apresentação acelerômetros
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Vibrações e AcelerômetrosJim Naturesa e Leonardo Gonçalves
Professora Karen Paulino
MarcaInstituição
Ensino
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Sumário
1) Introdução;
2) Vibrações;
3) Medição e acelerômetros;
4) Acelerômetro piezoelétrico;
5) Aplicações;
6) Referências.
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Introdução
• A vibração normalmente ocorre devido aos efeitos dinâmicos de tolerâncias de fabricação, folgas, contatos, atrito entre peças de uma máquina.
• As vibrações podem excitar as freqüências naturais das peças que compõem o sistema, fazendo com que sejam amplificadas podendo até danificar o conjunto estruturalmente.
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Introdução
• Nos últimos 15 anos foi criada uma nova tecnologia de medição de vibração, permitindo avaliar máquinas que funcionam em alta velocidade e num elevado ritmo de solicitação.
• Utilizando acelerômetros piezoelétricos, com a finalidade de converter o movimento vibratório em sinais elétricos, o processo de medição e análise é habilmente realizado graças à versatilidade de aparelhos eletrônicos.
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O que é vibração?
• Diz-se que um corpo vibra quando descreve um movimento oscilatório em relação a um corpo de referência. O número de ciclos do movimento em um segundo é chamado de freqüência, medido em hertz (Hz).
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O que é vibração?
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Vibração
• Na prática, os sinais de vibração consistem geralmente de inúmeras freqüências, que ocorrem simultaneamente.
• Não se pode observá-las analisando as respostas de amplitude com relação ao tempo na tela de um osciloscópio, nem determinar quantos componentes de vibração há e onde eles ocorrem.
• Com a utilização da técnica de análise de freqüência, pode ser construído um espectrograma de freqüência, ou seja, um histograma que relaciona a amplitude (ou nível) do sinal com a sua respectiva freqüência.
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Medição e acelerômetros
• A amplitude da vibração pode ser quantificada de diversas maneiras, tais como: nível pico-a-pico, nível de pico, nível médio e o nível quadrático médio ou valor eficaz (ou RMS – Root Mean Square).
• O valor pico-a-pico indica a máxima amplitude da onda senoidal e é usado, por exemplo, onde o deslocamento vibratório da máquina é parte crítica na tensão máxima de elementos de máquina.
• O valor de pico é particularmente usado na indicação de níveis de impacto de curta duração.
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Medição e acelerômetros
• O valor médio é usado quando se quer se levar em consideração um valor da quantidade física da amplitude em um determinado tempo.
• O valor RMS é a mais importante medida da amplitude porque ele mostra a média da energia contida no movimento vibratório - mostra o potencial destrutivo da vibração.
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Medição e acelerômetros
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Unidades de vibração
Unidades de vibração (ISO 1000)
Deslocamento m, mm, m
Velocidade m/s, mm/s (ou m.s-1, mm.s-1)
Aceleração m/s2 (ou m.s-2) 1g = 9,81 m/s2
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Acelerômetro piezoelétrico• A essência desse tipo de acelerômetro é o material
piezoelétrico, usualmente uma cerâmica ferro-elétrica polarizada artificialmente. Quando mecanicamente tensionada, proporcional à força aplicada, gera uma carga elétrica que polariza suas faces.
• Os acelerômetros piezoelétricos não necessitam de fonte de alimentação, ou seja, o sinal de saída pode ser conectado diretamente ao medidor de vibrações.
• Além disso, não possuem partes móveis e geram um sinal proporcional à aceleração, que pode ser integrado, obtendo-se a velocidade e o deslocamento do sinal.
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Acelerômetro piezoelétrico
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Acelerômetro piezoelétrico
• O material piezoelétrico é colocado entre uma base sólida fixa e um elemento móvel.
• Este elemento é acionado por um diafragma, gerando um a força eletromotriz proporcional à força aplicada.
• Os principais materiais piezoelétricos são: cristais – sem centro de simetria, cerâmicas – a piezoeletricidade é induzida por aplicação de um elevado campo elétrico a uma determinada temperatura e os polímeros.
