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Título:              Vibração e Acelerômetros




Objetivo:            O Objetivo deste trab...
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                                            INDICE

1.     INTRODUÇÃO                        ...
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1. INTRODUÇÃO


        A vibração normalmente ocorre devido aos efeitos dinâmicos de tolerân...
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          Figura 1 – Freqüências fundamentais e harmônicos. Fonte: Fernandes, 2000.


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2. MEDIÇÃO E ACELERÔMETROS


       A amplitude da vibração pode ser quantificada de diversas...
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                            Tabela 1 – Unidades do SI usadas em vibração.
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     Pela análise da figura 3 percebe-se que o material piezoelétrico é colocado entre uma ba...
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                     Figura 4 - Acelerômetro piezoelétrico. Fonte: Fernandes, 2000.


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            Figura 6 - Equipamentos de medição da vibração. Fonte: Fernandes, 2000.


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      Com base na figura, podem-se escrever as tensões de saída do transdutor (VAB) e a tensã...
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2.1.1. Exemplo de Acelerômetros comerciais




               Figura 8 – Exemplos de acelerôm...
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   •   Weight: 27 gramas

   •   Supoerta até 1000g senoidal e até 2000 g de shock


2.2. Sha...
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• Amplificador de Potência: Recebe o sinal de excitação do controlador de vibração e o
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         Foto 3 – Botões de centralização da mesa             Foto 4 – Bullnose e parafusos ...
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  possui quatro canais de entrada para acelerômetros tipo ICP de 50mV/g, usados para o
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            Foto 7 – Excitador de Vibração                      Foto 8 – Mesa de Vibração


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sinal ruidoso é bem visível quando o sinal de um rolamento em perfeito estado é observado no
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          - Retentores inadequados: Retentores que permitem a passagem de partículas para
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       A figura 14 mostra um exemplo de um sinal de defeito na pista estacionária de um
rolam...
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                      Figura 15 – Energia residual. Fonte: Bezerra, 2004.


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 Figura 17 – Foto da bancada de ensaios – detalhe dos rolamentos com os acelerômetros. Fonte...
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         Tabela 2 - Parâmetros utilizados para implementação dos modelos matemáticos
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         Figura 18 – Pista interna de um rolamento com defeitos. Fonte: Bezerra, 2004.




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       Comitti (2006) realizou alguns testes em um sistema de exaustão e em um motor de uma
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       A figura 23 apresenta o gráfico da aceleração por tempo do motor da bomba da torre de
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Alguns termos utilizados a partir deste ponto, são descritos abaixo:
Aceleração: principal un...
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fixação sobre o qual a amostra é posicionada e este é fixado através de parafusos a mesa
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Os ensaios que podem ser utilizados para esse tipo de aplicação são os Ensaios de Vibração
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Os Ensaios de Fadiga tem como objetivo determinar o quanto o equipamento sob ensaio é capaz
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3.2.3.9 Ensaios de Vibração Senoidal

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                          Gráfico 2 – Curva Típica do Ensaio de Freqüência Discreta


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Entende-se por ressonância a característica física dos corpos que, ao serem excitados em suas...
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                           Gráfico 4 – Curva Típica de Ensaio de Choque


3.2.3.14 Ensaios d...
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     Foto 13 – Setup realizado em ensaio em campo – medições de vibração da suspensão de um ...
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Trabalho de Final de Curso: Vibrações e Acelerômetros; PROMINP - Programa de Qualificação para Indústria de Petróleo e Gás.

