Comprensión de la Sensibilidad del Sensor
Sensibilidad es la relación entre la señal de salida de un sensor y la magnitud física de entrada que mide; en efecto, su ganancia o factor de conversión. Para vibración sensores, la sensibilidad define cuánta salida eléctrica (un voltaje o una carga) se produce por unidad de vibración, ya sea que esa vibración se exprese como aceleración, velocidad o desplazamiento. Una mayor sensibilidad proporciona una salida mayor para un nivel de vibración dado, lo que mejora la resolución y la relación señal-ruido; pero también limita la vibración máxima que se puede medir antes de que la salida del sensor se sature. La sensibilidad es la especificación fundamental que debe conocer para convertir el voltaje crudo del sensor en unidades de ingeniería significativas. Se fija durante la fabricación calibración, se registra en el certificado de calibración, y se utiliza en cada cálculo de vibración posterior.
Una aclaración al principio: este artículo trata sobre la sensor sensibilidad, la salida por entrada del transductor. No debe confundirse con la sensibilidad de balanceo, que describe cuánto cambia la lectura de una máquina de balanceo por unidad de desbalance del rotor; una idea relacionada pero una medición diferente.
1. Unidades de sensibilidad por tipo de sensor
Acelerómetros
El acelerómetro es el caballo de batalla de la medición de vibración, y su sensibilidad se cita de manera diferente según el tipo de acondicionamiento de señal.
- IEPE / modo de voltaje: expresado en mV/g (milivoltios por g de aceleración); valores típicos de 10 a 1000 mV/g, con 100 mV/g la cifra de uso general más común. Las unidades de alta sensibilidad de 500 a 1000 mV/g son adecuadas para trabajos de baja vibración, mientras que las unidades de baja sensibilidad de 10 a 50 mV/g son adecuadas para alta vibración y choque.
- Modo de carga: expresado en pC/g (picocoulombs por g); valores típicos de 1 a 1000 pC/g, con 10 a 50 pC/g comunes para uso general.
Sensores de velocidad y sondas de desplazamiento
- Sensores de velocidad: mV por in/s o mV por mm/s: típicamente 100 mV/in/s, equivalente a aproximadamente 3.94 mV/mm/s; a veces se cita como V por m/s (100 mV/in/s ≈ 3.94 V/(m/s)).
- Sondas de desplazamiento: mV/mil o V/mm; típicamente 200 mV/mil o 7.87 V/mm para sondas de corriente de Foucault, y siempre calibradas para un material objetivo específico y un rango de brecha.
2. Compromisos de sensibilidad
La tensión central en la selección del sensor es que la sensibilidad y el rango de medición tiran en direcciones opuestas.
Alta sensibilidad (100–1000 mV/g)
- Ventajas: una salida grande para baja vibración, mejor resolución para detectar pequeños cambios, una mejor relación señal-ruido y un rendimiento ideal en maquinaria de baja vibración.
- Desventajas: un rango dinámico limitado rango dinámico que se satura con vibraciones más bajas (rango típico ±5g a ±50g), lo que lo hace inadecuado para trabajos de alta vibración o choque.
Baja sensibilidad (10–50 mV/g)
- Ventajas: un amplio rango dinámico capaz de medir alta vibración (±100g a ±10,000g), idoneidad para choque e impacto, y sin saturación en condiciones violentas.
- Desventajas: una salida menor para baja vibración, una peor relación señal-ruido, resolución reducida y el riesgo de perder pequeños cambios.
3. Selección de sensibilidad por aplicación
La regla práctica es adaptar el sensor al nivel de vibración que se espera, para que la señal llene cómodamente el rango de entrada del instrumento sin recorte.
- Baja vibración (< 5 mm/s): alta sensibilidad (100–500 mV/g) para maquinaria de precisión y baja velocidad, donde una buena resolución de pequeños cambios es importante.
- Vibración moderada (5–20 mm/s): sensibilidad estándar (50–100 mV/g) para maquinaria industrial general; el rango más común.
- Alta vibración (> 20 mm/s): baja sensibilidad (10–50 mV/g) para evitar la saturación en trituradoras, molinos y equipos con alto desbalance.
- Choque e impacto: muy baja sensibilidad (1–10 mV/g) para alcanzar ±1000g o más para pruebas de impacto y choque.
