PROGRAMUL DE STUDII: AUTOMATICĂ ȘI INFORMATICĂ [604999]

UNIVERSITATEA „CONSTANTIN BRÂNCUȘI” DIN TÂRGU JIU
FACULTATEA DE INGINERIE ȘI DEZVOLTARE DURABILĂ
PROGRAMUL DE STUDII: AUTOMATICĂ ȘI INFORMATICĂ
APLICATĂ

MONITORIZAREA VIBRAȚIILOR
UTILIZÂND ACCELEROMETRE ICP

2017 Coordonator științific:
Conf. Univ. dr. ing. Grofu Florin
Absolvent: [anonimizat]

2
Cuprins

Capitolul 1. Vibrația
1.1 Introducere ………………………………………………………………………………………. ……….. 4
1.2 Vibrația ………………………………………………………………………………………………… ….. 5
1.3 Deplasarea, viteza și accelerația vibrației ……………………………. ……………………….. . 9
1.4 Măsurarea deplasării vibrației …………………………………………… ……………………….. 1 0
1.5 Măsurarea vitezei vibr ației ……………………………………………….. ……………………….. 1 2
1.6 Măsurarea accelerației în cazul vibrațiilor ………………………….. ……………………….. 1 3

Capitolul 2. Accelerometre
2.1 Accelerometre piezoelect rice ……………………………………………. ……………………… .. 14
2.1.1 Avantajul senzorilor piezoelectrici ………………………. ……………………….. 18
2.1.2 Senzorii piezoelectrici cu cuarț ……………………………… ……………………… 2 0
2.1.3 Comportamentul dinamic …………………………………… ……………………….. 2 1
2.1.4 Răspunsul accelerometrului la un semnal de intrare de tip treaptă ……… 24
2.1.5 Răspunsul accelerometrului la un semnal sinusoid al de intrare …………. 2 5
2.1.6 Structura și tipurile accelerometrelor piezoelectrice ………………………… 29
2.1.6.1 Accelerometre de forfecare ………………….. ……………………….. 29
2.1.6.2 Accelerometre de încovoiere …………………….. …………………… 30
2.1.6.3 Accelerometre de compresie ………………… ……………………….. 3 0
2.2 Accelerometre piezoelectrice cu preamplificator electronic …………………………… 3 1
2.3 Accelerometre piezorezistive ……………….. …………………………. ……………………….. 3 2
2.4 Accelerometre cu variația capacității electrice ……………………. ……………………….. 3 3
2.5 Accelerometre cu balanță de forțe …………………………………….. ………. ………………. 3 4

Capitolul 3. Accelerometru ICP
3.1 Acce lerometru ICP …………………………………………………………. ……………………….. 3 5
3.2 Accelerometru ICP cu tehnologie cuarț …………………………….. ……………………….. 3 7
3.3 Accelerometru ICP cu tehnologie ce ramică ……………………….. ……………………….. 38
3.4 Amplificatorul de tensiune ………………………………………………. ……………………….. 38
3.5 Amplificatorul de sarcină …………………………………….. …………. ……………………….. 39

Capitolul 4. Sistem de măsurare a vibrațiilor
4.1 Sistemul propus …………………………………………………….. ……………………….. 4 1
4.1.1 Modulul de măsurare ………………. ………………… ……………………….. 4 2

3
4.1.2 Sistemul de achiziție ………………………………….. ……………………….. 4 3
4.2 Implementare practică …………………………………………………………….. ………. 4 5
4.2.1 Modulul de măsurare …………………………………. ……………………….. 4 5
4.2.2 Sistemul de achiziție ………………………………….. ……………………….. 49
4.3 LabWindows ………………… ……………………………………… ……………………….. 53
4.4 Rezultate experimentale …………………………………………. ……………………….. 5 7
Bibliografie ……………………………………………… ………………………… ……………………….. 6 6

4
Capitolul 1
Vibrația

1.1 Introducere

Vibrațiile și șocurile sunt prezente în toate domeniile din viața de zi cu zi. Ele pot
fi generate și transmise de motoare, turbine, mașini unelte, poduri, turnuri, chiar și de
corpul uman. În timp ce unele vibrații sunt de dor it, altele pot fi dăunătoare sau chiar
distructive. De aceea este necesară înțelegerea cauzelor ce duc la apariția vibrațiilor
pentru a putea dezvolta metode de măsurare și prevenire. Astfel senzorii de vibrații
servesc ca o legătură între structurile ce v ibrează și echipamentul electronic de măsurare.
Există mai multe metode de sesizare a vibrațiilor. O primă metodă este cea a
folosirii unui microfon special pentru captarea zgomotului produs de elementele
mecanice în mișcare. Deoarece condițiile climatice dar și mecanice din carieră sunt
foarte dificile existând și multe zgomote parazite produse de utilaje dar și de reparațiile
frecvente era foarte greu de preluat doar semnalul util folosind microfoane. De aceea s –
a preferat folosirea accelerometrelor monta te în punctele de interes.
Efectul piezoelectric descoperit de Pierre și Jaques Curie, a rămas o simplă
curiozitate până în anii 1940. Proprietatea unor cristale de a elibera sarcini electrice sub
acțiunea forțelor mecanice nu a avut nici o aplicație prac tică până când amplificatoarele
cu impedanța de intrare foarte mare au permis inginerilor să amplifice semnalele
produse de aceste cristale. În anii 1950, când tuburile au fost destul de bune calitativ
pentru a putea fi folosite, efectul piezoelectric a început să fie utilizat.
Principiul amplificatorului de sarcină a fost patentat de W.P.Kistler în 1950 și a
câștigat semnificație practică în anii 1960. Introducerea circuitelor MOSFET și
dezvoltarea materialelor izolante precum teflon și kapton au îmbună tățit foarte mult
performanțele și au propulsat folosirea senzorilor piezoelectrici în toate domeniile de
utilizare a tehnologiei moderne precum și în industrie .

5

Sistemele de măsură piezoelectrice sunt sisteme electrice active. Astfel cristalele
produc o sarcină electrică numai atunci când există o schimbare de încărcare mecanică
neputându -se utiliza pentru măsurători statice. Oricum, este greșit conceput că
instrumentele piezoelectrice sunt indicate numai pentru măsurătorile dinamice.
Traductoarele cu cua rț, când sunt utilizate împreună cu circuite adecvate de
condiționarea semnalelor, oferă o capacitate de măsurare cvasistatică excelentă. Sunt
nenumărate exemple ale aplicațiilor unde senzorii pe bază de cuarț măsoară cu acuratețe
și cu precizie fenomenele cvasistatice pentru minute și chiar ore.

1.2 Vibrația
Vibrația este mișcarea de oscilație a unui obiect în jurul poziției sale de echilibru.
Poziția de echilibru este punctul în care forța care acționează asupra obiectului respectiv
este nulă.
Oscilația este variația periodică în timp a valorilor unei mărimi care
caracterizează un sistem fizic, însoțită de o transformare a energiei dintr -o formă în alta.
Oscilația poate să fie periodică, cum ar fi mișcarea unui pendul sau aleatoare, cum ar fi
mișcarea un ei roți pe un drum pietruit. [1]
Clasificarea vibrațiilor:
1. În funcție de numărul gradelor de libertate (dof = dots of freedom) sau
complexitatea geometrică a sistemului există:

a) Sisteme cu un grad de libertate (1dof)

Fig 1.1. Sisteme cu un gra d de libertate

6

b) Sisteme cu două grade de libertate (2dof)

Fig 1.2. Sisteme cu două grade de liberate

c) Sisteme cu mai multe (n) grade de libertate (ndof):

Fig 1.3. Sisteme cu mai multe grade de libertate

– sistemele mecanice modelate prin FEM unde fiecare nod al rețelei prezintă maxim
6dof (rezolvare numerică)

Sisteme cu masă continuă (o infinitate de dof);

Fig 1.4 Sisteme cu masă continuă
Ex: o bară de masă continuă încastrată la un capăt.
Se poate menționa aproximarea sistemelor cu masă continuă prin metoda elementelor
finite.

7

Mișcarea de vibrație a unui ansamblu de componente poate fi complet descrisă
ca fiind o combinație de mișcări individuale de șase tipuri diferite. Acestea tipuri sunt
mișcări de translație și de rotație de -a lungul și în jurul celor trei direcții ortogonale X,
Y, și Z. Orice mișcare complexă a unui sistem poate fi descompusă într -o combinație a
acestor șase tipuri de mișcări simple. Vom spune deci, că un astfel de sistem are șase
grade de libert ate.

Să presupunem că un obiect este constrâns la un singur grad de libertate. De
exemplu, un ceas cu pendul a cărui mișcare este restricționată într -un singur plan. Prin
urmare, va fi un sistem cu un singur grad de libertate. Un alt exemplu de sistem c u un
singur grad de libertate este cabina unui lift care se deplasează numai sus -jos. Pe de altă
parte, o navă se poate deplasa în amonte și în aval (pe direcția provă -pupă), în sus și în
jos, în lateral (balans babord și tribord), sau se poate înclina faț ă-spate, se poate roti în
jurul axei verticale (girație), și în jurul axei babord -tribord, de ci are șase grade de
libertate.