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  1. 1. Prominp Engenharia Elétrica – Instrumentação Campinas – Turma 1 VIBRAÇÕES E ACELERÔMETROS NOVEMBRO DE 2007 Autores: Fernando Barbarini Jim Silva Naturesa Leonardo Gonçalves Ronie Von
  2. 2. Vibrações e Acelerômetros Título: Vibração e Acelerômetros Objetivo: O Objetivo deste trabalho é realizar uma ampla abordagem no tema acelerômetros e vibrações. Serão observados aspectos teóricos e práticos relativos a analise de vibração e campo e laboratório. Professor: Jaime Izuka Disciplina: Processamento e Analise de Sinais Local: Universidade Estadual de Campinas – Unicamp – Prominp Data: 11 de Novembro de 2007 2 DE 37
  3. 3. Vibrações e Acelerômetros INDICE 1. INTRODUÇÃO 4 1.1. O QUE É VIBRAÇÃO? 4 2. MEDIÇÃO E ACELERÔMETROS 6 2.1. ACELERÔMETRO PIEZOELÉTRICO 7 2.1.1. EXEMPLO DE ACELERÔMETROS COMERCIAIS 12 2.2. SHAKER ELETRODINÂMICO - SISTEMA UNHOLTZ DICKIE 13 2.3. SHAKER HIDRÁULICO - SISTEMA LANSMONT 15 3. APLICAÇÕES DOS ACELERÔMETROS PIEZOELETRICOS 17 3.1. MEDIÇÕES DE VIBRAÇÃO EM ROLAMENTOS 17 3.2. ENSAIOS TÍPICOS DE VIBRAÇÃO EM CORPOS DIVERSOS 26 3.2.1. FINALIDADE DOS ENSAIOS DE VIBRAÇÃO 27 3.2.2. EXECUÇÃO DOS ENSAIOS DE VIBRAÇÃO 27 3.2.3. APLICAÇÃO DOS ENSAIOS DE VIBRAÇÃO 28 4. REFERÊNCIAS 36 3 DE 37
  4. 4. Vibrações e Acelerômetros 1. INTRODUÇÃO A vibração normalmente ocorre devido aos efeitos dinâmicos de tolerâncias de fabricação, folgas, contatos, atrito entre peças de uma máquina. As vibrações podem excitar as freqüências naturais das peças que compõem o sistema, fazendo com que sejam amplificadas podendo até danificar o conjunto estruturalmente. Entretanto a vibração mecânica também pode realizar trabalho útil. Por exemplo, pode-se provocar a vibração em dispositivos alimentadores de componentes ou peças numa linha de produção, em compactadores de concreto, em britadores e bate-estacas. Uma exigência básica do trabalho vibratório está na capacidade de se conseguir uma avaliação exata dessa vibração por meio da medição e análise. Nos últimos 15 anos foi criada uma nova tecnologia de medição de vibração, permitindo avaliar máquinas que funcionam em alta velocidade e num elevado ritmo de solicitação. Utilizando acelerômetros piezoelétricos, com a finalidade de converter o movimento vibratório em sinais elétricos, o processo de medição e análise é habilmente realizado graças à versatilidade de aparelhos eletrônicos (Medições de Vibrações, 2007). 1.1. O que é vibração? Diz-se que um corpo vibra quando descreve um movimento oscilatório em relação a um corpo de referência. O número de ciclos do movimento em um segundo é chamado de freqüência, medido em hertz (Hz). O movimento pode consistir num único componente com uma única freqüência, como ocorre com o diapasão, ou em vários componentes que ocorrem em diversas freqüências, como no caso de um pistão de combustão interna. Veja a figura 1 com diversos exemplos de sistemas vibratórios. 4 DE 37
  5. 5. Vibrações e Acelerômetros Figura 1 – Freqüências fundamentais e harmônicos. Fonte: Fernandes, 2000. Na prática, os sinais de vibração consistem geralmente de inúmeras freqüências, que ocorrem simultaneamente. De imediato, não se pode observá-las analisando as respostas de amplitude com relação ao tempo na tela de um osciloscópio, nem determinar quantos componentes de vibração há e onde eles ocorrem. Com a utilização da técnica de análise de freqüência, pode ser construído um espectrograma de freqüência, ou seja, um histograma que relaciona a amplitude (ou nível) do sinal com a sua respectiva freqüência. Quando analisamos as vibrações de um sistema, normalmente encontramos um grande número de freqüências periódicas, as quais estão diretamente relacionadas aos movimentos das diversas peças do sistema. Portanto, através da análise de freqüência podemos descobrir a causa da vibração indesejada. 5 DE 37
  6. 6. Vibrações e Acelerômetros 2. MEDIÇÃO E ACELERÔMETROS A amplitude da vibração pode ser quantificada de diversas maneiras, tais como: nível pico- a-pico, nível de pico, nível médio e o nível quadrático médio ou valor eficaz (ou RMS – Root Mean Square). A figura 2 apresenta as diversas formas de se quantificar as vibrações. Figura 2 - Representação da intensidade da vibração. Fonte: Fernandes, 2000. O valor pico-a-pico indica a máxima amplitude da onda senoidal e é usado, por exemplo, onde o deslocamento vibratório da máquina é parte crítica na tensão máxima de elementos de máquina. O valor de pico é particularmente usado na indicação de níveis de impacto de curta duração. O valor médio é usado quando se quer se levar em consideração um valor da quantidade física da amplitude em um determinado tempo. O valor RMS é a mais importante medida da amplitude porque ele mostra a média da energia contida no movimento vibratório - mostra o potencial destrutivo da vibração (Fernandes, 2000), (Marques, 2007). Os parâmetros de vibração devem ser medidos em unidades métricas de acordo com a norma ISO, conforme a tabela 1. A constante gravitacional g também pode ser usada nos níveis de aceleração, tomado como 9,81 m2/s. 6 DE 37
  7. 7. Vibrações e Acelerômetros Tabela 1 – Unidades do SI usadas em vibração. Unidades de vibração (ISO 1000) Deslocamento m, mm, μm Velocidade m/s, mm/s (ou m.s-1, mm.s-1) Aceleração m/s2 (ou m.s-2) → 1g = 9,81 m/s2 Fonte: Fernandes, 2000. 2.1. Acelerômetro piezoelétrico O transdutor normalmente utilizado na captação de uma vibração é o acelerômetro piezoelétrico, que possui boa linearidade e uma banda dinâmica maior em comparação a outros acelerômetros. Os acelerômetros piezoelétricos não necessitam de fonte de alimentação, ou seja, o sinal de saída pode ser conectado diretamente ao medidor de vibrações. Além disso, não possuem partes móveis e geram um sinal proporcional à aceleração, que pode ser integrado, obtendo-se a velocidade e o deslocamento do sinal (Fernandes, 2000) (Medições de Vibrações, 2007). A essência desse tipo de acelerômetro é o material piezoelétrico, usualmente uma cerâmica ferro-elétrica polarizada artificialmente. Quando mecanicamente tensionada, proporcional à força aplicada, gera uma carga elétrica que polariza suas faces – veja a figura 3 e 4. Figura 3 – Acelerômetro piezoelétrico. Fonte: PCB, 2007. 7 DE 37
