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Un acelerómetro piezoeléctrico es un instrumento que genera de forma natural una señal eléctrica y, por tanto, no necesita una fuente de alimentación. Tampoco tiene piezas móviles que se desgasten. Ofrece una salida proporcional a la aceleración que puede integrarse y transformarse en señales proporcionales de velocidad y desplazamiento. Pueden trabajar a temperaturas extremas, pero a cambio tienen una alta impedancia de salida que exige utilizar cables con bajo nivel de ruido y amplificadores de carga para acondicionar la señal.
El elemento central de un acelerómetro piezoeléctrico es una lámina de material sensible al efecto piezoeléctrico, normalmente un elemento cerámico ferroeléctrico polarizado artificialmente. Cuando esta lámina se somete a un esfuerzo mecánico de tensión, compresión o cizallamiento, genera entre sus polos una carga eléctrica proporcional a la fuerza aplicada.
Diseños de acelerómetros
En los diseños prácticos de acelerómetros, el elemento piezoeléctrico está dispuesto de manera que, cuando se hace vibrar el conjunto, una masa aplica al elemento piezoeléctrico (en realidad, un resorte) una fuerza proporcional a la aceleración vibratoria, conforme a la ley fuerza = masa x aceleración.
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ACELERÓMETROS
En el caso de las frecuencias que se encuentran muy por debajo de la frecuencia de resonancia del sistema formado por la masa y el resorte, la aceleración de la masa es la misma que la aceleración de la base. Por tanto, la señal de salida tendrá un valor proporcional a la aceleración que se aplica al conjunto del sensor.
Hay dos configuraciones típicas:
compresión y cizallamiento, según el tipo de fuerza que ejerza la masa sobre el elemento piezoeléctrico.
Tipos de acelerómetros piezoeléctricos
A primera vista, puede parecer que casi todos los fabricantes ofrecen una enorme variedad de acelerómetros. Incluso demasiados para que resulte fácil elegir uno.
Sin embargo, hay un pequeño grupo de tipos "de uso general" que cubren la mayoría de las necesidades. Estos acelerómetros tienen el conector en posición superior o lateral, y sensibilidades del orden de 1 a 10 mV o pC por m/s2. Los modelos Uni-Gain® de Brüel & Kjaer ofrecen una sensibilidad normalizada a un valor "redondo" cómodo, por ejemplo 1 o 10 pC/ms-2, con el fin de simplificar la calibración del sistema de medida.
Acelerómetros CCLD/DeltaTron® o IEPE
Los acelerómetros CCLD (Constant Current Line Drive, entrada de corriente constante) o IEPE (Integrated Electronics Piezo Electric, piezoeléctricos con electrónica integrada) son acelerómetros piezoeléctricos con preamplificadores integrados. Su señal consiste en una modulación de la tensión de la línea de alimentación.
Los acelerómetros IEPE de Brüel & Kjaer tienen una alta sensibilidad de salida, una buena relación señal/ruido y un amplio ancho de banda. Estas características los hacen adecuados para medidas de vibraciones generales y de alta frecuencia.
Se trata de instrumentos de altas prestaciones y tienen una mayor sensibilidad de salida que los acelerómetros piezoeléctricos estándar (que no llevan amplificadores integrados). Son herméticamente estancos, como medida de protección frente a la contaminación ambiental. También presentan una baja susceptibilidad a las radiofrecuencias y a la radiación electromagnética. Por último, su salida es de baja impedancia debido a la fuente de alimentación externa de corriente constante. Esta salida de baja impedancia es muy interesante porque permite utilizar cables para acelerómetros coaxiales, que son más económicos.
Muchos de los acelerómetros que no pertenecen a esta categoría de uso general tienen características orientadas a una aplicación concreta. Por ejemplo, hay acelerómetros más pequeños indicados para medir niveles altos o frecuencias altas; pesan entre 0,5 y 2 gramos y se utilizan en estructuras delicadas, paneles, etc.
Otros modelos para aplicaciones especiales están optimizados para medir simultáneamente en tres direcciones perpendiculares entre sí; o para medir en presencia de altas temperaturas, o con niveles de vibración muy bajos, o con impactos de alto nivel. También existen modelos específicos para calibrar otros acelerómetros por comparación y para monitorizar de forma permanente máquinas industriales.
Sensibilidad, masa y rango dinámico de los acelerómetros
La primera característica que se suele tener en cuenta es la sensibilidad. Lo ideal es disponer de un nivel de salida alto. Ahora bien, hay que encontrar un equilibrio, porque una alta sensibilidad suele ir asociada a un elemento piezoeléctrico relativamente grande y, por tanto, a una unidad más grande y pesada.
