Acelerómetro

Un acelerómetro es un sensor capaz de detectar y/o medir la aceleración , mediante el cálculo de la fuerza detectada con respecto a la masa del objeto (fuerza por unidad de masa).

El uso del acelerómetro se ha incrementado significativamente en los últimos años ya que, junto a las aplicaciones tradicionales en los campos científico y aeroespacial, se ha adoptado en numerosos campos civiles (automoción, smartphone, testing, análisis mecánico, juego, etc.) a menudo junto a otros sensores, como giroscopios, magnetómetros, etc. Con la multiplicación de las aplicaciones, los tipos de estos instrumentos también se han diversificado y hoy existen decenas de tipos, cada uno con características funcionales y constructivas diferentes.

Principio de funcionamiento

En la mayoría de los acelerómetros, el principio de funcionamiento es el mismo: se basa en detectar la inercia de una masa cuando se somete a una aceleración.

La masa está suspendida de un elemento elástico, mientras algún tipo de sensor detecta su desplazamiento con respecto a la estructura fija del dispositivo. En presencia de una aceleración, la masa (que tiene su propia inercia) se mueve desde su posición de reposo en proporción a la aceleración detectada. El sensor transforma este desplazamiento en una señal eléctrica que puede ser adquirida por los modernos sistemas de medición.

Por lo tanto, se puede hacer una primera clasificación dividiendo estos instrumentos según el principio de funcionamiento del sensor de posición.

Acelerómetro extensométrico

El acelerómetro de puente de galgas extensométricas utiliza el mismo principio de detección que las celdas de carga , es decir, la variación de la resistencia de una galga extensométrica debido a la variación de su longitud.

En estos dispositivos se suspende una masa sobre láminas delgadas, sobre estas últimas se fijan galgas extensiométricas conectadas al puente de Wheatstone .

En presencia de una aceleración, la masa se mueve flexionando las láminas y en consecuencia las galgas extensométricas sufren un alargamiento. Con un voltímetro es posible leer una tensión de desequilibrio del puente de Wheatstone proporcional a la aceleración.

Acelerómetro piezoresistivo

El acelerómetro de puente piezorresistivo es una variante del acelerómetro de puente de galgas extensométricas, donde se utilizan sensores piezoresistivos en lugar de galgas extensométricas . Estos sensores se comportan de manera similar a las galgas extensométricas, pero permiten una mayor elongación y sensibilidad , mientras que tienen algunos problemas de estabilidad con la variación de temperatura.

A menudo, en estos instrumentos la masa está suspendida sobre una membrana de plástico, sobre la que se han fijado los elementos piezoresistivos.

Acelerómetro LVDT

El acelerómetro LVDT utiliza un sensor LVDT (Transformador Diferencial Variable Lineal) integrado en la estructura del acelerómetro como principio para detectar el desplazamiento de la masa .

En estos dispositivos, la propia masa constituye el núcleo ferromagnético del sensor LVDT, y fluye (suspendida sobre resortes u otros elementos elásticos) dentro de un canal, alrededor del cual se enrollan las bobinas destinadas a detectar la posición de la masa.

Un circuito especial detecta la posición del núcleo con respecto a las bobinas y genera una señal eléctrica proporcional al desplazamiento con respecto a la posición de reposo.

Acelerómetro capacitivo

El acelerómetro capacitivo utiliza, como principio para detectar el desplazamiento de la masa , la variación de la capacidad eléctrica de un capacitor a medida que varía la distancia entre sus placas .

En estos acelerómetros, la masa sísmica (fabricada con material conductor) constituye una armadura, mientras que la otra se realiza sobre la estructura fija del dispositivo, en las inmediaciones de la masa. La masa está suspendida sobre un elemento elástico relativamente rígido (típicamente una membrana). Un circuito especial detecta la capacitancia del capacitor así creado y genera una señal eléctrica proporcional a la posición de la tierra.

En los últimos años, los acelerómetros capacitivos se fabrican con tecnología MEMS , donde las placas individuales tienen forma de peine para aumentar su valor de capacitancia. Esto permite realizar un condensador diferencial que permite, como primera aproximación, linealizar la relación entre el desplazamiento de la armadura. La posición de la masa es directamente proporcional a la aceleración a través de la relación elástica [1] .

Acelerómetro piezoeléctrico

El acelerómetro piezoeléctrico utiliza, como principio para detectar el desplazamiento de la masa, la señal eléctrica generada por un cristal piezoeléctrico cuando se somete a compresión.

En estos acelerómetros la masa está suspendida sobre el cristal piezoeléctrico que, en este caso, constituye tanto el sensor como el elemento elástico. En presencia de una aceleración, la masa (que tiene una cierta inercia) comprime el cristal, lo que genera una señal eléctrica proporcional a la compresión.

Dado que el elemento elástico es un cristal, las características de estos dispositivos son peculiares:

Una consideración particularmente importante radica en el hecho de que los cristales generalmente utilizados en la construcción del elemento elástico tienen un valor muy alto de la constante elástica, lo que tiene una profunda influencia en la ecuación diferencial que gobierna el fenómeno vibratorio que involucra el sistema del instrumento.

Cabe señalar la última característica: como se mencionó, el cristal genera una señal eléctrica proporcional a la compresión, pero si la compresión sobre el cristal persiste, la señal generada tiende a disiparse después de un corto período. Como consecuencia de este fenómeno, llamado fuga , estos acelerómetros no son capaces de detectar una aceleración cuasiestática : después de unos segundos de la aplicación de tal aceleración, la señal primero se "congela" y luego se disipa, y en la salida no volverá. ser que no hay señal. Esto se debe a la alta resistencia del acelerómetro o posiblemente también a una configuración incorrecta de la frecuencia límite inferior en el preamplificador. Estos acelerómetros se utilizan en aplicaciones donde es necesario detectar aceleraciones dinámicas como las generadas en vibraciones y choques mecánicos.

