Desenvolvimento e caracterização de um sensor de monitoramento de vibrações e impacto utilizando tecnologia MEMS capacitiva

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a caracterização de um sensor destinado ao monitoramento de vibrações e impactos em máquinas e processos industriais, utilizando tecnologia MEMS capacitiva. O projeto foi realizado em parceria entre o Laboratório de Vibrações e Acústica da Universidade Federal de Santa Catarina (LVA) e a empresa WEG Drives & Controls, com o objetivo de desenvolver um dispositivo capaz de operar em uma faixa de frequência de até 10 kHz, com faixas de medição de ± 15 g, ± 30 g e ± 60 g. O desenvolvimento do sensor envolveu a modelagem do invólucro e de seus componentes estruturais por meio de ferramentas de desenho assistido por computador e simulações numéricas baseadas no Método dos Elementos Finitos. Foram realizadas análises modais e estudos no domínio da frequência a fim de garantir que a primeira frequência natural do dispositivo estivesse acima da faixa de operação desejada. Após a etapa de projeto, foram fabricados protótipos contendo unidades MEMS do modelo ADXL382, os quais foram submetidos a um processo de caracterização experimental. A caracterização foi conduzida por meio de bancadas de ensaio de vibração e impacto desenvolvidas no LVA, seguindo os procedimentos descritos nas normas ISO 16063-21 e ISO 16063-22, com adaptações realizadas de modo a adequar os métodos às características específicas de sensores MEMS. Foram avaliados parâmetros como sensibilidade nominal, sensibilidade cruzada, resposta em frequência, linearidade de amplitude, amplitude dinâmica, ruído inerente e variação de sensibilidade com a temperatura. Os resultados obtidos indicam que o sensor desenvolvido apresenta comportamento compatível com os requisitos estabelecidos para aplicações de monitoramento de vibrações e impactos em ambientes industriais. As medições experimentais mostraram boa concordância com as especificações da unidade MEMS utilizada e evidenciaram que a estrutura mecânica do sensor exerce influência limitada sobre o desempenho do elemento sensor. Dessa forma, o trabalho demonstra a viabilidade da utilização de sensores baseados em tecnologia MEMS capacitiva como alternativa de baixo custo para sistemas de monitoramento de condição de máquinas.

Abstract: This work presents the development and characterization of a sensor designed for monitoring vibrations and impacts in industrial machinery and processes, using capacitive MEMS technology. The project was carried out through a partnership between the Laboratory of Vibrations and Acoustics at the Federal University of Santa Catarina (LVA) and WEG Drives & Controls, with the objective of developing a device capable of operating within a frequency range of up to 10 kHz, with measurement ranges of ± 15 g, ± 30 g, and ± 60 g. The sensor development involved the modeling of the enclosure and its structural components using computer-aided design tools and numerical simulations based on the Finite Element Method. Modal analyses and frequency-domain studies were conducted to ensure that the first natural frequency of the device was above the desired operating range. After the design stage, prototypes incorporating MEMS units of the ADXL382 model were manufactured and subjected to an experimental characterization process. The characterization was performed using vibration and shock test benches developed at LVA, following the procedures described in ISO 16063-21 and ISO 16063-22 standards, with adaptations made to accommodate the specific characteristics of MEMS sensors. Parameters such as nominal sensitivity, cross-axis sensitivity, frequency response, amplitude linearity, dynamic range, inherent noise, and sensitivity variation with temperature were evaluated. The results indicate that the developed sensor exhibits behavior consistent with the requirements for vibration and shock monitoring applications in industrial environments. Experimental measurements showed good agreement with the specifications of the employed MEMS unit and demonstrated that the mechanical structure of the sensor has a limited influence on the performance of the sensing element. Therefore, this work demonstrates the feasibility of using capacitive MEMS-based sensors as a low-cost alternative for machine condition monitoring systems.