Tipos de acelerómetros

Introdução

O tema tratado neste artigo consiste numa descrição de alguns dos tipos de acelerómetros que existem.

O acelerómetro é um dispositivo usado para medir a aceleração em analise de vibrações. Pode funcionar a partir de diversos efeitos físicos e são capazes de medir uma ampla gama de valores de aceleração, logo tendo uma gama de aplicações bastante elevada. Estes dispositivos são muito usados em sistemas de posicionamento, sensores de inclinação, bem como sensores de vibração e choque. Por exemplo, a orientação dos écrans de telemóveis que se ajustam de acordo com o ângulo que fazem em relação à aceleração da gravidade é efetuada com acelerómetros. Outro exemplo é o dos sensores de disparo de “air-bags” de automóveis.

• Tipos de acelerómetros

Existem muitos tipos de acelerómetros que usam diferentes tipos de efeitos físicos para medir a aceleração.

Tipos de acelerómetros – Os acelerómetros resistivos

Um acelerómetro resistivo faz uso da variação de uma resistência quando deformado.

O primeiro desenvolvimento do acelerómetro do tipo ponte de extensometria, que acabou sendo comercializado, teve origem nos EUA em 1923 e pesava cerca de meio quilo. Consistia em uma estrutura em forma de E contendo 20 a 55 anéis de carbono em numa meia ponte de Wheatstone de tensão-compressão meia ponte entre a seção superior e central do quadro. A figura ilustra este dispositivo. Foi aplicado em pontes, dinamómetros e aeronaves. A sua frequência ressonante era inferior a 2000 Hz. Em 1936 um catálogo anunciava um acelerómetro com dois eixos com “amortecimento de cortiça ajustável” em intervalos, até 100 g. As aplicações anunciadas eram: “registo de aceleração de uma catapulta de avião, elevadores de passageiros, amortecedores de aeronaves vibrações de turbinas a vapor, tubos subterrâneos e forças de explosões…”.

Figura 1. Acelerómetro McCollum-Peters baseado em pilha de carbono (1936).

A comercialização em grande escala de acelerómetros, no entanto, só teve lugar com o advento do extensómetro de resistência colada. A descoberta deste tipo de extensómetro ocorreu nos EUA em 1936.

Visualização do princípio de funcionamento de um extensómetro numa viga sob flexão exagerada

O problema com todos os acelerómetros de extensómetro era que eles forneciam saídas de sinal de aproximadamente 30 mV. Portanto, dependendo da aplicação, as relações sinal-ruído podiam ser um problema. Mesmo para atingir esses níveis de sinal, eram necessários sistemas sísmicos usando componentes de baixa rigidez. As flexões dessas componentes resultavam em baixas frequências de ressonância e acelerómetros mecanicamente frágeis. Para aumentar a sua resposta de frequência e, ao mesmo tempo, diminuir sua fragilidade, os acelerómetros eram frequentemente amortecidos com fluido.

Hoje em dia existem acelerómetros piezo-resistivos fabricados com tecnologia MEMS (micro-electro-mechanical systems).

Algumas considerações na seleção de acelerómetros piezoresistivo (MEMS):

• Resposta DC (estabilidade térmica zero deve ser considerada)

• Normalmente não usado fora de -54 a + 121 ºC e requer compensação

• Níveis de sinal típicos ~ 200 mV fim de escala

• Frequentemente recomendado para choques mecânicos severos

• Aplicações típicas na indústria automotiva e de defesa

• Disponível em ampla gama de Gs

• Preferencialmente em quantidades MUITO grandes (por exemplo, disparo de airbag)

Acelerómetro piezoelétrico

Esse tipo de dispositivo faz uso do efeito piezoelétrico. Normalmente, há uma massa presa a um cristal piezoelétrico. Quando ocorre uma aceleração no sistema, a massa presa ao cristal acaba a gerar uma deformação e este deslocamento gera um sinal elétrico.

A solução para os problemas dos acelerómetros resistivos mais antigos, teve como resultado da introdução do acelerómetro piezoelétrico. Os materiais piezoelétricos utilizados possuem elevada rigidez. Além disso, as suas respostas elétricas autogeradas produziram amplas gamas de sinal dinâmico. Ambas as propriedades combinadas permitem a conceção de acelerómetros com altas frequências de ressonância. Essas altas frequências ressonantes eliminaram a necessidade de amortecimento para aumentar a resposta de frequência plana utilizável do acelerómetro. A mudança de fase na faixa de frequência utilizável do acelerómetro também foi eliminada. Essa grande faixa de sinal dinâmico também permitiu a redução do tamanho de acelerómetros piezoelétricos em relação aos acelerómetros de extensómetro, ao mesmo tempo que fornecia capacidade de medir acelerações muito maiores.

