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, es decir, su ganancia o factor de conversión. En vibración la sensibilidad define cuánta salida eléctrica (un voltaje o una carga) se produce por unidad de vibración, tanto si esa vibración se expresa como aceleración, velocidad o desplazamiento. Una mayor sensibilidad proporciona una salida mayor para un nivel de vibración determinado, lo que mejora la resolución y la relación señal/ruido, pero también limita la vibración máxima que puede medirse antes de que se sature la salida del sensor. La sensibilidad es la especificación fundamental que debe conocer para convertir la tensión bruta del sensor en unidades de ingeniería significativas. Se fija durante la fabricación calibración, grabado en el certificado de calibración, y se utiliza en todos los cálculos de vibraciones posteriores.
Una aclaración inicial: este artículo trata de sensor sensibilidad, la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada del transductor. No debe confundirse con sensibilidad de equilibrio, que describe cuánto cambia la lectura de una máquina equilibradora por unidad de desequilibrio del rotor, una idea relacionada pero una medida diferente.
1. Unidades de sensibilidad por tipo de sensor
Acelerómetros
En acelerómetro es el caballo de batalla de la medición de vibraciones, y su sensibilidad se cotiza de forma diferente en función del tipo de acondicionamiento de la señal.
- IEPE / modo de tensión: expresado en mV/g (milivoltios por g de aceleración); valores típicos 10-1000 mV/g, con 100 mV/g la cifra más común para uso general. Las unidades de alta sensibilidad de 500-1000 mV/g son adecuadas para trabajos con poca vibración, mientras que las unidades de baja sensibilidad de 10-50 mV/g son adecuadas para trabajos con mucha vibración y golpes.
- Modo de carga: expresado en pC/g (picoculombios por g); valores típicos 1-1000 pC/g, siendo 10-50 pC/g comunes para uso general.
Sensores de velocidad y sondas de desplazamiento
- Sensores de velocidad: mV por pulg/s o mV por mm/s - normalmente 100 mV/pulg/s, equivalente a aproximadamente 4000 mV/mm/s; a veces se cita como V por m/s.
- Sondas de desplazamiento: mV/mil o V/mm - normalmente 200 mV/mil o 7,87 V/mm para sondas de corrientes de Foucault, y siempre calibrado para un material objetivo y un intervalo de separación específicos.
2. Compromisos de sensibilidad
La tensión central en la selección de sensores es que la sensibilidad y el rango de medición tiran en direcciones opuestas.
Alta sensibilidad (100-1000 mV/g)
- Ventajas: una gran salida para bajas vibraciones, una mejor resolución para detectar pequeños cambios, una mejor relación señal/ruido y un rendimiento ideal en maquinaria de bajas vibraciones.
- Desventajas: a limitada rango dinámico que se satura a bajas vibraciones (rango típico de ±5g a ±50g), lo que lo hace inadecuado para trabajos con altas vibraciones o choques.
Baja sensibilidad (10-50 mV/g)
- Ventajas: un amplio rango dinámico capaz de medir altas vibraciones (de ±100 g a ±10.000 g), idoneidad para choques e impactos y ausencia de saturación en condiciones violentas.
- Desventajas: una salida menor para vibraciones bajas, una relación señal/ruido más pobre, una resolución reducida y el riesgo de pasar por alto pequeños cambios.
3. Selección de la sensibilidad según la aplicación
La regla práctica es ajustar el sensor al nivel de vibración que se espera, de modo que la señal llene cómodamente el rango de entrada del instrumento sin recortes.
- Baja vibración (< 5 mm/s): Alta sensibilidad (100-500 mV/g) para maquinaria de precisión y baja velocidad, donde importa una buena resolución de los pequeños cambios.
- Vibración moderada (5-20 mm/s): sensibilidad estándar (50-100 mV/g) para maquinaria industrial general, el rango más común.
- Vibraciones elevadas (> 20 mm/s): baja sensibilidad (10-50 mV/g) para evitar la saturación en trituradoras, molinos y equipos de alto desequilibrio.
