CONSIDERAÇÕES PARA SELEÇÃO DE ACELERÔMETROS Carga e ICPCircuito Integrado Piezoelétrico

Existe uma ampla seleção de acelerômetros de carga (PE) e de Circuito Integrado Piezoelétrico (ICP®) disponíveis para uma grande variedade de aplicações de medição de choque e vibração. Os critérios de seleção devem incluir as especificações elétricas e físicas do acelerômetro, características de desempenho e considerações ambientais e operacionais. Comparar as vantagens e limitações dos dois sistemas pode ser útil na seleção de um acelerômetro e sistema de medição mais adequados para uma aplicação específica em laboratório, campo, fábrica, subaquática, a bordo de navios ou aerotransportada. Introdução Este artigo revisará as considerações de seleção de sensores envolvendo dois tipos gerais de sensores piezoelétricos. Tipo de saída de carga (PE) de alta impedância e ICP® com uma saída de baixa impedância característica. Além das características elétricas e físicas do sensor, vários fatores desempenham um papel na seleção de um acelerômetro para uma aplicação específica. Esses fatores incluem ambiente, operação, contagem de canais e compatibilidade do sistema

Introdução
Este artigo revisará as considerações de seleção de sensores envolvendo dois tipos gerais de sensores piezoelétricos. Saída de carga de alta impedância
(PE) e ICP® com uma saída de baixa impedância característica. Além das características elétricas e físicas do sensor, vários fatores
desempenham um papel na seleção de um acelerômetro para uma aplicação específica. Esses fatores incluem ambiente, operação, contagem de canais
e compatibilidade do sistema.

ACELERÔMETROS DO TIPO PIEZO ELÉTRICO (PE)

Os acelerômetros do tipo PE geram uma saída de carga eletrostática de alta impedância em resposta ao estresse mecânico aplicado ao seu elemento sensor piezo cerâmico ou cristal. Devido à sua alta sensibilidade de carga, as piezo cerâmicas têm sido amplamente utilizadas em acelerômetros de modo de carga e tensão. O quartzo, geralmente reconhecido como o mais estável de todos os materiais piezoelétricos, também é comumente usado em ICP de uso geralacelerômetros, padrões de transferência de calibração e sensores de pressão e força PE. Os sistemas de saída de carga estão disponíveis há cerca de 40 anos. Os acelerômetros PE operam por meio de cabo de baixo ruído em um amplificador de carga de alta impedância de entrada, que converte o sinal de carga em um sinal de tensão de baixa impedância utilizável para fins de aquisição. O amplificador de carga fornece conversão de impedância de sinal, normalização e ajuste de ganho/faixa. As opções podem incluir filtragem, integração para velocidade e/ou deslocamento e ajuste da constante de tempo de entrada, que determina a resposta de baixa frequência. Os amplificadores de carga modernos são projetados com circuitos de baixo ruído mais eficazes e podem incorporar displays LCD simplificados e controles digitais. Alguns modelos "duais" operam com acelerômetros PE e ICPA principal vantagem do sistema de carga de laboratório é a flexibilidade de ajustar e controlar a saída de carga eletrostática do acelerômetro PE. Amplificadores de carga em miniatura de estado sólido, geralmente com características fixas, têm sido historicamente usados para aplicações aerotransportadas. Os acelerômetros PE também podem operar em temperaturas mais altas do que os acelerômetros ICP® com eletrônica embutida. As principais limitações do sistema de carga PE envolvem a complexidade do sistema, a dificuldade de operação, a manutenção de circuitos de alta impedância em ambientes adversos e sujos e o aumento do ruído quandooperando por meio de cabos de entrada longos.Circuitos de alta impedância são geralmente mais suscetíveis a interferências elétricas.

