PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ 
FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA 
DISEÑO E IMPLAMENTACIÓN DE LA ELECTRÓNICA DE UN SISTEMA DE 
SENSADO DE LAS VIBRACIONES DE UNA ESTRUCTURA METÁLICA 
Tesis para optar el Título de Ingeniero Electrónico, que presenta el bachiller: 
Marco Alexis Ycaza Lengua 
ASESOR: Mg. Willy Eduardo Carrera Soria 
Lima, abril del 2019 
A mis padres, quienes me apoyan 
en todo momento. 
AGRADECIMIENTOS 
A Richard Rivera y Jorge Moreno, docentes en el laboratorio de Acústica de la 
sección de Física de la Pontificia Universidad Católica del Perú, por el apoyo con las 
pruebas de calibración de la presente tesis. A la diseñadora gráfica e industrial 
Consuelo Cano por el apoyo en el diseño y modelado gráfico lo largo del desarrollo 
de la misma.
i 
RESUMEN 
Las vibraciones son efectos mecánicos presentes en diversas estructuras y 
mecanismos de soporte. Dichas vibraciones pueden presentar beneficios o perjuicios 
para los sistemas mecánicos. Para evitar las consecuencias perjudiciales de las 
vibraciones, se estudian y se evalúan formas de aislar o disipar sus efectos.  
Bajo este enfoque de estudio, en la especialidad de Ingeniería Mecánica se desarrolló 
un módulo estructural que tiene como objetivo mostrar los efectos de las vibraciones 
a través de patrones de vibración que ocurren al perturbar dicha estructura con una 
fuerza excitatriz proveniente de un actuador (se referirá al mismo como “trabajo 
previo”).  En la presente tesis se desarrolla un sistema electrónico y una interfaz 
digital que, en su conjunto, expanden el potencial de dicho módulo educativo, 
permitiendo al estudiante apreciar de manera interactiva las señales de vibraciones 
en los dominios de tiempo y frecuencia para un mejor análisis visual.  
Para el sensado de vibraciones, se utilizó un sensor de efecto Hall y una interfaz 
programada en LabView. La precisión de dicho sensor fue comparada con un 
acelerómetro de alta prestación (Bruel&Jaer) en un escenario de trabajo desarrollado 
en el laboratorio de Acústica de la Pontificia Universidad Católica del Perú. En los 
resultados se concluye que se puede detectar y mostrar las señales en tiempo real 
con una frecuencia cuyos picos presentan un error máximo de 0.79 % con respecto 
al elemento patrón (acelerómetro). Por otro lado, se realizó la calibración del 
generador de vibraciones (actuador) de la estructura metálica y se halló que la 
frecuencia medida por el sensor de velocidad (codificador) presenta un máximo error 
del 6% con respecto a un elemento patrón (tacómetro).  
Por último, se registró los datos de una zona específica de la estructura ante un 
impacto de un martillo de goma para poder registrar las vibraciones en un archivo de 
texto, el cual posteriormente se procesó con una hoja de cálculo en Excel.  Con 
dichos resultados, las frecuencias de resonancia halladas en la presente tesis son 
diferentes a las frecuencias experimentales halladas en el trabajo previo por 39.59 
%. Así mismo se obtiene 36.19 % de error al comparar los resultados del trabajo 
previo con los resultados analíticos.  Sin embargo, este error se reduce a 17 % 
cuando se compara los resultados de la presente tesis con los resultados analíticos.  
ii 
iii 
iv 
ÍNDICE 
INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 1 
CAPÍTULO 1 ............................................................................................................ 2 
1.1. Definición de vibración en el ámbito de ingeniería .................................... 2 
1.2 Importancia de la ingeniería de vibraciones en estructuras mecánicas .... 2 
1.3 Modulo Estructural ................................................................................... 3 
1.4 Necesidad de módulo educativo ............................................................... 4 
1.5 Declaración del marco problemático ......................................................... 4 
CAPÍTULO 2 ............................................................................................................ 6 
2.1 Sensor de Efecto Hall ............................................................................... 6 
2.2 Antecedentes de investigaciones para el sensado de vibraciones ........... 7 
2.2.1 Diseño de un sistema de sensado sin contacto para el monitoreo de la 
fabricación  de bolsas plásticas ......................................................................... 7 
2.2.2 Análisis de vibración basada en la técnica de Balanceo de Campo 
Magnético ............................................................................................................ 8 
2.3 Diagrama de bloques ............................................................................... 8 
CAPÍTULO 3 ...........................................................................................................10 
3.1 Objetivo general ......................................................................................10 
3.2 Objetivos específicos ..............................................................................10 
3.3 Diseño de los componentes del diagrama de bloque ..............................10 
3.4 Hardware.................................................................................................11 
3.4.1 Planta Mecánica ......................................................................................11 
3.4.2 Sensores .................................................................................................11 
3.4.2.1 Sensor de vibración .................................................................................11 
3.4.2.2   Sensor de velocidad ..............................................................................15 
3.4.3 Acondicionador de señal .........................................................................18 
3.4.4 Actuador ..................................................................................................21 
3.4.5 Excitador .................................................................................................21 
3.4.6 Circuito del controlador............................................................................26 
3.4.7 Transmisor ..............................................................................................28 
3.4.8 Fuente de alimentación ...........................................................................28 
3.5 Software ..................................................................................................29 
3.5.1 Programa del controlador ........................................................................29 
3.5.1.1 Funciones requeridas ..........................................................................29 
3.5.1.2 Diagrama de flujo ................................................................................29 
3.5.2 Interfaz de usuario ...................................................................................31 
CAPÍTULO 4 ...........................................................................................................32 
4.1 Pruebas de las etapas independientes ....................................................32 
v 
4.1.1. Prueba de calibración del sensor de velocidad. ...............................32 
4.1.2. Prueba de calibración de sensores de vibración ..............................34 
4.1.3. Prueba del acondicionador de señal. ...............................................37 
4.1.4. Sensor de velocidad del actuador ....................................................39 
4.1.5. Prueba del circuito excitador ............................................................40 
4.2 Pruebas del sistema completo .................................................................41 
4.2.1 Pruebas del sensado en los tres niveles de la estructura metálica ......41 
4.2.2 Prueba de impacto “Bump Test” para el cálculo de las frecuencias de 
resonancia .......................................................................................................42 
CONCLUSIONES ...................................................................................................46 
FUENTES ...............................................................................................................47 
ANEXOS ................................................................................................................49 
vi 
ÍNDICE DE FIGURAS 
Figura 1 Módulo estructural ..................................................................................... 3 
Figura 2 Patrones de desplazamiento del módulo estructural  (Arzapalo 2015:47) .. 3 
Figura 3 Escenario actual ........................................................................................ 5 
Figura 4 Escenario Propuesto.................................................................................. 5 
Figura 5 Principio Hall .............................................................................................. 6 
Figura 6 Diagrama del sistema ................................................................................ 7 
Figura 7 Diagrama del sistema ................................................................................ 8 
Figura 8 Diagrama de bloques ................................................................................. 8 
Figura 9 Planta del sistema: módulo estructural......................................................11 
Figura 10 Relación Voltaje de salida del sensor versus intensidad de campo 
magnético ...............................................................................................................13 
Figura 11 Escenario para el registro de campo magnético usando sensor de efecto 
Hall. ........................................................................................................................14 
Figura 12 Voltaje de salida del sensor cuando se aleja el polo norte del imán desde 
0 mm hasta 45 mm. ................................................................................................14 
Figura 13 Señal de salida del sensor registrada entre 5 y 15 mm ...........................15 
Figura 14 Codificador magnético versus codificador óptico ....................................16 
Figura 15 Disco del codificador (izquierda) Señal obtenida en osciloscopio 
(derecha). ...............................................................................................................17 
Figura 16 Circuito para acondicionar la señal .........................................................19 
Figura 17 Esquema del circuito excitador ...............................................................22 
Figura 18 Diseño del circuito excitador ...................................................................23 
Figura 19 Diseño de la tarjeta principal que contiene el controlador. ......................27 
Figura 20 Diagrama de flujo del proceso principal ..................................................30 
Figura 21 Escenario de trabajo para obtener las velocidades con el instrumento 
estándar .................................................................................................................33 
Figura 22 Descripción del escenario de trabajo. .....................................................34 
Figura 23 Realización de la prueba de comparación de la señal obtenida por sensor 
Hall versus señal del generador y acelerómetro. ....................................................34 
Figura 24 Colección de resultados de la prueba .....................................................36 
Figura 25 Prueba de funcionamiento del circuito acondicionador ...........................37 
Figura 26 Respuesta del sensor ante los desplazamientos del imán ......................38 
Figura 27 Comparativa de respuestas del sensor sin acondicionamiento (amarillo) y 
con acondicionamiento (celeste) .............................................................................38 
Figura 28 Esquema de trabajo ................................................................................39 
vii 
Figura 29 Respuestas del tren de pulsos del terminal de señal del codificador .......39 
Figura 30 Señal PWM proveniente del controlador .................................................40 
Figura 31 PWM amplificada a través del circuito excitador medida en los terminales 
del actuador. ...........................................................................................................40 
Figura 32 Escenario de trabajo con el sistema completo para la captura de 
desplazamientos del módulo. .................................................................................41 
Figura 33 15 Programa en funcionamiento, se aprecia las señales en tiempo real de 
cada nivel de la estructura . ....................................................................................42 
Figura 34 16 Escenario de trabajo: “Bump Test” .....................................................43 
Figura 35 Captura de la interfaz mientras se encuentra grabando datos en un 
archivo de texto. .....................................................................................................43 
