medição de vibrações em equipamentos e / ou estruturas usando
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por Chedas Sampaio
Maio 2015
Medição de vibrações em equipamentos e / ou estruturas usando sensores low cost
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ESTRUTURA DA APRESENTAÇÃO
Vibração
Medição de vibrações
Acelerómetro MEMS
Aplicações low cost
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VIBRAÇÃO
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EinsteinVIBRAÇÃO
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"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."
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A vibração afecta a nossa vida
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VIBRAÇÃO
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É fundamental dominar a vibração
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VIBRAÇÃO
Observar
2
2
4
42 ,,
ttxw
xtxwc
Compreender
Medir
Controlar
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É fundamental dominar a vibração
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VIBRAÇÃO
Observar
cos1
6021
DdNFT
cos1
602 DdNnBPO
cos1
602 DdNnBPI
2
2
cos160 D
dNdDBS
Compreender
Medir
Controlar
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Aplicações na Engenharia
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VIBRAÇÃO
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MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES
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Controlo de condição de estruturas (SHM)MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES
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Controlo de condição de estruturas (SHM)MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES
Acelerómetro piezoeléctrico
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Sistema de aquisição multicanal (condicionamento
e placa de aquisição)
Computador com software de aquisição e processamento
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Controlo de condição de estruturas (SHM)MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES
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Gerador de sinal, Amplificador de potência e Shaker electromagnético
Transdutor de força
Martelo de impacto
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Controlo de condição de máquinas (CM)MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES
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Controlo de condição de máquinas (CM)MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES
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Sensor fotoeléctrico
Acelerómetropiezoeléctrico
Sensor de proximidade
Colector de dados
Lâmpada estroboscópica
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Controlo de condição de máquinas (CM)MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES
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AcelerómetroMEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES
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Mede acelerações, estáticas ou dinâmicas. Sinal de saída em pC ou mV.
Tipos:Acelerómetro piezoeléctrico (1950)Acelerómetro MEMS (1979 – Univ Stanford USA)
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Acelerómetro piezoeléctricoMEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES
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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
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Acelerómetro piezoeléctricoMEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES
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Acelerómetro de carga (aplicações em elevada temperatura e radiação)Sensor piezoeléctrico sem condicionamento de sinal integradoporque 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.
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Acelerómetro piezoeléctrico. 1º acelerómetroMEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES
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Kistler Instruments – 1957Gulton Corporation –1950Bruel & Kjaer – início anos 1950 Endevco – 1951
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Acelerómetro piezoeléctrico. FabricantesMEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES
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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 1980
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Acelerómetro piezoeléctrico. Vantagens/DesvantagensMEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES
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Utilização generalizada e bem aceite pela indústriaBanda de frequência útil 0.25 Hz – 20 kHzIntervalo dinâmico grande mG – kGCompacto, variadas dimensões, desde 1 gResistente
Elevado custo (condicionamento e aquisição do sinal)
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ACELERÓMETRO MEMS
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Tecnologia MEMSACELERÓMETROS MEMS
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Micro Electrical Mechanical Systems
Tecnologia:Princípio piezoresistivo (1971 – sensor de pressão)Princípio condensador (1980 – sensor de pressão)
(Componentes de 1 micrómetro a 1 milímetro)
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Acelerómetro piezoresistivoACELERÓMETROS MEMS
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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 provana extremidade livre e material piezoresistivo no vão da viga.
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Acelerómetro capacitivoACELERÓMETROS MEMS
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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
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AplicaçõesACELERÓMETROS MEMS
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Indústria automóvel (air bag, ABS, suspensão,...)Indústria militarIndústria das telecomunicações (smartphones)Testes de vibrações para avaliação de desempenho de produtos Computadores (disco, câmara) Indústria de vídeo‐jogos
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Vantagens e desvantagensACELERÓMETROS MEMS
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Reduzida dimensãoReduzido pesoDesempenho nas baixas frequênciasBaixo custo (<10% acelerómetro piezoeléctrico)Condicionamento e aquisição de sinal integrado no sensorIntegração com outros sensoresFrequência máxima não tão elevada com o piezoeléctrico
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FabricantesACELERÓMETROS MEMS
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Analog DeviceSilicon DesignsPhidgetsEndevcoMotorola
Comprar on‐line
http://www.digikey.comhttp://www.phidgets.comhttp://inmotion.pt
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APLICAÇÕES LOW COST
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Indústria ‐Medição de vibrações estruturaisAPLICAÇÕES LOW COST
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Avaliação da probabilidade de ocorrência de dano estruturalem edifício industrial por efeito de solicitação dinâmicaimpulsiva
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Indústria – Identificação das Deformadas OperacionaisAPLICAÇÕES LOW COST
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InvestigaçãoAPLICAÇÕES LOW COST
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Identificação de dano estrutural
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Ensino APLICAÇÕES LOW COST
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Novo paradigmaProfessoro professor prepara as suas experiências e demonstraçõespráticas, muita da teoria pode ser confrontada em tempo realcom a demonstração prática, o professor tem um laboratóriovirtual ao seu dispôr
Alunocada aluno tem um laboratório portátil pessoal, cada alunoconstrói o seu laboratório, o aluno trabalha ao seu ritmo, oaluno é autónomo, o aluno recorre à teoria para resolver oproblema prático (real)
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Ensino APLICAÇÕES LOW COST
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Elementos chave:Dados
Reais: Sensores e actuadores low‐costSimulados: Sistemas de modelação multi‐corpo rígido
(2D e 3D) e FEMAquisição
Real: Sensores com condicionamento de sinal eaquisição ou placa de som do computador
Simulada: Instrumentos virtuaisProcessamento
Software de computação técnica
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Ensino APLICAÇÕES LOW COST
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Acelerómetro triaxial 40 €
Sensor de proximidade 11 €
Placa aquisição 80 €
Minicomputador Arduino 70 €
Minicomputador Rasperry PI 55 €
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Ensino – Medição da passada humanaAPLICAÇÕES LOW COST
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Ensino – Controlo de condição de máquinasAPLICAÇÕES LOW COST
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Ensino – Analisador de vibrações virtualAPLICAÇÕES LOW COST
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Ensino – Laboratório em casaAPLICAÇÕES LOW COST
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Medição de vibrações em equipamentos e/ou estruturas usando sensores low cost40
[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: 978‐0‐9891305‐4‐7 ©2014 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., 2007.
[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, 2013
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FIM
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