Sensores de Aceleração Sensores de aceleração (acelerômetros e giroscópios) são componentes do tipo inercial que fornecem um sinal elétrico proporcional à aceleração do sistema. São transdutores que convertem a energia mecânica associada ao movimento e em um sinal elétrico analógico. 1
Aplicações: Monitorar mudanças de velocidade (portanto, aceleração) devido ao choque, vibração ou impacto. Medição de ângulos da lança de guindastes. Medição de ângulo de inclinação em maquinário de construção pesada. Desvio de perfurações em sondagens. Sistemas de guias de navios, aviões, satélites. 2
1. Acelerômetros de deslocamento O acelerômetro mecânico mede, na realidade, a força de inércia sobre uma massa. Integrando-se a variável de saída (força), temse a velocidade de deslocamento e integrando-se novamente, tem-se o deslocamento. 3
Funcionamento A base da cápsula do acelerômetro é fixada ao corpo a ser monitorado segundo o eixo x. O acelerômetro de deslocamento é composto por: Uma massa m Um elemento elástico c, com coeficiente de elasticidade k Um elemento amortecedor com coeficiente de atrito viscoso r. (*) Admite-se que a massa m da cápsula seja desprezível, comparada à massa do corpo e que não há movimento da massa m segundo o eixo y. * Normalmente, os acelerômetros possuem um meio viscoso (ex: óleo de silicone) que também atua como elemento de amortecimento e evita oscilações da massa ou do sistema massa-mola. 4
Em condições de velocidade uniforme, ou seja, aceleração nula, a massa está na posição de repouso x 1. Quando ocorre uma aceleração a, a massa m é submetida à uma força pelo princípio da inércia. Esta força de inércia é m.a ' = -m.a e se opõe à força elástica de restauração da mola. A massa m passa a ter, então, uma nova posição de equilíbrio x 2 em que a força de inércia é contrabalanceada pela força de restauração da mola. 5
Não é possível exibir esta imagem no momento. Acelerômetros piezoelétricos Nos acelerômetros piezoelétricos, a mola (ou o sistema molaamortecedor) é substituída por uma pastilha piezoelétrica. As deformações da pastilha, provocadas pela movimentação da massa, resultam em variações da polarização dielétrica. É feita, então, uma associação entre as várias posições de equilíbrio da massa m e a aceleração. O deslocamento x (em cm) de m é dado por: x = a m K Onde, a: aceleração (cm/s 2 ) m: massa (g) K: constante da mola (dyna/cm) 6
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2. Acelerômetros de deformação Convertem a aceleração numa variação de resistência devido à deformação de um strain-gage num dos braços de uma ponte de Wheatstone. FULLER, James L. Robotics: Introduction, Programming, and Projects. Second Edition, 1999, 489 p. Prentice Hall, 8
No exemplo da figura são usados strain-gages parte superior e na inferior. A massa sísmica é suportada por molas que também suportam o enrolamento dos strain-gages. Quando a aceleração é de baixo para cima, a mola superior se move para cima, fazendo com que a tensão do strain-gage superior aumente e a do inferior diminua Também é imerso em algum fluido viscoso para prover algum tipo de amortecimento Este sistema, é sensível a componente absoluta da aceleração na direção do eixo de deslocamento. 9
Quanto maior a massa sísmica, maior será a força exercida nos strain-gages e maior será a sensibilidade Porém, uma massa sísmica grande significa uma frequência de ressonância mais baixa e desse modo, o carregamento imposto à plataforma cuja aceleração está sendo medida, será maior. 10
Uma variação mais simples usando strain-gages, é a aplicação destes em um suporte (lâmina ou viga) tipo cantilever, aonde está conectada a massa sísmica (fig. 6.6b). Apesar de serem menos sensíveis, possuem a vantagem de poder ser fabricados em tamanhos compactos. 11
Acelerômetros com LVDT Outra configuração de acelerômetro é a que usa um LVDT posicionado sob um cantilever e sobre este, está apoiada uma massa W (fig. 6.7) Outra configurações Diferentes configurações podem ser obtidas, dependendo das necessidades de aplicações. Na fig. 6.7b, há um exemplo de configuração que usa 4 strain-gages, dois na parte superior da mola e dois na parte inferior. 12
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Material extraído de: THOMAZINI, DANIEL; ALBUQUERQUE, PEDRO U.B.; Sensores Industriais ; 4a. ed., São Paulo: Ed. Editora Érica, 2007. 14