por Chedas Sampaio Maio 2015 Medição de vibrações em equipamentos e/ou estruturas usando sensores low cost

Transcrição

1 Medição de vibrações em equipamentos e / ou estruturas usando sensores low cost por Chedas Sampaio Maio

2 ESTRUTURA DA APRESENTAÇÃO Vibração Medição de vibrações Acelerómetro MEMS Aplicações low cost 2

3 VIBRAÇÃO 3

4 Einstein VIBRAÇÃO "We have been all wrong! What we have called matter is energy, whose vibration has been lowered as to be perceptible to the senses. There is no matter." 4

5 VIBRAÇÃO A vibração afecta a nossa vida 5

6 VIBRAÇÃO É fundamental dominar a vibração Observar Medir c Compreender 2 x, t w x t 4 2 w, 4 2 x t Controlar 6

7 VIBRAÇÃO É fundamental dominar a vibração Observar Medir n N d BPO 1 cos 2 60 D N d 1 60 D FT Compreender BS D d N 1 60 d D cos n N d BPI 1 cos 2 60 D cos 2 Controlar 7

8 Aplicações na Engenharia VIBRAÇÃO 8

9 MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES 9

10 MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES Controlo de condição de estruturas (SHM) 10

11 MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES Controlo de condição de estruturas (SHM) Acelerómetro piezoeléctrico Sistema de aquisição multicanal (condicionamento e placa de aquisição) Computador com software de aquisição e processamento 11

12 MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES Controlo de condição de estruturas (SHM) Gerador de sinal, Amplificador de potência e Shaker electromagnético Martelo de impacto Transdutor de força 12

13 MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES Controlo de condição de máquinas (CM) 13

14 MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES Controlo de condição de máquinas (CM) Sensor de proximidade Acelerómetro piezoeléctrico Lâmpada estroboscópica Colector de dados Sensor fotoeléctrico 14

15 MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES Controlo de condição de máquinas (CM) 15 Medição de vibrações em equipamentos e/ou estruturas usando sensores low cost

16 MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES Acelerómetro Mede acelerações, estáticas ou dinâmicas. Sinal de saída em pc ou mv. Tipos: Acelerómetro piezoeléctrico (1950) Acelerómetro MEMS (1979 Univ Stanford USA) 16

17 MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES Acelerómetro piezoeléctrico Cristais piezoeléctricos (Quartzo) e Cerâmicas piezoeléctricas (ferroeléctrica) Princípio: efeito piezoeléctrico (certos materiais geram uma carga eléctrica quando sujeitos a tracções ou compressões. O acelerómetro ao mover se provoca um movimento relativo entre a massa de prova e o sensor que se transforma em tensões e compressões proporcionais à aceleração da estrutura) Construção: 1 gdl massa suspensa numa mola 17

18 MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES Acelerómetro piezoeléctrico Acelerómetro de carga (aplicações em elevada temperatura e radiação) Sensor piezoeléctrico sem condicionamento de sinal integrado porque as condições de alta temperatura e radiação podem danificar. É necessário amplificador de carga e condicionamento de sinal. Acelerómetro IEPE (Integrated electronic piezoelectric accelerometer)e ICP (integrated circuit piezoelectric) (aplicações usuais) Tem condicionamento de sinal integrado e por isso necessita de alimentação. 18

19 MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES Acelerómetro piezoeléctrico. 1º acelerómetro Kistler Instruments 1957 Gulton Corporation 1950 Bruel & Kjaer início anos 1950 Endevco

20 MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES Acelerómetro piezoeléctrico. Fabricantes Bruel and Kjaer 1942 Kistler Instruments (SLW) 1943 (Buffalo, NY) 1954 Gulton Manufacturing Company (aprox) 1944 Endevco 1947 Columbia Research Laboratories 1955 Wilcoxon Research 1960 PCB Piezotronics 1967 Dytran

21 MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES Acelerómetro piezoeléctrico. Vantagens/Desvantagens Utilização generalizada e bem aceite pela indústria Banda de frequência útil 0.25 Hz 20 khz Intervalo dinâmico grande mg kg Compacto, variadas dimensões, desde 1 g Resistente Elevado custo (condicionamento e aquisição do sinal) 21

22 ACELERÓMETRO MEMS 22

23 ACELERÓMETROS MEMS Tecnologia MEMS Micro Electrical Mechanical Systems (Componentes de 1 micrómetro a 1 milímetro) Tecnologia: Princípio piezoresistivo (1971 sensor de pressão) Princípio condensador (1980 sensor de pressão) 23

