Medición de shock y vibración con acelerómetros

Introducción

Como seres humanos que crecieron montando bicicletas y empujando juguetes por el piso, entendemos inherentemente la aceleración de un objeto debido a una fuerza externa. Los datos de vibración y sus parámetros derivados como la aceleración, el choque y el desplazamiento son extremadamente importantes en muchas aplicaciones.

Qué es Vibración?

Se puede considerar que la vibración es la oscilación o el movimiento repetitivo de un objeto alrededor de una posición de equilibrio, donde la fuerza que actúa sobre él es cero.

La vibración se produce normalmente debido a los efectos dinámicos de las tolerancias de fabricación, holguras, contacto de rodadura y fricción entre las piezas de la máquina y fuerzas desequilibradas en los elementos giratorios y alternativos. A menudo, pequeñas vibraciones insignificantes pueden excitar las frecuencias de resonancia de algunas otras partes estructurales y amplificarse en fuentes importantes de vibración y ruido. Por eso es tan importante monitorear la vibración.

El cuerpo vibrante describe un movimiento oscilante alrededor de una posición de referencia. El número de veces que tiene lugar un ciclo de movimiento completo durante el período de un segundo se llama frecuencia y se mide en hercios (Hz).

El movimiento puede consistir en un solo componente que ocurre a una sola frecuencia, como con un diapasón, o de varios componentes que ocurren a diferentes frecuencias simultáneamente, como por ejemplo, con el movimiento del pistón de un motor de combustión interna.

En la imagen de abajo podemos ver el movimiento de un diapasón. Un diapasón es un resonador acústico en forma de un tenedor de dos puntas. Resuena en un tono constante específico cuando vibra golpeándolo contra una superficie o con un objeto y emite un tono musical puro.

Qué es un Acelerómetro?

Un acelerómetro es un dispositivo que mide la aceleración. El acelerómetro típico actúa como una masa amortiguada que se ha montado en un resorte. Cuando se expone a la aceleración, esta masa se mueve. Este desplazamiento se mide y se convierte en unidades útiles.

Los acelerómetros se pueden utilizar para medir:

• Vibración: se dice que un objeto vibra cuando ejecuta un movimiento oscilatorio alrededor de una posición de equilibrio. La vibración se encuentra en los entornos aeroespaciales y de transporte o simulada por un sistema de agitación.

• Choque: una excitación transitoria repentina de una estructura que generalmente excita las resonancias de la estructura.

• Movimiento: el movimiento es un evento de movimiento lento, como el movimiento de un brazo robótico o la medición de la suspensión de un automóvil.

• Sísmico: es más un movimiento o una vibración de baja frecuencia. Esta medición generalmente requiere un acelerómetro especializado de alta resolución y bajo nivel de ruido.

• Fuerza

• Inclinación

Podemos derivar varios valores importantes de la aceleración. Por ejemplo, si conocemos la masa (m) de un objeto, podemos multiplicar eso por su aceleración (a) y así derivar la fuerza (F):

Tipos of Acelerómetros

Aunque existen muchos tipos de acelerómetros, que utilizan diferentes técnicas y con especificaciones y aplicaciones muy diferentes entre otros factores, podemos dividir estos sensores en dos amplias categorías en función de si pueden medir la aceleración estática o no:

• Acelerómetros AC: acelerómetros de carga y IEPE,,

• Acelerómetros DC: Acelerómetros capacitivos, piezorresistivos y MEMS.

Acelerómetros AC

Por definición, estos sensores se utilizan para medir eventos dinámicos. En otras palabras, no pueden medir la DC o la aceleración estática, sino que solo pueden medir los cambios en la aceleración.

La vibración es normalmente una señal de alta frecuencia que requiere un sistema DAQ de alta velocidad. Esta es la razón por la que no se utiliza un registrador de datos de velocidad relativamente baja para estas mediciones. Hay diferentes tecnologías utilizadas dentro de estos sensores, cada una adaptada de forma única a una aplicación y un entorno.

Los acelerómetros piezoeléctricos aprovechan el efecto piezoeléctrico descubierto por Pierre y Jacques Curie en 1880. Observaron que ciertos materiales, especialmente los cristales y la cerámica, generarían una carga o voltaje en respuesta al estrés. Además, vieron que esta respuesta era lineal con respecto a la tensión aplicada. La palabra "piezo" proviene de la palabra griega "piezein" que significa "apretar".

Hay dos tipos populares de sensores de acelerómetro de CA disponibles en la actualidad:

• Acelerómteros de Carga

• Acelerómetros IEPE

Acelerómteros DC (y AC)

Lo importante es que los acelerómetros de CC pueden medir con precisión la aceleración estática (CC). También es importante tener en cuenta que los acelerómetros de CC también pueden medir la vibración dinámica (CA), pero normalmente no tienen un ancho de banda alto de acelerómetros de CA. Los acelerómetros de CA se han diseñado especialmente para aplicaciones de medición dinámica.

Los acelerómetros dinámicos (CA) no pueden medir la aceleración de CC en la mayoría de los casos. Pero algunos de ellos tienen una constante de tiempo configurable que permite medir la aceleración de CC durante un corto período de tiempo.

Hay varios tipos populares de acelerómetros de CC disponibles en la actualidad:

• Acelerómetros Capacitivos

• Acelerómetros Piezoresistivos

• Acelerómetros MEMS

Tenga en cuenta que MEMS puede referirse a tecnologías de sensores capacitivos o piezorresistivos en el interior. Pero es importante incluirlos aquí porque en el mercado se los conoce como un tipo de sensor.

Veamos cada uno de estos tipos de acelerómetros de CA y CC en detalle.

Acelerómetro de Carga

En el sensor de carga clásico, la tensión causada por la aceleración en el eje de desplazamiento genera una corriente de iones cargados que varía en intensidad según la cantidad de aceleración. Dentro del sensor, se coloca una pieza de material piezoeléctrico (normalmente cuarzo o cerámica piezoeléctrica) junto a una masa fija. Cuando la carcasa del sensor se somete a una aceleración a lo largo del eje de medición, la tensión o el efecto de "presión" de la masa sobre el material piezoeléctrico induce una salida de carga del material. Esta carga eléctrica se puede medir con un sistema DAQ.

Los sensores de carga tienen una salida de alta impedancia que requiere un acondicionador de señal de modo de carga especial, como el amplificador de carga SIRIUS CHG de Dewesoft.

