CONSIDERACIONES PARA LA SELECCIÓN DE ACELERÓMETROS Carga e ICPCircuito Integrado Piezoeléctrico

Existe una amplia selección de acelerómetros de carga (PE) y de Circuito Integrado Piezoeléctrico (ICP®) disponibles para una amplia variedad de aplicaciones de medición de golpes y vibraciones. Los criterios de selección deben incluir las especificaciones eléctricas y físicas del acelerómetro, las características de rendimiento y las consideraciones ambientales y operativas. Comparar las ventajas y limitaciones de los dos sistemas puede ser útil para seleccionar un acelerómetro y un sistema de medición que se adapte mejor a una aplicación específica de laboratorio, campo, fábrica, submarina, a bordo de un barco o aerotransportada. Introducción Este documento revisará las consideraciones de selección de sensores que involucran dos tipos generales de sensores piezoeléctricos. Tipo de salida de carga de alta impedancia (PE) e ICP® con una salida de baja impedancia característica. Además de las características eléctricas y físicas del sensor, varios factores juegan un papel en la selección de un acelerómetro para una aplicación específica. Estos factores incluyen el medio ambiente, la operación, el recuento de canales y la compatibilidad del sistema

Introducción
Este documento revisará las consideraciones de selección de sensores que involucran dos tipos generales de sensores piezoeléctricos. Salida de carga de alta impedancia
(PE) y ICP® con una salida de baja impedancia característica. Además de las características eléctricas y físicas del sensor, varios factores
juegan un papel en la selección de un acelerómetro para una aplicación específica. Estos factores incluyen el medio ambiente, la operación, el recuento de canales
y la compatibilidad del sistema.

ACELERÓMETROS DE TIPO PIEZO ELÉCTRICO (PE)

Los acelerómetros de tipo PE generan una salida de carga electrostática de alta impedancia en respuesta al estrés mecánico aplicado a su elemento sensor piezo cerámico, o cristal. Debido a su alta sensibilidad de carga, los piezo cerámicos han encontrado un amplio uso tanto en acelerómetros de modo de carga como de voltaje. El cuarzo, generalmente reconocido como el más estable de todos los materiales piezoeléctricos, también se usa comúnmente en ICP de uso generalacelerómetros, estándares de transferencia de calibración y sensores de presión y fuerza PE. Los sistemas de salida de carga han estado disponibles durante unos 40 años. Los acelerómetros PE operan a través de un cable de bajo ruido en un amplificador de carga de alta impedancia de entrada, que convierte la señal de carga en una señal de voltaje de baja impedancia utilizable para fines de adquisición. El amplificador de carga proporciona conversión de impedancia de señal, normalización y ajuste de ganancia/rango. Las opciones pueden incluir filtrado, integración para velocidad y/o desplazamiento y ajuste de la constante de tiempo de entrada, que determina la respuesta de baja frecuencia. Los amplificadores de carga modernos están diseñados con circuitos de bajo ruido más efectivos y pueden incorporar pantallas LCD simplificadas y controles digitales. Algunos modelos "de modo dual" operan con acelerómetros PE e ICPLa principal ventaja del sistema de carga de laboratorio es la flexibilidad de ajustar y controlar la salida de carga electrostática del acelerómetro PE. Los amplificadores de carga en miniatura de estado sólido, generalmente con características fijas, se han utilizado históricamente para aplicaciones aerotransportadas. Los acelerómetros PE también pueden operar a temperaturas más altas que los acelerómetros ICP® con electrónica incorporada. Las principales limitaciones del sistema de carga PE involucran la complejidad del sistema, la dificultad de operar, mantener circuitos de alta impedancia en entornos adversos sucios y el aumento de ruido cuandooperando a través de cables de entrada largos.Los circuitos de alta impedancia son generalmente más susceptibles a la interferencia eléctrica.