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Acelerômetro piezoelétrico
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Acelerômetro piezoelétrico• A tensão saída de um acelerômetro piezoelétrico é proporcional a
força aplicada ou a derivada segunda do deslocamento, ou seja:
• Onde q é a carga produzida no material piezoelétrico, C é a capacitância e Vout é a tensão de saída. Um sensor de aceleração calibrado possui a seguinte relação entrada/saída:
• Onde K é a sensibilidade do acelerômetro [mV/g].
out
out
VCq
VqFx
..
..
xKVout
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Faixa útil de operação
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Circuitos típicos
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Configuração básica de medição
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Equações básicas
• Analisando a figura anterior temos:
321
1
CCC
qV
C
qV
EF
AB
fout C
qV
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Aplicações
• Segundo Bezerra (2004) e Michalak et al. (2007) os rolamentos podem gerar vibrações devido a variações de conformidade, ou, dos esforços entre seus componentes no tempo.
• As variações dos esforços estão diretamente relacionadas ao número de esferas ou rolos.
• Ao longo do tempo, esses esforços tendem a causar fadiga nos componentes do rolamento.
• Há diversas técnicas de detecção de falhas nos rolamentos tais como, técnicas no domínio do tempo, no domínio da freqüência, cepstrum e a técnica no domínio tempo-freqüência.
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Aplicações
• Em geral, os rolamentos estão submetidos a cargas radiais que geram um campo de carga. À medida que as esferas entram e saem da dessa região surgem vibrações no rolamento, mesmo estando o rolamento em perfeito estado.
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Aplicações
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Aplicações• Como qualquer peça, os rolamentos
apresentam deterioração com o uso. Um rolamento pode apresentar falha prematura por uma séria de razões. Podem-se destacar:
• Lubrificação inadequada;• Montagem incorreta;• Retentores inadequados; • Desalinhamento;• Passagem de corrente elétrica;• Vibrações externas;• Defeitos de fabricação;• Fadiga.
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Falha na superfície de um rolamento
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Valor de pico e RMS de um rolamento com defeito
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Energia residual
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Bancada de ensaios
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Resultados• Parâmetros utilizados para implementação dos modelos
matemáticos obtidos a partir de rolamentos com falhas induzidas.
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Resultados
• Resultados das medições.
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Resultados
• Pista interna de um rolamento com defeitos.
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Resultados – Valores de pico e RMS• A figura a seguir apresenta os dados obtidos no ensaio;
os valores de pico e RMS aumentam consideravelmente a partir do trigésimo quinto dia indicando a falha.
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Resultados – Energia residual• Segundo Bezerra (2004) a técnica da energia residual se mostrou
um bom método para detecção deste tipo de falha. Na figura a seguir pode-se verificar que o início da falha começou no trigésimo sétimo dia de ensaio.
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Resultados• Comitti (2006) realizou alguns testes em um sistema de exaustão e em um
motor de uma bomba de uma torre de refrigeração. • A seguir os resultados dos sistema de exaustão.
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Resultados
• A figura apresenta uma foto do rolamento; a gaiola estava quebrada e continha apenas quatro esferas.
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Resultados• A figura apresenta o gráfico da aceleração por tempo do motor da bomba da torre de
refrigeração. • Todos os pontos medidos estão acima da linha de alerta, indicando falta de
lubrificação.
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Resultados
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Referências• Bezerra, R. Detecção de Falhas em Rolamentos por Análise de Vibração. Tese de doutorado,
Faculdade de Engenharia Mecânica, Unicamp. 2004.
• Cetinkunt, S. Mechatronics. John Wiley & Sons. 2007.
• Comitti, A. Monitoramento de condições através da vibração. Mecatrônica Atual. Editora Saber.
Dezembro/janeiro, 2006-2007. • Fernandes, J. Segurança nas Vibrações sobre o Corpo Humano.
http://wwwp.feb.unesp.br/jcandido. 2000.
• Marques, A. Conversão de unidades de vibração. Mecatrônica Atual. Editora Saber. Junho/julho, 2007.
• Michalak, E., Fagundes, M. e Saturnino, A. Análise de vibração em estufas de secagem de madeira. Mecatrônica Atual. Editora Saber. Junho/julho, 2007.
• Medição de Vibrações – Aspectos Gerais. http://www.isegnet.com.br/1index.asp. 2007.
• Paulino, K. Medidas de grandezas dinâmicas. Unicamp. 2007.
• Webster, J. (Coordenador). The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook. CRC Press and IEEE Press. 1999.