Comprensión de los acelerómetros piezoeléctricos
A acelerómetro piezoeléctrico es un vibración sensor que aprovecha el efecto piezoeléctrico —la propiedad por la que ciertos cristales generan una carga eléctrica cuando se les aplica una fuerza mecánica— para convertir la energía mecánica aceleración en una señal eléctrica proporcional a la amplitud de la vibración. Cuando el sensor se acelera, una masa sísmica interna comprime o deforma un elemento piezoeléctrico, y la carga o tensión resultante se acondiciona y se emite como señal de medición. Gracias a su amplio rango de frecuencias (aproximadamente de 0,5 Hz a más de 50 kHz), su alta sensibilidad, su robustez y un elemento sensor autogenerador que no necesita alimentación externa, el acelerómetro piezoeléctrico es el sensor de vibración más utilizado en la industria y la base de la moderna análisis de vibraciones y la monitorización del estado.
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: al aplicar tensión, el elemento se deforma.
- Se genera por sí mismo, por lo que no necesita energía para producir la carga.
El interior del acelerómetro
La cadena que va del movimiento a la señal es corta y directa:
- La vibración acelera la base y la carcasa del sensor.
- La masa sísmica interna sufre una fuerza F = m × a.
- Esa fuerza ejerce tensión sobre el cristal piezoeléctrico.
- El cristal genera una carga proporcional a la fuerza y, por lo tanto, a la aceleración.
- La carga se acumula en los electrodos y se convierte en una señal medible.
Dado que la señal de salida sigue la aceleración, la misma señal puede integrarse electrónicamente para velocidad para el análisis de fallos de media frecuencia, o bien directamente para trabajos de alta frecuencia.
2. Tipos según su diseño interno
La forma en que la masa sísmica ejerce presión sobre el cristal determina las características del sensor.
- Tipo de compresión: el diseño más habitual, en el que el cristal queda comprimido entre la masa y la base. Resistente y con un amplio rango de temperaturas, es adecuado para entornos hostiles, aunque puede ser más sensible a la deformación de la base y a los transitorios térmicos.
- Shear type: el cristal se somete a esfuerzo cortante por el movimiento de la masa. Esta geometría proporciona un excelente aislamiento de la deformación de la base, una mejor respuesta a bajas frecuencias y una baja sensibilidad a los transitorios de temperatura, razón por la cual el acelerómetro de cizalladura es la opción de mayor calidad para mediciones exigentes.
- Tipo de flexión: El cristal funciona por flexión, lo que permite una sensibilidad muy alta, pero es menos resistente y menos habitual en el ámbito industrial.
3. Tipos según la electrónica
La segunda clasificación se refiere a si los componentes electrónicos de acondicionamiento de la señal se encuentran dentro del sensor o fuera de él.
- Modo de carga: el resultado es una carga sin procesar expresada en picoculombios, lo que requiere un amplificador externo amplificador de carga. La salida de alta impedancia es sensible al movimiento del cable y ruido triboeléctrico, pero al carecer de componentes electrónicos internos, estos sensores soportan temperaturas extremas (hasta unos 650 °C), lo que los convierte en indispensables para aplicaciones especializadas en entornos de altas temperaturas.
- IEPE / ICP (modo de tensión): Los componentes electrónicos integrados convierten la carga en una tensión de baja impedancia. El IEPE interfaz — también conocida como acelerómetro en modo de tensión — es el estándar del sector, ya que ofrece una conectividad sencilla de dos hilos y una excelente inmunidad al ruido. Es adecuado para más del 95 % de las aplicaciones industriales.
4. Especificaciones técnicas
Sensibilidad
Sensibilidad es la salida por unidad de aceleración —normalmente entre 10 y 100 mV/g para los sensores IEPE, o entre 1 y 100 pC/g para el modo de carga—. Una mayor sensibilidad ofrece una resolución más precisa, pero un rango máximo menor, por lo que el valor se elige en función de los niveles de vibración previstos; el Calculadora de sensibilidad de sensores de vibración ayuda a convertir la tensión de salida en la aceleración correspondiente.