Los acelerómetros de carga tienen un ancho de banda extremadamente alto, rango dinámico y rangos de operación de temperatura muy amplios.

Los sensores de carga requieren un cableado especial de bajo ruido porque las señales de carga de alta impedancia son altamente susceptibles a las interferencias de RF (radiofrecuencia) y EM (electromagnéticas). Los cables en movimiento inducen ruido en la señal, por lo que se debe tener mucho cuidado al enrutar los cables (incluso la pequeña presión de las bridas puede provocar ruido).

Pros y Contras de los Sensores de Carga

Pros

• No se requiere fuente de alimentación.}

• El rango de temperatura de funcionamiento más duradero y más amplio debido a su diseño simple.

• Sin ruido, máxima resolución.

• Excelentes características dinámicas.

• Salida extremadamente lineal.

• Capaz de soportar entornos de alta temperatura (más de 500 ° C).

• Rango de amplitud de choque muy alto.

• Es posible un diseño de sensor más pequeño.

Contras

• Requieren un acondicionador de señal relativamente caro.

• Susceptible al ruido, por lo que la longitud de los cables debe ser corta (<10 m).

• Se requieren cables de bajo ruido que son costosos.

• Limitado a aplicaciones de medición dinámicas y cuasiestáticas.

• No puede medir la aceleración estática.

Aplicaciones comunes de Acelerómetros de Carga

• Pruebas automotrices

• Pruebas aeroespaciales y de defensa

• Aplicaciones de gran ancho de banda

• Prueba de caída

• Prueba de caída libre

• Monitoreo basado en condiciones

• Aplicaciones de alta temperatura

Acelerómetros IEPE

Para solucionar este problema de cableado y ruido, los ingenieros descubrieron cómo integrar un pequeño amplificador en la carcasa del sensor. Este amplificador convierte la salida de alta impedancia en una de menor impedancia que es más fácil de enviar a través de cables de menor costo y mayor longitud.

También reduce drásticamente su susceptibilidad a la interferencia de RF y EM. Estos sensores se conocen como sensores IEPE, refiriéndose al hecho de que tienen electrónica integrada. El acrónimo significa "Integrated Electronics, PiezoElectric".

Dentro del sensor, se coloca una pieza de material piezoeléctrico (normalmente cuarzo o cerámica piezoeléctrica) junto a una masa fija. Cuando la carcasa del sensor se somete a una aceleración a lo largo del eje de medición, la tensión o el efecto de "presión" de la masa sobre el material piezoeléctrico induce una salida de carga del material, que puede medirse. Esta pieza es exactamente igual que un sensor de carga; la diferencia es que el sensor IEPE incluye además un amplificador de señal.

Cabe señalar que la empresa PCB Piezotronics también se refiere a estos sensores utilizando su acrónimo patentado ICP®, que definen como "Circuito integrado, piezoeléctrico". (ICP® es una marca registrada de PCB Group, Inc.). Usaremos el acrónimo estándar de la industria IEPE por respeto a la propiedad intelectual de PCB Group.

A diferencia de los sensores de carga, que no requieren alimentación externa, el pequeño amplificador integrado dentro de estos sensores IEPE debe estar encendido. Además, la mera presencia del amplificador dentro del sensor agrega una pequeña cantidad de masa, pero lo que es más importante, reduce drásticamente el rango de temperatura de funcionamiento del sensor. La energía del sensor debe ser proporcionada por un acondicionador de señal IEPE externo, que crea un suministro de corriente constante en la línea de señal.

Dado que los sensores IEPE están hechos para medir la aceleración dinámica y no estática, esta tensión de alimentación de CC no tiene ningún efecto sobre las lecturas. Un acondicionador de señal hecho para sensores IEPE suele ser menos costoso que los fabricados para sensores CHARGE. Básicamente es solo un acondicionador de voltaje que puede suministrar una excitación de corriente constante seleccionable para alimentar el sensor.

Pros y Contras de los Sensores IEPE

Pros

• Sensibilidad fija independientemente de la longitud y la calidad del cable.

• Una señal de salida más alta significa menos ruido.

• Los cables más largos no son un problema.

• Requiere un acondicionador de señal IEPE menos costoso en el sistema de medición.

• Excelente respuesta dinámica.

• La salida de baja impedancia se puede transmitir a través de cables largos.

• Soporta mejores condiciones adversas como suciedad y humedad.

• Función de autoprueba intrínseca.

Contras

• Requiere excitación de corriente constante (reduce las horas de funcionamiento de la batería).

• El rango superior de temperatura de funcionamiento está limitado a aproximadamente 120 ° C.

• No puede medir señales estáticas.

• Fuente de ruido inherente.

Aplicaciones comunes de Acelerómetros IEPE

• Pruebas automotrices

• Pruebas aeroespaciales y de defensa

• Aplicaciones de gran ancho de banda

• Prueba de caída

• Prueba de caída libre

• Monitoreo basado en condiciones 

Acelerómetros Capacitivos

Los acelerómetros capacitivos suelen proporcionar un rendimiento superior en el rango de baja frecuencia. Dentro de la carcasa del sensor, dos condensadores de placas paralelas funcionan en modo diferencial. Se conectan dos condensadores de valor fijo adicionales y los cuatro se conectan como un puente completo.

Estas estructuras, dispuestas muy cerca dentro de la carcasa del sensor, generan pequeñas capacitancias en los espacios entre ellas cuando se someten a aceleración. La salida del circuito puente varía linealmente con este cambio de capacitancia.

La precisión de este sensor se mejora mediante el uso de estructuras de dientes en forma de peine intercaladas para detectar la capacitancia. Estos se pueden organizar de varias formas. Por tanto, estos sensores pueden medir la aceleración tanto dinámica (CA) como estática (CC).

Pros y Contras de Sensores Capacitivos

Pros

• Puede medir la aceleración de CA y CC.

• Se puede hacer muy pequeño y económico (con una precisión algo limitada).

Contras

• Falta de alto ancho de banda de carga piezoeléctrica y sensores IEPE.

• La falta de un alto rango operativo de choque y temperatura de los sensores de carga en particular.