ACELERÔMETROS DE CIRCUITO INTEGRADO PIEZOELÉTRICO (ICP®)

®incorporam um amplificador de carga ou tensão microeletrônico embutido, que funciona para converter a carga eletrostática de alta impedância do elemento sensor PE em um sinal de tensão de baixa impedância. Em projetos herméticos soldados, todos os circuitos de alta impedância são selados e blindados eletricamente dentro do acelerômetro. Os acelerômetros ICPforam fabricados pela primeira vez em meados da década de 1960. Os acelerômetros ICPoperam a partir de uma fonte de alimentação de corrente constante de baixo custo em um circuito de dois fios com sinal/alimentação transportados por um fio e o outro fio servindo como terra. O cabo pode ser coaxial ou de fita comum. Cabo de baixo ruído não é necessário. A corrente constante para operar o acelerômetro vem de uma unidade de alimentação separada ou pode ser incorporada dentro de um instrumento de leitura, como um analisador FFT ou coletor de dados. Acelerômetros eletrônicos integrados estão disponíveis sob vários nomes de marcas diferentes, como ICP(PCB Piezotronics), Isotron(Endevco), Delta-Tron(B&K) e Piezotron(Kistler), para citar alguns. Embora a eletrônica embutida seja um "fio comum", nem todos os acelerômetros eletrônicos integrados são necessariamente intercambiáveis ou "compatíveis" entre si. Alguns contêm circuitos MOSFET, outros JFETS. Alguns usam amplificadores de carga microeletrônicos híbridos, outros seguidores de tensão. Embora a maioria dos acelerômetros eletrônicos integrados opere de 2 a 4 mA de corrente constante, alguns operam com apenas 0,5 mA para baixo consumo de energia e outros operam até 20 mA para acionar cabos longos em altas frequências. Recomenda-se que as especificações do sensor e da alimentação ICP® sejam verificadas antes de assumir a compatibilidade. A principal vantagem da operação de baixa impedância é a capacidade dos acelerômetros ICP® de operar continuamente em ambientes adversos, por meio de cabos coaxiais longos e comuns, sem aumento de ruído ou perda de resolução. O custo por canal é menor, pois cabos de baixo ruído e amplificadores de carga não são necessários. A principal limitação envolve a operação em temperaturas elevadas, acima de 325 °F. Os acelerômetros ICP®, estruturados com elementos sensores de quartzo e eletrônica especial, funcionam bem em temperaturas criogênicas. A Tabela 1 é uma lista abrangente de vantagens e limitações dos acelerômetros PE e ICP®. Esta lista foi revisada e as contribuições foram fornecidas por consultores externos com anos de experiência em tecnologia de choque e vibração. A lista deve ser considerada "dinâmica", sujeita a entradas adicionais relativas a vantagens e limitações.

TABELA I  CONSIDERAÇÕES PARA SELEÇÃO DE ACELERÔMETROS PE & ICP®

SENSOR PE

Vantagens

-Flexibilidade no ajuste das características elétricas de saída dos acelerômetros corretamente

-Ampla faixa dinâmica

-Operação em temperaturas mais altas >500 °F

-Intercambialidade em sistemas de carga existentes

-Resposta de baixa frequência estendida

Limitações

-Requer treinamento e experiência para entender e operar circuitos de alta impedância

-Efeitos capacitivos do acelerômetro e do cabo aumentam o ruído e reduzem a resolução

-Circuitos de alta impedância devem ser mantidos limpos e secos. (Sensor, cabo de baixo ruído e amplificador de carga)

-Requer cabo especial de baixo ruído para minimizar o ruído triboelétrico

-Sistemas de alta impedância são mais suscetíveis a interferência elétrica e RF

-Tamanho e sensibilidade do acelerômetro PE estão diretamente relacionados - Uma consideração de sensibilidade/tamanho/carga de massa

-Custo por canal mais alto do que o tipo ICP(devido ao cabo de baixo ruído e amplificador de carga necessários)

Cada uma dessas considerações será agora revisada com mais detalhes para acelerômetros PE e ICPEm circuitos de sensor de dois fios ICP

VANTAGENS DOS ACELERÔMETROS PE

Flexibilidade®Um amplificador de carga de "bancada" de laboratório geralmente possui controles para ajustar e modificar o sinal de saída do acelerômetro PE. No mínimo, existem controles para normalizar a sensibilidade, definir o ganho e a faixa de escala total e aterrar. O amplificador de carga também pode ter capacidade para filtragem, integração e ajuste da constante de tempo de descarga, que determina a resposta de baixa frequência. Os amplificadores de carga de modo duplo também fornecem corrente constante, o que permite a operação com sensores PE de saída de carga e ICP®.