ACELERÓMETROS DE CIRCUITO INTEGRADO PIEZOELÉCTRICO (ICP®)

®incorporan un amplificador de carga o voltaje microelectrónico incorporado, que funciona para convertir la carga electrostática de alta impedancia del elemento sensor PE en una señal de voltaje de baja impedancia. En diseños herméticos soldados, todos los circuitos de alta impedancia están sellados y protegidos eléctricamente dentro del acelerómetro. ICPlos acelerómetros se fabricaron por primera vez a mediados de la década de 1960. ICPlos acelerómetros operan desde una fuente de alimentación de corriente constante de bajo costo a través de un circuito de dos cables con señal/alimentación transportada por un cable y el otro cable que sirve como tierra. El cable puede ser coaxial ordinario o cable de cinta. No se requiere cable de bajo ruido. La corriente constante para operar el acelerómetro proviene de una unidad de alimentación separada o puede incorporarse dentro de un instrumento de lectura, como un analizador FFT o un recolector de datos. Los acelerómetros electrónicos integrados están disponibles bajo varios nombres de marcas comerciales diferentes, como ICP(PCB Piezotronics), Isotron(Endevco), Delta-Tron(B&K) y Piezotron(Kistler), por mencionar algunos. Aunque la electrónica incorporada es un "hilo común", no todos los acelerómetros electrónicos integrados son necesariamente intercambiables o "compatibles" entre sí. Algunos contienen circuitos MOSFET, otros JFETS. Algunos usan amplificadores de carga híbridos, microelectrónicos, otros seguidores de voltaje. Aunque la mayoría de los acelerómetros electrónicos integrados operan con una corriente constante de 2 a 4 mA, algunos operan con tan solo 0,5 mA para un bajo consumo de energía y otros operan hasta 20 mA para conducir cables largos a altas frecuencias. Se recomienda que las especificaciones del sensor y la alimentación de ICP® se verifiquen antes de asumir la compatibilidad. La principal ventaja de la operación de baja impedancia es la capacidad de los acelerómetros ICP® para operar continuamente en entornos adversos, a través de cables coaxiales largos y ordinarios, sin aumento de ruido o pérdida de resolución. El costo por canal es menor, ya que no se requieren cables de bajo ruido ni amplificadores de carga. La principal limitación involucra la operación a temperaturas elevadas, por encima de 325 °F. Los acelerómetros ICP®, estructurados con elementos sensores de cuarzo y electrónica especial, funcionan bien a temperaturas criogénicas. La Tabla 1 es una lista completa de ventajas y limitaciones de los acelerómetros PE e ICP®. Esta lista fue revisada y los aportes proporcionados por consultores externos con años de experiencia en tecnología de golpes y vibraciones. La lista debe considerarse "dinámica", sujeta a aportes adicionales relativos a las ventajas y limitaciones.

TABLA I  CONSIDERACIONES PARA SELECCIONAR ACELERÓMETROS PE E ICP®

SENSOR PE

Ventajas

-Flexibilidad para ajustar adecuadamente las características de salida eléctrica de los acelerómetros

-Amplio rango dinámico

-Operación a alta temperatura >500 °F

-Intercambiabilidad en los sistemas de carga existentes

-Respuesta de baja frecuencia extendida

Limitaciones

-Requiere capacitación y experiencia para comprender y operar circuitos de alta impedancia

-Los efectos capacitivos del acelerómetro y el cable aumentan el ruido y reducen la resolución

-Los circuitos de alta impedancia deben mantenerse limpios y secos. (Sensor, cable de bajo ruido y amplificador de carga)

-Requiere un cable especial de bajo ruido para minimizar el ruido triboeléctrico

-Los sistemas de alta impedancia son más susceptibles a interferencia eléctrica y de RF

-El tamaño y la sensibilidad del acelerómetro PE están directamente relacionados - Una consideración de sensibilidad/tamaño/carga de masa

-Mayor costo por canal que el tipo ICP(debido al cable de bajo ruido y al amplificador de carga requeridos)

Cada una de estas consideraciones se revisará ahora con más detalle tanto para los acelerómetros PE como para los ICPEn los circuitos de sensores de dos cables ICP

VENTAJAS DE LOS ACELERÓMETROS PE

Flexibilidad®Un amplificador de carga de "tipo banco" de laboratorio generalmente tiene controles para ajustar y modificar la señal de salida del acelerómetro PE. Como mínimo, existen controles para normalizar la sensibilidad, establecer la ganancia y el rango de escala completa y la conexión a tierra. El amplificador de carga también puede tener capacidad para filtrar, integrar y ajustar la constante de tiempo de descarga, que determina la respuesta de baja frecuencia. Los amplificadores de carga de modo dual también proporcionan corriente constante, lo que permite la operación con sensores PE de salida de carga e ICP®.