  8. 8. Vibrações e Acelerômetros Pela análise da figura 3 percebe-se que o material piezoelétrico é colocado entre uma base sólida fixa e um elemento móvel. Este elemento é acionado por um diafragma, gerando um a força eletromotriz proporcional à força aplicada. A flexibilidade do sensor piezoelétrico pode ser aumentada fazendo longas faixas do material e montando-as como vigas ou diafragmas (Paulino, 2007). Os principais materiais piezoelétricos são: cristais – sem centro de simetria, cerâmicas – a piezoeletricidade é induzida por aplicação de um elevado campo elétrico a uma determinada temperatura e os polímeros. Os mais utilizados são as cerâmicas e os polímeros. As cerâmicas possuem um preço menor e são mais fáceis de serem fabricadas. Entretanto, elas têm alta impedância acústica, são rígidas e frágeis – limitando sua flexibilidade como transdutor. Os polímeros são acusticamente bem adaptáveis e flexíveis, mas possuem baixo acoplamento eletromecânico, baixa constante dielétrica e elevado custo de fabricação. Os melhores transdutores são os compósitos de polímero e cerâmica, pois combinam alto acoplamento eletromecânico, baixa impedância, constante dielétrica constante e preços moderados (Paulino, 2007). 8 DE 37
  9. 9. Vibrações e Acelerômetros Figura 4 - Acelerômetro piezoelétrico. Fonte: Fernandes, 2000. A tensão saída de um acelerômetro piezoelétrico é proporcional a força aplicada ou a derivada segunda do deslocamento, ou seja: .. x → F → q → Vout q = C Vout Onde q é a carga produzida no material piezoelétrico, C é a capacitância e Vout é a tensão de saída. Um sensor de aceleração calibrado possui a seguinte relação entrada/saída: .. Vout = K x Onde K é a sensibilidade do acelerômetro [mV/g]. Os acelerômetros possuem uma faixa dinâmica útil, abaixo da sua freqüência de ressonância – veja figura 5. Nas medições de vibrações, há necessidade de se escolher o acelerômetro correto para cada freqüência a ser medida. Normalmente conecta-se o acelerômetro diretamente no medidor de vibração medição (que contém um pré-amplificador). O medidor indica o nível RMS da aceleração, velocidade ou deslocamento. Normalmente os acelerômetros possuem uma escala de até 1000 g, com uma faixa de freqüência acima de 100 kHz. O limite de aplicação normalmente é imposto pelo pré-amplificador do sinal do sensor que possui uma faixa de freqüência menor. A figura 6 mostra as conexões típicas de medição (Cetinkunt, 2007) (Fernandes, 2000). Figura 5 - Faixa útil de um acelerômetro piezoelétrico. Fonte: Fernandes, 2000. 9 DE 37
  10. 10. Vibrações e Acelerômetros Figura 6 - Equipamentos de medição da vibração. Fonte: Fernandes, 2000. Se o transdutor e o amplificador estiverem afastados podem ocorrer erros nos sinais transmitidos devido à capacitância do cabo e ruídos – veja figura 7. Figura 7 – Configuração básica de medição. Fonte: Cetinkunt, 2007. 10 DE 37
  11. 11. Vibrações e Acelerômetros Com base na figura, podem-se escrever as tensões de saída do transdutor (VAB) e a tensão de entrada (VEF). A tensão VEF é função do comprimento do cabo, sendo que para cada comprimento o circuito deve ser calibrado. q V AB = C1 q VEF = C1 + C2 + C3 Se for utilizado um pré-amplificador (Charge amp) a tensão de saída será dada por: q Vout = Cf Eliminando os problemas associados ao comprimento do cabo, pois a tensão de saída depende apenas do capacitor de realimentação Cf. Entretanto, o problema de utilizar um pré- amplificador é que o ruído na saída do amplificador é diretamente proporcional à razão de (C1+C2+C3) por Cf. Por exemplo, um acelerômetro modelo 339B01 da PCB Piezotronics possui as seguintes características: sensibilidade 100 mV/g, faixa de freqüência acima de 2 kHz, amplitude acima de 50g com resolução de 0,002g (Cetinkunt, 2007). Escalas logarítmicas são usadas para construir os gráficos com as amplitudes de vibração. Também é utilizada a escala decibel (dB) para comparar níveis. O decibel (dB) é a relação de um nível qualquer em relação ao nível de referência (Fernandes, 2000). Os níveis em dB são dados por: ⎛ a ⎞ N(dB) = 20 log10 ⎜ ⎟ ⎜a ⎟ ⎝ ref ⎠ Onde a é o nível de vibração a ser medido, aref é o nível de referência e N é o valor em decibels. Os níveis de referência em decibel são fixados pela norma ISO R 1683: (i) Nível de aceleração – aref = 10-6 m/s2 , (ii) Nível de velocidade – aref = 10-9 m/s. 11 DE 37
  12. 12. Vibrações e Acelerômetros 2.1.1. Exemplo de Acelerômetros comerciais Figura 8 – Exemplos de acelerômetros comerciais – Fonte UD, 2007 Estes acelerômetros são de uso geral e de princípio piezoelétrico. Eles podem operar em uma ampla faixa de temperatura, sem perder as características especificadas. 2.1.1.1 Especificações: 2.1.1.1.1 Especificações gerais • Sensibilidade: 10.0 pC/g ±2% • Tensão de circuito aberti: 5.2 mV/g typical • Capacitância: 1,600 pF typical at 100 Hz. • Frequencia de Ressonância: 30,000 Hz. typical • Sensibilidade transversão: 3% max at 150 Hz. 1% typical • Impedância de entrada: 20,000 megohms min at 75º F, 500 megohms min at 500º F • Resposta em frequencia: 3Hz até 2000Hz • Linearidade: 2% 2.1.1.1.2 Especificações mecânicas: • Connector: 10B10 conector lateral; 10B10T concector superior • Material Piezoelérico: Bismuth Strontium Titanate 12 DE 37
