Un acelerómetro es un sensor que convierte la información de aceleración en señales eléctricas. Generalmente consta de un bloque de masa, un mecanismo de amortiguación, un cuerpo elástico, un elemento sensor y componentes de depuración.
Principio
Durante la aceleración del sensor y del objeto que se está midiendo, se mide la fuerza inercial que actúa sobre el bloque de masa y el valor de aceleración se calcula utilizando la fórmula a=FMa = \frac{F}{M}a=MF (segunda ley de Newton).
Tipos (según elementos sensores)
- Acelerómetro piezoeléctrico
- Acelerómetro capacitivo
- Acelerómetro de galgas extensométricas
- Acelerómetro piezoresistivo
- Acelerómetro inductivo
- Servoacelerómetro
Acelerómetro piezoeléctrico
Acelerómetro piezoeléctrico (Acelerómetro piezoeléctrico):
Principio: Utiliza el efecto piezoeléctrico de la cerámica piezoeléctrica o los cristales de cuarzo. Cuando el acelerómetro se mueve, la fuerza aplicada por el bloque de masa al elemento piezoeléctrico cambia, provocando que la cerámica piezoeléctrica o el cristal de cuarzo se deformen y generen una señal eléctrica. Esta señal eléctrica es proporcional a la aceleración e indica cambios en esta. Nota: La frecuencia de vibración del objeto medido debe ser mucho menor que la frecuencia de resonancia del acelerómetro.
Ventajas : Alta sensibilidad, alta relación señal-ruido, amplio rango dinámico, amplio rango de frecuencia, estructura simple, fácil instalación, larga vida útil.
Desventajas : Alta frecuencia de resonancia, susceptible a interferencias de sonido; alta impedancia de salida, señal de salida débil, requiriendo circuitos de amplificación para su detección.
Perfil de acelerómetro IEPE de tipo cizalla piezoeléctrica
Acelerómetro capacitivo MEMS
Acelerómetro capacitivo (acelerómetro capacitivo variable):
Principio: Basado en el principio de capacitancia, donde la distancia entre los electrodos varía. Un electrodo es fijo, mientras que el otro es un diafragma flexible. Bajo la acción de fuerzas externas (p. ej., presión de aire o presión hidráulica), el diafragma se mueve, lo que provoca un cambio en la capacitancia. Este tipo de sensor puede medir la velocidad de vibración (aceleración) en el flujo de aire o líquido, así como la presión.
Acelerómetro capacitivo variable MEMS:
Principio: El elemento sensible está compuesto por tres obleas de silicio monocristalino unidas entre sí. Las obleas superior e inferior forman dos electrodos fijos, mientras que la oblea central, grabada químicamente para formar una membrana flexible que soporta una masa central rígida, actúa como elemento sensible. El grosor de la membrana determina el alcance del sensor. La membrana tiene pequeños orificios grabados. A medida que la membrana se mueve con la masa, el aire fluye a través de los orificios, lo que proporciona una fuerza de amortiguación. El cambio de capacitancia genera una variación de corriente que indica la aceleración.
Ventajas : Buenas características de baja frecuencia, alta sensibilidad, excelente adaptabilidad ambiental, mínimo efecto de la temperatura. Adecuado para medir aceleraciones dinámicas y en estado estacionario, mediciones de baja G de baja frecuencia y tolerancia a choques de alta G.
Desventajas : Relación de entrada-salida no lineal, alta impedancia de salida, poca capacidad de carga, significativamente afectado por la capacitancia del cable.
Aplicaciones : Pruebas de aceleración y desaceleración en ascensores, pruebas de vibración en aeronaves, pruebas de lanzamiento y vuelo de naves espaciales, irreemplazables en campos como airbags y dispositivos móviles.
Acelerómetro de galgas extensométricas
Acelerómetro de galgas extensométricas:
Principio: El bloque de masa se fija en un extremo de una viga voladiza, mientras que el otro extremo se fija a la base del sensor. Ambos lados de la viga voladiza están unidos mediante galgas extensométricas, formando un puente de Wheatstone. El entorno del bloque de masa y la viga voladiza se llena con un líquido amortiguador (p. ej., aceite de silicona) para generar la fuerza de amortiguación necesaria. El movimiento del objeto medido provoca el movimiento del sensor, y la base transmite el movimiento al bloque de masa a través de la viga voladiza. La fuerza de inercia deforma la viga voladiza, provocando un cambio en la resistencia de las galgas extensométricas. Bajo excitación constante, el puente de Wheatstone genera una señal de salida de voltaje proporcional a la aceleración, que indica el valor de la misma.