-®Normalmente, um acelerômetro PE de alta sensibilidade pode operar em uma ampla faixa dinâmica (>100 dB.) Quando usado com um amplificador de carga de laboratório, a saída de escala total pode ser definida para qualquer nível g dentro da faixa máxima. A faixa dinâmica pode ser definida como a faixa de operação da resolução à faixa máxima em que o sensor permanecerá na especificação. No entanto, nem a faixa dinâmica nem a resolução são especificadas para a maioria dos acelerômetros PE estruturados com cristal cerâmico. A faixa máxima é às vezes determinada pela não linearidade máxima aceitável associada à operação em uma faixa mais alta. A não linearidade é frequentemente expressa como uma porcentagem de "X" número de g's, por exemplo, 1% por 500 g's. A resolução é baseada no ruído do sistema, que é determinado pelo ganho do amplificador e pela carga capacitiva do cabo de entrada e do acelerômetro na entrada do amplificador de carga.

Operação em Alta Temperatura®Como o acelerômetro PE não contém eletrônica embutida, a temperatura de operação é limitada apenas pelo elemento sensor e pelos materiais usados na construção. Os acelerômetros PE operam comumente a 500 °F. Modelos especiais estão disponíveis para > 1000 °F. Para melhor precisão, o acelerômetro deve ser calibrado na temperatura de operação.

Intercambialidade- Praticamente qualquer acelerômetro PE é intercambiável em um sistema de saída de carga, com exceção de alguns modelos que podem ter resistência de isolamento muito baixa em altas temperaturas. Amplificadores de carga especiais estão disponíveis para operação com entradas de baixa resistência.

Resposta de Baixa Frequência Estendida®Os sensores de força de quartzo são comumente usados em aplicações de agitadores controlados por força. Quando acoplados a amplificadores de carga eletrostática de alta impedância de entrada (> 1012 ohm), os sensores de força de quartzo têm constantes de tempo de descarga na ordem de centenas ou milhares de segundos, conferindo excelente resposta de baixa frequência e capacidade de calibração estática

LIMITAÇÕES DOS ACELERÔMETROS PE

Experiência®Treinamento e experiência são necessários para entender, operar e manter sistemas de saída de carga. São necessários conhecimentos básicos de circuitos de alta impedância, cabos de baixo ruído, sensibilidade pC/g do sensor, efeitos de carga capacitiva, ruído do sistema, configuração dos controles do amplificador de carga e manutenção do sistema limpo e livre de umidade. Alguns amplificadores de carga mais recentes possuem controles digitais, o que simplifica a entrada de sensibilidade e a configuração da faixa.

Resolução®Embora a resolução para acelerômetros PE possa ser considerada infinita, a resolução geralmente não é especificada em uma folha de dados, pois é determinada pelo ruído do sistema. Até que os valores de capacitância para o sensor e o comprimento do cabo de entrada sejam determinados e o ganho do amplificador seja definido, a resolução não é conhecida. Isso pode apresentar incertezas para medições de baixo nível envolvendo cabos longos. Embora o aumento do comprimento do cabo não afete a sensibilidade, ele afeta o ruído do sistema e a resolução. A falta de capacidade de acionar cabos longos é uma das principais limitações do sistema de saída de carga do acelerômetro PE. Amplificadores de carga novos e mais modernos, com circuitos de baixo ruído, minimizam esse problema. O ruído "triboelétrico" gerado como resultado do movimento do cabo de entrada também pode degradar a resolução.

Ambiente Operacional®Acelerômetros PE de alta impedância e amplificadores de carga são mais adequados para operação em condições de laboratório limpas. Eles não funcionam bem em ambientes adversos de fábrica, a bordo de navios ou subaquáticos. Todos os componentes de alta impedância, incluindo o acelerômetro, o cabo de baixo ruído e o amplificador de carga, devem ser mantidos limpos e secos. A contaminação do circuito de alta impedância causa baixa resistência, perda de resposta de baixa frequência e deriva da linha de base.