24 ACELERÓMETROS MEMS Acelerómetro piezoresistivo Materiais piezoresisitivos (Silício e Germânico) Princípio: efeito piezoresistivo (certos materiais variam a sua resistência eléctrica quando sujeitos a tracções ou compressões) Construção: viga encastrada livre com massa de prova na extremidade livre e material piezoresistivo no vão da viga. 24

25 ACELERÓMETROS MEMS Acelerómetro capacitivo Princípio: variação da capacidade (a capacidade de um condensador é inversamente proporcional à distância entre placas. A distância entre placas varia com a aceleração da massa de prova) Construção: massa de prova móvel (vibração) e eléctrodos condutores fixos 25

26 Aplicações ACELERÓMETROS MEMS Indústria automóvel (air bag, ABS, suspensão,...) Indústria militar Indústria das telecomunicações (smartphones) Testes de vibrações para avaliação de desempenho de produtos Computadores (disco, câmara) Indústria de vídeo jogos 26

27 ACELERÓMETROS MEMS Vantagens e desvantagens Reduzida dimensão Reduzido peso Desempenho nas baixas frequências Baixo custo (<10% acelerómetro piezoeléctrico) Condicionamento e aquisição de sinal integrado no sensor Integração com outros sensores Frequência máxima não tão elevada com o piezoeléctrico 27

28 ACELERÓMETROS MEMS Fabricantes Analog Device Silicon Designs Phidgets Endevco Motorola Comprar on line

29 APLICAÇÕES LOW COST 29

30 APLICAÇÕES LOW COST Indústria Medição de vibrações estruturais Avaliação da probabilidade de ocorrência de dano estrutural em edifício industrial por efeito de solicitação dinâmica impulsiva 30

31 APLICAÇÕES LOW COST Indústria Identificação das Deformadas Operacionais 31

32 APLICAÇÕES LOW COST Investigação Identificação de dano estrutural 32

33 Ensino APLICAÇÕES LOW COST Novo paradigma Professor o professor prepara as suas experiências e demonstrações práticas, muita da teoria pode ser confrontada em tempo real com a demonstração prática, o professor tem um laboratório virtual ao seu dispôr Aluno cada aluno tem um laboratório portátil pessoal, cada aluno constrói o seu laboratório, o aluno trabalha ao seu ritmo, o aluno é autónomo, o aluno recorre à teoria para resolver o problema prático (real) 33

34 Ensino APLICAÇÕES LOW COST Elementos chave: Dados Reais: Sensores e actuadores low cost Simulados: Sistemas de modelação multi corpo rígido (2D e 3D) e FEM Aquisição Real: Sensores com condicionamento de sinal e aquisição ou placa de som do computador Simulada: Instrumentos virtuais Processamento Software de computação técnica 34

35 Ensino APLICAÇÕES LOW COST Acelerómetro triaxial 40 Minicomputador Arduino 70 Sensor de proximidade 11 Placa aquisição 80 Minicomputador Rasperry PI 55 35

36 APLICAÇÕES LOW COST Ensino Medição da passada humana 36

37 APLICAÇÕES LOW COST Ensino Controlo de condição de máquinas 37

38 APLICAÇÕES LOW COST Ensino Analisador de vibrações virtual 38 Medição de vibrações em equipamentos e/ou estruturas usando sensores low cost

39 APLICAÇÕES LOW COST Ensino Laboratório em casa 39 Medição de vibrações em equipamentos e/ou estruturas usando sensores low cost

40 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Evolution and comparison of accelerometer technologies, Patrick L. Walter, TCU Engineering and PCB Piezotronics [2] Classification on MEMS Accelerometer and Device Application, Chin Yong Huan, Haslina Jaafar and Nurul Amziah Md Yunus, ISBN: SDIWC [3] Performance evaluation of MEMS accelerometers, A. Albarbar, A. Badri, Jyoti K. Sinha, A. Starr, University of Manchester, University of Hertfordshire [4] Using Accelerometers in a Data Acquisition System, Bob Judd, United Electronic Industries, Inc., [5] Tutorial on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Bruce Kim, Arizona State University [6] Mems accelerometers, Matej Andrejašiˇc, University of Ljubljana, 2008 [7] Sensores piezoresistivos e sensores piezoelétricos, Lucas Ferreira de Souza; Rosa Maria Ribeiro, VIII EPCC Encontro Internacional de Produção Científica Cesumar,

41 FIM 41