FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS - Aula 05 e 06 - Mauro Hugo Mathias

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AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE 
PÓS-GRADUAÇÃO
FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS
Mauro Hugo Mathias 
Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá
Programa de Pós-graduação em Mecânica
Área de Projetos
AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE 
PÓS-GRADUAÇÃO
FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS
Capítulo 2 – Instrumentação aplicada ao monitoramento
Conteúdo do capítulo
Neste capítulo efetuaremos o estudo de:
2.1 – Transdutores de vibração;
2.2 – Sistemas de condicionamento de sinais;
2.3 – Coletores e analisadores digitais.
Instrumentação aplicada ao monitoramento
AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE 
PÓS-GRADUAÇÃO
FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS
Capítulo 2.1 – Transdutores de vibração
Transdutores de vibração 
Introdução
Para a análise de vibrações é necessário a utilização de sensores para as
medições, no entanto, dependendo da máquina a ser monitorada é
necessário uma montagem definitiva ou provisória dos sensores.
• Montagem definitiva: é eficiente na detecção de mudanças súbitas nas
assinaturas de vibração, como por exemplo no desbalanceamento
repentino das pás de um ventilador por causa da poeira acumulada;
• Montagem provisória: custo mais barato de instalação dos sensores;
possibilidade de aplicação de técnicas mais avançadas de processamento
do sinal de vibração, podendo “predizer” de uma forma mais eficiente.
Transdutores de vibração são essenciais para monitorar a condição de
máquinas, pois serão responsáveis pela transformação do sinal de
vibração em um sinal elétrico que poderá ser processado e analisado de
forma mais efetiva. No entanto, vibrações mecânicas podem ser
analisadas em 3 parâmetros: deslocamento, velocidade e aceleração.
Transdutores de vibração 
Aplicação 
Transdutores de vibração 
Medidas de vibração absoluta e relativa
De acordo com a ISO 7919-1:
Medição de vibrações relativas geralmente são realizadas com um
transdutor sem contato que percebe o deslocamento vibratório entre o eixo
e um membro estrutural da máquina (mancal de deslizamento por
exemplo).
Transdutores de vibração 
Medidas de vibração absoluta e relativa
Medição de vibrações absolutas são realizadas por um dos seguintes
métodos:
• Por uma sonda eixo-equitação, em que um transdutor sísmico
(acelerômetro ou transdutor de velocidade) é montado de forma que as
vibrações absolutas do eixo sejam medidas diretamente;
• Por um transdutor sem contato que mede vibração relativa do eixo em
combinação com um transdutor sísmico (acelerômetro ou transdutor de
velocidade) que mede a vibração de apoio. Ambos os transdutores devem
ser montados juntos para que eles sofram o mesmo movimento absoluto
na direção de medição. Suas saídas condicionadas são somadas
vetorialmente para fornecer uma medida do movimento absoluto do eixo.
Sensor do tipo Eddy Current 
(Proxímetros)
Sensor Indutivo (Trigger)
Transdutores de vibração
Transdutores de deslocamento
Os transdutores de deslocamento são geralmente sensíveis a um
movimento relativo, como por exemplo a distância entre o sensor fixo em
um mancal e um eixo vibrando. Os principais tipos são:
• Indutivo;
• Eddy Current;
• Capacitivo.
Vantagens
• Não tem contato com a 
superfície de medida;
• Opera em freqüência 
baixas, inclusive DC;
• Não possui partes 
móveis, de modo que não 
apresenta desgaste.
Desvantagens
• Faixa dinâmica é limitada;
• Faixa de freqüência 
limitada (DC a 200 Hz);
• Variações nas 
propriedades magnéticas 
do sistema podem 
ocasionar componentes 
errôneas;
• Necessidade de 
calibração local. 
Transdutores de vibração
Transdutores de deslocamento
Medição de rotação do eixo
Transdutores de vibração
Transdutores de deslocamento do tipo indutivo (Trigger)
Seu funcionamento baseia-se na variação da relutância magnética de um
imã permanente, pela aproximação alternada de um material ferro-
magnético. Que em movimento periódico gera uma frequência, ou seja, é
utilizado principalmente para a medição de rotação de eixos.
Transdutores de vibração
Experimento de medição de rotação com trigger
Posicionamento do trigger 
próximo a chaveta de um eixo
Leitura da rotação obtida em um osciloscópio
Experimento de medição de rotação com trigger
Transdutores de vibração
Vídeo – Demonstração de medição de rotação com trigger.