-®Típicamente, un acelerómetro PE de alta sensibilidad puede operar en un amplio rango dinámico (>100 dB). Cuando se usa con un amplificador de carga de laboratorio, la salida de escala completa se puede configurar para cualquier nivel g dentro del rango máximo. El rango dinámico se puede definir como el rango operativo desde la resolución hasta el rango máximo en el que el sensor permanecerá en la especificación. Sin embargo, ni el rango dinámico ni la resolución se especifican para la mayoría de los acelerómetros PE estructurados con cristales cerámicos. El rango máximo a veces está determinado por la no linealidad máxima aceptable asociada con la operación en un rango más alto. La no linealidad a menudo se expresa como un porcentaje de "X" número de g, por ejemplo, 1% por 500 g. La resolución se basa en el ruido del sistema, que está determinado por la ganancia del amplificador y la carga capacitiva del cable de entrada y el acelerómetro en la entrada del amplificador de carga.

Operación a alta temperatura®Dado que el acelerómetro PE no contiene electrónica incorporada, la temperatura de funcionamiento está limitada solo por el elemento sensor y los materiales utilizados en la construcción. Los acelerómetros PE operan comúnmente a 500 °F. Hay modelos especiales disponibles a > 1000 °F. Para obtener la mejor precisión, el acelerómetro debe calibrarse a la temperatura de funcionamiento.

Intercambiabilidad- Prácticamente cualquier acelerómetro PE es intercambiable en un sistema de salida de carga, con la excepción de algunos modelos que pueden tener una resistencia de aislamiento muy baja a altas temperaturas. Hay amplificadores de carga especiales disponibles para operar con entradas de baja resistencia.

Respuesta de baja frecuencia extendida®Los sensores de fuerza de cuarzo se usan comúnmente en aplicaciones de agitadores controlados por fuerza. Cuando se acoplan a amplificadores de carga electrostática de alta impedancia de entrada (> 1012 ohmios), los sensores de fuerza de cuarzo tienen constantes de tiempo de descarga del orden de cientos o miles de segundos, lo que imparte una excelente respuesta de baja frecuencia y capacidad para la calibración estática

LIMITACIONES DE LOS ACELERÓMETROS PE

Experiencia®Se requiere capacitación y experiencia para comprender, operar y mantener los sistemas de salida de carga. Se requieren conocimientos básicos de circuitos de alta impedancia, cables de bajo ruido, sensibilidad pC/g del sensor, efectos de carga capacitiva, ruido del sistema, configuración de los controles del amplificador de carga y mantenimiento del sistema limpio y sin humedad. Algunos amplificadores de carga más nuevos tienen controles digitales, lo que simplifica la entrada de sensibilidad y la configuración del rango.

Resolución®Aunque la resolución de los acelerómetros PE puede considerarse infinita, la resolución generalmente no se especifica en una hoja de datos, ya que está determinada por el ruido del sistema. Hasta que se determinen los valores de capacitancia para el sensor y la longitud del cable de entrada y se establezca la ganancia del amplificador, no se conoce la resolución. Esto puede presentar incertidumbres para mediciones de bajo nivel que involucran cables largos. Aunque el aumento de la longitud del cable no afecta la sensibilidad, sí afecta el ruido del sistema y la resolución. La falta de capacidad para conducir cables largos es una de las principales limitaciones del sistema de salida de carga del acelerómetro PE. Los amplificadores de carga nuevos y más modernos, con circuitos de bajo ruido, minimizan este problema. El ruido "triboeléctrico" generado como resultado del movimiento del cable de entrada también puede degradar la resolución.

Entorno operativo®Los acelerómetros PE de alta impedancia y los amplificadores de carga son los más adecuados para operar en condiciones de laboratorio limpias. No funcionan bien en entornos adversos de fábrica, a bordo de barcos o submarinos. Todos los componentes de alta impedancia, incluido el acelerómetro, el cable de bajo ruido y el amplificador de carga, deben mantenerse limpios y secos. La contaminación del circuito de alta impedancia causa baja resistencia, pérdida de respuesta de baja frecuencia y deriva de la línea de base.

