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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REIFACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
Relatório Final
Trabalho de Graduação
Autor: Nome do autor
Orientador: Nome do prof. orientador
São João del Rei, Clique aqui para inserir uma data
Sensores de Aceleração
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REIFACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
Relatório Final
Trabalho de Graduação
Autor: Nome do autor
Orientador: Nome do prof. orientador
Curso: Engenharia Mecânica
Trabalho de Graduação apresentado à Comissão de Graduação da Faculdade
de Engenharia Mecânica, como requisito para aprovação na disciplina.
São João del Rei, Clique aqui para inserir uma data
M.G. – Brasil
Sensores de Aceleração
Sumário
Resumo........................................................................................................................... iii
Lista de Figuras............................................................................................................. iv
Lista de Equações......................................................................................................... iv
Nomenclatura..................................................................................................................v
Capítulo 1........................................................................................................................ 1
1. Introdução................................................................................................................1
Capítulo 2........................................................................................................................ 3
2. Sensores de Aceleração.........................................................................................3
2.1. Aceleração...........................................................................................................3
2.2. Princípio de funcionamento de um acelerômetro básico.....................................4
Capítulo 3........................................................................................................................ 7
3. Tipos de Acelerômetros..........................................................................................7
3.1. Capacitivos..........................................................................................................7
3.2. Piezoelétricos......................................................................................................8
3.3. Piezoresistivos...................................................................................................11
4. Especificações.......................................................................................................14
4.1. Especificações Físicas......................................................................................15
4.2. Especificações Elétricas....................................................................................15
4.3. Especificações do Ambiente..............................................................................15
5. Tipos de Fixação do Acelerômetro......................................................................16
5.1. Fixação Magnética.............................................................................................16
5.2. Fixação por parafuso.........................................................................................16
5.3. Fixação com cola...............................................................................................16
5.4. Fixação por hastes............................................................................................16
6. Sinais de Saída do Acelerômetro.........................................................................17
6.1. Sinal Analógico..................................................................................................17
6.2. Sinal Digital........................................................................................................17
7. Aplicações..............................................................................................................17
i
7.1. Engenharia........................................................................................................17
7.2. Biologia..............................................................................................................18
7.3. Indústria – Acompanhamento da vida de componentes....................................18
7.4. Construção e estruturais de acompanhamento.................................................18
7.5. Navegação.........................................................................................................19
7.6. Aparelhos eletrônicos........................................................................................20
7.7. Orientação de sensoriamento............................................................................20
7.8. A estabilização de imagem................................................................................21
7.9. Integridade do dispositivo..................................................................................21
Capítulo 4...................................................................................................................... 22
8. Resultados e Discussões.....................................................................................22
Capítulo 5...................................................................................................................... 23
9. Conclusões............................................................................................................23
Referências Bibliográficas...........................................................................................24
ii
Resumo
LACERDA, A. L. M.; OLIVEIRA, J. A.; RODRIGUES, H. A. Sensores de
Aceleração, Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de São João
del Rei, Trabalho de Graduação, (2013).
Em todas as áreas da Engenharia, a medição de propriedades e fenômenos
físicos é importante para solução de problemas e monitoramento de sistemas.
Quando esta medição não pode ser efetuada diretamente, são utilizados os
sensores para caracterizar os mensurandos. Sensores são dispositivos que
convertem um efeito físico em um sinal conveniente e compreensível tanto para
sistemas analógicos quanto para sistemas digitais. A aceleração se apresenta como
um dos mais importantes efeitos físicos dentre aqueles que não podem ser medidos
diretamente. Por isso, o sensor de aceleração configura-se como um dos sensores
de aplicabilidades mais extensas na Engenharia. Este trabalho busca estudar seus
princípios de funcionamento, os tipos de sensores que podem ser usados nas mais
diversas operações, a maneira como o sinal de saída é utilizado e suas aplicações
mais importantes na Engenharia, através de uma ampla revisão bibliográfica.