Figura 36 Espectro de magnitud y fase calculados con una hoja de datos en Excel, 
a partir de la data grabada por la interfaz ...............................................................44 
viii 
ÍNDICE DE TABLAS 
Tabla 1 Recopilación de los resultados del trabajo previo en relación a las 
frecuencias naturales de la estructura. .................................................................... 4 
Tabla 2 Requerimientos del sensor ........................................................................12 
Tabla 3 Comparación de características .................................................................12 
Tabla 4 Comparación de codificador óptico versus codificador magnético. ............16 
Tabla 5 Características del actuador.......................................................................21 
Tabla 6 Alternativas para el circuito excitador .........................................................22 
Tabla 7 Requerimientos del controlador .................................................................26 
Tabla 8 Requerimiento de corriente y voltaje teóricos. ............................................28 
Tabla 9 Contrastación de los valores obtenidos por el tacómetro versus los medidos 
por el sensor de velocidad. .....................................................................................33 
Tabla 10 Comparativa de resultados ......................................................................37 
Tabla 11Resultados de la prueba del Bump Test....................................................43 
Tabla 12 Comparativa de los resultados experimentales versus teóricos del trabajo 
previo ......................................................................................................................45 
Tabla 13 Comparativa de los resultados experimentales de la presente tesis versus 
los teóricos. ............................................................................................................45 
Tabla 14 Comparativa de los resultados experimentales de la presente tesis versus 
los del trabajo previo ...............................................................................................45 
1 
INTRODUCCIÓN 
Las vibraciones son respuestas repetitivas en un sistema mecánico sometido a 
fuerzas oscilatorias; el ritmo de esta respuesta se conoce como frecuencia.  El efecto 
de vibración tiene efectos tanto positivos como negativos. Estos últimos efectos 
significan desventajas indeseables como el desgaste de las estructuras de soporte, 
edificios, puentes, etc. 
Debido a la trascendencia de ambos efectos arriba mencionados, el fenómeno de 
vibración se ha vuelto un objeto necesario de estudio durante años. Actualmente, en 
el ámbito de la ingeniería mecánica, las clases teóricas en toda universidad son 
acompañadas con laboratorios que explican de manera experimental e interactiva los 
fenómenos de vibración en estructuras. El objetivo de la presente tesis radica en 
desarrollar e implementar un sistema de sensado electrónico capaz de mostrar las 
señales de vibración en el dominio del tiempo y frecuencia en una interfaz digital.  De 
esta manera, el estudiante de la especialidad de mecánica podrá apreciar 
cualitativamente los efectos de las vibraciones en una estructura mecánica a escala, 
lo cual le permitirá interiorizar los conceptos teóricos de resonancia óptimamente. 
El presente trabajo está conformado por cuatro capítulos.  En el primero se describe 
la problemática de la enseñanza del análisis vibracional. El segundo capítulo describe 
el estado del arte, el modelo teórico del sistema de sensado y la interacción de los 
componentes que lo conforman. El tercer capítulo delinea el objetivo principal de la 
tesis, así como los objetivos específicos; luego especifica la metodología de 
evaluación de requerimientos, alternativas, diseño o elección de cada bloque descrito 
en el modelo teórico. Finalmente, el capítulo cuatro detalla los ensayos del sistema 
de sensado según las etapas más importantes, mostrando de esta manera el sistema 
completo. Asimismo, describe la prueba de impacto “Bump Test” para hallar las 
frecuencias naturales con una comparativa de los resultados hallado 
2 
CAPÍTULO 1 
PROBLEMÁTICA DE LA ENSEÑANZA DE VIBRACIONES MECÁNICAS 
En el presente capítulo se desarrollarán algunos conceptos importantes relacionados 
a las vibraciones mecánicas. Luego, se describirá el actual módulo educativo para la 
enseñanza de vibraciones mecánicas. Por último, se desarrollará la problemática que 
plantea la necesidad de mejorar el estudio de las vibraciones mecánicas. 
1.1. Definición de vibración en el ámbito de ingeniería 
Las vibraciones son “oscilaciones en sistemas mecánicos dinámicos” (Adams 2010: 
2) siendo la frecuencia el ritmo de dichas oscilaciones. El efecto de vibración tiene
ventajas positivas como la producción de música por instrumentos de cuerdas y la 
disipación de las fuerzas de tracción en vehículos (De Silva 1999: 8). Sin embargo, 
también presenta desventajas indeseables por ejemplo “cuando el ala de un avión 
vibra excesivamente, los pasajeros comienzan a sentirse incómodos, más aún 
cuando dicha frecuencia corresponde a la frecuencia de resonancia de los órganos 
internos del cuerpo humano […] Se sabe que la frecuencia de resonancia del tracto 
digestivo humano, que está entre 4 Hz a 8 Hz aproximadamente debe ser evitada a 
toda costa cuando se diseña aeronaves de alto desempeño” (Adams 2010: 2).   
1.2 Importancia de la ingeniería de vibraciones en estructuras mecánicas 
Con respecto a la aplicación de la ingeniería de vibraciones tenemos: “La eliminación 
o supresión de vibraciones no deseadas en las que se incluyen […] interacciones
dinámicas entre vehículos y puentes, ruido generado por equipos de construcción; 
vibraciones de máquinas y herramientas transmitidas a sus estructuras de soporte 
[…] y fallas debido a cargas dinámicas” (De Silva 1999: 7).  Para lograr evitar dichos 
perjuicios se hace uso de un análisis el cual debe usar herramientas matemáticas 
para modelar y predecir los potenciales problemas de vibración y sus soluciones, que 
no son obvios en los diseños de ingeniería preliminares (Adams 2010: 3). 
3 
1.3 Modulo Estructural 
En el año 2015, como resultado de una búsqueda para la mejora del entendimiento 
de los efectos de los fenómenos de vibraciones, se diseñó e implementó como asunto 
de tesis (de ahora en adelante “trabajo previo”) un módulo educativo en la 
especialidad de Ingeniería Mecánica, el cual consiste en una estructura metálica que 
muestra los patrones de vibración al alcanzar niveles establecidos de resonancia al 
ser afectada por una fuerza excitatriz (Arzapalo 2015: 41). En la figura 1 se muestra 
el módulo con un actuador (un motor con una carga desbalanceada la cual induce 
vibraciones). 
Carga 
desbalanceada 
     Figura 1 Módulo estructural 
La figura 2 muestra los modos de resonancia de la estructura metálica, en los cuales 
la estructura vibra de manera progresivamente violenta. 
Figura 2 Patrones de desplazamiento del módulo estructural  (Arzapalo 2015:47) 
4 
La estructura metálica presenta cuatro configuraciones de armado. Sin embargo, 
durante la presente tesis se desarrollará toda la experimentación en base a la primera 
configuración, la cual es de unión empotrada y nodos empotrados.  
En el trabajo previo se halló de manera analítica y experimental las frecuencias 
naturales de la estructura metálica. Para su análisis se utilizó el método de elementos 
finitos, y para la prueba experimental se recurrió al uso de un acelerómetro de carga 
y un software especial del laboratorio de Física de la PUCP. En la tabla 1 se presenta 
los resultados analíticos y de experimentación de las frecuencias naturales de la 
estructura metálica cuando ésta tiene una configuración de unión empotrada y nodos 
empotrados. 
Tabla 1 Recopilación de los resultados del trabajo previo en relación a las 
frecuencias naturales de la estructura. 
Modos de Frecuencias Naturales-Método Frecuencias Naturales -
resonancia Experimental  en Hertz Método Analítico en Hertz 
1 2.49 3.04 
2 5.43 8.51 
3 8.12 12.30 
Elaboración propia 
1.4 Necesidad de módulo educativo 
El Laboratorio de Diseño de la especialidad de Ingeniería Mecánica cuenta con 
diversos módulos educativos. Sin embargo, existe la necesidad de un módulo 
electrónico de fácil uso, instalación y transporte, el cual brinde al estudiante una forma 
interactiva de entender el fenómeno de vibraciones en estructuras. 
1.5 Declaración del marco problemático 
En el ámbito actual de la educación en ingeniería mecánica, las universidades 
cuentan con laboratorios que explican de manera experimental e interactiva los 
fenómenos de vibración en estructuras industriales.  Estos laboratorios exigen que el 
estudiante interactúe con módulos educativos con estructuras a escala para que 
pueda interiorizar mejor los fundamentos explicados. 
5 
La figura 3 muestra el escenario final del trabajo previo, en la cual el estudiante 
puede observar los modos de vibración y posteriormente complementar el 
aprendizaje con la lectura del informe. Dichos objetivos presentan un margen de 
potencial, el cual se puede aprovechar para construir un sistema electrónico (ver 
figura 4) que permita al estudiante tener una interfaz gráfica donde pueda apreciar 
en tiempo real las señales producidas en dominios del tiempo y frecuencia.  
De esta forma, resulta conveniente el diseño e implementación de un módulo 
educativo completo que capacite de mejor manera al estudiante con respecto al 
comportamiento de las señales involucradas en las oscilaciones de una estructura 
metálica cuando se somete a estados de resonancia. 
Figura 3 Escenario actual 
Figura 4 Escenario Propuesto 
6 
CAPÍTULO 2 
COMPONENTES DE UN SISTEMA DE ANÁLISIS VIBRACIONAL 
La presente tesis tiene como objeto de estudio el sensado de vibraciones de una 
estructura metálica mediante un sensor de efecto Hall. El siguiente punto presenta 
brevemente el principio de funcionamiento del sensor de efecto Hall. Luego se 
presentará un par de antecedentes de investigación concernientes al empleo de 
sensores de efecto Hall. Con ambas investigaciones se busca extrapolar los 
componentes del diagrama de bloques del módulo de sensado.  
2.1 Sensor de Efecto Hall 
El sensor de efecto Hall (denominado así por Edwin Herbert Hall) principalmente es 
un dispositivo que en función de la proximidad de un campo magnético puede variar 
una tensión de salida. Su funcionamiento sigue el principio de efecto Hall (ver figura 
5) en la cual el voltaje Hall VH es proporcional al producto vectorial entre la corriente
y el campo magnético (Honeywell 2016: 4). 
Figura 5 Principio Hall, campo magnético presente 
(Honeywell 2016: 4). 
7 
2.2 Antecedentes de investigaciones para el sensado de vibraciones 
A continuación, se presenta dos casos de investigaciones relacionados a sistemas 
de sensado por efecto Hall. En la primera investigación se resalta el proceso de 
medición usando sensores magnéticos para fines industriales. En la segunda se 
investiga un módulo para medir el sensado de las vibraciones de un motor. Ambas 
investigaciones nos dan un patrón similar de componentes que tiene un sistema de 
sensado magnético. Por último, con dicho patrón se plantea el diagrama de bloques 
para el módulo de la presente tesis. 
2.2.1 Diseño de un sistema de sensado sin contacto para el monitoreo de la 
fabricación     de bolsas plásticas 
Esta investigación (Supattatham 2010: 93-91) trata sobre el sensado de revoluciones 
del motor de una máquina de fabricación de bolsas, en la cual se mide el parámetro 
de flujo magnético cada vez que el magneto pasa al lado del sensor de efecto Hall.  
Con este voltaje, sensado en el tiempo, se puede determinar la velocidad angular del 
motor y la frecuencia del mismo. En la siguiente figura se pueden apreciar los 
principales componentes del sistema, entre ellos sensores, microcontroladores y un 
servidor para procesar la información. 
Figura 6 Diagrama del sistema 
(Supattatham 2010: 93-91) 
8 
2.2.2 Análisis de vibración basada en la técnica de Balanceo de Campo 
Magnético 
En esta investigación (Sriratana 2018: 1-4) se presenta el diseño de un sistema de 
medición de vibraciones de acuerdo al estándar ISO 10816-1. La vibración analizada 
es la vibración de un motor con una carga en cuatro posiciones de balance. Para la 
implementación de dicho sistema se utilizó unos imanes de neodimio debido a que 
posee una alta calidad magnética ya que causaba un grande cambio en la salida de 
voltaje del sensor.  Esto mismo se tomó en consideración en la presente tesis. El 
diagrama de bloques presentado incluye el sensor de vibración, un módulo de 
sensado, un acondicionamiento de señal, un microcontrolador, una interfaz (una 
computadora) tal cual se muestra en la figura 7. 
Figura 7 Diagrama del sistema (Sriratana 2018: 1-4). 
2.3 Diagrama de bloques 
Comparando ambos modelos presentados en dichas investigaciones en la figura 6 y 
la figura 7 en base al objetivo de la presente tesis se plantea el siguiente diagrama 
de bloques (ver figura 8).  
Figura 8 Diagrama de bloques (Elaboración propia) 
9 
 