Aplicaciones comunes del acelerómetro capacitivo

Los acelerómetros capacitivos se pueden fabricar de forma bastante pequeña y económica y, por lo tanto, se utilizan en muchas aplicaciones comerciales y de consumo. Algunos de estos incluyen:

• Teléfonos móviles, para orientar la pantalla "hacia arriba" para el usuario, desaceleración o aceleración repentina (detección de colisiones)

• Automóviles para el despliegue de airbags,

• Detección de actitud de controladores de videojuegos,

• Drones

• Y muchas más aplicaciones

Acelerómetros Piezoresistivos

Otra tecnología popular para acelerómetros de CC se basa en la piezorresistencia. En lugar de utilizar elementos de cristal o cerámica como en los sensores piezoeléctricos, los acelerómetros piezorresistentes utilizan galgas extensométricas para detectar la aceleración. Esto da como resultado un sensor que puede medir tanto la aceleración estática (CC) como la dinámica (CA) hasta aproximadamente entre 6 y 8 kHz. La amortiguación interna de la masa se realiza con fluido o con gas. up to roughly 6 to 8 kHz. Internal damping of the mass is done either fluid or gas.

La salida del acelerómetro piezorresistivo típico es diferencial, lo que es bueno en términos de rendimiento de ruido. A menudo se requiere un acondicionador de señal de banda extensométrica de buena calidad como el SIRIUS STG. Algunos de estos sensores están diseñados para funcionar bien en aplicaciones de alto impacto y pueden medir más de 10.000 g.

Pros y Contras del Acelerómetro Piezorresistivo

Pros: 

• Muy adecuado para aplicaciones de velocidad y desplazamiento porque sus salidas de CC evitan la integración y los errores de doble integración mejor que los sensores de salida de CA.

• Puede medir hasta 0 Hz).

• Puede medir un ángulo estático.

• Salida diferencial.

Contras:

• No es adecuado para aplicaciones dinámicas.

• Rango de funcionamiento de temperatura limitado debido a la electrónica interna.

• Ancho de banda superior limitado al rango bajo de kHz.

Aplicaciones Comunes de Acelerómetros Piezorresistivos

• Pruebas automotrices

• Pruebas aeroespaciales y de defensa

• Medidas de alto impacto

• Mediciones no dinámicas de impactos y vibraciones de todo tipo

Acelerómetros MEMS

Además de los acelerómetros mecánicos mencionados anteriormente, también hay sensores electromecánicos (también conocidos como MEMS) disponibles. Dado que los sensores CHARGE e IEPE generalmente comienzan a medir entre 0,3 Hz y 10 Hz, no pueden realizar mediciones estáticas o de muy baja frecuencia. El sensor del sistema microelectromecánico (MEMS) es una gran solución.

Pros y Contras de los Acelerómetros MEMS

Pros:

• Ideal para mediciones estáticas / de baja frecuencia (puede medir hasta 0 Hz).
  Puede medir un ángulo estático.

Contras:

• Rango de funcionamiento de temperatura limitado debido a la electrónica interna.

• Ancho de banda superior limitado al rango bajo de kHz.

• Rango de amplitud limitado a 400 g.

Aplicaciones Comunes de Acelerómetros MEMS

• Trabajo sísmico

• Monitoreo estructural

• Sistemas de posicionamiento giroscópico

• Pruebas automotrices

• Prueba de airbag

Tabla de Comparación de Tipos de Acelerómetro

Consideraciones Clave Relacionadas con la Elección del Sensor del Acelerómetro

Existe una amplia variedad de sensores diseñados para medir vibraciones / golpes / vibraciones. Las preguntas más importantes que debe hacerse al elegir un sensor son:

• Aislamiento de Tierra

• Sensibilidad

• Rango de Baja Frecuencia

• Ancho de Banda

• Rango de Amplitud

• Nivel de Ruido Residual

• Rango de Temperatura

• Peso

• Bucles de Tierra

• Ruido de Cable

• Compatibilidad TEDS

Muy importante cuando el objeto bajo prueba es conductor y tiene potencial de tierra. Una diferencia en los niveles de voltaje de tierra entre la instrumentación y el acelerómetro puede causar un bucle de tierra que resulte en lecturas de datos incorrectas.

Sensibilidad

Idealmente, nos gustaría un alto nivel de salida, pero una alta sensibilidad normalmente requiere un sensor relativamente grande y pesado. Afortunadamente, este no es un problema crítico porque los preamplificadores Dewesoft modernos están diseñados para manejar señales de bajo nivel.

Rango de Baja Frecuencia

El sensor debe tener un corte de paso alto más bajo que las frecuencias que desea medir. Por ejemplo, realizar pruebas en una fábrica de papel con frecuencias de 1 a 5 Hz significa que necesita un sensor con un ancho de banda de 0,3 Hz (o menos). Para esas aplicaciones, el cargo o IEPE son los más adecuados. Si necesita medir la aceleración estática, entonces se necesita una tecnología de sensor diferente, como capacitiva o MEMS.

Ancho de Banda (Rango de Frecuencia)

Este es el ancho de banda (superior) del sensor. Los acelerómetros de masa pequeña pueden proporcionar una frecuencia de resonancia de hasta 180 kHz, pero para los acelerómetros de uso general algo más grandes y de mayor salida, las frecuencias de resonancia de 20 a 30 kHz son típicas.

Rango de Amplitud

Los sensores de carga proporcionan rangos de gran amplitud (¡los sensores de impacto especialmente diseñados pueden tener un rango de amplitud de más de 100,000 g!), Pero los sensores IEPE también son bastante altos (hasta 1000 g). Los sensores MEMS suelen tener un alcance muy limitado (hasta unos pocos cientos de g). Para la mayoría de las aplicaciones, los sensores IEPE están bien, mientras que para niveles de alta amplitud los sensores de carga son mejores.

Nivel de Ruido Residual

Esto define el nivel de amplitud más bajo de lo que puede medir el sensor. Deberíamos tomar un sensor con el rango de medición óptimo porque los sensores con un rango más alto también tendrán un nivel de ruido más alto.

Los sensores IEPE tienen un rango dinámico muy alto. Los sensores de carga son similares, pero debemos tener en cuenta que el ruido se puede generar fácilmente en el cable. Los sensores capacitivos y MEMS proporcionan un rango menos dinámico.

Rango de Temperatura 

Todos los sensores, que incluyen componentes electrónicos, tienen un rango limitado de alta temperatura, hasta 130 ° C. El rango de temperatura de los sensores de carga es mucho mayor, incluso hasta 500 °C. Sin embargo, tenga en cuenta que esto también requiere un cable de alta temperatura.