Transdutores de vibração 
Transdutores de deslocamento do tipo Eddy Current (Proxímetro)
Seu funcionamento baseia-se na geração de um campo magnético por um
oscilador de alta frequência, com a aproximação alternada da peça acaba
provocando um efeito de modulação na amplitude da bobina secundária,
em seguida o sinal é demodulado e transformado a forma de vibração
requerida.
Os proxímetros são normalmente utilizados para monitorar o movimento
relativo entre um eixo e a carcaça de uma máquina.
Transdutores de vibração 
Montagem de transdutores de deslocamento
Transdutores de deslocamento normalmente são montados de forma
permanente em máquinas que utilizam mancais planos.
Transdutores de deslocamento devem ser montados com um ângulo de
90º entre si. Preferencialmente em planos de 45º com a vertical em relação
ao rolamento.
Transdutores de vibração 
Transdutores de velocidade
Os transdutores de velocidade (pickups) consistem geralmente de bobinas
suspensas em molas. A bobina é deslocada em um campo homogêneo de
um imã permanente através da vibração mecânica. A tensão induzida na
bobina é proporcional ao número de interseções de linhas de força por
unidade de tempo, ou seja, proporcional a velocidade da bobina.
Meio 
amortecedor
Conector
Mola
Bobina
Imã 
permanente
Vantagens
• Robusto e resistente a 
meios agressivos;
• Sensibilidade alta em 
baixas freqüências;
• Alto sinal de saída com 
resistência interna baixa;
• Sensor ativo sem fonte 
de alimentação externa.
Desvantagens
• Faixa dinâmica é limitada;
• Faixa de freqüência 
limitada a 2000 Hz;
• Partes móveis passíveis 
a desgaste;
• Dimensão considerável;
• Sensível a orientação;
• Necessita calibração 
local.
Transdutores de vibração 
Transdutores de velocidade
Transdutores de vibração 
Transdutores de aceleração
Os transdutores de aceleração normalmente conhecidos como
acelerômetros, em geral utilizam um cristal piezoelétrico, colocado entre a
cobertura da cabeça do sensor e a massa sísmica do sensor. Ao ser
submetido a uma aceleração a massa exerce por inércia uma força no
cristal e a diferença de potencial que aparece entre os terminais preso ao
cristal é proporcional á aceleração medida. Os sensores de aceleração
piezoelétrico medem a aceleração absoluta do movimento. Os modernos
equipamentos eletrônicos de condicionamento de sinais com auxílio de
integradores e diferenciadores permitem avaliar a partir dos acelerômetros
os três parâmetros de monitoramento de vibração.
Vantagens
• Encapsulamento 
hermético e robusto;
• Compacto;
• Ampla faixa de 
freqüência;
• Insensível a campos 
magnéticos.
Desvantagens
• Sensor passivo que 
requer fonte externa;
• Baixa sensibilidade na 
faixa inferior de freqüência.
Transdutores de vibração 
Transdutores de aceleração
Escolha e parâmetros dos acelerômetros
Transdutores de vibração 
Na definição do acelerômetro para quantificar a vibração de estruturas é
recomendável definir o acelerômetro de trabalho com massa que não
exceda a 1/10 da massa da estrutura a ser monitorada.
Usualmente os fabricantes de acelerômetros fornecem a curva de
calibração que estabelece a faixa de freqüência de operação, sua
freqüência de ressonância, o ganho (ou sensibilidade).A sensibilidade
usualmente é dada em termos da aceleração da gravidade (g) ou no
sistema internacional em m/s². Também é usual definir a sensibilidade do
acelerômetro em termos da carga em (pC/g) em razão deste sensor
apresentar uma alta capacitância elétrica.
Acelerômetro piezoelétrico
Tipos de acelerômetros
Transdutores de vibração 
Os principais tipos de acelerômetros são: o piezoelétrico, o piezorresistivo 
e o capacitivo.
Transdutores de vibração 
Transdutores de aceleração
Transdutores de vibração 
Transdutores de aceleração
Os fabricantes de acelerômetros de 
precisão enviam as cartas de calibração 
do equipamento com as informações de:
Sensitividade
Freqüências limites
Valores máximos de aceleração
Transdutores de vibração 
Transdutores de aceleração
Informações importantes:
- Faixa de resposta em freqüência, contendo a freqüência de ressonância 
do acelerômetro
Transdutores de vibração 
Montagem dos transdutores de aceleração
Existem vários métodos de fixação, cada um apresentando vantagens e
limitações.
A fixação que apresenta melhor resultado é por parafuso prisioneiro.
