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Comparación de acelerómetros MEMS e IEPE para ensayos del comportamiento vibratorio estructural
Structural and Geotechnical Engineering Department, Sapienza University of Rome
April 8, 2026
Los estudios del comportamiento elastoplástico mediante ciclos de histéresis fuerza-desplazamiento son esenciales para comprender cómo se comportan las estructuras cuando se exponen a cargas cíclicas, p. ej., las generadas por terremotos. La Universidad Sapienza de Roma estudió el comportamiento plástico de un modelo a escala comparando el rendimiento de acelerómetros IEPE y MEMS. El objetivo fue identificar el tipo de acelerómetro que proporcionara las señales más consistentes con las de un sensor láser de desplazamiento.
El Departamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica de la Universidad Sapienza de Roma, Italia, estudió el comportamiento plástico analizando cargas cíclicas aplicadas a una estructura a escala colocada sobre una mesa vibratoria.
Este análisis, mediante bucles de histéresis fuerza-desplazamiento, permite examinar la capacidad de disipación de energía de la estructura y evaluar en detalle su comportamiento plástico.
The laboratory
The Materials and Structures Laboratory of the Structural and Geotechnical Engineering Department of the Sapienza University of Rome came to being in the early sixties. Nowadays, the activities it’s hosting focus on three different areas;
the field of teaching,
the scientific field, with experiments on materials and models,
the services to public or private bodies by providing analysis of the mechanical characteristics and any related official certification of materials and prototypes related to civil and industrial constructions.
The Laboratory is an official research and testing laboratory for the execution of tests on construction materials and carries out:
Tests on steels, concrete, mortars, bricks, profiles, and metal mesh.
Tests on structural elements and models, even at full scale.
Calibration and verification of the reading scales of the measuring instruments.
The fundamental testing machines present within the laboratory are:
Presses, maximum capacity 1500kN and 5000kN.
Traction machines, maximum load of 500kN and 1000kN.
Electronically controlled MTS universal machine for static and dynamic tests, maximum load 500kN (static load), piston stroke ± 100 mm, maximum frequency up to a few tens of Hz.
A double-acting Schenck jack (traction and compression) with electronic control, maximum load 250kN, piston stroke 400 mm, maximum frequency in the order of a hundred Hz.
A Pulsator with a pair of 20t jacks and a 100t jack. Also, for cyclic tests at a maximum frequency of 10 Hz.
Electrodynamic stirrer, complete with power supply/amplifier, peak sinusoidal force 100 N, maximum acceleration 588 m/s2, maximum displacement 10 mm.
MOOG L081-324-11 shaking table.
El laboratorio
El Laboratorio de Materiales y Estructuras del Departamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica de la Universidad Sapienza de Roma se creó a principios de los años sesenta. Actualmente, sus actividades se centran en tres áreas principales:
El ámbito docente
El ámbito científico, con experimentos sobre materiales y modelos
Servicios a entidades públicas y privadas mediante el análisis de las características mecánicas y la certificación oficial de materiales y prototipos relacionados con construcciones civiles e industriales
El laboratorio es un centro oficial de investigación y ensayo para la realización de pruebas sobre materiales de construcción y lleva a cabo:
Ensayos en aceros, hormigón, morteros, ladrillos, perfiles y mallas metálicas
Ensayos en elementos estructurales y modelos, incluso a escala real
Calibración y verificación de las escalas de lectura de los instrumentos de medición
Las principales máquinas de ensayo presentes en el laboratorio son:
Prensas con capacidad máxima de 1500 kN y 5000 kN
Máquinas de tracción con carga máxima de 500 kN y 1000 kN
Máquina universal MTS con control electrónico para ensayos estáticos y dinámicos, con carga máxima de 500 kN (estática), recorrido del pistón de ±100 mm y frecuencia máxima de hasta varias decenas de Hz
Gato Schenck de doble efecto (tracción y compresión) con control electrónico, carga máxima de 250 kN, recorrido del pistón de 400 mm y frecuencia máxima del orden de cientos de Hz
Pulsador con un par de gatos de 20 t y uno de 100 t, utilizado para ensayos cíclicos con una frecuencia máxima de 10 Hz
Excitador electrodinámico con fuente de alimentación/amplificador, fuerza sinusoidal máxima de 100 N, aceleración máxima de 588 m/s² y desplazamiento máximo de 10 mm
Mesa vibratoria MOOG L081-324-11
The vibration shaker
The vibration shaker or shaking table is used in engineering to subject structures to controlled dynamic loads similar to those generated by earthquakes and other stresses. This machine is fundamental for laboratory experimentation. It allows engineers to evaluate structural behavior under simulated seismic or dynamic loading conditions over time.
