de medición máximo: 18g

Rango de frecuencia: 10-1000 HZ

Salida: 4-20mA y 1-6 V DC

Alimentación: 24V DC

Ventajas: -Muy práctico de utilizar -Bajo costo -Rango aceptable de error

Desventajas: -Bajas frecuencias -Necesita estar conectado a PLC.

SENSOR PARA LA MEDIR ACELERACION Y VIBRACION EN PUENTES:

ACELERÓMETRO TRIAXIAL DC:

 

Sensitividad: 4.1mV/(m/s²)

Rango de medición: 490.5 m/s²

Rango de frecuencia: 0-1000 HZ    (PCB PIEZOTRONICS)

Frecuencia resonante: 5.1 kHz

Rango de temperatura: -54 a 121 °C

Alimentación: 6-30 VCD, 6mA

Material de fabricación: titanio

Ventajas: -Fiabilidad y durabilidad en condiciones ambientales exigentes -Buena sensitividad -Bajo costo

Desventajas: -Bajas frecuencias -Dificultad de calibración

SENSOR PARA MEDIR TERREMOTOS:

Transductor Ultrasónico Piezoeléctrico: Serie ZUT

Características

1. Alta Q mecánica y excelente conversión electro-acústica

Proporciona una amplitud de salida alta.

 2. Vibración de alta velocidad de los elementos piezoeléctricos

3. El rango de temperatura extendido de la cerámica PENSANTE asegura

Buena linealidad de amplitud.

4. Instalación rápida y fácil y alta confiabilidad del montaje atornillado.

Ventajas:

-Responden a  altas frecuencias

-Presenta excelente estabilidad a largo plazo

-Sensibilidad alta carga

-Sensibilidad de alta tensión

Desventajas:

-Bajo coeficiente de temperatura

-Varían sus características con la temperatura

BIBLIOGRAFIA

(HAROLD E. SOISSON, INSRUMENTACION INDUSTRIAL, EDITORIAL LIMUSA)

(COOPER, WILLIAM DAVID. , INSTRUMENTACION ELECTRONICA MODERNA Y TECNICAS DE MEDICION)

SENSOR MEDIDOR DE ACELERACIÓN. CAPÍTULO 4 UNIVERSIDAD DE SEVILLA

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