  13. 13. Vibrações e Acelerômetros • Weight: 27 gramas • Supoerta até 1000g senoidal e até 2000 g de shock 2.2. Shaker Eletrodinâmico - Sistema Unholtz Dickie O Sistema UD é representado na Figura 9. Nele também são mostradas as conexões do sistema. Figura 9 – Diagrama de conexões do sistema UD – Fonte UD,2007 Basicamente, o sistema UD é composto pelo excitador (shaker), a mesa, o amplificador de potência (power amplifier), o controlador de vibração (UD 320 e UD 345), os condicionadores (charge amplifier) e pelos acelerômetros. • Excitador: É responsável por transformar energia elétrica em energia mecânica (vibração). É composto por dois conjuntos de bobinas, um chamado de bobina de campo fixo, e outro chamado de bobina de campo alternado. A bobina de campo fixo fica presa a carcaça e é percorrida por uma corrente DC, que estabelece um campo fixo. As bobinas de campo alternadas estão instaladas no eixo central e recebe o sinal amplificado do controlador de vibração. Sendo o sinal alternado, é ela quem se move produzindo a vibração. • Mesa: Está instalada pelo eixo central, onde está a bobina de campo variável. É sobre ela que a amostra deve ser instalada. 13 DE 37
  14. 14. Vibrações e Acelerômetros • Amplificador de Potência: Recebe o sinal de excitação do controlador de vibração e o amplifica, enviando para a bobina de campo alternado. Nele também estão os circuitos que controlam a centralização da mesa, a bomba de óleo, a exaustão da bobinas e controle de temperatura, os dispositivos de proteção e de retificação e distribuição de energia. • Controlador de Vibração: Monitora e controla a vibração da mesa. O módulo de monitoramento lê a vibração da mesa, através de um acelerômetro, e realimenta um comparador que verifica se a mesa está produzindo a vibração esperada. Caso isto não esteja acontecendo, ele corrige o sinal enviado ao amplificador de potência, para que a vibração fique de acordo com o planejado. • Condicionadores: Eles recebem a leitura feita pelos acelerômetros e os amplifica condicionando em torno de uma determinada tensão. O sinal amplificado é então enviado ao controlador de vibração. Desta forma, o controlador pode receber e interpretar o sinal do acelerômetro. • Acelerômetro: Sensor piezoelétrico, que ao vibrar, gera um sinal proporcional a vibração. Construtivamente, o material piezoelétrico é rodeado por uma massa sísmica que ao vibrar, pressiona o material. Isto gera uma pequena tensão proporcional a pressão sofrida. O sinal do acelerômetro é enviado ao condicionador que o amplifica e envia para o controlador. Obs.: Antes de começar cada ensaio, verifique se as conexões estão corretas. Foto 1 – Excitador de vibração – posição vertical Foto 2 – Excitador de vibração – posição horizontal 14 DE 37
  15. 15. Vibrações e Acelerômetros Foto 3 – Botões de centralização da mesa Foto 4 – Bullnose e parafusos da Slip Table Foto 5 – Módulos amplificadores do amplificador de potência Foto 6 – Botões de acionamento da mesa 2.3. Shaker Hidráulico - Sistema LANSMONT Basicamente, o sistema LANSMONT é composto pelo excitador (Shaker), pela mesa, pela unidade de potência hidráulica, unidade de sustentação, acelerômetro e pelo controlador de vibração. Excitador: Composto pelo pistão e pela servo-válvula, é ele quem vibra transmitindo energia a amostra de ensaio. O pistão é o atuador hidráulico e a servo-válvula controla o fluxo de óleo pelo pistão, fazendo que ele vibre. Mesa: Está acoplada ao pistão. É sobre ela que as amostras de ensaio são instaladas. Ela é sustentada por quatro colunas posicionas em seus cantos, balões pneumáticos instalados entre as colunas e a mesa controlam a altura dela e impedem que ela se assente sobre o pistão. Unidade de Potência Hidráulica: Composta pelo reservatório de óleo, radiador e bomba de óleo. Esta unidade serve o pistão com o fluxo de óleo a alta pressão. Controlador de Vibração: Não só controla a vibração da mesa, como também contêm toda a parte eletrônica de monitoramento e de interface entre as diversas partes do sistema. Ele 15 DE 37
  16. 16. Vibrações e Acelerômetros possui quatro canais de entrada para acelerômetros tipo ICP de 50mV/g, usados para o controle da mesa. Estas entradas também podem ser usadas, em conjunto com outros equipamentos, para monitorar amostras de ensaio (atualmente o módulo de monitoramento de amostras está desativada). O controlador possui também uma entrada para controle remoto, que permite que outros controladores controlem a mesa. Unidade de Sustentação: Responsável por controlar a pressão nos balões que sustentam a mesa. A pressão dos balões é calculada de acordo com a massa instalada sobre o shaker (isto inclui o peso da mesa). Acelerômetro: Sensor piezoelétrico, que ao vibrar, gera um sinal proporcional a vibração. Construtivamente, o material piezoelétrico é rodeado por uma massa sísmica que ao vibrar, pressiona o material. Isto gera uma pequena corrente elétrica proporcional a pressão sofrida. O sinal do acelerômetro é enviado ao condicionador que o amplifica e envia para o controlador. Obs: Antes de começar cada ensaio, verifique se as conexões estão corretas, para isto use o manual do sistema. 16 DE 37
  17. 17. Vibrações e Acelerômetros Foto 7 – Excitador de Vibração Foto 8 – Mesa de Vibração Foto 9 – Unidade de Potência Hidráulica Foto 10 – Controlador de Vibração e 1G-Support 3. APLICAÇÕES DOS ACELERÔMETROS PIEZOELETRICOS 3.1. Medições de vibração em rolamentos Segundo Bezerra (2004) e Michalak et al. (2007) os rolamentos podem gerar vibrações devido a variações de conformidade, ou, dos esforços entre seus componentes no tempo. As variações dos esforços estão diretamente relacionadas ao número de esferas ou rolos. Ao longo do tempo, esses esforços tendem a causar fadiga nos componentes do rolamento. Há diversas técnicas de detecção de falhas nos rolamentos tais como, técnicas no domínio do tempo, no domínio da freqüência, cepstrum e a técnica no domínio tempo-freqüência. Em geral, os rolamentos estão submetidos a cargas radiais que geram um campo de carga – veja figura 11. À medida que as esferas entram e saem da dessa região surgem vibrações no rolamento, mesmo estando o rolamento em perfeito estado. De acordo com Bezerra (2004), este 17 DE 37
