Aula 6 - Sensores e Filtros

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Capítulo 3. Sensores e Filtros

Neste capítulo serão estudados os:

Sensores ou transdutores de vibração

Filtros

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Sinais analógicos: são sinais de amplitude e de tempo contínuos.

Sinais digitais : são sinais de amplitude e de tempo discretos.

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Digital (sampled and quantized) Signal Plotted

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

discrete domain (n)

dis

cret

e ra

nge

x(n

)Digital-time, Continuous-amplitude Signal Plotted

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

discrete domain (n)

cont

inuo

us r

ange

x(n)

DT-DA Example:• Annual crop yields in billions of

bushels• Yearly enrollment of OSU• Dow Jones Average

DT-CA Example:• Daily noon temperature• Daily consumed gas

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Sensores Usados

Sensor de Proximidade

Sensor de Velocidade

Acelerômetro

Sensor de Proximidade Sensor de Velocidade

Acelerômetro

Mais usados

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Acelerômetros Sensor de Proximidade

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Qual parâmetro a ser medido?Em geral será o parâmetro que fornecerá a resposta mais “plana” (flat)

A aceleração enfatiza as altas freqüências

Em normas, a preferência é pela velocidade, pois dá uma indicação da energia do sinal.

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Faixa Operacional dos Transdutores

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Exemplos de medições de vibrações de máquinas

Acelerômetro

Sensor de deslocamento

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Acelerômetros

O acelerômetro piezoelétrico é considerado o transdutor padrão para medidas de vibração em máquinas, devido às suas vantagens de ampla faixa de frequência de utilização, fácil fixação e baixo peso.

Ele pode ser construído de várias formas, mas, o tipo “compressão” mostrado na figura à cima serve para descrever seu princípio de funcionamento.

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Esta carga de saída é proporcional à força que o cristal é submetido, e pela segunda lei de Newton, também é proporcional à aceleração, daí o nome “acelerômetro”.

Em seu interior há a massa sísmica, uma mola circular e o cristal piezoelétrico (geralmente, quartzo). A propriedade do material piezoelétrico é que ele gera uma carga elétrica quando é comprimido.

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A faixa de freqüência útil do acelerômetro é bastante larga, estendendo-se muitos poucos Hz até várias dezenas de quilohertz.

A resposta a alta freqüência é limitada pela ressonância da massa sísmica acoplada com a rigidez da mola e do próprio cristal. Esta ressonância produz um pico em torno de 30 kHz para acelerômetros comumente usados. A regra prática é que a faixa máxima utilizável do acelerômetro é em torno de 1/3 de sua freqüência natural.

A forma de fixação do acelerômetro influi nesta faixa útil. A melhor forma de fixação do acelerômetro é através de parafuso prisioneiro, qualquer outra forma de fixação reduzirá esta faixa útil.

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Relação entre a Forma de Fixação e Sensibilidade com a Faixa de Utilização do Acelerômetro

A sensibilidade e a faixa de freqüência são relacionadas: em geral, quanto maior for o acelerômetro, mais alta é a sua sensibilidade e menor sua faixa de utilização.

Forma de Fixação e Faixa de Utilização

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Acelerômetros Especiais

Transdutor de Força Piezoelétrico

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Atualmente a maioria dos acelerômetros construídos nos dias atuais são do tipo voltagem, ou seja já há um circuito interno integrado a eles que dispensa o uso de amplificadores de carga. São também conhecidos como acelerômetros ICP.

Condicionador de Sinais do Acelerômetro

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Funções do Condicionador de Sinal (pré-amplificador)

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Exemplos de acelerômetros

http://www.pcb.com/techsupport/

Maiores informações sobre acelerômetros:

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Calibração de Acelerômetro

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Sensor de Proximidade

Os sensores de proximidade são transdutores sem contato usados para medir o deslocamento de uma estrutura vibrante (rotativa ou não). A operação destes sensores baseia-se em princípios eletromagnéticos.

