Tipos de acelerómetros

introducción

El tema tratado en este artículo consiste en una descripción de algunos de los tipos de acelerómetros que existen.

O acelerómetro es un dispositivo utilizado para medir a aceleraçãOh tu análisis de vibraciones. Puede trabajar con varios efectos físicos y es capaz de medir una amplia gama de valores de aceleración., Logotipo que tiene una gama muy amplia de aplicaciones.. Estos dispositivos son ampliamente utilizados en sistemas de posicionamiento., sensores de inclinación, así como sensores de vibración y golpes. Por ejemplo, la orientación de las pantallas de los teléfonos móviles que se ajustan según el ángulo que hacen en relación con la aceleración de la gravedad se realiza con acelerómetros. Otro ejemplo son los sensores de disparo de “bolsas de aire” de carros.

• Tipos de acelerómetros

Hay muchos tipos de acelerómetros que utilizan diferentes tipos de efectos físicos para medir la aceleración..

Tipos de acelerómetros – la Acelerómetros resistivos

Un acelerómetro resistivo utiliza la variación de una resistencia cuando se deforma.

El primer desarrollo del acelerómetro tipo puente de extensometría, que acabó siendo comercializada, se originó en los EE. UU. en 1923 y pesaba alrededor de medio kilo. Consistía en una estructura en forma de E que contenía 20 una 55 anillos de carbono en un medio puente de tracción-compresión Medio puente de Wheatstone entre la sección superior y central del marco. A figura ilustra este dispositivo. Se aplicó en puentes, dinamómetros y aviones. Su frecuencia de resonancia fue menor que 2000 hz. En 1936 un catálogo anunciaba un acelerómetro de dos ejes con "amortiguación de corcho ajustable" a intervalos, para 100 sol. Las aplicaciones anunciadas fueron: "récord de aceleración de una catapulta de avión, ascensores de pasajeros, Amortiguadores de vibraciones para turbinas de vapor de aviones, tuberías subterráneas y fuerzas de explosión ... ".

Figura 1. Acelerómetro basado en células de carbono McCollum-Peters (1936).

Comercialización a gran escala de acelerómetros, sin embargo, solo tuvo lugar con la llegada de la galga extensométrica de resistencia adherida. El descubrimiento de este tipo de galgas extensométricas se produjo en EE. UU. En 1936.

Visualización del principio de funcionamiento de una galga extensométrica en una viga sometida a flexión exagerada

El problema con todos los acelerómetros de galgas extensométricas era que proporcionaban salidas de señal de aproximadamente 30 mV. por lo tanto, dependiendo de la aplicación, las relaciones señal-ruido podrían ser un problema. Incluso para lograr estos niveles de señal, Se necesitaban sistemas sísmicos con componentes de baja rigidez.. La flexión de estos componentes resultó en bajas frecuencias de resonancia y acelerómetros mecánicamente frágiles.. Para aumentar su respuesta de frecuencia y, al mismo tiempo, disminuye tu fragilidad, Los acelerómetros a menudo se humedecen con líquido.

Hoy en día existen acelerómetros piezorresistivos fabricados con tecnología MEMS (sistemas micro electromecánicos).

Algunas consideraciones al seleccionar acelerómetros piezorresistivos (MEMS):

• Respuesta DC (Se debe considerar la estabilidad térmica cero.)

• No se utiliza normalmente fuera de -54 una + 121 ° C y requiere compensación

• Niveles de señal típicos ~ 200 mV final de escala

• A menudo recomendado para golpes mecánicos severos

• Aplicaciones típicas en la industria automotriz y de defensa

• Disponible en una amplia gama de G

• Preferiblemente en MUY grandes cantidades (por ejemplo, disparo de airbag)

Acelerómetro piezoelétrico

Este tipo de dispositivo hace uso del efecto piezoeléctrico. ordinariamente, hay una masa adherida a un cristal piezoeléctrico. Cuando hay una aceleración en el sistema, la masa adherida al cristal termina generando una deformación y este desplazamiento genera una señal eléctrica.

La solución a los problemas de los acelerómetros resistivos más antiguos., resultado de la introducción del acelerómetro piezoeléctrico. Los materiales piezoeléctricos utilizados tienen una alta rigidez.. Además, sus respuestas eléctricas autogeneradas produjeron amplios rangos de señal dinámica. Ambas propiedades combinadas permiten el diseño de acelerómetros con altas frecuencias de resonancia.. Estas altas frecuencias de resonancia han eliminado la necesidad de amortiguación para aumentar la respuesta de frecuencia plana utilizable del acelerómetro.. También se ha eliminado el cambio de fase en el rango de frecuencia utilizable del acelerómetro.. Este gran rango de señal dinámica también permitió la reducción del tamaño de los acelerómetros piezoeléctricos en comparación con los acelerómetros de galgas extensométricas., al tiempo que proporciona la capacidad de medir aceleraciones mucho mayores.

