piezoelectrico
3
1 DISEÑO ACONDICIONADOR DE SEÑAL PARA UN SENSOR PIEZOELÉCTRICO Marcano Jennis, Rodríguez José Luís [email protected] , joseerodriguez@c antv.net Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” Vicerrectorado Puerto Ordaz Departamento de Ingeniería Electrónica Maestría de Ingeniería Electrónica, Cátedra Mediciones Industriales RESUMEN El presente artículo propone el diseño de un acondicionador de señal para sensor de Vibración basado en el principio Piezoeléctricos, con el propósito de darle un tratamiento electrónico y adecuar la señal de salida del sensor a ni veles que pueda n ser medi dos para aplicación en medidor de vibración. Para ello se hace uso de un microcontrolador PIC16F877A, debido a su bajo costo y altas prestaciones. Palabras Claves: sensor, sensor piezoeléctrico, acelerómetro. 1. INTRODUCCIÓN El efecto piezoeléctrico fue descubierto por Jacques y Pierre Curie en 1980 con los cristales de cuarzo. Este fenómeno se produce en determinados materiales cristalinos y consiste en la aparición de una cierta carga eléctrica cuando el cristal es sometido a algún tipo de deformación bajo la acción de un esfuerzo; por otro lado, también manifiestan el efecto contrario, cuando se les aplica una señal eléctrica aparece en ellos una deformación mecánica. Dada la influencia de la fuerza aplicada sobre el dispositivo piezoeléctrico en la carga generada en él, cabe la posibilidad de utilizarlo como sensor para la medida de la fuerza o de cualquier magnitud física que se pueda convertir en f uerza. La medición de las vibraciones en los ambientes hostiles en ámbito de la monitorización de máquinas industriales. La versión de alta frecuencia es ideal para la monitorización de la vibración de cojinetes cilíndricos, cajas de engranajes, bombas, etc. La versión de media frecuencia se usa para la monitorización de la vibración de bombas, motores, ventiladores, transportadores, el modelo a baja frecuencia, se usa en el sector petrolquímico, máquina herramienta, e industrias del papel para la monitorización de agitadores de baja velocidad, torres de refrigeración, La versión alta temperatura, se usa donde es necesaria una mayor protección de temperatura, como por ejemplo la sección de una máquina para el papel. El presente artículo pretende desarrollar un medidor de vibraciones basado en un acelerómetro o sensor de vibración piezoeléctrico. El tratamiento de la señal se logra mediante un comparador de tensión, que tendrá una salida TTL, la cual ingresa al microcontrolador PIC. De esta forma se abre una ventana de tiempo de un segundo y se mide la cantidad de pulsos que se generados en dicho intervalo. La información referente a las vibraciones por minutos se muestra en cuatros en display 7 segmentos.
-
Upload
carlos-martinez -
Category
Documents
-
view
97 -
download
0
Transcript of piezoelectrico
5/10/2018 piezoelectrico - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/piezoelectrico-55a0cfa95ef65 1/3
1
DISEÑO ACONDICIONADOR DE SEÑAL
PARA UN SENSOR PIEZOELÉCTRICO
Marcano Jennis, Rodríguez José Luís
[email protected] , [email protected]
Universidad Nacional Experimental Politécnica“Antonio José de Sucre”
Vicerrectorado Puerto OrdazDepartamento de Ingeniería Electrónica
Maestría de Ingeniería Electrónica, Cátedra Mediciones Industriales
RESUMEN
El presente artículo propone el diseño de un
acondicionador de señal para sensor de Vibración
basado en el principio Piezoeléctricos, con el propósito
de darle un tratamiento electrónico y adecuar la señal
de salida del sensor a niveles que puedan ser medidos
para aplicación en medidor de vibración. Para ello se
hace uso de un microcontrolador PIC16F877A, debido a
su bajo costo y altas prestaciones.
Palabras Claves: sensor, sensor piezoeléctrico,
acelerómetro.
1. INTRODUCCIÓN
El efecto piezoeléctrico fue descubierto por Jacques yPierre Curie en 1980 con los cristales de cuarzo. Estefenómeno se produce en determinados materialescristalinos y consiste en la aparición de una cierta cargaeléctrica cuando el cristal es sometido a algún tipo dedeformación bajo la acción de un esfuerzo; por otro lado,también manifiestan el efecto contrario, cuando se lesaplica una señal eléctrica aparece en ellos unadeformación mecánica.
Dada la influencia de la fuerza aplicada sobre eldispositivo piezoeléctrico en la carga generada en él,cabe la posibilidad de utilizarlo como sensor para lamedida de la fuerza o de cualquier magnitud física que se
pueda convertir en fuerza. La medición de las vibraciones
en los ambientes hostiles en ámbito de la monitorizaciónde máquinas industriales. La versión de alta frecuencia esideal para la monitorización de la vibración de cojinetescilíndricos, cajas de engranajes, bombas, etc.
La versión de media frecuencia se usa para lamonitorización de la vibración de bombas, motores,ventiladores, transportadores, el modelo a bajafrecuencia, se usa en el sector petrolquímico, máquinaherramienta, e industrias del papel para la monitorizaciónde agitadores de baja velocidad, torres de refrigeración,La versión alta temperatura, se usa donde es necesariauna mayor protección de temperatura, como por ejemplola sección de una máquina para el papel.
