CONTEÚDO
O acelerômetro piezoelétrico é autogerado, de modo que não precisa de fonte de alimentação. Não há partes móveis para se desgastar e, finalmente, sua saída proporcional de aceleração pode ser integrada para fornecer sinais proporcionais de velocidade e deslocamento. Eles são capazes de operar em temperaturas extremas, mas são limitados pela alta impedância de saída, exigindo cabos de baixo ruído e amplificadores de carga para condicionar o sinal.
O coração de um acelerômetro piezoelétrico é a fatia de material piezoelétrico, geralmente uma cerâmica ferroelétrica polarizada artificialmente, que exibe o efeito piezoelétrico único. Quando é tensionado mecanicamente, seja em tração, compressão ou cisalhamento, ele gera uma carga elétrica nas faces dos pólos que é proporcional à força aplicada.
Projetos de acelerômetro
Em projetos de acelerômetros práticos, o elemento piezoelétrico é disposto de modo que, quando o conjunto é vibrado, a massa aplica uma força ao elemento piezoelétrico que é proporcional à aceleração vibratória. Isso pode ser visto pela lei, Força = Massa x Aceleração.
SABER MAIS:
SENSOR DE ACELERÔMETRO
Para frequências situadas bem abaixo da frequência ressonante do sistema de massa-mola completo, a aceleração da massa será a mesma que a aceleração da base e a magnitude do sinal de saída será, portanto, proporcional à aceleração à qual o pick-up é submetido.
Duas configurações são de uso comum:
O tipo de compressão onde a massa exerce uma força de compressão no elemento piezoelétrico e o tipo de cisalhamento onde a massa exerce uma força de cisalhamento no elemento piezoelétrico.
Tipos de acelerômetro piezoelétrico
A maioria dos fabricantes tem uma ampla gama de acelerômetros à primeira vista, talvez muitos para facilitar a escolha.
Um pequeno grupo de tipos de "uso geral" irá satisfazer a maioria das necessidades. Eles estão disponíveis com conectores montados na parte superior ou lateral e têm sensibilidades na faixa de 1 a 10 mV ou pC por m / s2. Os tipos Brüel & Kjær Uni-Gain® têm sua sensibilidade normalizada para uma "figura redonda" conveniente, como 1 ou 10 pC / ms-2 para simplificar a calibração do sistema de medição.
Acelerômetros CCLD / DeltaTron® ou IEPE
Os acelerômetros CCLD (Constant Current Line Drive) ou IEPE (Integrated Electronics Piezo Electric) são acelerômetros piezoelétricos com pré-amplificadores integrais, que fornecem sinais de saída na forma de modulação de tensão na linha de alimentação.
Os acelerômetros IEPE da Brüel & Kjær têm alta sensibilidade de saída, alta relação sinal-ruído e ampla largura de banda, tornando-os adequados para medições de vibração de alta frequência e de uso geral.
Esses acelerômetros são instrumentos de alto desempenho que têm sensibilidade de saída mais alta do que os acelerômetros piezoelétricos padrão (sem amplificadores integrais). São hermeticamente selados para proteção contra contaminação ambiental, possuem baixa suscetibilidade à radiofrequência e radiação eletromagnética e baixa impedância de saída devido à fonte de alimentação externa de corrente constante. A saída de baixa impedância permite que você use cabos coaxiais baratos para acelerômetros.
Muitos dos acelerômetros fora da faixa de uso geral têm suas características voltadas para uma aplicação específica. Um exemplo; pequenos acelerômetros destinados a medições de alto nível ou alta frequência e uso em estruturas delicadas, painéis, etc. que pesam ca. 0,5 a 2 gramas.
Outros tipos de uso especial são otimizados para medição simultânea em três direções mutuamente perpendiculares; temperaturas altas; níveis de vibração muito baixos; choques de alto nível; calibração de outros acelerômetros por comparação; e monitoramento permanente de máquinas industriais.
Sensibilidade, Massa e Faixa Dinâmica do Acelerômetro
A sensibilidade é a primeira característica normalmente considerada. Idealmente, gostaríamos de um nível de saída alto, mas aqui devemos nos comprometer porque a alta sensibilidade normalmente envolve um conjunto piezoelétrico relativamente grande e, consequentemente, uma unidade relativamente grande e pesada.