El primer acelerómetro piezoeléctrico comercial del mundo se desarrolló en Dinamarca, por el Dr.. Por V. Brüel, en 1943.

Figura 2 - Esquema de funcionamiento y fotografía del acelerómetro piezoeléctrico modelo BK 4303

el fin de los años 1940 y el comienzo de los años 1950 fue una época en la que surgieron varios fabricantes de acelerómetros piezoeléctricos.. Los materiales piezoeléctricos utilizados incluyen ferroeléctricos y no- ferroelétrico (por ejemplo, cuarzo). Las primeras cerámicas ferroeléctricas utilizadas fueron principalmente titanato de bario. A continuación, se desarrollaron los amplificadores de carga. (años 50) y luego un circuito integrado de dos hilos (HECHO) se ha incorporado en el propio acelerómetro (años 60). La ubicación de la tecnología de circuitos integrados dentro del acelerómetro. (ICP), que es la principal tecnología de hoy, Eliminó gran parte del ruido del cable debido al molesto efecto triboeléctrico en el circuito de carga.. Los acelerómetros con circuitos integrados son normalmente unidades selladas capaces de funcionar con cables largos., en varios entornos hostiles.

Figura 3 - Ejemplo de acelerómetro piezoeléctrico con cristal tallado

Algunas consideraciones al seleccionar la tecnología piezoeléctrica

• Capaz de operar desde temperaturas criogénicas a 700 grados C
• rango de frecuencia de 0,05 hz una 50 KHz
• amplio rango dinámico (micro-Gs a miles de Gs)
• Disponible bajo 1 gramo
• La electrónica integral produce la señal de 0-5 voltios
• Las aplicaciones típicas son la medición de vibraciones y golpes.
• muy robusto!

Oh tu vibraciones de medición, en mantenimiento predictivo, com analizadores de vibración.

Acelerómetros capacitivos

Un acelerómetro capacitivo funciona de modo que la aceleración en el dispositivo desplaza una placa móvil de un condensador en relación con las placas fijas del dispositivo.. de esta, cómo cambia la capacitancia de cada condensador.

Acelerómetros capacitivos, dependen de un cambio en la capacitancia eléctrica en respuesta a la aceleración.. Los acelerómetros utilizan las propiedades de un condensador de placa opuesta, para el cual la distancia entre las placas varía en proporción a la aceleración aplicada, cambiando así la capacitancia. Esta variable se utiliza en un circuito para proporcionar una señal de voltaje proporcional a la aceleración..

Los acelerómetros capacitivos son capaces de medir aceleraciones periódicas y transitorias constantes, desde DC. Los sensores de aceleración capacitiva de CA contienen fundamentalmente al menos dos componentes; el primario es un tablero “estacionario” (esto es, conectado a la vivienda) y la placa secundaria se fija a la masa inercial, quién es libre de moverse dentro de la vivienda. Estas placas forman un condensador cuyo valor es función de la distancia d entre las placas. El material de detección es una placa plana de níquel o un chip electrónico soportado sobre la superficie del sustrato por dos barras de torsión unidas a un pedestal central.. Un acelerómetro capacitivo rara vez excede un desplazamiento máximo de 20 μm. por lo tanto, un desplazamiento tan pequeño requiere una medición fiable de las desviaciones y diversas interferencias.. Cuando se somete a aceleración fija o constante, el valor de capacitancia también es constante., dando como resultado una señal de medición proporcional a la aceleración uniforme, también conocido como DC o aceleración estática..

La figura muestra el esquema de un acelerómetro capacitivo..

Actualmente también se fabrican con tecnología MEMS..

Características típicas:

• Suelen proporcionar buenas especificaciones térmicas. -54 una + 121 ºC
• Capacidad de respuesta DC
• Distancia:  +/- 2 una 200 Gs FS
• Gran capacidad por encima del rango (por ejemplo, 5.000 Gs)
• Generalmente proporciona +/- 2 voltios de potencia CC no regulados
• Aplicaciones Típicas: transporte, aleteo de aeronaves

Acelerómetro de efecto Hall

en este dispositivo, la aceleración mueve una cinta, que está conduciendo corriente eléctrica, por un campo magnético no uniforme. tan, cuanto mayor sea el desplazamiento, mayor será el campo magnético, por lo tanto, cuanto mayor sea la diferencia de potencial en la corriente, debido al efecto Hall.

El sistema mecánico de este tipo de acelerómetro consiste en una masa suspendida de la estructura por un resorte plano. La aceleración a medir es proporcional a la deflexión del otro extremo del resorte.. Los desplazamientos mecánicos se miden por voltaje Hall, con el generador Hall montado en el extremo del resorte y moviéndose en un campo magnético no uniforme. Cuando el gradiente del campo magnético es lineal, el voltaje Hall es proporcional a la aceleración medida.

acelerómetro magnetorresistivo

En el caso de un acelerómetro magnetorresistivo, la aceleración provoca un desplazamiento en una masa de material magnético y, en la parte fija del dispositivo, hay materiales que cambian su resistencia, con la presencia de un campo magnético.

