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Comparando acelerômetros MEMS e IEPE para testes do comportamento de vibração estrutural
Structural and Geotechnical Engineering Department, Sapienza University of Rome
April 2, 2026
Estudos do comportamento elastoplástico por meio de ciclos de histerese força-deslocamento são essenciais para compreender como as estruturas se comportam quando expostas a cargas cíclicas, por exemplo, as geradas por terremotos. A Universidade Sapienza de Roma estudou o comportamento plástico de um modelo em escala, comparando o desempenho de acelerômetros IEPE e MEMS. O objetivo foi identificar o tipo de acelerômetro que fornece os sinais mais consistentes com os de um sensor de deslocamento a laser.
O Departamento de Engenharia Estrutural e Geotécnica da Universidade Sapienza, em Roma, Itália, estudou o comportamento plástico analisando cargas cíclicas aplicadas a uma estrutura em escala colocada numa mesa vibratória.
Esta análise, através de ciclos de histerese força-deslocamento, permite examinar a capacidade de dissipação de energia da estrutura e avaliar detalhadamente o seu comportamento plástico.
O laboratório
O Laboratório de Materiais e Estruturas do Departamento de Engenharia Estrutural e Geotécnica da Universidade Sapienza de Roma foi criado no início dos anos sessenta. Atualmente, as atividades desenvolvidas concentram-se em três áreas distintas:
o ensino,
a investigação científica, com ensaios em materiais e modelos,
a prestação de serviços a entidades públicas ou privadas, através da análise das características mecânicas e da eventual certificação oficial de materiais e protótipos relacionados com construções civis e industriais.
O laboratório é um centro oficial de investigação e ensaio para a realização de testes em materiais de construção e executa:
ensaios em aços, betão, argamassas, tijolos, perfis e malhas metálicas,
ensaios em elementos estruturais e modelos, inclusive à escala real,
calibração e verificação das escalas de leitura dos instrumentos de medição.
As principais máquinas de ensaio presentes no laboratório são:
prensas, com capacidade máxima de 1500 kN e 5000 kN,
máquinas de tração, com carga máxima de 500 kN e 1000 kN,
máquina universal MTS com controlo eletrónico para ensaios estáticos e dinâmicos, carga máxima de 500 kN (carga estática), curso do pistão ± 100 mm, frequência máxima até algumas dezenas de Hz,
macaco Schenck de dupla ação (tração e compressão) com controlo eletrónico, carga máxima de 250 kN, curso do pistão de 400 mm, frequência máxima na ordem de uma centena de Hz,
pulsador com um par de macacos de 20 t e um macaco de 100 t, também para ensaios cíclicos com frequência máxima de 10 Hz,
agitador eletrodinâmico, completo com fonte de alimentação/amplificador, força sinusoidal de pico de 100 N, aceleração máxima de 588 m/s², deslocamento máximo de 10 mm,
mesa vibratória MOOG L081-324-11.
O agitador vibratório
O agitador vibratório, ou mesa vibratória, é utilizado na engenharia para submeter estruturas a cargas dinâmicas controladas, semelhantes às geradas por sismos e outras solicitações. Esta máquina é fundamental para a experimentação em laboratório, pois permite aos engenheiros avaliar o comportamento estrutural sob condições simuladas de carga sísmica ou dinâmica ao longo do tempo.
Os principais componentes de uma mesa vibratória são:
Plataforma vibratória: o agitador possui uma superfície plana e sólida, sujeita a vibrações controladas. Pode variar de dimensão conforme as necessidades, permitindo a colocação de estruturas de diferentes escalas.
Sistema de vibração: o agitador está equipado com um sistema de acionamento, por exemplo, motores elétricos ou hidráulicos, que gera vibrações. Este sistema aplica cargas dinâmicas de forma controlada à estrutura em ensaio.
Sistema de controlo: um sistema de controlo integrado regula a frequência, amplitude e energia das vibrações aplicadas à mesa. Um controlo preciso é essencial para reproduzir as condições de carga desejadas durante os ensaios.
Instrumentação de medição: o agitador está equipado com sensores e instrumentação para medir a resposta dinâmica da estrutura testada, como acelerómetros, extensómetros e transdutores de força.
A mesa vibratória Moog L081-324-11 utilizada pelo laboratório apresenta as seguintes características:
dimensões da mesa vibratória de 1,5 x 1,5 m,
curso máximo de ± 200 mm,
capacidade máxima de carga de 2 toneladas,
estrutura de 4 pisos com base de 0,60 m x 0,60 m e altura entre pisos de 0,60 m,
altura total de 2,40 m.
