Entender Especificaciones clave del acelerómetro

10/11/2010

 

Uno de los aspectos más difíciles de selecciona,r es un acelerómetro para una aplicación en  particular, es la interpretación de las especificaciones del acelerómetro. A menudo, para entender sus requisitos de  prueba, así es pero se topan con dificultades, para que cumplieran estos requisitos con los modelos disponibles acelerómetro.

Los fabricantes de acelerómetros, con frecuencia contribuyen a este problema, mediante la participación en un juego de specmanship, colocando sus productos en la mejor luz posible. Esto  a menudo ofusca el establecimiento de las especificaciones del acelerómetro. Existe, entonces, la necesidad de una amplia descripción y explicación de las especificaciones acelerómetro, que los fabricantes utilizan de manera rutinaria.

Sensibilidad

La sensibilidad del acelerómetro, a veces referido como el factor de escala del acelerómetro, es la proporción de la producción eléctrica del sensor,  a la entrada de mecánica. Un transductor, generalmente se define como un dispositivo que convierte una forma de energía a otro. Un acelerómetro, es simplemente un transductor que convierte la aceleración mecánica en una señal eléctrica proporcional.

Normalmente valorados en términos de mV / g o PC / g, que es válida solamente en una frecuencia, convencionalmente a 100 Hz. Como la mayoría de los acelerómetros, son influenciados en cierto grado por la temperatura, la sensibilidad,  también es válida sólo en un estrecho rango de temperatura, por lo general de 25 ± 5 ° C. Además, es válido sólo en una amplitud de cierta aceleración, por lo general 5 gramos o 10 g.

La sensibilidad, a veces se especifica con un margen de tolerancia, por lo general ± 5% o ± 10%. Esto asegura la sensibilidad del acelerómetro, será dentro de esta desviación con respecto a la sensibilidad nominal declarada.. En casi todos los casos, los acelerómetros se suministran, con un certificado de calibración, que indica la sensibilidad exacta dentro de los límites de la incertidumbre de medición.

Sensibilidad, se llama la sensibilidad de referencia, cuando se refiere al porcentaje de tolerancia o banda de decibelios, de las especificaciones de respuesta de frecuencia. Sensibilidad, se llama la sensibilidad axial cuando se habla de la sensibilidad transversal.

A pesar de las fuertes restricciones, que rodean a la especificación de la sensibilidad, este es el número más frecuentemente utilizado, para la programación de un acondicionador de señal, o el sistema de adquisición de datos. Un acondicionador de señal, o el sistema de adquisición de datos, utiliza este número para procesar e interpretar la señal del acelerómetro.

Respuesta de frecuencia

Al igual que en la especificación de la sensibilidad, respuesta de frecuencia, es lo que el factor de escala es el acelerómetro, pero con el añadido de la variable adicional de la frecuencia. Respuesta de frecuencia, es la sensibilidad especificada en todo el rango del transductor de frecuencias, más bien conocido como respuesta de amplitud, desde la respuesta de fase, rara vez se especifica.

Respuesta de frecuencia, siempre se especifica con un margen de tolerancia en relación con la sensibilidad de 100 Hz, o sensibilidad de referencia. La banda de tolerancia, se puede especificar en porcentaje o en decibelios, con bandas típicas de ser ± 10%, ± 1 dB, y dB ± 3. En este contexto, un decibelio se define como:

 

dB = 20log (Sf / Sref )

 

Donde: Sf = sensibilidad en una determinada frecuencia

Sref = sensibilidad de referencia

 

La especificación de la respuesta de frecuencia, le permite calcular la cantidad de la sensibilidad del acelerómetro, puede desviarse de la sensibilidad de referencia, en cualquier frecuencia dentro de su rango de frecuencia especificado. Por ejemplo, supongamos un modelo de acelerómetro, que tiene una sensibilidad de referencia de 10 pC / g, es decir, resultados de la calibración, el informe de este número por lo que es exacta dentro de los límites de la incertidumbre. Suponga, que su especificación respuesta de frecuencia es de ± 10% a partir del 1 Hz a 6 kHz. Sobre esta gama de frecuencias, la sensibilidad puede variar de 9 PC / g a 11 pC / g ó 10 ± 1 pC / g. En la frecuencia de la sensibilidad de referencia de 100 Hz, la sensibilidad es exactamente 10 pC / g, pero en cualquier otra frecuencia, que puede variar hacia arriba o hacia abajo por un pC / g.