Todos los materiales piezoeléctricos dependen de la temperatura, por lo que cualquier cambio en la temperatura ambiente resultará en un cambio en la sensibilidad del acelerómetro. Los acelerómetros piezoeléctricos también exhiben una salida variable cuando se someten a pequeñas fluctuaciones de temperatura, llamadas transitorios de temperatura, en el entorno de medición. Normalmente, esto es solo un problema cuando se miden vibraciones de muy bajo nivel o baja frecuencia. Los acelerómetros modernos de tipo cizallamiento tienen una sensibilidad muy baja a las variaciones de temperatura. Cuando los acelerómetros deban fijarse a superficies a temperaturas superiores a 250 ° C, se puede insertar un disipador de calor y una arandela de mica entre la base y la superficie de medición. Con temperaturas de superficie de 350 a 400 ° C, la base del acelerómetro se puede mantener por debajo de 250 ° C mediante este método. Una corriente de aire para enfriar puede proporcionar ayuda adicional.

El rango de temperatura del sensor MEMS está limitado por la electrónica interna (de -40 ° C a 125 ° C).

Peso

En las pruebas modales, el peso puede ser un factor importante debido al efecto de carga de masa. (Cualquier masa que agreguemos a la estructura cambia su comportamiento dinámico). Como regla general, la masa del sensor no debe ser más de una décima parte de la masa dinámica de la parte vibrante en la que está montado.

Y también hay otras consideraciones. tales como ruido de cable, rango de temperatura, vibraciones transversales, etc. Se han escrito libros de texto completos sobre este tema, incluido el montaje de estos sensores, que es fundamental para obtener buenos resultados. Lo importante que debe saber es que el hardware y el software Dewesoft se han diseñado desde cero para ayudarlo a obtener los mejores resultados posibles de sus pruebas de vibración / aceleración.

Hay muchos tipos de sensores y muchos modelos dentro de cada tipo de los fabricantes que los fabrican. Pero nos centraremos en los tipos principales que se utilizan en la abrumadora cantidad de aplicaciones en todo el mundo en esta sección.

Bucles de Tierra

Las corrientes de bucle de tierra pueden fluir en el blindaje de los cables del acelerómetro porque el acelerómetro y el equipo de medición están conectados a tierra por separado. El circuito de tierra se interrumpe mediante el uso de un sensor aislado, un amplificador aislado o aislando eléctricamente la base del acelerómetro de la superficie de montaje por medio de un perno de aislamiento.

Ruido de Cable

El ruido del cable es principalmente el problema de los acelerómetros piezoeléctricos debido a la alta impedancia de salida. Estas perturbaciones pueden resultar de ruido triboeléctrico o ruido electromagnético. El ruido triboeléctrico a menudo se induce en el cable del acelerómetro por el movimiento mecánico del propio cable. Se origina en la capacidad local y los cambios de carga debidos a la flexión, compresión y tensión dinámicas de las capas que componen el cable. Este problema se evita utilizando un cable de acelerómetro grafitizado adecuado y pegándolo lo más cerca posible del acelerómetro.

El ruido electromagnético a menudo se induce en el cable del acelerómetro cuando se coloca cerca de maquinaria en funcionamiento.

Compatibilidad TEDS

Algunos sensores tienen un chip TEDS en su interior que les permite ser identificados electrónicamente por un instrumento de adquisición de datos compatible. TEDS (hoja de datos electrónicos del transductor) es una interfaz estándar de acuerdo con IEEE 1451 e IEEE 1588. Almacena información importante sobre el dispositivo.

Con los acondicionadores de señal Dewesoft compatibles y el software Dewesoft X, un sensor TEDS se comporta de manera “plug and play”. El acondicionador de señal lee la información sobre el sensor y configura automáticamente la ganancia, la escala, las unidades de ingeniería y otras configuraciones del sensor adecuadas.

Los ingenieros que utilizan muchos sensores consideran que la tecnología TEDS les permite ahorrar mucho tiempo al configurar una prueba a gran escala. La automatización TEDS también puede prevenir errores humanos.

Obtenga más información sobre los sensores TEDS:

¿Qué es la tecnología de sensores TEDS IEEE 1451.4?Aprenda qué es la tecnología de sensores TEDS (IEEE 1451.4), cómo funciona. y cómo los sistemas de adquisición de datos de Dewesoft usan TEDS para una conexión perfecta de sensores.

Cómo montar acelerómetros

Los sensores se pueden montar de diferentes formas. El ancho de banda del sensor es especialmente sensible a la forma en que está montado. El método de montaje de un acelerómetro en el punto de medición es uno de los factores más críticos para obtener resultados precisos a partir de mediciones prácticas de vibraciones. Un montaje descuidado da como resultado una reducción en la frecuencia de resonancia montada, lo que puede limitar severamente el rango de frecuencia útil del acelerómetro.

• Espárrago: es mejor perforar un agujero en la muestra de prueba y fijar el sensor a la superficie con un tornillo. Esto no debería afectar ninguna propiedad del sensor. Obviamente, en algunos casos, un cliente puede no estar particularmente emocionado de hacer esto, por ejemplo, con su nuevo prototipo de ala de avión.

• Adhesivo: otro tipo de montaje, que no afecta tanto al ancho de banda es una fina cinta adhesiva de doble cara o cera de abejas (esto está limitado en su rango de temperatura).

• Imán: una técnica de montaje muy utilizada para el diagnóstico de máquinas es montar el sensor en un imán. Esto seguirá produciendo un buen ancho de banda, pero, por supuesto, la superficie debe ser ferromagnética (no de aluminio ni de plástico). En los sensores en los que podemos usar el clip de montaje, podemos pegar el clip de montaje por adelantado y luego simplemente colocar el sensor.

Una solución rápida y sucia es también sujetar el sensor con una mano en una varilla. Esto es útil para algunos lugares de difícil acceso, pero el ancho de banda se reducirá a 1 ÷ 2 kHz.

El acelerómetro debe montarse de manera que la dirección de medición deseada coincida con su eje principal de sensibilidad. Los acelerómetros también son ligeramente sensibles a las vibraciones en la dirección transversal, pero esto normalmente se puede ignorar ya que la sensibilidad transversal es típicamente menor al 1% de la sensibilidad del eje principal.

