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Como funciona e o que faz um acelerómetro?

2020-01-29

Como funciona e o que faz um acelerómetro?

O que é um acelerómetro? É um dispositivo que proporciona a capacidade de medir e analisar a aceleração linear e angular. Esta função é necessária em muitos dispositivos e sistemas básicos utilizados em quase todas as áreas da vida, tanto em dispositivos domésticos quotidianos, como em aplicações industriais ou de investigação e desenvolvimento profissionais.

Neste artigo conhecerá:

O que é um acelerómetro?

Os acelerómetros utilizam-se em medições de aceleração gravitacional estática, o que lhes permite determinar o ângulo de desvio do objeto medido da vertical, assim como em medições de aceleração dinâmica devido a golpes, movimento, impacto ou vibração, ou seja, vibrações de baixa amplitude e baixa frequência, que alcançam várias dezenas de Hz.

Como funciona um acelerómetro aquando da medição de vibrações? Este dispositivo integra-se diretamente no objeto que vibra, o que permite converter a energia da vibração em um sinal elétrico que é proporcional à aceleração momentânea do objeto.

O que faz um acelerómetro? A medição da vibração é geralmente utilizada para diagnosticar o funcionamento de máquinas, dispositivos ou estruturas submetidas a esforços intensivos, por exemplo, estruturas com vigas em aço, pontes ou edifícios. Os acelerómetros são também utilizados, por exemplo, para proteger discos rígidos contra danos, em equipamentos médicos e desportivos, em câmaras e vídeo-câmaras, smartphones, controlos remotos, controladores ou em sistemas de navegação.
O que é um acelerómetro? Não é mais que um transdutor de aceleração que mede o seu próprio movimento no espaço. Existem três tipos básicos de acelerómetros, a maioria dos quais será apresentada em detalhe posteriormente no artigo.

Como funciona um acelerómetro?

O principio de funcionamento dos aceleradores não é complicado. Mede a força de aceleração na unidade g e pode medir em um, dois ou três planos. Atualmente, os acelerómetros de 3 eixos mais utilizados, cuja construção consiste em um sistema de três acelerómetros, cada um dos quais mede a aceleração em uma direção diferente, nos planos X, Y e Z. Um exemplo de um acelerómetro de 3 eixos pode ser o modelo ADAFRUIT 2019. ADA-2019

Se a aceleração em qualquer plano atua na direção oposta à direção do sensor, o acelerómetro medirá a aceleração com um valor negativo. Na situação inversa, a aceleração será medida com um valor positivo.

Se o acelerómetro não for afetado por nenhuma aceleração externa, o dispositivo apenas medirá a aceleração gravitacional, isto é, a força da gravidade. Supondo que o acelerómetro de 3 eixos está posicionado de tal maneira que o sensor no eixo X se dirige para a esquerda, o sensor no eixo Y para baixo e o sensor no eixo Z para a frente e não atuam forças sobre ele, então o acelerómetro exibirá os valores: X = 0 g, Y = 1 g, Z = 0 g. Caso o mesmo acelerómetro esteja inclinado para a esquerda, as suas leituras indicarão: X = 1 g, Y = 0 g, Z = 0 g. Igualmente, quando o desvio se produz para a direita, o plano X devolve o resultado X = -1 g. As dependências de medição da aceleração dadas são utilizadas pelos algoritmos dos sistemas que supervisionam o acelerador.

Que tipos de acelerómetros existem?

Existem três tipos entre os acelerómetros básicos: acelerómetros capacitivos MEMS, acelerómetros piezoelétricos e acelerómetros piezo-resistivos.

Acelerómetros capacitivos MEMS

Os acelerómetros capacitivos que utilizam a tecnologia MEMS são os sensores mais baratos, mais comuns e mais pequenos deste tipo. Como funciona um acelerómetro? capacitivo MEMS? O seu princípio de funcionamento resume-se a colocar o peso acoplado sobre as molas. Uma extremidade das molas está unida ao revestimentos do condensador de pente, enquanto que a outra extremidade está unida ao peso acoplado. Sob influência da força que atua sobre o sensor, o peso move-se sobre as molas, o que provoca uma mudança na distância entre o elemento de condensação e a massa, e, consequentemente, afeta a mudança na capacidade. Um exemplo disto é o acelerómetro MEMS no modelo SPARKFUN ELECTRONICS INC. DEV-09267 ou SPARKFUN ELECTRONICS INC. BOB-13926.

