Diseño e implementación de un acondicionador de señales para acelerómetros piezoeléctricos con circuito electrónico integrado (IEPE)

Abstract

El trabajo de tesis tiene por objetivo diseñar e implementar un acondicionador de señales para transductores piezoeléctricos con electrónica integrada (IEPE), específicamente acelerómetros. El acondicionador funciona a baterías, cuenta con una fuente de corriente de 4 mA para polarizar al transductor, un amplificador, filtro pasa altos Butterworth, detector de cable y detector de sobrecarga. La fuente de corriente es de 4 mA ; el amplificador es de ganancia seleccionable 1 (0 dB) y 10 (20 dB), ancho de banda (±0,5 dB) de [0,05 Hz; 50 kHz] con una desviación de fase de ±5° ; el filtro es de segundo orden y frecuencia de corte de 22,5 Hz que puede conectarse o desconectarse a criterio del usuario. El acondicionador implementado tiene una distorsión armónica total (THD) menor de 0,014% en el rango [10 Hz; 20 kHz] , una relación señal a ruido superior a los 100 dB en el rango [10 Hz; 20,2 kHz] y superior a 95 dB en el rango [4 Hz; 10 Hz], en ambos casos medido con una señal de tensión eficaz 1 V . En el primer capítulo se presenta un montaje típico de medición que emplea un acondicionador de señales para el análisis de vibraciones mecánicas. Se incluyen también características relevantes de acelerómetros y acondicionadores de señales comerciales, que sirvieron de referencia para las especificaciones del sistema implementado. El segundo capítulo presenta el diseño del sistema y el tercer capítulo los ensayos realizados y los resultados.

This thesis has as a target the design and implementation of a signal conditioner for piezoelectric transducers with integrated electronics (IEPE), mainly for accelerometers. The instrument is battery operated and includes a current source of 4 mA to bias the transducer. Includes also an amplifier, a Butterworth high-pass filter, a cable fault detector and an overload detector. The current source is internally adjustable; the amplifier gain can be either 0 dB or 20 dB, the frequency response of the amplifier ±0.5 dB is 0.05 Hz to 50 kHz with a phase deviation from 0° ± 5° at the high and low end of the response. The instrument includes a second order high-pass filter with a cut-off frequency of 22.5 Hz that can be activated by the user. The total harmonic distortion (THD) of the conditioner is less than 0.014% in the range of 10 Hz to 20 kHz. The signal-to-noise ratio is greater than 100 dB in the range of 10 Hz to 20.2 kHz and greater than 95 dB in the range of 4 Hz to 10 Hz, both cases were measured with a signal of 1 Vrms . Chapter 1 presents a typical measurement setup that uses a signal conditioner for mechanical vibrations analysis. Relevant characteristics of accelerometers and commercial signal conditioners are included, which served as a reference for the specifications of the system. Chapter 2 presents the system design and chapter 3 the tests carried out and the results.