quinta-feira, 16 de julho de 2009

Acelerômetro Piezoelétrico


O transdutor que, atualmente, é usado quase que universalmente para medir a vibração é o Acelerômetro Piezoelétrico. Esse aparelho apresenta características gerais superiores às de qualquer outro tipo de transdutor de vibração. Possui gamas dinâmicas e de frequência muito amplas, com boa linearidade em todas as faixas. É relativamente robusto e de confiança, de modo que suas características se mantêm estáveis por muito tempo.

Além disso, o Acelerômetro Piezoelétrico é auto-gerador, de modo que não necessita de uma fonte de energia externa. Não tem peças móveis, que se desgastem e, finalmente, sua saída proporcional a aceleração pode ser integrada de modo a fornecer sinais proporcionais à velocidade e ao deslocamento.

O segredo de um acelerômetro piezoelétrico é uma pastilha de material piezoelétrico, geralmente um pedaço de cerâmica artificialmente polarizado, que apresenta o efeito piezoelétrico típico. Quando submetido à pressão mecânica, quer por tensão, compressão ou cisalhamento, gera uma carga elétrica nas faces, a qual é proporcional à força aplicada.

CONFIGURAÇÕES PRÁTICAS DE ACELERÔMETRO

Na configuração prática de um acelerômetro, o elemento piezoelétrico é disposto de tal forma que, quando o conjunto sofre vibração a massa aplica uma força ao elemento piezoelétrico, a qual é proporcional à aceleração vibratória. Esse fenômeno pode ser explicado pela Lei da Física:

Força = Massa x Aceleração

Para as freqüências situadas bem abaixo da faixa de ressonância do sistema completo de mola-massa, a aceleração da massa será a mesma que a aceleração da base, e a magnitude do sinal de saída será proporcional à aceleração à qual o transdutor for submetido.

Duas configurações são comumente usadas:

O tipo Compressão, em que a massa exerce uma força compressora sobre o elemento piezoelétrico, e
O tipo Cisalhamento, em que a massa exerce uma força de corte sobre o elemento piezoelétrico.

TIPOS DE ACELERÔMETRO

A maioria dos fabricantes tem uma ampla linha de acelerômetros, o que à primeira vista até dificulta a escolha certa. Porém, um pequeno grupo de tipos “de aplicação geral” atendem à quase totalidade dos casos. Apresentam-se com tomadas localizadas no topo ou lateralmente, sendo sua sensibilidade de 1 a 10 mV ou pC por m/s2. Os tipos Uni-Gainâ, da Brüel & Kjaer, tem sua sensibilidade padronizada a um “valor inteiro”, para maior conveniência, indo de 1 a 10 pC por m/s2, simplificando assim a calibragem ou ajuste do aparelho de medição.
Os demais acelerômetros tem características voltadas para uma determinada finalidade. Por exemplo, acelerômetro de pequeno porte, destinados a medições de alto nível ou de frequência elevada, bem como para aplicação em estruturas delicadas, painéis, etc., pesando apenas de 1/2 a 2 gramas.
Outros tipos especiais são destinados a: medição simultânea em três planos perpendiculares entre si; altas temperaturas; níveis muito baixos de vibração; choques de alto nível; calibração de outros acelerômetros por comparação, e para o monitoramento de máquinas industriais.