A utilização de imã permanente como método de fixação é versátil, mas é
inadequado quando os níveis de aceleração são elevados.
Outro tipo de fixação é através de hastes, este tipo apresenta várias
restrições, em especial a de limitar a freqüência máxima de análise à 1
kHz, acima deste valor as medidas passam a ser não confiáveis. Este
ultimo processo deve ser utilizado somente quando não há possibilidade
de acoplamento rígido e direto com a estrutura.
Transdutores de vibração 
Montagem dos transdutores de aceleração
Na figura abaixo são ilustrados as principais de formas fixação de 
acelerômetros.
Transdutores de vibração 
Montagem dos transdutores de aceleração
Na foto abaixo são ilustrados as principais de formas fixação de acelerômetros.
Fixação com 
base magnética
Probes de coleta 
com pontas 
agudas e circularFixação com 
parafuso 
prisioneiro
Escolha e parâmetros dos acelerômetros
Transdutores de vibração 
A escolha dos transdutores de vibração deve ser feita conforme a
freqüência e unidade que se deseja medir.
A tabela abaixo mostra uma relação entre a freqüência a ser medida e a
eficácia do tipo do transdutor:
TRANSDUTOR 0-2 Hz 2-5 Hz 5-200 Hz 200 Hz – 1 kHz 1 – 2 kHz 2-20 kHz
Deslocamento BOM BOM BOM FRACO LIMITADO
QUASE 
NULO
Velocidade FRACO BOM BOM BOM FRACO POBRE
Aceleração LIMITADO FRACO BOM BOM BOM BOM
Escolha e parâmetros dos acelerômetros
Transdutores de vibração 
TRANSDUTOR 0-2 Hz 2-5 Hz 5-200 Hz 200 Hz – 1 kHz 1 – 2 kHz 2-20 kHz
Deslocamento BOM BOM BOM FRACO LIMITADO
QUASE 
NULO
Velocidade FRACO BOM BOM BOM FRACO POBRE
Aceleração LIMITADO FRACO BOM BOM BOM BOM
Deslocamento Velocidade Aceleração
Referências bibliográficas
Transdutores de vibração 
Bruel & Kjaer: http://www.bksv.com/Products/TransducersConditioning/VibrationTransducers.aspx
SKF: http://www.skf.com/portal/skf/home/products?contentId=292734&lang=pt
MMF: http://www.mmf.de/vibration_transducers.htm
ENDEVCO: http://www.endevco.com/feature/Feature-751.html
CTC: https://ctconline.com/__100_mv_g___standard_size_(most_common).aspx
GE Bently Nevada: http://www.ge-mcs.com/en/bently-nevada-sensors-and-transducers.html
Schenck: http://www.schenck-usa.com/prod_sensors.html
GIF: http://www.gif.net/en/products/electronics/vibration/
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Mauro Hugo Mathias 
Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá
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Capítulo 2 – Instrumentação aplicada ao monitoramento
Conteúdo do capítulo
Neste capítulo efetuaremos o estudo de:
2.1 – Transdutores de vibração;
2.2 – Sistemas de condicionamento de sinais;
2.3 – Coletores e analisadores digitais.
Instrumentação aplicada ao monitoramento
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Capítulo 2.2 – Sistemas de condicionamento de sinais
Um sinal de vibração, vindo por exemplo de um acelerômetro, há uma
perda significativa da sensibilidade e com isso uma perda da capacidade
da medição levando a resultados incorretos. Com isso é necessário uma
manipulação do sinal adquirido, amplificando-o e filtrando de ruídos
desnecessários. Essa é a definição do CONDICIONAMENTO DE SINAIS.
Sistemas de condicionamento de sinais
O que é o condicionamento de sinais?
Condicionador de sinais
Sistemas de condicionamento de sinais
Métodos de condicionamento de sinais
Para o condicionamento de sinais podem ser usadas várias técnicas, entre
elas:
• Amplificação e Pré-Amplificação;
• Isolação;
• Multiplexagem;
As técnicas de amplificação e filtragem são as mais utilizadas para o
condicionamento de sinais e serão abordadas mais detalhadamente a
seguir.
• Filtragem;
• Excitação;
• Linearização.
Sistemas de condicionamento de sinais
Amplificação e Pré-Amplificação
A função dos pré-amplificadores é amplificar os sinais fracos dos sensores
e adequar a alta impedância de saída dos sensores, diminuindo a mesma
de forma a compatilibilizar com a baixa impedância da instrumentação de
medida e análise. Há dois tipos de pré-amplificadores que podem ser
usados em acelerômetros piezoelétricos, o de Carga e de Tensão.
