Acelerómetros

ÍNDICE

1. ¿Qué es un acelerómetro?
2. Acelerómetros triaxiales
3. Acondicionamiento de señal / preamplificadores
4. Cómo seleccionar un acelerómetro
5. Especificaciones de los acelerómetros

¿Qué es un acelerómetro?

Un acelerómetro es un transductor electromecánico que, cuando se somete a una aceleración, produce en sus terminales una salida eléctrica proporcional. Esa señal de salida puede procesarse electrónicamente y leerse con un medidor u otro dispositivo indicador adecuado.

El elemento activo de los acelerómetros de Brüel & Kjær consiste en una serie de discos o láminas piezoeléctricas que se cargan por la acción de unas masas sísmicas, con un sistema de sujeción que mantiene el conjunto en posición.

Los elementos piezoeléctricos producen una carga eléctrica proporcional a la fuerza aplicada. Cuando el acelerómetro se somete a una vibración, la masa sísmica combinada ejerce una fuerza variable sobre el elemento piezoeléctrico, proporcional a la aceleración de las masas sísmicas.

A continuación resumimos nuestros distintos diseños de sensores:

Preamplificadores de acelerómetros

La salida de los acelerómetros de carga de Brüel & Kjær debe pasar por un preamplificador (excepto en el caso de los acelerómetros DeltaTron, que llevan un preamplificador integrado).

Se recomienda utilizar un amplificador de carga, y Brüel & Kjær fabrica un amplio catálogo de preamplificadores de altas prestaciones.  El uso de preamplificadores de carga permite utilizar cables de conexión muy largos sin alterar la sensibilidad especificada para el par acelerómetro-preamplificador.

La facilidad de calibración y de medida suele ser tan importante como la ganancia global y el rango de frecuencia. Por ello, la mayoría de los preamplificadores de Brüel & Kjær incorporan uno o más elementos de ayuda para acondicionar la señal:

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ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL

• Redes de acondicionamiento de la sensibilidad: permiten ajustar directamente la sensibilidad del transductor en el preamplificador y proporcionan una sensibilidad unificada al sistema.
• Redes de integración: convierten automáticamente la aceleración medida en una señal proporcional de velocidad y/o desplazamiento.
• Filtros paso alto y paso bajo: permiten seleccionar los límites de frecuencia inferior y superior del preamplificador para excluir de las medidas las señales no deseadas y la influencia de la resonancia del propio acelerómetro.

Acelerómetros uniaxiales y triaxiales

Los acelerómetros triaxiales se utilizan para medir simultáneamente vibraciones en tres direcciones (o ejes) perpendiculares entre sí. Evidentemente, un acelerómetro triaxial proporciona más información de medida que un sensor uniaxial normal.

Normalmente, los acelerómetros triaxiales constan de tres acelerómetros individuales montados en una misma carcasa, orientados a 90 grados entre sí. Esta disposición limita el tamaño mínimo de los acelerómetros que pueden utilizarse e implica que cada eje tiene un punto de referencia diferente.

Los acelerómetros de Brüel & Kjær utilizan una masa sísmica común y un elemento piezoeléctrico. Este diseño da como resultado un acelerómetro triaxial muy compacto, con un mismo punto de referencia para todos los ejes. Este diseño también garantiza medidas precisas y coherentes, aunque el acelerómetro se exponga a patrones de vibración complejos.

Cómo seleccionar un acelerómetro

A la hora de seleccionar su acelerómetro, debe tener en cuenta una serie de especificaciones para conseguir los mejores resultados para su aplicación y entorno de ensayo:

ESPECIFICACIONES

> Uni-gain y "V"
> Sensibilidad
> Respuesta de frecuencia
> Rango dinámico
> Calibración

Uni-Gain y "V"

Disponemos de sensores tipo "V" y Uni-Gain:

Sensores tipo “V”: los sensores no Uni-Gain llevan el sufijo "V" en el nombre del modelo. La diferencia entre los sensores Uni-Gain y los tipo "V" reside en que, en el caso de los tipo "V", todas las especificaciones que figuran en la tabla de calibración (excepto la sensibilidad) son típicas.

En cambio, en los acelerómetros Uni-Gain la sensibilidad y otros parámetros se garantizan con tolerancias muy estrechas, de modo que pueden intercambiarse sin necesidad de recalibrar.

Sensibilidad Uni-Gain: esta designación indica que la sensibilidad medida para el acelerómetro se ha ajustado a un valor conveniente con una tolerancia del 2%; por ejemplo, 1, 3,16 o 10 pC/ms^–2 (en pasos de 10 dB).

Sensibilidad de carga/tensión

Un acelerómetro piezoeléctrico se puede tratar como una fuente de carga o de tensión (voltaje). La sensibilidad se define como la relación entre la salida y la aceleración que se aplica, y puede expresarse en términos de carga por unidad de aceleración (por ejemplo, pC / ms^–2) o en términos de tensión por unidad de aceleración (por ejemplo, mV / ms ^–2).

