Acelerômetro MEMS + Software

José Guilherme Amuchastegu · 28 de julho de 2018

Olá pessoal,

Eu sou engenheiro mecânico e não tenho conhecimento algum sobre eletrônica e gostaria da ajuda de vocês!

Quero medir a vibração de um equipamento e visualizar alguns gráficos de acordo com o explicado abaixo:

Pelo o que eu entendo, eu teria que dividir esse projeto em 03 "áreas", sendo o sensor, "placa de aquisição" e software:

Sensor - pelo o que pesquisei os acelerômetros MEMS são baratos e atendem minhas especificações técnicas (amplitude, frequência, temperatura, etc). Entretanto estou confuso em qual acelerômetro selecionar....por exemplo, o acelerômetro ADXL356 e ADXL345 atendem minhas especificações, sendo que o 356 possui saída analógica e o 345 possui saída I²C, SPI....não sei o que isso significa e nem como decidir qual comprar.

"Placa de Aquisição" - minha maior dúvida está em como "ler" os dados do acelerômetro e "transferir" para o software de processamento de sinais. Como eu poderia fazer isso?

Software - vocês sabem se já existe algum software pré definido para eu fazer o processamento de sinal do sinal de vibração? O processamento de sinal que eu tenho que fazer é o seguinte:

- Gráfico --> Aceleração vs Tempo

- Gráfico --> Aceleração vs Frequência (é necessário fazer uma FFT)

- Gráfico --> Velocidade vs Tempo (é necessário integrar o sinal de aceleração)

- Gráfico --> Velocidade vs Frequência (é necessário fazer uma FFT)

Quem puder me dar um norte, eu agradeço!

Obrigado,

Sérgio Lembo · 28 de julho de 2018

Saída analógica, como o próprio nome indica é uma tensão proporcional a amplitude do fenômeno. É mais fácil de se trabalhar, dá para fazer um amplificador simples com 2 pilhas e com o uso de um voltímetro se faz a leitura.

I2C e SPI são padrões de comunicação serial utilizados em microcontroladores. Isso significa que o modelo 345 possui internamente um ADC e um controlador de comunicação. Se pretende mandar o sinal para um microcontrolador o uso dele será uma mão na roda.

José Guilherme Amuchastegu · 29 de julho de 2018

Em 28/07/2018 às 17:55, Sérgio Lembo disse:

Saída analógica, como o próprio nome indica é uma tensão proporcional a amplitude do fenômeno. É mais fácil de se trabalhar, dá para fazer um amplificador simples com 2 pilhas e com o uso de um voltímetro se faz a leitura.

I2C e SPI são padrões de comunicação serial utilizados em microcontroladores. Isso significa que o modelo 345 possui internamente um ADC e um controlador de comunicação. Se pretende mandar o sinal para um microcontrolador o uso dele será uma mão na roda.

@Sérgio Lembo

Obrigado pela resposta.

O que eu tenho que utilizar para conectar a esses sensores? Um Arduíno? Um micro processador?

Sérgio Lembo · 30 de julho de 2018

O módulo Arduino já é um microcontrolador montado, facilita o uso, tem diversos acessórios destinados a ele o que te livra de ter que projetar uma placa eletrônica, é brincar de Lego. Como opção tb se tem o módulo ESP32 com mais memória e capacidade de processamento, wi-fi integrado e por um preço praticamente igual ao Arduino. Sobre a série de Fourier e outros tratamentos, pretende fazer isso no microcontrolador ou transferir os dados para um PC?

Vai ter que fazer umas considerações ao escolher o microcontrolador pronto que irá ler o sensor: taxa de amostragem, capacidade de memória e capacidade de processamento. Verifique se o modelo com saída I2C / SPI tem a capaciadde de amostragem que necessita. Não sei o quanto pretende exigir desse seu microcontrolador. O ESP32 e outros modelos ESP trabalham com muito mais memória que o Arduino (1000X) e possuem uma capacidade de processamento muito maior. Muitos desses modelos tem WI-FI integrado com capacidade para Bluetooth e wi-fi 802.11 que é esse que usamos em rede doméstica, o que pode te livrar de ter que fazer cabeamento de instrumentação na área.