Vibrația unui sistem este întotdeauna cauzată de o forță de excitație. Această forță
poate fi aplicată din exteriorul sistemului, sau poate proveni din interiorul acestuia.
Efectul acestei forțe, vibrația, este complet determinată de forța de excitație, direcție, și
frecvență. Acesta este motivul pentru care, prin analiza vibrațiilor se pot determina
forțele de excitație care acțion ează asupra unei mașini în funcțiune. Efectul depinde de
starea mașinii, iar cunoașterea caracteristicilor vibrațiilor și a modului de reacție al
utilajelor permite diagnosticarea defectelor și determinarea problemelor utilajelor. [2]

2. Vibrații neamortizar e și amortizate

3. Vibrații liniare și neliniare

4. Vibrații libere(neforțate) și forțate

8
Vibrațiile libere apar atunci când arcul este defor mat și eliberat, vibrând liber. Apar
doua caracteristici importante:
– prin amortizazrea sistemului, amplitudinea oscilaț iilor scade în timp;
– frecvența oscilației nu depide de amplitudinea deflexiei inițiale
Frecvența oscilațiilor libere este fre cvență naturală având expresia:

𝑓=1
2𝜋 √𝑘
𝑚
(1.1)

Vibrațiile forțate apar atunci când se adaugă continuu energie sis temului masă și
arc, printr -o forță oscilanța, cu frecvența de forțare 𝑓𝑓. Dacă energia aplicată depășește
amortizarea, mișcarea va continua atât cât continuă excitația.
Vibrațiile fortate pot fi:
– autoexcitate, dacă forța de excitație este generată în sau pe masa
excitată;
– cu excitație externăm forța de excitație se aplică arcului, de exemplu
când baza pe care stă arcul se mișcă.
Când oscilează baza și forța este transmisă masei suspendate prin intermediul
arcului, mișcarea masei va fi diferită de mișc area bazei. Mișcarea bazei este denumită
mișcare de intrare, I, iar mișcarea masei reprezintă răspunsul, R.
Se definește transmisibilitatea T, ca raportul acestor mărimi:
𝑇𝑟=𝑅
𝐼 (1.2)

Atunci când avem frecvențe de forțare mult sub frecvența na turală avem: R ~ I și
Tr ~ 1. Cu cât frecvența de forțare este mai apropiată de frecvența naturală,
transmisibilitatea crește datorită rezonanței. Rezonanța reprezintă stocarea energiei în
sistemul mecanic. La frecvențe de forțare apropiate de frecvența na turală, energia se
acumulează și crește, rezultând o creștere a amplitudinii răspunsului. De asemenea,
crește amortizarea, iar energia absorbită de amortizare într -o perioadă egalează energia
forței de excitație, atingându -se echilibrul. Vârful transmisibi lității se obține pentru
ff ≈ fn, condiția fiind numită rezonanță.

9
Dacă frecvența de forțare crește peste fn, răspunsul R scade. Când ff=1,414 fn se
obține R=I și Tr=1; la frecvențe superioare, R<I și T r<1. La frecvențe pentru care R<I,
sistemul este în izolare, adică o parte a mișcării vibratorii de intrare este izolată de masa
suspendată.
Din relațiile de mai sus se observă că frecvența naturală este proporțională cu
rădăcina pătrată a constantei elastice k și invers proporțională cu rădăcina pă trată din
greutatea G sau masa m. Astfel, crescând constanta elastică a arcului sau scăzând masa,
va crește frecvența naturală.
Amortizarea este orice efect care înlătură energia cinetică potențială din sistemul
masă -arc. Este uzual rezultatul efectelor vâ scozității fluidelor sau a frecării. Toate
materialele și structurile au un anumit grad de amortizare internă. În plus, mișcarea prin
aer, apă sau alte fluide absoarbe energia și o convertește în căldură. Frecarea internă
intermoleculară sau intercristalin ă convertește tensiunea mecanică a materialului în
căldură. De asemenea, frecarea externă produce amortizare.
Amortizarea determină scăderea amplitudinii vibrației libere în timp și limitează
transmisibilitatea maximă în vibrație forțată. Se notează uzual cu litera grecească ζ și se
definește ca raportul ζ=C/C c, unde C este amortizarea structurii sau materialului, iar C c
este amortizarea critică. Amortizarea critică este dată de expresia 𝐶=2√𝑘∙𝑚 și se
definește ca mărimea amortizării care permite ca si stemul masă și arc deplasat să revină
la poziția de echilibru, fără supracreșteri și oscilații.
Un sistem subamortizat va avea supracreșteri și va oscila când este deplasat și
eliberat.
Un sistem supraamortizat nu se va întoarce niciodată la poziția sa de echilibru, el
deplasâdu -se asimptotic spre echilibru. [3]

1.3 Deplasarea, viteza și accelerația vibrației

Deoarece vibrația este definită ca o mișcare oscilatorie, ea implică o schimbare a
poziției sau deplasării. Viteza este definită ca vite za de variaț ie în timp a deplasă rii, iar
accelerația este viteza de variație în timp a vitezei. Se folosește uneori și viteza de
variație în timp a accelerației, denumită șoc.

10
Sistemul masă -arc cu un grad de libertate în vibrație forțată, menținut la o amplitudine
constantă a deplasării are o mișcare armonică simplă sau sinusoidală. Pentru o deplasare
maximă X și o frecvența f, deplasarea instantanee este dată de relația:
x = X ∙ sin2ϖft (1.3)

Viteza este derivata în timp a deplasării. Viteza instantanee este:
v = 2ϖ fX ∙ cos2ϖft (1.4)

Deoarece deplasarea vibrației este măsurată vârf la vârf, se doneatază D = 2X si
relația devine:
v = ϖfD ∙ cos2ϖft (1.5)

unde V = ϖfDX reprezintă viteza de vârf

Accelerația este derivata expresiei vitezei:
a = 4ϖ2f2X ∙ (-sin2ϖft) (1.6)
a=2ϖ2f2D (1.7)

(1.7) reprezintă accelerația de vârf.

În concluzie, mișcarea de joasă frecvența produce accelerații de amplitudine
scăzută, chiar dacă deplasările sunt mari. Mișcarea de frecvență mare produce deplasări
de amplitudine scăzută, chiar dacă accelerația este mare.

1.4 Masurarea deplasării vibrației

Pentru măsurarea deplasării vibrației se folosesc:
– tehnici optice de măsurare
– senzori electromagnetici și capacitivi de deplasare
– senzori de deplasare pe bază de contact
– senzori bazaț i pe dubla inegrare a accelerației

11

Tehnicile optice de măsurare diferă în funcție de frecvență. La frecvențe joase și
când deplasarea este mare (>2.5mm) se folosesc pentru măsurare rigle, șublere, filme de
mare viteză, camere video sau stroboscoape. La fr ecvențe mari, tehnicile optice sunt mai
complicate, de exemplu vari ația intensității sau ungiul unui fascicol de radiație optică
pe o suprafața reflectorizantă. Intrumentul cel mai sensibil și mai precis care poate fi
folosit în aceste cazuri este interfer ometrul Michelson. Principiul de funcționare este
urmatorul: fascicolul reflectat de piesa în mișcare interferă cu fascicolul reflectat de o
oglindă plată fixă, producând franje de interferență. Se pot măsura astfel deplasări de
peste 100 mm, prin numărare a franjelor. Interferometrele cu laser se folosessc drept
intrumente standard de calibrare până la frecvențe ale vibrațiilor de 25kHz.
Senzorii electromagnetici de proximitate sunt fără contact și măsoară distanța
relativă în funcție de cuplajul electromag netic sau capacitiv (electrostatic). Deoarece
acești senzori se bazează pe efecte inductive sau capacitive, este necesar ca obiectul de
măsurat (ținta) să fie conductiv. Calibrarea se face pentru fiecare timp de material dintre
țintă și sonda senzorului și pentru fiecare țintă.
Seonzorii de proximitate electromagnetici sunt denumiți și senzori de curenți
induși deoarece folosesc ca mecanisme de conversie curenții generați în țintă prin legea
inducției electromagnetice . Cu cât dinstața dintre bobina senzor ș i țintă este mai mare,
cu atât cuplajul elec tromagnetic este mai mic, cureț ii indusi în țintă sunt mai mici și
energia generată mai mică.
Alți senzori electromagnetici sesizează distorsionarea unui câmp electromagnetic
generat de senzor ca o măsură a dista nței dintre sonzorul generator și țintă.
Traductoarele capacitive de proximitate măsoară capacitatea între senzor și țintă.
Tracutoarele capacitive de proximitate măsoară capacitatea întree sonzor și țintă
și o convertesc în distanța.
Senzorii de deplasare pe bază de contact folosesc contractul direct între două
obiecte pentru a măsura distanța dintre ele. Exemple: transformatorul diferențial liniar
variabil, tracutaorele potențiometrice rezistive.
Senzorii bazați pe dubla in tegrare a accelerației se m ai nu mesc accelerometre.
Sunt r buste, au raport mare semnal/zgomot, calitate bună.

12

1.5 Măsurarea vitezei vibrației

Viteza vibrației se măsoară folosind:
– senzori electrodinamici de viteză
– vibro metre cu laser
– traducto are de viteză cu in tegrarea accelerației
Senzorii electrodinammici de viteză conțin un magnet fixat pe un sistem cu arc
pentru a forma un sistem inerțial. Magnetul este suspendat într -o carcasă cu una sau mai
multe bobine cu spire. Când carcasa vibrează la frecvențe peste frecvența naturală a
sistem ului masă -arc, masa magnetului este izolată de vibrația carcasei. Astfel, magnetul
este staționar și carcasa cu bobine se mișcă peste el cu viteza structurii de care este
atașată. Tensiunea electrică generată la ieșire este proporțională cu viteza bobinei care
se mișca în câmp magnetic. Senzorii de viteză sunt folosițî pentru frecvențe între 10 Hz
și sute Hz, au dimensiuni mari, sunt grei, supuși la uzură și pot produce tensiuni electrice
false la ieșire.
Vibrometrele cu laser sunt instrumente mai noi, denu mite și vitezometre cu laser, având
sensibilitate mare și acuratețe. Folosesc un fascicol laser care este divizat în fascicol
obiect și fascicol de referința. Fascicolul obiect reflectat de obiectul în vibrație are
imprimată o deplasare instantanee a vibra ției obiectului. Un modulator acusto -optic
(celula Bragg) a introduce o deplasare statică de frecvența de 40MHz pe unul din
fascicule. Sunt critice alinierea și distanța față de obiectul care vibrează. Gama de
frecvență de lucru este de 0 Hz – 1 MHz, iar g ama dinamică poate ajunge la 0 – 10 m/s.
O versiune a vibrometrului cu laser scanează fascicolul laser pe suprafața unui câmp de
imagine, măsurând viteza în fiecare punct. Semnalul compus rezultat este afișat ca o
hartă a contururilor sau o imagine pseudoc olor. Harta vibrațiilor este suprapusă pe o
imagine video pentru a obține cantitatea maximă de informații despre variațiile vitezei
pe o suprafața mare.
Traductoarele de viteză cu integrarea accelerației folosesc circuite de procesare
numerică pentru ingeg rarea semnalelor de accelerometre. Exista și accelerometre care

13
au în aceași capsulă integratoare electronice analogice sau numerice, crescând astfel
raportul semal/zgomot.

1.6 Măsurarea accelerației în cazul vibrațiilor

Traducotarele care măsoară acce lerația sunt denumite obișnuit accelerometre.
Exista cinci tipuri de accelerometre de bază:
– piezoelectric
– accelerometre piezoelectrice cu preamplificator electronic
– piezorezistiv
– cu capacitate variabilă
– tip balanță de forțe (servoaccelerometru)

Cu toate că au senzori electromecanici diferiți, toate accelerometrele folosesc
variația sistemului masă – element elastic, denumit obișnuit senzor seismic (inerțial).
Accelerometrele seismice folosesc o masă seismică suspendată de o structură
elastică, ambele înc hise într -o carcasă. Când carcasa este supusă accelerației, masa
seismică este și ea accelerată de forța transmisă prin structura elastică. Apoi deplasarea
elementului elastic, deplasarea masei în interiorul carcasei sau forța transmisă de arcul
elastic es te transformată întru -un semnal electric, proporțional cu accelerația.