Palavras Chave: Sensores de Aceleração, Transdutores, Acelerômetros,
Aceleração, Vibração.
iii
Lista de Figuras
Figura 2.1. Transformação de sinais através do acelerômetro....................................3
Figura 2.2. Acelerômetro básico. Fonte: MEEHAN E MOLONEY, 2010.....................5
Figura 2.3. Obtenção do sinal de posição a partir do acelerômetro............................6
Figura 3.1. Forma construtiva de um acelerômetro capacitivo simples. Fonte:
KUCHMA, 2007...........................................................................................................8
Figura 3.2. Construções do acelerômetro piezoelétrico: (a) cisalhamento, (b)
compressão e (c) flexão. Fonte: WEBER, 2012........................................................10
Figura 3.3. Strain Gauge. Fonte: LIU, 2011...............................................................12
Figura 3.4. Ponte de Wheatstone. Fonte: LIU, 2011.................................................13
Figura 3.5. Exemplo de acelerômetro resistivo. Fonte: KUCHMA, 2007...................14
Lista de Equações
(2.1)............................................................................................................................. 3
(2.2)............................................................................................................................. 4
(2.3)............................................................................................................................. 4
(2.4)............................................................................................................................. 5
(3.1)............................................................................................................................. 7
(3.2)........................................................................................................................... 11
(3.3)........................................................................................................................... 13
iv
Nomenclatura
Letras Latinasv velocidade [m/s]
t tempo [s]
x posição [m]
F força [N]
m massa [kg]
k constante elástica da mola [N/m]
C capacitância [F]
A área [m²]
d distância [m]
R resistência elétrica [Ω]
l comprimento do condutor [m]
Letras Gregas∊ permissividade relativa
Superescritos+ tempo posterior
Subscritosin entrada
out saída
Abreviações
SiglasMEMS Sistemas Microeletromecânicos;
IEPE Piezoelétricos com Eletrônica Integrada;
v
vi
Capítulo 1
1. Introdução
Em todas as áreas da Engenharia, a medição de propriedades e fenômenos
físicos é importante para o entendimento e caracterização de problemas a serem
solucionados e para monitoramento e controle de sistemas em aplicações
específicas.
Na maioria dos casos, os mensurandos relacionados a estes fenômenos não
podem ser medidos diretamente, seja por inconveniência ou pela falta de equações
determinísticas que descrevam seus comportamentos. Nestes casos, é comum o
uso de sensores para obtenção das medições desejadas, ferramenta ideal para a
medição indireta dos efeitos físicos desejada. Os sensores são dispositivos que
convertem um efeito físico em um sinal conveniente e compreensível tanto para
sistemas analógicos quanto para sistemas digitais.
A aceleração se apresenta como um dos mais importantes efeitos físicos
dentre aqueles que não podem ser medidos diretamente, porque a partir desta
propriedade é possível obter várias outras, como vibração, choque, rotação,
inclinação e orientação. Por isso, o sensor de aceleração configura-se como um dos
sensores de aplicabilidades mais extensas na Engenharia.
Na indústria automobilística, os sensores de aceleração são responsáveis pela
ativação dos airbags (GOODENOUGH, 1991), além do monitoramento da condição
dos componentes de carros de competições automobilísticas. Sistemas inerciais de
navegação de alta precisão são baseados em sensores de aceleração (KRAFT,
1997). Uma das aplicações aeroespaciais destes sensores é a medição da
microgravidade em laboratórios espaciais (KULZER ET AL., 1992). Na Engenharia
de Manutenção, medir a aceleração é importante para a detecção de defeitos em
equipamentos de produção a partir de seus dados de vibração. Até mesmo os atuais
celulares e controles de consoles de jogos eletrônicos possuem acelerômetros
1
embutidos para a detecção de movimento e conversão deste sinal em um comando
para o utensílio.
Devido a esta importância dos sensores de aceleração, este trabalho busca
estudar seus princípios de funcionamento, os tipos de sensores que podem ser
usados nas mais diversas operações, a maneira como o sinal de saída é utilizado e
suas aplicações mais importantes na Engenharia, através de uma ampla revisão
bibliográfica.
2
Capítulo 2
2. Sensores de Aceleração
Os sensores de aceleração são comumente chamados de acelerômetros, que
são transdutores mecânicos ou eletromecânicos que transformam uma excitação
mecânica em um sinal elétrico. A Figura 2.1 mostra esta relação.
Figura 2.1. Transformação de sinais através do acelerômetro.
Este capítulo apresenta a definição de aceleração e o princípio de
funcionamento de um acelerômetro básico para o melhor entendimento da operação
de cada tipo de sensor de aceleração.
