Introducción a los acelerómetros piezoeléctricos
El tema tratado en este artículo es una introducción a los acelerómetros piezoeléctricos..
introducción
Los acelerómetros piezoeléctricos son transductores utilizados para vibraciones de medición midiendo la aceleración de la vibración. Pueden trabajar a partir de una variedad de efectos físicos y son capaces de medir una amplia gama de valores de aceleración., Logotipo que tiene una gama muy amplia de aplicaciones.. Los acelerómetros piezoeléctricos se utilizan ampliamente en sistemas de posicionamiento., sensores de inclinación, así como sensores de vibración y golpes o conectados a analizadores de vibración. En nuestra vida diaria estamos rodeados de acelerómetros, Siendo bien conocidas las aplicaciones la orientación de las pantallas de los teléfonos móviles que se ajustan según el ángulo que hacen en relación a la aceleración de la gravedad o los sensores de disparo de “bolsas de aire” de carros.
Existen numerosos tipos de acelerómetros que utilizan diferentes tipos de efectos físicos para medir la aceleración..
El más utilizado para el mantenimiento predictivo en vibraçõe análisiss, son acelerómetros piezoeléctricos y se discutirán aquí.
Definición de piezoelectricidad
UNA Piezoelectricidad Consiste en la capacidad de algunos materiales. (a saber, cristales y algunas cerámicas) para generar un potencial eléctrico en respuesta a la aplicación de una fuerza mecánica.. Esto puede tomar la forma de una carga eléctrica en la matriz cristalina.. Si el material no está cortocircuitado, la carga eléctrica induce un voltaje en el material.
Porque utilizamos acelerómetros piezoelétricos?
Las razones por las que utilizamos acelerómetros piezoeléctricos son las siguientes.:
- dimensión reducida
- luz
- con dos alambres (yeguas)
- gran rango dinámico
- amplio rango de temperatura
- amplio rango de frecuencia
- muy poco ruido
- Acondicionamiento de señal simple
- implementación económica
Introducción a los acelerómetros piezoeléctricos – El transductor piezoeléctrico
El elemento activo de todos los dispositivos piezoeléctricos es un elemento de material piezoeléctrico. Hay muchas soluciones de construcción de sensores diferentes basadas en diferentes cristales y materiales..
Los tipos de acondicionamiento de sensores piezoeléctricos que se utilizan en la actualidad son:
- Modo de voltaje (con varios nombres comerciales. yeguas, LIVM, ICP, Piezotron, Isotron) donde hay componentes electrónicos montados en el propio transductor;
- Modo Carga que están conectados a un amplificador de carga externo
Cada uno tiene sus ventajas y desventajas, que se discutirán a continuación..
Soluciones constructivas para acelerómetros piezoeléctricos con electrónica integrada (modo de voltaje)
Las principales soluciones constructivas para acelerómetros piezoeléctricos son las siguientes:
| Característica | ||
| Electrónica integrada | Sí No es necesario acondicionar la señal; mas economico. Límite superior de temperatura impuesto por la electrónica incluida (Ejemplo típico: 120 ºC) Muchos equipos de medición modernos incluyen una fuente de alimentación IEPE. | No puede soportar temperaturas más altas. |
| Material piezoeltrico | Cuarzo | Cerámico. más sensible |
| Conjunto de sensor piezoeléctrico | a la compresión | Al cortar Menos sensible a la deformación de la base. |
El sensor con material piezoeléctrico se puede montar por compresión o cortando como se muestra a continuación. El montaje en el corte tiene la ventaja de ser menos sensible a las deformaciones de la base del acelerómetro..
Características de entrada/salida acelerómetros piezoelétricos entonces voltaje (yeguas)
Las siguientes son las principales características de acelerómetros piezoelétricos yeguas.
Entrada: 18 - 24 Voltios DC, 2-20corriente constante mA; Los valores de entrada distintos a los mencionados pueden dañar el sensor.
Salida: voltaje proporcional a la aceleración o vibración
Nota: El sensor de modo de voltaje o IEPEE es un dispositivo de dos cables. (señal / potencia y tierra)
El circuito integrado se alimenta de una fuente de corriente constante. (ver figura). Esta fuente de corriente constante puede ser parte del instrumento o una unidad separada.. Tanto la corriente de suministro como la salida de voltaje se transmiten a través del mismo cable coaxial.. Un voltaje de polarización positiva (Tensión de polarización) aparece en la salida del sensor. La señal de vibración se transmite de regreso a la fuente como un voltaje de polarización modulado.. El condensador de CC elimina el voltaje de polarización del sensor de la entrada del instrumento., proporcionando una señal de CA de base cero. Dado que la impedancia de salida de los transductores comunes que cumplen con IEPE es menor que 100 ohmios, El cable puede tener hasta varios cientos de metros de largo sin comprometer la calidad de la señal.. Se pueden utilizar cables coaxiales estándar económicos en lugar de costosos cables silenciosos..