The main components of a vibration table are:
Vibration platform: The shaker has a flat, solid surface, subject to controlled vibrations. It can vary in size according to needs, allowing the positioning of structures of different scales.
Vibration system: The shaker is equipped with a drive system, for example, electric or hydraulic motors, that generates vibrations. This system applies dynamic loads in a controlled manner to the tested structure.
Control system: An integrated control system regulates the frequency, amplitude, and energy of vibrations applied to the table. Precise control is essential to reproduce the desired load conditions during testing.
Measurement instrumentation: The shaker is equipped with sensors and instrumentation to measure the dynamic response of the tested structure, for example, accelerometers, strain gauges, and force transducers.
The Moog L081-324-11 shaking table used by the laboratory has the following characteristics:
dimensions of the vibrating table are 1.5 x 1.5 m
maximum stroke of ± 200 mm
maximum load capacity of 2 tons
4-story frame with a floor of 0.60 m x 0.60 m and an inter-story height of 0.60 m
total height of 2.40 m.
This frame is connected to a steel plate of dimensions 0.68 m x 0.76 m, connected to the table via an elastomeric isolator and four-ball load transfer elements.
Shaker testing applications
Seismic Behavior Analysis: The shake table simulates seismic loads, allowing engineers to study the response of buildings and other structures to seismic forces.
Structural Model Validation Testing: Structures can be subjected to vibration to validate and calibrate numerical models and simulations to ensure an accurate match between experimental data and model predictions.
Evaluation of Structural Resistance: Tests to evaluate the seismic resistance of structures, identifying possible weak points and evaluating the ability to absorb energy without suffering irreversible damage.
Testing the Efficiency of Anti-seismic Devices: The shaking table tests the effectiveness of anti-seismic devices, such as seismic isolators and dampers, designed to reduce the transmission of seismic forces to structures.
Study of Plastic Behavior: Tests to study the plastic behavior of structures in the presence of cyclic loads similar to those generated by earthquakes.
Characterization of Materials: The shaking table can characterize materials, evaluating their response to vibrations and cyclic stresses.
Structural Design and Optimization: The results obtained from shaking table tests provide crucial data for designing and optimizing structures, improving their safety and seismic resilience.
Overall, using a shake table allows engineers to perform various controlled tests. They can replicate realistic dynamic conditions and provide data critical for seismic design and construction safety.
El agitador vibratorio
El agitador vibratorio o mesa vibratoria se utiliza en ingeniería para someter estructuras a cargas dinámicas controladas, similares a las generadas por terremotos y otras solicitaciones. Esta máquina es fundamental para la experimentación en laboratorio, ya que permite evaluar el comportamiento estructural bajo condiciones simuladas de carga sísmica o dinámica a lo largo del tiempo.
Los principales componentes de una mesa vibratoria son:
Plataforma de vibración: superficie plana y rígida sometida a vibraciones controladas. Puede variar en tamaño según las necesidades y permite colocar estructuras de distintas escalas.
Sistema de vibración: la mesa está equipada con un sistema de accionamiento, como motores eléctricos o hidráulicos, que genera las vibraciones y aplica cargas dinámicas de forma controlada.
Sistema de control: un sistema integrado regula la frecuencia, la amplitud y la energía de las vibraciones aplicadas. Un control preciso es esencial para reproducir las condiciones de carga deseadas.
Instrumentación de medición: incluye sensores para medir la respuesta dinámica de la estructura, como acelerómetros, galgas extensométricas y transductores de fuerza.