  18. 18. Vibrações e Acelerômetros sinal ruidoso é bem visível quando o sinal de um rolamento em perfeito estado é observado no domínio do tempo. A figura 12 são apresentadas três possíveis formas de carregamento radial do anel interno do rolamento, em relação ao fator de distribuição de carga. Figura 11 – Formas de carregamento em rolamentos. Fonte: Bezerra, 2004. Figura 12 – Carregamento do anel interno do rolamento. Fonte: Bezerra, 2004 Como qualquer peça, os rolamentos apresentam deterioração com o uso. Entretanto, um rolamento pode apresentar falha prematura por uma série de razões (Bezerra, 2004) (Comitti, 2006). Podem-se destacar: - Lubrificação inadequada: O lubrificante tornou-se, gradualmente, escasso permitindo o contato entre os componentes do rolamento. - Montagem incorreta: Pressão para montagem no anel inadequada, deslocamento excessivo em assento cônico, sobrecarga enquanto o rolamento não gira, etc. 18 DE 37
  19. 19. Vibrações e Acelerômetros - Retentores inadequados: Retentores que permitem a passagem de partículas para dentro do rolamento ou que se deterioram e contaminam o rolamento. - Desalinhamento: Rolamentos martelados em seu assento, corpos estranhos entre o anel e o assento, eixo torto ou envergado, etc. - Passagem de corrente elétrica: Para que este tipo de dano ocorra, não é necessária uma diferença de potencial muito grande entre as pistas e os elementos girantes dos rolamentos. - Vibrações externas: Rolamentos quando parados são submetidos a vibrações vindas de outros sistemas. - Defeitos de fabricação: Defeitos provenientes do processo de fabricação nas pistas, esferas ou gaiola do rolamento. - Fadiga: Proveniente do rolamento de um elemento sobre outro após um certo número de ciclos. A figura 13 apresenta o surgimento de uma falha na superfície de um rolamento. Figura 13 – Surgimento de uma falha na superfície de um rolamento. Fonte: Bezerra, 2004. Das técnicas de medição de vibração, as mais difundidas são os métodos no domínio do tempo; como por exemplo, o Nível Global RMS e o Fator de Crista. São observados os seguintes parâmetros: a média absoluta (Xmed), nível global rms (Xrms), o valor de pico (Xpico) e fator de crista (Fcr). As expressões utilizadas são: 19 DE 37
  20. 20. Vibrações e Acelerômetros A figura 14 mostra um exemplo de um sinal de defeito na pista estacionária de um rolamento. Com o surgimento de uma pequena falha no rolamento, o valor de Xpico sofre uma elevação maior que o Xrms, logo o valor do Fcr sofre uma elevação. Figura 14 – Pico e valor de rms para um rolamento com defeito. Fonte: Bezerra, 2004. Outra técnica utilizada é a energia residual. Essa técnica consiste em obter o sinal do rolamento sem defeito e em seguida calcula-se a densidade espectral de potência do sinal que servirá de padrão DEP (Sp). Quando se deseja saber a condição do rolamento, uma nova aquisição é feita e em seguida, calcula-se a sua densidade espectral de potência DEP (Sr). A energia residual é o valor da área obtida a partir do módulo da diferença das duas densidades (Bezerra, 2004). Esse processo pode ser visualizado na figura 12. A figura apresenta a energia residual obtida para um rolamento com defeito na pista interna. Na figura 12 (a) estão representados os gráficos da densidade espectral de potência do rolamento sem defeito (linha vermelha contínua) e do mesmo rolamento após o surgimento de defeito na pista interna. Para a freqüência de 2.568 Hz a densidade espectral vale aproximadamente 2,2 g2s/Hz (sem defeito) e para a freqüência de 5.160 Hz vale 2,0 g2s/Hz (com defeito). A Figura 15 (b) mostra o gráfico obtido a partir do módulo da diferença do sinal do rolamento com defeito e do sinal sem defeito (Bezerra, 2004). 20 DE 37
  21. 21. Vibrações e Acelerômetros Figura 15 – Energia residual. Fonte: Bezerra, 2004. Bezerra (2004) realizou uma série de ensaios a fim de determinar as freqüências em que ocorrem alguns dos principais defeitos nos rolamentos. A figura 16 apresenta um esquema da bancada de ensaios realizados. A figura 17 mostra um foto da bancada de ensaios com os acelerômetros e o sistema de aquisição de dados. Figura 16 – Bancada de ensaios. Fonte: Bezerra, 2004. 21 DE 37
  22. 22. Vibrações e Acelerômetros Figura 17 – Foto da bancada de ensaios – detalhe dos rolamentos com os acelerômetros. Fonte: Bezerra, 2004. Entretanto, antes de iniciar os ensaios, ele obteve via simulação matemática as principais freqüências de ressonância dos componentes do rolamento, tais como, freqüência de ressonância da pista interna, externa e da esfera. A tabela 2 mostra as freqüências de ressonâncias para as diversas peças do rolamento. A tabela 3 apresenta os resultados obtidos no ensaio. As freqüências foram um pouco diferentes das calculadas. Nas figuras seguintes podem ser visualizados os gráficos dos ensaios e fotos dos rolamentos. 22 DE 37
  23. 23. Vibrações e Acelerômetros Tabela 2 - Parâmetros utilizados para implementação dos modelos matemáticos obtidos a partir de rolamentos com falhas induzidas. Fonte: Bezerra, 2004. Tabela 3 – Resultados das medições. Fonte: Bezerra, 2004. A figura 18 mostra a pista interna de um rolamento com defeito. A figura 19 apresenta os dados obtidos no ensaio; os valores de pico e RMS aumentam consideravelmente a partir do trigésimo quinto dia indicando a falha. Segundo Bezerra (2004) a técnica da energia residual se mostrou um bom método para detecção deste tipo de falha. Na figura 20 pode-se verificar que o início da falha começou no trigésimo sétimo dia de ensaio. 23 DE 37
  24. 24. Vibrações e Acelerômetros Figura 18 – Pista interna de um rolamento com defeitos. Fonte: Bezerra, 2004. Figura 19 - Parâmetros estatísticos para rolamento que ocorreu fusão da gaiola. Fonte: Bezerra, 2004. Figura 20 – Energia residual para o rolamento com defeito na pista interna. Fonte: Bezerra, 2004. 24 DE 37