14

Capitolul 2
Accelerometre

2.1 Accelerometre piezoelectrice

Accelerometrele piezoelectrice se realizează de peste 40 de ani și folosesc
fenomenul de piezoelectricitate. Piezo provine din limba greacă și înseamnă a strânge.
Accestea nu necesită tensiune de alimentare. Folosesc efectul piezoelectric al
elementelor sensibile pentru a ge nera sarcină electrică . Combinat cu o masă seismică el
generează un semnal de sarcină electric ă proporțional cu accelerația vibrațiilor .
În figura 2.1 se ilustrează efectul piezoelectric cu ajutorul unui disc supus
compresiei ce se comportă ca o capacitate ce are un material piezoceramic între
electrozi. O forță aplicată perpendicular pe disc re alizează o creștere de sarcină și
tensiune la bornele electrozilor.

Elementele sensibile ale unui accelerometru piezoelectric constau din două părți
majore: materialul piezoelectric și masa seismică.
O parte a materialului piezoelectric este conectată rigid cu masa senzorului, iar
masa seismică este atașată pe cealaltă parte. Când accelerometrul este supus vibrațiilor

disc piezo
F
F
A
→ q
u
q=d33F
u= d 33dF/e 33A
unde
A – suprafața pastilei piezoelectrice
d – grosimea pastilei piezoelectrice
F – forța aplicată
q – sarcina generată
u – tensiunea la borne
d33, e33 – constante piezoelectrice

Fig 2.1 Efectul piezoelectric

15

Masă seismică
Piezoceramică
Accelerație a
m
→ q
u
Fig 2.2 Principiul unui accelerometru piezoelectric
F=m·a apare o forță ce acționează asupra elementului piezoelectric (figura 2.2). Potrivit legii a
2 a lui Newton această forță est e egală cu produsul dintre accelerație și masa seismică.
Datorită efectului piezoelectric este generată o sarcină de ieșire proporțională cu forța
aplicată. Din moment ce masa seismică este constantă, sarcina de ieșire este
proporțională cu acceler ația masei.

Pentru un interval mare de frecvență, atât baza senzorului cât și masa seismică au
aceeași amplitudine a accelerației. Din acest motiv senzorul măsoară accelerația
obiectului testat.
Materialul piezoelectric este e lementul activ al ac celerometrelor . Acesta este cel
mai adesea format dintr -un material ceramic ales cu grijă, cu proprietăți piezoelectrice
excelente, numit Lead -Zirconate -Titanat (PZT). Realizate special, PZT oferă
performanțe bune și stabilitate pe termen lung.
Materialel e piezoelectrice au o structură moleculară cristalină regulată cu o
distribuție a sarcinilor care variază când sunt supuse la efort (materiale naturale sau
artificiale cum sunt cristalele, materialele ceramice, unii polimeri).
Materialele piezoelect rice a u un dipo (separare netă a sarcinilor pozitive și
negative de -a lungul unei direcții cristaline particulare) când nu sunt supuse la efort. În
aceste materiale pot fi generate câmpuri electrice prin deformarea produsă de efort sau
temperatură, determinând r espectiv ieșire piezoelectrică sau piroelectrică. Ieșirile
piroelectrice sunt semanle perturbatoare mari, au loc în perioade lungi de timp și variații
de temperatură ( de exemplu, materialele piezoelectrice din polimeri)

16
Sarcinile electrice nu sunt generat e ci doar deplasate (ca și energia și momentul, sarcinile
se conservă). Când se generează un câmp electric de -a lungul direcției dipolului,
electrozii metalici de fețe opuse produc electroni mobili care se mută de la o față, prin
rezistența de sarcină (rez istența de intrare a circuitului de condiționare, tipic, convertor
sarcină – tensiune electrică), spre cealaltă față a senzorului, pentru a anula câmpul
electric generat. Cantitatea de electroni depinde de tensiunea creată și de capacitatea
dintre electroz i. Unitatea de sarcină electrică produsă de accelerometrul piezoelectric
este pC.
Alegerea materialului piezoelectric reprezintă un compromis între sensibilitatea
de sarcină, coeficientul dielectric, coeficienții termici, temperatura maximă,
caracterisiti cile de frecvență și stabilitate. Raporturile cele mai bune semnal/zgomot se
obțin pentru coeficienții piezoelectrici mari. Cristalele piezoelectrice naturale
(turmalina, cuarțul) au sensibilitate de 100 de ori mai mică decăt materialele
feroelectrice, car e sunt ceramice artificiale. Turmalina este un cristal natural care are
depolarizare, de acea se folosește la temperaturi foarte mari. Senzorii piezoelectrici nu
pot fi folosiți la măsurarea accelerațiilor sau forțelor statice.
Sunt două tipuri de materia le piezoelectrice ce sunt folosite pentru realizarea
accelerometrelor: cuarț și ceramică policristalină. Cuarțul este un cristal natural în timp
ce ceramica este făcută de om. Fiecare material oferă unele avantaje iar alegerea
materialului depinde de carac teristicile particulare dorite pentru accelerometru .
Cuarțul este foarte cunoscut pentru capacitatea sa de a realiza măsurători de
precizie și este utilizat în aplicațiile de zi cu zi de măsurare a timpului și a frecvenței.
Exemplele de utilizare includ d e la ceasuri de mână până la computere sau aplicații
casnice .
Accelerometrele beneficiază de câteva proprietăți unice ale cuarțului. Din moment
ce cuarțul este un piezoelectric natural, nu are tendința de a se relaxa într -o stare
alternativă și este consi derat cel mai stabil dintre toate materialele piezoelectrice.
Această caracteristică importantă furnizează accelerometrelor cu cuarț stabilitate
pe termen lung și repetabilitate. De asemenea cuarțul nu are nici un efect pirolectric

17
(ieșirea nu depinde de schimbarea de temperatură), ceea ce oferă stabilitate în mediile
cu variație de temperatură.
Deoarece cuarțul are o valoare a capacității scăzută, sensibilitatea în tensiune este
foarte mare, comparativ cu majoritatea materialelor ceramice, făcându -l idea l pentru a
fi folosit în sistemele cu amplificare de tensiune. De asemenea, sensibilitatea de sarcină
a cuarțului este scăzută, limitându -se întrebuințările în sistemele cu amplificare a
sarcinii, unde zgomotul scăzut este o trăsătură definitorie. Interval ul de temperatură
pentru folosirea cuarțului este de aproximativ 3150C.
O mare varietate de materiale ceramice sunt folosite de asemenea pentru realizarea
de accelerometre, în funcție de cerințele corespunzătoare aplicației. Toate materialele
ceramice sunt făcute de om și sunt forțate să devină piezoelectrice printr -un proces de
polarizare. Acest proces (cunoscut sub denumirea de poling) expune materialul la un
câmp electric de intensitate mare. Astfel se aliniază dipolii electrici, forțând materialul
să devină piezoelectric. Din păcate acest proces are tendința să devină reversibil. Dacă
ceramica este expusă la temperaturi ce depășesc nivelul ei de lucru sau la câmpuri
electrice apropiate de valorile procesului de „poling” proprietățile piezoelectrice pot fi
drastic alterate sau chiar distruse. Acumularea de sarcini statice de valori mari poate
avea același efect asupra proprietăților piezoelectrice .
Se pot face trei clasificări ale materialelor ceramice. Există astfel ceramicele de
sensibilitate foarte m are în tensiune, care sunt folosite pentru accelerometre cu circuite
încorporate. Există ceramici cu sensibilitate ridicată în sarcină care se folosesc la senzori
cu ieșire de sarcină având un interval de temperatură de lucru de până la 2050C. Același
tip de cristal este folosit și la accelerometrele care folosesc circuite încorporate de
amplificare a sarcinii pentru a obține semnale de ieșire ridicate și rezoluție mare. Și nu
în ultimul rând există ceramici cu temperaturi ridicate de utilizare care sunt folosite
pentru accelerometrele cu ieșire de sarcină cu un interval de temperatură de până la
3160C folosite pentru monitorizarea diverselor motoare și a turbinelor supraîncălzite.

18
2.1.1 Avantajul senzorilor piezoelectrici
Accelerometrele piezoelectric e sunt acceptate unanim ca fiind cea mai bună
alegere pentru măsurarea vibrațiilor absolute. Comparativ cu senzorii de alt tip,
accelerometrele piezoelectrice au următoarele avantaje importante:
– o zonă dinamică destul de mare, aproape toată lipsită de zg omote ;
– sunt potrivite pentru măsurarea șocurilor și vibrațiilor imperceptibile;
– o liniaritate excelentă în zona de lucru;
– interval de frecvențe mare, putând fi măsurate frecvențele înalte;
– sunt compacte și totuși foarte sensibile;
– nu au părți detașabile conferindu -le o durată mare de funcționare;
– sunt cu autogenerare și nu necesită alimentare externă;
– există într -o mare varietate de modele, aproape pentru orice necesitate;
– integrarea semnalului de ieșire oferă informații despre viteză .

Măsurarea tensiunii generate de senzorii piezoelectrici necesită atenție la
comportarea dinamică a cablului de semnal și a caracteristicilor de intrare ale
preamplificatorului. Deoarece capacitatea cablului de legătură afectează direct
amplitudinea semnal ului, mișcarea excesivă a cablului în timpul măsurării poate
determina variații ale capacității sale și trebuie evitată. Trebuie acordată atenție și
impedanței de intrare a preamplificatorului, care trebuie să fie >1 GΩ pentru a asigura
răspunsul la joasă frecvență.
În practică, pentru senzori piezoelectrici se folosesc convertoare sarcină –
tensiune cu aplificator operațional, denumite obișnui preamplificatoare de sarcină
electrică. Acestea conțin un amplificator operațional integrato r, cu impedanță mare de
intrare (Fig. 2.3) .