Cabos e Conectores®Os acelerômetros PE exigem o uso de cabo coaxial de alta resistência de isolamento e baixo ruído. O cabo de baixo ruído possui um lubrificante de grafite embutido na camada dielétrica para minimizar o atrito e a geração de eletricidade estática "triboelétrica". A carga eletrostática gerada pelo movimento do cabo é a mesma da carga gerada pelo elemento piezo. O amplificador de carga não pode diferenciar entre os dois. Os conectores de cabo são comumente Microdot10-32 coaxial. A seleção de cabos e conectores é limitada.

Tamanho vs Sensibilidade®Tamanho, sensibilidade e resposta de frequência dos acelerômetros PE estão todos diretamente inter-relacionados. Quanto maior o acelerômetro, maior a sensibilidade, mas menor a resposta de frequência e vice-versa. Quando uma aplicação de medição requer um acelerômetro em miniatura para considerações de carregamento de baixa massa, pode ser necessário fazer concessões na seleção de um acelerômetro maior que forneça sensibilidade adequada.

Custo®O custo do acelerômetro PE é essencialmente o mesmo que um projeto ICPequivalente. No entanto, como o acelerômetro PE requer o uso de cabos de baixo ruído e amplificadores de carga, o custo por canal é maior do que um canal de saída de tensão ICP. Cabos e amplificadores são as principais considerações de custo em sistemas de medição multicanais.

VANTAGENS DOS ACELERÔMETROS ICP®

Operação Simplificada-Os sistemas de acelerômetro ICP® oferecem operação simplificada, exigindo menos experiência, treinamento e atenção do operador. Eles fornecem um sinal de saída fixo, mV/g, de baixa impedância que é virtualmente inalterado pelo tipo de cabo, comprimento e condições ambientais de operação.

Resolução- A resolução dos acelerômetros ICP® é virtualmente inalterada pelo tipo ou comprimento do cabo. A resolução é uma especificação padrão da folha de dados. Cabos longos podem ser usados sem aumento de ruído, perda de resolução ou atenuação do sinal. Cabos de entrada com centenas de pés de comprimento podem atuar como um filtro LP em dados de ultra-alta frequência. No entanto, isso geralmente é apenas uma preocupação com sensores de pressão ICP® usados para medições de pressão de choque e onda de explosão em microssegundos.

Ambiente Operacional- Os acelerômetros ICP® hermeticamente selados funcionam bem em ambientes adversos. Eles são resistentes à contaminação, pois todos os circuitos de alta impedância são selados com segurança dentro do acelerômetro. Os projetos herméticos soldados são geralmente mais resistentes à contaminação do que os projetos selados com epóxi. A compatibilidade com ambientes adversos torna os acelerômetros ICP® a escolha preferida para monitoramento da saúde de máquinas industriais, aplicações subaquáticas, a bordo de navios, veículos e testes de campo.

Cabos e Conectores- A saída de baixa impedância dos acelerômetros ICP® permite total flexibilidade no tipo de cabo e conectores. As considerações sobre cabos e conectores podem ser importantes em certas aplicações envolvendo alta ou baixa temperatura, pressão, vácuo, fluidos corrosivos e onde a carga de massa é uma preocupação. Os projetos de acelerômetros ICP® em miniatura geralmente incorporam conexões de terminais de solda, permitindo o uso de cabo flexível leve para minimizar a tensão e os efeitos de carregamento de massa. Os acelerômetros industriais usam conectores grandes e robustos e/ou conexões vulcanizadas para obter confiabilidade em ambientes adversos. O uso de cabos e conectores padrão em sistemas de grande contagem de canais promove o gerenciamento eficaz de cabos e é um fator significativo na redução de custos.

Tamanho e Sensibilidade- Ao incorporar ganho em acelerômetros ICP® em miniatura, é possível resolver aplicações que exigem acelerômetros com baixa massa, alta sensibilidade e alta resposta de frequência. O ganho interno também melhora a resolução dos acelerômetros ICP® estruturados com cerâmica que incorporam amplificadores de carga híbridos. Alguns acelerômetros ICP®Faixa Dinâmica

