Medição de vibrações em equipamentos e / ou estruturas usando ...

por Chedas Sampaio

Maio 2015

Medição de vibrações em equipamentos e / ou estruturas usando sensores low cost

Medição de vibrações em equipamentos e/ou estruturas usando sensores low cost1

ESTRUTURA DA APRESENTAÇÃO

Vibração

Medição de vibrações

Acelerómetro MEMS

Aplicações low cost


VIBRAÇÃO

3Medição de vibrações em equipamentos e/ou estruturas usando sensores low cost

EinsteinVIBRAÇÃO


"We have been all wrong! What we have called matter is energy, whose vibration has been lowered as to be perceptible to the

senses. There is no matter."

A vibração afecta a nossa vida


VIBRAÇÃO

É fundamental dominar a vibração


VIBRAÇÃO

Observar

2

2

4

42 ,,

ttxw

xtxwc

Compreender

Medir

Controlar

É fundamental dominar a vibração


VIBRAÇÃO

Observar

cos1

6021

DdNFT

cos1

602 DdNnBPO

cos1

602 DdNnBPI

2

2

cos160 D

dNdDBS

Compreender

Medir

Controlar

Aplicações na Engenharia


VIBRAÇÃO

MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES


Controlo de condição de estruturas (SHM)MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES



Acelerómetro piezoeléctrico


Sistema de aquisição multicanal (condicionamento

e placa de aquisição)

Computador com software de aquisição e processamento



Gerador de sinal, Amplificador de potência e Shaker electromagnético

Transdutor de força

Martelo de impacto

Controlo de condição de máquinas (CM)MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES




Sensor fotoeléctrico

Acelerómetropiezoeléctrico

Sensor de proximidade

Colector de dados

Lâmpada estroboscópica

AcelerómetroMEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES


Mede acelerações, estáticas ou dinâmicas. Sinal de saída em pC ou mV.

Tipos:Acelerómetro piezoeléctrico (1950)Acelerómetro MEMS (1979 – Univ Stanford USA)

Acelerómetro piezoeléctricoMEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES


Cristais piezoeléctricos (Quartzo) e Cerâmicas piezoeléctricas (ferroeléctrica)

Princípio: efeito piezoeléctrico (certos materiais geram uma carga eléctrica quando sujeitos a tracções ou compressões. O acelerómetro ao mover‐se provoca um movimento relativo entre a massa de prova e o sensor que se transforma em tensões e compressões proporcionais à aceleração da estrutura)

Construção: 1 gdl – massa suspensa numa mola

Acelerómetro piezoeléctricoMEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES


Acelerómetro de carga (aplicações em elevada temperatura e radiação)Sensor piezoeléctrico sem condicionamento de sinal integradoporque as condições de alta temperatura e radiação podem danificar. É necessário amplificador de carga e condicionamento de sinal.

Acelerómetro IEPE (Integrated electronic piezoelectric accelerometer) e ICP (integrated circuit piezoelectric) (aplicações usuais)

Tem condicionamento de sinal integrado e por isso necessita de alimentação.

Acelerómetro piezoeléctrico. 1º acelerómetroMEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES


Kistler Instruments – 1957Gulton Corporation –1950Bruel & Kjaer – início anos 1950 Endevco – 1951

Acelerómetro piezoeléctrico. FabricantesMEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES


Bruel and Kjaer 1942 Kistler Instruments (SLW) 1943 (Buffalo, NY) 1954 Gulton Manufacturing Company (aprox) 1944 Endevco 1947 Columbia Research Laboratories 1955 Wilcoxon Research 1960 PCB Piezotronics 1967 Dytran 1980

Acelerómetro piezoeléctrico. Vantagens/DesvantagensMEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES


Utilização generalizada e bem aceite pela indústriaBanda de frequência útil 0.25 Hz – 20 kHzIntervalo dinâmico grande mG – kGCompacto, variadas dimensões, desde 1 gResistente

Elevado custo (condicionamento e aquisição do sinal)

ACELERÓMETRO MEMS


Tecnologia MEMSACELERÓMETROS MEMS


Micro Electrical Mechanical Systems

Tecnologia:Princípio piezoresistivo (1971 – sensor de pressão)Princípio condensador (1980 – sensor de pressão)

(Componentes de 1 micrómetro a 1 milímetro)

Acelerómetro piezoresistivoACELERÓMETROS MEMS


Materiais piezoresisitivos (Silício e Germânico)

Princípio: efeito piezoresistivo(certos materiais variam a sua resistência eléctrica quando sujeitos a tracções ou compressões)

Construção: viga encastrada‐livre com massa de provana extremidade livre e material piezoresistivo no vão da viga.

