Existen dos tipos de acelerómetros estructurales que pueden usarse para el monitoreo de infraestructura: los sensores MEMS y los force-balance. Los sensores MEMS son menos sensibles y consumen menos energía, mientras que los acelerómetros servo force-balance pueden resolver valores de ruido muy bajos, útiles incluso para el monitoreo de volcanes, pero la tecnología dentro del sensor los vuelve muy demandantes de energía.

Las dos tecnologías

Un acelerómetro MEMS capacitivo es una masa de prueba de silicio de pocos micrómetros, suspendida sobre resortes micromecanizados y leída como un cambio de capacitancia entre dedos interdigitados. Todo el dispositivo está grabado en un chip, compensado en temperatura de fábrica, y durante el reposo consume pocos microvatios.

Un acelerómetro force-balance no deja que la masa de prueba se desvíe, la mantiene en su posición de cero con un lazo de realimentación cerrado, y la corriente que la bobina necesita para sostenerla es la salida. El lazo servo evita los límites mecánicos de una masa libre, que es lo que da al force-balance su excelente comportamiento cercano a la continua (DC) y un ruido de banda ancha muy bajo. También significa que el lazo debe mantenerse alimentado todo el tiempo.

Durante mucho tiempo, los acelerómetros force-balance fueron claramente superiores a los sensores MEMS, por la característica de bajo ruido de los primeros. Hoy los sensores MEMS se han vuelto más sensibles y alcanzan sensibilidad del orden de µg/√Hz, con los mejores dispositivos de nivel investigación alrededor de 0.7 µg/√Hz, comparable a los mejores force-balance disponibles.

Los cuatro parámetros importantes

Hay cuatro parámetros importantes que los ingenieros intentan optimizar en los acelerómetros: densidad de ruido, ancho de banda, consumo y costo.

Densidad de ruido (µg/√Hz)

La densidad de ruido es la aceleración más pequeña que el sensor puede resolver en un ancho de banda dado. Los modos de las estructuras civiles son de baja frecuencia y baja amplitud. Por ejemplo, la respuesta dinámica del tablero de un puente bajo tráfico ambiental está en el rango de los milli-g, mientras que en elementos más rígidos puede ser de unas centésimas de g o menos.

La literatura académica a veces cita un objetivo de autorruido por debajo de 1 µg/√Hz, y preferiblemente cercano a 0.5 µg/√Hz, para el trabajo modal más exigente de baja amplitud sobre una estructura casi silenciosa. Pero la infraestructura civil casi nunca está en silencio, porque el tráfico la excita. En un tablero de vano medio desplegamos el DECKAXE-SHM en el centro del vano, con una densidad de ruido en torno a 22.5 µg/√Hz, y ese piso queda muy por debajo de la respuesta en milli-g que el tablero produce bajo carga en servicio. En pruebas lado a lado en puentes, un nodo MEMS de esta clase ha igualado una referencia piezoeléctrica de alta sensibilidad dentro de una fracción de punto porcentual en las frecuencias naturales identificadas. La revisión de acelerómetros micromecanizados sub-µg/√Hz de MDPI Sensors documenta cuán bajo puede llegar ya el piso de ruido de los MEMS, pero esos niveles se están volviendo más de lo que las estructuras civiles necesitan.

Ancho de banda

Las frecuencias naturales de puentes y edificios están entre 0.1 y 10 Hz, y los modos que importan para la detección de daño se concentran en la parte baja. El DECKAXE-SHM ofrece muestreo seleccionable hasta 640 Hz (pasos de 40, 80, 160, 320 y 640 Hz), pero el trabajo modal en grandes obras civiles rara vez necesita la parte alta de ese rango. Configuras una frecuencia de muestreo más alta para mantener margen sobre los modos de interés y para captar el ocasional elemento local rígido.

Aumentar el ancho de banda no puede hacerse sin límites, porque sacrifica la sensibilidad del sensor. La sensibilidad mecánica de un acelerómetro escala de forma inversamente proporcional al cuadrado de su frecuencia de resonancia, así que un dispositivo anunciado con una banda muy ancha casi con certeza ha sacrificado la sensibilidad de baja frecuencia para lograrlo. Para un modo de puente de 2 Hz ese compromiso es exactamente al revés.

Consumo y vida de la batería

Hoy la diferencia entre un acelerómetro force-balance y uno MEMS importa sobre todo por el consumo de energía. Un acelerómetro force-balance hace funcionar su lazo servo de forma continua, así que consume corriente sin importar lo que ocurra en la estructura. Esto hace que estos sensores sean adecuados cuando ya hay una fuente de alimentación disponible para el sensor.

Un nodo MEMS inalámbrico pasa la mayor parte del tiempo en reposo, consumiendo pequeñas cantidades de energía en el rango de los microvatios. Despertar solo para muestrear permite a estos acelerómetros funcionar durante años con un solo paquete de batería. Como los sistemas de monitoreo suelen estar pensados para durar años, los sensores que sobreviven cinco o más años sin intervención reducen costos y mantienen los datos continuos.

Costo

Un acelerómetro force-balance cuesta típicamente de diez a cincuenta veces un MEMS comparable, lo que significa que un sistema basado en MEMS escala mucho mejor. Además, tener un sistema MEMS alimentado por batería significa que no hay que instalar cables, lo que también reduce mucho los costos de instalación.

Cuándo usar los acelerómetros force-balance

Los acelerómetros force-balance siguen siendo necesarios donde la señal se acerca al régimen de grado deformación y cercano a la continua. Aplicaciones como la sismología strong-motion, el monitoreo tectónico y de fallas, la deformación volcánica y otras mediciones de frecuencia ultrabaja, de carácter estático, requieren un sensor servo.

Preguntas frecuentes

¿Qué piso de ruido especifica Move Solutions para un puente de carretera de vano medio, y por qué no bajar más?

Desplegamos el DECKAXE-SHM, con una densidad de ruido en torno a 22.5 µg/√Hz, en el centro del vano y en los cuartos de vano. Ese piso ya se sitúa cómodamente por debajo de la respuesta en milli-g que el tablero produce bajo tráfico en servicio, así que resuelve los modos con amplio margen, y en pruebas lado a lado esta clase de nodo ha seguido una referencia piezoeléctrica de alta sensibilidad dentro de una fracción de punto porcentual en las frecuencias identificadas. Bajar a un valor de un solo dígito o sub-µg/√Hz compraría una resolución que la estructura nunca ejercita, a cambio de más costo y más consumo, que en una red inalámbrica permanente es el recurso que de verdad te limita.

¿Una placa MEMS de bajo costo es alguna vez aceptable para un despliegue SHM permanente?

Para una red permanente que recoge datos requeridos por ley, no. Los MEMS de nivel consumo suelen estar en el orden de las decenas de µg/√Hz, muy por encima de lo que necesita una estructura civil silenciosa, y a ese piso los modos ambientales quedan sepultados en el ruido del sensor. Las placas de bajo costo tienen un lugar en la docencia, el prototipado y las alertas de alta amplitud, pero un sensor de referencia en un puente es un componente de bajo ruido y calibrado.

¿Una frecuencia de muestreo más alta compra mejores resultados modales, o solo facturas de datos más grandes?

Sobre todo facturas de datos más grandes. Los modos civiles están aproximadamente entre 0.1 y 10 Hz, así que más hertz añaden carga de almacenamiento y transmisión sin añadir información estructural. El DECKAXE-SHM llega a 640 Hz para los casos que lo necesitan, pero la mayor parte del trabajo modal en puentes corre muy por debajo, y sus datos alimentan el Modal Analysis Tool en MyMove sin saturar la red.

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