Esta estrutura está ligada a uma placa de aço com dimensões de 0,68 m x 0,76 m, conectada à mesa através de um isolador elastomérico e de quatro elementos de transferência de carga por esferas.
Aplicações dos ensaios com mesa vibratória
Análise do comportamento sísmico: a mesa vibratória simula cargas sísmicas, permitindo estudar a resposta de edifícios e outras estruturas a forças sísmicas.
Validação de modelos estruturais: as estruturas podem ser submetidas a vibrações para validar e calibrar modelos numéricos e simulações, garantindo a correspondência entre dados experimentais e previsões do modelo.
Avaliação da resistência estrutural: ensaios para avaliar a resistência sísmica das estruturas, identificando possíveis pontos fracos e avaliando a capacidade de absorção de energia sem sofrer danos irreversíveis.
Teste da eficiência de dispositivos antissísmicos: a mesa vibratória permite testar a eficácia de dispositivos como isoladores sísmicos e amortecedores, concebidos para reduzir a transmissão de forças sísmicas às estruturas.
Estudo do comportamento plástico: ensaios para estudar o comportamento plástico das estruturas sob cargas cíclicas semelhantes às geradas por sismos.
Caracterização de materiais: a mesa vibratória pode ser utilizada para caracterizar materiais, avaliando a sua resposta a vibrações e esforços cíclicos.
Projeto e otimização estrutural: os resultados obtidos fornecem dados essenciais para o projeto e otimização de estruturas, melhorando a sua segurança e resistência sísmica.
De forma geral, a utilização de uma mesa vibratória permite realizar diversos ensaios controlados, reproduzindo condições dinâmicas realistas e fornecendo dados essenciais para o projeto sísmico e a segurança das construções.
Comportamento plástico: cargas cíclicas de frequência única
Como estudar o comportamento plástico de estruturas sujeitas a sismos? Com a mesa vibratória, é possível realizar ensaios de carga cíclica para identificar o comportamento elástico-plástico das estruturas.
Através da integração, é possível obter os valores de deslocamento e as relações força-deslocamento com base em acelerómetros. A análise dos ciclos de histerese força-deslocamento é o núcleo do estudo que permite compreender os mecanismos plásticos da estrutura.
A forma e a largura das curvas de histerese refletem a capacidade da estrutura de dissipar energia durante eventos dinâmicos. Esta informação é fundamental para o dimensionamento de sistemas de dissipação de energia, como amortecedores viscosos ou pendulares, que podem melhorar a resistência sísmica da estrutura.
A análise de pontos críticos das curvas de histerese, como o ponto de cedência e o ponto de colapso, oferece uma compreensão detalhada do desempenho estrutural. Estes dados constituem a base para o desenvolvimento de modelos de comportamento plástico que aumentam a precisão das análises preditivas em situações de carregamento cíclico.
A mesa vibratória desempenha um papel crucial na engenharia estrutural. É um meio versátil para extrapolar informação de amplo espectro. Permite melhorar a capacidade de resposta das estruturas em situações dinâmicas, como sismos. Através destes ciclos, os engenheiros podem observar como a estrutura reage sob cargas cíclicas, fornecendo uma análise detalhada das suas limitações e capacidades.
Configuração de medição
Os modelos apresentados nas Figuras 5 e 6 representam uma estrutura de quatro pisos com base isolada. Limitámos o seu movimento através de interruptores de fim de curso (batentes). Os ensaios consistiram em submeter o modelo a forças dinâmicas variáveis no tempo através de uma mesa vibratória. A utilização de batentes foi fundamental para evitar alterações nas medições devido à colisão da base com a plataforma.
Instalámos dois tipos de acelerómetros em cada um dos pisos do modelo em escala:
PCB 393A03: acelerómetro do tipo IEPE (Integrated Electronics Piezo-Electric),
Dewesoft IOLITEi-3xMEMS-ACC-8g: acelerómetro do tipo MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).
Medimos o deslocamento da base através de um transdutor laser optoNCDT 1420-500, garantindo elevada precisão de medição.