Acelerómetro capacitivoACELERÓMETROS MEMS


Princípio: variação da capacidade (a capacidade de um condensador é inversamente proporcional à distância entre placas. A distância entre placas varia com a aceleração da massa de prova)

Construção: massa de prova móvel (vibração) e eléctrodos condutores fixos

AplicaçõesACELERÓMETROS MEMS


Indústria automóvel (air bag, ABS, suspensão,...)Indústria militarIndústria das telecomunicações (smartphones)Testes de vibrações para avaliação de desempenho de produtos Computadores (disco, câmara) Indústria de vídeo‐jogos

Vantagens e desvantagensACELERÓMETROS MEMS


Reduzida dimensãoReduzido pesoDesempenho nas baixas frequênciasBaixo custo (<10% acelerómetro piezoeléctrico)Condicionamento e aquisição de sinal integrado no sensorIntegração com outros sensoresFrequência máxima não tão elevada com o piezoeléctrico

FabricantesACELERÓMETROS MEMS


Analog DeviceSilicon DesignsPhidgetsEndevcoMotorola

Comprar on‐line

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APLICAÇÕES LOW COST


Indústria ‐Medição de vibrações estruturaisAPLICAÇÕES LOW COST


Avaliação da probabilidade de ocorrência de dano estruturalem edifício industrial por efeito de solicitação dinâmicaimpulsiva

Indústria – Identificação das Deformadas OperacionaisAPLICAÇÕES LOW COST


InvestigaçãoAPLICAÇÕES LOW COST


Identificação de dano estrutural

Ensino APLICAÇÕES LOW COST


Novo paradigmaProfessoro professor prepara as suas experiências e demonstraçõespráticas, muita da teoria pode ser confrontada em tempo realcom a demonstração prática, o professor tem um laboratóriovirtual ao seu dispôr

Alunocada aluno tem um laboratório portátil pessoal, cada alunoconstrói o seu laboratório, o aluno trabalha ao seu ritmo, oaluno é autónomo, o aluno recorre à teoria para resolver oproblema prático (real)



Elementos chave:Dados

Reais: Sensores e actuadores low‐costSimulados: Sistemas de modelação multi‐corpo rígido

(2D e 3D) e FEMAquisição

Real: Sensores com condicionamento de sinal eaquisição ou placa de som do computador

Simulada: Instrumentos virtuaisProcessamento

Software de computação técnica



Acelerómetro triaxial 40 €

Sensor de proximidade 11 €

Placa aquisição 80 €

Minicomputador Arduino 70 €

Minicomputador Rasperry PI 55 €

Ensino – Medição da passada humanaAPLICAÇÕES LOW COST


Ensino – Controlo de condição de máquinasAPLICAÇÕES LOW COST


Ensino – Analisador de vibrações virtualAPLICAÇÕES LOW COST


Ensino – Laboratório em casaAPLICAÇÕES LOW COST


REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS


[1] Evolution and comparison of accelerometer technologies, Patrick L. Walter, TCU Engineering and PCB Piezotronics

[2] Classification on MEMS Accelerometer and Device Application, Chin Yong Huan, Haslina Jaafar and Nurul Amziah Md Yunus, ISBN: 978‐0‐9891305‐4‐7 ©2014 SDIWC

[3] Performance evaluation of MEMS accelerometers, A. Albarbar, A. Badri, Jyoti K. Sinha, A. Starr, University of Manchester, University of Hertfordshire

[4] Using Accelerometers in a Data Acquisition System, Bob Judd, United Electronic Industries, Inc., 2007.

[5] Tutorial on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Bruce Kim, Arizona State University

[6] Mems accelerometers, Matej Andrejašiˇc, University of Ljubljana, 2008

[7] Sensores piezoresistivos e sensores piezoelétricos, Lucas Ferreira de Souza; Rosa Maria Ribeiro, VIII EPCC – Encontro Internacional de Produção Científica Cesumar, 2013

FIM


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