19

Fig 2.3 Schema senzor piezoelectric

Tensiunea de ieșire este proporțională cu sarcina generată de accelerometru și
invers proporțională cu capacitatea de reacție și nu depinde de capacitatea de ieșire a
accelerometrului s au capacitatea cablurilor, doarece capacitatea de intrare a
convertorului sarcină – tensiune este A ∙ Cr prin efect Miller, unde A este amplificarea
în buclă deschisă:
𝑉0=−𝑄𝑎
𝐶𝑟 (2.1)

Se pot astfel folosi cabluri de legătură de diverse lu ngimi, fără necesitatea recalibrării.
Frecvența limită superioară este fixată de condensatorul și rezistența de reacție a
convertorului sarcină – tensiune și nu de carcateristicile accelerometrului. Impendața de
ieșire a accelerometrului piezoelectric schi mbă caracteristicile de zgomot, nu și
frecvența.
Limitarea importantă intr odusă de impedanța mare de ieșire a accelerometrelor
piezoelectrice este utilizarea unor cabluri de legătură speciale, cu impedanță foarte mare
și zgomot redus (de exemplu, cu izolaț ie cu teflon).
Tipurile cele mai comune de accelerometre piezoelectrice sunt cele care lucrează
prin compresie și cele cu torsiune. Variantele prin torsiune au izolație mai bună la efecte
perturabtoare din mediul înconjurător cum sunt variațiile de temper atură și de efort ale
bazei și sunt în general mai scumpe. Variantele tip grindă (fixată într -un singur capăt)
care lucrează prin compresie sunt mai fragile si au bandă de frecvența limitate. [4]

Qa
Ca
Cc
Cr
V0
A
–
+
Accelerometru
piezoelectric
Cablu
coaxial
Convertor sarcina –
tensiune

20
2.1.2 Senzori piezoelectrici cu tehnologia cuarț
Senzorii p iezoelectrici cu cuarț sunt realizați în principal din bare subțiri sau
plăcuțe tăiate cu o orientare precisă față de axele cristalelor, depinzând de aplicație
(figura 2.4).

Majoritatea senzorilor Kistler încorporează elemente de cuarț, acesta fiin d sensibil
la încărcările de compresie sau forfecare. Forfecarea este folosită pentru senzorii de forță
cu mai multe componente și pentru senzorii de măsurare a accelerației. Alte tăieri
specializate includ tăierea transversală pentru senzori de presiune ș i tăierea polistabilă
pentru senzori de temperatură mare. [5]
Cele mai bune elemente de cuarț suprapuse sunt asamblate fie singure fie mai
multe (în pachete) și pretensionate. Pachetele de cuarț generează un semnal de sarcină
de ordinul pico coulombilor, c are este direct proporțional cu forța aplicată. Fiecare tip
de senzori folosește o configurație de cuarț optimizată și nu în ultimul rând calibrată
pentru fiecare aplicație în parte (forță, presiune, accelerație sau tensiune mecanică).
Dintr -un număr mare de materiale piezoelctrice accesibile astăzi, cuarțul este
preferat în fabricarea senzorilor având următoarele proprietăți :
– limita de stres a materialului
 20,000 psi;
– rezistența la temperatură de până la 9300C;
– rigiditate foart e mare , liniaritate mare și histerezis neglijabil;
– sensibilitate aproape constantă pe un interval de temperatură constant;
Fig. 2.4 Efectul piezoelectric în c ristale

21
– rezistență de izolație foarte mare (1014Ω) ;
– permite măsurători la frecvențe joase.

2.1.3 Comportamentul dinamic
În cele mai multe cazuri un accelerometru poate fi privit ca un sistem mecanic
clasic de ordinul doi cu un singur grad de libertate compus dintr -un resort elastic, un
corp cu masa m și un element de amortizare vâscoasă . Sistemul mecanic rezultat este
prezentat în fi gura 2.5.

Fără a avea amortizare, energia înmagazinată în resort și corpul de masă m nu va
fi niciodată disipată iar sistemul nu va fi niciodată stabil. În acest caz se utilizează
amortizarea vâscoasă ca și mecanism de disipare a energiei. Amortiz area vâscoasă
generează o forță de sens opus care este proporțională cu viteza sistemului:

amortizaredxFcdt (2.2)
unde c este constanta de amortizare vâscoasă. Acest tip de amortizare este considerat
adesea în descrierea acestui tip de sistem de ordinul doi deoarece aceasta este cea mai
reprezentativă metodă de disipare a energiei în majoritatea structurilor mecanice.
Masă
Resort elastic
Amortizare vîscoasă
x
m
k
c
F
Fig 2.5 Structura unui sistem mecanic oscilant

22
Ținând cont că resortul elastic generează o forță prop orțională cu deplasarea,
teorema a doua a lui Newton (
F ma ) aplicată acestui sistem devine:
aplicat ă elastică amortizare inerțială F F F F  
(2.3)

2
2dx d xF kx c mdt dt   (2.4)
Se vor introduce în continuare următoarele notații:
s1Kk
(2.5)
ca fiind sensibilitatea statică a sistemului .
nk
m
(2.6)
ca fiind pulsația naturală a sistemului
ncc
2m 2 km 
(2.7)
ca fiind coeficientul de amortizare al sistemului

Sensibilitatea statică K s este denumită mai corect ca fiind sensibilitatea pseudo –
statică. Ea este determinată prin măsurarea răspunsului sistemului atunci când nu există
masa i nerțială m și nici amortizare vâscoasă, adică un sistem echivalent de ordinul zero.
Pulsația naturală ω n este dată de frecvența dispozitivului ce vibrează în absența
amortizării și se măsoară în radiani pe secundă. Frecvența naturală a sistemului f n
depind e de pulsația naturală prin relația
ωn=2π f n.
(2.8)
Coeficientul de amortizare vâscoasă este o măsură adimensională a energiei
mecanice disipate. Un sistem mecanic de ordinul doi cu un coeficient de amortizare

23
vâscoasă foarte mic va continua să osci leze mult timp după dispariția sau modificarea
cauzei ce a generat oscilațiile. De asemenea un sistem cu un coeficient de amortizare
vâscoasă mare va avea o amortizare rapidă a oscilațiilor dar va dura mult timp până să
răspundă unor modificări ale stării sistemului.
Dacă ξ<1 sistemul este denumit oscilant neamortizat.
Dacă ξ>1 s istemul este denumit aperiodic.

Pentru amortizare critică valoarea lui ξ este 1. Această valoare este greu de realizat
în practică dar din punt de vedere teoretic se vor ști ecuați ile cu care se va lucra în
continuare în funcție de ξ<1 sau ξ>1.
Introducând aceste noi notații în ecuația de mișcare rezultă următoarea ecuație :
2
2
nn 2d x dx F2xdt dt m   
(2.9)

care ținând cont de notațiile consacrate :
2
2dxxdt
și

dxxdt
(2.10)
devine
2
nnFx 2 x xm   
(2.11)

Accelerometrele sunt folosite pentru a determina accelerația
s
în funcție de
deplasarea y s a corpului de masă m față de referința sistemului mecanic. Ecuația care
caracterizează accelerometrul poate fi scrisă astfel:
s s smy cy ky ms  
(2.12)

24
Este necesar ca informația măsurată brut y s să fie convertită într -o informație de
accelerație. Reamintind faptul că y s este deplasarea relativă a corpului de masă m față
de referința sistemului mecanic, relația de legătură între cele două mărimi este:
2
A n sYY
(2.13 )

2.1.4 Răspunsul accelerometrului la un semnal de intrare de tip
treaptă
Un sistem mecanic de ordinul doi nu poate fi folosit pentru a măsura o variație de
tip treaptă a deplasării datorită coeficientului de amortizare. Pentru accelerație situația
este diferită iar teoria sugerează că un sistem seismic de ordinul doi poate fi folosit
pentru a măsura o variație de tip tre aptă a accelerației. În practică doar anumite tipuri de
accelerometre pot fi folosite pentru aceasta. O variație de tip treaptă pentru accelerație
este definită astfel:
a=0 pentru t<0
a=A pentru t>0
unde a reprezintă accelerația sistemului iar A a mplitudinea treptei aplicate.
Răspunsul accelerometrului în m/s2 depinde de coeficientul de amortizare ξ după
cum urmează :

nnt A
n
nsinh t 1y1 1 e cosh t 1A t1
 
           
   
(2.14 )
 nnt 1 Asin ty1 1 e cu sinA
 
         

(2.15 )
În aceste ecuații y A este variația în t imp a ieșirii accelerometrului după ce a fost
convertită în accelerație. Coeficientul de amortizare minim pentru care sistemul nu
oscilează este :

25

10.707
2 
(2.16 )
În figura 2.6 este prezentat răspunsul sistemului considerat în func ție de diferitele
valori ale lui ξ.

2.1.5 Răspunsul accelerometrului la un semnal sinusoidal de
intrare
Plecând de la ecuația de mișcare a sistemului mecanic:
s s smy cy ky ms  
(2.17 )
și având pentru semnale sinusoidale de intrare
2a S sin t A sin t     se
consideră că răspunsul staționar al sistemului este dat de

ssy Y sin t   (2.18 )

1.5
1.0
2.0
0.5
5
10
15
20
ωt
ξ=0.05
ξ=0.2
ξ=0.707
ξ=1
ξ=2
Fig 2.6 Răspunsul sistemului în funcți e de ξ

26
Reamintim că informația despre accelerație este obținută din informația despre
deplasarea relativă măsurată brut y s prin relația
2
A n sYY
(2.19 )

Înlocuind în ecuația de m ișcare și rearanjând se obține:
ns A
22
nnY Y 1
SA
14

            

(2.20)
iar defazajul este dat de relația:
n 1
2
n2
tan
1
(2.21 )

unde :
A – amplitudinea accelerației sinusoidale ce se dorește a fi măsurată;
YA – amplitudinea accelerației la ieșirea traductorului. Pentru traductorul ideal
A= Y A;
ω – pulsația în radiani pe secundă a excitației;
Ф – defazajul dintre semnalul de la ieșirea traductorului și semnalul aplicat la
intrare. Pentru un traductor ideal de fazajul este zero.
Dependența Y A/A în funcție de frecvență și de factorul de amortizare este
prezentată în figura 2.7.