2.1. Aceleração
Como mostra a Equação 2.1, aceleração pode ser definida como a taxa de
variação de velocidade de um ponto material no tempo.
a=∂v∂ t
=∂2 xd t 2
(m/s2) (2.1)
Onde v é a velocidade (m/s), t é o tempo (s) e x é a posição (m).
Nota-se que a velocidade, por sua vez, é a taxa de variação de posição de um
ponto material no tempo. Por isso, velocidade é uma variável que possui módulo,
sentido e direção. De acordo com a Segunda Lei de Newton (Equação 2.2), para
haver aceleração e, consequentemente, variação da velocidade do ponto, é
necessária a ação de uma força resultante sobre ele.
3
∑i=1
n
F⃗ i=m a⃗ (kg.m/s2) (2.2)
Onde F é a força (N) e m é a massa (kg).
Se a força resultante agindo sobre um corpo for zero, sua aceleração também
será zero e sua velocidade permanecerá constante. Mas a partir da aplicação de
uma força resultante diferente de zero sobre este corpo, ele passa a ter aceleração e
variação de velocidade.
2.2. Princípio de funcionamento de um acelerômetro básico
A medição de aceleração sempre tem como base a mecânica clássica de
Newton (KRAFT, 1997). Baseando nas definições de aceleração apresentadas
anteriormente, um único sensor pode medir a aceleração, a vibração, o choque, a
rotação, a orientação e a inclinação causada por forças resultantes sobre um corpo.
O dispositivo mais simples de medição de aceleração é o sistema massa-mola.
Assim, além de basear-se na Segunda Lei de Newton, este sensor básico é dirigido
também pela Lei de Hooke para molas, caracterizada pela Equação 2.3.
F=k ∙∆ x (kg.m/s2) (2.3)
Onde F é a força da mola (N), k é a constante elástica da mola (N/m) e ∆x é o
deslocamento da mola (m).
O dispositivo é mostrado na Figura 2.2.
4
Figura 2.2. Acelerômetro básico. Fonte: MEEHAN E MOLONEY, 2010.
Este medidor de velocidade é construído com uma massa livre pra se deslocar
conectada a uma base através de uma mola relaxada. A base é fixada a uma
estrutura formando um referencial inercial. O dispositivo também é dotado de uma
ferramenta capaz de medir o deslocamento linear sofrido pela massa a partir da
posição de mola relaxada x0, quando sobre o sistema age uma aceleração
(MEEHAN E MOLONEY, 2010).
Se, por exemplo, o sistema for acelerado para a esquerda, a massa sofrerá
uma força que a deslocará para a direita a uma distância ∆x a partir de x0 e a mola
se estenderá. A força causada pela aceleração será equilibrada pela força causada
pela mola estendida. Sob aceleração constante, as Equações 2.2 e 2.3 se igualam e
a aceleração sofrida pelo sistema é determinada por:
a= km∆ x (m/s2) (2.4)
Analogamente, os acelerômetros são capazes de medir aceleração em um,
dois e três eixos ortogonais, não se limitando apenas à aceleração linear, portanto.
Uma das características da medição de aceleração é a possibilidade de
determinação da velocidade e da posição a partir dos dados levantados pelo
medidor. Como mostra a Equação 2.1, aplicando-se uma integral ao sinal de
aceleração, obtêm-se as informações sobre velocidade do corpo. Aplicando-se uma
integral dupla, determina-se a posição do corpo. A Figura 2.3 mostra este processo.
5
Figura 2.3. Obtenção do sinal de posição a partir do acelerômetro.
6
Capítulo 3
3. Tipos de Acelerômetros
A Segunda Lei de Newton permite o desenvolvimento de uma pletora de
sensores. O presente capítulo descreve as características e dos tipos de
acelerômetros mais utilizados na Engenharia dentre as dezenas de tipos existentes:
capacitivo, piezoelétrico e piezoresistivos. A diferença fundamental entre eles é o
método como o deslocamento da massa é medido.
3.1. Capacitivos
Os acelerômetros capacitivos são baseados na variação da capacitância
proporcional à aceleração da massa sísmica do acelerômetro.