- Choque e impacto: sensibilidad muy baja (1-10 mV/g) hasta alcanzar ±1000g o más para pruebas de impacto y choque.
4. Efecto sobre las mediciones
Nivel de señal, rango dinámico y ruido
- Nivel de señal: Una mayor sensibilidad proporciona una mayor tensión de señal que llena mejor el rango de entrada del instrumento y mejora la resolución, pero limita la vibración máxima medible.
- Rango dinámico: el intervalo desde el ruido de fondo hasta la saturación; una sensibilidad alta proporciona un intervalo estrecho (bueno para señales pequeñas), una sensibilidad baja un intervalo amplio (bueno para señales variables): un compromiso directo entre resolución y alcance.
- Rendimiento acústico: Cada sensor tiene un nivel mínimo de ruido eléctrico inherente; una mayor sensibilidad proporciona una mejor relación señal/ruido para vibraciones bajas, mientras que ese ruido se vuelve proporcionalmente más significativo a medida que disminuye la sensibilidad.
Una comprobación práctica: 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 adaptado hasta su límite máximo de 50 g; todo lo que sobrepase los clips.
5. Calibración y verificación
La sensibilidad sólo es útil si es exacta y actual, por eso se verifica en tres momentos de la vida de un sensor.
- Calibración de fábrica: Los nuevos sensores se calibran en 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 desviarse con el tiempo, así que recalibre anualmente o según lo programado, tome el valor actualizado del nuevo certificado e introdúzcalo en el instrumento o aplique una corrección.
- Verificación sobre el terreno: un calibrador portátil aplica una vibración de referencia conocida para que pueda confirmar que la salida coincide con el valor esperado (sensibilidad × entrada): una comprobación rápida antes de realizar mediciones importantes.
Esto es distinto de calibración permanente en el equilibrado de rotores, donde el término se refiere a la calibración almacenada y reutilizable de una máquina equilibradora en lugar de a la ganancia de un transductor.
6. Especificaciones relacionadas
- Rango de medición: la vibración máxima que puede captar el sensor, inversamente relacionada con la sensibilidad: un sensor de 100 mV/g con una salida de ±5 V da un rango de ±50g.
- Resolución: el cambio detectable más pequeño, limitado por el ruido y la digitalización; una mayor sensibilidad suele significar una mejor resolución.
- Linealidad: lo constante que se mantiene la sensibilidad en todo el rango de medición: los buenos sensores mantienen una desviación de < 1% respecto a la lineal, especificada como porcentaje del error a fondo de escala.
7. Consideraciones prácticas
Adaptación de los instrumentos y flotas mixtas
- Coincidencia de entrada: el rango de entrada del instrumento debe ajustarse a la salida del sensor: un sensor de 100 mV/g a 50g produce 5 V, que deben ajustarse a una entrada de ±5 V; las ganancias de entrada ajustables permiten que un instrumento maneje diferentes sensibilidades.
- Sensores múltiples: Utilizar sensores de distintas sensibilidades en un mismo programa implica configurar el instrumento para cada uno de ellos, y la introducción de una sensibilidad incorrecta es una fuente habitual de error.
En un instrumento portátil, la cifra de sensibilidad es exactamente la que necesita el software para convertir los milivoltios del transductor en las lecturas de amplitud y fase utilizadas para el diagnóstico y el equilibrado. 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; la introducción del valor correcto es lo que garantiza que una lectura 1× en mm/s sea lo suficientemente fiable como para calcular una corrección de equilibrado. Si la sensibilidad introducida no coincide con la del sensor instalado, todos los números siguientes serán erróneos en la misma proporción. Puede comprobar el resultado esperado para un sensor y una vibración determinados con nuestra herramienta Calculadora de sensibilidad del sensor de vibración.
La sensibilidad del sensor es la especificación fundamental que define la conversión entre vibración física y señal eléctrica. Comprender las unidades, elegir un valor que coincida con el nivel de vibración previsto e introducirlo correctamente en el instrumento de medición es esencial para realizar mediciones precisas, seleccionar un sensor sólido y evitar los errores derivados de desajustes de sensibilidad o saturación.