-®®®®®®Alimentando Acelerômetros ICP

®Dependendo do modelo específico, os acelerômetros ICP®podem operar de 0,5 mA a 20 mA de corrente constante em qualquer lugar de 3 a 30 VCC. Para faixa dinâmica estendida, alguns modelos especiais foram fornecidos para operar com até 35 VCC. Como alertado anteriormente, nem todos os acelerômetros ICPcontêm o mesmo circuito elétrico interno e, consequentemente, não são necessariamente compatíveis com todas as fontes de alimentação de corrente constante. A polarização do sensor e a tensão de alimentação afetam a faixa dinâmica. A corrente de alimentação afeta a capacidade de acionamento do cabo, especialmente ao acionar sinais de alta tensão em altas frequências. As unidades de alimentação de corrente constante estão disponíveis hoje com bateria ou alimentação de linha, com ou sem ganho e operação manual ou controlada por computador. As unidades de alimentação de linha do sensor ICPgeralmente fornecem corrente de 2 a 4 mA. No entanto, eles geralmente são ajustáveis para 20 mA, o que pode ser necessário ao acionar cabos longos em altas frequências. Muitos instrumentos de leitura comerciais, como analisadores FFT e coletores de dados de vibração, incorporam entrada de alimentação de corrente constante para conexão direta a acelerômetros ICP. Os amplificadores de carga de modo duplo incorporam alimentação de corrente constante para fornecer operação com acelerômetros PE e ICP.Em circuitos de sensor de dois fios ICP

® , o sinal/alimentação é transportado por um fio e o retorno do sinal (terra) pelo outro. Ao monitorar a tensão de "polarização" CC característica que existe no fio de sinal/alimentação, é possível detectar circuitos abertos ou em curto no cabo. As unidades de alimentação do sensor ICPcomumente incorporam medidores codificados por cores vermelho, verde, amarelo ou LEDs para indicar a operação normal ou falhas no cabo.-

Certos aplicativos de medição de vibração em máquinas rotativas exigem operação por meio de anéis coletores. A tensão de saída de baixa impedância característica dos acelerômetros ICP®é compatível com a operação por meio de anéis coletores.A incorporação de um circuito de memória "TEDS" em acelerômetros ICP

® permite armazenar informações de autoidentificação, como nome do fabricante, tipo de sensor, modelo, número de série, sensibilidade, data de calibração, ID do canal, localização do sensor e outras informações. Os acelerômetros TEDS LIMITAÇÕES DOS ACELERÔMETROS ICP®Saída Fixa-

Características elétricas, como sensibilidade, faixa, resolução e constante de tempo de descarga, são fixas dentro do acelerômetro ICP®. A constante de tempo de descarga fixa é menos uma limitação com acelerômetros do que com sensores de pressão e força de quartzo, que podem ser operados no modo de constante de tempo longa para fins de calibração quase estática. Faixa de temperatura - A maioria dos acelerômetros ICP® de uso geral tem uma faixa de temperatura limitada de cerca de -65 °F a +250 °F. Modelos criogênicos especiais operam até -320 °F e projetos de alta temperatura até +325 °F.
RESUMOOs sistemas de amplificador de carga se beneficiam da faixa dinâmica muito ampla dos acelerômetros PE, oferecendo flexibilidade no ajuste das características de saída elétrica, como sensibilidade e faixa. Eles são adequados para operação em altas temperaturas. Os sistemas de carga modernos apresentam operação de baixo ruído aprimorada, controles digitais simplificados e operação de saída dupla para operação com sensores de modo de tensão de carga ou ICP

®. Circuitos de alta impedância não são adequados para operação em ambientes adversos de campo ou fábrica. A resolução do acelerômetro PE pode não ser especificada ou conhecida, pois o ruído é uma consideração do sistema determinada pelo comprimento do cabo e pelo ganho do amplificador. Os acelerômetros ICPoperam a partir de uma fonte de alimentação de corrente constante, fornecem uma saída mV/g fixa, de alta tensão e baixa impedância. Eles operam por meio de cabos coaxiais longos e comuns em ambientes adversos sem degradação da qualidade do sinal. Eles têm faixa de alta temperatura limitada. Os sensores ICPsão simples de operar. Tanto a resolução quanto a faixa de operação são especificações definidas. O custo por canal é menor em comparação com os sistemas PE, pois cabos de baixo ruído e amplificadores de carga não são necessários.