El presente artículo pretende desarrollar un medidor devibraciones basado en un acelerómetro o sensor de
vibración piezoeléctrico. El tratamiento de la señal selogra mediante un comparador de tensión, que tendrá unasalida TTL, la cual ingresa al microcontrolador PIC. Deesta forma se abre una ventana de tiempo de un segundoy se mide la cantidad de pulsos que se generados endicho intervalo. La información referente a lasvibraciones por minutos se muestra en cuatros en display7 segmentos.
5/10/2018 piezoelectrico - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/piezoelectrico-55a0cfa95ef65 2/3
2
Fig. 1. Acelerómetro piezoeléctricos
2. METODOLOGÍA
Los acelerómetros son sensores inerciales que miden lasegunda derivada de la posición. Un acelerómetro midela fuerza de inercia generada cuando una masa esafectada por un cambio de velocidad.
Esta fuerza puede variar:- la tensión de un muelle.- la deformación de un elemento.- la frecuencia de vibración de una masa.
Ésta última opción es la aprovechada en el diseño delmedidor de vibraciones.
Fig. 2. Tipos de sensores piezoeléctricos
El dispositivo seleccionado para la medición fue el sensorde vibración piezoeléctrico modelo 101.01-6 delfabricante VibranSens.
El acelerómetro piezoeléctrico con sellado hermético,modelo 101.01 ha sido creado para la monitorización devibraciones en ambientes industriales hostiles. Utiliza latécnica industrial estándar ©ICP con dos 2 cables, conalimentación eléctrica estándar y constante 4 mA. Latierra de señal, está aislada de la superficie de fijación yde la caja externa para prevenir bucles de masa. Lapantalla de Faraday, limitará la sensibilidad del EMChasta el mínimo.
El diseño de la modalidad de cortadura, prevendrá lasoscilaciones térmicas transitorias y señales no esenciales,y oscilaciones transversales altas. El bajo ruido
electrónico y un diseño de temperatura compensada, le
ofrecerán un resultado preciso sobre la completa gama detemperatura. Los acelerómetros piezoeléctricos de bajafrecuencia incorporan un filtro de paso bajo dentro delcondicionamiento electrónico. Este filtro atenúa laresonancia mecánica y la distorsión asociada ysobrecarga.
Sus principales características son:
• -55°C hasta 150 °C• ©ICP modalidad de transmisión• Modalidad de cortadura anular• Aislamiento doble con pantalla de Faraday• Versión para uso general• Versión alta temperatura• IP67 con cable asociado (solo B=2, 3)• Tiene en cuenta los requisitos API 670 (A=6 solo)
En el siguiente link se puede descargar el datasheet delsensor y del microcontrolador utilizado:
http://vibrasens.com/images/stories/VS_101.01_ES.pdf
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/30292c.pdf
http://www.dliengineering.com/vibman-spanish/elacelermetro.htm
Los sensores piezoeléctricos pre-amplificados van siendocada vez más habituales por la comodidad de su uso, yaque producen un valor de tensión proporcional a la
excitación aplicada en la salida del amplificador y sucomportamiento resulta independiente del conexionadoexterior puesto que carga y resistencia de entrada delamplificador se mantienen constante siempre. Este tipode sensores precisa alimentación.
Fig. 3 Circuito simplificado del sensor de vibración
5/10/2018 piezoelectrico - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/piezoelectrico-55a0cfa95ef65 3/3
3
Fig. 4. Diagrama de bloque del medidor de Vibración
La salida de este sensor, provee una tensión proporcionala la deformación del material, luego es ingresada a laentrada no-inversora de un amplificador operacional enconfiguración comparación de tensión para obtener unasalida digital TTL compatible con el microcontroladorutilizado, ver fig. 5.
Fig. 5. Circuito completo del medidor de Vibraciones
Mediante un algoritmo desarrollado en el softwareMPLAB 7.10 se configura en PIC para operar mediante
El TMR1 cuenta los pulsos durante un intervalo de 0.250s, la salida del comparador genera un tren de pulso enfunción con vibración presente en el sensor y se aplicanpor la línea RC0/T1CKI.
Al resultado de la cuenta se multiplica por 4 y se obtieneel número de pulsos por segundo, este valor esmultiplicado por 4 mediante una subrutina, para obtenerlas vibraciones por minutos. De esta forma obtendremoslas vibraciones producida en un lapso de tiempo de unminuto.
Los puertos utilizados son: Puerto B mostrar el dato enlos display, el puerto A para activar los transistores quepermite habilitar cada display.
La fuente de alimentación de todo el circuito incluyendoel sensor es de 5Vdc.
Los dispositivos utilizados para el diseño son:
Microcontrolador PIC16F877
Cristal de 20MHz
Sensor de vibración modelo 101.01-6
Amplificador operacional
3. CONCLUSIONES
Los materiales piezoeléctricos demuestran ser de muchaimportancia en la elaboración de diversos tipos desensores, desde el mas simple como el detector de golpes
hasta los acelerómetros utilizados para medir vibraciones.Mediante el diseño desarrollado se pueden verificar lasvibraciones en elementos de diferentes estructuras, comoel cigüeñal de un motor hasta la carcaza de un motor. Porotra parte
4. BIBLIOGRAFÍA
[1] DOEBELIN, Ernest. "Sistema de Medición eInstrumentación". Mc Graw Hill, Mexico 2005,pp.429-437.
[2] GARCÍA M. “Instrumentación Electrónica".Thomson, España 2004, pp. 347.