La mesa vibratoria Moog L081-324-11 utilizada en el laboratorio tiene las siguientes características:
Dimensiones de la mesa: 1,5 x 1,5 m
Carrera máxima: ±200 mm
Capacidad máxima de carga: 2 toneladas
Estructura de 4 niveles con planta de 0,60 m x 0,60 m y altura entre niveles de 0,60 m
Altura total de 2,40 m
Esta estructura está conectada a una placa de acero de 0,68 m x 0,76 m, unida a la mesa mediante un aislador elastomérico y cuatro elementos de transferencia de carga con rótula esférica.
Aplicaciones de los ensayos con mesa vibratoria
Análisis del comportamiento sísmico: permite simular cargas sísmicas y estudiar la respuesta de edificios y estructuras.
Validación de modelos estructurales: somete estructuras a vibración para validar y calibrar modelos numéricos y simulaciones.
Evaluación de la resistencia estructural: identifica puntos débiles y evalúa la capacidad de disipar energía sin daños irreversibles.
Ensayo de dispositivos antisísmicos: verifica la eficacia de aisladores y amortiguadores sísmicos.
Estudio del comportamiento plástico: analiza la respuesta de estructuras sometidas a cargas cíclicas similares a las de un terremoto.
Caracterización de materiales: evalúa la respuesta de materiales ante vibraciones y esfuerzos cíclicos.
Diseño y optimización estructural: proporciona datos clave para mejorar la seguridad y la resiliencia sísmica.
En conjunto, la mesa vibratoria permite realizar ensayos controlados que reproducen condiciones dinámicas reales y generan datos esenciales para el diseño sísmico y la seguridad estructural.
Comportamiento plástico: cargas cíclicas de frecuencia única
¿Cómo se estudia el comportamiento plástico de estructuras sometidas a terremotos? Con una mesa vibratoria es posible realizar ensayos de carga cíclica para identificar el comportamiento elastoplástico de las estructuras.
Mediante la integración, se pueden obtener los valores de desplazamiento y las relaciones fuerza-desplazamiento a partir de acelerómetros. El análisis de los ciclos de histéresis fuerza-desplazamiento es el núcleo del estudio que permite comprender los mecanismos plásticos de la estructura.
La forma y el ancho de las curvas de histéresis reflejan la capacidad de la estructura para disipar energía durante eventos dinámicos. Esta información es fundamental para diseñar sistemas de disipación de energía, como amortiguadores viscosos o de péndulo, que mejoran la resistencia sísmica.
El análisis de puntos clave de las curvas de histéresis, como el punto de fluencia y el de colapso, proporciona una comprensión detallada del comportamiento estructural. Estos datos sirven como base para desarrollar modelos de comportamiento plástico que mejoran la precisión del análisis predictivo en condiciones de carga cíclica.
La mesa vibratoria desempeña un papel fundamental en la ingeniería estructural. Es una herramienta versátil que permite obtener información amplia y detallada. Gracias a ella, es posible mejorar la capacidad de respuesta de las estructuras ante situaciones dinámicas como los terremotos. A través de estos ciclos, los ingenieros pueden observar cómo reacciona la estructura bajo cargas cíclicas, lo que permite un análisis preciso de sus limitaciones y capacidades.
Configuración de la medición
Los modelos presentados en las Figuras 5 y 6 representan un pórtico de cuatro niveles con base aislada. Su desplazamiento se limitó mediante finales de carrera (topes). Los ensayos consistieron en someter el modelo a fuerzas dinámicas variables en el tiempo mediante la mesa vibratoria. El uso de topes fue fundamental para evitar alteraciones en las mediciones debidas a impactos de la base contra la plataforma.
Se instalaron dos tipos de acelerómetros en cada uno de los niveles del modelo a escala:
PCB 393A03: acelerómetro tipo IEPE (Integrated Electronics Piezo-Electric)
Dewesoft IOLITEi-3xMEMS-ACC-8g: acelerómetro tipo MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)
El desplazamiento de la base se midió mediante un transductor láser optoNCDT 1420-500 para garantizar alta precisión.
