Entendendo os Acelerômetros Piezoelétricos
A acelerômetro piezoelétrico é um vibração sensor que aproveita o efeito piezoelétrico — a propriedade pela qual certos cristais geram uma carga elétrica quando submetidos a tensão mecânica — para converter a energia mecânica aceleração num sinal elétrico proporcional à amplitude da vibração. Quando o sensor acelera, uma massa sísmica interna comprime ou deforma um elemento piezoelétrico, e a carga ou tensão resultante é condicionada e emitida como um sinal de medição. Graças a uma ampla gama de frequências (aproximadamente 0,5 Hz a mais de 50 kHz), alta sensibilidade, robustez e um elemento sensor autogerador que não necessita de alimentação externa, o acelerómetro piezoelétrico é o sensor de vibração mais utilizado na indústria e a base da moderna análise de vibração e monitorização do estado.
1. O efeito piezoelétrico
Princípio físico
- Certos cristais (quartzo, turmalina) e cerâmicas (PZT, titanato de bário) são piezoelétricos.
- A tensão mecânica gera uma carga elétrica nas superfícies do cristal.
- A carga é proporcional à força aplicada.
- O efeito é reversível — a aplicação de tensão faz com que o elemento se deforme.
- É autogerador, pelo que não é necessária energia para produzir a própria carga.
No interior do acelerómetro
A cadeia que vai do movimento ao sinal é curta e direta:
- A vibração faz com que a base e a caixa do sensor vibrem.
- A massa sísmica interna sofre uma força, F = m × a.
- Essa força exerce tensão sobre o cristal piezoelétrico.
- O cristal gera uma carga proporcional à força e, por conseguinte, à aceleração.
- A carga é captada pelos elétrodos e convertida num sinal mensurável.
Como a saída acompanha a aceleração, o mesmo sinal pode ser integrado eletronicamente para velocidade para a análise de falhas de média frequência, ou utilizado diretamente em trabalhos de alta frequência.
2. Tipos segundo o desenho interno
A forma como o cristal é submetido à carga pela massa sísmica define as características do sensor.
- Tipo de compressão: o modelo mais comum, com o cristal comprimido entre a massa e a base. Resistente e com uma ampla gama de temperaturas, é adequado para ambientes adversos — mas pode ser mais sensível à deformação da base e a picos de temperatura.
- Tipo de cisalhamento: o cristal é submetido a um esforço de cisalhamento devido ao movimento da massa. Esta geometria proporciona um excelente isolamento da deformação da base, uma melhor resposta em baixas frequências e uma baixa sensibilidade a variações transitórias de temperatura, razão pela qual o acelerómetro de cisalhamento é a escolha de excelência para medições exigentes.
- Tipo flexional (flexão): O cristal funciona por flexão, permitindo uma sensibilidade muito elevada, mas é menos robusto e menos comum na aplicação industrial.
3. Tipos de aparelhos eletrónicos
A segunda classificação diz respeito ao facto de os componentes eletrónicos de condicionamento do sinal se encontrarem no interior ou no exterior do sensor.
- Modo de carregamento: o resultado é uma carga bruta em picocoulombs, o que requer uma fonte externa amplificador de carga. A saída de alta impedância é sensível ao movimento do cabo e ruído triboelétrico, mas, como não possuem componentes eletrónicos internos, estes sensores suportam temperaturas extremas (até cerca de 650 °C), tornando-os indispensáveis para aplicações especializadas em ambientes de alta temperatura.
- IEPE / ICP (modo de tensão): Os componentes eletrónicos integrados convertem a carga numa tensão de baixa impedância. O IEPE interface — também descrita como uma acelerómetro em modo de tensão — é o padrão da indústria, oferecendo uma conectividade simples de dois fios e uma excelente imunidade ao ruído. É adequado para mais de 95 % das aplicações industriais.