Cable y conectores®Los acelerómetros PE requieren el uso de un cable coaxial de bajo ruido y alta resistencia de aislamiento. El cable de bajo ruido tiene un lubricante de grafito incrustado en la capa dieléctrica para minimizar la fricción y la generación de electricidad estática "triboeléctrica". La carga electrostática generada por el movimiento del cable es la misma que la carga generada por el elemento piezo. El amplificador de carga no puede diferenciar entre los dos. Los conectores de cable son comúnmente Microdot10-32 coaxial. La selección de cables y conectores es limitada.

Tamaño vs. Sensibilidad®El tamaño, la sensibilidad y la respuesta de frecuencia de los acelerómetros PE están todos directamente relacionados. Cuanto más grande sea el acelerómetro, mayor será la sensibilidad, pero menor será la respuesta de frecuencia y viceversa. Cuando una aplicación de medición requiere un acelerómetro en miniatura para consideraciones de carga de baja masa, es posible que deba hacerse un compromiso al seleccionar un acelerómetro más grande que proporcione una sensibilidad adecuada.

Costo®El costo del acelerómetro PE es esencialmente el mismo que el de un diseño ICPequivalente. Sin embargo, dado que el acelerómetro PE requiere el uso de cables de bajo ruido y amplificadores de carga, el costo por canal es más alto que el de un canal de salida de voltaje ICP. Los cables y amplificadores son consideraciones importantes de costo en los sistemas de medición multicanal.

VENTAJAS DE LOS ACELERÓMETROS ICP®

Operación simplificada-Los sistemas de acelerómetros ICP® ofrecen una operación simplificada que requiere menos experiencia, capacitación y atención del operador. Proporcionan una señal de salida fija, mV/g, de baja impedancia que prácticamente no se ve afectada por el tipo de cable, la longitud y las condiciones ambientales de funcionamiento.

Resolución- La resolución de los acelerómetros ICP® prácticamente no se ve afectada por el tipo o la longitud del cable. La resolución es una especificación estándar de la hoja de datos. Se pueden usar cables largos sin aumentar el ruido, la pérdida de resolución o la atenuación de la señal. Los cables de entrada de cientos de pies de largo pueden actuar como un filtro LP en datos de ultra alta frecuencia. Sin embargo, esto generalmente solo es motivo de preocupación con los sensores de presión ICP® utilizados para mediciones de presión de ondas de choque y explosión de microsegundos.

Entorno operativo- Los acelerómetros ICP® herméticamente sellados funcionan bien en entornos adversos. Son resistentes a la contaminación, ya que todos los circuitos de alta impedancia están sellados de forma segura dentro del acelerómetro. Los diseños herméticos soldados son generalmente más resistentes a la contaminación que los diseños sellados con epoxi. La compatibilidad con entornos adversos convierte a los acelerómetros ICP® en la opción preferida para el monitoreo de la salud de máquinas industriales, aplicaciones submarinas, a bordo de barcos, vehículos y pruebas de campo.

Cable y conectores- La salida de baja impedancia de los acelerómetros ICP® permite una flexibilidad completa en el tipo de cable y los conectores. Las consideraciones de cable y conector pueden ser importantes en ciertas aplicaciones que involucran alta o baja temperatura, presión, vacío, fluidos corrosivos y donde la carga de masa es una preocupación. Los diseños de acelerómetros ICP® en miniatura a menudo incorporan conexiones de terminales de soldadura, lo que permite el uso de cables flexibles y livianos para minimizar la tensión y los efectos de carga de masa. Los acelerómetros industriales utilizan conectores grandes y resistentes y/o conexiones vulcanizadas para lograr confiabilidad en entornos adversos. El uso de cables y conectores estándar en sistemas de gran cantidad de canales promueve una gestión eficaz de los cables y es un factor importante en la reducción de costos.

Tamaño y sensibilidad- Al incorporar ganancia en los acelerómetros ICP® en miniatura, es posible resolver aplicaciones que requieren acelerómetros con baja masa, alta sensibilidad y alta respuesta de frecuencia. La ganancia interna también mejora la resolución de los acelerómetros ICP® estructurados con cerámica que incorporan amplificadores híbridos. Algunos acelerómetros ICP®Rango dinámico