A aquisição de dados foi realizada com:
dois dispositivos Dewesoft KRYPTON-4xACC, sistemas robustos e distribuídos de aquisição de dados EtherCAT dedicados a sensores IEPE,
um dispositivo Dewesoft KRYPTON-3xSTG, sistema robusto e distribuído de aquisição de dados EtherCAT dedicado a extensómetros, potenciómetros, sensores de deslocamento e outros,
três adaptadores Dewesoft DSI-0,16ACC,
cinco dispositivos IOLITEi-3xMEMS-ACC-8g, unidades integradas de aquisição de dados com acelerómetros MEMS triaxiais,
cinco sensores IEPE PCB 393A03, acelerómetros com sensibilidade de 1 V/g,
Submetemos a estrutura a excitação mecânica através de ondas de frequência única, de forma a obter informação detalhada sobre a sua capacidade de absorver cargas dinâmicas. A natureza deste ensaio também oferece vantagens na análise da qualidade da resposta dos transdutores no domínio da estrutura.
Objetivos da análise
Este estudo teve dois objetivos bem definidos:
O primeiro consistiu em identificar a instrumentação de acelerómetros mais adequada para fornecer um sinal coerente com o obtido pelo sensor de deslocamento a laser. A fidelidade deste sinal é avaliada em função da resposta temporal dos transdutores, gerando ondas mecânicas de frequência única (harmónicas).
O objetivo final diz respeito ao estudo do comportamento elástico-plástico do modelo estrutural à medida que variam os elementos estruturais que o caracterizam.
Tecnologias de acelerómetros
Passaram-se algumas décadas desde que a geotecnia introduziu os geofones (velocímetros) no campo da análise dinâmica. Atualmente, foram ultrapassados os problemas de desfasamento de fase do sinal impostos pela ressonância dos velocímetros. Os acelerómetros, menos sensíveis, mas muito mais fiáveis na resposta em fase devido à sua maior frequência de ressonância, passaram a ser utilizados.
Este projeto permitiu compreender a importância da análise da resposta em fase do sinal, não apenas em função da natureza ressonante do sensor, mas também da aplicação de filtros ao sinal.
A fidelidade de um sinal gerado por um sistema de aquisição diz respeito ao módulo e à fase. O módulo indica a intensidade da onda reconstruída. A fase corresponde à resposta temporal do sensor ao evento. Ambos os sensores utilizados geram sinais com elevada fidelidade de módulo e fase. No entanto, surge um fator não negligenciável na cadeia de processamento de dados associado a uma das duas tecnologias.
O sinal elétrico gerado pela tecnologia piezoelétrica é, por natureza, bastante atenuado. Resulta do movimento das cargas elétricas na superfície do cristal à medida que variam as forças mecânicas de compressão aplicadas. Para utilizar este sinal, é necessário amplificá-lo, aumentando o número de cargas sujeitas ao deslocamento imposto pelas compressões mecânicas do cristal.
Para isso, sobrepõe-se a alimentação elétrica à linha de sinal, enriquecendo o cristal com um excesso de cargas e obtendo um sinal mais amplo. Contudo, este processo introduz uma tensão de offset. Para eliminar essa tensão, é necessário aplicar um filtro passa-alto (HP), geralmente a 0,5 Hz.
Este filtro tem consequências negligenciáveis se a banda de frequência analisada for superior a 1 Hz. No entanto, se as estruturas forem estudadas de forma contínua em todo o espectro até à componente DC, a situação torna-se significativamente diferente.
A alteração do sinal segue tendências diferentes para o módulo e para a fase à medida que varia a ordem do filtro. A teoria indica uma atenuação do módulo de -20 dB por década para cada ordem do filtro, enquanto a fase sofre uma variação de -90° por cada ordem adicional. Este último aspeto não é negligenciável, pois, com uma ordem seis, obtém-se um desfasamento de fase de 540°.
É assim possível compreender como o sinal gerado pelo sensor IEPE e posteriormente tratado por um filtro passa-alto sofre influências significativas. Por outro lado, a tecnologia MEMS não requer um filtro para o processamento do sinal e não apresenta estes problemas.
Características dos sensores
| Modelo | PCB 393A03 | Dewesoft IOLITEi-3xMEMS-ACC-8g |
| Tipo | IEPE - Eletrónica Integrada Piezoelétrica | MEMS - Sistemas Microeletromecânicos |
| Frequência de ressonância | > 55 kHz | 2.4 kHz |
| Largura de banda | 7 kHz | 1.5 kHz |
| Filtros aplicados | HP (~0.5Hz) | Nenhum |
Desfasamento de fase, o papel fundamental dos MEMS
O efeito da atenuação e do desfasamento de fase do sinal gerado pelo sensor IEPE é visível nos gráficos abaixo, ver Figura 9. Através do diagrama de Bode do filtro passa-alto, observámos como a atenuação e a fase variam em função da frequência considerada, ver Figura 8.