Capacitores são componentes de circuitos elétricos destinados a armazenar
carga elétrica. Consegue-se este efeito basicamente através da disposição de duas
placas metálicas (eletrodos) paralelas separadas a uma pequena distância por um
meio dielétrico e ligadas a terminais. Quando se estabelece uma diferença de
potencial entre os dois eletrodos, é formado um campo eletrostático que armazena
energia. À propriedade de armazenamento de energia elétrica deste capacitor dá-se
o nome de capacitância C, como define a Equação 3.1.
C=ϵ 0 ϵAd
(F) (3.5)
Onde ϵ 0 é a constante de permissividade eletrostática do vácuo (~8,854 x 10-12
F/m), ϵ é a permissividade relativa do meio dielétrico, A é a área dos eletrodos (m2) e
d é a distância entre os eletrodos.
Observa-se que a capacitância varia quando a distância entre as placas
paralelas varia. Deste modo, é possível construir um acelerômetro onde uma placa é
fixada a um elemento elástico e outra placa é estática. Quando o acelerômetro for
7
submetido a uma aceleração, a distância entre as placas aumentará ou diminuirá,
causando variação na capacitância do conjunto e dando origem a um sinal elétrico.
A Figura 3.1 esquematiza sua forma construtiva.
Figura 3.4. Forma construtiva de um acelerômetro capacitivo simples. Fonte:
KUCHMA, 2007.
Esta tecnologia é largamente aplicada em sensores de aceleração, devido ao
grande uso de Sistemas Microeletromecânicos (MEMS – Micro Eletro-Mechanical
Systems, em inglês) nos equipamentos modernos. Acelerômetros MEMS são
sensores microfabricados que exploram as propriedades mecânicas do silicone
policristalino para criar estruturas movíveis que detectam movimento em direções
distintas (FIGUEIREDO ET AL., 2007), tipicamente pelo princípio capacitivo ou pelo
resistivo. Isto permite a miniaturização de todo o transdutor, além de conferir a ele
alta precisão, cofiabilidade, flexibilidade e sensibilidade.
Como um todo, os acelerômetros capacitivos possuem banda de frequência
limitada a algumas centenas de Hertz e geralmente não conseguem detectar
acelerações acima de 100 g.
3.2. Piezoelétricos
8
Alimentação
SinalTerra
Massa
Sensor Capacitor 1
~
Sensor Capacitor 2
Flexão
Isolante
Isolante
Acelerômetros piezoelétricos funcionam a partir do princípio do efeito
piezoelétrico de alguns cristais, que são capazes de gerar um potencial elétrico
quando submetidos a uma tensão mecânica.
O efeito piezoelétrico ocorre naturalmente no quartzo, na turmalina e no sal de
Rochelle, entre outros cristais. Neles, os íons positivos e negativos se realinham nas
faces opostas estabelecendo uma diferença de potencial entre elas. Para este
potencial tornar-se mensurável sob pequenas deformações, foram criadas
cerâmicas inorgânicas artificialmente polarizadas, como o titanato zirconato de
chumbo (PZT), que também é piroelétrico e ferroelétrico. Deste modo, este tipo de
cerâmica é integrada a massas sísmicas e circuitos eletrônicos para formar um
sensor de aceleração que não requer alimentação e é baseado na segunda lei de
Newton.
Este tipo de acelerômetro é limitado em banda de frequência pela frequência
de ressonância do sistema massa-mola. Como a massa sísmica é pequena, a
frequência de ressonância é geralmente alta, o que significa que estes sensores
possuem larga banda de frequência mensurável. Porém, quanto menor a massa
sísmica, menor a sensibilidade do sensor, fator que deve ser devidamente
equilibrado pelas especificações do acelerômetro.
Três são as formas construtivas mais comuns: cisalhamento, compressão e
flexão. Todas as três têm em comum uma pequena massa sísmica que se move em
relação a uma base fixa chamada de poste e deforma a cerâmica piezelétrica.
Porém, a forma como a cerâmica sofre deformação é o que difere estes subgêneros
de acelerômetros, como mostra a Figura 3.2.
No acelerômetro piezoelétrico de cisalhamento, a cerâmica é aprisionada entre
a massa sísmica e o poste central fixo. Sob aceleração, a massa causa o
cisalhamento da cerâmica, gerando o sinal de tensão elétrica. Este tipo de
acelerômetro é de ótimo desempenho, pois podem ser isolados dos efeitos de
transientes térmicos e flexão de base caso a cerâmica seja isolada da base e do
estojo.