27

Când frecvența de excitație este ap ropiată de frecvența naturală a sistemului
(ω~ω n) traductorul generează la ieșire un se mnal foarte mare dacă ξ este mic. Aceasta
arată că accelerometrul nu trebuie folosit la frecvențe apropiate de frecvența naturală.
Dacă frecvența de excitație este mare (ω>ω n) ieșirea traductorului este mult mai
mică decât accelerația ce trebuie măsurată ș i se modifică în funcție de frecvență. Aceasta
arată că nu trebuie folosit un accelerometru la frecvențe mai mari decât frecvența sa
naturală. Dacă se lucrează la frecvente mai mici decât frecvența naturală ieșirea
traductorului are aceeași valoare ca și e xcitația adică Y A/A=1
Accelerometrul piezoelectric este caracterizat după cum am văzut anterior de o
ecuație diferențială de gradul 2, având funcția de transfer :

A
22
nnY 1
A
14
           
(2.22 )

unde:
fn – frecvența naturală (Hz)
Fig 2.7 Caracteristica de frecvență a accelerometrului
ξ=0.05
ξ=0.2
ξ=0.707
ξ=1
ξ=2
10

8
6
4
2
1
0.1
1
10

28
f – frecvența pentru un punct dat al caracteristicii (Hz)
YA – amplitudinea accelerației la ieșirea traductorului
A – amplitu dinea accelerației de referință

În figura 2 .8 se prezintă caracteristica tipică în funcție d e frecvență a unui
accelerometru piezoelectric când acesta este excitat de o accelerație constantă.

Din această curbă pot fi evidențiate câteva intervale de frecvență utile :
– la aproximativ 1/5 din frecvența de rezonanță răspunsul senzoru lui este de 1.05.
Aceasta înseamnă că eroarea de măsurare apărută la frecvențele joase este 5%.
– la aproximativ 1/3 din frecvența de rezonanță eroarea este 10%. Din acest motiv
intervalul liniar de frecvență ar trebui considerat ca fiind limitat la 1/3 d in frecvența de
rezonanță.
– limita de 3 dB cu o eroare de aproximativ de 30% este obținută la aproximativ
jumătate din frecvența de rezonanță.
Limita cea mai de jos a frecvenței depinde în principal de preamplificatorul ales.
Adesea acesta poate fi ajus tată. La amplificatoarele de tensiune limita frecvențelor joase
0.71
0.90
0.95
1.00
1.05
1.10
1.30
fL
2fL
3fL
fO
fn
0.5f n
0.3f n
0.2f n
f
A
fL –frecvența limită inferioară
f0 –frecvența normală de lucru
fn –frecvența naturală
Fig. 2.8 Caracteristica de frecvență a accelerometrului piezoelectric

29
este funcție de constanta de timp RC rezultată din accelerometru, cablu și amplificatorul
de intrare . [6]
2.1.6 Stru ctura și tipurile accelerometrelor piezoelectrice
Configurația accelerometre lor piezoelectrice este definită de felul în care forța
inerțială a masei de accelerație acționează asupra materialului piezoelectric. Cele mai
relevante moduri sunt: de forfecare, de încovoiere și de compresie.
2.1.6.1 Accelerometre de forfecare
Accelero metrele de forfecare acționează asupra materialului sensibil piezoelectric
aflat între suportul central și masa seismică. Un inel de compresie aplică o forță de
pretensionare necesară pentru a crea o structură liniară rigidă. Sub acțiunea accelerației,
masa seismică produce o presiune de forfecare asupra cristalelor piezoelectrice. Prin
izolarea acestora de bază și de carcasă, accelerometrele cu forfecare au avantajul
insensibilității față de temperatură și față de efecte de îndoire a bazei. De asemenea
datorită dimensiunilor geometrice mici este permisă folosirea la frecvențe mari prin
minimizarea efectului încărcării cu masă suplimentară a structurii de test. Structura unui
accelerometru de forfecare este prezentată în figura 2.9.

carcasă
masă seismică
material piezoelectric
bază montaj
conector
suport
Fig. 2.9 Accelerometru de forfecare

30
2.1.6.2 Accelero metre de încovoiere
Accelerometrele de încovoiere utilizează materiale piezoceramice sub formă de
bară sau lamelă, încastrate la un capăt în carcasa senzorului și având masa seismică la
celălalt capăt. Această construcție oferă dimensiuni reduse, greutat e mică și stabilitate
termică excelentă. Insensibilitatea la mișcarea transversală este de asemenea o
caracteristică inerentă a acestui design. În mod general, construcția accelerometrului de
încovoiere este ideală pentru frecvențe joase, accelerații gravi taționale ce apar în timpul
testării diferitelor structuri. Structura unui accelerometru de încovoiere este prezentată
în figura 2.10.

2.1.6.3 Accelerometre de compresie

Aceste accelerometre au structuri simple care se caracterizează printr -o rigi ditate
mare. Compresia verticală a cristalului piezoelectric se realizează prin presarea între o
masă seismică și o bază montată rigid. Se asigură prinderea de bază a cristalului
piezoelectric prin intermediul unui șurub sau arc de precompresie. Când se nzorul este
accelerat, masa seismică crește sau descrește forța de compresie asupra a materialului
piezoelectric rezultând un semnal proporțional la ieșire. Cu cât masa seismică este mai
mare, cu atât forța de compresie este mai mare și deci semnalul de i eșire este mai mare.
Acest design se poate împotrivi la șocurile de nivel mare, iar distanța mică dintre
materialul piezoelectric și baza senzorului face ca accelerometrul să fie sensibil la forțele
carcasă
masă seismică
material piezoelectric
bază montaj
cuplaj prin frecare
inel de
pretensionare
Fig. 2.10 Accelerometru de încovoiere

31
ce acționează asupra bazei. De asemenea accelerometrul es te susceptibil la efectele
variațiilor termice care pot produce semnale de ieșire eronate când accelerometrele sunt
folosite la frecvențe joase în medii instabile termic, cum ar fi în aer liber lângă motoare
sau ventilatoare. Structura unui accelerometru d e compresie este prezentată în figura
2.11.

2.2 Accelerometre piezoelectrice cu preamplificator electronic

Aceste accelerometre conțin un preamplificator electronic hibrid miniatură și
datorită semnalului mare de ieșire de pe impedanța mică d e ieșire, nu mai au nevoie de
cabluri speciale de legătură de zgomot mic. Cele mai multe necesită surse de curent
constant de alimentare. Curentul de alimentare și semnalul de ieșire sunt produse pe
aceleași două fire. Impedanța mică de ieșire oferă imunit ate față de rezistența de izolație
mică a cablului, zgomotului electric și a semnalelor perturbatoare.
Sensibilitatea accelerometrelor cu preamplificator încorporat este mai mare decât la
accelerometrele piezoelectrice fără preamplificator. În partea elect ronică se pot
introduce și funcții suplimentare, de exemplu, filtre, circuite de protecție și
autoidentificare, iar circuitele de condiționare exterioare sunt minime.
carcasă
masă seismică
material piezoelectric
bază montaj
conector
arc de precompresie
Fig. 2.11 Accelerometru de compresie
șurub de prindere

32
Sensibilitatea accelerometrelor piezoelectrice cu preamplificator electronic
încorporat nu este afectată semnificativ de variațiile sursei de alimentare. Gama
dinamică a tensiunii de ieșire este însă afectată de tensiunea de alimentare. La variații
mari ale curentului de alimentare apar probleme la răspunsul în frecvență, când se
comanda sarc ini cu capacitate electrică mare.
Un dezavantaj al circuitelor electronice încorporate este limitarea gamei de
temperaturi de lucru și a fiabilității.
Preamplificatorul electronic intern nu este necesar să fie convertor sarcină – tensiune
deoarece capacit atea electrică dintre firele de legătură între senzor și preamplificator
este mică și bine controlată. Cuarțul este folosit ca generator de tensiune electrică.
Preamplificatoare le de tensiune ajută și ceramicile feroelectrice care au răspunsul în
frecvența mai scăzut la folosirea convertoarelor sarcină – tensiune; datorită
coeficientului dielectric dependent de frecventă. În cazul preamplificatoarelor de
tensiune răspunsul în frecvență este detul de plat.

2.3 Accelerometre piezorezistive

Un accelerometru piezorezistiv conține o punte Wheatstone de rezistoare, pe unul
sau mai multe brațe, ce își schimbă valoarea rezistenței electrice sub acțiunea efortului.
Deoarece senzorii sunt alimentați cu tensiune electrică exterioară, ieșirea poate fi cuplată
în cure nt contrinuu pentru a răspunde și la condiții statice. Sensibilitatea unei punți
Wheatstone variază direct proporțional cu tensiunea de alimentare (de excitație), care
trebuie săfie stabilă și nezgomotoasă.
Ieșirea punții este flotantă , fiind nevoie de un amplificator diferențial sau ambele legături
de la tensiunea de excitație trebuie să fie flotante pentru ca ieșirea din punte să fie față
de masă. Configurația cu ieșire diferențială are avantajul rejecției de mod comun. Cele
mai multe punți cu senzori pie zorezistivi folosesc două sau patru elemente active.
Tensiunea la ieșire a unei punți cu două brațe active (semipunte) este jumătate din cea a
unei punți cu patru brațe active (punte completă).

33
Cerințele de stabilitate a tensiunii de excitație a punții cu piezorezistoare și a
elementelor de condiționare sunt mai severe decât la preamplificatoarele încorporate cu
accelerometrele piezoelectrice.
Traductoarele cu senzori piezorezistivi au impedanță mică și imunitate la zgomote.
Sensibilitatea provine din răsp unsul elastic al structurii și rezistivitatea materialului.
Senzorii piezorezistivi sunt fabricați dintr -o singură piesă din Si, cu avantajul
realizării întregului senzor într -un singur bloc de material omogen, adică stabilitate mai
bună, coeficienți term ici buni și fiabilitate mare. Sunt folosiți la eforturi mari, chir dacă
Si este un material fragil. Datorită răspunsului în curent contirnuu, sunt folosiți la
măsurători de lungă durată.
Accelerometrele piezorezistive de mare sensibilitate sunt proiectate cu amortizare
pentru a extinde gama de frecvență și posibilitățile de depășire a gamei dinamice.