Ventajas : Alta precisión, amplio rango de medición, estructura simple, buena respuesta de frecuencia, fácil miniaturización e integración.
Desventajas : Gran no linealidad para altas deformaciones, señal de salida débil que requiere compensación; una mayor precisión de medición conduce a una mayor fragilidad.
Acelerómetro piezoresistivo
Acelerómetro piezoresistivo MEMS:
Principio: Basado en el efecto piezoresistivo de los materiales semiconductores (silicio monocristalino), los componentes centrales (bloque de masa, viga voladiza y soporte) se graban a partir de una oblea de silicio monocristalino y las resistencias se difunden en la base de la viga voladiza para formar un puente de Wheatstone.
Ventajas : Baja impedancia de salida, alto nivel de señal de salida, bajo ruido intrínseco, baja sensibilidad a interferencias electromagnéticas y electrostáticas, fácil acondicionamiento de señal; mínima deriva de cero bajo alta aceleración de choque; amplia banda de frecuencia.
Desventajas : Baja sensibilidad, efectos significativos de temperatura.
Aplicaciones : Integrado en varios circuitos analógicos y digitales, ampliamente utilizado en medición de vibraciones y choques, estudios de vibración, etc., como pruebas de choques automotrices, equipos de prueba y monitoreo de vibraciones.
Acelerómetro inductivo
Medición con acelerómetro inductivo:
Principio: Basado en la inducción electromagnética, el bloque de masa del sensor se mueve dentro de una bobina, cambiando la autoinducción o inductancia mutua de la bobina, que luego es convertida en un cambio de voltaje o corriente por el circuito de medición, indicando cambios en la aceleración.
Ventajas : Estructura simple, operación confiable, alta precisión de medición, punto cero estable, potencia de salida relativamente alta.
Desventajas : La sensibilidad, la linealidad y el rango de medición son interdependientes; la resolución del sensor está relacionada con el rango de medición. Un rango de medición amplio resulta en una resolución menor, y viceversa; requiere una alta estabilidad de la frecuencia y la amplitud de excitación; la respuesta de frecuencia del sensor es baja, lo que lo hace inadecuado para mediciones dinámicas de alta velocidad.
Servoacelerómetro
Servoacelerómetro:
Principio: El sistema de vibración del sensor consiste en un sistema "mk", similar a un acelerómetro estándar, pero con una bobina electromagnética conectada al bloque de masa. Al aplicar aceleración a la base, el bloque de masa se desvía de su posición de equilibrio. Este desplazamiento es detectado por un sensor de desplazamiento, amplificado por un servoamplificador y convertido en una corriente de salida. Esta corriente fluye a través de la bobina electromagnética en un campo magnético permanente, generando una fuerza de recuperación que intenta devolver el bloque de masa a su posición de equilibrio original, operando en bucle cerrado.
Ventajas : Un sistema de pruebas de bucle cerrado con excelente rendimiento dinámico, amplio rango dinámico y buena linealidad. La retroalimentación mejora la resistencia a las interferencias, mejora la precisión de la medición y amplía el rango de medición. La tecnología de servoacelerómetro se utiliza ampliamente en sistemas de navegación y guiado inercial, así como en la medición y calibración de vibraciones de alta precisión.
Desventajas : Alto costo.
Indicadores técnicos
Los indicadores operativos principales de los sensores se dividen en Respuesta Efectiva y Respuesta Espuria .
Respuesta efectiva : Respuesta del sensor en la dirección del eje sensible debido a la vibración mecánica o impacto. Esta respuesta es necesaria para una medición fiable de datos.
Respuesta espuria : La respuesta del sensor causada por otros factores físicos presentes durante la medición de vibraciones o impactos mecánicos. Esta respuesta interfiere con la medición correcta y es indeseable.
Respuesta efectiva Principales indicadores técnicos : Sensibilidad, respuesta amplitud-frecuencia y respuesta fase-frecuencia; no linealidad.
Respuesta espuria Indicadores técnicos principales : Respuesta de temperatura, sensibilidad a la temperatura transitoria, sensibilidad transversal, sensibilidad al movimiento rotacional, sensibilidad a la deformación de la base, sensibilidad magnética, sensibilidad al torque de instalación y respuesta a entornos especiales.
Selección de sensores
El enfoque principal se centra en los siguientes indicadores:
- Tipo de sensor
- Rango
- Sensibilidad
- Ancho de banda de respuesta de frecuencia
- Peso