Rango de frecuencia
- Baja frecuencia: un límite inferior de aproximadamente 0,5-5 Hz, establecido por el sistema electrónico.
- Alta frecuencia: un límite superior de 5-50 kHz, determinado por la resonancia del montaje resonancia.
- Alcance utilizable: por lo general, hasta aproximadamente un tercio de la resonancia frecuencia, donde la respuesta se mantiene estable.
- Efecto de montaje: El método de montaje limita considerablemente la respuesta de alta frecuencia que se puede alcanzar.
Rango de amplitud y rango dinámico
- Uso general: de ±50 g a ±500 g.
- Alta sensibilidad: de ±5 g a ±50 g.
- Sensores de impacto: de ±500 g a ±10 000 g.
La señal nunca debe sobrepasar el rango del sensor, ya que se produciría un recorte y podría dañar el elemento; un amplio rango dinámico permite que un solo sensor detecte tanto los ligeros ruidos de los cojinetes como las fuertes vibraciones provocadas por la velocidad de marcha en una misma medición.
5. Criterios de selección
Elegir el sensor adecuado para cada tarea es la clave de una buena configuración de medición.
- Supervisión general de la maquinaria: un acelerómetro IEPE de 100 mV/g con un rango de ±50 g, una respuesta de 1 Hz a 10 kHz, un rango de temperaturas industrial (de −40 a +120 °C) y un sellado hermético.
- Detección de defectos en los rodamientos: una respuesta de frecuencia más amplia (hasta más de 20 kHz) para captar frecuencias de fallo de los rodamientos, sensibilidad moderada (10-50 mV/g), amplio rango dinámico y montaje con pernos para un acoplamiento óptimo en altas frecuencias: la combinación perfecta para detectar fallos incipientes defectos de los cojinetes.
- Aplicaciones a alta temperatura: IEPE para altas temperaturas (hasta unos 175 °C) o modo de carga (hasta unos 650 °C), con un montaje y un cableado especiales, aceptando algunas concesiones en el rendimiento a cambio de la capacidad de resistencia a la temperatura.
6. Montaje e instalación
La interfaz de montaje forma parte del sistema de medición: determina la resonancia de montaje y, por lo tanto, el límite de alta frecuencia. De mejor a peor:
- Stud mount: el mejor acoplamiento, plano hasta más de 10 kHz.
- Adhesivo: buena, plana hasta aproximadamente 7-8 kHz.
- Magnético: aceptable, con una respuesta plana hasta unos 2-3 kHz.
- Sonda / portátil: deficiente: se limita a las frecuencias bajas y a lecturas cualitativas.
Para obtener datos fiables de alta frecuencia, la superficie debe estar limpia y lisa, el perno debe estar apretado con el par de apriete adecuado, la capa de adhesivo debe ser fina y uniforme, la base magnética debe estar bien asentada y el cable debe estar bien sujeto para evitar que se tire de él. El Calculadora de resonancia de montaje calcula dónde termina el rango de funcionamiento de cada método; en el caso de los sensores instalados de forma permanente, los principios de la correcta montaje del sensor están codificados en ISO 5348.
En el terreno, estos sensores constituyen la parte frontal de cualquier analizador portátil. Un instrumento de dos canales como el Balanset-1A utiliza acelerómetros IEPE para registrar la amplitud y la fase sincronizadas necesarias para la medición en un solo plano y en dos planos equilibrando y para el diagnóstico rutinario de los propios cojinetes de la máquina a velocidad de funcionamiento. Junto con el sensor de proximidad y el transductor de velocidad, el acelerómetro piezoeléctrico es uno de los tres principales sensores de vibración transducers — y, con diferencia, el más versátil, razón por la cual sigue siendo la columna vertebral de la monitorización de vibraciones, el diagnóstico y el equilibrado industrial en todo el mundo.