 
Para el diagrama de bloques previo se tiene la descripción de su funcionalidad 
como se muestra a continuación. 
 
• Planta: La estructura metálica (trabajo previo) cuyas vibraciones serán 
detectadas por los sensores 
• Sensores: Registran la variación de campo magnético de los imanes instalados 
en la estructura (planta) producto de la vibración de la misma y envían la 
información al conversor analógico-digital del controlador. 
• Acondicionador de señal: amplifica la salida de tensión del terminal de un sensor 
para que pueda ser correctamente detectado por el controlador. 
• Controlador: Colecciona la información de cada sensor y la envía de forma serial 
a través de un transmisor. 
• Computador: Posee la aplicación que procesa los datos medidos y muestra las 
gráficas en tiempo y frecuencia. 
• El conjunto actuador-excitador fueron heredados del trabajo previo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10 
 
CAPÍTULO 3 
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN 
DEL SISTEMA DE SENSADO DE VIBRACIONES 
 
3.1       Objetivo general 
 
La presente tesis plantea diseñar e implementar un sistema electrónico de sensado 
de vibraciones y acoplarlo al módulo estructural, con el fin de mostrar parámetros 
mecánicos (como frecuencia o amplitud en tiempo real de los estados de resonancia 
de la estructura) a través de una interfaz computacional. 
 
3.2 Objetivos específicos 
• Diseñar e implementar todo el hardware que involucra el sensor, actuador, 
excitador, controlador, fuente de alimentación y demás elementos presentados 
posteriormente en el diagrama de bloques. 
• Programar el controlador para integrar las señales de los sensores de posición y 
las del sensor de velocidad del motor, y que luego envíe como respuesta dichas 
señales direccionadas al computador y al actuador de la estructura.  
• Programar la interfaz virtual para mostrar las gráficas en el tiempo y frecuencia de 
la respuesta del sistema, y así determinar los estados de vibración y resonancia 
de la estructura. 
• Evaluar los datos obtenidos para ver qué tan eficiente es el sistema al comparar 
los datos obtenidos del módulo con los datos obtenidos en el trabajo previo. 
 
3.3 Diseño de los componentes del diagrama de bloque 
 
A continuación, se expondrá el hardware y software que comprende el sistema de 
sensado. En el hardware se verá los requerimientos, alternativas, criterio de 
selección y criterio en algunos componentes elementales del diagrama de bloques. 
Debido a que algunos elementos se heredan del trabajo previo, en algunos 
componentes se presentará la descripción. También se verá para la parte que 
involucra el software, el diagrama de flujo que presentan los algoritmos del programa 
del controlador y la interfaz. Por último, se describirá la ingeniería de diseño utilizada 
para el diseño de la estructura de soporte que contendrá los circuitos del sistema. 
 
 
11 
 
3.4 Hardware 
3.4.1 Planta Mecánica 
La planta mecánica es la estructura metálica sobre la cual se ejerce una fuerza 
excitatriz que proviene del actuador, y esta fuerza se incrementa gradualmente para 
alcanzar frecuencias de resonancia e inducir la estructura a vibrar en patrones 
determinados. La estructura cuenta con tres niveles a medir se muestra en la figura 
9. 
 