Em circunstâncias normais, a sensibilidade não é um problema crítico, pois os pré-amplificadores modernos são projetados para aceitar esses sinais de baixo nível. A massa dos acelerômetros torna-se importante ao medir em objetos de teste de luz. Massa adicional pode alterar significativamente os níveis de vibração e frequências no ponto de medição.
Geralmente, a massa do acelerômetro não deve ser superior a um décimo da massa dinâmica da parte vibratória na qual está montado.
Quando for desejado medir níveis de aceleração anormalmente baixos ou altos, a faixa dinâmica do acelerômetro deve ser considerada. O limite inferior mostrado no desenho não é normalmente determinado diretamente pelo acelerômetro, mas pelo ruído elétrico dos cabos de conexão e do circuito do amplificador. Esse limite é normalmente tão baixo quanto um centésimo de m / s2 com instrumentos de uso geral.
O limite superior é determinado pela resistência estrutural do acelerômetro. Um acelerômetro de uso geral típico é linear até 50.000 a 100.000 m / s2, o que está bem na faixa de choques mecânicos. Um acelerômetro especialmente projetado para a medição de choques mecânicos pode ser linear até 1000km / s2 (100000 g).
MEDINDO A VIBRAÇÃOFaixa de frequência do acelerômetro
Os sistemas mecânicos tendem a ter grande parte de sua energia de vibração contida na faixa de frequência relativamente estreita entre 10 Hz a 1000 Hz, mas as medições costumam ser feitas de até 10 kHz porque muitas vezes há componentes de vibração interessantes nessas frequências mais altas. Devemos garantir, portanto, ao selecionar um acelerômetro, que a faixa de frequência do acelerômetro pode cobrir a faixa de interesse.
A faixa de frequência na qual o acelerômetro fornece uma saída real é limitada na extremidade de baixa frequência na prática, por dois fatores. O primeiro é o corte de baixa frequência do amplificador que o segue. Normalmente, isso não é um problema, pois o limite geralmente está bem abaixo de um Hz.
O segundo é o efeito das flutuações da temperatura ambiente, às quais o acelerômetro é sensível. Com os modernos acelerômetros do tipo cisalhamento, esse efeito é mínimo, permitindo medições abaixo de 1 Hz para ambientes normais.
O limite superior é determinado pela frequência ressonante do sistema massa-mola do próprio acelerômetro. Como regra geral, se definirmos o limite de frequência superior para um terço da frequência de ressonância do acelerômetro, sabemos que a vibração medida no limite de frequência superior do componente terá um erro de no máximo + 12% .
Com pequenos acelerômetros onde a massa é pequena, a frequência ressonante pode ser tão alta quanto 180kHz, mas para acelerômetros de uso geral um pouco maiores e com saída mais alta, frequências ressonantes de 20 a 30kHz são típicas.
Erros de ressonância do acelerômetro
Como o acelerômetro normalmente terá um aumento na sensibilidade na extremidade de alta frequência devido à sua ressonância, sua saída não dará uma representação verdadeira da vibração no ponto de medição nessas altas frequências.
Ao analisar a frequência de um sinal de vibração, pode-se facilmente reconhecer que um pico de alta frequência é devido à ressonância do acelerômetro e, portanto, ignorá-lo. Mas se for feita uma leitura de banda larga geral que inclui a ressonância do acelerômetro, ela dará um resultado impreciso se, ao mesmo tempo, a vibração a ser medida também tiver componentes na região em torno da frequência de ressonância.
Esse problema é superado com a escolha de um acelerômetro com a maior faixa de frequência possível e com o uso de um filtro passa-baixa, normalmente incluído em medidores de vibração e pré-amplificadores, para cortar o sinal indesejado causado pela ressonância do acelerômetro.
Onde as medições são limitadas a baixas frequências. vibração de alta frequência e efeitos de ressonância do acelerômetro, como sobrecargas nos componentes eletrônicos, podem ser removidos com filtros mecânicos. Eles consistem em um meio resiliente, normalmente borracha, colado entre dois discos de montagem, que são montados entre o acelerômetro e a superfície de montagem. Eles normalmente reduzem o limite de frequência superior para entre 0,5 kHz a 5 kHz.
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BRÜEL & KJÆR
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