O primeiro acelerómetro piezoelétrico comercial do mundo foi desenvolvido na Dinamarca, pelo Dr. Per V. Brüel, em 1943.

Figura 2 – Esquema de funcionamento e fotografia do acelerómetro piezoelétrico modelo BK 4303

O final dos anos 1940 e o início dos anos 1950 foram uma época em que surgiram vários fabricantes de acelerómetros piezoelétricos. Os materiais piezoelétricos usados ​​incluem ferroelétrico e não- ferroelétrico (por exemplo, quartzo). As primeiras cerâmicas ferroelétricas usadas eram principalmente titanato de bário. Os amplificadores de carga foram desenvolvidos em seguida (anos 50) e posteriormente um circuito integrado de dois fios (FET) foi incorporado ao próprio acelerómetro (anos 60). A colocação da tecnologia de circuito integrado dentro do acelerómetro (ICP), que é a principal tecnologia de hoje, eliminou muito do ruído do cabo baseado no efeito triboelétrico incómodo para o circuito de carga. Os acelerómetros com circuitos integrados são unidades normalmente seladas capazes de operar com cabos extensos, em vários ambientes hostis.

Figura 3 – Exemplo de acelerómetro piezoelétrico com cristal ao corte

Algumas considerações na seleção de tecnologia piezoelétrica

• Capaz de operar desde temperaturas criogénicas a 700 graus C
• Gama de frequência de 0,05 Hz a 50 KHz
• Ampla gama dinâmica (micro-Gs a milhares de Gs)
• Disponível com menos de 1 grama
• Eletrónica integral produz sinal de 0-5 volts
• As aplicações típicas são medição de vibração e choque
• Muito robustos!

Hoje em dia são os mais utilizados na medição de vibrações, em manutenção preditiva, com analisadores de vibrações.

Acelerómetros capacitivos

Um acelerómetro capacitivo funciona de modo que a aceleração no dispositivo desloca uma placa móvel de um condensador em relação a placas fixas no dispositivo. Desta, forma altera-se a capacitância de cada condensador.

Os acelerómetros capacitivos, dependem de uma mudança na capacitância elétrica em resposta à aceleração. Os acelerómetros utilizam as propriedades de um capacitor de placa oposta, para o qual a distância entre as placas varia proporcionalmente à aceleração aplicada, alterando assim a capacitância. Essa variável é usada num circuito para fornecer um sinal de tensão proporcional à aceleração.

Os acelerómetros capacitivos são capazes de medir acelerações transitórias e periódicas constantes, desde DC. Os sensores de aceleração capacitiva CA contêm fundamentalmente pelo menos dois componentes; o primário é uma placa “estacionária” (isto é, conectada ao alojamento) e a placa secundária é fixada à massa inercial, que é livre para se mover dentro do alojamento. Essas placas formam um capacitor cujo valor é função da distância d entre as placas. O material de deteção é uma placa plana de níquel ou um chip eletrônico suportado acima da superfície do substrato por duas barras de torção presas a um pedestal central. Um acelerómetro capacitivo raramente excede um deslocamento máximo de 20 μm. Portanto, um deslocamento tão pequeno requer uma medição fiável de desvios e várias interferências. Quando sujeito a uma aceleração fixa ou constante, o valor da capacitância também é uma constante, resultando em um sinal de medição proporcional à aceleração uniforme, também conhecida como DC ou aceleração estática.

A Figura mostra o esquema de um acelerómetro capacitivo.

Hoje em dia também são fabricados com a tecnologia MEMS.

Características típicas:

• Normalmente fornecem boas especificações térmicas -54 a + 121 ºC
• Capacidade de resposta DC
• Gama:  +/- 2 a 200 Gs FS
• Grande capacidade acima da gama (por exemplo, 5.000 Gs)
• Normalmente fornece +/- 2 volts de alimentação CC não regulada
• Aplicações típicas: transporte, flutter de aeronaves

Acelerómetro de efeito de Hall

Neste dispositivo, a aceleração move uma fita, que está a conduzir corrente elétrica, por um campo magnético não uniforme. Assim, quanto maior for o deslocamento, maior será o campo magnético, portanto maior será a diferença de potencial transversal a corrente, devido ao efeito Hall.

O sistema mecânico deste tipo de acelerómetro consiste numa massa suspensa da estrutura por uma mola plana. A aceleração a ser medida é proporcional à deflexão da outra extremidade da mola. Os deslocamentos mecânicos são medidos pela tensão Hall, com o gerador Hall montado na extremidade da mola e movendo-se num campo magnético não uniforme. Quando o gradiente do campo magnético é linear, a tensão Hall é proporcional à aceleração medida.