Figura 9 Planta del sistema: módulo estructural  
(Diseño en Anexo B) 
Para determinar las amplitudes de los desplazamientos laterales, se realizó una 
inspección utilizando una hoja milimetrada y se experimentó aumentando la fuerza 
excitatriz que ejerce el actuador de manera gradual. Se halló que los niveles se 
desplazaban lateralmente con una amplitud total mínima de 2 mm y máxima de 10 
mm. 
3.4.2 Sensores 
3.4.2.1 Sensor de vibración  
 
Estos dispositivos detectan variables físicas como aceleración, proximidad, campo 
magnético y las convierten en señales eléctricas. Con dichos dispositivos se plantea 
medir las vibraciones de los tres niveles de la estructura metálica en términos de 
frecuencia (Hz). A continuación, se explicará los requerimientos de los sensores, las 
alternativas de sensores como mejores candidatos para cubrir los requerimientos y, 
por último, el criterio de selección del sensor con un análisis posterior de la 
característica de respuesta del mismo. 
Requerimientos: 
 
12 
 
Según los valores obtenidos experimentalmente por parte del autor, y con las 
consideraciones del trabajo previo, se plantean a continuación los siguientes 
requerimientos que debe cumplir el sensor a escoger. 
Tabla 2 Requerimientos del sensor 
REQUERIMIENTOS 
Registrar un rango de amplitudes de desplazamiento mínimo de 2 mm y máximo 
10 mm. 
Entregar un voltaje analógico entre 0 a 5 V. 
Medir frecuencias bajas: 1 Hz a 25 Hz. 
Elaboración Propia         
Tal como describe la tabla 2, la amplitud que se requiere registrar es de 2 mm, lo cual 
significa que la estructura se mueve lateralmente como mínimo 1 mm a la izquierda 
o derecha. Cuando entra en resonancia, lo máximo que puede desplazarse es 10 
mm en total. Esta variación se da a una frecuencia en el orden de los Hertz, 
precisamente de 1 Hz a 25 Hz (Arzapalo 2015:42), lo cual implica que el sensor debe 
medir frecuencias bajas. 
Alternativas: 
Se presenta tres alternativas a modo de resumen en la tabla 3. 
Tabla 3 Comparación de características 
Características SS49E Acelerómetro de HC-SR04 
carga 4383 
Voltaje salida Analógico Analógico Digital 
Voltaje entrada 2.7 V a 6.5 V No  5 V 
Acondicionamiento Requiere No requiere No requiere 
Frecuencia de Hasta 333 KHz 0.1 – 8400 Hz Hasta 40Khz 
trabajo 
Costo S/. 20 $ 400 S/. 30 
Sensibilidad o 1.8 mv/G 31pC/g ±3mm 
error 
Contacto con No Si No 
objetivo a medir 
Elaboración Propia 
 
 
 
 
13 
 
Criterios de selección: 
 
De acuerdo a los requerimientos presentados, es necesario trabajar con frecuencias 
bajas.  En este sentido, los tres sensores cumplen con el rango de frecuencias 
solicitado. No obstante, en lo que respecta al rango de amplitudes a registrar, el 
sensor de ultrasonido HC-SR04 tiene una precisión de ±3mm lo cual descarta su uso, 
puesto que no podría detectar los mínimos desplazamientos de la estructura. Con 
respecto a la sensibilidad, el sensor de carga 4383 y el sensor de efecto Hall SS49E 
presentan una sensibilidad que está relacionada con parámetros físicos distintos al 
desplazamiento. Por tanto, de elegirse uno u otro es fundamental hacer un análisis 
posterior para determinar cómo se ha de relacionar el parámetro físico de 
desplazamiento con los propios parámetros físicos que los sensores detectan. Por 
otro lado, el acelerómetro de carga 4383 presenta un precio elevado y requiere, 
además, de un elemento de carga para su adquisición. En contraste, el sensor de 
efecto Hall presenta un menor precio y no requiere contacto directo con el objetivo a 
medir, dado que los únicos elementos que tendrían contacto serían los imanes. Por 
los motivos antes expuestos, se ha elegido este último para su uso en la presente 
tesis. A continuación, se analizará la respuesta del sensor y se demostrará cómo 
medir de manera indirecta los desplazamientos de la estructura a través del imán. 
 
Características de respuesta del sensor: 
Según la hoja de datos del sensor de efecto Hall (Honeywell 2015: 2-3), se obtiene 
que la respuesta ante una variación de intensidad de campo magnético es lineal con 
respecto al voltaje que entrega (ver figura 10).  
 
Figura 10 Relación Voltaje de salida del sensor versus intensidad de campo 
magnético (Honeywell 2015: 3) 
 
14 
 
Dejando establecida la relación lineal, el siguiente paso es revisar la relación entre el 
desplazamiento del sensor (el cual simulará la estructura cuando se aproxima o aleja 
del sensor durante la vibración) y la respuesta de voltaje del sensor. En el escenario 
a continuación (ver figura 11) se aproxima un imán de neodimio al sensor para medir 
el campo magnético; sin embargo, dicho escenario se aprovecha para registrar 
experimentalmente la respuesta de voltaje ante variaciones de desplazamientos.  
 
Figura 11 Escenario para el registro de campo magnético usando sensor de efecto 
Hall. 
 (Honeywell 2016: 16) 
Para obtener la relación de los parámetros de desplazamiento del imán y voltaje de 
salida del sensor, se halló de manera experimental el voltaje de respuesta versus el 
alejamiento del polo norte del imán del sensor (figura 12). 
D vs Vi
3
2.5
2
1.5 σ= 0.582
1
0.5
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Distancia en mm (D)
 
Figura 12 Voltaje de salida del sensor cuando se aleja el polo norte del imán desde 
0 mm hasta 45 mm. 
 
 
Voltaje de salida del sensor Hall
(Vi) en Voltios
15 
 
El resultado de la gráfica presenta una desviación estándar de 0.582 para una 
muestra de 45 valores, lo cual presenta determinados puntos de inflexión (antes de 
5mm y después de 15mm). Para ello tomamos un segmento reducido de los datos 
(15 valores) de modo tal que la excursión en distancia del imán contra el sensor se 
mantenga en ± 5 mm. La Figura 3.7 muestra un extracto de datos de 5 mm a 15 mm 
con un punto de reposo en D=10 mm.  
Esta nueva gráfica presenta una desviación estándar menor a la anterior en 21%. 
D vs Vi
2.5
2
1.5
1
σ= 0.455
0.5
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Distancia en mm (D)
 
Figura 13 Señal de salida del sensor registrada entre 5 y 15 mm 
 
Usando esta nueva gráfica, tomamos como límite inferior Vm = 0.88 V, límite superior 
VM 2.21 V, y un voltaje Vrep para una posición de reposo del sensor a 10 mm de 
1.83 V. 
 
3.4.2.2   Sensor de velocidad 
 
Requerimientos: 
 
Se requiere que pueda medir velocidades del rotor de hasta 4400 RPM (o su 
equivalente a 73.3 Hz). Este valor es la máxima velocidad de rotación del motor o 
también traducido como su mayor frecuencia de trabajo. 
 
 
 
 
Voltaje de salida del sensor Hall
(Vi) en Voltios
16 
 
Alternativas: 
 
Para satisfacer este requerimiento se presentan dos opciones: el sensor de velocidad 
óptico (codificador heredado) y el codificador implementado por un sensor de efecto 
Hall digital con un elemento ferromagnético adherido al eje.  Ver figura 14. 
 
Figura 14 Codificador magnético versus codificador óptico 
 (Honeywell 2016:63) - (Contaval 2017) . 
 
La tabla 4 muestra las características de los sensores para evaluar el criterio de 
selección. 
Tabla 4 Comparación de codificador óptico versus codificador magnético. 
Características Codificador Óptico Codificador magnético 
¿Elemento adicional? No Si  (Imán) 
Voltaje de alimentación 5 V 5 V 
Velocidad angular Hasta 73.3 Hz Hasta 337 KHz 
Precio S/. 0  (heredado) 10 soles (módulo e imán) 
Elaboración propia. 
 
Criterios de selección: 
 
Se prefiere el codificador óptico porque este viene incluido en la parte posterior del 
motor y no necesita adicionarse algún recurso externo, como es el caso del sensor 
de efecto hall (que requiere un elemento ferromagnético como fuente de intensidad 
de campo magnético).  
 
17 
 
Características del sensor óptico: 
 
El sensor de velocidad (codificador) envía señales de pulsos que resultan de la 
interrupción del flujo lumínico del fotodiodo (ver figura 14 – derecha ) por un disco 
con orificios circundantes adherido en el centro al eje del rotor.  El ritmo de los pulsos 
es proporcional a la frecuencia de giro del rotor. 
 
Para el sistema de sensado es primordial tener en cuenta que la frecuencia de 
excitación transmitida a la estructura será la frecuencia del motor por revolución. Por 
otro lado, para calcular la frecuencia del motor es indispensable conocer la cantidad 
de orificios del codificador. Revisando la estructura interna, se observa que cuenta 
con 100 orificios (figura 15). Esto nos permite establecer la siguiente fórmula: 
 
Fp
Fm =  = 0.01Fp 
n
Donde: 
Fm: Frecuencia del motor 
 Fp: Frecuencia del tren de pulsos 
 n:  Cantidad de pulsos por revolución (Cantidad de orificios del disco). 
    
 
 
Figura 15 Disco del codificador (izquierda) Señal obtenida en osciloscopio (derecha). 
 
El codificador muestra pulsos cuyo voltaje pico-pico es de 5 V tal como se muestra 
en la figura 15 - derecha. También podemos apreciar que la frecuencia que muestra 
el osciloscopio es de 311.146 Hz. Entonces mediante la relación establecida 
previamente se aprecia que la frecuencia del motor es de 3.1 Hz. 
 
