Comprensión de los acelerómetros piezoeléctricos
A acelerómetro piezoeléctrico es un vibración sensor que explota el efecto piezoeléctrico — la propiedad por la cual ciertos cristales generan una carga eléctrica cuando se someten a tensión mecánica — para convertir la vibración mecánica aceleración en una señal eléctrica proporcional a la amplitud de la vibración. Cuando el sensor acelera, una masa sísmica interna comprime o cizalla un elemento piezoeléctrico, y la carga o voltaje resultante se acondiciona y se emite como una señal de medición. Gracias a un amplio rango de frecuencias (aproximadamente de 0,5 Hz a más de 50 kHz), alta sensibilidad, robustez y un elemento de detección autogenerado que no necesita alimentación externa, el acelerómetro piezoeléctrico es el sensor de vibración más utilizado en la industria y la base del monitoreo de condición moderno análisis de vibración y monitoreo de condición.
1. El efecto piezoeléctrico
Principio físico
- Ciertos cristales (cuarzo, turmalina) y cerámicas (PZT, titanato de bario) son piezoeléctricos.
- La tensión mecánica genera una carga eléctrica en las superficies del cristal.
- La carga es proporcional a la fuerza aplicada.
- El efecto es reversible: aplicar un voltaje hace que el elemento se deforme.
- Es autogenerado, por lo que no se necesita alimentación para producir la carga en sí.
Dentro del acelerómetro
La cadena desde el movimiento hasta la señal es corta y directa:
- La vibración acelera la base y el soporte del sensor.
- La masa sísmica interna experimenta una fuerza, F = m × a.
- Esa fuerza tensiona el cristal piezoeléctrico.
- El cristal genera una carga proporcional a la fuerza y, por lo tanto, a la aceleración.
- La carga se recoge en los electrodos y se convierte en una señal medible.
Dado que la salida sigue la aceleración, la misma señal puede integrarse electrónicamente para velocidad para el análisis de fallas de frecuencia media, o usarse directamente para trabajos de alta frecuencia.
2. Tipos según el diseño interno
La forma en que el cristal es cargado por la masa sísmica define el carácter del sensor.
- Tipo de compresión: el diseño más común, con el cristal comprimido entre la masa y la base. Robusto, con un amplio rango de temperatura, se adapta a entornos hostiles, pero puede ser más sensible a la deformación de la base y a los transitorios térmicos.
- Tipo de cizallamiento: el cristal es cizallado por el movimiento de la masa. Esta geometría ofrece un excelente aislamiento de la deformación de la base, una mejor respuesta a bajas frecuencias y una baja sensibilidad a los transitorios de temperatura, por lo que el acelerómetro de cizallamiento es la opción premium para mediciones exigentes.
- Tipo flexural (de flexión): el cristal trabaja en flexión, lo que permite una sensibilidad muy alta, pero es menos robusto y menos común en uso industrial.
3. Tipos según la electrónica
La segunda clasificación se refiere a si la electrónica de acondicionamiento de señal está dentro del sensor o fuera de él.
- Modo de carga: la salida es una carga cruda en picocoulombs, lo que requiere un amplificador de carga. La salida de alta impedancia es sensible al movimiento del cable y al ruido triboeléctrico, pero al no tener electrónica interna, estos sensores toleran temperaturas extremas (hasta aproximadamente 650 °C), lo que los hace indispensables para aplicaciones especializadas de altas temperaturas.
- IEPE / ICP (modo de voltaje): la electrónica incorporada convierte la carga en un voltaje de baja impedancia. La IEPE interfaz — también descrita como una acelerómetro en modo de voltaje — es el estándar de la industria, ofreciendo una conexión simple de dos hilos y una excelente inmunidad al ruido. Sirve para más del 95 % de las aplicaciones industriales.
4. Especificaciones de rendimiento
Sensibilidad
Sensibilidad es la salida por unidad de aceleración: típicamente de 10 a 100 mV/g para sensores IEPE, o de 1 a 100 pC/g para el modo de carga. Una mayor sensibilidad ofrece una resolución más fina, pero un rango máximo menor, por lo que el valor se elige para coincidir con los niveles de vibración esperados; la calculadora de sensibilidad de sensor de vibración ayuda a convertir entre un voltaje de salida y la aceleración correspondiente.
