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MEMS ou sistema micro electro mecânico, são dispositivos que concentram na mesma unidade, de pequena dimensão (em alguns milímetros), vários sistemas combinados de natureza mecânica com sistema de medição elétrico, conversão de sinal analógico para digital, processamento de dados, entre outras possibilidades.

O sensor MEMS de um acelerómetro linear é baseado numa estrutura em silicone, com interdigitações e em forma de pente composta por dedos fixos e móveis. A aceleração é obtida da medição dos deslocamentos de elementos móveis que estão associados aos eixos. O movimento medido pelo sensor é então convertido num sinal analógico ou digital. [11]

O princípio de funcionamento de um sensor de vibração MEMS, é o de um sistema de massa, mola, amortecido. A figura abaixo ilustra a estrutura física, mecânica do sensor.

As principais vantagens de utilização da utilização de MEMS, são a possibilidade de fazer leituras em três direções distintas, o baixo custo por unidade, disponibilidade, baixo peso e pequenas dimensões, tornando possível aplicação de vários sensores aplicado diretamente na estrutura. São apontados também desvantagens como o fraco desempenho a baixas frequências, um índice de ruído superior ao verificado nos sensores convencionais, limitações ao nível da alimentação. Devido ainda ao grande potencial de desenvolvimento tecnológico, visto que esta está em grande desenvolvimento, as desvantagens apontadas poderão vir a ser ultrapassar num futuro próximo.

Seleção de sensor vibrações

3.1.

Introdução

No mercado especializado dos Micro Electric Mechanical System MEMS pode ser encontrada uma grande variedade de sensores inerciais MEMS, desenvolvidos para vários usos, aplicações, com performances e capacidades distintas. Estes sensores diferenciam- se em dois componentes chaves, o hardware e software. A primeira componente é a que mais contribui para a performance do sensor, definido pelo tipo de estrutura mecânica usada por cada sensor, componentes usados, como os transdutores, microprocessadores, etc.

Cada sensor MEMS é desenvolvido para uma determinada utilização ou função, nesse âmbito as especificações e funcionalidades são ajustadas para cumprir essa função com uma determinada performance.

Neste momento os fabricantes de sensores MEMS têm a sua produção focada para aplicações ou utilizações que não requerem resultados com grandes exatidão, precisão e performance, estando mais motivados em produzir MEMS com baixo custo, dimensões e consumos elétricos. [12]

A grande parte dos fabricantes de MEMS com fins industriais, projeta e desenvolve os seus produtos com grande versatilidade para que alcancem o maior número de aplicações. O mercado com maior crescimento em termos de volume de vendas, são os dispositivos móveis, como é caso dos telemóveis, tablets, gaming, werables etc.

Para ter uma ideia do universo de fabricantes de componentes MEMS, é apresentada abaixo a figura 3.1 com os 30 maiores fabricantes, focados na produção de MEMS para o mercado de tablets, telemóveis, em relação com outras áreas de mercado. A informação foi disponibilizada pela i-Micronews em junho de 2014 [13].

A área de mercado ligado a produção de tabletes e telemóveis é que tem vindo a dinamizar o desenvolvimento tecnológico de MEMS e consequentemente baixando os preços de produção.

Especificações necessárias para sensores ligados á área da SHM de estruturas de engenharia civil, são bastantes exigentes, devido a ordem de grandeza da acelerações e amplitudes medidas serem muito baixas, quando produzidas pelo ruído ambiental. [14]

Os fabricantes de sensores inerciais MEMS de elevada precisão e performance, aplicáveis á área da SHM representam um pequeno nicho de mercado. Os sensores MEMS produzidos por estes são de elevado custo, situação deve-se ao custo de investimento necessário ao desenvolvimento da elevada performance e precisão de cada MEMS, bem como a sua caracterização metrológica e certificação. O custo unitário é bastante elevado ultrapassando o custo dos acelerómetros tradicionalmente usados na área da SHM de estruturas de engenharia civil.

Os fabricantes de MEMS de baixo custo à data presente, estão a desenvolver as suas próprias soluções, neste momento já lançaram para o mercado os primeiros sensores inerciais vocacionados para monitorização de vibrações, SHM, e representam a novidade, mas ainda estão numa fase embrionária no seu desenvolvimento, não existem ensaios que validem ou comprovem as suas especificações ou o comportamento em aplicações.

De acordo com um estudo metrológico a sensores MEMS de baixo custo, cujas utilizações inicialmente previstas não incluem a área da SHM de estruturas de engenharia civil, este estudo caracterizou-os metrologicamente tendo em vista as especificações necessárias da área da SHM. Conclui que estes podem ser aí aplicados, possuem ótima relação qualidade/custo, visto que estes custam 10 vezes menos que os acelerómetros tradicionais e em termos de performance são comparáveis desde que alguns aspetos fundamentais sejam tidos em conta. [14]

Para obter um bom resultado em termos de performance e precisão de resultados, há que ajustar as características e especificações do sensor MEMS, às especificações do sistema a monitorizar.

É essencial saber a priori os parâmetros a medir das grandezas físicas, sabendo essas informações comparam-se com as especificações do sensor, assim adequado um sensor aos parâmetros que se pretendem medir.

Como exemplos das informações necessárias à escolha de um sensores inercial temos, o tipo de ações está o sensor sujeito, se são estáticas ou dinâmicas e quais os valores máximos e mínimos espectados, em que direções se movimenta o objeto de monitorização, quais os valores esperados em termos de intervalo de frequências são do sistema a monitorizar, etc.

Segundo vários investigadores ligados a área SHM, as frequências naturais registadas em estruturas de engenharia civil são relativamente baixas, situando-se abaixo dos 100Hz. [14]

A maioria das vibrações ambientais nas estruturas, caracterizam-se por serem de baixa amplitude e baixa aceleração, os valores encontram-se na ordem dos milig, assim a escala deve-se situar entre ±1g a ±2g.

Estes necessitam de ser bastante sensíveis ao movimento, devem gerar muito pouco ruído para que assim se obtenha uma alta resolução. Numa situação ideal o ruído por um sensor deve-se situar na ordem 1 μg/sqrt(Hz).