 
18 
 
3.4.3 Acondicionador de señal 
 
Requerimiento: 
 
Es necesario amplificar la excursión de la señal analógica de entrada y centrarla de 
forma simétrica a fin de que se pueda visualizar mejor en la interfaz digital del usuario. 
Esto se logrará través de un circuito de amplificadores y elementos resistivos. 
Además, se tendrá en consideración que la fuente de alimentación de estos últimos 
es de 5 V. Por tanto, los cálculos para la ganancia tienen que evitar que los 
amplificadores entren en saturación.  
 
Diseño y esquemático: 
 
Se considera la señal a amplificar como el voltaje analógico de salida del sensor de 
efecto hall, sea este notado como Vi(d), donde d es la distancia de alejamiento del 
imán al sensor. El valor máximo (cuando el imán está lejos), de reposo (el imán no 
se mueve) y mínimo (el imán está cerca del sensor) se pueden expresar de la 
siguiente forma: 
2.21 V, d =  15 mm
∆Vi = Vi(d) = { 1.83 V, d = 10 mm  
0.88 V,  d = 5 mm
 
Para lograr centrar esta función en los márgenes de los límites de la fuente de 
alimentación, esto es 5 V, se presenta el siguiente diseño (ver figura 16). La primera 
es un divisor de voltaje que genera un valor constante. La segunda etapa está 
conformada por una configuración Amplificador-Restador del Opamp LM358. Esta 
etapa se encargará de restarle un valor DC a nuestra señal actual del sensor y luego 
dicha diferencia sea amplificada. De este modo se pretende centrar la señal en 2.5 V 
y amplificar su excursión. 
 
19 
Figura 16 Circuito para acondicionar la señal 
Donde: 
− Vi: Voltaje entregado por el sensor de efecto Hall
− Vo: Voltaje de salida del acondicionador
− Voff: Voltaje Offset
− GA: Ganancia del Opamp del circuito “Amplificador Restador”
− Vx: Voltaje de salida del Opamp “seguidor”
− Vss: Voltaje de alimentación (5 V)
− R4=R5 y R6=R7
Para hallar los valores de las resistencias a emplear es fundamental conocer las 
ecuaciones que describen el funcionamiento de cada etapa.  Para la etapa de 
amplificación y diferencia la ecuación que describe la salida con respecto a la entrada 
es: 
(Vi − Voff)xGA = Vo  (1) 
R
G 6A = (2) R5
Para la etapa del divisor de voltaje se cumple lo siguiente: 
R2
xVss = Voff (3) 
R1+R2
Se puede hallar que las excursiones parciales sobre el punto de reposo cumplen: 
20 
 
∆Vi sup =   2.21 V − 1.83 V = 0.38 V 
   
∆Vi inf =   1.83 V − 0.88 V = 0.95 V 
Reemplazando dichos valores en la ecuación 1 se halla las posibles ganancias:    
∆Vi sup x GA1 ≤ 2.5 V 
GA1 ≤ 6.57  
 
∆Vi inf x GA2 ≤ 2.5 V  
GA2 ≤ 2.63  
 
Donde el valor que satisface ambas condiciones es cualquier menor o igual a 2.63 
V, entonces se escoge el menor entero para efectos prácticos del cálculo de las 
resistencias. 
GA = 2  
Como consecuencia, las resistencias a emplear en dicho caso serían R6=2K Ω y R5= 
1K Ω para así cumplir con la relación (2). 
De modo que V(d)=1.83 V, que es el actual punto de reposo para d=10 mm, debe de 
llevarse a 2.5V de tal forma que la señal sea centrada entre 0 V y 5 V, entonces 
reemplazamos los valores hallados para R6 y R5 en la ecuación 1.  
(1.83 V − Voff)x2 = 2.5 V 
Además de la ecuación 1 y 3: 
R2 2.5
1.83V − ( x5) =  V 
R1 + R2 2
Las resistencias que cumplirían esta condición serían R1=4.5K Ω y R2=600 Ω. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
21 
 
3.4.4 Actuador 
 
El actuador es el motor que se heredó del trabajo previo.  Este presenta las 
características mostradas en la tabla 5 donde podemos ver que el máximo valor de 
alimentación es de 24 V. Experimentalmente se halló que basta alimentar el motor 
hasta 12 V para inducir los estados de vibración, por tanto, no se considerará 24 V 
sino 12 V como alimentación máxima del motor que es nuestro rango útil para las 
experimentaciones. 
 
Tabla 5 Características del actuador 
Características 
Modelo DSE38BE27-001 
Voltaje 24 V DC 
Velocidad 4400 rpm 
Peso 0.5 kg 
Corriente de consumo sin carga 0.2 A 
Precio 30 – 45 soles (usado) 
  Elaboración propia. 
 
 
3.4.5 Excitador 
 
Es el circuito de alimentación que proporcionará voltaje gradual adecuado al actuador 
(motor) para que este pueda ejercer la fuerza excitatriz sobre la estructura metálica. 
 
Alternativas: 
 
A continuación, dos formas posibles: la primera, implementando un circuito que 
amplifique una señal PWM de un controlador, y la segunda es la utilización de una 
fuente de voltaje continuo regulable que nos entregue voltaje de 0 V a 12 V. Veremos 
las características de las alternativas a continuación en la tabla 6. 
 
 
 
22 
 
Tabla 6 Alternativas para el circuito excitador 
Características Amplificador discreto de PWM. Fuente voltaica regulable 
Espacio utilizado 5cm x 5 cm 10 cm x 15 cm 
Consideraciones de Presenta señales armónicas No genera ruido porque 
frecuencia. que generan ruido en el el cambio de voltaje es 
funcionamiento del motor. constante y gradual. 
Costo S/.5 S/.30 
Elaboración propia. 
 
Criterio de selección: 
 
Analizando las dos opciones, podemos apreciar que la primera requiere una entrada 
que es una señal PWM, la cual se puede generar fácilmente desde el controlador y 
requiere una menor cantidad de componentes. Además, el costo requerido es mucho 
menor que utilizar una fuente de voltaje regulable. Es por estas razones que se 
escogió la primera opción. 
 
Diseño y esquemático: 
 
El esquema de la figura 17 presenta el funcionamiento del bloque excitador, el cual 
recibe una señal PWM proveniente del controlador y la amplifica para obtener una 
amplitud pico de 12 V, cuyo ciclo de trabajo genera un voltaje medio regulable para 
el actuador. 
 
Figura 17 Esquema del circuito excitador  
 
 
 
 
 
23 
 
En la figura 18 se aprecia el esquema del circuito del excitador (Sedra 2006: 271-
272). 
 
Figura 18 Diseño del circuito excitador. 
Donde:  
− IF: Voltaje entregado por el sensor de efecto Hall 
− IC: Voltaje de salida del acondicionador 
− G-S: Terminales gate (compuerta) y source (fuente) del transistor 
− VCE: Voltaje entre los terminales ‘colector’ y ‘emisor’ del optoacoplador 4N35 
− VGS: Voltaje entre los terminales G y S del transistor IRF520 
− VTH(GS): Voltaje umbral entre los terminales G y S antes de que el transistor 
IRF520 entre en saturación 
− VDS: Voltaje entre los terminales D (Drenador) y S (Fuente) del transistor 
IRF520 
El circuito básicamente conmuta, a través de una señal PWM, el optoacoplador para 
que este a su vez cambie el estado de funcionamiento del mosfet IRF520.  Los 
estados de funcionamiento de dicho mosfet son región óhmica y corte. En la región 
óhmica existe una tensión en los terminales G-S del mosfet IRF520 y el motor se 
encuentra en funcionamiento. 
Cuando el mosfet se encuentra en corte, no hay tensión entre los terminales del 
motor. Variando el ciclo de trabajo de la tensión de los terminales del motor se puede 
 
24 
 
regular el voltaje medio de entrada, ergo también se regula la velocidad angular del 
motor. 
Para la selección del transistor mosfet IRF520 se tomó en consideración la corriente 
de drenador (valor máximo de 9.2 A). Sin embargo, para una tensión entre los 
terminales G-S se puede obtener sin problemas una corriente de 0.2 A, que es lo que 
exige el motor. 
 
Situación 1: Cuando el optoacoplador está en saturación (motor no recibe tensión) 
 
Para que se dé este caso, la corriente IF que pasa por el diodo se establece a 10 
mA. El voltaje en directa del diodo del optoacoplador es de 1.14 V (según valores 
típicos de las hojas de datos). Luego: 
Tensión en R1:  V = IxR 
5 V − 1.14V = 10mAxR1 
R1 = 386 Ω, Sea valor comercial R1 = 380Ω 
Potencia = VxI = 3.86 mW < 1/4W 
 
Entonces con R=380 Ω , IF se establece a 10.15mA. 
 