En circunstancias normales, la sensibilidad no es un problema crítico, ya que los preamplificadores modernos están diseñados para aceptar señales de bajo nivel. Eso sí, cuando el objeto de ensayo sobre el que medimos es muy liviano, la masa del acelerómetro sí que es un factor importante. Cualquier masa adicional que pongamos sobre una estructura ligera puede alterar significativamente los niveles de vibración y las frecuencias en el punto de medida.
Por norma general, la masa del acelerómetro debe ser, como máximo, una décima parte de la masa dinámica de la pieza vibrante sobre la que se monta.
El rango dinámico es importante cuando queremos medir niveles de aceleración anormalmente altos o bajos. El límite inferior que se muestra en el gráfico de más abajo no suele estar determinado directamente por el acelerómetro, sino por el ruido eléctrico de los cables de conexión y los circuitos del amplificador. En los instrumentos para uso general, este límite puede ser de una centésima de m/s2.
El límite superior viene dado por la resistencia estructural del acelerómetro. Un acelerómetro típico de uso general tiene un comportamiento lineal hasta 50.000-100.000 m/s2, lo que entra perfectamente dentro del rango de los impactos mecánicos. Un acelerómetro diseñado especialmente para medir impactos mecánicos puede ser lineal hasta 1000 km/s2 (100.000 g).
Rango de frecuencia de los acelerómetros
Una gran parte de la energía de vibración de los sistemas mecánicos suele estar concentrada en una banda de frecuencia relativamente estrecha, entre 10 Hz y 1000 Hz; sin embargo, las medidas suelen llegar hasta unos 10 kHz porque, a menudo, hay componentes de vibración interesantes a esas frecuencias más altas. Por lo tanto, a la hora de seleccionar un acelerómetro, debemos asegurarnos de que su rango de frecuencia cubre nuestro rango de interés.
Hay dos factores que, en la práctica, limitan el extremo de baja frecuencia del rango de un acelerómetro. El primero es el corte de baja frecuencia del amplificador que colocamos detrás del acelerómetro. No suele ser un problema, porque el límite suele estar muy por debajo de 1 Hz.
El segundo es el efecto de las fluctuaciones de la temperatura ambiente, a las que el acelerómetro es sensible. En los modernos acelerómetros de cizallamiento, este efecto es mínimo y se pueden obtener medidas por debajo de 1 Hz en entornos normales.
El límite superior viene dado por la frecuencia de resonancia del sistema masa-resorte del propio acelerómetro. Como regla general, si fijamos el límite de frecuencia superior a 1/3 de la frecuencia de resonancia del acelerómetro, podemos estar seguros de que el error de medida de la vibración en el límite de frecuencia superior del componente no será superior al +12%.
En el caso de los acelerómetros pequeños y de masa reducida, la frecuencia de resonancia puede alcanzar los 180 kHz. En cambio, en los acelerómetros de uso general, que son algo más grandes y tienen una salida más potente, las frecuencias de resonancia son típicamente de 20 a 30 kHz.
Errores de resonancia de los acelerómetros
Normalmente, la sensibilidad de un acelerómetro es mayor cerca de su extremo de alta frecuencia debido a su propia resonancia. Por tanto, a esas altas frecuencias, la salida no es un valor real de la vibración en el punto de medida.
Cuando se hace un análisis en frecuencia de una señal de vibración, es fácil reconocer un pico de alta frecuencia asociado a la resonancia del acelerómetro, que se puede despreciar. En cambio, si obtenemos una lectura global de banda ancha que incluya la resonancia del acelerómetro y la vibración que queremos medir tiene componentes en la región próxima a esa frecuencia de resonancia, entonces el resultado será inexacto.
Para resolver este problema hay que emplear un acelerómetro con un rango de frecuencia lo más amplio posible y combinarlo con un filtro de paso bajo (los vibrómetros y preamplificadores normalmente lo incluyen), que se encarga de eliminar esa señal causada por la resonancia del acelerómetro, que no nos interesa.
Si solo nos interesan las bajas frecuencias, es posible eliminar las vibraciones de alta frecuencia y los efectos debidos a la resonancia del acelerómetro (como saturación de la electrónica) mediante filtros mecánicos. Estos filtros consisten en un medio elástico, normalmente caucho colocado entre dos discos de montaje, y se instalan entre el acelerómetro y la superficie de montaje. Suelen reducir el límite de frecuencia superior a un valor entre 0,5 y 5 kHz.
CONSIGA EL MANUAL COMPLETOMEDICIÓN DE VIBRACIONES
BY BRÜEL & KJAER
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