CONSIDERAÇÕES SOBRE A FAIXA DE FREQUÊNCIA DE UM ACELERÔMETRO

Os sistemas mecânicos costumam ter a maior parte de sua energia vibratória continua numa faixa de freqüência relativamente estreita que vai de 10 Hz a 1000 Hz, porém as medições geralmente são feitas até um nível de, digamos, 10 Hz, mesmo porque é comum haver componentes de vibração interessantes nessas altas freqüências. Por conseguinte, deve-se ter a certeza, ao escolher um acelerômetro, de que a faixa de freqüência do aparelho realmente abrange a faixa que interessa.
Na prática, a faixa de frequência na qual o acelerômetro fornece a saída real é limitada no lado de baixa frequência por dois fatores. O primeiro é o limite inferior de corte de frequência do amplificador que o segue. Normalmente, isso não constitui problema porque esse limite geralmente é bem inferior a 1 Hz. O outro fator é o efeito das oscilações da temperatura ambiente às quais o acelerômetro é sensível. Com os modernos acelerômetros do tipo de cisalhamento, esse efeito é reduzido ao mínimo, permitindo medições até abaixo de 1 Hz em ambientes normais.
O limite superior é determinado pela freqüência de ressonância do sistema de massa-mola do próprio acelerômetro.
Via de regra, se ajustarmos o limite superior de frequência a 1/3 da faixa de frequência de ressonância do acelerômetro, teremos certeza que os componentes de vibração medidos no limite superior de freqüência estarão numa faixa de erro inferior a +12%.
No caso de acelerômetros pequenos, em que a massa é reduzida, a freqüência de ressonância pode ser até 180 kHz. Já para os aparelhos um pouco maiores, de saída mais alta e uso geral, as freqüências de ressonância de 20 a 30 kHz são comuns.

COMO EVITAR ERROS PROVENIENTES DA RESSONÂNCIA DO ACELERÔMETRO

Uma vez que o acelerômetro normalmente apresenta um aumento de sensibilidade no limite superior da faixa de freqüência devido à sua própria ressonância, o resultado não oferece uma representação fiel da vibração no ponto examinado, quando ocorrer nessas altas frequências.
Ao se analisar a frequência de um sinal de vibração, pode-se facilmente admitir que um pico de alta frequência é causado pela ressonância do aparelho e, portanto, pode-se ignorá-lo. Todavia, se fizermos uma leitura de toda a faixa de ressonância, teremos resultados totalmente imprecisos se, ao mesmo tempo, a vibração a ser medida também tiver componentes na região próxima da própria ressonância.
Este problema é superado escolhendo-se um acelerômetro que tenha uma gama de freqüência mais ampla possível e usando-se um filtro passa-baixos, o qual normalmente já é incluído em medidores, e pré-amplificadores de vibração, para eliminar os sinais indesejáveis causados pela ressonância do acelerômetro.
Quando a medição se restringe a baixas frequências, os efeitos da alta freqüência de vibração e da ressonância do acelerômetro podem ser eliminados por meio de filtros mecânicos. Estes consistem de um material elástico, normalmente borracha, preso entre dois discos de montagem. Esses amortecedores naturalmente reduzem o limite superior de freqüência na ordem de 0,5 kHz a 5 kHz.

ESCOLHA DA POSIÇÃO PARA MONTAGEM DO ACELERÔMETRO

O acelerômetro deve ser montado de modo que a direção ou sentido de medição coincida com o seu eixo principal de sensibilidade. Os acelerômetros também são ligeiramente sensíveis às vibrações no sentido transversal, porém isso normalmente pode ser deixado de lado visto que a sensibilidade transversal geralmente é menor que 1% da sensibilidade principal.
A razão para se medir a vibração num objeto deve determinar a posição do ponto de medição. Por exemplo, na carcaça do mancal no desenho, as medidas de aceleração estão sendo usadas para controlar as condições de funcionamento do eixo e do mancal. O acelerômetro, nesse caso, deve ser colocado de forma a manter uma transmissão direta da vibração procedente do mancal.
O acelerômetro A, portanto, detecta o sinal de vibração do mancal, a qual predomina sobre as vibrações procedentes de outras partes da máquina. Contudo, o acelerômetro B capta a vibração do mancal provavelmente modificada pela transmissão através de uma junta, misturadas com sinais vindos de outras peças da máquina. Da mesma forma, o acelerômetro C está colocado numa posição mais direta do que o acelerômetro D.
A outra questão é saber: em que sentido se deve medir? É possível estabelecer uma regra, mas, como exemplo do mancal citado, pode-se obter valiosas informações efetuando-se medidas, tanto no sentido axial como em um dos sentidos radiais, geralmente naquele que, se espera que tenha maior rigidez.
A reação de objetos mecânicos às vibrações forçadas constitui um fenômeno complexo de modo que se pode esperar, especialmente nas altas freqüências, encontrar níveis de vibração e um aspecto de frequência bem diferentes, mesmo medindo pontos adjacentes num mesmo elemento da máquina examinada.

