Valner Brusamarello – UFRGS - 2012

Acelerometria

Movimento Linear vs. oscilatório

Detroit

35 Miles

Speed

limit

65 MPH

TEST 0-60 MPH

in 8.6 second

D

Tempo

Deslocamento

Tempo

Tempo

Velocidade

Aceleração

V

A

F = c × v

Parametros Mecânicos e Componentes

Velocidade Deslocamento Aceleração

d v a

k

c

m

m

F = k × d F = m × a

mola amortecedor massa

Se expostos a uma força constante, reagem com um deslocamento, velocidade ou aceleração constante

Vibração livre não amortecida (Massa mola)

D

d = D sinnt

m

k

T

Time

Deslocamento

Frequência 1 T

Período, Tn em [s]

Frequência, fn= em [Hz = 1/s] 1 Tn

Deslocamento

k

m n= 2 fn =

Frequência natural de um sistema massa mola

(primeiro grau)

A frequência natural desse sistema (não amortecido) é:

Efeito de mudança da massa

time

m1

m

Incrementando a massa

reduz a frequencia

1

nmm

k2

nf

Massa, mola e amortecedor

Incrementando amortecimento reduz

a amplitude

tempo

m

k c1 + c2

Vibração humana

Frequência de Ressonância de partes do corpo humano

Olho, estrutura Intraocular (20-90 Hz)

Cabeça (modo axial) (20-30 Hz)

Ombros (4-5 Hz)

Peito (50-100 Hz)

Braço (5-10 Hz)

Mão (30-50 Hz)

Massa abdominal (4-8 Hz)

Coluna (modo axial) (10-12 Hz)

Pode-se perceber que a massa abdominal vibrando aproximadamente a 5 Hz provoca náusea e deve ser evitada no projeto de automáveis.

Pilotos de jatos tem problemas com uma manobra em particular quando o olho entra em ressonância.

Máquinas e vibrações (área do )

Forças e Vibração

891875

Vibração + = Forças de entrada

Resposta do sistema

Forças causadas por

Desbalanços

Choques mecânicos

atrito

Acústica

parâmetros

estruturais:

Massa

Rigidez

Amortecimento

+ =

Parameters de

vibração:

Aceleração

Velocidade

Deslocamento

Frequencia Frequencia Frequencia

Condição da máquina monitorada por vibração

Vibração em um coletor de energia eólica

Vibração de pontes

Vibração estrutural

Interação do fluído com a

estrutura

Detecção de possíveis

problemas

Exemplos de colapsos de pontes

Tacoma Narrows Bridge

http://www.youtube.com/watch?v=P0Fi1VcbpAI

Minnesota Bridge

http://www.youtube.com/watch?v=nerQhIyOwxM&feature=related

(lembrete: está na pasta da disciplina)

Vibração em um automóvel - Amortecedor automotivo

Sabemos que o amortecedor nos protege da vibração de 5Hz, (na

caixa abdominal) dissipando energia.

msxs

ks cs

xumu

kt u

u = road profile input

kt = tire spring constant

mu = unsprung mass

xu = displacement of unsprung mass

ks = suspension spring constant

cs = suspension damping constant

ms = sprung mass

xs = displacement of sprung mass

Energy harvesting – monitoramento de condições

de uma ponte com energia coletada apenas da

vibração da mesma.

http://www.intelligent-systems.info/bridge.htm

AmbioMote a product manufactured and sold by AmbioSystems under a

license from Clarkson University

Acústica

Som é causado por vibração, assim a ciência que estuda o som (acústica) e

vibrações estão relacionados

Se você é músico ou apenas gosta de música (e especialmente denominado

audiófilo), você já deve ter olhado para a vibração dos alto falantes sabe as

diferenças que são refletidas junto com os preços.

Geralmente é a resposta em baixas frequências que elevam os preços.

Experimentos fascinantes são feitos com som. Por exemplo: procure por

“concrete enclosure speakers ” na internet.

