Especificações do inclinômetro
Inclinômetros, também conhecidos como sensores de inclinação, clinômetros ou sensores de declive, são projetados para medir o ângulo de um objeto em relação à força da gravidade. Esses sensores determinam o ângulo de inclinação e/ou rotação e transmitem os valores através da interface elétrica apropriada.
Princípio de medição dos inclinômetros MEMS
Os inclinômetros medem o ângulo de orientação de um objeto em relação à força da gravidade. Isso é feito por meio de um acelerômetro que monitora o efeito da gravidade sobre uma pequena massa suspensa em uma estrutura de suporte elástica. Quando o dispositivo se inclina, essa massa se move ligeiramente, causando uma alteração na capacitância entre a massa e a estrutura. O ângulo de inclinação é calculado a partir dessas capacitâncias medidas.
Massa de prova com
Eletrodos
Molas
Eletrodos fixos
Fig. 1: Princípio de um sensor MEMS
O funcionamento pode ser ilustrado com um modelo simplificado com dois eletrodos: um fixo e o outro (a massa de prova) móvel, suspenso por elementos de mola (ver Fig. 1). Quando o inclinômetro está em posição horizontal (Fig. 2.1), mede-se a capacitância entre os eletrodos. Se o sensor for inclinado (Fig. 2.2), a massa móvel e seu eletrodo mudam de posição em relação ao eletrodo fixo. Essa variação de capacitância é medida pela célula sensora e usada para calcular o novo valor de inclinação.
Sensor MEMS na posição horizontal
Sensor MEMS na posição inclinada
Fig. 2: Posição de um sensor MEMS
Limitations of Static Inclinometers
Em caso de choques e vibrações intensas, o amortecimento físico em inclinômetros estáticos pode não ser suficiente para suprimir as interferências. Os filtros de software podem ajudar, mas de forma limitada. Nos inclinômetros TILTIX estáticos, filtros como “média móvel” ou “exponencial” podem ser ativados e configurados para suavizar o sinal. No entanto, isso resulta na perda do tempo de resposta rápido típico dos inclinômetros MEMS, tornando a resposta do sensor mais lenta.
Para movimentos dinâmicos com fortes acelerações, devem ser utilizados os inclinômetros dinâmicos TILTIX da POSITAL. Eles utilizam uma tecnologia diferente, sem amortecimento físico, eliminando assim a necessidade de comprometer entre estabilidade e tempo de resposta.
Inclinômetro dinâmico
Para aplicações com movimentos bruscos, choques e vibrações, é essencial contar com sensores de resposta rápida e sinal de saída limpo. Os inclinômetros dinâmicos da POSITAL combinam dois princípios de medição utilizando dois sensores MEMS distintos: um acelerômetro 3D e um giroscópio 3D. O acelerômetro não possui amortecimento físico (diferente dos usados em inclinômetros estáticos) e consegue acompanhar movimentos dinâmicos rápidos. O giroscópio mede a velocidade de rotação com base em princípios inerciais. Os sinais de ambos os sensores são combinados para gerar uma medição de inclinação que compensa completamente os efeitos da aceleração. Assim, os inclinômetros dinâmicos TILTIX podem ser utilizados de forma confiável em equipamentos móveis como máquinas de construção, equipamentos de mineração, guindastes ou aplicações robóticas.
O diagrama abaixo compara o desempenho de um inclinômetro dinâmico com giroscópio integrado com o de um inclinômetro estático convencional, quando ambos são submetidos a movimentos dinâmicos com fortes choques e vibrações.
Medição de inclinação em uma escavadeira em movimento
Algoritmo inovador para resultados confiáveis
Para aplicações onde há movimentos bruscos, choques e vibrações, é essencial utilizar sensores com resposta rápida e sinal de saída limpo. Os inclinômetros dinâmicos da POSITAL combinam dois princípios de medição com dois sensores MEMS distintos: um acelerômetro 3D e um giroscópio 3D. O acelerômetro não é amortecido (diferente dos modelos usados em inclinômetros estáticos) e pode acompanhar movimentos dinâmicos rápidos. O giroscópio mede a velocidade de rotação com base em princípios inerciais. Os sinais de ambos os sensores são combinados para calcular a inclinação com compensação completa dos efeitos de aceleração. Como resultado, os inclinômetros dinâmicos TILTIX podem ser utilizados com confiabilidade em equipamentos móveis como máquinas de construção, equipamentos de mineração, guindastes ou aplicações robóticas.
