MEMS, electrolítico o force-balance: qué inclinómetro elegir para la monitorización estructural

Los distintos tipos de inclinómetros tienen diferencias claras en sus resoluciones, pero en obra puede no estar claro qué instrumento usar. Un inclinómetro MEMS comercial resuelve 0,01°. Un sensor electrolítico de gama alta llega a 0,0001°. Un force-balance geofísico baja hasta 1 nrad, es decir, cinco órdenes de magnitud por debajo del MEMS. Entonces, ¿de qué depende la elección?

La resolución más fina no siempre es la prioridad absoluta, y lo primero que hay que preguntarse es qué tecnología corresponde a la estructura que se va a observar y a las condiciones en las que se encontrará el sensor.

Las tres familias a comparar

Cuatro principios de sensado están en uso comercial para los inclinómetros, pero tres dominan el mercado estructural y geotécnico: MEMS, electrolítico y force-balance. El cuarto, el vibrating-wire, se usa en nichos geotécnicos donde se necesita funcionamiento eléctrico pasivo, pero está siendo reemplazado progresivamente por el MEMS. La comparación para la monitorización civil se mantiene sobre las tres tecnologías dominantes.

MEMS: la familia de masa sísmica en silicio

Un inclinómetro MEMS usa una microestructura de silicio — una pequeña masa suspendida por muelles micromecanizados — cuyo desplazamiento bajo gravedad se lee capacitivamente. La salida es proporcional a la componente gravitacional proyectada sobre el eje de medida. Como la gravedad es la única aceleración estática, un acelerómetro MEMS funciona como inclinómetro para medidas lentas.

La resolución típica de un sensor MEMS va de 0,001° a 0,01° según el modelo. La deriva térmica residual, después de la compensación de fábrica, está típicamente entre 10 y 50 µrad/°C para las unidades comerciales.

Una ventaja importante de estos sensores es la duración de su batería. El consumo es del orden de los microwatios en sleep, por lo que permiten instalaciones inalámbricas con autonomía plurianual a batería. Además, tienen una tolerancia a vibraciones e impactos muy alta, y el sensor sobrevive a aceleraciones muy por encima de su rango de medida.

El MEMS se recomienda para estructuras sometidas a vibraciones (puentes bajo tráfico, edificios con instalaciones mecánicas, cimentaciones de maquinaria), pero también donde se necesita comunicación inalámbrica y donde el fenómeno está cómodamente por encima del ruido. No debería usarse en aplicaciones geofísicas que requieren resolución sub-microrradián ni en medidas muy lentas en ventanas plurianuales, donde le cuesta diferenciar la deriva del sensor de la del fenómeno.

Electrolítico: la familia de fluido conductivo

Un sensor electrolítico es una cavidad sellada de vidrio o cerámica, parcialmente rellena con un electrolito conductivo y dotada de varios electrodos. Cuando el sensor se inclina, el líquido se redistribuye y la impedancia entre pares de electrodos cambia. La lectura es diferencial, típicamente en AC.

Su resolución llega a 0,0001° en los modelos de gama alta. El ruido a baja frecuencia es extremadamente bajo, porque el fluido integra mecánicamente las altas frecuencias.

El punto problemático de esta tecnología son los coeficientes de temperatura, que van típicamente de 0,01 a 0,1 % por °C sobre el fondo de escala. Varían con la composición del electrolito y requieren compensación individual para las aplicaciones de precisión.

El mantenimiento es peor respecto a los sensores MEMS, porque el fluido reacciona de forma impredecible y los impactos dañan las juntas. Además, la excitación AC continua necesaria para la lectura descarga la batería del dispositivo más rápido que otras tipologías.

El electrolítico es muy útil en medidas estáticas o muy lentas sobre estructuras rígidas y en ambientes estables, como cimentaciones de presas o ensayos estructurales de laboratorio. Son monitorizaciones a largo plazo donde el nivel de ruido se vuelve muy importante para un análisis correcto y, por tanto, las desventajas son tolerables.

Force-balance: la familia nanorradián

Un inclinómetro force-balance mantiene un péndulo en posición nula con un bucle de retroalimentación, donde una bobina aplica la corriente necesaria para equilibrar la masa, y esa corriente es proporcional a la inclinación. El principio es que el bucle de servocontrol supera los límites mecánicos del péndulo libre.

La resolución de esta tecnología llega por debajo del microrradián, hasta 1 nrad en los instrumentos geofísicos de precisión, con linealidad bien caracterizada y ruido bajo a todas las frecuencias.

A cambio, el consumo es alto, porque el bucle de retroalimentación está siempre activo, y el coste es de 10 a 50 veces el de un MEMS comparable.

El force-balance gana donde la señal está en el orden del nanorradián: monitorización tectónica, deformación de volcanes e instrumentación científica. En un puente deteriorado es un instrumento equivocado, porque su resolución está órdenes de magnitud por encima de lo que el fenómeno estructural requiere.

¿Cómo se elige?

La elección de la tecnología para la monitorización estructural es bastante sencilla.

• Si la estructura vibra (puentes bajo tráfico, edificios con HVAC, cimentaciones de maquinaria), la elección más conveniente es MEMS. El electrolítico devolvería lecturas poco fiables y el force-balance sería una exageración costosa.
• Si el fenómeno es creep lento sobre una estructura rígida (estribo de presa, cimentación de puente sobre roca, probeta de laboratorio), conviene el electrolítico o el MEMS. Más en detalle: el electrolítico si el nivel de ruido es la limitación, y el MEMS si se necesitan comunicación inalámbrica y autonomía.
• Si el fenómeno es tectónico o geofísico (volcanes, fallas, deformación de roca madre), se debería usar el force-balance, ya que nada más tiene la resolución adecuada.
• Si el despliegue es inalámbrico con autonomía plurianual a batería, la mejor elección es el MEMS, porque las demás tecnologías consumen demasiada energía para funcionar durante años sin recarga.
• Si la estructura es un bien patrimonial con requisitos de reversibilidad, la mejor opción es el MEMS, gracias a su factor de forma compacto y bajo consumo, que permiten montajes adhesivos o con fijaciones mínimas.

La mayoría de los proyectos estructurales cae en los casos 1, 4 y 5. El MEMS domina el mercado civil, porque la distribución de los problemas reales corresponde a su envolvente operativa.

La objeción sobre la duración de los MEMS

Existe una objeción técnica recurrente: el MEMS tiene partes móviles, por tanto se desgasta antes que un electrolítico. A nivel físico la observación es legítima. La estructura de silicio tiene elementos bajo esfuerzo y modos de fallo que el sensor electrolítico no tiene: stiction, fractura de los muelles, degradación del wafer.

En la práctica, sin embargo, los datos de campo de despliegues MEMS de 5 a 10 años en puentes y edificios muestran tiempos medios hasta el fallo comparables o superiores a los de sensores electrolíticos sometidos al mismo ambiente. La razón es que los electrolíticos también tienen sus propios modos de fallo, igualmente relevantes para la integridad de los datos: evaporación del fluido, degradación de las juntas o corrosión de los electrodos.

El MEMS no dura para siempre, pero en horizontes de despliegue realistas no es materialmente peor y ofrece ventajas importantes.