MONTAGEM DO ACELERÔMETRO

O método de montagem do acelerômetro no ponto a ser medido constitui um dos fatores mais delicados para se obter resultados exatos na prática. Uma colocação mal feita resulta numa diminuição da frequência útil do acelerômetro. O ideal é fazer a montagem com um pino rosqueado, ou parafuso, preso a uma superfície plana, lisa, ou conforme é mostrado na figura. Uma fina camada de graxa aplicada à superfície de montagem antes de fixar o acelerômetro normalmente ajuda a aumentar a firmeza da montagem. O furo rosqueado na peça da máquina deve ter a profundidade adequada para o parafuso não atingir a base do acelerômetro. O desenho mostra uma curva da resposta de um acelerômetro de aplicação geral, montado com um pino de fixação sobre uma superfície plana. A frequência de ressonância é quase tão elevada quanto a frequência de ressonância de 32 kHz, obtida mediante calibração no ponto onde a superfície de montagem é complemente plana e lisa.
Uma alternativa muito usada no método de montagem é a utilização de uma leve camada de cera de abelha para grudar o acelerômetro no lugar. Como se pode ver pela curva de resposta, a freqüência de ressonância é ligeiramente reduzida (para 29 kHz). Pelo fato da cera de abelha amolecer em temperaturas mais elevadas o método fica condicionado a uma temperatura máxima de cerca de 40oC no ponto de medição. Quando as superfícies estão totalmente limpas, a fixação com cera de abelha é aplicável em níveis de aceleração de até 100 m/s2.
Quando, em uma máquina, devem ser estabelecidos pontos permanentes de medição e não se deseja perfurar nem fazer roscas nem furos de fixação, pode-se usar pinos cimentados. Estes são fixados ao ponto de medição por meio de cola dura. Recomenda-se os tipos epoxy e cianoacrilato, pois as colas moles podem reduzir consideravelmente a faixa útil de freqüência do acelerômetro.
São usados também uma arruela de mica e pino isolado quando o corpo do acelerômetro deve ser eletricamente isolado do objeto de medição. Isto normalmente é para evitar erros da terra, porém outras informações a respeito serão dadas no parágrafo “Influências Ambientais”. Uma lasca fina deve ser tirada da arruela de mica espessa que é fornecida. Este método de fixação produz bons resultados, sendo que apenas fica reduzida a freqüência de ressonância do acelerômetro de teste, a cerca de 28 kHz.
Um imã permanente é um método simples de fixação, quando se trata de um ponto de medição que é uma superfície magnética plana. Além disso, ele isola também o acelerômetro. Este método reduz a freqüência de ressonância do acelerômetro de teste para cerca de 7 kHz e, conseqüentemente, não pode ser usado para medições de freqüência muito superiores a 2 kHz. A força de fixação do imã é suficiente para níveis de vibração de até 1000 a 2000 m/s2, dependendo do tamanho do acelerômetro.
Um ensaio feito com o acelerômetro fixado com a mão, é muito conveniente para um trabalho em que se queira ter uma inspeção rápida, mas podem ocorrer erros graves de medição, por causa da pouca estabilidade. Não se pode esperar obter resultados que possam ser repetidos. Deve-se usar um filtro passa-baixo, para limitar a faixa de medição a cerca de 1000 Hz.
CALIBRAÇÃO DO ACELERÔMETRO

Todo acelerômetro Brüel & Kjaer é calibrado na fábrica sendo acompanhado pelo relatório completo da calibração. Quando os acelerômetros são guardados e utilizados dentro de seus limites, ou seja: quando não são submetidos a choques excessivos, nem temperaturas ou doses de radiação exageradas, etc., as suas características permanecerão praticamente imutáveis durante um longo período de tempo. Os ensaios tem demonstrado que a alteração das características é inferior a 2%, mesmo após vários anos de uso.
Todavia durante o uso normal, os acelerômetros, são algumas vezes submetidos a tratamento bastante violento, que pode resultar em mudança sensível de suas características e até mesmo em avaria permanente. Se cair da mão de uma pessoa, sobre uma superfície de concreto, o acelerômetro pode sofrer um choque de milhares de g. É aconselhável, portanto, proceder a uma calibração periódica de sua sensibilidade. Isto geralmente é suficiente para confirmar que o acelerômetro não sofra danos irreparáveis.

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