4. Efecto en las mediciones
Nivel de señal, rango dinámico y ruido
- Nivel de señal: una mayor sensibilidad proporciona un voltaje de señal más grande que llena mejor el rango de entrada del instrumento y mejora la resolución; pero limita la vibración máxima medible.
- Rango dinámico: el rango desde el piso de ruido hasta la saturación; una alta sensibilidad ofrece un rango estrecho (ideal para señales pequeñas), mientras que una baja sensibilidad ofrece un rango amplio (ideal para señales variables): un compromiso directo entre resolución y rango.
- Rendimiento frente al ruido: todo sensor tiene un piso de ruido eléctrico inherente; una mayor sensibilidad ofrece una mejor relación señal-ruido para vibraciones bajas, mientras que ese ruido se vuelve proporcionalmente más significativo a medida que la sensibilidad disminuye.
Un ejemplo práctico: un sensor de 100 mV/g expuesto a 50g de vibración produce 5 V de salida. Si la entrada del instrumento es de ±5 V, ese sensor está ajustado justo hasta su límite de 50g; cualquier valor superior se recorta (clipping).
5. Calibración y verificación
La sensibilidad solo es útil si es precisa y actual, por lo que se verifica en tres momentos de la vida útil de un sensor.
- Calibración de fábrica: los sensores nuevos se calibran en la fábrica, con la sensibilidad marcada en el cuerpo o en el certificado con una tolerancia típica de ±5–10%; verifíquela antes de cualquier uso crítico.
- Recalibración periódica: la sensibilidad puede derivar con el tiempo, por lo que se debe recalibrar anualmente o según el programa, tomar el valor actualizado del nuevo certificado e ingresarlo en el instrumento o aplicar una corrección.
- Verificación en campo: un calibrador portátil aplica una vibración de referencia conocida para que pueda confirmar que la salida coincide con el valor esperado (sensibilidad × entrada): una verificación rápida antes de mediciones importantes.
Esto es distinto de calibración permanente en el balanceo de rotores, donde el término se refiere a la calibración almacenada y reutilizable de una máquina de balanceo, en lugar de la ganancia de un transductor.
6. Especificaciones relacionadas
- Rango de medición: la vibración máxima que el sensor puede capturar, inversamente relacionada con la sensibilidad: un sensor de 100 mV/g con una salida de ±5 V ofrece un rango de ±50g.
- Resolución: el cambio más pequeño detectable, limitado por el ruido y la digitalización; una mayor sensibilidad generalmente significa una mejor resolución.
- Linealidad: qué tan constante se mantiene la sensibilidad en todo el rango de medición; los buenos sensores se mantienen con una desviación de < 1% de la linealidad, especificada como un porcentaje del error de escala completa.
7. Consideraciones prácticas
Coincidencia de entrada del instrumento y flotas mixtas
- Coincidencia de entrada: el rango de entrada del instrumento debe acomodar la salida del sensor: un sensor de 100 mV/g a 50g produce 5 V, lo cual debe caber en una entrada de ±5 V; las ganancias de entrada ajustables permiten que un solo instrumento maneje diferentes sensibilidades.
- Múltiples sensores: utilizar sensores de diferentes sensibilidades en un mismo programa significa configurar el instrumento para cada uno, e ingresar la sensibilidad incorrecta es una fuente común de error; estandarizar una sola sensibilidad simplifica considerablemente las operaciones.
En un instrumento portátil, el valor de sensibilidad es exactamente lo que el software necesita para convertir los milivoltios del transductor en las lecturas de amplitud y fase utilizadas para el diagnóstico y el balanceo. Un analizador de campo como el Balanset-1A se configura con la sensibilidad de cada acelerómetro para que sus mediciones se lean en unidades de ingeniería reales; ingresar el valor correcto es lo que garantiza que una lectura de 1× en mm/s sea lo suficientemente confiable para calcular una corrección de balanceo. Si la sensibilidad ingresada no coincide con el sensor instalado, cada número posterior será incorrecto en la misma proporción. Puede verificar la salida esperada para un sensor y una vibración dados con nuestra Calculadora de sensibilidad del sensor de vibración.
La sensibilidad del sensor es la especificación fundamental que define la conversión entre la vibración física y la señal eléctrica. Comprender las unidades, elegir un valor que coincida con el nivel de vibración esperado e ingresarlo correctamente en el instrumento de medición son esenciales para mediciones precisas, una selección adecuada de sensores y evitar los errores que surgen de las incompatibilidades de sensibilidad o la saturación.