La figura muestra el esquema de un acelerómetro magnetorresistivo..

Acelerómetro de red Bragg de fibra óptica

Estes, son acelerómetros que utilizan rejillas de Bragg de fibra óptica para medir la aceleración.

Redes de Bragg en fibras ópticas, son fibras ópticas con regiones de variación periódica del índice de refracción. Tienen la propiedad de transmitir varias longitudes de onda y reflejarse en una longitud de onda bien definida.. por lo tanto, funciona como un filtro de longitud de onda. Al sufrir una deformación, se cambia la densidad de la fibra óptica, y consecuentemente el índice de refracción, y finalmente la longitud de onda filtrada. de una manera simplificada, en este dispositivo, hay una viga con un extremo unido a una base, mi, en el otro extremo, hay una gran cantidad de evidencia atascada. Una malla de Bragg de fibra óptica está pegada a la viga.. Cuando la masa se acelera, la viga y estas fibras sufren una tensión que las estira. tan, la longitud de onda reflejada por la fibra óptica cambia. Estos dispositivos se utilizan a menudo para detectar actividades sísmicas debido a su muy alta sensibilidad combinada con bajo nivel de ruido.. Un terremoto típico tiene frecuencias del orden de 0,1 una 1 Hz y aceleraciones del orden de 0,1 sol. por lo tanto, necesita un detector que funcione en el mismo rango de frecuencia y pueda diferenciar aceleraciones tan bajas. En este tipo de acelerómetro, puedes trabajar en la misma pista, con sensibilidades de variación de longitud de onda en el rango de 90 una 600 pm / g.

Tipos de acelerómetros – O servo-acelerómetro (Acelerómetro Force Balance)

En este tipo de sensor, un circuito eléctrico intenta mantener una masa en una posición de equilibrio.. La corriente aplicada al circuito es proporcional a la aceleración., esto siendo tan medido.

El acelerómetro de equilibrio de fuerza se muestra a continuación, donde una masa pendular de alta permeabilidad magnética se cuelga de una varilla, conforme mostrado. UNA “posición abajo” o “posición nula” es detectado por el detector nulo y la fuerza del contrapeso es proporcionada por una bobina magnética.

Si se aplica aceleración a este sensor, se ejerce una fuerza sobre la masa e intentará moverse desde la posición nula. Cuando el detector nulo detecta movimiento, La corriente de la bobina se incrementa mediante un servoamplificador para mantener la posición nula..

La corriente de la bobina proporciona la fuerza de restauración necesaria para mantener la posición nula y esta corriente será directamente proporcional a la aceleración aplicada..

Se pueden fabricar fácilmente detectores nulos de alta precisión, dado que el rango total de esta desviación es extremadamente pequeño. En verdad, El aumento de la resolución del detector nulo dará como resultado una resolución de aceleración proporcionalmente mejorada..

El servoacelerómetro es físicamente grande en comparación con los acelerómetros resistivos., pero proporciona resolución de microgravedad con alta estabilidad de cero hercios y bajos errores térmicos. El gran tamaño de la masa inercial da como resultado grandes fuerzas durante eventos de alto impacto y este tipo de sensor no es adecuado para entornos de alto impacto..

Algunas consideraciones al seleccionar servoacelerómetros:

• El tipo más preciso y caro de cualquier acelerómetro
• Respuesta de CC a unos pocos cientos de Hz, típico
• Por lo general, la escala es menor que 50 Gs
• Frágil: limitado a lo largo del rango (evolucionando con la tecnología MEMS)
• Por lo general, proporciona una salida de varios voltios.
• Aplicaciones Típicas: Guia (IMU con giroscopios), sismógrafos.

Tipos de acelerómetros – la Acelerómetros MEMS

Hoy en día, en muchas aplicaciones, se utilizan acelerómetros fabricados con tecnología MEMS ("sistemas micro electromecánicos").

Esta técnica crea estructuras de detección mecánica de tamaño microscópico, generalmente en silicio. Cuando se acopla a circuitos microelectrónicos, Los sensores MEMS se pueden utilizar para medir parámetros físicos, como aceleración

Entonces, más que un solo tipo de acelerómetro, es una técnica de fabricación de acelerómetros.

Básicamente consisten en una estructura incorporada con una masa. Bajo la influencia de una aceleración externa, la estructura se deforma., por el efecto de la fuerza ejercida por la masa, y esta deformación se mide permitiendo conocer la aceleración.

La forma de medir la deformación puede ser diferente. Hoy en día existen tipos de acelerómetros MEMS, resistivos, capacitivos, servo acelerómetros, etc..