FACULDADE EDUCACIONAL ARAUCÁRIA VALDIR GOMES JUNIOR SENSORES DE ACELERAÇÃO

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1 1 FACULDADE EDUCACIONAL ARAUCÁRIA VALDIR GOMES JUNIOR SENSORES DE ACELERAÇÃO ARAUCÁRIA 2013

2 2 VALDIR GOMES JUNIOR SENSORES DE ACELERAÇÃO Trabalho apresentado para avaliação da matéria de Sistemas de Controle e Instrumentação, do 6º período de Engenharia de Produção, para obtenção da nota parcial do 2º bimestre. ARAUCÁRIA 2013

3 3 1 INTRODUÇÃO Os sensores de aceleração, também conhecidos como acelerômetros, têm por finalidade medir a variação da aceleração dos equipamentos onde são instalados, analisando, por exemplo, vibrações de máquinas. No sistema de air bag, o acelerômetro capta o impacto sofrido pelo automóvel e ativa o sistema de segurança. Nas novas tecnologias de celulares é usado para capturar movimentos do aparelho durante jogos e outros aplicativos.

4 4 1.1 OBJETIVOS Objetivo geral Conhecer o equipamento e mostrar suas funções, tanto na área automobilística onde se há uma grande aplicação, como também na indústria mecânica e equipamentos eletrônicos Objetivos específicos Conhecer o equipamento; Apresentar o conceito físico; Apresentar os principais tipos de acelerômetros; Mostrar suas aplicações; Mostrar o funcionamento de um air bag;

5 5 2 DEFINIÇÃO Um acelerômetro é um instrumento capaz de medir a aceleração de objetos. Cada vez mais empregado nos aparelhos eletrônicos portáteis e largamente usado em equipamentos de segurança para carros, o acelerômetro possibilita uma nova interação com a máquina. Ao invés de posicionar diversos dinamômetros (instrumento que medem força) em lugares diferentes do objeto, um único acelerômetro é capaz de calcular qualquer força exercida sobre ele, como choque, vibração, movimentos angulares e retilíneos. Acelerômetro elétrico Fonte: 3 DEFINIÇÃO FÍSICA DE ACELERAÇÃO Na Física, aceleração é a taxa de variação da velocidade em relação ao tempo, ou seja, é a rapidez com que a velocidade de um corpo varia. É uma grandeza vetorial que como tal possui módulo, direção e sentido. No Sistema Internacional de Unidades (SI) a unidade de aceleração é o metro por segundo ao quadrado (m/s2). O movimento retilíneo uniforme variado (MRUV), a velocidade varia de forma uniforme em todos os instantes do movimento. Assim, a aceleração do movimento é constante e pode ser determinada da seguinte forma:

6 6 am é a aceleração média; ΔV é a variação de velocidade: ΔV= V2 V1 Δt é o intervalo de tempo que ocorre a variação da velocidade: Δt = t2 t1. Segundo a primeira lei de Newton: Todo corpo permanece em repouso até que alguma força externa aja sobre ele. Já a segunda lei define a força aplicada como o produto da massa do corpo pela sua aceleração. Logo, medindo a aceleração aplicada sobre um corpo, é possível determinar a força aplicada sobre ele através distensão da mola, originando uma força elástica de sentido contrário. Medindo o comprimento da mola determina-se a aceleração segundo o eixo de leitura do acelerómetro. Como qualquer massa está constantemente sujeita à força gravitacional, os acelerómetros medem uma aceleração que não existe, de sentido contrário à gravidade. Assim a medida, designada por força específica, resulta da aceleração, adicionada à aceleração da gravidade. 4 APLICAÇÃO DOS ACELERÔMETROS Sismografia. Detecção de movimentos. Detecção de queda livre. Detecção de inclinação (TILT). Detecção de capotagem. Sismógrafos, aparelhos para detecção de terremotos. Alarme antirroubo, detector de quedas de humanos, sistemas de estabilização de imagem em câmeras fotográficas digitais, etc. HDs, notebooks, telefones celulares, Mp3player, etc. Reconhecimento de movimentos, jogos, rolagem de aplicativos, interface de usuário, etc. Acionamento do Air Bags laterais em veículos, controle de estabilidade e