Acelerometro magnetoresistivo

No caso de um acelerómetro magnetoresistivo, a aceleração causa um deslocamento numa massa de material magnético e, na parte fixa do dispositivo, existem materiais que alteram sua resistência, com a presença de um campo magnético.

A Figura mostra o esquema de um acelerómetro magnetoresistivo.

Acelerómetro em Redes de Bragg em fibras óticas

Estes, são acelerómetros que usam redes de Bragg em fibras óticas para medir a aceleração.

As redes de Bragg em fibras óticas, são fibras óticas com regiões de variação periódicas do índice de refração. Têm a propriedade de transmitir diversos comprimentos de onda e refletir num comprimento de onda bem determinado. Portanto, ela funciona como um filtro de comprimento de onda. Ao sofrer uma deformação, a densidade da fibra ótica é alterada, e consequentemente o índice de refração, e finalmente o comprimento de onda filtrado. De modo simplificado, neste dispositivo, há uma viga com uma ponta presa a uma base, e, na outra ponta, há uma massa de prova presa. Sobre a viga é colada uma a rede de Bragg em fibra ótica. Quando a massa é acelerada, a viga e essas fibras sofrem uma tensão que as esticam. Assim, altera-se o comprimento de onda refletido pela fibra ótica. Esses dispositivos são frequentemente usados para deteção de atividades sísmicas devido a sua altíssima sensibilidade aliada a um baixo ruído. Um terremoto típico tem frequências da ordem de 0,1 a 1 Hz e acelerações da ordem de 0,1 g. Portanto, é necessário um detetor que trabalhe na mesma faixa de frequência e consiga diferenciar acelerações tão baixas. Neste tipo de acelerómetro, consegue-se trabalhar na mesma faixa, com sensibilidades de variação no comprimento de onda na faixa de 90 a 600 pm/g.

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

Neste tipo de sensor um circuito elétrico tenta manter uma massa numa posição de equilíbrio. A corrente aplicada no circuito é proporcional á aceleração, sendo esta assim medida.

O acelerómetro de equilíbrio de força é mostrado abaixo, onde uma massa pendular de alta permeabilidade magnética é pendurada numa haste, conforme mostrado. A “posição para baixo” ou “posição nula” é detetada pelo detetor de nulos e a força de contrapeso é fornecida por uma bobina magnética.

Se a aceleração for aplicada a este e sensor, é exercida uma força sobre a massa e ela tentará se mover da posição nula. Quando o detetor de nulo deteta movimento, a corrente da bobina é aumentada por meio de um servo amplificador para manter a posição nula.

A corrente da bobina fornece a força restauradora necessária para manter a posição nula e esta corrente estará em proporção direta com a aceleração aplicada.

Podem ser facilmente fabricados detetores nulos altamente precisos, já que o alcance total dessa deflexão é extremamente pequeno. Na verdade, o aumento das resoluções do detetor nulo resultará em resolução de aceleração proporcionalmente melhorada.

O servo-acelerómetro é fisicamente grande em relação aos acelerómetros resistivos, mas fornece resolução de microgravidade com alta estabilidade de zero-hertz e baixos erros térmicos. O grande tamanho da massa inercial resulta em grandes forças durante eventos de alto choque e este tipo de sensor não é adequado para ambientes de elevado choque.

Algumas considerações na seleção de servo-acelerómetros:

• Tipo mais preciso e caro de qualquer acelerómetro
• Resposta desde DC até algumas centenas de Hz, típico
• Geralmente o fim de escala é inferior a 50 Gs
• Frágil: limitado ao longo do intervalo (a evoluir com a tecnologia MEMS)
• Normalmente fornecem saída de vários volts
• Aplicações típicas: orientação (IMUs com giroscópios), sismógrafos.

Tipos de acelerómetros – Os acelerómetros MEMS

Hoje em dia, em muitas aplicações, utiliza-se acelerómetros fabricados com a tecnologia MEMS (“micro electro-mechanical systems”).

Esta técnica cria estruturas de deteção mecânica de tamanho microscópico, normalmente em silício. Quando acoplados a circuitos microeletrónicas, os sensores MEMS podem ser usados para medir parâmetros físicos, como aceleração

Portanto mais que um tipo de acelerómetros, é uma técnica de fabrico de acelerómetros.

Basicamente consistem numa estrutura encastrada com uma massa. Sobre a influência de uma aceleração externa a estrutura deforma-se, por efeito da força exercida pela massa, e esta deformação é medida permitindo conhecer a aceleração.

A forma de medir a deformação pode ser diversa. Hoje em dia existem tipos de acelerómetros MEMS, resistivos, capacitivos, servo-acelerómetros, etc.