-®®®®®®Alimentación de acelerómetros ICP

®Dependiendo del modelo específico, los acelerómetros ICP®pueden operar con una corriente constante de 0,5 mA a 20 mA en cualquier lugar de 3 a 30 VCC. Para un rango dinámico extendido, algunos modelos especiales se han suministrado para operar con hasta 35 VCC. Como se advirtió anteriormente, no todos los acelerómetros ICPcontienen el mismo circuito eléctrico interno y, en consecuencia, no son necesariamente compatibles con todas las fuentes de alimentación de corriente constante. Tanto el sesgo del sensor como el voltaje de suministro afectan el rango dinámico. La corriente de suministro afecta la capacidad de conducción del cable, especialmente cuando se conducen señales de alto voltaje a altas frecuencias. Las unidades de alimentación de corriente constante están disponibles hoy en día con batería o alimentación de línea, con o sin ganancia y operación manual o controlada por computadora. Las unidades de alimentación de línea del sensor ICPgeneralmente suministran una corriente de 2 a 4 mA. Sin embargo, generalmente son ajustables a 20 mA, lo que puede ser necesario al conducir cables largos a altas frecuencias. Muchos instrumentos de lectura comerciales, como los analizadores FFT y los recolectores de datos de vibración, incorporan una entrada de alimentación de corriente constante para la conexión directa a los acelerómetros ICP. Los amplificadores de carga de modo dual incorporan alimentación de corriente constante para proporcionar operación con acelerómetros PE e ICP.En los circuitos de sensores de dos cables ICP

® , la señal/alimentación se transporta por un cable y el retorno de la señal (tierra) por el otro. Al monitorear el voltaje de "polarización" de CC característico que existe en el cable de señal/alimentación, es posible detectar circuitos abiertos o cortocircuitos del cable. Las unidades de alimentación del sensor ICPcomúnmente incorporan medidores codificados por colores rojo, verde y amarillo, o LED, para indicar el funcionamiento normal o las fallas del cable.-

Ciertas aplicaciones de medición de vibraciones en maquinaria rotativa requieren operación a través de anillos colectores. La tensión de salida de baja impedancia característica de los acelerómetros ICP®es compatible con la operación a través de anillos colectores.La incorporación de un circuito de memoria "TEDS" en los acelerómetros ICP

® permite almacenar información de autoidentificación, como el nombre del fabricante, el tipo de sensor, el modelo, el número de serie, la sensibilidad, la fecha de calibración, la identificación del canal, la ubicación del sensor y otra información. Los acelerómetros TEDS LIMITACIONES DE LOS ACELERÓMETROS ICP®Salida fija-

Las características eléctricas, como la sensibilidad, el rango, la resolución y la constante de tiempo de descarga, se fijan dentro del acelerómetro ICP®. La constante de tiempo de descarga fija es menos una limitación con los acelerómetros que con los sensores de presión y fuerza de cuarzo, que pueden operarse en el modo de constante de tiempo larga para fines de calibración cuasiestática. Rango de temperatura: la mayoría de los acelerómetros ICP® de uso general tienen un rango de temperatura limitado de aproximadamente -65 °F a +250 °F. Los modelos criogénicos especiales operan hasta -320 °F y los diseños de alta temperatura hasta +325 °F.
RESUMENLos sistemas de amplificadores de carga se benefician del rango dinámico muy amplio de los acelerómetros PE al ofrecer flexibilidad para ajustar las características de salida eléctrica, como la sensibilidad y el rango. Son adecuados para operar a altas temperaturas. Los sistemas de carga modernos cuentan con un funcionamiento de bajo ruido mejorado, controles digitales simplificados y funcionamiento de doble salida para operar con sensores de modo de voltaje de carga o ICP

®. Los circuitos de alta impedancia no son adecuados para operar en entornos adversos de campo o fábrica. Es posible que la resolución del acelerómetro PE no se especifique ni se conozca, ya que el ruido es una consideración del sistema determinada por la longitud del cable y la ganancia del amplificador. Los acelerómetros ICPoperan desde una fuente de alimentación de corriente constante, proporcionan una salida fija de mV/g de alta tensión y baja impedancia. Operan a través de cables coaxiales largos y ordinarios en entornos adversos sin degradación de la calidad de la señal. Tienen un rango de alta temperatura limitado. Los sensores ICPson fáciles de operar. Tanto la resolución como el rango de funcionamiento son especificaciones definidas. El costo por canal es menor en comparación con los sistemas PE, ya que no se requieren cables de bajo ruido ni amplificadores de carga.