7 7 tração. Vibrações de motores e equipamentos industriais. Detecção de batidas, pancadas, choque mecânicos; Colisões. Pedômetros. Gravadores de movimentos. Detecção de batidas de automóvel. Estabilidade de motores e técnicas de controle de plantas industriais. Plantas de envio de encomendas, transportes de cargas, áreas de logística, manuseio de encomendas de produtos. Caminhadas, corridas, exercícios, aparelhos de ginásticas em academias, etc. Data recorders, gravadores de movimentos, etc. Disparo de Air Bag. 5 PRÍNCIPAIS CARACTERÍSTICAS DOS ACELERÔMETROS Duas das principais características que devem ser observadas para especificar um acelerômetro são: 5.1 QUANTIDADE DE EIXOS O modo de construção do dispositivo permite que ele forneça informações em até 3 eixos simultaneamente, geralmente chamados pelos fabricantes de X, Y e Z. Alguns modelos medem apenas um ou dois eixos. 5.2 FAIXA DE MEDIÇÃO Informa qual é a capacidade de medição do sensor, com valores negativos (desaceleração) e positivos (aceleração). Esta faixa será importante para determinar em qual aplicação o sensor pode ser utilizado 6 SISTEMA MASSA-MOLA

8 8 O sistema massa é mola é implementado nos acelerômetros utilizando uma barra de silício e 4 âncoras conectadas a cada canto dessa barra. Quando essa massa sofre uma aceleração, ela se desloca em relação às âncoras que a sustentam. Teoricamente, esse deslocamento é proporcional à aceleração sofrida, mas como esse sistema não é ideal o deslocamento não representa totalmente a aceleração. Esse erro introduzido pelo sistema mecânico é compensado mais tarde por um complexo sistema de condicionamento. Esse sistema de massa e mola só mede acelerações em um único eixo. Representação de sistema massa-mola Fonte: 7 ALGUNS TIPOS DE ACELERÔMETROS Existem vários tipos de acelerômetros. Cada um possui características únicas, vantagens e desvantagens. Os mais comuns são os capacitivos, os piezoelétricos e os piezoresistivos. 7.1 SENSORES DE ACELERAÇÃO PIEZOELÉTRICOS Acelerômetros piezoelétricos são os transdutores mais largamente usados para converter a aceleração do movimento vibratório em um sinal elétrico proporcional, para propósito de medição, monitoramento e controle. Porém, estes acelerômetros não permitem medidas de estado constante, como a força da gravidade de terra, ou transientes muito lentos, como aceleração ou frenagem de automóvel. Graças a sua ampla faixa dinâmica (alcance de aceleração) podem ser empregados para medir vibração senoidal, randômica ou transitória, como em choques e

9 9 impactos passageiros. Além disso, possuem alta sensibilidade e ampla faixa de frequências (0,1 a Hz). Existem modelos adequados para utilização em aplicações de baixíssimas frequências, como em testes sísmicos, ou até em frequências muito elevadas, como em estudos de engrenagens e palhetas de turbina. Considerando que acelerômetros piezoelétricos são dispositivos estáticos essencialmente sólidos, eles são muito duráveis e resistentes ao abuso. Não há partes móveis, o que lhe confere grande resistência e uma característica de operação confiável e repetitiva em ambientes extremos. Peso e dimensões reduzidas facilitam o seu emprego em análise modal e testes de estruturas, assim como em medições de choques experimentados por produtos empacotados durante o transporte, para a determinação da eficácia de embalagens. Em suma, as características dos acelerômetros piezoelétricos os têm transformado no transdutor padrão para a maioria das aplicações industriais de medidas de vibrações e choques. Acelerômetro piezoelétrico. Fonte: ACELERÔMETROS CAPACITIVOS