  25. 25. Vibrações e Acelerômetros Comitti (2006) realizou alguns testes em um sistema de exaustão e em um motor de uma bomba de uma torre de refrigeração. Para as medições ele utilizou um coletor-analisador de máquinas da marca VB. A figura 21 mostra o gráfico da aceleração por tempo do sistema de exaustão. Percebe-se que no dia 4 de fevereiro a aceleração atinge 1,5 g - acima da linha de alerta do sistema. Essa aceleração permanece acima da linha de alerta nas duas medições seguintes, indicando uma possível falha. No dia 19 de julho o sistema atinge uma aceleração de 3 g, indicando a quebra do rolamento. A figura 22 apresenta uma foto do rolamento; a gaiola estava quebrada e continha apenas quatro esferas. Figura 21 – Resultado das medições no sistema de exaustão. Fonte: Comitti, 2006. Figura 22 – Estado do rolamento do sistema de exaustão. Fonte: Comitti, 2006. 25 DE 37
  26. 26. Vibrações e Acelerômetros A figura 23 apresenta o gráfico da aceleração por tempo do motor da bomba da torre de refrigeração. Todos os pontos medidos estão acima da linha de alerta, indicando falta de lubrificação. Os rolamentos, por serem de dupla blindagem, não necessitam de lubrificação periódica. Após a retirada dos rolamentos contatou-se que o lubrificante estava degradado, indicando que as peças não foram lubrificadas. A figura 24 mostra as marcas na pista interna e o estado das esferas. Figura 23 – Resultado das medições do sistema motor-bomba-torre. Fonte: Comitti, 2006. Figura 24 – Estado do rolamento do sistema motor-bomba-torre. Fonte: Comitti, 2006. 3.2. Ensaios típicos de vibração em corpos diversos Uma das áreas mais importantes da engenharia moderna consiste na análise e revisão do comportamento dinâmico de sistemas físicos. Através de simulações destes comportamentos, é possível determinar os seus pontos frágeis. Muitas vezes, apenas pequenas alterações no projeto, podem tornar o seu produto mais resistente e conseqüente mais confiável. 26 DE 37
  27. 27. Vibrações e Acelerômetros Alguns termos utilizados a partir deste ponto, são descritos abaixo: Aceleração: principal unidade de referência usada em ensaios de vibração. Geralmente representada em g (aceleração da gravidade - 1 g = 9,81 m/s2); Freqüência: grandeza que descreve a taxa de repetição da vibração em um segundo. Dada em Hertz; Taxa de Varredura: velocidade que uma faixa de freqüência será varrida durante uma vibração. No caso de uma varredura linear, é dada em Hertz/segundo. Em varredura logarítmica, é dada em oitavas/minuto; Ressonância: freqüência crítica de um material ou peça, onde para uma baixa excitação, há uma alta resposta em vibração. Dada pelo quociente da rigidez pela massa; Shaker: sistema vibratório utilizado para aplicar vibrações; Acelerômetro: transdutor capaz de medir aceleração e freqüência; Espectro de Vibração: vibração dada pela integral da energia de vibração contida em uma discretização em freqüência. Dada em g2/Hz; Aceleração RMS: média quadrática da aceleração contida em um espectro. 3.2.1. Finalidade dos Ensaios de Vibração Dentro dos diversos ensaios realizados na área de vibração imaginemos a seguinte situação: Uma empresa decide desenvolver um novo sistema de embalagem, para tanto será necessário uma integração entre as áreas de Marketing, que tem como objetivo diferenciar produtos para aumentar as vendas, e Técnica, que busca embalagens eficientes no desempenho de suas funções na cadeia logística. Neste caso um dos pontos de mais importância para a área técnica torna-se a proteção, que deve garantir a qualidade do produto até a sua utilização, sendo necessárias embalagens com resistência mecânica adequada, acolchoamento entre outros. Mas apesar de todo este processo como garantir que os equipamentos cheguem ao seu destino como partiram de sua origem ? A verificação da eficácia de uma embalagem pode ser garantida através da simulação de transporte em laboratório (mesa de vibração) que auxiliam na identificação de avarias no produto e embalagem, indicando as causas prováveis, através de diversos parâmetros adotados que refletem os esforços nos diversos graus de severidade existentes no transporte. 3.2.2. Execução dos Ensaios de Vibração Para realização dos ensaios de vibração o equipamento, na maioria dos casos, não é testado em funcionamento. A situação de funcionamento poderá ocorrer dependo do tipo de ensaio de vibração realizado. Basicamente a montagem consiste em fixar o equipamento sobre uma mesa vibratória que o ”excitará”. A fixação, dependendo do tipo de ensaio e produto, poderá ser realizada diretamente através de barras laterais/”unhas” ou de forma indireta, onde o fabricante fornece um dispositivo de 27 DE 37
  28. 28. Vibrações e Acelerômetros fixação sobre o qual a amostra é posicionada e este é fixado através de parafusos a mesa vibratória. Foto 11– Fixação direta (barras laterais) Foto 12– Fixação Indireta (dispositivo de fixação) – auxílio de “unhas” laterais A aquisição da medida dá-se através do uso de um acelerômetro, o qual consiste em um transdutor de vibração para sinal elétrico através do qual, gera-se o gráfico das acelerações(em função da freqüência) presentes no equipamento. 3.2.3. Aplicação dos Ensaios de Vibração 3.2.3.1 Vibração Funcional Os Ensaios de Vibração Funcional são ensaios que visam avaliar se o equipamento é capaz de continuar funcionando normalmente durante o teste. O equipamento é montado na sua configuração normal de uso e enquanto opera sua funções, é excitado não podendo sofrer interferência na sua operação. Como exemplo de equipamentos testados nesse ensaio tem-se: microcomputadores, impressoras, equipamentos lotéricos. Os ensaios que podem ser utilizados para esse tipo de aplicação são os Ensaios de Vibração Senoidal, de Vibração Aleatória e de Choque. 3.2.3.2 Resistência Mecânica Os Ensaios de Resistência Mecânica tem como objetivo determinar se o equipamento é capaz de resistir a esforços repetitivos durante longos períodos. Nesse tipo de ensaio o objetivo não é ficar “vibrando” o equipamento até ele quebrar, mas sim fazer com que o equipamento suporte o tempo de ensaio sem sofrer nenhum tipo de dano na sua estrutura. Os esforços que o equipamento sofre nesse tipo de ensaio não são necessariamente num mesmo ponto, esses esforços podem distribuir-se no equipamento todo. Como exemplo de equipamentos testados nesse ensaio tem-se: pedais de acelerador, ar condicionado, tampas de combustível. 28 DE 37