2.4 Accelerometre cu variația capacității electrice

Sunt realizate sub formă de condensatoare plane cu plăci paralele și dielectric aer,
în care mișcarea e ste perpendiculară pe plăci.
La unele variante există o placă centr ală fixată de o muchie, astfel că mișcarea devine
rotație. Alte plăci sunt fixate elastic de jur împrejur.
Într-un accelerometru cu variația capacitătii, excitația este dată de un oscilator cu
frecvența mare. Variațiile de capacitate ale senzorilor datorită accelerației sunt sesizate
de o pereche de convertoare curent – tensiune.
Senzorii cu variația capacității sunt realizați prin microprelucare pe mai multe
substraturi suprapuse de Si, cu un interstițiu de aer de câțiva µm, pentru a permite
amortizarea. Deoarece vâscozitatea aerului variază cu câteva procente pe o gamă largă
de temperaturi de lucru, se obține un răspuns în frecvențămai stabil decât la
accelerometrele piezorezistive amortiza te cu ulei. Pentru creșterea robusteții se plasează
opritoare în interstiții, pe direcția sensibilă, iar rezistența la accelerații mai mare decât
cele maxime pe direcții transversale este dată de suspensie.
Senzorul unui accelerometru cu variația capacită ții, obținut prin micro –
prelucrare, are trei elemente de Si îmbinate într -un ansamblu închis ermetic. Două

34
elemente sunt electrozii unui condensator cu plăci paralele cu dielectric aer. Elementul
din mijloc este gravat chimic pentru a froma o masă centrală rigidă, suspendată pe
legături subțiri, flexibile. Caracteristicile de amortizare sunt controlate de debitul de gaz
prin orificiile din masa centrală.
Accelerometrele cu variația capacității au cele mai bune caracteristici de
funcționare. Dezavantajele s unt constul, gabaritul mare, complexitatea circuitelor de
condiționare. Pentru detecția capacității se folosesc circuite de înaltă frecvență,
frecvențele purtătoare fiid de peste 1000 ori mai mare decât frecvențele maxime ale
xemnalelor de ieșire.

2.5 Accelerometre cu balanță de forțe

Sunt denumite tipic servoaccelerometre și sunt folosite în sistemele de ghidare
inerțiale, în aplicații de măsurare de vibrații.
Toate accelerometrele descrise anterior sunt dispozitive în buclă deschisă, în care
ieșirea datorată deflexiei elementului sensibil se citește direct.
În accelerometrele cu servo control, sau în buclă închisă, semnalul de deflexie se
folosește ca reacție într -un circuit care comandă fizic sau reechilibrează masa înapoi, în
poziția de echilibru. Deplasările sunt menținute foarte mici prin reechilibrarea electrică
a masei, crescând liniaritatea și acuratețea.
Servoaccelerometrele sunt realizate în două variante:
– liniare ( de exmplu difuzor)
– tip pendul
Varianta tip pendul este ce a mai folosită .
Forța de reechilibrare este elastică și există doar când există tensiune de
alimentare. Elementele elastice au coeficient elastic mare, iar în zona părții electronice
sunt prevăzute amortizoare. Stabilitatea polarizării este controlată de circuitele
electron ice de reacție, deriva de zero fiind mică.
Se folosesc în măsurători de vibrații, la frecvențe de 0 – 1000 Hz.

35
Capitolul 3
Accelerometru l ICP

3.1 Accelerometru ICP

Accelerometru l ICP este un senzor care generează o ieșire electrică proporțională
cu accelerația aplicată. Accelerometrele ICP sunt proiectate pentru a măsura vibrațiile
și șocurile pentru o gamă largă de aplicații. Acestea sunt simple de utilizat și precise pe
o gamă largă de frecvențe, ceea ce le re comandată pentru multe situații.
ICP es te o marcă comercială PCB care înseamnă „Integrated Circuit
Piezoelectric” – „Circuit Piezoelectric Integrat” . Un ICP este format din senzori care
încorpore ază microelectronică . Electronica convertește un semnal cu impedanță
ridicată, generat de un element piezoelectric, într -un semnal de tensiune cu impedanță
redusă, care poate fi ușor transmis prin cabluri obișnuite cu două fire sau prin cabluri
coaxiale către o rice sistem de citire a datelor.
Accelerometrul ICP conține cristale de detectare care sunt at așate la o masă
seismică. Un inel de pretensionare aplică o forță asupra ansamblului elementului de
detectare pentru a forma o strucură rigidă și pentru a asigura comportamentul liniar. Sub
accelerație, masa seismică provoacă stres asupra cristalelor de de tectare, ceea ce duce la
o ieșire electrică proporțională, care este colectată de electrozi și transmisă prin cabluri
conectate la circuitele microelectronice din accelerometrul ICP. [7]
În plus față de ușurința utilizării și simplit atea funcționării, sen zorii ICP oferă
multe avantaje față de senzorii tradiționali , incluzând:
– tensiune fixă, independentă de lungimea sau capacitatea cablului
– impedanța scăzută a ieșirii (<100 Ohmi) permite transmiterea
semnalelor pe cabluri lungi prin medii dure, practic făr ă pierderi de
calitate a semnalului
– Sistemul cu două fire acceptă cablu coaxial standard sau alt cablu cu
doi conductori

36

– Tensiunea la ieșire compatibilă cu instrumentele standard de citire,
înregistrare sau achiziție
– Cost redus pe r canal, accelerometrele I CP necesită doar un aparat de
condiționare de semnal pentru a funcționa
– Caracteristică de auto -testare intrinsecă – Monitorizarea tensiunii de
ieșire a senzorului oferă o indicație privind funcționarea corectă, starea
defectuoasă și folosirea de cabluri ne corespunzătoare

Fig. 3.1 . Accelerometru ICP

Figura 6 prezintă schematic fundamentele electrice ale accelerometrelor ICP cu
cuarț și ceramică. Acești senzori sunt compuși dintr -un mecanism de transducție
piezoelectric de bază cuplat la un circuit integrat.
Două tipuri de circuite integrate sunt utili zate în general în senzorii ICP :
amplificatoare de tensiune și amplificato are de sarcină . Elementele senzor iale de cuarț
cu capacitate scăzută prezintă o ieșire foarte mare de tensiune (conform V = q / C) și
sunt utilizate în mod obișnuit cu amplificatoare de tensiune MOSFET. Elementele

37

senzoriale ceramice prezintă o ieșire de încărcare foarte ridicată și sunt în mod normal
cuplate la amplificatoare de sarciă. [8]

Fig. 3.2. Senz or cu ceramică și cuarț

3.2 Accelerometru ICP cu tehnologie cuarț

Procesul începe atunci când un măsurand, care acționează asupra elementului
sensibil piezoelectric, produce o sarcină numită Δq. Această sarcină se colectează în
capacitatea cristalului C și formează o tensiune conform legii electrostatice:

38
ΔV = Δq / C (3.1)

Deoarece cuarțul prezintă o capacitate foarte scăzută, rezultatul este o ieșire de
înaltă tensiune, adecvată pentru utilizarea cu amplificatoare de tensiune. Câștigul
ampli ficatorului determină apoi sensibilitatea senzorului.
Tensiunea ΔV apare instantaneu la ieșirea amplificatorului de tensiune, adăugată
la tensiunea de polarizare de aproximativ +10V. Tensiunea de polarizare este constant ă
și rezultă din proprietățile elec trice ale amplifi catorului (În mod normal tensiunea de
polarizare este eliminat de un dispozitiv de condiționare a semnalului extern înainte de
a analiza datele). De asemenea, nivelul impedanței la ieșirea senzorului este mai mic de
100 Ω. Acest lucru perm ite folosirea cablurilor lungi prin medii dure, practic fără
pierderi de calitate a semnalului.

3.3 Accelerometru ICP cu tehnologie ceramică
Accelerometrele ICP care utilizează elemente ceramice utilizează amplificatoare
de sarcină. În acest caz caracte ristica care ne înteresează este sarcina generată de
elementul ceramic.

3.4 Amplificatorul de tensiune

În m odul de amplificare de tensiune , tensiunea de ieșire depinde de suma
capacităților văzute de senzor. Capacitatea asociată cablului de legătură va afecta astfel
tensiunea de ieșire. Dacă cablul este modificat sau schimbat variația valorii C c poate
duce la apariția unor erori substanțiale. Rezistența R b asigură curentul de polarizare
pentru intrare a amplificatorului operațional.
Alegerea R f și C f se face în funcție de frecvența maximă de lucru dorită. Frecvența
minină de lucru este dată de relația:

(3.2)

Rezistența R b se va alege cât de mare e ste posibil pentru a reduce la minim
influența cablului de legătură.

39

3.5 Amplificatorul de sarcină
Amplificatorul de sarcină va transfera sarcina generată de senzor pe intrarea
neinversoare a amplificatorului operațional, în condensa torul C f aflat în bucla de reacție
negativă. Rezistența R f descarcă condensatorul C f la funcționarea la frecvențe joase
pentru a evita saturarea amplificatorului operațional. Valorile R f și C f dau limita
inferioară a frecvenței de lucru. Rezistența R i și condensatorii C p și C c limitează superior
frecvența de lucru.

Fig. 3.3. Amplificatorul de tensiune și caracteristica de frecvență

40

Fig. 3.4. Amplificatorul de sarcină și caracteristica de frecvență

41

Accelerom etru

Accelerometru

Circuit de
condiționare a
semnalului
Circuit de
condiționare a
semnalului
Sistem de achiziție a datelor
RS232
Procesare numerică de
date
Fig.4.1 Structura sistemului propus
Capitolul 4
Sistem de măsurare a vibrațiilor

4.1 Sistemul propus
Pentru monitorizarea echipamentelor cu piese mecanice mobile, principalii
parametri urmăriți sunt vibr ațiile și temperaturile. Sistemul propus este un sistem care
permite achiziția simultană cu 50.000 de eșantioane / sec cundă de vibrații de la două
puncte de măsurare. Schema bloc este prezentată în figura 4.1.

42
4.1.1 Modulul de măsurare
Un canal din modulul de măsurare este compus dintr -un senzor de vibrații și un
circuit de condiționare a semnalului pentru senzor.
Pentru măsurarea vibrațiilor au fost utilizate accelerometre de tip ICP cu două
sensibilități: 100mV / g și 10mV / g, utilizate în funcție de amplitudinea vibrațiilor.
Structura sistemului de condițio nare este prezentată în figura 4. 2.
Sistemului de condiționare este format din trei convertoare CC -CC:
– un convertor ridicător de tensiune pentru a obține +24V, necesar sursei
de curen t
– un convertor coborâtor de tensiune pentru a obține +6V necesar intrării
Vcc a amplificatorului de istrumentație și celorlalte circuite
– un convertor positiv -negativ pentru a obține -6V necesar intrării Vss
Amplificatorul de instrumentație are posibilitate a de a regla amplificarea în trei
intervale: 1 -10, 10 -50, 50 -100, în conformitate cu aplicația.