Realizámos ensaios submetendo o modelo estrutural a ondas mecânicas de frequência única. Este método permitiu-nos obter uma visão detalhada dos efeitos de atenuação e desfasamento de fase provocados pelo filtro passa-alto do sensor IEPE, que foram significativos a 0,25 Hz e se tornaram negligenciáveis por volta de 1 Hz.
As Figuras 9 a 13 apresentam a atenuação do sinal e o desfasamento de fase gerados pelos três tipos de sensores. Os sinais apresentados são os seguintes:
Roxo, acelerómetro IEPE
Laranja, acelerómetro MEMS
Magenta, sensor de deslocamento a laser
Resultados, comportamento a baixas frequências
Num ensaio elástico-plástico, é possível dividir as deformações na estrutura em duas fases principais, a fase elástica e a fase plástica.
Na fase elástica, a deformação é reversível e linear em relação à carga aplicada, seguindo a lei de Hooke. No entanto, quando se ultrapassa o limite de cedência do material, ocorre a transição para a fase plástica, e as deformações tornam-se permanentes e irreversíveis.
Durante os ciclos força-deslocamento nestas condições, observa-se frequentemente uma alteração na inclinação e na forma. O material ou a estrutura apresenta comportamento histerético, ou seja, a relação entre a tensão aplicada e a deformação resultante não é única. Isto significa que a resposta da estrutura depende não só do valor atual da tensão aplicada, mas também do seu histórico de carregamento e deformação.
Este fenómeno pode ter implicações significativas no projeto e na análise de estruturas, afetando a sua capacidade de suportar cargas repetidas ao longo do tempo sem sofrer danos permanentes ou falhas estruturais. Compreender e caracterizar o comportamento histerético dos materiais e das estruturas é essencial para garantir a segurança e a fiabilidade das aplicações de engenharia.
Este ensaio evidenciou uma alteração do ciclo de histerese. Esta alteração não resultou da estrutura, mas sim do diferente processamento de sinal dos dois tipos de sensores. O sinal do sensor IEPE foi atenuado e apresentou desfasamento devido ao filtro passa-alto na cadeia de processamento de dados. Por outro lado, o sensor MEMS gerou um sinal em fase com o sensor de deslocamento a laser, sem variações de módulo e fase.
Conclusão
Ao considerar acelerómetros MEMS e IEPE para a aquisição de vibrações em ensaios de comportamento elastoplástico de estruturas, é necessário ter em conta o impacto do filtro passa-alto dos acelerómetros IEPE. Trata-se de um elemento que pode levar à perda de informação a baixas frequências.
Nesta aplicação, os sensores MEMS oferecem elevada precisão e excelente resolução, permitindo detetar até pequenas variações de aceleração em frequências muito baixas. Apesar de também serem precisos, os acelerómetros IEPE podem apresentar menor precisão na proximidade da componente contínua do espectro de frequência, devido aos efeitos do filtro passa-alto.
Os acelerómetros IEPE podem alterar o ciclo de histerese devido ao efeito do filtro passa-alto. Por isso, podem não ser ideais para ensaios que exigem máxima precisão na caracterização do comportamento elastoplástico de estruturas, especialmente quando é crucial captar com exatidão variações a baixas frequências.
Em síntese, ambos os tipos de sensores apresentam vantagens e limitações. No entanto, é importante considerar o impacto do filtro passa-alto dos acelerómetros IEPE quando a precisão a baixas frequências é determinante para o ensaio.
Pode optar por acelerómetros MEMS ou adotar estratégias de compensação para mitigar o efeito do filtro passa-alto dos acelerómetros IEPE. A consideração cuidadosa destes fatores é essencial para a seleção adequada dos sensores, de acordo com os requisitos específicos de cada teste.
Pelos materiais fornecidos, agradecimentos a:
Eng. Domenico Pagano
Artigos externos adicionais sobre ciclos de histerese:
Modelação de histerese em estruturas de betão armado, estado da arte: Sengupta, Piyali; Li, Bing
Modelação do comportamento não linear sob cargas cíclicas de paredes de corte compósitas aço-betão em forma de I para centrais nucleares: Ahmer Ali, Dookie Kim, Sung Gook Cho