La adquisición de datos se realizó con:
Dos dispositivos Dewesoft KRYPTON-4xACC, sistemas de adquisición EtherCAT robustos y distribuidos para sensores IEPE
Un dispositivo Dewesoft KRYPTON-3xSTG, sistema EtherCAT robusto para galgas extensométricas, potenciómetros, sensores de desplazamiento y más
Tres adaptadores Dewesoft DSI-0,16ACC
Cinco dispositivos IOLITEi-3xMEMS-ACC-8g, unidades DAQ integradas con acelerómetro MEMS triaxial
Cinco sensores IEPE PCB 393A03, acelerómetros con sensibilidad de 1 V/g
La estructura fue excitada mecánicamente mediante ondas de frecuencia única para obtener información detallada sobre su capacidad de absorber cargas dinámicas. Este tipo de ensayo también ofrece ventajas para analizar la calidad de respuesta de los transductores dentro del sistema estructural.
Objetivos del análisis
Este estudio tuvo dos objetivos bien definidos:
El primero consistió en identificar la instrumentación de acelerómetros más adecuada para obtener una señal coherente con la del sensor láser de desplazamiento. La fidelidad de esta señal se evalúa en función de la respuesta temporal de los transductores, generando ondas mecánicas de frecuencia única.
El objetivo final se centra en el estudio del comportamiento elastoplástico del modelo estructural a medida que varían los elementos estructurales que lo componen.
Tecnologías de acelerómetros
Han pasado un par de décadas desde que la geotecnia introdujo los geófonos (velocímetros) en el análisis dinámico. Hoy en día se han superado los problemas de desfase de señal causados por la resonancia de estos dispositivos. Se han introducido acelerómetros, que son menos sensibles, pero mucho más fiables en cuanto a respuesta en fase gracias a su mayor frecuencia de resonancia.
Este proyecto permitió comprender la importancia de analizar la respuesta en fase de la señal, no solo en función de la naturaleza resonante del sensor, sino también considerando la aplicación de filtros.
La fidelidad de una señal generada por un sistema de adquisición depende tanto de su amplitud como de su fase. La amplitud indica la intensidad de la señal reconstruida, mientras que la fase representa la respuesta temporal del sensor frente al evento. Ambos sensores utilizados generan señales con alta fidelidad en amplitud y fase. Sin embargo, aparece un factor relevante en la cadena de procesamiento de datos de una de las tecnologías.
La señal eléctrica generada por la tecnología piezoeléctrica es, por naturaleza, muy débil. Se produce por el movimiento de cargas eléctricas en el cristal al variar las fuerzas de compresión mecánica. Para utilizar esta señal, es necesario amplificarla aumentando el número de cargas afectadas por dichas deformaciones.
Para ello, se superpone la alimentación en la línea de señal, lo que “polariza” el cristal con un exceso de carga y permite obtener una señal más amplia. Como consecuencia, se introduce un voltaje de offset que debe eliminarse mediante un filtro pasa altos (HP), normalmente alrededor de 0,5 Hz.
Este filtro tiene consecuencias despreciables si el rango de frecuencias de interés está por encima de 1 Hz. Sin embargo, si se pretende analizar estructuras en todo el espectro hasta DC, la situación cambia significativamente.
La alteración de la señal sigue tendencias distintas para la amplitud y la fase a medida que varía el orden del filtro. La teoría establece una atenuación de -20 dB por década por cada orden del filtro, mientras que la fase experimenta una variación de -90° por cada orden adicional. Este último aspecto no es despreciable, ya que con un filtro de sexto orden se obtiene un desfase de 540°.
De este modo, es posible comprender cómo la señal generada por el sensor IEPE, una vez filtrada con un filtro pasa altos, sufre influencias significativas. En cambio, la tecnología MEMS no requiere filtrado para el procesamiento de la señal y no presenta estos problemas.