Sistemas de condicionamento de sinais
Amplificação e Pré-Amplificação
Pré-Amplificadores de Carga: Produzem uma tensão de saída
proporcional à carga de entrada e não amplificam a carga. Os
amplificadores de carga são mais apropriados para medidas, tendo em
vista que estes são insensíveis a capacitância dos cabos e conexão e sua
freqüência não é influenciada pela impedância de entrada.
Pré-Amplificadores de Tensão: Os pré-amplificadores de tensão são
mais simples e de menor custo e apresentam desvantagens operacionais
se comparados aos pré-amplificadores de carga. O sinal de saída de um
pré-amplificador de tensão é proporcional à entrada da tensão e o
acelerômetro é tratado como uma fonte da tensão. As mudanças na
capacitância dos cabos causam uma mudança na sensibilidade do nível
global. As mudanças na resistência da entrada podem causar uma
mudança no desempenho da baixa freqüência.
Sistemas de condicionamento de sinais
Amplificação e Pré-Amplificação
Sistemas de condicionamento de sinais
Pré-Amplificador de tensão
Pré-Amplificador de 
carga
Amplificação e Pré-Amplificação
Os amplificadores ainda podem vir acompanhados dos seguintes recursos:
• Instrumentos de leitura das grandezas de vibração;
• Integração da saída do acelerômetro para obter sinais de velocidade e
deslocamento;
• Identificação de sobrecarga na entrada e a saída do pré-amplificador;
• Filtrar sinais de baixa e alta freqüência para rejeitar sinais indesejados.
Sistemas de condicionamento de sinais
Amplificação e Pré-Amplificação
Nota: Nas medidas de componentes de vibração complexas a fase das
várias componentes de freqüência da vibração pode variar em função de
erros nos amplificadores, o que significa que a forma dos sinais de entrada
e saída não serão uniformes. Este problema é mais significativo nas faixas
de freqüências inferior e superior do sistema. É recomendável no caso de
sinais de vibração complexos:
• A menor componente de freqüência do sinal deve ser no mínimo 10 vezes
maior que o valor da freqüência limite inferior do instrumento;• A componente de freqüência mais elevada deve ser 1/10 da freqüência de
limite superior do instrumento.
Sistemas de condicionamento de sinais
Filtragem
Os filtros são provavelmente os equipamentos auxiliares mais amplamente
utilizados na análise de vibrações. Os filtros de forma simplificada limitam o
sinal de vibração em uma faixa ou banda de freqüências que pode ser
isolada para medição ou estudo.
Sistemas de condicionamento de sinais
Tipos de filtros
Os filtros podem ser classificados em quatro tipos:
• Filtro passa-banda (Band Pass) os quais são amplamente utilizados em
analisadores de vibração.
• Filtro passa-baixa (Low Pass) são aplicados a sinais de deslocamento
de eixos medidos com proxímetros, para eliminar altas freqüências
geradas por riscos na superfície.
• Filtros passa-alta (High Pass) são geralmente necessários para eliminar
o ruído de baixa freqüência típico de integradores de sinais.
Sistemas de condicionamento de sinais
Tipos de filtros
• Filtros rejeita-banda (Band Stop) são empregados para excluir uma
componente de amplitude elevada, para evidenciar melhor as demais
componentes, como no caso da análise de corrente elétrica em motores de
indução, em que é conveniente remover a componente de 60 hz para
analisar outras componentes.
Sistemas de condicionamento de sinais
Tipos de filtros
Sistemas de condicionamento de sinais
Filtros passa-banda
Dois tipos de filtro passa-banda são comumente usados em analisadores,
o filtro de banda constante e de porcentagem constante.
O de banda constante irá passar uma banda de freqüências de largura
constante, não importando onde a freqüência central do filtro estiver
sintonizada, esse tipo de filtro fornece uma resolução uniforme ao longo da
escala de freqüência, tendo assim uma capacidade de separação das
frequências mais altas e facilidade de detecção de harmônicos.
Já o de porcentagem constante, a banda passante é uma porcentagem da
freqüência de sintonia, de tal forma que, se o filtro for sintonizado em
freqüências mais elevadas, a largura da banda será maior, com a
correspondente redução na resolução, com isso é ideal para checagem
mais rápida das frequências e exige um tempo menor de processamento.
