2. Conceitos Fundamentais e Estado da Arte
2.5. Aquisição, Análise e Processamento de Sinais
2.5.3. Equipamentos e Técnicas de Medida
Na análise de vibrações em estruturas, em geral, e em actuadores electromecânicos, em particular, é comum estabelecer planos de ensaios. Esses planos consideram aspectos técnicos na instrumentação, a especificação dos sensores ou transdutores, a definição dos pontos de
Capítulo 2. Conceitos Fundamentais e Estado da Arte
interligações. Além disso, consideram também questões de ordem geral e aspectos práticos, como por exemplo a facilidade de montagem e de reconfiguração do teste, e aspectos económicos, como os custos e a disponibilidade de equipamentos. Os factores determinantes com implicações no desempenho do sistema de medida são: a instrumentação, a aquisição e o armazenamento das medições, as cablagens e o ruído de origem eléctrica ou electromagnética.
Instrumentação
Na definição do plano de ensaios de avaliação das vibrações em actuadores electromecânicos, as grandezas e os parâmetros a medir, geralmente, são: a aceleração, a velocidade, o deslocamento, a tensão e a força. A primeira é normalmente considerada nas medidas de respostas a altas frequências e também nos casos em que se pretende analisar as forças relacionadas com a aceleração. Considera-se a velocidade quando se pretende maior uniformidade do espectro a frequências intermédias, e quando se pretende correlacionar as vibrações e o ruído acústico emitido. Caso seja relevante, mede-se a amplitude dos deslocamentos para identificação das zonas de maior tensão e/ou de esforço.
A diversidade de grandezas não obriga, porém, ao uso de diferentes tipos de transdutores, especialmente adequados a cada grandeza. Em generalidade, a partir da resposta dos acelerómetros, por integração numérica sucessiva, obtém-se também a velocidade e o deslocamento. De entre os factores relacionados com a instrumentação destacam-se [10]:
As grandezas e os parâmetros a medir e as características do movimento;
As características técnicas dos transdutores (sensibilidade, orientação e resolução); As condições ambientais e o tipo de fixação para testes;
As interfaces de comunicação com os sistemas de aquisição e registo de dados; O modo como esses sistemas operam (em modo manual ou automático); As questões ligadas à calibração e a eventuais ajustes nos valores.
Estes factores determinam as características mais relevantes a observar na escolha dos transdutores que se apresentam resumidamente na Tabela 2.3.
Além das características gerais apresentam-se outras, específicas, como por exemplo, no caso nos microfones, a impedância, a sensibilidade expressa por diagramas polares de directividade e a relação sinal-ruído; nos transdutores de corrente e de tensão, as características de linearidade e os valores de offset que influenciam directamente as medições.
No que respeita aos acelerómetros, importa considerar os efeitos da sua massa na precisão das medições. Estes efeitos podem ser estimados considerando que o conjunto formado pelo transdutor, de massa mt, e a base de fixação com coeficiente de elasticidade kb formam um sistema simples do tipo massa-mola. A aceleração xt “sentida” pelo transdutor é dada por
2.5 Aquisição, Análise e Processamento de Sinais
(
)
= + 2 2 b t ut b t n k x x k m f , (2.129)onde xut é a aceleração da unidade em teste e fn a frequência de vibração.
Tabela 2.3 Características principais dos transdutores a aplicar na instrumentação do actuador.
Factores Parâmetros técnicos mais comuns
Condições ambientais Temperatura, humidade, pressão atmosférica, ruído acústico, campos magnéticos ou radioeléctricos.
Características dos transdutores Sensibilidade, resolução, linearidade, gama dinâmica, resposta em frequências e em fase, relação sinal-ruído, direcção ou eixo sensível (acelerómetros), diagrama polar de directividade (microfones), susceptibilidade a factores ambientais, tipo de alimentação, amplificação e condicionamento de sinal, interfaces de comunicação, dimensões físicas e massa.