10 10 Os acelerômetros para ativação de Air Bag são, atualmente, na sua maioria capacitivos. Consiste de um sistema massa mola bem como um sistema para medir deslocamento e um circuito de condicionamento de sinal apropriado. A massa é uma barra de silício, e o sistema de mola é implementado pelas quatro restrições que se unem a cada canto da massa. Elas respondem a acelerações que ocorrem na linha com o comprimento da massa. Quando uma aceleração ocorre, a massa move-se com respeito às terminações ancoradas das restrições. Falando grosseiramente, a aceleração é proporcional ao deslocamento da massa. Isto não é bem verdade neste caso, desde que o sistema de mola não é de mola ideal. Este fato é compensado por alguns circuitos condicionadores de sinal mais sofisticados presentes no dispositivo. Acelerômetro capacitivo Fonte: ACELEROMETRO PIEZOTRANSISTOR Um acelerômetro piezotransistor contém uma caneta ligada a uma massa sísmica. A ponta afiada da agulha está em contato com a área sensível-a-stress da junção pn de um transistor. A força desenvolvida devido à aceleração é transmitida para a caneta, cuja aresta afiada desenvolve uma tensão concentrada no semicondutor. As características elétricas do transistor são alteradas, causando uma alteração da corrente no circuito elétrico.

11 ACELEROMETRO PIEZORESISTIVO Neste tipo de acelerômetros, comparando com os piezoelétricos, surge um componente piezoresistivo em substituição ao cristal piezoelétrico. A força exercida pela massa faz variar a resistência, que é detectada por uma ponte Wheatstone. Estes acelerômetros têm a vantagem de conseguir medir acelerações até ao 0 Hz. 8 APLICAÇÃO EM ELETRÔNICOS Celulares, players e câmeras digitais abusam do posicionamento automático a imagem, mudar de faixa ou executar ações sem que botão algum seja pressionado. Em um computador, por exemplo, uma das funções do acelerômetro é evitar que o disco rígido seja danificado durante uma queda, parando o HD durante movimentos bruscos. Mas é nos jogos que este recurso tem sido mais explorado. A interatividade está em alta graças a este instrumento. Desde simples aplicativos que simulam o movimento de um sabre de luz até volantes de carros em títulos realistas, jogar um game ganhou um novo sentido com ele.

12 12 Jogo de corrida de carros em um tablet Fonte: 9 APLICAÇAO NA INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA Acelerômetros são utilizados em larga escala pela indústria automobilística para a medição de vibrações e choques mecânicos. Estas medições têm aplicação em diversos segmentos da engenharia de automóveis, como pesquisa e desenvolvimento, avaliação de componentes, certificação de produtos, segurança veicular, suspensões e pneus, conforto, etc. A engenharia automobilística requer a medição de vibrações mecânicas em diversas aplicações inerentes às suas atividades e responsabilidades. Dentre estas, destacamos atividades como: pesquisa e desenvolvimento, controle de processos produtivos, manutenção, usinagem de precisão, ensaios mecânicos, balanceamento, ensaios ambientais e de durabilidade, monitoração de máquinas, etc. Estas medições devem ser realizadas por técnicos treinados e qualificados a usar a instrumentação de medição segundo procedimentos adequados. Também é

13 13 recomendável que se use equipamentos calibrados para assegurar a qualidade dos resultados obtidos. Estes são requisitos para a rastreabilidade dos resultados de uma medição às diferentes unidades do sistema internacional de unidades. A capacidade metrológica existente hoje no País já oferece subsídios para o desenvolvimento de produtos de elevada qualidade pela indústria nacional, bem como para o reconhecimento internacional de ensaios e medições realizados para a avaliação de veículos e componentes. Atualmente, a indústria automobilística é um dos principais clientes do Laboratório de Vibrações do INMETRO. Enquanto no passado, este segmento industrial submetia transdutores de vibração de uso geral para calibração comparativa, hoje, na grande maioria, já demanda por calibrações primárias de conjuntos padrão compostos por um acelerômetro padrão e um condicionador de sinais. Isto demonstra o elevado grau de maturidade metrológica deste segmento e o aumento da capacidade de repasse local da rastreabilidade metrológica por calibrações comparativas. 10 FUNCIONAMENTO DO AIRBAG Quando um carro colide contra um obstáculo, o passageiro tende a projetar-se contra o para-brisa, ocasionando acidentes que podem ser fatais. Este efeito ocorre devido à rápida mudança do momentum (massa vezes velocidade), que vai a zero em um intervalo muito curto de tempo (menos de 1 s) e a forca necessária para tal. O carro desacelera nessa taxa, e o passageiro tende a continuar seu movimento. Em virtude deste tipo de acidente foi criado um conjunto de dispositivos com intuito de evitar esta colisão, o air bag. O sistema Air Bag é um sistema de proteção complementar ao cinto de segurança, ou seja, seu funcionamento visa complementar a segurança dada aos passageiros pelo cinto. Dessa forma, o air bag não deve ser visto como substituto do cinto de segurança. O sistema é composto por bolsas de ar que se inflam em frações de segundo comandadas por uma central eletrônica. O enchimento das bolsas ocorre devido a