Sistemas de condicionamento de sinais
Referências bibliográficas
Bruel & Kjaer: http://www.bksv.com/Products/TransducersConditioning/ConditioningAndAmps.aspx
ENDEVCO: http://www.endevco.com/feature/Feature-751.html
National Instruments: http://www.ni.com/signalconditioning/
LYNX: http://www.lynxtec.com.br/prod_condic.htm
Sistemas de condicionamento de sinais
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FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS
Capítulo 2.3 – Coletores e analisadores digitais
Coletores e analisadores digitais
Introdução
A coleta e analise dos sinais de vibração pode ser feita de 2 formas: com 
instrumentos de medição físico (um osciloscópio por exemplo) que consiga 
processar o sinal de vibração; ou via computador, com placas de aquisição 
de dados e programas de processamento de sinais.
Coletores e analisadores digitais
Medidores de vibração
Um instrumento de medição é composto basicamente em:
• Circuito seletor de filtros para limitar as extremidades inferior e superior 
da faixa de freqüências, de tal forma a eliminar ruídos e sinais indesejados;
• Integradores que permitem medir velocidade e deslocamento a partir da 
aceleração da vibração;
• Um detector de sinal e um indicador para fornecer o valor rms ou de pico 
do sinal.
Coletores e analisadores digitais
Analisadores de frequência
São dotados de filtros passa-banda podendo eliminar partes 
desnecessárias e verificar assim a severidade da vibração. Podem ser de 
sintonia manual ou automática (com Trigger).
Analisadores de frequência de sintonia automática são melhores, pois 
conseguem ajustar o filtro a um sinal externo de referência, a rotação do 
eixo por exemplo. Alguns deles possuem 2 ou mais canais possibilitando a 
geração de gráficos de órbitas filtradas.
Coletores e analisadores digitais
Analisadores de espectro
Um analisador de espectro de tempo real é um instrumento capaz de 
transformar continuamente um sinal em função do tempo em seus 
componentes espectrais em função de freqüências, a uma velocidade tal 
que o resultado possa ser visualizado em um osciloscópio, e qualquer 
mudança do sinal no tempo sempre resulte em mudanças correspondentes 
no espectro. Conseguindo acompanhar mudanças dinâmicas e espectrais, 
como a mudança de rotação de uma máquina e a análise de sinais de 
curta duração, como vibrações transientes e choques.
Um exemplo de analisador de espectro é o osciloscópio.
Coletores e analisadores digitais
Analisadores de espectro
Osciloscópio mostrando o espectro de um sinal
Coletores e analisadores digitais
Analisadores de espectro
Analisadores de espectro podem executar a FFT do sinal, gerando assim o 
espectro de vibração, também há possibilidade de janelamento do sinal e o 
cálculo da média do espectro.
Coletores e analisadores digitais
Coletores e analisadores de dados 
Coletores e analisadores de dados são instrumentos de grande
importância para a manutenção preditiva, pois com eles é possível a
coleta, o processamento, o armazenamento e se necessário o envio de
dados de vibração para um computador. Se tornando assim um
indispensável equipamento para a monitoração de condição em máquinas.
Algumas de suas características:
• Alta resolução;
• Zoom verdadeiro;
• Análise em 2 ou mais canais
• Entrada para estroboscópio e tacômetro.
• Gráfico polar e geração de órbita;
• Análise de transitórios;
• Gráficos de Bode e Nyquist;
Coletores e analisadores digitais
Coletores e analisadores de dados 
Analisador de dados portátil
Fonte: Crystal Instruments - http://www.go-ci.com/products.asp
Coletores e analisadores digitais
Referências bibliográficas 
SKF: http://www.skf.com/portal/skf/home/products?contentId=292513&lang=pt
Bruel & Kjaer: http://www.bksv.com/Products/VibrationMeters.aspx
Minipa: http://www.minipa.com.br/modelos.aspx?ID_Sub_Categoria=36
ENDEVCO: http://www.endevco.com/feature/Feature-751.html
DLI Enginneer: http://www.azimadli.com/
GE Bently Nevada: http://www.ge-mcs.com/en/bently-nevada-portable-and-diagnostic/data-collection.html
Schenck: http://www.schenck-usa.com/prod_vibration.html
Agilent Technologies: http://www.home.agilent.com/agilent/product.jspx?nid=-536902453.0.00&pageMode=OV&lc=por&cc=BR#
Tektronix: http://www.tek.com/spectrum-analyzer
Rohde & Schwarz: http://www.rohde-schwarz.com.br/pt/products/teste-medida/spectrum_analysis/frequencies/