Basicamente, um sinal de alta freqüência, em torno de 1,5 MHz, é gerado no Oscilador-Demodulador (denominado em inglês por “probe driver” ou “proximitor”) e enviado à ponta do sensor gerando um campo magnético na mesma.

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Com aproximação de uma superfície metálica (do eixo, por exemplo) há a geração de correntes parasitas (“eddy currents”) na superfície metálica dissipando energia no campo magnético, enfraquecendo o sinal do oscilador-demodulador.

Este sinal possui componentes AC e DC. A componente AC representa o movimento da superfície metálica em relação à ponta do sensor (isto é, uma vibração relativa), ao passo que a componente DC representa a distância média entre a superfície metálica e o sensor.

Ambas as componentes fornecem informações importantes, no entanto, a componente AC é realmente a de interesse para medição de vibração. Neste caso, o sinal DC pode se eliminado com a inclusão de um filtro passa-alta na cadeia de medição.

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Proximity Probes

ProbeModulatedCarrier

Oscillator/Demodulator

Output Signal:DC - PositionAC - Vibration

Magnetic Field

InducedEddyCurrents

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Sensor de Proximidade

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Um filtro é um sistema que tem a função de remover partes não desejadas do sinal, como o ruído, ou extrair partes úteis do sinal, como determinadas componentes de freqüência que estão dentro do gama de freqüência.

Um filtro é caracterizado pela sua função de resposta ao impulso ou pela sua função de resposta em freqüência FRF, que é uma função complexa, que possui magnitude e fase.

FILTROS

( )Y j( )X j

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( )( )

( )

( ) ( )

Y jH j

X j

h t H j

( )H j

Função de Resposta em Freqüência.

Filtro

Função de Resposta ao Impulso.

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Filtro Ideal e Filtro Real

Um filtro ideal é aquele sistema que cuja resposta em freqüência é unitária dentro de certa banda de freqüência e exatamente zero para outras bandas, sem haver atenuação.

Em um filtro real, na sua resposta em freqüência, há uma atenuação em certas freqüências e também há uma oscilação na banda passante chamada “ripple”. Geralmente a freqüência de corte é definida após um decaimento de 3 dB na resposta em freqüência.

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Tipos de Filtros segundo a banda passante

Filtros são usados para que se observe na análise do sinal apenas as freqüências de interesse.

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Fc=80Hz

Fc=150Hz

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Há dois tipos principais de filtro: o analógico e o digital. Eles são bastante diferentes na montagem física e em seu funcionamento.

Um filtro analógico usa circuitos eletrônicos analógicos feitos de componentes como resistores, indutores e capacitores para produzir o efeito de filtragem exigido.

Filtros Analógicos e Filtros Digitais

Existem tipos de filtros analógicos já padronizados em função da banda passante, banda de rejeição, etc. Estes são conhecidos como filtros Butterworth, filtros Chebyshev, Filtros Bessel, etc. E também existem versões digitais destes filtros.

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No caso de um filtro digital, este usa um processador digital para executar cálculos numéricos em valores amostrados do sinal de entrada. Em um processo de filtragem digital, o sinal analógico deve ser primeiramente digitalizado usando um ADC.

Existem várias vantagens advindas da utilização de filtros digitais, dentre elas:

Um filtro digital é programável, ou seja, a sua operação é determinada por um programa armazenado na memória do processador. Isto significa que o filtro digital pode ser mudado facilmente sem afetar seu circuito eletrônico (hardware). No caso de um filtro analógico ocorre somente se mudarmos o seu circuito eletrônico;

Os filtros digitais são facilmente projetados, sendo os mesmos testados e

implementados em um computador ou estação de trabalho de forma simples;

As características funcionais dos circuitos de filtros analógicos (particularmente os circuitos elaborados com componentes) estão sujeitos a variação da temperatura, variação de valores devido à construção dos componentes utilizados nos circuitos, entre outros parâmetros que dependem do projeto e aplicação. Filtros digitais não sofrem estes problemas, logo são extremamente estáveis obtendo com isso resultados mais precisos.