4. Especificações de desempenho
Sensibilidade
Sensibilidade é a saída por unidade de aceleração — normalmente 10–100 mV/g para sensores IEPE, ou 1–100 pC/g para o modo de carga. Uma sensibilidade mais elevada proporciona uma resolução mais precisa, mas um intervalo máximo mais reduzido; por isso, o valor é escolhido de forma a corresponder aos níveis de vibração esperados; o Calculadora da sensibilidade do sensor de vibração ajuda a converter entre uma tensão de saída e a aceleração correspondente.
Faixa de frequência
- Baixa frequência: um limite inferior de cerca de 0,5–5 Hz, definido pela eletrónica.
- Alta frequência: um limite superior de 5–50 kHz, determinado pelo dispositivo instalado ressonância.
- Gama de utilização: geralmente até cerca de um terço da ressonância freqüência, onde a resposta permanece estável.
- Efeito de montagem: O método de montagem limita significativamente a resposta em alta frequência que é possível obter.
Intervalo de amplitude e gama dinâmica
- Utilização geral: ±50 g a ±500 g.
- Alta sensibilidade: ±5 g a ±50 g.
- Sensores de choque: ±500 g a ±10 000 g.
O sinal nunca deve exceder o alcance do sensor, caso contrário, ocorrerá saturação e poderá danificar o elemento; um amplo gama dinâmica permite que um único sensor detecte tanto os ruídos fracos dos rolamentos como as fortes vibrações causadas pela velocidade de funcionamento na mesma medição.
5. Critérios de seleção
A escolha do sensor adequado à tarefa é o elemento central de uma boa configuração de medição.
- Monitorização geral de máquinas: um acelerómetro IEPE de 100 mV/g com uma amplitude de ±50 g, uma resposta de 1 Hz a 10 kHz, uma faixa de temperatura industrial (−40 a +120 °C) e uma vedação hermética.
- Detecção de defeitos nos rolamentos: uma resposta de frequência mais ampla (até mais de 20 kHz) para captar frequências de falhas em rolamentos, sensibilidade moderada (10–50 mV/g), ampla gama dinâmica e montagem com pinos para o melhor acoplamento de alta frequência — a combinação ideal para detetar sinais incipientes defeitos de rolamento.
- Aplicações a altas temperaturas: IEPE para altas temperaturas (até cerca de 175 °C) ou modo de carga (até cerca de 650 °C), com montagem e cablagem especiais, aceitando algumas limitações de desempenho em troca da capacidade de resistência à temperatura.
6. Montagem e instalação
A interface de montagem faz parte do sistema de medição: determina a ressonância de montagem e, consequentemente, o limite de alta frequência. Da melhor à pior:
- Fixação por pinos: o melhor acoplamento, plano até mais de 10 kHz.
- Adesivo: boa, estável até cerca de 7–8 kHz.
- Magnético: aceitável, plana até cerca de 2–3 kHz.
- Sonda / portátil: insuficiente — limitado às baixas frequências e a leituras qualitativas.
Para obter dados de alta frequência fiáveis, a superfície deve estar limpa e plana, o parafuso deve estar apertado com o binário correto, a camada de adesivo deve ser fina e uniforme, a base magnética deve estar totalmente encaixada e o cabo deve estar bem fixado para evitar que seja puxado. O calculadora de ressonância de montagem estima onde termina a faixa utilizável de cada método; no caso de sensores instalados de forma permanente, os princípios da correta montagem do sensor estão codificados em ISO 5348.
No terreno, estes sensores constituem a parte frontal de todos os analisadores portáteis. Um instrumento de dois canais, como o Balanset-1A utiliza acelerómetros IEPE para captar a amplitude e a fase sincronizadas necessárias para análises em um e dois planos equilíbrio e para diagnósticos de rotina nos próprios rolamentos da máquina à velocidade de funcionamento. Em conjunto com o sensor de proximidade e o transdutor de velocidade, o acelerómetro piezoelétrico é um dos três principais sensores de vibração transdutores — e, de longe, o mais versátil, razão pela qual continua a ser a espinha dorsal da monitorização de vibrações, do diagnóstico e do equilíbrio industrial em todo o mundo.