Los Acelerómetros, a menudo vienen con un certificado de calibración, que indica la sensibilidad de referencia exacta. Los certificados, no suelen mostrar el resultado de la respuesta de frecuencia en forma de cuadro, sino visualizar un gráfico de la frecuencia más baja a la más alta calificación. La gráfica muestra la desviación de sensibilidad en porcentaje o en dB de la sensibilidad de referencia (Figura 1).

Utilizando la técnica ilustrada en el ejemplo, se puede estimar la sensibilidad en cualquier frecuencia de uso de esta parcela. Si el gráfico, se muestra la sensibilidad de hasta 2% a 1 kHz, por ejemplo, y la sensibilidad de referencia se establece como 10 pC / g, un simple cálculo indica que la sensibilidad a 1 kHz a 10.2 pC / g.

 

Sensibilidad transversal

 

Sensibilidad transversal, es la sensibilidad del acelerómetro a 90 grados con el eje sensible del sensor (Figura 2).Dicho de otra manera, la sensibilidad transversal es la sensibilidad a los 90 grados a la sensibilidad axial expresada como porcentaje de la sensibilidad axial.

Lo ideal, sería del 0%, pero debido a las tolerancias de fabricación, que puede ser de hasta 5%. Los valores del 3% o menos están disponibles bajo pedido especial. Pero a medida que el valor deseado va más bajo, se hace cada vez más difícil y más costoso de lograr. Sensibilidad transversal, se refiere a veces como la sensibilidad del eje transversal.

¿Por qué preocuparse por la sensibilidad transversal? Como usuario, usted quiere estar seguro de que la medida que está tomando, es sólo debido a la aceleración en una dirección. Si no, el sentido de hacer de sus datos sería difícil, si no imposible. Los Acelerómetros triaxiales, están disponibles para medir la aceleración en tres direcciones ortogonales desde el mismo punto.

Cuando un acelerómetro, es estimulado en un agitador de la clase de calibración, hace todo lo posible para garantizar que el movimiento es en una dirección, con un movimiento transversal muy poco. En esta situación, usted no puede cuidar de que el acelerómetro transversal, tiene una sensibilidad alta ya que el sensor no ve ningún movimiento en esa dirección.

Sin embargo, en un ensayo real en una estructura real, sabemos que el movimiento está en todas las direcciones. En este caso, un acelerómetro de baja sensibilidad transversal, es crucial, ya que desea estar seguro de que la medida que está recibiendo es sólo una dirección. En este sentido, la contribución de la sensibilidad transversa,l a una medida puede ser considerada como un factor de ruido para la medición.

La frecuencia de resonancia Montada

Frecuencia de resonancia, es el punto de montaje en la frecuencia de la respuesta en frecuencia del acelerómetro, en el acelerómetro salidas de máxima sensibilidad (Figura 3). Se especifica en unidades de Hertz. Típica acelerómetros, presentan una frecuencia de resonancia montada por encima de 20 kHz, aunque algunos muestran hasta el 90 kHz.

Como su nombre lo indica, es el resultado de la resonancia natural de la estructura mecánica del propio acelerómetro. Ciertamente, si la resonancia del acelerómetro, se midió en el espacio libre, sería diferente si se monta a una estructura. Sin embargo, esta es una aplicación poco práctica para un acelerómetro piezoeléctrico, por lo que la designación montada, se añade.