Características de los sensores
| Modelo | PCB 393A03 | Dewesoft IOLITEi-3xMEMS-ACC-8g |
| Tipo | IEPE - Electrónica integrada piezoeléctrica | MEMS - Sistemas microelectromecánicos |
| Frecuencia de resonancia | > 55 kHz | 2.4 kHz |
| Ancho de banda | 7 kHz | 1.5 kHz |
| Filtros aplicados | HP (~0.5Hz) | Ninguno |
Desfase de fase, el papel clave de MEMS
El efecto de la atenuación y el desfase de la señal generada por el sensor IEPE es visible en los gráficos siguientes, véase la Figura 9. Gracias al diagrama de Bode del filtro pasa altos, se ha observado cómo varían la atenuación y la fase según la frecuencia considerada, véase la Figura 8.
Se realizaron ensayos excitando el modelo estructural con ondas mecánicas de frecuencia única. Este método permitió analizar en detalle los efectos de atenuación y desfase del filtro pasa altos del sensor IEPE, que resultaron significativos a 0,25 Hz y prácticamente despreciables alrededor de 1 Hz.
Las Figuras 9 a 13 muestran la atenuación de la señal y el desfase generados por los tres tipos de sensores. Las señales representadas son:
Púrpura, acelerómetro IEPE
Naranja, acelerómetro MEMS
Magenta, sensor láser de desplazamiento
Resultados, comportamiento a bajas frecuencias
En un ensayo elastoplástico, las deformaciones de la estructura pueden dividirse en dos fases principales: la fase elástica y la fase plástica.
En la fase elástica, la deformación es reversible y lineal respecto a la carga aplicada, siguiendo la ley de Hooke. Sin embargo, al superar el límite elástico del material, se produce la transición a la fase plástica, donde las deformaciones se vuelven permanentes e irreversibles.
Durante los ciclos de fuerza-desplazamiento en estas condiciones, se observa a menudo un cambio en la pendiente y en la forma de las curvas. El material o la estructura presenta un comportamiento histerético, es decir, la relación entre el esfuerzo aplicado y la deformación resultante no es única. Esto significa que la respuesta de la estructura depende no solo del valor actual del esfuerzo, sino también de su historial de carga y deformación.
Este fenómeno tiene implicaciones importantes en el diseño y análisis estructural, ya que afecta la capacidad de las estructuras para soportar cargas repetidas sin sufrir daños permanentes o fallos.
En este ensayo se observó una alteración del ciclo de histéresis. Este cambio no se debía a la estructura, sino al distinto procesamiento de señal de los dos tipos de sensores. La señal del sensor IEPE se veía atenuada y desfasada debido al filtro pasa altos en la cadena de procesamiento. En cambio, el sensor MEMS generó una señal en fase con el sensor láser de desplazamiento, sin variaciones en amplitud ni en fase.
Conclusión
Al comparar acelerómetros MEMS e IEPE para la adquisición de vibraciones en el estudio del comportamiento elastoplástico de estructuras, es fundamental considerar el impacto del filtro pasa altos de los acelerómetros IEPE. Este elemento puede provocar la pérdida de información a bajas frecuencias.
En esta aplicación, los sensores MEMS ofrecen alta precisión y una notable resolución, permitiendo detectar incluso pequeñas variaciones de aceleración a muy bajas frecuencias. Aunque los acelerómetros IEPE también son precisos, pueden presentar menor exactitud cerca del componente continuo del espectro de frecuencia debido al efecto del filtro pasa altos.
Los acelerómetros IEPE pueden alterar el bucle de histéresis debido a este filtrado, por lo que no son ideales en ensayos que requieren máxima precisión en la caracterización del comportamiento elastoplástico, especialmente cuando es crucial capturar variaciones a bajas frecuencias.
En definitiva, ambos tipos de sensores tienen ventajas y limitaciones. Sin embargo, es importante tener en cuenta el efecto del filtro pasa altos en los acelerómetros IEPE cuando la precisión a bajas frecuencias es crítica. Como alternativa, pueden utilizarse sensores MEMS o aplicar estrategias de compensación para mitigar este efecto. La selección adecuada del sensor debe basarse en los requisitos específicos del ensayo.
Agradecimientos
Ing. Domenico Pagano
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