Som e ser humano (alguns são música e outros

são ruído)

Tipos de acelerômetros

Resistivos

Extensômetros de resistência elétrica

Piezoresistivo

Micromachined (MEM)

Filmes finos

Capacitivos

Fibras ópticas

Piezoelétricos

Tipos de acelerômetros

Princípio de operação:

resistivo

Tensão de saída da ponte

resistiva muda

proporcionalmente com

a aceleração aplicada

+ Power - Signal + Signal - Power

Mass

Sensing Resistor #1

Flexure

Sensing Resistor #2

Fixed Resistors

Tipos de acelerômetros

Princípio de operação:

capacitivo

Utiliza técnica de

modulação na

frequência por meio

da variação

capacitiva

Power Signal Ground

Mass

Sensing Capacitor #1

Built-In Electronics Fixed Capacitors ~

Sensing Capacitor #2

Flexure

Insulator

Insulator

Tipos de acelerômetros

Resistivo / Capacitivo

Características típicas

Medem frequências baixas, próximas de 0 Hz (DC response)

Faixa dinâmica limitada (<80 dB = 10,000:1)

Faixa de alta frequência limitada (<10 kHz)

Geralmente apresentam resposta em freqûência amortecida (0.7% of

critical)

Sensibilidade pode variar com a alimentação de entrada (mV/g/V)

Tradicionalmente frágil (poteção a choques mecânicos limitada)

Opera com vários cabos condutores (no mínimo 3 cabos)

Versões Micro-machined pequenas e com baixo peso.

Custos variam de acordo com a performance ($10 to $1000 USD)

Tipos de acelerômetros

Resistivo / Capacitivo

Aplicações

Baixas frequências e eventos de longa duração

Aplicações generalizadas:

Automotivos

Diversão em jogos e brinquedos

Movimento do elevador

Simuladores de movimento

Análise da estrutura modal de aviões

Detectores de colisão

Sensores de inclinação

Airbags

Tipos de acelerômetros

Fiber Optic Operating Principle

A quantidade de luz recebida pelos receptores é proporcional a

aceleração aplicada. Power Signal Ground

Mass

Transmitter

Built-In Electronics

Receiver

Flexure Flexure

Receiver

Reflective Surface

Tipos de acelerômetros

Fibra óptica

Characterísticas e aplicações similares aos dos sensores resistivo e

capacitivo

Características adicionais

Possibilidade de eletrônica estar localizada remotamente.

Operação em alta temperatura - 1000 F (537 C)

Cabos transmites apenas luz, eliminando possibilidades de

interferências EM

Tradicionalmente , perdas de luz em cabos longos assim como

conexões ópticas devem ser consideradas

Sensores, cabos, condicionadores caros

Tipos de acelerômetros

Princípio de operação por Servo ou força de equilíbrio

A força de realimentação para manter a capacitância uniforme é

proporcional a aceleração Power Signal Ground

Flexure

Coil Magnetic

Mass

Capacitance Gap

Stationary

Support

Feedback Power Amplifier

Insulator

Sensing Amplifier

Tipos de acelerômetros

Cristal ressonante

Diferença da frequência de ressonância entre os elementos é proporcional a

aceleração aplicada

Power Signal Ground

Flexure

Frequency Tracking Amplifiers

Inverting Amplifier

Vibrating Crystal #2

Mass

Mass

Vibrating Crystal #1

Flexure

Tipos de acelerômetros

Force Balance / Vibrating Quartz

Características típicas

Mede frequências baixas próximas de 0 Hz (DC response)

Larga faixa dinâmica (>120 dB = 1,000,000:1)

Extremamente estável com tempo e temperatura (ppm)

Frequência alta limite (<1 kHz)

Baixa capacidade de “sobreviver ” a sobrecargas (<100 g’s)

Force balance pode exibir grande sensibilidade magnética

Muito caro (~$1000 USD)

Tipos de acelerômetros

Piezoelétrico

A força nos cristais piezoelétrico gera carga elétrica proporcional a

aceleração Signal/Power Ground

Base

Voltage or Charge Amplifier

Preload Ring

Mass

Piezoelectric Crystal

Piezoelectric Materials

Materiais Piezoelétricos

Polarizados artificialmente

Piezofilmes

Feitos de polímeros especiais - PVDF

Piezocerâmicas

Lead Zirconate Titanate (PZT)

Bismuth Titanate

Projeto mecânico

Elemento sensor Piezoelétrico

O mecanismo de transdução mecânica é tão importante

quanto a seleção do material piezoelétrico

A chave é projetar o sensor para medir apenas o

parâmetro de interesse , buscando minimizar os

efeitos de condições ambientais externas.