No es un objetivo de diseño de los fabricantes, para producir un acelerómetro que tiene una frecuencia de resonancia montado dentro de una cierta tolerancia. En su lugar, montado en la frecuencia de resonancia se especifica como mínimo, asegurando que este punto de resonancia, no se producirá por debajo del mínimo. Como tal, montado frecuencia de resonancia, es una cifra aproximada de mérito que establece el límite superior del ancho de banda de frecuencia del acelerómetro.

Para los acelerómetros piezoeléctricos, con una estructura casi totalmente amortiguado mecánica, la amplitud del pico de resonancia puede ser bastante alta, lo que resulta en una sensibilidad mucho mayor que la sensibilidad de referencia determinado. Como tal, cualquier vibración en o cerca de la frecuencia del pico de resonancia será muy amplificada, lo que distorsiona las mediciones y datos dañados.

El objetivo de un fabricante de diseño, entonces, es empujar el punto de montaje frecuencia de resonancia lo más alto posible en la estructura del acelerómetro, con la intención de que el punto de estar bien más allá de las frecuencias de vibración, en su aplicación de medición. Usted también tiene que asegurarse, de que ningún componente de frecuencia de vibración se encuentra en o cerca del punto de la frecuencia de resonancia montado.

Frecuencia de resonancia Montada se especifica asumiendo condiciones ideales de montaje del acelerómetro. Al igual que el fabricante, pueda influir en el punto de montaje frecuencia de resonancia con la estructura mecánica del acelerómetro de sí mismo, así también,  pueden los  factores estructurales externos sobre  los controles de usuario.

Debido a las características de resonancia mecánica, en general dependen de la rigidez del material y la amortiguación, es fundamental que el acelerómetro se  monte correctamente. Un montaje incorrecto, generalmente disminuye la rigidez y aumenta la amortiguación, haciendo que el pico de resonancia a disminuir en frecuencia, y el ancho de la subida de resonancia para aumentar el mecánico Q, es baja. El resultado final de esto, si se permite que degraden poco, afectan a la respuesta de frecuencia del acelerómetro.

Amplitud de linealidad

Linealidad de amplitud, es una medida de cuán lineal la salida de un acelerómetro, en su rango de amplitud especificada. A veces se le llama no linealidad de amplitud, ya que especifica la desviación de la linealidad perfecta. Idealmente, un acelerómetro que tiene exactamente la misma sensibilidad en cualquier punto de la amplitud de su rango, de la amplitud especificada.

Pero con un acelerómetro real, este no es el caso. Linealidad de amplitud específica, hasta qué punto la salida del acelerómetro puede diferir de esta linealidad perfecta y sólo es válido en una sola frecuencia.

Hay varias maneras de especificar la linealidad de amplitud. La más restrictiva, es para especificar el porcentaje de la lectura, por lo general ± 1% en todo el rango completo de escala. Esta es una especificación de tolerancia estrecha, porque significa la sensibilidad del acelerómetro no puede variar más de ± 1% en cualquier punto en el rango de amplitud.

Una forma mucho menos restrictiva para especificar la linealidad, de una manera a trozos, como este ejemplo: la sensibilidad aumenta 1% por cada 500 g, de 0 a 2.000 g. Esto significa que en el extremo superior de la sensibilidad del rango de amplitud, puede variar hasta en un 4% a partir de que en el extremo inferior del rango de amplitud.

Errores de amplitud lineal causa distorsión de la señal, especialmente en las aceleraciones de gran amplitud. En entornos en los que varias frecuencias de vibración están presentes, puede dar lugar a la distorsión de intermodulación, la creación de las frecuencias de los instrumentos que no estaban presentes mecánicamente en el acelerómetro.

Polaridad de salida

Polaridad de salida, describe el sentido positivo o negativo de la salida de la señal del acelerómetro dado una dirección de la aceleración de entrada. Por convención, la mayoría de los acelerómetros se especifican a tener un salida de la señal positiva, si la aceleración se dirige hacia la superficie de montaje del sensor (Figura 4).