9
(a)
(b)
(c)
Figura 3.5. Construções do acelerômetro piezoelétrico: (a) cisalhamento, (b)
compressão e (c) flexão. Fonte: WEBER, 2012.
No acelerômetro de compressão, a cerâmica possui o formato de um disco de
compressão que se localiza abaixo da massa sísmica. Esta, por sua vez, é fixada ao
10
poste central por uma mola que permite seu deslocamento. Sob aceleração, a
massa induz compressão ou tração do disco, induzindo a tensão elétrica
proporcional. São de estrutura simples e robustos, o que aumenta ainda mais a
frequência de ressonância do sistema, aumentando a banda de frequência
mensurável. A robustez também contribui com a resistência do acelerômetro de
compressão a choques mecânicos intensos. Como a cerâmica se encontra
diretamente em contato com a base, este tipo é sensível a transientes de
temperatura e à flexão da base.
No acelerômetro de flexão, a cerâmica é uma viga flexível em balanço, com a
massa sísmica fixada à sua extremidade livre. Sob aceleração, a massa causa a
flexão sob tensão mecânica do material piezoelétrico, gerando tensão elétrica. São
sensores compactos, leves e de baixo custo. No entanto, são mais frágeis e também
são sensíveis a transientes térmicos e flexões na base.
Sensores de aceleração piezoelétricos também podem ser classificados pela
maneira como o sinal é tratado. São chamados de acelerômetros IEPE (Integrated
Electronics Piezoelectric) ou Piezoelétricos com Eletrônica Integrada quando contêm
condicionadores de sinal integrados à eletrônica do próprio transdutor. Quando o
condicionamento de sinal deve ser feito externamente, são chamados de
acelerômetros tipo carga.
3.3. Piezoresistivos
Os acelerômetros piezoresistivos funcionam de acordo com o efeito
piezoresistivo de elementos condutores.
O efeito piezoresistivo consiste na variação da resistência de um condutor
elétrico quando este é submetido a tensões mecânicas. A variação da resistência R
do condutor é uma função de sua área A (m²), bem como de seu comprimento l (m)
e de sua resistividade elétrica ρ (Ωm), como mostra a Equação 3.2.
R=ρ lA
(Ω) (3.6)
11
Piezoresistores são, então, resistores que sofrem variação de resistência com
a aplicação de tensões mecânicas. Resistores metálicos variam sua resistência em
resposta a tensões mecânicas principalmente devido ao mecanismo de deformação.
Estes resistores são chamados de strain gauges. A resistência de um semicondutor
de silicone varia em função da tensão mecânica. Por isso, o silicone é um verdadeiro
piezoresistor (LIU, 2011).
A Figura 3.3 mostra um strain gauge. Estes sensores têm uma propriedade
chamada de fator gauge que exprime a relação entre a variação relativa da
resistência elétrica e a deformação mecânica. O fator gauge possui duas
componentes: fator gauge longitudinal para as variações de resistência sofridas a
partir das tensões aplicadas longitudinalmente e fator gauge transversal para as
variações de resistência sofridas a partir das tensões aplicadas transversalmente.
Sob tração longitudinal, a área do strain gauge diminui, levando a um aumento da
resistência do elemento. Sob compressão longitudinal, a área aumenta e a
resistência diminui. No sentido transversal, os efeitos são completamente reversos.
Figura 3.6. Strain Gauge. Fonte: LIU, 2011.
Normalmente as variações de resistência são medidas através de uma ponte
Wheatstone, uma configuração de circuito para medição por comparação. A Figura
3.4 mostra uma ponte de Wheatstone. O circuito consiste de quatro resistores
conectados num ciclo. A tensão de alimentação é aplicada entre duas junções
separadas por dois conjuntos de duas resistências em série, sendo os conjuntos
paralelos entre si. Entre as duas outras junções, existe uma diferença de potencial
que é chamada de tensão de saída. Uma ou mais resistências deste circuito podem
12
ser strain gauges enquanto as outras resistências são fixas. Assim, a tensão de
saída se torna uma função da variação de resistência nos strain gauges, como
mostra a Equação 3.3.
Figura 3.7. Ponte de Wheatstone. Fonte: LIU, 2011.
V out=( R2R1+R2
−R4
R3+R4 )V ¿ (V) (3.7)
Onde V out é a tensão de saída (V), V ¿ é a tensão de alimentação (V), R1 ,R2 , R3
e R4 são as resistências dos respectivos braços da ponte (Ω).