Rango de frecuencia
- Baja frecuencia: un límite inferior de aproximadamente 0,5 a 5 Hz, establecido por la electrónica.
- Alta frecuencia: un límite superior de 5 a 50 kHz, determinado por la resonancia montada resonancia.
- Rango utilizable: para una precisión de amplitud del orden de unos pocos por ciento, hasta aproximadamente una quinta parte (20 %) de la resonancia montada frecuencia, según la norma ISO 5348; una tercera parte de la resonancia es solo un límite de cribado aproximado, con la lectura de amplitud ya aproximadamente 10–12 % alta.
- Efecto del montaje: el método de montaje limita fuertemente la respuesta de alta frecuencia alcanzable.
Rango de amplitud y rango dinámico
- Uso general: ±50 g a ±500 g.
- Alta sensibilidad: ±5 g a ±50 g.
- Sensores de impacto: ±500 g a ±10,000 g.
La señal nunca debe exceder el rango del sensor, o se recortará y podría dañar el elemento; un amplio rango dinámico permite que un solo sensor resuelva tanto los tonos débiles de los rodamientos como la vibración fuerte a la velocidad de operación en la misma medición.
5. Criterios de selección
Adaptar el sensor a la tarea es el corazón de una buena configuración de medición.
- Monitoreo general de maquinaria: un acelerómetro IEPE de 100 mV/g con un rango de ±50 g, una respuesta de 1 Hz a 10 kHz, una clasificación de temperatura industrial (−40 a +120 °C) y un sellado hermético.
- Detección de defectos en rodamientos: una respuesta de frecuencia más alta (hasta 20+ kHz) para capturar frecuencias de falla de rodamientos, sensibilidad moderada (10–50 mV/g), amplio rango dinámico y montaje con tornillo de fijación para el mejor acoplamiento de alta frecuencia: la combinación adecuada para detectar defectos de rodamiento.
- Aplicaciones de alta temperatura: IEPE de alta temperatura (hasta aproximadamente 175 °C) o modo de carga (hasta aproximadamente 650 °C), con montaje y cableado especiales, aceptando alguna compensación de rendimiento por la capacidad de temperatura.
6. Montaje e instalación
La interfaz de montaje es parte del sistema de medición: establece la resonancia montada y, por lo tanto, el límite de alta frecuencia. De mejor a peor:
- Montaje con tornillo roscado: el mejor acoplamiento, plano hasta 10+ kHz.
- Adhesivo: bueno, plano hasta aproximadamente 7–8 kHz.
- Magnético: aceptable, plano hasta aproximadamente 2–3 kHz.
- Sonda / portátil: pobre: limitado a bajas frecuencias y lecturas cualitativas.
Para datos confiables de alta frecuencia, la superficie debe estar limpia y plana, el tornillo de fijación apretado correctamente, cualquier capa adhesiva delgada y uniforme, la base magnética completamente asentada y el cable asegurado para evitar tirones. El calculadora de resonancia de montaje estima dónde termina la banda utilizable de cada método; para sensores instalados permanentemente, los principios de la correcta montaje del sensor están codificados en ISO 5348.
En el campo, estos sensores son el extremo delantero de cada analizador portátil. Un instrumento de dos canales como el Balanset-1A captura la misma amplitud y fase sincronizadas: utilizando dos acelerómetros MEMS analógicos incluidos en el kit en lugar de sensores piezoeléctricos IEPE, como se necesita para el balanceo en un plano y en dos planos balanceo y para diagnósticos de rutina en los propios rodamientos de la máquina a la velocidad de operación. Junto con la sonda de proximidad y el transductor de velocidad, el acelerómetro piezoeléctrico es uno de los tres principales transductores — y con diferencia el más versátil, razón por la cual sigue siendo la columna vertebral del monitoreo de vibración industrial, los diagnósticos y el balanceo en todo el mundo.