Tipos

Modo de Compressão

Modo de flexão

Modo de cisalhamento

Projeto mecânico

Modo de cisalhamento

Projeto mais comum baseado na performance geral

Preload Ring Seismic

Mass

Center

Post

Signal (+)

Optional Built-In

Electronics

Ground (-)

Piezoelectric

Crystal

(d26-Quartz)

(d15-Piezoceramic)

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

+

Tipos de acelerômetros

Piezoeléctrico

Características típicas

Eventos dinâmicos apenas (>0.2 Hz)

Larga faixa dinâmica (>100dB = 100,000:1)

Banda larga (<1 Hz to >10 kHz)

Estado sólido (sem partes móveis)

Não requer alimentação no sensor (sensor ativo)

Opera com dois condutores

Suporta altas acelerações (5,000 g’s)

Versões para altas temperaturas - 1000 F (537 C)

Métodos de Calibração

Método Absoluto

Um canal de teste onde o sensor é submetido a uma conhecida, precisa e confiável medida de “a”

Teste de queda

Teste de inversão de gravidade

Shaker

Test

Sensor

Amplifier,

Attenuator,

Filter, Etc...

Voltmeter,

Analyzer,

Scope, Etc...

Known

Measure of

“a”

Métodos de Calibração

Teste de queda

O acelerômetro é colocado em queda livre na gravidade

da terra, a qual varia em +/-0.5% em volta do globo

Signal Out Accelerometer

Mounting

Mass

Flexible

Monofilament Line

Elastic Suspension

Cords

Impact Force Fixed

Supports

Earth’s Gravity

0 Deg Latitude: 9.78 m/s2

90 Deg Latitude: 9.32 m/s2

Altitude Correction: -3 mm/s2 per 1000 m above sea level

Métodos de Calibração

Teste de inversão de gravidade

O sensor é rotacionado 180 graus em relação a gravidade da

terra, e assim com um sinal de entrada excursionando 2g (-1

g a +1 g), aproximadamente uma função salto.

Requer resposta DC ou para ensaio de longa duração para

ser preciso

Condicionamento do sinal e dispositivo de leitura de saída

deve ser acoplado para resposta DC

Test Sensor

Rotation Fixture

Métodos de Calibração

Método Relativo

Dois canais de teste, onde o sensor a ser testado e a referência calibrada

são sujeitos a mesma entrada de aceleração. A razão dos sinais de saída

indica o fator de calibraçào.

Laser Fringe Counting (Primary Method)

Back-to-Back Calibration (Secondary Method)

Test

Sensor

Amplifier,

Attenuator,

Filter, Etc... Voltmeter,

Analyzer,

Scope, Etc...

Input

Signal

Reference

Sensor

Amplifier,

Attenuator,

Filter, Etc...

Calibration Methods

Laser Calibration

Princípio de medida sem contato

Estrutura não é afetada pelo dispositivo de medida

Utiliza “fringe counting” do laser

Este método pode ser utilizado para uma calibração primária e é

baseado no comprimento de onda da luz

Caro

Requer relativamente grandes acelerações em altas frequências

25 g’s em 5 kHz; 50 g’s em 10 kHz; 100 g’s em 20 kHz

Procedimentos documentados em normal ISO Standard ISO 5347-1

Métodos de calibração

Calibração Back-To-Back

Sensor de Teste montado diretamente em um acelerômetro de

referência que foi previamente calibrado por um método

primário ou por um laboratório reconhecido

Instrument

Grade Shaker

Reference

Accelerometer

Test

Accelerometer

Controllable

Acceleration Level

Vtest

Vref