O diagrama abaixo compara o desempenho de um inclinômetro dinâmico com giroscópio integrado com o de um inclinômetro estático convencional quando ambos são submetidos a movimentos dinâmicos com fortes choques e vibrações.
Faixa de medição e opções de montagem
A série de inclinômetros TILTIX está disponível em duas variantes.
Eixo duplo
Um sensor de dois eixos projetado para montagem horizontal. Esta versão possui duas saídas: uma para o eixo X e outra para o eixo Y. Cada eixo mostra o ângulo de inclinação em relação ao campo gravitacional.
Eixo único
2. Versão de medição de inclinação de eixo único projetada para montagem vertical com uma saída de eixo.
Funcionalidades adicionais do inclinômetro dinâmico
A principal função dos inclinômetros dinâmicos é fornecer dados de inclinação estáveis sem a necessidade de configurar parâmetros do sensor.
Contudo, para modelos com interface CANopen, é possível obter separadamente as forças de aceleração (acelerômetro) e a velocidade de rotação (giroscópio) para cada um dos três eixos.
Essas medições são armazenadas em objetos CANopen mapeáveis.
Monitorar a força de aceleração em um ou mais eixos pode permitir a implementação de funções adicionais ou recursos de segurança no controlador.
O controlador pode, por exemplo, parar a máquina quando um determinado limite de aceleração for excedido.
Com a informação adicional da velocidade de rotação no eixo X, também é possível monitorar a rotação horizontal (yaw) da máquina.
Cabe ao fabricante ou integrador decidir como utilizar essas informações adicionais.
Processamento de Dados
Um microcontrolador de alto desempenho é utilizado para avaliar os sinais do sensor em tempo real e calcular o ângulo de inclinação corrigido.
As temperaturas também são medidas e utilizadas por algoritmos de compensação para eliminar efeitos indesejados.
Filtros digitais inteligentes reduzem o ruído e vibrações ambientes, garantindo um sinal estável e preciso em todas as condições.
As não-linearidades dos sensores MEMS são identificadas por medições de referência durante a produção e armazenadas como dados de calibração.
Durante o funcionamento, esses dados são usados para corrigir os valores brutos e fornecer um ângulo de inclinação linearizado.
Parâmetros personalizados como correção de offset (Preset) e função de escala (em caso de sinais analógicos) podem ser adicionados pelo cliente.
Especificações comuns
Tempo de ciclo do sensor
É o tempo interno em que o sensor atualiza o valor da posição. Um ciclo de 5 ms significa uma atualização a cada 5 ms.
Tempo de ciclo da interface
Refere-se ao tempo de transmissão dos dados via interface. Pode ser ajustado pelo usuário.
Precisão absoluta
É o maior desvio entre o valor medido e o valor real dentro da faixa definida.
Desvio (Offset)
Mesmo na posição zero, o sensor pode apresentar uma pequena variação, chamada erro de offset.
Precisão dinâmica
Avaliada sob vibrações e acelerações. POSITAL realiza testes laboratoriais simulando o ambiente real.
Condições de teste:
Aceleração linear: 10 m/s² em um eixo por 1 s
Vibrações: 1–1000 Hz com força de 1 g
Resolução: O menor passo possível detectável pelo sensor.
Histerese: A saída depende não só da entrada atual, mas também de entradas anteriores. Para inclinômetros, o ângulo medido pode variar dependendo da trajetória anterior.
Gradiente de temperatura: Indica a mudança na medição do ângulo com variação da temperatura.
Tempo de estabilização: Tempo que o sinal leva para alcançar e manter-se dentro de ±5% do valor final.
Fabricação de chips de sensores MEMS
Devido aos avanços na fabricação de dispositivos MEMS (Sistemas Microeletromecânicos), esses sensores tornaram-se produtos de mercado em massa com excelente relação desempenho/custo. O componente básico de medição nos inclinômetros TILTIX é uma célula de sensor MEMS incorporada em um ASIC totalmente encapsulado.