Un gráfico a continuación muestra la reducción de ancho de banda de diferentes métodos de montaje:

Aplicaciones de Acelerómetro y Análisis de Vibraciones

Algunas de las aplicaciones clave de medición de vibraciones de los acelerómetros se mencionan en las secciones anteriores. A continuación, se incluye un breve resumen, además de información adicional.

* Dentro de su ancho de banda

A continuación se presentan algunas de las aplicaciones típicas de análisis de vibraciones para las que se utilizan los acelerómetros.

Análisis de Orden

La solución de análisis de orden de Dewesoft proporciona muchas capacidades analíticas poderosas:

• Medición simultánea del dominio de tiempo, frecuencia y orden. Esto es posible gracias a la alta frecuencia de muestreo del sistema y las técnicas avanzadas de remuestreo sin alias.

• Soporte de sensor de ángulo. Todos los sensores de ángulo, desde tacómetro, codificador, diente de engranaje, diente de engranaje con dientes faltantes o dobles, sensores de cinta y otros, son compatibles para determinar perfectamente el ángulo y la velocidad de rotación con una resolución de 10 nanosegundos utilizando la tecnología patentada SuperCounter®

• Rica Visualización. Como se muestra en la captura de pantalla anterior, los gráficos 3D de frecuencia y orden proporcionan una gran herramienta para determinar el estado de la máquina. Los gráficos de Nyquist, Bode y Campbell están disponibles para la presentación de datos. El análisis de órbita con una vista sin procesar o de pedidos es ideal para el análisis de turbomáquinas.

• Matemáticas avanzadas. Cualquier orden y armónicos en el dominio del tiempo se pueden extraer fácilmente con amplitud y fase, disponible frente a la velocidad de rotación o el tiempo en los modos de aceleración o desaceleración.

• Cálculos en tiempo real: la solución de análisis de seguimiento de pedidos proporciona adquisición, almacenamiento, visualización y cálculo de datos en tiempo real en canales de entrada ilimitados. Se pueden observar y analizar múltiples tipos de maquinaria rotativa al mismo tiempo.

Obtenga más información sobre el análisis de orden:

Análisis de orden

Solución de Análisis del Espectro de Respuesta al Choque (SRS)

Los pulsos de choque mecánico a menudo se analizan en términos de su espectro de respuesta al choque (SRS). El SRS asume que el pulso de choque se aplica como entrada base a una serie de sistemas independientes de un solo grado de libertad (SDOF). El sistema SDOF asume que cada sistema tiene su propia frecuencia natural.

• Compatibilidad con las normas ISO: el espectro de respuesta a impactos se calcula de acuerdo con la norma ISO 18431-4 de repetibilidad y cumplimiento.

• Configuración rápida: la interfaz TEDS identifica y configura sensores automáticamente, ahorrando tiempo y eliminando errores humanos.

• Intervalo de frecuencia seleccionable: intervalo de cálculo libremente definible para el espectro de frecuencia.

• Factor de calidad de amortiguación: la selección de la relación de amortiguación o el factor de calidad se puede actualizar también en el modo fuera de línea, por lo que los ingenieros pueden aplicar diferentes factores al mismo conjunto de datos para fines de comparación.

• Matemáticas avanzadas: Los parámetros relevantes como compuesto / máximo, primario, residual, etc. se calculan en tiempo real. Los resultados en el espectro del dominio de la frecuencia se pueden mostrar como aceleración, velocidad o desplazamiento.

• Exportación de datos: los datos registrados y los parámetros calculados se pueden exportar en varios formatos de datos estándar, incluidos Matlab®, Excel®, Diadem®, FlexPro®, UFF (Universal File Format) y otros.

Obtenga más información:

Espectro de respuesta al impacto

Prueba de Reducción Sinusoidal: Procesamiento Sinusoidal con Señal COLA

La prueba de reducción sinusoidal o de procesamiento sinusoidal integra y sincroniza el sistema de adquisición de datos a la perfección con la señal COLA (amplitud de nivel de salida constante) de un shaker. Esto permite al ingeniero realizar una evaluación profunda de las propiedades estructurales de una gran cantidad de canales en tiempo real. 

• Análisis en tiempo real. Cálculos en tiempo real de Peak, RMS, fase, THD en puntos de respuesta y obtener funciones de transferencia entre los puntos de referencia y de respuesta en toda la estructura simultáneamente.

• Recuento de canales ilimitado. El procesamiento sinusoidal se puede ejecutar en un número ilimitado de canales mientras se mantienen todas las capacidades en tiempo real.

• Cálculos de gran alcance. Puede ejecutar análisis de octavas verdaderas en paralelo con procesamiento sinusoidal y FFT simultáneamente en todos los canales, en tiempo real. Se pueden agregar funciones matemáticas adicionales desde la extensa biblioteca matemática integrada en el software.

• Animación online y offline. La calidad del resultado de la prueba se puede determinar mediante la animación de la estructura en las tres direcciones con diferentes proyecciones durante (y después) de la medición.

• Configuración fácil. La tecnología TEDS detecta y configura sensores automáticamente dentro del software. Simplemente asigne los canales a su ubicación y comience a medir rápidamente.

• Opciones de almacenamiento avanzadas. El almacenamiento automático se puede configurar con condiciones de activación, lo que elimina el error humano y garantiza resultados de prueba consistentes en prototipos costosos y estructuras únicas.

• Diferentes modos de detección de frecuencia. Además del conocido método de detección de frecuencia de cruce por cero, Dewesoft admite la transformada de Hilbert, lo que permite una lectura superior de frecuencia que da como resultado datos más fluidos y continuos.

• Exportación e informes de datos fáciles. Los datos se pueden exportar a formatos estándar como VNU y Excel® para fines de informes.

Obtenga más información:

Prueba de reducción de seno

Prueba estructural de nariz de cohete utilizando procesamiento de senoEl instituto espacial brasileño DCTA está utilizando la solución de procesamiento sinusoidal Dewesoft para realizar una prueba dinámica estructural de la punta del cohete. Lea el estudio de caso para obtener más información.

Análisis de Octava

El análisis de octavas es una herramienta indispensable para la medición del sonido, así como para el mantenimiento predictivo y la monitorización debido a su eje de frecuencia logarítmica. En este caso, los micrófonos se utilizan para capturar el sonido. Se menciona aquí porque el análisis de octavas a menudo se realiza junto con pruebas que también involucran acelerómetros, como pruebas de choque y vibración, y más.