Caso a aceleração do transdutor esteja contida num intervalo de cerca de 10% da aceleração da peça em teste, então a constante de elasticidade kb é pelo menos dez vezes superior ao termo mt
(
2 fn)
2[10]. Nessas condições a frequência natural não amortecida do sistema formado pelo transdutor e a respectiva base de fixação é dada por= 1 2 b n t k f m , (2.130)
e a frequência de vibração do sistema em teste é pelo menos dez vezes superior à frequência natural do sistema transdutor-base. Nos acelerómetros electrónicos montados em placas de circuito impresso, incluindo os componentes de interface e de condicionamento de sinal, a massa total do conjunto é muito baixa quando comparada com a das peças onde são fixados. Por estas razões os seus efeitos nas medições consideram-se desprezáveis.
A fixação dos acelerómetros em estruturas com superfícies metálicas faz-se de acordo com um conjunto de técnicas e procedimentos estabelecidos e geralmente aceites. Para a fixação dos acelerómetros podem-se usar bases magnéticas (em materiais ferromagnéticos), resinas não condutoras do tipo epoxy ou fitas auto-adesivas. Outra solução muito comum consiste em usar placas de cera natural de abelha [10], [39]. A cera assegura uma boa fixação da base do acelerómetro à superfície de montagem, garante bom isolamento eléctrico e apresenta maior
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medida. Além disso, para espessuras inferiores a 0,5 mm as placas de cera permitem ter resultados aproximados aos que se obtêm com fixação em base por perno roscado. No entanto, esta solução é sensível a temperaturas mais altas e às vibrações mais intensas, que podem causar o desprendimento do transdutor e assim comprometer a estabilidade das medições.
Aquisição de Dados, Cablagens e Ruído
Na avaliação das vibrações em actuadores electromecânicos é comum usarem-se sistemas de aquisição de dados suportados em computadores pessoais. Tal deve-se à automatização dos processos de medida, à quantidade de dados a adquirir e à necessidade de correlacionar os valores das várias grandezas em instantes ou intervalos de tempo específicos. Na análise de vibrações em actuadores rotativos, por exemplo, são normalmente suficientes dois a três canais de medida. No entanto, no caso dos actuadores lineares, esse número pode ser seis a sete vezes superior dependendo das características da solução e do sistema de medida.
A definição dos pontos de teste e do número de transdutores a usar em simultâneo estabelece o número de canais de aquisição de dados e, consequentemente, os requisitos de memória necessária ao seu armazenamento. Um número maior de canais de medida e de transdutores significa, regra geral, uma melhoria na quantidade e na qualidade da informação das vibrações. Porém, isto apenas se verifica com a escolha criteriosa dos pontos de teste, de modo a evitar informação redundante. Por outro lado, o número de canais de medida tem implicações nos requisitos de largura de banda para aquisição e transmissão dos dados. Além disso, as dimensões das ligações físicas relativas a esses canais de medida podem influenciar as medições.
A alimentação dos transdutores e a transmissão de dados entre estes e os sistemas de aquisição e armazenamento de dados faz-se normalmente através de cabos os quais, dependendo da topologia e das características, podem influenciar as medições, tanto pelo potencial de captação de ruído eléctrico como pela susceptibilidade a fenómenos electromagnéticos. Além disso, a rigidez das cablagens pode causar maior resistência mecânica e originar o desprendimento dos transdutores, particularmente nos casos em que estes têm massa reduzida e são fixados às superfícies por camadas de cera de abelha ou por fita auto-adesiva.
Assim, as cablagens a usar nas ligações entre os dispositivos de instrumentação e de aquisição de dados devem ser flexíveis e de dimensão reduzida. Os cabos devem ser de boa qualidade, com baixos valores de resistência eléctrica e de indutância equivalente série e com blindagens por malha entrançada. Devem também ser adoptadas técnicas de supressão de ruído, designadamente pela utilização de protocolos de transmissão de dados em modo diferencial sobre pares de condutores entrançados, e a não colocação de cabos na proximidade de campos magnéticos. São de evitar ligações em anéis de “massa” (ground loops), ou o uso dos mesmos pares de fios condutores para fornecimento da alimentação (polarização) ao transdutor e para transmissão de dados (sinal).