En el extracto de una especificación que se presenta a continuación se puede ver la descripción de la fuente de alimentación de un acelerómetro piezoeléctrico..
Se puede observar que la fuente de alimentación de este modelo de acelerómetros está entre 18 una 30 VDC con una corriente de suministro de 2-10 mamá.
El voltaje de polarización de acelerómetros piezoelétricos– tensión de polarización
El voltaje de polarización, o sea, el voltaje de salida CC del sensor con excitación, normalmente esta entre 12 mi 14 V. Varía con la corriente de suministro y la temperatura.. La señal de salida del sensor oscila alrededor de este voltaje de polarización.. Nunca puedes volverte negativo.
Comprobación del funcionamiento eléctrico de los acelerómetros piezoeléctricos IEPE.
Al instalar una combinación permanente de cables piezoeléctricos y acelerómetros, especialmente en áreas que serán inaccesibles una vez completada la instalación, Es importante comprobar el correcto funcionamiento del conjunto..
Muchas fallas del acelerómetro/cable se pueden diagnosticar midiendo el voltaje de polarización del amplificador del sensor.. Si el voltaje de polarización está dentro de los límites correctos, Se considerará que el sensor y el cable funcionan correctamente..
Los acelerómetros más comunes tienen un circuito de salida polarizado.. Los circuitos de salida polarizados utilizan un sistema de sensor de dos cables utilizado para medir señales dinámicas de CA., de vibración.
Un analizador portátil/fuente de alimentación externa suministra un voltaje de CC al acelerómetro. El voltaje de la fuente de alimentación es normalmente 18 una 30 Voltios CC. Los requisitos del circuito amplificador del sensor dan como resultado una reducción de voltaje a un nivel predefinido. Esto normalmente ocurre en el rango de 10 una 14 vcc. Este es el voltaje BIAS que se debe medir en el acelerómetro en funcionamiento..
Algunas fallas de acelerómetros piezoelétricos tener síntomas típicos
- Un resultado de 10 una 14 Vcc debe considerarse un sistema de acelerómetro/cable que funciona correctamente.
- El resultado de un voltaje significativamente mayor que 14 vcc, como 23 vcc, Se debe considerar un sistema de acelerómetro/cable., indica mal contacto o mal funcionamiento del cable.
- Un resultado de 0 Vcc indicará un cable en cortocircuito o un conjunto de sensor.
Comprobación automática del funcionamiento del acelerómetro. acelerómetros piezoelétricos IEPE es un sistema en línea
Hoy en día, Los sistemas en línea son comunes., como el vibrómetro MPS1, Disponer de sistemas automáticos de detección de fallos como se puede observar en la siguiente figura., donde puede ver las ventanas “Nivel OK superior” y “Nivel OK inferior”.
Si la señal eléctrica no está dentro de estos valores, se genera una alarma de fallo de sensor/cable en el canal de medición..
la alimentacion de acelerómetros piezoelétricos en equipos de medición
Todos los analizadores de vibraciones modernos funcionan para este tipo de acelerómetro.
Introducción a los acelerómetros piezoeléctricos – Respuesta de frecuencia de acelerómetros piezoeléctricos IEPE
La respuesta de baja frecuencia de los acelerómetros piezoeléctricos está controlada por la constante de tiempo de descarga. (DTC)
- Ajustado de fábrica y no se puede cambiar.
- Se puede cambiar en la fabricación..
La respuesta de alta frecuencia es una función de la frecuencia de resonancia. (natural) hacer sensor.
Los filtros en el sensor o el acondicionamiento de la señal también pueden afectar la respuesta de frecuencia del sensor..
- Los sensores de alta sensibilidad suelen tener una frecuencia de resonancia baja..
- Los sensores de baja sensibilidad suelen tener una alta frecuencia de resonancia..
Descarga constante de tiempo (DTC)del acelerómetros piezoelétricos
Constante de tiempo de descarga: tiempo necesario para el voltaje de salida del sensor, para descargar a 37% de su valor original, en respuesta a un ascenso abrupto, al paso, de aceleración de entrada.
- Determina la respuesta de baja frecuencia del sensor.
- La respuesta de baja frecuencia es aproximadamente igual a:
Punto -3dB = .16 / DTC
Punto -5% = Punto -3dB x 3
Soluciones de construcción para sensores piezoeléctricos sin electrónica integrada (modo carga)
Las soluciones constructivas para sensores piezoeléctricos sin electrónica integrada son las siguientes (modo carga).
- Se conectan a un amplificador de carga que convierte la señal del acelerómetro en voltios.