Aprende más:

Analizador y análisis de banda de octava

Analizador de Espectro y Frecuencia FFT

El análisis de espectro FFT es una herramienta esencial para los ingenieros que trabajan en el dominio de los golpes y vibraciones. Profundizar en la respuesta de un objeto bajo prueba a estímulos de frecuencia y amplitud es fundamental para el diseño y la mejora del sistema

Los sistemas utilizados para FFT y análisis de frecuencia necesitan funciones de cursor avanzadas, alta resolución de línea de libre selección, promediado flexible y funciones avanzadas para análisis de frecuencia en profundidad. El sistema Dewesoft ofrece todo esto y más:

• Análisis de espectro FFT en tiempo real. El analizador de espectro Dewesoft ofrece análisis FFT en tiempo real en canales de entrada ilimitados.

• Canales de entrada ilimitados. Los sistemas DS DAQ tienen configuraciones de canales de entrada prácticamente ilimitadas. El software DEWESoft X puede realizar análisis FFT en cualquiera de ellos o en todos al mismo tiempo.

• Promedio. Está disponible la FFT general (promediada) con promediado lineal, pico y exponencial o cálculo basado en bloques.

• Capaz de cualquier resolución de línea. Resolución de línea seleccionable hasta 64.000 líneas para las tareas más exigentes.

• Cursores y marcadores. El control visual FFT puede mostrar valores del punto seleccionado actualmente con los marcadores. Los marcadores disponibles son un marcador máximo, marcador libre, marcador de zoom, marcador de banda lateral, marcador armónico, marcador RMS, marcador delta y más.

• Estimación del valor del cursor. La innovadora técnica de interpolación de ventanas permite una estimación precisa de la amplitud y la frecuencia.

• Matemáticas avanzadas. Espectro automático, espectro cruzado, espectro complejo, espectro en cascada, cepstrum (para fallas de cojinetes, procesamiento de voz), FFT completo de dos caras (para análisis de giro del rotor), STFT (para señales no estacionarias), detección de envolvente (para fallas de cojinete) análisis).

Obtenga más información:

Analizador de espectro FFT

Análisis de Vibraciones Rotacionales y Torsionales

Las vibraciones torsionales pueden ser una fuente de fallas en los ejes giratorios. Cuando esto sucede, todo un sistema, ya sea una línea de producción de una fábrica que se apaga repentinamente o un automóvil o helicóptero que repentinamente pierde propulsión, puede ser costoso e incluso catastrófico. Por eso el análisis de vibraciones rotacionales y torsionales es tan crítico.

El módulo de análisis de vibraciones rotacionales y torsionales de Dewesoft combinado con el módulo de análisis de orden es una herramienta perfecta para solucionar problemas de ejes, cigüeñales, engranajes en aplicaciones automotrices, industriales o de generación de energía.

• Fácil configuración del sensor. El módulo de matemáticas DS es compatible con todos los tipos de sensores. El tipo de sensor puede ser totalmente diferente para ambos extremos del rotor. La tecnología patentada SuperCounter® proporciona una resolución de 10 ns al determinar el ángulo de rotación y la velocidad.

• Acceso a todos los datos medidos. Todos los datos, como el ángulo de referencia, el ángulo de rotación del sensor individual, la velocidad y la aceleración, el ángulo de torsión y la velocidad, están disponibles para análisis avanzados.

• Matemáticas avanzadas. También se encuentran disponibles diferentes filtros de entrada y filtros de CC rotacionales. El ingeniero puede ingresar relaciones de velocidad de rotación personalizadas para el análisis de la caja de cambios.

• Integración de orden. En estrecha combinación con el análisis de orden, el análisis de datos avanzado está disponible en función de los mismos sensores de ángulo que la fuente de frecuencia.

Obtenga más información:

Análisis de las vibraciones torsionales

Pruebas de Vibración en Cuerpo Humano

El módulo de vibración humana y de cuerpo entero prueba y mide el efecto de la vibración en el cuerpo humano. Los parámetros extraídos permiten la evaluación simple del riesgo de lesiones para los trabajadores, expuestos a vibraciones constantes.

La solución de medición del cuerpo humano de Dewesoft admite la medición de vibraciones de cuerpo entero y mano-brazo de acuerdo con todas las normas internacionales relevantes: ISO 5349, ISO 8041, ISO 2631-1 e ISO 2631-5.

• Estándares admitidos. La solución Dewesoft calcula y mide la vibración de todo el cuerpo de acuerdo con las normas internacionales ISO 5349, ISO 8041, ISO 2631-1 e ISO 2631-5.

• Vibración de cuerpo entero. Aplicable a los movimientos transmitidos desde las máquinas y los vehículos del lugar de trabajo al cuerpo humano a través de una superficie de apoyo.

• Vibración de mano / brazo. Los sensores se instalan en adaptadores especiales para sujetarlos en un asa o entre los dedos.

• Matemáticas avanzadas. Todos los datos, como RMS, Peak, Crest, VDV, MSDV, MTVV, Weighted raw, al (ISO 2631-5), D (ISO 2631-5) están disponibles.

• Análisis de los datos. La combinación ilimitada con otras herramientas estándar de Dewesoft es una gran base para el trabajo de I + D relacionado con la reducción de la vibración debido a su profunda funcionalidad de análisis de datos.

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Vibración del cuerpo humano - ISO 2631

Balanceo de Máquinas Rotativas

Los rotores equilibrados son esenciales para el buen funcionamiento de la maquinaria rotativa. El desequilibrio creará altas vibraciones, lo que reducirá la vida útil de la máquina y provocará defectos en los materiales.

La herramienta de balanceo de plano único y doble de Dewesoft funciona tanto en modo estático como dinámico. Está diseñado para ayudar a los ingenieros a eliminar el desequilibrio en el sitio, reduciendo el tiempo de inactividad y ahorrando dinero.

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Balanceo del rotor

Análisis modal y pruebas modales: ODS, MIMO, OMA

Las pruebas modales son una herramienta indispensable para determinar las frecuencias naturales y las formas modales de las estructuras. En estas pruebas, una estructura bajo prueba se "excita" con un martillo de impacto o un shaker de vibración modal, y la respuesta se mide y analiza.