En caso de duda, usted puede verificar esto. Mientras mantiene el acelerómetro conectado, con todas las señales  de acondicionamiento adecuada, toque la superficie de montaje con el dedo. Observe que la dirección de la señal resultante va. Si se trata de un acelerómetro convencional, la señal debe ir positiva.

Polaridad de la salida de un acelerómetro triaxial, es un poco menos sencilla. En la mayoría de los casos, sin embargo, el fabricante marcará flechas para cada dirección ortogonal, lo que indica la dirección de la aceleración, tendría que ser una señal positiva, va a resultar.

La Interpretación de polaridad de la salida, correcta es crítica en algunas aplicaciones. Por ejemplo, en una prueba de modales en una gran estructura, es esencial para entender las instrucciones y las relaciones de fase de los vectores de aceleración de la estructura están exhibiendo durante la excitación de vibraciones. Sin entender correctamente la polaridad de los acelerómetros, esto sería imposible, y la visión incorrecta en el comportamiento de la estructura resultado sería.

Conexión a tierra o tierra de aislamiento

Acelerómetros, consistentes en dispositivos eléctricos, requieren una señal de tierra volver a un dispositivo de acondicionamiento de señal. ¿Cómo esta tierra de la señal se maneja mecánicamente y eléctricamente en el sensor? debe ser entendido por el usuario para realizar esta operación. Esto se especifica por el fabricante. Sin esta comprensión, existe la posibilidad de un sistema de conexión a tierra inadecuada en la instrumentación, lo que los lazos de tierra y los datos erróneos.

Hay un número de maneras, en que un sistema de tierra se puede observar en el diseño de un acelerómetro, a menudo dictadas por el uso esperado y los precios de mercado. Uno de los métodos menos costosos es conectar simplemente la tierra del sistema a la carcasa del acelerómetro. Este método a menudo se encuentra en acelerómetros de grado de laboratorio, que utilizan conectores coaxiales miniatura. Para evitar bucles de masa, los fabricantes ofrecen adaptadores de montaje independiente que se instalan entre el acelerómetro y la ubicación estructura de montaje.

El siguiente nuevo método, se conecta el acelerómetro a tierra por la carcasa, pero aislados de la superficie de montaje en el propio acelerómetro. Esto normalmente se hace con un material aislante aplicado, a la superficie, como una capa de anodizado duro. En esencia, el adaptador alejado está integrado en el acelerómetro.

El método de aislamiento de tierra final, es en donde la cubierta externa del acelerómetro y el conector están completamente aislados de la tierra del sistema interno. Este método a menudo se encuentra en acelerómetros industriales, de clase utilizados en los motores de jet, turbinas de gas, o un control de procesos industriales de la máquina.

Conclusión

Los usuarios de Acelerómetro a menudo, se confunden en las especificaciones acelerómetro, sobre todo cuando se trata de seleccionar un sensor adecuado, para una aplicación específica o de prueba. Es esencial que haya una clara comprensión de estas especificaciones, cuáles son los límites y las implicaciones de estos, son a su situación de prueba. Sin esta comprensión, existe un gran potencial para los errores que introducir los datos de prueba y por perder una prueba. Los fabricantes, también tienen la responsabilidad de presentar las especificaciones de sus productos de manera clara y sin ambigüedades.

Scott Mayo, es un ingeniero de campo en aplicaciones Endevco. Después de obtener su título de ingeniería eléctrica en 1986, el Sr. Mayo, fue a trabajar para Bently Nevada, ahora es parte de General Electric, el diseño de acelerómetros y sensores de proximidad de desplazamiento, utilizados en aplicaciones industriales. Mientras que un gerente de producto de Bently Nevada, escribió varias secciones adoptadas en el Instituto Americano del Petróleo Norma de Sistemas de Protección de Maquinaria 670, cuarta edición, diciembre de 2000. Endevco, una empresa del grupo Meggitt, 30700 Rancho Viejo Rd, San Juan Capistrano, CA 92675

Fuente: http://www.evaluationengineering.com/index.php/solutions/environmental-test/understanding-key-accelerometer-specs.html