- Generalmente con sensor cerámico
- No incluye electrónica
- Apto para altas temperaturas, como monitorear turbinas de gas (por ejemplo hasta 700 ° C)
- Acondicionamiento de señal caro
- Cables de bajo ruido necesarios para la mayoría de las aplicaciones
- Los amplificadores de carga suelen ser más difíciles de usar (ex.: ajuste de sensibilidad, etcétera)
A continuación puede ver el acelerómetro CA901 de alta temperatura, que funciona hasta 700ºC..
Introducción a los acelerómetros piezoeléctricos – Montaje del acelerómetro
La forma de configurar un acelerómetro es muy importante porque puede influir en su respuesta de frecuencia..
Tipos de montaje de acelerómetros piezoelétricos
- Montar con pierna
- Respuesta de frecuencia óptima
- Adaptador pegado con cola epoxi, sensor montado en la pierna
- buena respuesta de frecuencia
- Base magnética
- Cómodo, respuesta de frecuencia limitada
- Base magnética en adaptador pegada con cola epoxi
- El mejor método de montaje con base magnética
Efectos de la respuesta de frecuencia del montaje del acelerómetros piezoelétricos
O Pista de Esquí – Tiempo de conexión y estabilización de acelerómetros piezoeléctricos.
Cuando se suministra energía a un acelerómetro, Hay un tiempo de encendido para que el circuito amplificador se energice y alcance un voltaje de polarización estable antes de que pueda comenzar la medición de la vibración.. El tiempo de activación se identifica como el tiempo necesario para alcanzar o normalizar el +/- 10% del voltaje de polarización. Permitir que el acelerómetro se estabilice alrededor del voltaje de polarización evitará la pendiente del cielo en el espectro FFT..
La “pendiente del cielo” se manifiesta en el espectro de frecuencias en forma de componentes espectrales de muy baja frecuencia y muy alta amplitud.. La “pendiente del cielo” que consiste en el resultado del análisis de frecuencia de la componente CC de la señal no estabilizada., puede causar serios problemas, a los que miden vibraciones.
forma correcta de montar acelerómetros piezoelétricos en la recopilación de datos
Al recopilar datos con equipos portátiles, El acelerómetro se enciende cuando se enciende el recolector de datos y el acelerómetro permanecerá encendido hasta que se apague el recolector de datos al final del proceso de recolección.. Si se monta un acelerómetro portátil con un imán (o ensamblado por otros medios temporales), Se necesita algún tiempo para que el circuito amplificador se estabilice después del choque del ensamblaje.. Esto se conoce como tiempo de asentamiento.. El tiempo que tarda el circuito amplificador en estabilizarse después del montaje temporal depende en gran medida del proceso de montaje.. Si el acelerómetro está montado rígidamente en la máquina, permitiendo que el imán impacte la superficie de montaje, el impacto del montaje saturará el amplificador y será necesario. un largo tiempo de estabilización. Si el soporte magnético se monta suavemente en la superficie de montaje, con poco o ningún impacto en el acelerómetro, el tiempo de estabilización será mínimo. siempre es preferible, en la recopilación de datos portátiles, Monte el acelerómetro lo más suavemente posible., para evitar cualquier choque del sensor o saturación del amplificador. Esto permite que el proceso de medición comience más rápido., ahorre tiempo entre mediciones y evite la “pendiente del cielo” en el espectro FFT.
Nivel de ruido espectral de acelerómetros piezoelétricos
Cada acelerómetro tiene un nivel de ruido. (“piso de ruido”) y la amplitud de este ruido normalmente se mide en 10, 100 mi 1000 Hz en unidades de µV dividido por la raíz cuadrada de la frecuencia, que es equivalente a la raíz cuadrada del PSD (Densidad espectral de potencia). Dividiendo el valor medido de µV/√Hz por la sensibilidad del acelerómetro se obtiene un valor de µg / √Hz. Por ejemplo:
• Ruido espectral medido en 10 Hz = 1,4 µV/√Hz
• Con sensibilidad de 100mV/g, Ruido espectral a 10 Hz = 14 µg/√Hz
• Ahora podemos calcular la amplitud del ruido a 10 Hz como 14 µg/√10 = 4,43 µg
4,43 µg sería la amplitud del ruido en 10 hz. Para realizar una medición por encima del nivel de ruido, con tolerancia al ruido aceptable, o SNR (Relación de señal / ruido) al menos debe ser 10 para 1, o sea, la amplitud de vibración debe ser al menos 44,3 µg en el ejemplo anterior. El bajo ruido espectral permitirá realizar una buena medición y mantener las señales de interés muy por encima del nivel de ruido del acelerómetro..
gama dinámica del acelerómetros piezoelétricos
Rango de niveles que puede medir el acelerómetro, que se puede expresar de diferentes formas
La escala completa de los sensores IEPE es típicamente una señal de salida de ± 5 voltios