Los métodos de prueba clave compatibles con el análisis modal de Dewesoft incluyen

• ODS (Operating Deflection Shape)

• MIMO (Multiple Input Multiple Output)

• OMA (Operational Modal Analysis)

Los ingenieros pueden importar archivos de geometría estándar, o dibujar los suyos propios, para visualización y animación en tiempo real de la estructura bajo prueba.

• El modo Impact Hammer permite agrupar, rechazar y repetir puntos de medición; Se admiten múltiples referencias y puntos de excitación. La capacidad de mover los puntos de respuesta y excitación le brinda al usuario total flexibilidad al realizar mediciones.

• Modo de funcionamiento del agitador. Trabajando en combinación con el módulo generador de funciones incorporado, el sistema permite cualquier tipo de excitación desde seno fijo con resolución de 1 MHz, barrido senoidal, aleatorio, paso senoidal, chirrido, ráfaga y otros.

• Matemáticas avanzadas. Las formas de deflexión operativa (ODS), las funciones de indicador de modo (MIF) y el análisis COLA están completamente implementados en Dewesoft, mientras que el análisis modal operativo (OMA) y las ODS en el dominio del tiempo están disponibles con una estrecha integración con un paquete de software externo.

• Rica Visualización. La animación de la estructura en las tres direcciones y con diferentes proyecciones también está disponible durante la medición, lo que proporciona una gran herramienta para determinar la calidad de los resultados, dando al usuario la oportunidad de repetir la medición de cualquier punto. La herramienta de círculo modal determina la resonancia exacta y calcula el factor de amortiguación viscoso o estructural.

• Importación / Exportación VNU. La geometría se puede construir a través de un editor de geometría incorporado o importar a través del archivo UNV. Todos los datos, desde el dominio de tiempo sin procesar hasta los espectros automáticos y los FRF, se pueden exportar utilizando el formato de archivo UNV estándar.

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Pruebas modales y análisis modal​​​​​​​

Shakers (mesas de vibración) para inducir vibraciones

Los acelerómetros pueden usarse para medir vibraciones del mundo real, por supuesto. Pero, ¿qué pasa si queremos probar cómo reacciona un objeto a varias frecuencias y amplitudes? ¿Deberíamos esperar años hasta que se hayan visto todas las posibilidades a partir de experiencias del mundo real? Bueno, eso no es eficiente, por lo que los ingenieros han inventado shakers para inducir vibraciones en una amplia gama de frecuencias y vibraciones.

Con un shaker, puede crear cualquier cosa, desde vibraciones de un solo eje hasta vibraciones de varios ejes; puede establecer una frecuencia y amplitud fijas, o hacer que cambien o “barran” hacia arriba y hacia abajo para probar cómo reacciona un objeto bajo prueba innumerables posibilidades de vibración. Los agitadores son herramientas poderosas para el mundo de las pruebas de golpes y vibraciones. Millones de acelerómetros se colocan en los objetos bajo prueba y en el propio agitador para modelar estos resultados.

Dewesoft ofrece muchas soluciones para una variedad de pruebas que involucran shakers, como análisis modal, espectro de respuesta al choque SRS, pruebas de reducción sinusoidal / procesamiento sinusoidal y más. Consulte la sección anterior para obtener más detalles.

Martillos de Impacto para Inducir Golpes

Mientras que un shaker está diseñado para excitar una sola frecuencia, los martillos de impacto (también conocidos como martillos modales) están diseñados para excitar una amplia gama de frecuencias en un objeto bajo prueba. En un escenario típico, una estructura está equipada con acelerómetros en ubicaciones clave. Luego, el operador golpea la estructura en uno o más lugares con el martillo de impacto. El martillo de impacto tiene un acelerómetro integrado que proporciona un valor conocido al sistema de medición, por lo que sabemos exactamente la fuerza que se aplicó.

Los martillos de impacto normalmente tienen puntas intercambiables que se pueden unir al propio cabezal de impacto. Las puntas están fabricadas con diferentes niveles de dureza, por lo que podemos golpear la estructura con varios arneses, desde muy suaves y esponjosos hasta extremadamente duros e implacables. Estos impulsos excitarán la respuesta de la estructura de diferentes maneras, proporcionando una nueva visión de la estructura.

Puede obtener más información sobre las pruebas modales de Dewesoft con un martillo de impacto en esta breve presentación en video:

Proveedores de Acelerómetros

Esto no incluye a todos los fabricantes del mundo, porque hay cientos de ellos. Pero hay varios proveedores importantes de acelerómetros con los que los ingenieros están familiarizados:

Acondicionadores de señal Dewesoft compatibles con acelerómetros

Familia de sistemas SIRIUS DAQ

Los sistemas de adquisición de datos SIRUS ofrecen módulos de medición de alta gama para prácticamente cualquier tipo de conexión de acelerómetro. Hay varios módulos diferentes disponibles que se describen individualmente a continuación.

Módulos SIRIUS de doble núcleo para acelerómetros

Módulos DAQ de alto rango dinámico con tecnología DualCoreADC y su compatibilidad con varios acelerómetros directamente, y usando adaptadores DSI.

Nuestra tecnología DualCoreADC® potencia los convertidores ADC duales delta-sigma de 24 bits con un filtro anti-aliasing en cada canal. Esto permite que nuestros módulos DAQ alcancen un asombroso rango dinámico de 160 dB en los dominios de tiempo y frecuencia. Junto con una frecuencia de muestreo de hasta 200 kS / s / ch por canal, estos son amplificadores únicos en el mercado.

Módulos SIRIUS DualCoreADC® (hasta 8 canales de entrada por módulo SIRIUS)

SIRUS HD - Módulos de alta densidad para acelerómetros

El módulo SIRIUS de alta densidad con hasta 16 canales por segmento SIRIUS es la elección perfecta para aplicaciones de gran cantidad de canales.

Módulos SIRIUS HD (alta densidad) (hasta 16 canales de entrada por módulo SIRIUS)

SIRUS HS - Módulos de alta velocidad para acelerómetros

La tecnología SAR de 1 MHz y 16 bits con filtrado sin alias seleccionable por software es la elección perfecta para la grabación transitoria. Hasta 8 canales por módulo SIRIUS.