  29. 29. Vibrações e Acelerômetros Os ensaios que podem ser utilizados para esse tipo de aplicação são os Ensaios de Vibração Senoidal, de Vibração Aleatória e de Choque. 3.2.3.3 Resistência à Ressonância Nos Ensaios de Resistência à Ressonância o equipamento sob ensaio é submetido a longos períodos de vibração na freqüência de ressonância do equipamento. O equipamento sob ensaio deve suportar o tempo de ensaio na freqüência de ressonância sem sofrer danos estruturais como trincas, arranhões. Como exemplo de equipamentos testados nesse ensaio tem-se: barras de direção. O ensaio utilizado para esse tipo de aplicação é o Ensaio de Freqüência Discreta. 3.2.3.4 Simulação de Transporte Os Ensaios de Simulação de Transporte são ensaios que simulam a condição real de transporte do equipamento. Essa simulação pode ser de transporte aéreo, marítimo ou rodoviário. Todos realizados com bases em normas nacionais e internacionais. O ensaio pode ser realizado com o equipamento embalado ou desembalado. Durante o ensaio, o equipamento não pode sofrer nenhum tipo de dano estrutural. Caso o equipamento esteja embalado, a embalagem deve sofrer o mínimo de danos possíveis e deve também proteger a integridade do equipamento. Como exemplo de equipamentos testados nesse ensaio tem-se: computadores, centrais telefônicas. Os ensaios utilizados para esse tipo de aplicação são os Ensaios de Vibração Senoidal e de Vibração Aleatória. 3.2.3.5 Reprodução de Campo Os Ensaios de Reprodução de Campo são ensaios que reproduzem no laboratório as mesmas condições encontradas quando realizada as medições em campo. Após realizado a medição em campo, a sua reprodução em laboratório é feita com base nos dados obtidos em campo. A vantagem de fazer a Reprodução de Campo em laboratório é que se pode ter uma visualização melhor das ocorrências e em alguns casos não é necessário ter um o conjunto completo de equipamentos, mas sim só o equipamento que deve ser ensaiado. Como exemplo de equipamentos testados nesse ensaio tem-se: freios automotivos. Os ensaios utilizados para esse tipo de aplicação são os Ensaio de Vibração Senoidal, de Vibração Aleatória e Choque. 3.2.3.6 Fadiga 29 DE 37
  30. 30. Vibrações e Acelerômetros Os Ensaios de Fadiga tem como objetivo determinar o quanto o equipamento sob ensaio é capaz de resistir a esforços repetitivos durante longos períodos. Existem também os ensaios de Fadiga Torcional e de Fadiga Flexional. São ensaios severos que solicitam bastante o equipamento sob ensaio. Nesse tipo de ensaio o equipamento é solicitado com a intenção de ficar vibrando até quebrar ou sofrer algum dano em sua estrutura que comprometa o seu funcionamento. Os esforços que o equipamento sofre nesse tipo de ensaio são esforços que se acumulam num mesmo ponto, fazendo com que esse ponto fique tencionado. Em alguns ensaios de Fadiga o equipamento pode não chegar a quebrar. Caso isso aconteça, o equipamento é considerado de vida infinita. Como exemplo de equipamentos testados nesse ensaio tem-se: virabrequim. O ensaio que pode ser utilizado para esse tipo de aplicação é o Ensaio de Vibração Senoidal. 3.2.3.7 Resistência de Embalagens Os Ensaios de Resistência de Embalagens são ensaios que visam avaliar a capacidade que a embalagem tem de absorver os impactos externos mantendo a integridade do equipamento. Esse tipo de ensaio é geralmente realizado com a embalagem lacrada de fábrica, pois evita que o equipamento seja montado errado dentro da embalagem. Como exemplo de equipamentos testados nesse ensaio tem-se: computadores, monitores. O ensaio que pode ser utilizado para esse tipo de aplicação são os Ensaios de Vibração Senoidal, de Vibração Aleatória e os Ensaios de Queda Livre. 3.2.3.8 Impactos, Choques e Quedas Os Ensaios de Impactos, Choques e Quedas são ensaios que visam avaliar encaixes, conexões, embalagem de equipamentos sensíveis a esses tipos perturbações. Nos Ensaio de Impactos e Choques os equipamentos sob ensaio são montados nas suas condições reais de uso podendo estar operando suas funções normalmente ou podendo não estar operando nenhuma função. Os choques são aplicados com um intervalo de tempo entre eles, sendo que no final dos choques o equipamento não pode ter sofrido nenhum tipo de dano estrutural. No Ensaio de Queda Livre os equipamentos são soltos a uma altura especificada por normas, sendo que após a queda o equipamento não pode ter sofrido nenhum tipo de danos estruturais como trincas, amassados, arranhões. Como exemplo de equipamentos testados nesse ensaio tem-se: motores de limpador de pára- brisa, microcomputadores. Os ensaios que podem ser utilizados para esse tipo de aplicação são os ensaios de Choque e de Queda Livre 30 DE 37
  31. 31. Vibrações e Acelerômetros 3.2.3.9 Ensaios de Vibração Senoidal Ensaio caracterizado pela excitação por um sinal harmônico (senoidal), desenvolvido dentro de um intervalo específico de freqüência, o qual é varrido continuamente a uma taxa de varredura específica que pode ser linear (hertz por segundo) ou logarítmica (oitavas por minuto). Quanto maior for a taxa de varredura, menor será o tempo de duração de uma varredura. A amplitude do ensaio pode ser definida pela aceleração (G), pela velocidade (m/s) ou pelo deslocamento da mesa (mm). Em uma mesma curva de excitação pode haver aceleração, velocidade e deslocamento como critérios para especificação da amplitude. A duração do ensaio pode ser definida através do número de varreduras a serem executadas, ou por um tempo pré determinado. Gráfico 1 – Curva Típica do Ensaio de Vibração Senoidal 3.2.3.10 Ensaios de Freqüência Discreta O Ensaio de Freqüência Discreta é um ensaio caracterizado por uma excitação senoidal numa freqüência específica, não havendo varredura. A amplitude do ensaio pode ser definida pela aceleração (G) ou pelo deslocamento da mesa (mm). A duração do ensaio é definida através de um tempo pré determinado. 31 DE 37