José Guilherme Amuchastegu · 30 de julho de 2018

Muito obrigado pela explicação Sergio,

Com relação ao software para processamento de sinais? Quais são os mais utilizados? O que devo considerar para selecionar o software para esta aplicação?

aphawk · 30 de julho de 2018

@José Guilherme Amuchastegu ,

Uau ... processamento de sinais ????

Afinal, como você vai calcular a vibração a partir de um acelerômetro ?

O tipo de vibração tem de ser em frequências que o seu acelerômetro tenha condição de medir no tempo adequado e com precisão suficiente.

Eu sugiro um modelo que faça a conversa por I2C ou por SPI, pois terá uma precisão maior nas medidas.

Os seus gráficos dependem muito da capacidade da resposta do Mems que você escolher, e a frequência da vibração é fundamental na escolha devido aos tempos de resposta necessários, e a possibilidade de medição em curtos intervalos de tempo.

Você terá de capturar os dados em um buffer, e tratar esse buffer logo após a captura completa, e fazer o tratamento matemático da FFT e da Integral. Essa parte é que será complicada....

Paulo

Sérgio Lembo · 30 de julho de 2018

Me dei ao trabalho de olhar esse modelo de sensor. É um acelerômetro, tenho dúvidas se servirá ao seu propósito. Creio que vai cair num sensor de piezo analógico. Dependendo das frequências a serem lidas vai precisar de um MCU bem rápido e um ADC igualmente rápido. Creio que um módulo de ADC rápido conectado num módulo de 32bits será a melhor solução nessa aquisição de dados. O tratamento deixa pro PC fazer. Vibração, piezo... isso me fez lembrar dos toca-discos.

Raphael Ote · 2 de setembro de 2018

Também sou engenheiro mecânico, e fiz alguns experimentos com os acelerômetros MEMS na minha tese de graduação. Possuo conhecimento raso em comparação a um engenheiro eletricista especializado. Mas, compartilho algumas situações que passei:

- UART, I2C, SPI, CAN... são protocolos de comunicação que servem para organizar e interpretar dados digitais entre os sensores e o sistema de aquisição. Todos possuem frequências padrões para essa transmissão. Deve-se atentar a taxa mínima necessária de clock (frequência de dados transmitidos em cada canal). Certas aplicações (ex: identificação de danos em rolamentos) exigem que os acelerômetros aquisitem a milhares de Hertz (10,20 Khz), portanto precisará de uma taxa transmissão de dados nessa grandeza.
- Dependendo do microcontrolador, por exemplo Raspberry pi, só será aceitos dados digitais. Caso esteja trabalhando com um sensor analógico, necessitará de um conversor Analógico/Digital (A/D) e, provavelmente, um filtro analógico passa-baixa evitando a amostragem de frequências que nada dizem com o fenômeno(aliasing). Os microcontroladores disponíveis a baixo custo que conheço são Arduino, raspberry pi, ESP32, MSP430, TIVA C. A maioria utiliza a linguagem de programação em C/C++, ou assembly.

- Acelerômetros MEMS são bons devido ao preço baixo em comparação aos Piezoelétricos. Porém, deve-se atentar ao nível de ruído a certa frequência de aquisição. Dependendo da aplicação industrial, não vale a pena. Outro ponto a ser estudado é o tipo de fixação do acelerômetro na estrutura (ela influência na frequência de aquisição).

- O matlab e até o excel tem várias ferramentas para o processamento de dados seja no domínio do tempo ou da frequência. Sugiro ler algumas normas sobre ensaios de vibração em paralelo para ter um norte melhor para qual método utilizar.