Según las curvas IF vs IC del optoacoplador 4N35, IC =10.15 mA (CTR=1). También 
según las curvas IC vs VCE (voltaje colector-emisor), cuando IC = 10mA, VCE = 0.6 
V. Este valor debe ser menor que el valor umbral del mosfet se mantenga en corte. 
A partir de la tensión entre los terminales de R2 y la corriente conocida ICE =10.15 
mA, calculamos el valor de la resistencia. 
 
𝐕𝐂𝐄 = 0.6 V , 𝐕𝐂𝐄 < 𝐕𝐓𝐇(𝐆𝐒)𝐦í𝐧 = 2 V 
Vcc − 0.6V = 10.15mA x R2 
12V − 0.6V = 10.15mA x R2 
 
 
 
25 
 
R2 = 1.12 KΩ, R2 = 1KΩ (valor comercial) 
Potencia = VxI=11.4 mW < 1/4W 
 
Situación 2: Cuando el optoacoplador está en corte (motor recibe tensión): 
 
Cuando el transistor interno del optoacoplador 4N35 se encuentra en corte, el circuito 
resultante es un mosfet saturado debido a un voltaje “G-S” mayor al VTH(GS) máx = 
4V. 
𝐕𝐆𝐒 > 𝐕𝐓𝐇(𝐆𝐒)𝐦á𝐱 = 4 V 
 
Para cumplir el requerimiento VGS > 4V, establecemos VGS = 4.5V, el cual según la 
hoja de datos (Curva ID vs VDS @ VGS =4.5) limita la corriente ID a menos de 1 A. 
Entonces, cuando se exige en ID = 0.2 A, la tensión VDS se limita a menos de 0.2 V, 
lo cual asegura la mayor caída de voltaje sobre los terminales del motor. 
 
Con R3=600 Ω se logra tener VGS =4.5 V. 
 
R3 600Ω
12Vx = 12x = 4.5 V 
R3 + R2 600Ω + 1kΩ 
V2 (4.5V)2
Potencia =  =  =33.75 mW < ¼ W 
R 600Ω
 
 
También se comprueba una potencia menor a ¼ W. 
 
Por último, se adiciona un diodo 1N4001 en modo libre carrera para descargar la 
corriente que pasa por la inductancia (motor) cuando el motor no esté alimentado. 
 
 
 
26 
 
3.4.6 Circuito del controlador 
 
El circuito del controlador se encarga de digitalizar la señal analógica de los sensores, 
de enviar una señal PWM al excitador, de leer los pulsos enviados por el codificador 
y, finalmente, de enviar dicha información a través de un módulo de transmisión 
serial. 
Requerimientos: 
 
Se obtiene en total un cálculo de la cantidad de pines estimadas que requerirá el 
controlador, así como la frecuencia de trabajo, los módulos que deberá poseer y la 
memoria mínima que debe de tener para ejecutar el código (ver tabla 7). 
  Tabla 7 Requerimientos del controlador 
Necesidad Descripción # Pines 
ADC 4 canales 4 
Sensor Velocidad señal de entrada 1 
Generador PWM señal de salida 1 
Transmisor  señales Tx/Rx 2 
Alimentación Del controlador + GND 2 
Reset Para reinicio lógico 1 
Frecuencia de trabajo 1 Mhz -- 
Memoria Flash mínima 3 Kb -- 
Módulo de transmisión serial Para el transmisor -- 
 Total 11 
  Elaboración propia. 
 
Diseño y esquemático: 
 
El circuito que involucra el controlador y la integración de los demás componentes 
como sensores, señal del codificador y señal del potenciómetro, presenta el siguiente 
esquemático que se muestra a continuación en la figura 19. 
 
27 
 
 
Figura 19 Diseño de la tarjeta principal que contiene el controlador. 
 
 
28 
 
3.4.7 Transmisor 
 
Se usará el módulo de SparkFun debido a que las computadoras tienen más puertos 
USB que RS232.  Este último protocolo no tiene mucho uso actualmente, además ya 
se cuenta con módulo mencionado al inicio, lo cual generó un ahorro en costo. 
 
3.4.8 Fuente de alimentación 
 
Requerimientos: 
 
Se requiere brindar un voltaje de 12V al circuito excitador y 5V al circuito principal del 
controlador. Calculando de manera teórica los requerimientos de corriente y voltaje, 
se tiene la siguiente Tabla 8. 
 
Tabla 8 Requerimiento de corriente y voltaje teóricos. 
Elemento Requerimiento 
Controlador 5 V @ 11 mA 
Sensores y circuito de acondicionamiento (3 unidades) 5 V @ 5 mA x (3) 
Codificador 5 V @ 20 mA 
Actuador 12 V @ 0.2 A 
 
Valores teóricos: 
 
Para la tarjeta principal (que incluye tarjeta de sensores sensores) 
V= 5 V   I = 46 mA 
Para el circuito excitador (alimentación del actuador) 
V= 12 V   I = 200 mA 
 
Luego de la implementación de las tarjetas, estas se alimentaron con fuentes 
independientes para medir cuánta corriente exigían; estas mediciones son: 
Para la tarjeta principal (que incluye tarjeta de sensores sensores) 
V= 5 V   I = 76.2 mA 
 
 
 
29 
 
Para el circuito excitador (alimentación del actuador) 
V= 12 V   I = 150 mA 
 
Sea nuestro requerimiento los mismos valores más un margen de prevención del 
doble: 
5 V @ 160 mA, 12V @ 300 mA 
  
Con dichos requerimientos se construyó la fuente usando como guía el manual de la 
compañía “On Semiconductor” el cual hace empleo de las curvas de Schade con sus 
respectivas fórmulas y criterios de diseño de la etapa de rectificación y filtro de la 
fuente (2002: 63 -68) , ver Anexo A. 
3.5 Software 
3.5.1 Programa del controlador 
3.5.1.1 Funciones requeridas 
 
El controlador tiene que capturar a través del módulo ADC los valores de voltaje de 
los sensores y del potenciómetro.  También debe leer los pulsos enviados por el 
tacómetro y calcular la frecuencia del actuador. Con el valor de voltaje del 
potenciómetro se envía una señal PWM que servirá para controlar la velocidad de 
rotación del actuador. Por último, el controlador debe unir la data de los sensores del 
ADC con el valor de frecuencia del actuador, y enviarlo como cadena de texto a través 
del puerto serial del Atmega8. 
3.5.1.2   Diagrama de flujo 
El circuito controlador debe cumplir la lógica de trabajo que se explica en el siguiente 
diagrama de flujo principal (ver figura 20).  Dicha lógica general se resume al obtener 
la data de los sensores y la data del tacómetro, juntar dicha información en un formato 
determinado y enviarlo por el transmisor.  Para ello separamos la lógica en un 
proceso principal que utiliza los recursos de tres subprocesos. 
En el proceso principal tenemos la configuración de los módulos del controlador que 
comprende el módulo ADC (para tener la señal analógica en términos digitales), los 
módulos temporizadores (los cuales enviarán la data que reciban a través de 
interrupciones periódicas) y el módulo USART (que envía la cadena de información 
final hacia el módulo interfaz serial-USB). 
 
30 
Nótese que antes de empezar a activar los módulos, físicamente se ha de 
implementar un pulsador que permite, después de su presión, la activación de los 
módulos y la obtención de datos. 
Figura 20 Diagrama de flujo del proceso principal 
Como la señal que se recibe no supera los 25 Hz, la frecuencia de muestreo debe 
ser superior al doble de la frecuencia de la función a muestrear, bajo el criterio de 
Nyquist. Entonces, con 100 Hz como frecuencia de muestreo aseguramos la correcta 
reconstrucción posterior de las señales. 
Esto, en el diagrama de flujo, se traduce en que por cada 10 ms se recibirá las 
señales del ADC y se calculará la frecuencia del motor del actuador.  Luego, estos 
datos se unirán en una sola secuencia de datos que se envían por medio del puerto 
serial. Por último, antes de reiniciar el lazo, se lee la señal del potenciómetro, dado 
31 
 
que al variar cambia la señal PWM de salida que sirve para aumentar o disminuir la 
velocidad de rotacion del motor del actuador , de esta forma controlar la vibracion 
ejercida a la estructura. 
 
