acelerómetros y otros dispositivos de medición

Acelerómetros

y otros

dispositivos de

medición

Castillo Yáñez Martín

Navarro Oregel Alejandrina

Orozco González José Roberto

Solorio Cruz Eduardo

Descripción general

La aceleración es una cantidad física que indica el ritmo o tasa con que aumenta

o disminuye la velocidad de un móvil en función del tiempo. Su definición

completa requiere señalar dirección y magnitud, razón por la que normalmente se

representa mediante un vector. Sus dimensiones son longitud entre tiempo al

cuadrado y sus unidades, según el sistema internacional, son m/s^2.

Para analizar la operación del acelerómetro será necesario iniciar con la llamada

segunda Ley del Movimiento de Newton, la cual mediante la ecuación expresa la

relación entre fuerza, aceleración y masa. Siendo las dos primeras cantidades

vectoriales.

Muchos acelerómetros operan detectando la fuerza ejercida en una masapor una imitación elástica. Considerando un sistema mecánico simple, queconsiste enuna masa fija -> m ,con un muelle con una rigidez -> k (constante).Si la masa se desplaza una distancia x , la aceleración debida a la fuerzarestauradora del muelle es

F = k ⋅ x

Sustituyendo en la ecuación de Newton, encontramos que a = k ⋅ x / m y podemos derivar la magnitud de la aceleración observando el desplazamiento x de la masa fija. La Aceleración es el cambio de la velocidad. La unidad de medida es: m/s²,aunque podemos encontrarnos referencias de acelerómetros cuyo rango de actuación sea de varios g, donde g se define como

1g = 9.8m/s²

La medida de la aceleración es muy utilizada últimamente gracias a las

excelentes prestaciones de los sensores desarrollados para ser aplicados en

sistemas de seguridad en automoción como en el caso del airbag.

Los primeros sensores de aceleración eran unos sistemas muy complejos y

no muy fiables que se basaban en la medida de los desplazamientos de una

masa inercial sujeta a la aceleración con resortes que contrarrestaban el

efecto de la fuerza generada por la masa.

Otras variables que llevan implícita la medida de la aceleración son los

sensores de impacto que se caracterizan por la detección de fuertes

aceleraciones en cortos períodos de tiempo como en el caso de los sensores

de choque que disparan los airbag.

Definición

Los sensores utilizados para medir la aceleración se denominan

acelerómetros. Un acelerómetro como se intuye por su nombre es un

instrumento para medir la aceleración de un objeto al que va unido, lo

hace midiendo respecto de una masa inercial interna.

Los acelerómetros son sensores inerciales que miden la segunda

derivada de la posición. Un acelerómetro mide la fuerza de inercia

generada cuando una masa es afectada por un cambio de velocidad.

Componentes

o Una masa móvil, llamada masa de prueba o masa sísmica.

o Una suspensión formada por uno o varios soportes y resortes elásticos.

o Un amortiguador.

o Un mecanismo mediante el cual se registra el desplazamiento de la masa móvil.

¿Cómo funciona?

Los acelerómetros son dispositivos electromecánicos que detectan las fuerzas de

aceleración, ya sea estática o dinámica. Las fuerzas estáticas incluyen la gravedad,

mientras que las fuerzas dinámicas pueden incluir vibraciones y movimiento.

Los acelerómetros pueden medir la aceleración en uno, dos o tres ejes. Los de

tres ejes son más comunes conforme los costos de producción de los mismos baja.

Generalmente, los acelerómetros contienen placas capacitivas internamente.

Algunos de estos son fijos, mientras que otros están unidos a resortes

minúsculos que se mueven internamente conforme las fuerzas de aceleración

actúan sobre el sensor. Como estas placas se mueven en relación el uno al otro,

la capacitancia entre ellos cambia. A partir de estos cambios en la capacitancia,

la aceleración se puede determinar.

Otros acelerómetros se pueden centrar en torno materiales piezoeléctricos. Estos pequeña

carga eléctrica de salida estructuras cristalinas cuando se coloca bajo tensión mecánica (por

ejemplo aceleración).

Para la mayoría de los acelerómetros , las conexiones básicas que se requieren para la

operación son el poder y las líneas de comunicación.

Tipos

o Acelerómetros mecánicos

o Piezo-eléctrico

o Piezo-resistivo

o Capacitivos

o Térmicos

o Micromecánicos (MEMS)

Y diseños que aunque todos tienen el mismo fin pueden ser muy distintos unos de otros según la aplicación a la cual van destinados y las condiciones en las que han de trabajar.

Acelerómetros mecánicos

Emplean una masa inerte y resortes elásticos. Los cambios se miden con galgas

extensiométricos, incluyendo sistemas de amortiguación que evitan la propia oscilación.

En este tipo de acelerómetro, una (o más) galgas extensométricas hacen de puente

entre la carcasa del instrumento y la masa inercial, la aceleración produce una

deformación de la galga que se traduce en una variación en la corriente detectada por

un puente de Whetstone, la deformación es directamente proporcional a la aceleración

aplicada al acelerómetro.