SF-DEV-09267SF-DEV-09267 SF-BOB-13926SF-BOB-13926

Os acelerómetros capacitivos fabricados com tecnologia MEMS são utilizados sobretudo em dispositivos portáteis, equipamentos móveis e produtos eletrónicos de consumo, vastamente conhecidos. Uma das maiores vantagens dos acelerómetros MEMS é a possibilidade da sua implementação direta na placa de circuito impresso.

As desvantagens dos sistemas MEMS incluem baixa precisão de medição, especialmente para medições de amplitudes e frequências mais altas, o que os torna inadequados para aplicações industriais especializadas.

Acelerómetros piezo-resistivos

Os sensores que utilizam o efeito de piezo-resistência são outro tipo de acelerómetro. O que faz um acelerómetro piezo-resistivo? O seu princípio de funcionamento é semelhante ao de um extensómetro. Estes tipos de acelerómetros estão equipados com material piezo-resistivo, que sob a influência da força externa se deforma, provocando uma alteração na resistência.

A alteração na resistência converte-se num sinal elétrico recebido por um recetor incorporado com o acelerador. Os acelerómetros piezo-resistivos caracterizam-se por uma grande banda de medição, graças à qual podem registar vibrações de altas amplitudes e frequências, o que é útil, por exemplo, durante provas de choque.

Outra vantagem dos aceleradores piezo-resistivos é a sua capacidade de medir sinais de mudança lenta, o que permite a sua utilização em sistemas de navegação inercial para calcular a velocidade de deslocamento dos componentes do sistema.

O modo como funciona um acelerómetro piezoelétrico, torna-o resistente a alterações na temperatura ambiente, o que requer uma compensação de temperatura. Além disso, os acelerómetros deste tipo têm problemas para detetar sinais fracos e são, também, muito mais caros que os acelerómetros capacitivos MEMS.

Acelerómetros piezoelétricos

O que é um acelerómetro piezoelétrico? Este é um dos sensores mais utilizados para medir o nível de vibração. Por este motivo, los acelerómetros piezoelétricos são frequentemente utilizados em aplicações industriais para o diagnóstico ou controlo de maquinaria e equipamento. Como funciona o acelerómetro piezoelétrico? O seu modo de funcionamento é similar ao funcionamento dos sistemas piezo-resistivos. Porém, mediante a influência da aceleração não alteram a sua resistência, e geram uma voltagem elétrica de determinado valor.

O elemento de medição destes sensores apenas pode ser o titanato de zircónio-chumbo (PZT). O titanato de zircónio-chumbo, por deformação, gera uma carga elétrica. Os acelerómetros piezoelétricos caracterizam-se pela sua alta sensibilidade e precisão, o que permite a sua utilização em muitas aplicações, desde medições sísmicas extremamente avançadas e precisas até provas de choque e destruição, realizadas em condições adversas.

O sinal de saída dos acelerómetros piezoelétricos geralmente está sujeito a ampliação e compensação de temperatura. O cálculo do movimento do objeto é facilitado pela transmissão do sinal de entrada ao integrador.

Outros acelerómetros

Outros projetos de aceleradores incluem projetos IEPE, frequentemente utilizados para medir vibrações. Destaque também para os acelerómetros de carga piezoelétricos, que funcionam bem em temperaturas extremas.

Símbolo: Descrição:
ADA-2019 Sensor: acelerómetro; 3,3÷5VDC; I2C; MMA8451; ±3,±4,±8g; Canais: 3
SF-DEV-09267 Sensor: acelerómetro; analógico; ADXL335; LilyPad; 20mm
SF-BOB-13926 Sensor: acelerómetro; 1,95÷3,6VDC; I2C; MMA8452Q; ±2,±4,±8g

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