3.5.2 Interfaz de usuario 
La presente interfaz está compuesta por la programación de dos hojas de código 
ejecutables (de ahora en adelante ‘Script’) en LabView.  El primero sirve para 
visualizar las señales de los tres niveles de la estructura en tiempo real.  El segundo 
‘script’ solo adquiere las señales adquiridas del nivel medio y las registra en un 
archivo de texto para luego, mediante una hoja de cálculos, procesar los datos. Ver 
la programación de los Scripts en el Anexo B.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
32 
CAPÍTULO 4 
ENSAYOS Y PRUEBAS FINALES 
A lo largo de este capítulo se expondrá los resultados experimentales que 
comprueban el funcionamiento del sistema. Para ello se describirán los resultados 
por etapas del diagrama de bloques, luego se describirán los experimentos usando 
el sistema completo en lo que respecta a mostrar las señales sensadas en tiempo 
real y mostrar sus respectivas gráficas de espectro de potencia. Por último, para 
finalizar el capítulo se evaluará cómo el sistema, a través de una prueba de impacto 
(de ahora en adelante “Bump Test”), puede registrar las frecuencias naturales del 
módulo estructural. 
Las pruebas independientes a realizar son: 
• Prueba de calibración de sensores de vibración.
• Prueba del acondicionador de señal.
• Sensor de velocidad del actuador.
• Prueba del circuito excitador.
Las pruebas del sistema completo: 
• Prueba de la interfaz en LabView para el sensado en tiempo real de los tres
niveles.
• Prueba de impacto “Bump Test” para el cálculo de las frecuencias de
resonancia.
4.1 Pruebas de las etapas independientes 
4.1.1. Prueba de calibración del sensor de velocidad. 
Para esta prueba se usó el tacómetro modelo DT-207B de la marca Shimpo Japón 
Industrial como medida patrón. 
El escenario de pruebas (ver figura 21) consiste en medir la frecuencia del actuador 
a través del instrumento calibrado y comparar este valor con la frecuencia obtenida 
a través del programa del controlador.  Con dichas muestras obtenidas se calcula el 
error promedio en base a esta contrastación, véase tabla 9. 
33 
 
 
Figura 21 Escenario de trabajo para obtener las velocidades con el instrumento 
estándar 
 
Tabla 9 Contrastación de los valores obtenidos por el tacómetro versus los medidos 
por el sensor de velocidad. 
Frecuencia Frecuencia Frecuencia Frecuencia 
Frecuencia Frecuencia 
medida con medida con medida con medida con Porcentaje 
Promedio (Hz) medida en el 
tacómetro 1 tacómetro 1 tacómetro 2 tacómetro 3 de error (%)
Patrón encoder  (Hz) 
(en rpm) (en Hz) (Hz) (Hz)
62.4 rpm 1.04 1.03 1.03 1.03 1 3%
189.8 rpm 3.16 3.14 3.09 3.13 3 4%
291.9 rpm 4.87 5.16 4.84 4.96 5 1%
434.4 rpm 7.24 7.23 6.87 7.11 7 2%
524.5 rpm 8.74 8.78 8.55 8.69 9 4%
665.2 rpm 11.09 10.42 10.95 10.82 11 2%
738.4 rpm 12.31 12.4 12.16 12.29 13 6%
916.9 rpm 15.28 15.7 15.74 15.57 15 4%
1025 rpm 17.08 17.1 17.12 17.10 17 1%
1144 rpm 19.07 18.53 18.92 18.84 19 1%
1297 rpm 21.62 21.52 20.82 21.32 21 2%  
Elaboración propia. 
Podemos apreciar que el máximo error calculado según es la experimentación es de 
6%. Esto quiere decir que el valor de frecuencia, de los picos del espectro de 
magnitud en la interfaz, tiene un máximo margen de error de ±6% contra el valor 
promedio medido por el tacómetro. 
 
 
34 
 
4.1.2. Prueba de calibración de sensores de vibración 
 
En el siguiente escenario de prueba realizado en el laboratorio de acústica de la 
especialidad de Física de la PUCP (ver figura 22), se procede a excitar con un 
generador de señales (Type 3160 Bruel&Jaer) el “Mini Shaker” (Type 4810 
Bruel&Jaer) para producir una vibración de 5Hz y 10 Hz, que está en el rango de 
trabajo (1 Hz – 25 Hz).  Luego, se compara en la interfaz PULSE (software de 
Bruel&Jaer) la señal del acelerómetro (Type 4383 Bruel&Jaer) instalado en el “Mini 
Shaker” a la señal del sensor Hall y la señal del generador. En la figura 23 se aprecia 
el escenario real de trabajo. 
 
Figura 22 Descripción del escenario de trabajo. 
 
 
Figura 23 Realización de la prueba de comparación de la señal obtenida por sensor 
Hall versus señal del generador y acelerómetro. 
 
35 
 
En la figura 24 observamos cuando la señal del generador es mixta con dos 
componentes de 5 Hz y 10 Hz. 
 
 
 
[dB /1.00 m/s²] A utospectrum(acc) - Input
Working : Input : Input : FFT  A nalyzer
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48
[Hz]  
 
(a) Espectro del acelerómetro a 5Hz y 10 Hz sensados en el vibrador 
 
 
[V] A utospectrum(sensor) - Input
Working : Input : Input : FFT  A nalyzer
12m
10m
8m
6m
4m
2m
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
[Hz]  
(b) Espectro del sensor de efecto Hall 
 
36 
 
[dB /1.00 V] A utospectrum(Generador) - Input
Working : Input : Input : FFT  A nalyzer
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48
[Hz]  
(c) Espectro del generador de señales. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(d) Espectro de la señal del sensor Hall en LabView 
Figura 24 Colección de resultados de la prueba 
 
En la figura 24-b se aprecia que los picos del espectro de frecuencia del sensor son 
efectivamente 5Hz y 10 Hz, tal cual el generador (ver figura 24-c) y el acelerómetro 
(ver Figura 4.5 a). Por último, esto mismo se refleja en la interfaz implementada en 
LabView.  Esto muestra que está sensando las frecuencias de las vibraciones 
mecánicas del vibrador (Mini Shaker Type 4810) a través del sensor de efecto Hall, 
lo cual se refleja en la interfaz de LabView (ver figura 24-d).  
 
Se hizo una prueba adicional con una señal de 20 Hz la cual se encuentra en el 
Anexo C. 
 
37 
 
Así mismo, se realizó la comparativa (ver tabla 10) de las mediciones del sensor Hall 
mostradas en LabView para tres frecuencias (5 Hz, 10 Hz y 20 Hz) versus las 
mediciones del acelerómetro de carga y se halló un error máximo de 0.79 % contra 
el patrón, lo cual es un claro indicador de que las lecturas del sensor Hall son buenas 
en sentido cualitativo y cuantitativo. 
 
Tabla 10 Comparativa de resultados 
Mediciónes de equipos de precisión  Bruel&Jaer Medición por el sensor visto en LabView Porcentaje de error entre Sensor 
Frecuencia 
(frecuencias en Hertz) (frecuencia en Hertz) Hall versus Acelerómetro ( medida 
medida (Hz)
generador sensor accelerador(patrón) sensor Hall patrón)
5Hz 5.06 5.00 5.04 5.00 0.79%
10Hz 10.00 10.00 10.08 10.00 0.79%
20Hz 20.08 20.00 20.05 20.00 0.25%  
Elaboración propia. 
 
4.1.3. Prueba del acondicionador de señal. 
El escenario de trabajo se muestra en la figura 25, en el cual se conectan las puntas 
de osciloscopio a la salida del sensor, así como también a la salida del circuito de 
amplificación.  Para la alimentación de la tarjeta de amplificación se hace uso de un 
módulo Arduino Uno. Dicho módulo provee la tensión necesaria para el 
funcionamiento de la tarjeta 
 
 
Figura 25 Prueba de funcionamiento del circuito acondicionador 
 
A continuación, en la figura 26 vemos la señal de respuesta de un sensor provocado 
por un leve golpe en la estructura (imán adherido a ella). 
 
 
38 
 
 
Figura 26 Respuesta del sensor ante los desplazamientos del imán 
 
Podemos ver en la figura 27 la señal del sensor (en amarillo) y la misma señal luego 
del acondicionamiento (en azul). 
 
Figura 27 Comparativa de respuestas del sensor sin acondicionamiento (amarillo) y 
con acondicionamiento (celeste) 
  
 
 
 
39 
4.1.4. Sensor de velocidad del actuador 
Para evaluar el funcionamiento del codificador se hizo la conexión del mismo al 
Arduino Uno para proveer alimentación de 5 V (ver figura 28). El resultado de uno de 
los trenes de pulsos se aprecia en la figura 29. A pesar que la frecuencia de dicho 
tren es 311.14 Hz, ésta en realidad se debe traducir en 3.11 Hz, dado que el sensor 
óptico interno entrega 100 pulsos por ciclo. 
Figura 28 Esquema de trabajo 
Figura 29 Respuestas del tren de pulsos del terminal de señal del codificador 
40 
 
4.1.5. Prueba del circuito excitador 
Para esta prueba, primero obtendremos la señal PWM de salida del controlador (ver 
figura 30), la cual es de 8 KHz.  Esta señal es la que se dirige al circuito excitador 
para ser amplificada y así poder controlar el actuador. 
 
