Detección de vibraciones MEMS: velocidad a aceleración

Los acelerómetros MEMS acaban de llegar a la mayoría de edad como sensores de vibración en los sistemas modernos de monitoreo de condición (CM). La reciente expansión de la capacidad en el rango de medición, el ancho de banda y la resolución (ruido) está permitiendo nuevos conceptos y arquitecturas de sistemas, ya que los desarrolladores de CM han esperado durante mucho tiempo la oportunidad de aprovechar las ventajas de tamaño, costo y confiabilidad de los sensores MEMS. A medida que los arquitectos del sistema trabajan en los primeros estudios de factibilidad, es posible que algunos necesiten evaluar la capacidad de un sensor en particular para soportar un rango de magnitud de vibración (V_MÍN.V_MÁX.) y frecuencia (f_MÍN.f_MÁX.). Cuando los atributos de magnitud se expresan en términos de velocidad, los desarrolladores deberán traducirlos en términos de aceleración para evaluarlos frente a las especificaciones de los sensores clave (ruido, rango). La ecuación 1 ofrece un método para cerrar esta brecha tomando la derivada de una sola frecuencia (f_V) modelo para la velocidad, V

La fórmula de aceleración en la Ecuación 1 brinda la oportunidad de generar fórmulas simples que relacionan sus niveles pico y rms con los niveles de velocidad equivalentes (consulte la Ecuación 2).

La forma rms de estas relaciones puede establecer una condición límite para el ruido del acelerómetro al suponer que opera a través de la parte más estresante de los límites de vibración del sistema: la frecuencia mínima (f_MÍN.) y magnitud (V_MÍN.). Esta forma de relación puede ser útil al evaluar un acelerómetro en particular frente a las clasificaciones de gravedad de vibración estándar de la industria. Por ejemplo, la Ecuación 3 determina que a una frecuencia de vibración mínima de 10 Hz, el ruido en la medición de la aceleración debe ser inferior a 7,18 mg para detectar la gravedad de la vibración en el rango adecuado para una máquina de Clase 2, según ISO-10816-1 (V_MÍN. = 1,12 mm/seg).

Multiplicando la densidad de ruido (ND) de un acelerómetro por la raíz cuadrada del ancho de banda del ruido (f_NBW) proporciona un método relativamente simple para estimar el ruido total en una configuración particular de acelerómetro y filtro.

La ecuación 4 ofrece esto de forma genérica, junto con un ejemplo, que estima el ruido total asociado con un acelerómetro ADXL357 (ND = 80 μg/√Hz), cuando se usa con un filtro de paso bajo unipolar que tiene un frecuencia de corte de 1000 Hz (f_C = 1000 Hz). Con 4,7 mg, el ADXL357 parece cumplir la condición límite de la Ecuación 3.

La forma de pico de la Ecuación 2 (ver Ecuación 5) proporciona una herramienta para estimar otra condición de contorno importante; rango de medición en el acelerómetro. La Ecuación 5 también presenta un ejemplo específico, que determina que medir la severidad de vibración inaceptable en un dispositivo de Clase 4, según ISO-1081-1 (V_MÁX. = 28 mm/seg), a una frecuencia de 1000 Hz (f_MÁX.) requerirá un rango de medición de al menos ±25,3 g.

Si bien la selección final del sensor podría requerir una consideración y validación adicionales, este nivel de análisis ayuda a garantizar el cumplimiento de las condiciones límite más básicas, antes de invertir en plataformas de prueba y caracterización tempranas.