Surgindo a capacidade de medir uma variável elétrica em função indiretamente
de forças mecânicas, a tecnologia torna-se aplicável à medição de aceleração. A
Figura 3.5 mostra a forma construtiva de um acelerômetro. Neste caso, a massa
sísmica é fixada à extremidade livre de uma viga em balanço e duas resistências da
ponte de Wheatstone são strain gages presos à viga. Quando o transdutor é
submetido a uma aceleração, a massa se desloca provocando uma tensão
mecânica na viga. A mesma tensão é sofrida pelos strain gages, onde acontece
variação de resistência que é convertida em um sinal de tensão elétrica.
Os sensores piezoresistivos são sensíveis à variação de temperatura, por isso
é necessário adotar métodos de compensação desta variação, seja internamente
através do uso dos braços da ponte ou externamente por processamento ou pós-
processamento do sinal.
13
Figura 3.8. Exemplo de acelerômetro resistivo. Fonte: KUCHMA, 2007.
Os acelerômetros piezoresistivos formam o conjunto de acelerômetros onde
mais se aplica a tecnologia MEMS, por isso são de grande aplicação tanto na
Engenharia quanto em equipamentos usados pelo público geral.
Liu (2011) descreve, diferencia e formula matematicamente os strain gauges
metálicos e de semicondutores de silicone monocristalino e policristalino.
Acelerômetros piezoresistivos são os mais versáteis. Possuem larga banda de
frequência mensurável, conseguindo medir desde 0 Hz até milhares de Hertz,
dependendo do sensor. Isto porque estes transdutores geralmente contém
amortecimento por fluido, o que evita frequências de ressonância nas bandas de
aplicação. Além disso, como sua saída é diferencial e puramente resistiva, o sensor
piezoresistivo tem bom desempenho em relação a ruídos. Algumas formas
construtivas suportam acelerações acima de 10.000 g. Sendo um dispositivo que
fornece resposta em DC, é possível obter sinais de velocidade e posição a partir do
sinal de aceleração sem erros de integração (CHU, 2012).
4. Especificações
Um acelerômetro qualquer tem diversas especificações básicas, que variam
de um para outro de acordo com a sua finalidade. As principais especificações
podem ser divididas em alguns grupos como:
14
4.1. Especificações Físicas
As especificações físicas de um acelerômetro, referem-se ao corpo e
composição física do mesmo. As principais delas são:
Tamanho do Acelerômetro ( Largura x Comprimento )
Peso
Rosca de Moldagem ( Macho ou Fêmea )
Elementos de Sensoriamento
Material da Caixa
Conector elétrico
4.2. Especificações Elétricas
As especificações elétricas são referentes a parte eletrônica do acelerômetro,
As principais são:
Sensibilidade
Faixa de Medição
Tempo de Equilíbrio
Tensão de Polarização de Saida
Tensão de Excitação
4.3. Especificações do Ambiente
As especificações do ambiente referem-se ao ambiente de trabalho do
acelerômetro. As principais são:
Umidade Relativa
15
Limite de choque
Temperatura do Ambiente
5. Tipos de Fixação do Acelerômetro
Os acelerômetros, podem ser fixados nos mais diversos tipos de objetos, e de
diversas formas, que variam de acordo com as especificações de cada acelerômetro
e cada projeto, Os tipos de fixação mais comuns são:
5.1. Fixação Magnética
O acelerômetro possuiu uma base magnética, é preso no objeto através de imã
que segura tal base.
5.2. Fixação por parafuso
O acelerômetro é parafusado no objeto
5.3. Fixação com cola
O acelerômetro é colado no objeto
5.4. Fixação por hastes
O acelerômetro possui algumas hastes, que encaixam no objeto deixando o
fixo a ele.
16
6. Sinais de Saída do Acelerômetro
Um acelerômetro pode ter dois tipos de sinal de saída, de acordo com suas
características físicas, esses tipos de sinais são:
6.1. Sinal Analógico
O sinal analógico de saída é um valor de tensão proporcional à aceleração
sofrida pelo componente. Caso se mantenha constante, a tensão na saída do
acelerômetro também será constante.