Constant Current
Power Supply
AC
Coupling
AC
Coupling
+
–
Instrumentation
Amplifier
+24V
-6V
+6V
Gain Control
Vout
GND
Vcc
Step Up
Converter
Step Down
Converter
+6V/ -6V
Convert er
Fig.4.2 Structura circuitului de condiționare

43

4.1.2 Sistemul de achiziție
Pentru a atinge o rată de conversie mare s -a folosit pentru fiecare canal o memorie
RAM de 128 Koctets ca buffer. Pentru a creșt e rata de achiziție, convertorul analog –
digital a fost setat să comunice direct cu memoria RAM astfel încăt microcontrolerul
sistemului trebuie doar să genereze semnalul de clock necesar. Microcontrolerul de tip
AP89S52 inițiază memoria RAM cu adresa unde datele vor fi stocate, activează cele
două convertoare în conformitate cu comanda primită de la calculator și generează
impulsurile de clock până când se atinge numărul de conversii necesare. Strucura
sistemului de achiz iție este prezentată în figura 4. 3.

Fig. 4.3. Structura sistemului de achiziție a datelor

44
Convertorul analog -digital folosit este de tipul MCP3301 pe 13 biți. Acest
convertor are întrări diferețiale complete și consum redus de energie motiv pentru care
este folosit de siste mele alimentate de la baterie și pentru aplicațiile de achiziție la
distanță. Convertorul are ±1 LSB Neliniaritate Diferențială (DNL) și ±1 LSB
Neliniaritate Integrală pentru dispozitivele de grad B și ±2 LSB pentru dispozitivele de
clasa C.
Interfața seri ală SPI standard permite convertorului A/D să fie adăugat la orice
microcontroler. MCP3301 are un curent scăzut care permite funcționarea cu cureți în
standby sau activi de numai 50nA și respectiv 300 μA. Dispozitivul are o rată de
conversie de până la 100 ksps. Tensiunea de referință poate varia de la 400 mV la 5V
obținând o rezoluție cuprinsă între 98 μV și 1,22 mV.
Memoria RAM este de tipul Microchip 23LCV1024 , 1 Mbit Serial SRAM.
Memoria este accesată printr -o interfață serială (SPI). Semnalele de comandă necesare
sunt o intrare de clock (SKC) și linii separate pentru date de intrare (SI) și date de ieșire
(SO). Accesul la dispozitiv este controlat de o intrare Chip Select (CS). În plus, SDI
(Serial Dual Interface – Interfața serială dublă) este accep tată dacă aplicația necesită
transfer de date mai rapid. Dispozitivul permite citiri și scrieri nelimitate în matricea de
memorie și permite backup -ul datelor prin intermediul unei baterii externer conectată la
VBAT (pinul 7).
Astfel rata de achiziție poat e să ajungă la 100000 samples/sec fiind echivalentul unui
semnal de achiziție de 0.5 sec. Folosind o memorie RAM mai mare sau o rată a
conversiei mică se poate obține semnal pentru o lungă perioadă de timp.
Pentru un trasfer de data rapid către computer s -a folosit comunicarea USB.
Pentru acest timp de comunicare s -a folosit modulul UMFT240XA FTDI.
UMFT240XA este un modul de dezvoltare pentru FT240XQ FTDI. FT240X este o
interfață USB -245 FIFO cu o funcție de încărcare a bateriei, care permite încărcarea
bateriilor cu un curent mai mare de la un port de încărcare dedicat. Este dinsponibilă și
interfața bit bag sincronă și asincronă. UMFT240XA este un modul care este proiectat
să se conecteze la o priză DIP standard de 7,62 mm cu 24 pini. UMFT240XA este

45

D1
LM4040-2.5VVCC +24V+
– U1
TL061D32
6
7 14 5
R2 10KR1 560R
VCC +24VSOT1
MMBT440312 3echip at cu un chip FT240XQ, toate caracteristicile lui FT240X pot fi utilizate cu
UMFT240XA. Chipul FT240X din UMFT240XA are următoarele caracteristici:
– Modul mic de asamblare PCB conceput să se potrivească cu o priză
standard DIP de 24 pini, de 7,62 mm.
– Priza „mini -B” USB permite conectarea modulului la un PC printr -un
cablu standar A – miniB USB. [9]

4.2 Implementare practică

Implementarea practică a sch emei bloc prezentată în figura 4.4 s-a realizat cu:

4.2.1 Modulul de măsurare
Pentru sursa de curent s-a utilizat un amplificator operațional TL061, o sursă de
tensiune de referința LM4040 -2.5V și un tranzistor PNP. Schema acestei surse de curent
este prezentată în figura 4.4.

Figura 4.4 . Schema sursei de curent

Pentru circuitul de cuplare A C semnalul care merge la intrarea neinversoare a
amplificatorului de instrumentație este doar divizat cu raportul :
100
330 +33=0.275

46

IN -IN +R1A1
330K
P1 25K3 12R1C1 33K2
R6 10K R5 10K
R2B1
100KJ2
12
12
R2A1
330KC2
22uR1B1
100K
C1
22uVCC +24V+
-U3
TL061D3
267 1
4 5Acest semnal conține atât informația de vibrare cât și informația referitoare la tensiunea
de polarizare a accelerometru lui.
Pentru circuitul de cuplare care merge la intrarea inversoare s -a implementat un
filtru trece jos și un divizor reglabil. La ieșirea acestui se regăsește doar semnalul de
polarizare al accelerometrului. Pentu a egala valorile aferente tensiunii de po larizare a
accelerometrului divizor rezistiv a fost realizat având un raport reglabil între:
100
330 +20=0.285 și 100
330 +20+25=0.266

Schema acestor circu ite este prezentată în figura 4.5 .

Figura 4.5 . Circuit de cuplare

Pentru reg lare se procedează în felul următor:
Se poziționează semnalul pe o suprafață fără vibrații și se reglează potențiometrul până
când la ieșirea amplificatorului de înstrumentație se obține valoarea 0.

Amplificatorul de instrumentație este realizat cu apli ficatorul dedicat AD623 și
are 3 trepte de amplificare selectate cu ajutorul unor jumperi. Acestea pot asigura
amplificări de: 4 6.4545, 4.012, 49.466.

47

U2
AD6231 8
7
6
523
4-Rg +Rg
Vcc
Out
RefIN-IN+
Vss
D2
DZ-3V92 1Vcc +6VJ1
JMP2x21
23
4
IN-
Vcc -6VRZ 240
Vout
D3
DZ-3V92 1R4
33K2R3
2K2
IN + AD623 este un amplificator de instrumentație integrat cu o ieșire de tipul rail -to-
rail de la 3V până la 12V. Fără rezisotr exter, AD623 este configurat pentru câștig unitar
(G=1), iar cu rezistor extern poate fi programat pentru câștiguri de până la 1000.
AD623 ține erorile la un nivel minim prin furnizarea de AC CMRR ( common mode
rejection ratio) superior , care crește cu creșterea câștigului. Liniile de zgomot și liniile
armonice sunt respinse doarece CMRR rămâne constant până la 200 Hz. Deși AD623 a
fost optimizat pentru a funcționa alimentat de la o singură sursă, acesta oferă
performanțe superioare când este alimentat de o sursă dublă de tensiune (± 2,5 V până
la ± 6,0 V).

Schema circuitului cu amplificator de instrumentație este prezentată în figura 4.6.

Figura 4.6 . Schema circuitului cu amplifcator de instrumentație

Pentru realiz area tensiunilor de +24V și -6V necesare circuitelor prezentate s -a ales
varianta realizării acestor tensiuni din tensiunea de alimentare de 6V cu ajutorul unor
convertoare DC/DC.
Schema finală a circuitului de condiționare pentru accelerome tru este prezen tată în
figura 4.7 .

48

VCC +24V
J2
ARK350/212
12
P1 25K3 12
Vcc -6VR2A1
330KR1B1 100KJ1
JMP2x21
23
4
C2
22uVcc +6VD1
LM4040-2.5V
R5 10K
+
– U1
TL061D32
6
7 14 5
R2B1 100KR1C1 33K2R3
2K2SOT1
MMBT440312 3
U2
AD6231 8
7
6
523
4-Rg +Rg
Vcc
Out
RefIN-IN+
Vss
D2
DZ-3V92 1VCC +24V
R6 10K+
-U3
TL061D3
267 1
4 5R2 10K
VCC +24V
D3
DZ-3V92 1R1 560R
R4
33K2
VoutR1A1
330K
RZ 240
C1
22u

Figura 4.7. Schema circuitului de condiționare pentru accelerometru

Cablajul acestui mo dul este prezentat în figura 4.8.

Figura 4.8 . Cablajul circuitului de condiționare pentru accelerometru

49

4.2.2 Sistemu l de achiziție

Sistemul de achiziție a datelor e realizat cu un microcontroler de tipul 89S8252 ,
fiecare canal de achiziție dispunând de un convertor numeric -analogic MCP3301 și o
memorie EEPROM de 1 Moctet de tipul 23LVC1024.
Sistemul de achiziție are posibilitatea de a realiza achiziții mai lente dar cu
transmiterea online a rezultatelor conversiei ( rata de conversie depinzând de viteza de
comunicație, la o com unicație de 100000 biți/secundă obținându -se 2500
conversii/secundă. Pentru viteze mai mari de achiziție se poate utiliza soluția de salvare
a rezultatelor conversiei direct în memorie EEPROM putându -se ajunge până la 20000
conversii/secundă. Rezultatele din memoria EEPROM pot fi transferate apoi offline
către PC. Schema circuitului de achiziție a date lor este pr ezentată în figura 4.9 .