Diagrama de circuito equivalente para acelerómetros sin preamplificador incorporado

Las sensibilidades que se indican en las tablas de calibración individuales se miden a 160 Hz con una aceleración de 100 ms^–2. La precisión de la calibración de fábrica es del ±2% con un nivel de confianza del 99,9%, e incluye la influencia del cable de conexión que se suministra con cada acelerómetro. 

Sensibilidad transversal

Los acelerómetros presentan una ligera sensibilidad a la aceleración normal a su eje principal de sensibilidad. Esta sensibilidad transversal se mide durante el proceso de calibración en fábrica utilizando una excitación de 30 Hz y 100 ms^–2, y se expresa como un porcentaje de la sensibilidad del eje principal correspondiente.

Respuesta relativa de un acelerómetro a las vibraciones en el eje principal y en el eje transversal

Respuesta de frecuencia y rango

Los límites de frecuencia superior que se indican en las especificaciones se calculan como el 30% y el 22% de la frecuencia de resonancia con el instrumento montado, con el fin de obtener errores inferiores al 10% y al 5%, respectivamente. En estos cálculos se presupone que el acelerómetro se fija correctamente a la muestra objeto del ensayo. Un montaje deficiente puede tener un efecto importante en la frecuencia de resonancia.

La respuesta de baja frecuencia de un acelerómetro depende principalmente del tipo de preamplificador utilizado en la configuración de medida.

Frecuencia de resonancia transversal: para obtener los valores típicos de frecuencia de resonancia transversal se monta un acelerómetro en un lateral de un cubo de acero o de berilio y se le hace vibrar utilizando el calibrador de acelerómetros Modelo 4294.

Respuesta de fase y amortiguación:  el bajo nivel de amortiguación de los acelerómetros Brüel & Kjær da como resultado un único pico de resonancia, bien definido, que se representa en las curvas de respuesta de frecuencia individuales.

Sensibilidad transversal de un acelerómetro en cualquier dirección (cuando se conoce la sensibilidad transversal máxima).

Rango dinámico: límites superior e inferior

El rango dinámico es el intervalo en el cual la salida eléctrica de un acelerómetro es directamente proporcional a la aceleración que se aplica a su base.

Límite superior:  en general, cuanto más pequeño es un acelerómetro, mayor es el nivel de vibración que admite. El límite superior depende del tipo de vibración y viene dado por el preesfuerzo al que se somete el elemento piezoeléctrico y por su resistencia mecánica.

En el caso de los acelerómetros con preamplificador incorporado, los límites máximos de vibración continua y de choque que figuran en las especificaciones son los límites de medida. A efectos de transporte y manipulación, se especifica el choque máximo no destructivo y los límites máximos de vibración continua y de choque, en cualquier dirección y para frecuencias de hasta 1/3 de la frecuencia de resonancia con el instrumento montado.

Cuando se miden señales transitorias de corta duración, deben evitarse los efectos de oscilación debidos a la resonancia de alta frecuencia del acelerómetro. Como regla general, para que un impulso de choque semisinusoidal genere un error de amplitud inferior al 5%, la duración del impulso debe ser superior a 10/ /f/R, donde /f/R es la frecuencia de resonancia del acelerómetro una vez montado.

Límite inferior: teóricamente, la salida de un acelerómetro piezoeléctrico es lineal en todo el intervalo de aceleración de la masa sísmica. Sin embargo, en la práctica existe un límite inferior, debido al nivel de ruido del sistema de medida y del entorno en el que se realizan las mediciones.

Calibración y estabilidad

Los acelerómetros de Brüel & Kjær deben superar controles rigurosos en todas las fases de fabricación y montaje. Cada acelerómetro se somete a un procedimiento de calibración exhaustivo y a un proceso de envejecimiento artificial, con el fin de garantizar un comportamiento estable y absolutamente predecible.

Los acelerómetros piezoeléctricos de Brüel & Kjær se calibran mediante comparación directa con un patrón de referencia primario, consistente en un acelerómetro calibrado en el Danish Primary Laboratory of Acoustics (DPLA) con trazabilidad verificada por el American National Institute of Science and Technology (NIST) de Estados Unidos y por el PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) alemán.

La precisión total de la comparación directa es del 2% con un nivel de confianza del 99,9% (1,6% con un nivel de confianza del 99%). Si se utiliza un método de interferometría, la precisión es mejor que un ±0,6%, con un nivel de confianza del 99%.

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TRANSDUCER SMART SETUP

Nuestra aplicación Transducer Smart Setup es la solución ideal para simplificar configuraciones multicanal. Esta aplicación funciona en combinación con códigos consistentes en una matriz de datos (similares a los códigos QR) que se colocan en los sensores y proporcionan acceso instantáneo a las especificaciones y la calibración.

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