6.2. Sinal Digital
Os acelerômetros digitais já fazem internamente a conversão do sinal
analógico para um sinal digital, ou seja, enviam um sinal digital de acordo com a
aceleração sofrida pelo componente
7. Aplicações
7.1. Engenharia
Acelerômetros podem ser usados para medir forças inerciais: podem ser
usados para medir velocidade, deslocamento ou força. Ele pode fazer isto porque a
aceleração integrada no tempo fornece a velocidade de um objeto. A velocidade
integrada no tempo fornece o deslocamento. Aplicações de medição de forças
inerciais incluem sensores de choque para airbags, sistemas de navegação para
carros e controle de elevadores.
Acelerômetros podem ser usados para medir choque, vibrações de máquinas
industriais ou de terremotos. Acelerômetros têm sido muito usados para monitorar as
condições de máquinas para prever falhas.
17
7.2. Biologia
Os acelerômetros são também cada vez mais utilizado nas Ciências Biológicas.
Gravações de alta frequência de biaxial ou [aceleração tri axial 6] (> 10 Hz) permite
a discriminação de padrões de comportamento quando os animais estão fora de
vista. Além disso, as gravações de aceleração permitem aos pesquisadores
quantificar a taxa à qual um animal é gasto de energia na natureza, quer por
determinação da frequência ou de medidas como a dinâmica global do corpo de
Aceleração. Essas abordagens têm sido quase sempre aprovadas pelos cientistas
marinhos, devido à incapacidade de estudo os animais selvagens por meio de
observações visuais, no entanto, um número crescente de biólogos terrestres estão
adotando abordagens semelhantes. Este dispositivo pode ser conectado a um
amplificador para amplificar o sinal.
7.3. Indústria – Acompanhamento da vida de componentes
Os acelerômetros são também utilizados para monitoramento da vida de
componentes em máquinas rotativas tais como bombas, rolamentos, compressores,
e torres de resfriamento. Programas de monitoramento de vibrações são
comprovados para poupar dinheiro, reduzir o tempo de inatividade, e melhorar a
segurança em instalações de nível mundial através da detecção de condições, tais
como desvio do eixo, o desequilíbrio do rotor, insuficiência, que pode levar a reparos
com alto custo. Através de dados de vibração obtidos pelo acelerômetro permite ao
usuário controlar máquinas e detectar esses defeitos antes que o equipamento
rotativo falhar. Programas de monitoramento de vibrações são utilizados em
indústrias como a indústria automotiva, as aplicações máquina-ferramenta, produção
farmacêutica, a geração de energia, papel, produtos alimentares, bebidas, produção,
água e esgoto, hidrelétricas, petroquímica e siderurgia.
7.4. Construção e estruturais de acompanhamento
18
Os acelerômetros são utilizados para medir o movimento e a vibração de uma
estrutura que está exposta a cargas dinâmicas. Cargas dinâmicas são originários de
uma variedade de fontes incluindo:
As atividades humanas - caminhar, correr, dançar ou pular
Máquinas de trabalho - dentro de um prédio ou nas redondezas
Construção - Estacas de condução, demolição, escavação e perfuração
Cargas móveis em pontes
Colisões entre veículos
Cargas de impacto - a queda de detritos
Cargas Concussão - internos e externos explosões
Recolher elementos estruturais
Wind cargas e rajadas de vento
A pressão da explosão do ar
A perda de apoio por falta de terreno
Os terremotos e tremores
Medição e registo como uma estrutura de resposta a esses insumos é
fundamental para avaliar a segurança e a viabilidade de uma estrutura. Este tipo de
acompanhamento é chamado de monitoração dinâmica.
7.5. Navegação
Um Sistema de Navegação Inercial (INS) é um recurso de navegação que usa
um computador e sensores de movimento (acelerômetros) para calcular
continuamente através da conta inoperante a posição, orientação e velocidade
(direção e velocidade do movimento) de um objeto em movimento sem a
necessidade de externa referências. Outros termos utilizados para se referir aos
19
sistemas de navegação por inércia ou estreitamente relacionados com os
dispositivos incluem sistema de navegação inercial, a plataforma de referência
inercial, e muitas outras variações.
Um acelerômetro só é inadequada para determinar mudanças de altitude ao
longo de distâncias, onde a queda vertical da gravidade é significativa, como para
aviões e foguetes. Na presença de um gradiente gravitacional, o processo de
calibração e redução de dados é numericamente instável.