50

CS2_GB
SCK
VccVcc
Y1
CuartzU3
23LVC1024
5
86
74
23
1SI
VCCSCK
VBatVSS
SONC
/CSCLK_GACLK_GA
JDI1 Intrari DI1
2
3
4DIO_GBDOO_GADIO_GA
J4DO1
Iesiri
135
246
+++
+++Vcc
CS2_GB
DOO_GBVBat
DOO_GBDIO_GA
U6
AT89S825310
20
21
223233354423456
7
8
9
24
25
26
272829303111
13
14
15
16
17
18
19
43
42
41
40
39
38
37
36
1
12
2334RST
XTAL2
XTAL1
GNDPSENALE/PROGEA/VPPVCCP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4
P1.5(MOSI)
P1.6(MISO)
P1.79(SCK)
P2.0/A8
P2.1/A9
P2.2/A10
P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXD
P3.1/TXD
P3.2/INT0
P3.3/INT1
P3.4/T0
P3.5/T1
P3.6/WR
P3.7/RD
P0.0/AD0
P0.1/AD1
P0.2/AD2P0.3/AD3
P0.4/AD4
P0.5/AD5
P0.6/AD6
P0.7/AD7
NC
NC
NCNCCS1_GA
VccCLK_GBU2MCP3301
1 8764
235
Vref VDDCLKDOUTVSS
IN+IN-/CSVRef
CLK_GB
VccVBatCLK_GAVcc
CS1_GB
U5
23LVC1024
5
86
74
23
1SI
VCCSCK
VBatVSS
SONC
/CS
MOSI
CS1_GBCS2_GA
J5 Programare 135
246
+++
+++
C5
22pJDO1 Iesiri DO1
2
3
4
DIO_GBVRef
RESET
DIO_GBJ2 Achizitie
1234
VccMISO
CS1_GAU4MCP3301
1 8764
235
Vref VDDCLKDOUTVSS
IN+IN-/CSCS2_GA
C6
22pVcc
Vcc
CLK_GBDOO_GA
J6 Comunicatie1
2
3
4VccDIO_GAVccJ1 Achizitie
1234
VccJ4DO2
Iesiri
135
246
+++
+++VccVcc

Fig. 4.9 . Schema Circuitului de achiziție a datelor

51

J2
Alimentare1
2
31
2
3R1
1K
U1 APE17071 8
7
6
52
3
4VCC GND
GND
GND
ENSW
FB
GNDD3
LED_SMD
1 2L1
L 47uH/1A
1
2
R2
1KD1
MBRS1402 1
C2
470uVcc
D4
LED_SMD1 2C1
100u D2 MBRS140 2 1
R4
1k5R3
4k7
Schema de alimentare pentru realizarea tensiunii de 6V necesară atât modelelor
de condiționare cât și conversie i DC /DC este prezentața în figura 4.10 .

Figura 4.10 . Schema d e alimentare pentru realizarea t ensiunii de 6V

Această schemă este a unui stabilizator în comutație de tipul step down realizată
cu circuitul integrat APE1707.
APE1707 este convertor coborâtor de tensiune DC/DC produs de Advanced
Power Electronics Corp. Tensiunea de ieșire poate fi de 3.3V, 5V, 12V sau reglabilă
între 1.23V și 38.5V. Poate conduce sarcini de 2A fară tranzistori suplimentari. Funcția
de închidere externă poate fi contr olată de nivelul logic, după care intră în modul de
așteptare. Ca funcție de protecție avem închiderea termică și limitarea curentului. Dacă
funcția limită de curent apare și VFB (voltage feeddback amplifier) este sub 0,5V,
frecvența de comutare va fi redus ă. APE1707 funcționează la o frecvență de comutare
de 150 KHz permițând astfel folosirea filtrelor de dimensiuni mai mici decât am putea
folosi cu regulatoare de comutare cu frecvență redusă.

În urma realizării practice a rezultat cablajul din figura 4.11 .

52

Fig. 4.11. Cablajul sistemului de achiziție a datelor

53
4.3 LabWindows

Partea software a fost creată cu ajutorul mediului de programare LabWindows.
LabWindows combină un limbaj de programare științific cu un mediu de
dezvo ltare performant, care simplifică procesul de elaborare al software -ului specific
instrumentației virtuale. LabWindows/CVI este destinat platformelor Windows. Mediul
de programare vizuală permite integrarea ușoară a componentelor hard și soft în
instrument ul virtual dorit. Domeniile vizate sunt: achiziția de date, monitorizare și
control proces, testări echipamente șî măsurări de înaltă calitate. Bibliotecile aferente
oferă servicii complexe pentru controlul instrumentelor GPIB, VXI, RS -232, SCXI,
funcții p entru achiziție, prelucrare, calcul statistic / științific, vizualizare și stocare date.
Acest mediu de programare are posibilitatea de control absolut a funcțiilor
specifice elementelor de control din interfața utilizator. Deosebita flexibilitate a
limba jului C permite folosirea diferitelor artificii de programare în cadrul aplicației.
Utilizatorul are la dispoziție peste 450 de drivere pentru diferite periferice VXI, DAQ,
RS-232 și GPIB, care asigură o modalitate elegantă și sigură de programare a
dispoz itivelor, nefiind necesar lucrul la nivel de registru cu diferite echipamente
deosebit de complexe. [10]

În figura 4.12 este prezentat programul pentru achiziția datelor.

54

Fig. 4.12. Program de achiziție a datelor
Cu ajutorul buto nului „RS232 Set” din meniul „Setting” putem configura portul
RS232 după cum urmează: COM Port (1 -9), Baud Rate (2400, 4800, 9600, 19200,
38400, 57600, 115200), Parity (none, odd, even, mark, space), Data Bits (5, 6, 7, 8),
Stop Bits(1, 2), Input Queue Siz e, Timeout și Output Queue Size. Aceste a sunt
prezentate în figura 4.13 .

Fig. 4.13 . Configurare port RS232

55

Plot data – transmite date continue cu un delay setabil între 1 și 100 echivalentul
unor rate de achiziție de la 2000 până la 20 de con versii/secundă pe canal selectat.
Acq To Memory – transmite către placa de achiziție o comandă de realizare a
65535 de conversii pe canalul selectat și salvarea acestora în memoria EEPROM.
Cu ajutorul butonului „Delay Memory ” se poate seta o viteză de co nversie de la
10000 conversii/secundă la 400 conversii/secundă .
Tx dat MEM – realizează descărcarea datelor din cele 2 memorii EEPROM și
afisarea pe ecran a celor 65535 de conversii pentru fiecare canal.
Acq CH Single – realizează o singură conversie pe canalul selectat și afișarea în
casetele „ValConv_CH1” și „ValConv_CH2” a rezultatului conversiei.
Cu ajutorul butonului „Nr_Sec/Graf” se setează durata afișată pe un ecran, datele
fiind de tipul cursiv și memorate în fișiere de date.
Butonul „Vizualizar e” realizează trecearea în programul de plotare și vizualizare
unde se poate analiza semnalul achiziționat. Acesta este prezemtat în figur a 4.14 .

Fig. 4.14 . PlotGraf

56

Pe ecran vor apărea datele corespunzătoare ultimului ecran din partea d e
achiziție. Pentru a vizualiza datele de la începutul achiziției se vor folosi butoanele de
Zoom și Zoom in.
În partea stangă avem setările pentru canalul 1, iar în partea dreaptă avem setările
pentru canalul 2. Aceste setări sunt:
– NrSamples – numărul de eșantioane pen tru canalul 1 respectiv
canalul 2
– NrFiles – numărul de fișiere
– NrPoint Graf
– IndexMin
– Index Max
Cu ajutorul butonului „Plot_Ch1” putem porni sau opri plotarea pentru canalul 1.
Cu ajutorul butonului „Plot_Ch2” putem porni sau opri plota rea pentru canalul 2.
Prin apăsarea butonului „Setare Filtru” putem seta filtrul. Setarile pe care le putem face
sunt: F_Low (între 0.01 și 1000), Delta (între 0.01 și 100), Nr Point ( între 10 și 100).
Cu ajutorul butonului „Filter Parameter” putem stabi li pentre care canal o să facem
filtrarea. Acesta este prezentat în figura 4.15.

Fig. 4 .15. Setare filtru

57

4.4 Rezultate experimentale

În urma implementării practice a rezultat următorul sistem:
Accelerometrul ICP este prez entat în figura 4. 16.

Fig. 4.16. Accelerometru ICP

58

În figura 4.17 este prezentat sistemul de achiziție.

Fig4.17. Sistem de achiziție

59

În figura 4.18 sunt prezentate canalele sistemului de măsurare.

Fig 4.18 . Sistem de măsurare a vibrațiilor

60

În figura 4.19 este prezentat un canal din sistemul de măsurare.

Fig 4.19 Un canal din sistemul de măsurare

61

În figura 4.20 este prezentat sistemul de masusrare a vibrațiilor.

Fig 4.20 Sistem de măsurare a vibrațiilor

62

Este prezentat în figura 4.21 un semnal pe canalul 2, semnal achiziționat în
memoria EEPROM a sistemului de achiziție și descărcat ulterior. Se observă în fereastra
de analiză de semnal c ă viteza de achiziție este de 25000 de eșantioane/secundă și au
fost achiziționate 65535 de eșantioane.

Fig 4.21 Semnal pe canalul 2

În figura 4.22 este prezentată o parte din semnal folosind opțiunea de zoom, semnalul
începând de la 25703 pâna la 30980.

63

Fig 4.22 Semnal între 25703 și 30980

În figura 4.33 este prezentat semnalul între 28841 și 30070.

Fig 4.23 Semnal între 28841 și 30070

64

În urma setării filtrului după parametrii din fig ura 4.24 a rezultat sem nalul din figura
4.25

Figura 4.24 Parametrii setare f iltru

Figura 4.25 Semnal filtrat

65

În figura 4.26 este prezentată o parte din semnalul filtrat folosind opțiunea de zoom,
semnalul începând de la 25703 până la 30980.
În figu ra 4.27 este prezentat semnalul filtrat cuprins între 28841 și 30070.

Figura 4.26 Semnal filtrat cuprins între 25703 și 30980

Figura 4.27 Semnal filtrat cuprins între 28841 și 30070

66
Bibliografie

1. Radeș, M. Vibrații mecanice , București, Editura Printech, 2009

2. Ce este vibrația,
www.mobilindustrial.ro/current_version/online_docs/COMPENDIU/ce_este_vi
bratia_.htm?mw=MjQw&st=MA==&sct=MA==&ms=AAAAAAA =

3. Iulian Lupea, Roboți și Vibrații , Editura Dacia, 1996

4. Vornicu , Liliana . Traductoare de vibrații,
www.ep.etc.tuia si.ro/site/Senzori_si_Traductoare/Cursuri/senzori_7.pdf

5. Senzori piezoelectrici,
www.sensorsmag.com/components/principles -piezoelectric -accelerometers

6. Measuring vibration with accelerometers,
www.ni.com/white -paper/3807/en/#toc3

7. Introduction to ICP Accelerometer – Introducere în accelerometrele ICP,
www.pcb.com/Resources/Technical -Information/Tech_Accel

8. Signal Conditioning for ICP – Condiționare de semnal pentru ICP,
www.pcb.com/Resources/Techn ical-information/tech_signal

9. Grofu Florin, Cercel Constantin . “Digital system for vibration analyzes “,
Annals of the „Constantin Brâncuși” University from Tg. Jiu, No.3/2013, ISSN
1842 -4856 , pag 188 -192

10. Mediul de programare LabWindows,
www.aei.geniu.ro/downloads/ie/IE -Cursul3.pdf

11. Handbook of noise and vibration control, John Wiley & Sons , edited by
Malcolm J. Crocker

12. Accelerometer selection considerations ,
www.pcb.com/techsupport/docs/vib/TN_17_VIB -0805.pdf