Acelerómetros piezoeléctricos

Su funcionamiento se basa en el efecto piezoeléctrico. La palabra

piezo de origen griego significa “apretar”, por lo que se puede

deducir su comportamiento: una deformación física del material

causa un cambio en la estructura cristalina y así cambian las

características eléctricas. Su principal inconveniente radica en su

frecuencia máxima de trabajo y en la incapacidad de mantener un

nivel permanente de salida ante una entrada común.

Funcionamiento

El funcionamiento de este tipo de acelerómetros se basa en laspropiedades de los cristales piezo-eléctricos. Estos cristales cuando sonsometidos a alguna fuerza producen una corriente eléctrica, a causa de lavariación de su estructura cristalina.

Así que poniendo un cristal de este tipo entre la carcasa (unida al objetocuya aceleración se quiere medir) y una masa inercial se producirá unacorriente cuando ocurra una aceleración ya que la masa ejercerá una fuerzasobre el cristal. Midiendo esta corriente podremos calcular la aceleración,bien directamente si se trata de un acelerómetro de salida de corriente(culombios/g) o bien convirtiéndola a un voltaje de baja impedancia si setrata de un acelerómetro de salida de voltaje (ejemplo IEPE).

Los sensores piezoeléctricos propiamente dichos no incorporan más que el dispositivo

sensor, careciendo de una salida tan cómoda como los anteriores.

Acelerómetro

piezo-resistivo

Un acelerómetro piezo-resistivo a diferencia de uno piezo-eléctrico utiliza un

sustrato en vez de un cristal piezo-eléctrico, en esta tecnología las fuerzas que

ejerce la masa sobre el sustrato varían su resistencia, que forma parte de un

circuito que mediante un puente de Whetstone mide la intensidad de la

corriente. La ventaja de esta tecnología respecto a la piezo-eléctrica es que

pueden medir aceleraciones hasta cero Hz de frecuencia.

Acelerómetros capacitivos

Modifican la posición relativa de las placas de un microcondensadorcuando está sometido a aceleración. El movimiento paralelo de una de lasplacas del condensador hace variar su capacidad. Los acelerómetroscapacitivos basan su funcionamiento en la variación de la capacidad entredos ó más conductores entre los que se encuentra un dieléctrico, enrespuesta a la variación de la aceleración.

Los sensores capacitivos en forma de circuito integrado en un chip desilicio se emplean para la medida de la aceleración. Su integración en siliciopermite reducir los problemas derivados de la temperatura, humedad,capacidades parásitas, terminales, alta impedancia de entrada, etc.

Funcionamiento

La aceleración o desaceleración en el eje “SENSOR”, ejerce una fuerza a la masa

central. Al moverse libremente, la masa desplaza las minúsculas placas del condensador,

provocando un cambio de capacidad. Este cambio de capacidad es detectado y

procesado para obtener un voltaje de salida.

En este tipo de acelerómetros el elemento que conecta la masa inercial con la

carcasa es un condensador. Una de las paredes está fija, pegada a la carcasa y la otra

a la masa. Cuando ocurre una aceleración la masa presiona el condensador variando

el grosor entre pared y pared. Midiendo la capacitancia del condensador podemos

calcular la aceleración. Este tipo de acelerómetros son extremadamente resistentes,

pueden soportar aceleraciones de 30000g lo cual permite usarlo en mediciones de

aceleración de proyectiles de cañón.

Acelerómetros térmicos

Se trata de un nuevo acelerómetro basado en la convección termal.

Este tipo de acelerómetro posee un diseño de tecnología MENS muy

simple y práctico al mismo tiempo; simplemente utilizando un

sustrato de silicio en el cual se hace un hueco para meter una

pequeña resistencia que hace de calentador, con dos termopares en

los extremos. Con esta estructura conseguimos que se forme una

cavidad de aire caliente, llamamos burbuja, sobre los termopares.

Funcionamiento

La principal característica de estos dispositivos es que tienen sólo un elemento móvil, la burbuja diminuta de aire caliente, herméticamente sellado dentro de una cavidad existente en el encapsulado del sensor. Cuando una fuerza externa como el movimiento, la inclinación, o la vibración es aplicada, la burbuja de aire caliente se mueve de una forma análoga al mismo. El cambio de estado dentro de la cavidad del integrado, produce un voltaje que es función de la diferencia de temperatura y que tras ser amplificado, condicionado, se proporciona como salida el valor de un voltaje absoluto.

Acelerómetros micromecánicos

(MEMS)

Los avances en tecnología electromecánica micro de los sistemas (MEMS)han permitido la detección del movimiento o los sensores de inercia,conocidos como acelerómetros, para ser puesto en ejecución en muchosusos para las varias industrias.

Los acelerómetros están entre los primeros productos de micro sistemas(MST/MEMS) desarrollados, surgieron en el final de la década de 1980. Sinembargo, para alcanzar un éxito comercial necesitó el desarrollo que surgiódurante las décadas de los 70, 80, hasta la del 90 con aplicacionesprincipalmente en los mercados de la automoción y aeronáutica.