 
Figura 30 Señal PWM proveniente del controlador 
 
Luego de esa experimentación, se procedió a medir la señal en los mismos 
terminales de alimentación del motor cuando este se encontraba en funcionamiento 
(figura 31). 
 
 
Figura 31 PWM amplificada a través del circuito excitador medida en los terminales 
del actuador. 
 
41 
 
4.2 Pruebas del sistema completo 
4.2.1 Pruebas del sensado en los tres niveles de la estructura metálica 
Para iniciar esta prueba, todos los componentes del hardware se instalaron en la 
estructura base y las interfaces fueron correctamente configuradas. Para iniciar el 
funcionamiento se tiene que tener en cuenta las siguientes consideraciones: 
 
1. Colocar el sistema de sensado tal cual se muestra en la figura 32. Verificar que 
los tres sensores se encuentren a 10 mm de los imanes instalados en la 
estructura. 
2. Conectar el cable de alimentación del módulo a una toma de 220VAC (60 Hz). 
3. Conectar el cable de sensado de velocidad al codificador. 
4. Conectar el cable de alimentación del motor al actuador 
5. Asegurar que la perilla del potenciómetro este en su valor mínimo “-”. 
6. Presionar el interruptor para energizar el sistema de sensado. 
7. Presionar y soltar el pulsador una sola vez. 
8. Conectar el cable de salida de datos a la computadora. 
9. Ejecutar la interfaz.  
 
Actuador 
Sistema de Imán 
sensado 
Pulsado
r 
Módulo 
Perilla Interruptor Educativo 
 
Figura 32 Escenario de trabajo con el sistema completo para la captura de 
desplazamientos del módulo. 
 
42 
 
En la Figura 33, se aprecia las señales recibidas en tiempo real de los niveles bajo, 
medio y alto (respectivamente) y sus respectivos espectros de potencia. Dichas 
señales están en voltios (el rango de los ejes es configurable por el usuario). La 
respuesta en el tiempo va de 0V a 5V, y el espectro de frecuencia muestra la 
transformada de Fourier de las señales en el tiempo en unidades Vrms2. 
 
 
Figura 33  Programa en funcionamiento, se aprecia las señales en tiempo real de 
cada nivel de la estructura . 
 
 
4.2.2 Prueba de impacto “Bump Test” para el cálculo de las frecuencias de 
resonancia 
 
Para esta prueba se presenta a continuación un ensayo conocido como “Bump Test” 
o prueba de impacto, que permite hallar las frecuencias de resonancia de una 
estructura al impactar la misma con un golpe repentino.  Dicho golpe se traduce en 
un impulso que contiene todas las frecuencias (Zencovibration 2016). En la Figura 
34 se muestra el escenario de este ensayo, en el cual se impacta con un martillo de 
goma la estructura en tres repeticiones. 
 
 
43 
 
 
Figura 34 16 Escenario de trabajo: “Bump Test” 
 
Luego, a través de un ‘script’ programado en la interfaz (ver figura 35) se graba los 
datos (ver Anexo B)  en un archivo de texto. En la tabla 11 se aprecia los resultados 
de medidos en la prueba de impactó durante tres intentos consecutivos. 
 
 
Figura 35 Captura de la interfaz mientras se encuentra grabando datos en un 
archivo de texto. 
 
Tabla 11  Resultados de la prueba del Bump Test 
Prueba  'Bump Test' 
Resultados N1 Resultados N2 Resultados N3 Promedio 
2.52 Hz 2.53 Hz 2.52 Hz 2.52 Hz 
7.58 Hz 7.59 Hz 7.57 Hz 7.58 Hz 
10.95 Hz 10.97 Hz 11 Hz 10.97 Hz 
 Elaboración propia. 
 
 
44 
 
A continuación, se procesa la data registrada con una hoja de cálculos realizada en 
Excel (Klingenberg 2005: 1-5) para obtener el espectro de magnitud y fase como 
respuesta del sistema ante el impulso. En la figura 36 se observa que los picos del 
espectro de magnitud se refieren a las frecuencias naturales captadas por el sistema; 
esto es validado por el espectro de fase, el cual muestra cambios bruscos de ángulo 
justo en los picos de resonancia (Arzapalo 2015: 69).  
 
La hoja de cálculo en Excel para hallar las frecuencias de resonancia y las capturas 
de las frecuencias naturales se encuentran en Anexo C. 
 
Transformada discreta de Fourier
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12
Frecuencia ( Hz )
 
 
 
Gráfica de Fase 
300
200
100
0
-100 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12
-200
-300
Frecuencia ( Hz)
 
Figura 36 Espectro de magnitud y fase calculados con una hoja de datos en Excel, 
a partir de la data grabada por la interfaz 
 
 
 
 
Fase en grados Voltios  (V)
45 
Con los resultados obtenidos se procede a realizar las comparativas. En la tabla 12 
se puede ver que el máximo error entre los resultados del trabajo previo y los 
resultados analíticos del mismo es de 36.19%. 
Tabla 12 Comparativa de los resultados experimentales versus teóricos del trabajo 
previo 
Resultados experimentales Resultados analíticos 
Comparación (1) vs (2) 
del trabajo previo (1) del trabajo previo (2) 
2.49 Hz 3.04 Hz 1.34% 
5.43 Hz 8.51 Hz 36.19% 
8.12 Hz 12.3 Hz 33.98% 
Elaboración propia. 
En segundo lugar, la tabla 13 muestra que el máximo error entre los resultados de la 
presente tesis durante la prueba de impacto (Bump Test) y los resultados analíticos 
del mismo es de 17.00%. 
Tabla 13 Comparativa de los resultados experimentales de la presente tesis versus 
los teóricos. 
Resultados 
Resultados experimentales 
analíticos  del Comparación (1) vs (2) 
'Bump Test' (1) 
trabajo previo (2) 
2.52 Hz 3.04 Hz 17.00% 
7.58 Hz 8.51 Hz 10.93% 
10.97 Hz 12.3 Hz 10.79% 
Elaboración propia. 
Por último, la tabla 14 muestra que el máximo error entre los resultados de la presente 
tesis y del trabajo previo es de 39.59%. 
Tabla 14 Comparativa de los resultados experimentales de la presente tesis versus 
los del trabajo previo 
Resultados Resultados 
experimentales 'Bump experimentales del Comparación (1) vs (2) 
Test' (1) trabajo previo (2) 
2.52 Hz 2.49 Hz 1.20% 
7.58 Hz 5.43 Hz 39.59% 
10.97 Hz 8.12 Hz 35.10% 
 Elaboración propia. 
46 
CONCLUSIONES 
1. El sensado del desplazamiento de los niveles de la estructura a través del sensor
de efecto Hall SS49E se logra sin ejercer contacto alguno sobre la misma. Dicho
sensor puede trabajar sin problemas en la detección de las frecuencias en el orden
de 1 Hz a 25 Hz.
2. Se logró apreciar las vibraciones de los niveles como señales en el tiempo y
frecuencia en la interfaz. La frecuencia sensada por el sensor Hall presenta un
error máximo de 0.79 % contra la frecuencia medida por un acelerómetro de carga
el cual fue utilizado como medida patrón.  Sin embargo, la frecuencia de
resonancia capturada por el codificador presenta un error máximo de 6% contra
el valor promedio registrado por un tacómetro utilizado como medida patrón.
3. Las frecuencias de resonancia halladas en la última parte del cuarto capítulo son
diferentes a las frecuencias calculadas en el trabajo previo por 39.59 %. Así 
mismo se obtiene 36.19 % de error al comparar los resultados del trabajo previo 
con los resultados analíticos.  Sin embargo, este error se reduce a 17 % 
cuando se compara los resultados de la presente tesis con los analíticos.
47 
FUENTES 
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estructuras metálicas de equipos mecánicos. Tesis para optar por el título en 
Ingeniería Mecánica. Lima: Pontificia Universidad Católica del Perú, Facultad 
de Ciencias e Ingeniería. Consulta: 8 de junio del 2016. 
http://tesis.pucp.edu.pe/repositorio/handle/123456789/6504 
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s/f  Linear Hall-effect Sensor ICs [brief]. Consulta: 06 de junio de 2016. 
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2016. 
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48 
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2002 Linear & Switching Voltage Regulator Handbook [manual]. Estados 
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http://educypedia.karadimov.info/library/HB206-D.PDF 
SEDRA, Adel 
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http://www.zencovibrations.com/tip-performing-a-bump-test/ 
49 
ANEXOS 
Anexo A 
− Hojas de datos de los componentes usados en la implementación.
− Diseño de la fuente.
Anexo B 
− Códigos para la programación del controlador y la interfaz.
− Comparativa/Calibración de sensor de vibración, velocidad y “Bump Test”.
− Planos del diseño industrial.
− Presupuesto utilizado.
Anexo C 
− Hoja de datos Excel para el cálculo de las frecuencias de resonancia.
− Capturas de las frecuencias naturales en los tres niveles.