  32. 32. Vibrações e Acelerômetros Gráfico 2 – Curva Típica do Ensaio de Freqüência Discreta 3.2.3.11 Ensaios de Vibração Aleatória O Ensaio de Vibração Aleatória (randômica) têm uma excitação cuja aplicação é aleatória. Essa ensaio não têm velocidade de varredura pois o controlador escolhe aleatoriamente uma determinada freqüência com a sua respectiva aceleração. A amplitude para esse tipo de ensaio é definida através do nível de energia espectral (G2/Hz). A duração do ensaio é feita através de um tempo pré-determinado já que a aplicação da freqüência é aleatória. Gráfico 3 – Curva Típica de Ensaio de Vibração Aleatória 3.2.3.12 Ensaios de Pesquisa de Ressonância 32 DE 37
  33. 33. Vibrações e Acelerômetros Entende-se por ressonância a característica física dos corpos que, ao serem excitados em suas freqüências naturais, tendem a adquirir amplitudes de vibração muito superiores à amplitude de excitação. A freqüência natural de um corpo corresponde a uma forma peculiar de um corpo vibrar, estabelecido pela distribuição de massa e rigidez deste. Assim, o que caracteriza uma ressonância é uma diferença considerável de amplitude de vibração medida em uma freqüência específica quando comparada com as amplitudes medidas em outras freqüências e quando comparada com a amplitude de excitação. Exemplo: Considere um dispositivo excitado por uma curva senoidal na faixa de 5 a 1000 Hz com amplitude de excitação de 1g. Este dispositivo está sendo medido por um acelerômetro. A figura 1 apresenta a curva de aplicação e a curva de medição. Figura 25 – Curva típica de ressonância A curva em azul indica a curva de excitação. A curva em vermelho indica a curva de resposta do acelerômetro de medição. Analisando as diferenças de amplitude, pode-se observar que em toda a faixa de freqüência, a amplitude de resposta foi superior à amplitude de excitação. Entretanto, na região de 450 Hz, a diferença de amplitudes foi muito maior do que a amplitude de resposta no restante da faixa de freqüência e muito maior que a amplitude de excitação. Isso caracteriza um estado de ressonância. A freqüência natural é portanto a freqüência de 450 Hz. A figura 2 apresenta um gráfico real de ressonâncias. 33 DE 37
  34. 34. Vibrações e Acelerômetros Figura 26 – Curva real de ressonâncias (picos destacados) 3.2.3.12.1 Posicionamento dos acelerômetros em ensaios de ressonância Os acelerômetros devem ser fixados rigidamente na amostra, garantindo também planicidade em relação à superfície de montagem e paralelismo em relação ao eixo de medição. Quanto ao posicionamento dos acelerômetros para pesquisa de ressonância, estes devem ser definidas ou por norma ou pela solicitação do cliente. 3.2.3.13 Ensaios de Choque O Ensaio de Choque é caracterizado pela excitação de pulsos independentes separados por um intervalo de tempo que podem ter a forma de meio-seno, trapezoidal ou dente de serra. A sua amplitude é definida pela aceleração e pela duração do pulso que é em milisegundos. Quanto maior for a duração do pulso, maior será a sua amplitude, porém, a aceleração não será alterada. O pulso pode ser positivo ou negativo. Se ele for positivo, o choque será para cima; já se o pulso for negativo, o choque será para baixo. O Ensaio de Choque é usado para ensaios em equipamentos onde se visa observar encaixes e juntas, já que é um ensaio bem severo. 34 DE 37
  35. 35. Vibrações e Acelerômetros Gráfico 4 – Curva Típica de Ensaio de Choque 3.2.3.14 Ensaios de Queda Livre O Ensaio de Queda Livre consiste em deixar que o equipamento embalado caia livremente em uma superfície plana livre de saliências e em alturas especificadas por normas. A altura varia de acordo com o peso do equipamento com a embalagem. Este ensaio visa determinar se a embalagem do equipamento está projetada para suportar os choques da embalagem com corpos no meio externo. 3.2.3.15 Medições em Campo As Medições em Campo são feitas quando é necessário medir as vibrações no equipamento na sua condição real de uso para que posteriormente seja possível reproduzir essas condição em laboratório. Nas medições em campo são geralmente utilizados um analisador de sinais, acelerômetros e cabos. Após feita as medições em campo, os dados obtidos são estudados e é desenvolvido dentre os ensaio acima um ensaio que simule em laboratório as condições presenciadas em campo. 35 DE 37
  36. 36. Vibrações e Acelerômetros Foto 13 – Setup realizado em ensaio em campo – medições de vibração da suspensão de um veículo – destaque para o acelerômetro de medida 4. REFERÊNCIAS Bezerra, R. Detecção de Falhas em Rolamentos por Análise de Vibração. Tese de doutorado, Faculdade de Engenharia Mecânica, Unicamp. 2004. Cetinkunt, S. Mechatronics. John Wiley & Sons. 2007. Comitti, A. Monitoramento de condições através da vibração. Mecatrônica Atual. Editora Saber. Dezembro/janeiro, 2006-2007. Fernandes, J. Segurança nas Vibrações sobre o Corpo Humano. http://wwwp.feb.unesp.br/jcandido. 2000. Marques, A. Conversão de unidades de vibração. Mecatrônica Atual. Editora Saber. Junho/julho, 2007. 36 DE 37
  37. 37. Vibrações e Acelerômetros Michalak, E., Fagundes, M. e Saturnino, A. Análise de vibração em estufas de secagem de madeira. Mecatrônica Atual. Editora Saber. Junho/julho, 2007. Medição de Vibrações – Aspectos Gerais. http://www.isegnet.com.br/1index.asp. 2007. Paulino, K. Medidas de grandezas dinâmicas. Unicamp. 2007. Webster, J. (Coordenador). The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook. CRC Press and IEEE Press. 1999. NMi Brasil Ltda – Laboratório de vibração http://www.nmibrasil.com.br Unholtz Dikie – Equipments – http://www.udco.com 37 DE 37

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