Acelerómetro láser

El acelerómetro láser es un tipo particular de acelerómetro, utilizado cuando es necesario realizar mediciones extremadamente precisas, que no se pueden obtener con otros tipos de instrumentos. El principio de funcionamiento es conceptualmente diferente de los descritos anteriormente y se basa en el principio físico de que la aceleración es una derivada de la velocidad en el tiempo.

En este dispositivo, un interferómetro láser mide instante a instante el desplazamiento del objeto en movimiento, una computadora conectada a él hace la segunda derivada con respecto al tiempo, obteniendo así directamente el valor de la aceleración.

Los problemas de estos dispositivos son que son caros, bastante voluminosos, requieren que el interferómetro esté montado en el suelo (o en un lugar que se considere fijo) y el láser debe apuntar constantemente al objeto en movimiento.

Gravímetro

El gravímetro es un tipo particular de acelerómetro hecho específicamente para medir la aceleración de la gravedad . Según el principio de equivalencia de la relatividad general , los efectos de la gravedad y la aceleración son los mismos, por lo que un acelerómetro no puede distinguir entre los dos.

Como gravímetros se pueden utilizar versiones mejoradas de acelerómetros para medidas estáticas, en los que se han cuidado especialmente las características de sensibilidad, precisión y estabilidad. De hecho, en esta aplicación, es necesario detectar variaciones de aceleración extremadamente pequeñas.

Cuando, con fines científicos, es necesario realizar mediciones extremadamente precisas, se utiliza un instrumento que funciona con el mismo principio que el acelerómetro láser: en este caso, la aceleración de la caída de un cuerpo se detecta en una cámara de vacío, utilizando un interferómetro láser para medir el desplazamiento y un reloj atómico para medir el tiempo de caída.

La detección de la aceleración gravitatoria, además de ser de interés en el ámbito científico (especialmente en física y geología), es una práctica de la industria extractiva (especialmente para la investigación de yacimientos petrolíferos).

Ancho de banda

Los acelerómetros se pueden dividir en dos grandes categorías:

La primera categoría incluye instrumentos que tienen una banda de paso con característica de paso bajo, mientras que la segunda incluye instrumentos que tienen una característica de paso de banda.

Los acelerómetros para medidas de aceleración estática son capaces de detectar desde aceleraciones continuas y estáticas (cantidad de entrada con frecuencia a 0 Hz) hasta aceleraciones que varían con bajas frecuencias (normalmente hasta 500 Hz). Esta característica es típica de los acelerómetros fabricados con galgas extensiométricas, LVDT o principio capacitivo. Ejemplos de aplicación de estos instrumentos son mediciones de aceleración gravitacional, aceleración centrífuga, de un vehículo en movimiento, en guía inercial.

Los acelerómetros para medidas de aceleración dinámica son dispositivos que no son capaces de detectar aceleraciones estáticas (por ejemplo, la aceleración gravitacional), pero sí pueden detectar aceleraciones que varían con el tiempo, por ejemplo, las generadas por objetos que vibran o las que se generan en colisiones. El ancho de banda de estos instrumentos puede oscilar entre unos pocos Hz y 50 kHz. Los acelerómetros típicos de este tipo son los fabricados con tecnología piezoeléctrica.

Acondicionadores de señal integrados

El progreso de la miniaturización electrónica ha hecho posible integrar varios acelerómetros y acondicionadores de señal relacionados dentro del mismo paquete . Estos circuitos se pueden utilizar para alimentar correctamente los sensores, o para amplificar, filtrar y linealizar la señal de salida.

La integración de estos circuitos ha simplificado el uso de acelerómetros, que se pueden utilizar de forma eficaz en una gama más amplia de aplicaciones de forma sencilla y rentable.

Uso de acelerómetros en la vida cotidiana

Si hasta hace unos años los acelerómetros estaban destinados a usos científicos, militares o civiles "especiales", hoy con la evolución de la electrónica, la reducción de costes y el desarrollo de aplicaciones, los acelerómetros se utilizan cada vez más sobre objetos de uso común.

Algunos acelerómetros miniaturizados (usados ​​como inclinómetros ) se encuentran en dispositivos portátiles para rotar automáticamente la orientación de la visualización en la pantalla (de vertical a horizontal y viceversa), dependiendo de si el dispositivo está colocado en forma horizontal o vertical. La misma tecnología se encuentra a bordo de los gamepads de algunas videoconsolas, permitiendo, con la sola inclinación de los mismos, controlar el progreso de las partidas. Por ejemplo, en la plataforma Wii de Nintendo , el uso de acelerómetros en los mandos a distancia permite una interactividad muy superior a la de la competencia.

Desde la década de 1980, se han introducido acelerómetros de bajo consumo y pequeño tamaño en el interior de los marcapasos para adaptar la tasa de estimulación a la actividad que realiza el paciente.

Otra aplicación cada vez más común es la utilizada para detectar la aceleración lateral de los vehículos, con el fin de controlar el derrape mediante la activación adecuada del sistema de frenado.

En biología

Muchos animales usan estatocistos , que son estructuras celulares especiales con pesos pendulares y órganos de los sentidos inervados, para medir la aceleración y la gravedad.

Notas

  1. ^ Mastrofini Alessandro, Acelerómetro, de cantidades mecánicas a eléctricas , en alessandromastrofini.it , 26 de julio de 2021. Consultado el 28 de agosto de 2021 .

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