14 14 um explosivo em forma de pastilhas que é detonado através de uma pequena quantidade de explosivo sólido queimado através de um pavio elétrico. Acionamento do sistema de Air Bag Fonte: Levantamento Bibliográfico das Tecnologias dos Acelerômetros Comerciais - Felipe Marcus Carneiro - FEM/UNICAMP O enchimento é rápido, assim como o esvaziamento da bolsa em seguida ao acionamento do sistema. As bolsas infláveis impedem que os ocupantes do veículo atinjam os componentes internos do veículo, tais como volante, painel e vidros. Elas agem como obstáculo entre os passageiros e o veículo, reduzindo em até 20% a gravidade dos acidentes frontais. O processo de funcionamento do sistema air bag é simples e ao mesmo tempo engenhoso. Ao ocorrer um impacto frontal de até 30 graus de inclinação em relação ao eixo longitudinal do veículo, um sensor piezo-cerâmico instalado na central de comando dispara um algoritmo de avaliação da desaceleração do veículo. Um gráfico é gerado internamente à central, analisando a tendência da desaceleração. Extrapolando o gráfico, a central estima se ocorrerá uma desaceleração maior que 2g (duas vezes a aceleração da gravidade). Um sensor mecânico de segurança confirma a presença de desacelerações maiores que 2g tem início o processo de disparo. Ainda considerando o gráfico, se estima o momento ideal de disparo dos

15 15 pré tensionadores e das bolsas, considerando os seguintes fatores : momento de maior desaceleração, instante que os ocupantes tendem a se chocar contra as partes internas do veículo, e velocidade de enchimento das bolsas. Após essa avaliação se chega à conclusão se é necessário acionar os pré tensionadores dos cintos somente, ou se é necessário o acionamento do conjunto pré tensionador / bolsas de ar. Uma vez acionado, o pré tensionador atua eliminando a folga existente entre o cinto e o ocupante, posicionando- o corretamente para receber a desaceleração imposta pela colisão. Após o pré tensionador, as bolsas são acionadas e, em cerca de 30 milissegundos, estão completamente cheias os passageiros mergulham nas bolsas, sendo protegidos. 150 milissegundos após o impacto, o processo de colisão já está terminado e as bolsas estão completamente vazias garantindo visibilidade ao motorista para que este efetue alguma manobra evasiva. 11 CONCLUSÃO A eficiência e segurança na utilização do maçarico podem ser conseguidas pela cuidadosa observação de procedimentos operacionais adequados, normas e precauções de segurança. A atividade é perigosa e requer que seja necessária a implantação de medidas para que seja preservada a segurança de todos que participam da operação. A análise preliminar de riscos é fundamental para prevenção de acidentes prevendo e recomendando ações gerais desde o planejamento, instalação, operação e pós operação da atividade a ser realizada, preservando o bem estar físico mental e social do colaborador.

16 16 12 REFERÊNCIAS [1] [2] APLICAÇÃO DE ACELERÔMETROS DE BAIXO CUSTO EM SISTEMAS AUTOMATIZADOS DE MEDIÇÃO. Simpósio do programa de pós-graduação em engenharia mecânica universidade federal de Uberlândia. Prof. Antônio Fernando Moura Santos. Disponível em: POSMEC20AntonioFernandoMouraSantos.pdf [3] [4] [5]

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