Módulos SIRIUS HS (alta velocidad) (hasta 8 canales de entrada por módulo SIRIUS)

SIRIUS MINI para acelerómetros IEPE

El SIRIUS MINI es un sistema de adquisición de datos alimentado por USB pequeño y altamente portátil ideal para análisis de maquinaria acústica, vibratoria y rotativa. Tiene cuatro canales de entrada de alta velocidad / alta resolución hechos específicamente para los sensores del acelerómetro IEPE. Las entradas también se pueden usar como entradas de voltaje simple (seleccionable por software), por lo que también puede usar sensores de carga si tiene amplificadores de carga separados, así como sensores piezorresistivos o capacitivos si tiene acondicionamiento de señal externo para ellos.

SIRIUS MINI no requiere ninguna fuente de alimentación externa. Se puede alimentar directamente desde la conexión USB, por ejemplo, una computadora portátil. Está preconfigurado con cuatro entradas analógicas de alta dinámica, cada una de las cuales cuenta con ADC sigma-delta duales con una frecuencia de muestreo de 200 kHz por canal y un rango dinámico de hasta 160 dB. También puede incluir una entrada de contador / codificador que sea capaz de manejar tres entradas digitales O una entrada de contador de eventos, codificador, período, ancho de pulso o contador de ciclo de trabajo.

Módulos DEWE-43A y MINITAURs para acelerómetros

El sistema DAQ DEWE-43A es un sistema DAQ de mano extremadamente portátil. Al conectarse a su computadora a través de un conector USB de bloqueo, cuenta con ocho entradas analógicas universales. Su "hermano mayor" se llama MINITAURs: es esencialmente el DEWE-43A combinado con una computadora y algunas otras características, en un solo gabinete altamente portátil. Las entradas universales de ambos sistemas son compatibles con los adaptadores DSI de Dewesoft, lo que le permite conectar un sensor RTD a cualquiera o todos sus ocho canales de entrada.

Ambos modelos tienen entradas universales diferenciales, que son básicamente módulos de puente completo / bajo voltaje que son compatibles con los adaptadores de la serie DSI, que están disponibles para sensores de acelerómetro IEPE y de carga. Los adaptadores DSI utilizan TEDS para configurarse automáticamente en el software DewesoftX DAQ. Simplemente conecte el adaptador DSI en la entrada DB9 de la entrada seleccionada, verifique su configuración en la pantalla de configuración del hardware en el software Dewesoft X y estará listo para comenzar a tomar medidas.

Módulos multicanal KRYPTON para acelerómetros

KRYPTON es la gama de productos más resistente disponible de Dewesoft. Construidos para resistir temperaturas extremas, golpes y vibraciones, los módulos KRYPTON DAQ tienen una clasificación IP67, lo que los protege contra el agua, el polvo y más. Se conectan a cualquier computadora con Windows (incluido el modelo de CPU KRYPTON IP67 reforzado de Dewesoft) a través de EtherCAT y se pueden separar hasta 100 metros (328 pies), lo que le permite ubicarlos cerca de la fuente de señal. Al igual que SIRIUS, ejecutan el software DAQ Dewesoft X más potente del mercado.

KRYPTON multi-channel modules

Módulos monocanal KRYPTON ONE para acelerómetros

Módulos reforzados de entrada de voltaje de un solo canal para lo último en modularidad.

KRYPTON ONE single-channel modules

IOLITE Modules for Accelerometers

IOLITE DAQ and control system is a unique product that combines the essential capabilities of a real-time industrial control system with a powerful DAQ system. With IOLITE, hundreds of analog and digital channels can be recorded at full speed while simultaneously sending real-time data to any third-party EtherCAT master controller.

IOLITE modules

Sensores de acelerómetro de la marca Dewesoft

Dewesoft ofrece una variedad de acelerómetros populares que se adaptan perfectamente al hardware y software Dewesoft. Estos acelerómetros están equipados con una interfaz de sensor inteligente TEDS que permite que el software Dewesoft X DAQ detecte automáticamente el sensor y establezca la escala correcta, eliminando el error humano y haciendo que la configuración del sistema sea rápida y fácil. Todos los sensores de vibración Dewesoft son totalmente compatibles con la línea de shakers de Dewesoft.

Sensores de Vibración

Para mediciones estándar o análisis modal de un solo eje, se recomienda el modelo I1T-50G-1 y el acelerómetro de cubo IEPE triaxial aislado modelo I3T-50G-1 con rango de 50 g. El modelo I1AI-500G-1 es un acelerómetro en miniatura diseñado para la medición de vibraciones más altas hasta 500 g.

Acelerómetros industriales Dewesoft

Los sensores de caja aislada también se pueden usar con amplificadores no aislados sin preocuparse por los bucles de tierra. El sensor I1TI-50G-2 IEPE es perfecto para aplicaciones industriales debido a su carcasa y conector resistentes. I3TI-50G-1 es un sensor triaxial estándar con un rango de 50 g. I1TI-500G-1 es un acelerómetro de un solo eje que puede medir hasta 500 g. El acelerómetro de carga C1T-50g-1 se puede utilizar en entornos de alta temperatura hasta 190 ° C.

Todos los sensores de vibración Dewesoft son totalmente compatibles con la línea de shakers de Dewesoft.

Martillo de Impacto Modal

Complementario a los sensores de vibración, el martillo modal IH-441N-1 con un rango de hasta 440 N es perfecto para aplicaciones de análisis modal que utilizan el software Dewesoft. Nuestro martillo modal está equipado con una interfaz de sensor inteligente TEDS. El software Dewesoft X detecta automáticamente el sensor y establece la escala correcta.

Complementary to vibration sensors, the IH-441N-1 modal hammer with up to 440 N range is a perfect fit for modal analysis applications using Dewesoft software. Our modal hammer is equipped with a TEDS smart sensor interface. Dewesoft X software automatically detects the sensor and sets the correct scaling.

Consulte otros artículos de la serie de sensores:

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Cómo Medir la Tensión y la Presión con Sensores de Galgas ExtensométricasLos sensores de tensión y presión se utilizan ampliamente en muchas mediciones estáticas y dinámicas. Aprenda las mejores prácticas y la teoría detrás de la medición de galgas extensométricas.

Cómo medir el peso con sensores de celdas de cargaVea cómo funcionan los sensores de celdas de carga. Aprenda cómo se realizan las mediciones de peso en la ciencia y la industria. Comprenda cómo puede incorporarlos en sus pruebas.