7.6. Aparelhos eletrônicos
Atualmente as principais aplicações dadas aos acelerômetros são em
dispositivos embarcados, como celulares e videogames. Utilizando esse sensor em
um celular é possível executar funções do aparelho apenas movimentando o
mesmo, por exemplo, ouvir música basta chacoalhar o aparelho para mudar para a
próxima música.
Há jogos para celulares que também usam o recurso do acelerômetro para
inovar na jogabilidade, como por exemplo, jogos de corrida onde o volante do
veículo é o próprio celular.
No seguimento dos videogames, temos o controle do console Nintendo Wii, o
Wii Remote que contém um acelerômetro de três eixos, e foi projetado
principalmente para a entrada de movimento, que torna muito mais realista jogos de
tiro, corrida entre outros.
A Sony PlayStation 3 usa o DualShock 3 remoto que utiliza um acelerômetro de
seis eixos que podem ser usados para fazer a direção mais realista em jogos de
corrida, como Motorstorm e Burnout Paradise.
7.7. Orientação de sensoriamento
Uma série de computadores portáteis modernos apresentam acelerômetros
para alinhar automaticamente a tela dependendo da direção do dispositivo é
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realizada, ou seja, alternar entre os modos retrato e paisagem. Esta característica é
relevante para Tablet PCs e alguns smartphones e câmeras digitais.
Por exemplo, a Apple usa um acelerômetro LIS302DL no iPhone, iPod Touch e
a geração 4 e 5 iPod Nano permite o dispositivo para saber quando ele se inclina
para um lado.
A partir de 2009, quase todos os novos telefones celulares e câmeras digitais,
como Canon e gama Ixus conter pelo menos um sensor de inclinação (às vezes um
acelerômetro) para efeitos de rotação automática de imagem, movimento-sensível
mini-jogos, e para corrigir shake quando tirar fotografias.
7.8. A estabilização de imagem
Câmaras fotográficas digitais utilizam acelerômetros para a estabilização de
imagem. A câmera armazena fotos tiradas com o CCD "quando a câmera está em
movimento. Quando a câmera utiliza (mesmo que apenas por um milésimo de
segundo, como poderia ser o caso de vibração), o CCD é "agarrado".
7.9. Integridade do dispositivo
Uma aplicação muito útil para o acelerômetro foi dada em computadores e
notebooks como Lenovo (ex-IBM) Active Protection System, e Sudden Motion
Sensor da Apple, nestes dispositivos um acelerômetro é instalado na máquina,
assim quando esta sofrer um movimento brusco ou uma queda uma ordem de
parada é enviada ao HD, evitando assim que dados sejam perdidos por colisão das
cabeças do HD.
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Capítulo 4
8. Resultados e Discussões
Este trabalho teve cunho de pesquisa quantitativa, analisando o funcionamento
de um dispositivo, uma vez que os dados serão reais, numéricos e verídicos, sem a
necessidade de interpretações ou opiniões.
Para a pesquisa de qualquer componente eletrônico, a principal fonte de
pesquisa é o manual do componente ou manuais de dispositivos que contenham o
componente alvo de pesquisa, livros ou até mesmo sites de eletrônica ou hardware
computacional, sites de revendedoras de componentes eletrônicos, uma vez que
geralmente é disponibilizada uma descrição de determinado produto, entre outras
fontes da área de eletrônica.
Para a realização desse trabalho foram colhidas informações do componente,
tais como funcionamento, tipos diferentes do dispositivo, principais aplicações,
características operacionais, entre outros, a fim de proporcionar uma base de dados
suficiente para este trabalho, tanto em quantidade de informações quanto em
veracidade e relevância.
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Capítulo 5
9. Conclusões
Com o advento de novas tecnologias, o acelerômetro terá cada vez mais
usabilidade, pela sua versatilidade e inovação, vemos a importância e presença que
este sensor representa em nossas vidas, seja em momentos de lazer ou em
operações críticas.
A partir deste trabalho compreendemos seu funcionamento e aplicabilidade, e
temos uma nova visão deste componente, o que antes era despercebido agora se
torna mais claro.
Suas aplicações foram apontadas e possíveis usabilidades foram sugeridas e
exemplificadas. Desta forma percebemos o universo ao qual este componente está
inserido e qual será o seu futuro.
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