Los sensores micrómetro-clasificados miden el movimiento tal comoaceleración, vibración, choque, inclinación, e inclinación. Actualmente, con latecnología muy madura, fabricación en volúmenes muy elevados y a un bajocosto, los acelerómetros están en la mejor posición para moverse con éxitohacia otras aplicaciones, tales como el área médica, industrial y detransporte.

Con relación a la tecnología básica, distinguimos tres categorías principales de acelerómetros de MEMS:

o El capacitivo de silicio

o El piezorresistivo y

o Los acelerómetros térmicos

Hasta el momento, los acelerómetros capacitivos de silicio dominaban ampliamente el mercado.

Parámetros de elección

Hay dos parámetros principales a la hora de escoger el medidor adecuado, los rangos de funcionamiento de

o Temperatura

o Frecuencia

Otros parámetros importantes pueden ser el

o Tamaño

o Resistencia a golpes

o Precio

Criterios de elección

• Frecuencia de trabajo o margen de frecuencias de uso.

• Los valores máximos y mínimos del nivel de la señal que esperamos.

• Consideraciones acerca de la forma de montaje, el espacio disponible, salida de los cables …

• Otras consideraciones tales como la temperatura de trabajo, aspectos ambientales y de compatibilidad química o la necesidad de seguridad intrínseca.

Parámetros que proporciona

La medición proporciona los siguientes parámetros:

o Aceleración de la vibración

o Velocidad de vibración

o Variación de vibración

De este modo se caracterizan las vibraciones con precisión. Los acelerómetros sonportátiles y sus valores medidos se pueden almacenar parcialmente. Los acelerómetrosson una ayuda insustituible in situ para el profesional, puede realizar las medicionesexigentes en cada campo de la industria para poder resolver el problema técnico queexista.

Alcance

La mayoría de los acelerómetros tendrá un rango seleccionable de las fuerzas

que pueden medir. Estos intervalos pueden variar de ± 1g hasta ± 250g.

Típicamente, el más pequeño de la gama, es el más sensible. Por ejemplo, para

medir pequeñas vibraciones sobre una mesa , utilizando un acelerómetro de gama

pequeña proporcionará datos más detallados que el uso de uno de 250 g (que es

más adecuado para cohetes ) .

Características

Rango

Los límites superior e inferior de lo que el acelerómetro puede medir también se

conoce como su gama. En la mayoría de los casos, un rango menor a gran escala

significa una salida más sensible, así que usted puede obtener una lectura más

precisa de un acelerómetro con un rango de baja escala.

Interfaz de comunicaciones

Los acelerómetros pueden comunicarse a través de un convertidor analógico, digital, o interfaz de conexión modulada por ancho de pulsos (pwm) .

Los acelerómetros con una interfaz analógica entregan un voltaje proporcional a la aceleración en cada uno de sus ejes (hablando de uno de 3 ejes) que normalmente fluctúan entre tierra y el valor de alimentación Vcc. Estos suelen ser más baratos que los digitales y mucho más fáciles de usar.

Los acelerómetros con una interfaz digital pueden comunicarse a través de los protocolos de comunicación de SPI o I2C. Estos tienden a tener más funcionalidad y ser menos susceptibles al ruido que acelerómetros analógicas .

Los acelerómetros con salida modulada en ancho de pulso (PWM ) sus salidas son de onda cuadrada con un periodo conocido, pero un ciclo de trabajo que varía con cambios en la aceleración .

Los acelerómetros con una salida analógica producirán una tensión que es

directamente proporcional a la aceleración detectada. En 0g, la salida analógica será

residirá generalmente en alrededor de la mitad de la tensión de alimentación (por

ejemplo, 1,65 V para un sensor de 3,3 V ). En general, esta interfaz es el más fácil de

trabajar, usando solo un convertidor analógico a digital (ADC) presente en la mayoría

de los microcontroladores.

Características

adicionales

Algunos acelerómetros incluyen características como la detección del grifo

(útil para las aplicaciones de baja potencia ), detección de caída libre ( utilizados

para activar la Protección del Disco Duro), compensación de temperatura ( para

aumentar la precisión en situaciones de del alto riesgo ) y detección de 0g. La

necesidad de estos tipos de características en el acelerómetro será

determinada por la aplicación en la que se incorpora el acelerómetro.

Tabla comparativa

Goniómetro

Sirve para obtener

medidas angulares.

Un ejemplo sería un potenciómetro angular. Un electro-

goniómetro es un dispositivo que responde a cambios en la

posición angular mediante la producción de un cambio

detectable en sus características eléctricas.

Tipos

Goniómetro de Desviación Magnética Electro goniómetros

Instrucciones de uso

o Alinear el punto de apoyo del dispositivo con el punto de apoyo o la

articulación a medir.

o Alinear el brazo fijo del dispositivo con que se mide la extremidad.

o Mantenga los brazos del goniómetro en el lugar mientras que la

articulación se mueve a través de su rango de movimiento.

o El ángulo entre los puntos finales representa toda la gama de

movimiento.

Bibliografía

– http://5hertz.com/tutoriales/?p=228

– bibing.us.es/proyectos/abreproy/11638/fivhero/Capitulo+4.pdf

– www.ecured.cu/index.php/Acelerometro