Especificaciones de acelerómetros para vibración: lo que importa

El sensor inalámbrico nuevo se instala en el motor, el tablero se llena de tendencias muy limpias y tres meses después falla un rodamiento sin que la tendencia se mueva. El sensor funcionaba. Simplemente no podía ver las frecuencias donde aparece un defecto incipiente de rodamiento, y además estaba sujeto con un imán que recortaba la parte alta. Las especificaciones de acelerómetros para vibración solo tienen sentido cuando las lees contra la falla que quieres detectar. Aquí repasamos las que importan (ancho de banda, densidad de ruido, rango en g, resonancia, ejes y montaje), cómo dimensionar cada una con un poco de aritmética y por qué el mejor número de la hoja de datos (datasheet) muchas veces no es el que obtienes en la máquina.

Puntos clave

• Empieza por la falla. El desbalance y la desalineación aparecen cerca de la velocidad de giro; las fallas de rodamientos, engranes y cavitación se detectan mejor en varios kilohertz.
• La aceleración crece con la frecuencia. La misma velocidad de vibración es 100 veces más aceleración a 3 kHz que a 30 Hz, y eso afecta tanto el rango como el ruido.
• La densidad de ruido solo significa algo junto con un ancho de banda: el ruido total crece con la raíz cuadrada del ancho de banda que conservas.
• El montaje es parte del sensor. La guía de instalación de Endevco muestra que el montaje con birlo conserva las altas frecuencias que un imán pierde.
• MEMS y piezoeléctrico ganan cada uno en su terreno. El MEMS mide hasta DC y trae autoprueba; el piezoeléctrico suele tener menos ruido en alta frecuencia.

“El sensor no lo vio venir”

Casi todas las instalaciones de vibración que decepcionan fallan de unas cuantas formas predecibles.

El ancho de banda se queda corto. Un sensor de 1 kHz sigue a la perfección el desbalance de un motor de 1,800 rpm y no ve los impactos de alta frecuencia que excita un defecto incipiente de rodamiento.

El piso de ruido queda por encima de la señal sana. Una máquina bien balanceada vibra muy poco. Si el ruido propio del sensor es mayor que eso, la tendencia es una línea plana de ruido del sensor hasta que la falla ya es grave.

El rango se satura. Un sensor dimensionado para la vibración tranquila de operación se satura en el arranque, con impactos o con una pata floja, y una señal recortada produce offsets y armónicos falsos.

El montaje filtra la señal. Un imán, una capa gruesa de adhesivo o una ménsula agregan una resonancia mecánica y una caída en alta frecuencia que la hoja de datos no conoce.

Cada falla apunta a una especificación concreta, y cada especificación se puede dimensionar antes de comprar.

Cómo funcionan las especificaciones clave de un acelerómetro

Ancho de banda: lo fija la falla, no la velocidad de la máquina

Cada falla vive en frecuencias distintas. El desbalance aparece a la velocidad de giro; la desalineación, a la velocidad de giro y sus primeros armónicos. Las fallas de rodamientos (baleros) son otra historia. En su tutorial muy citado de Mechanical Systems and Signal Processing, Randall y Antoni describen cómo cada impacto de un defecto localizado excita resonancias de alta frecuencia del rodamiento y su alojamiento, y cómo el análisis de envolvente recupera la tasa de repetición (la frecuencia de defecto) a partir de esa banda alta. Los impactos se repiten a unos cientos de hertz, pero la energía que detectas suele estar en los kilohertz.

Las frecuencias de defecto salen de la geometría. La de pista exterior es BPFO = (n/2) × f_r × (1 − (d/D) cos φ), donde n es el número de elementos rodantes, f_r la frecuencia del eje, d el diámetro del elemento, D el diámetro primitivo y φ el ángulo de contacto. Un ejemplo ilustrativo: un motor de 4 polos en una planta de Querétaro, alimentado a 60 Hz y girando a 1,770 rpm (f_r = 29.5 Hz), con un rodamiento de 9 bolas, d/D = 0.2 y φ = 0, tiene BPFO = 4.5 × 29.5 × 0.8 ≈ 106 Hz. Randall y Antoni señalan que las frecuencias reales suelen diferir de las calculadas en uno o dos por ciento por el deslizamiento, una de las razones por las que los espectros de envolvente se leen con tolerancia.

Chris Murphy, de Analog Devices, escribe sobre sensores para monitoreo de condición y lo dice sin rodeos: las fallas de rodamientos, de engranaje y la cavitación en bombas se detectan mejor arriba de unos 5 kHz, a veces hasta 20 kHz o más. Un sensor de 1 kHz es buena herramienta para desbalance y holguras; no es un detector temprano de fallas de rodamiento.

La aceleración escala con el cuadrado de la frecuencia

Los acelerómetros miden aceleración, pero la severidad de vibración casi siempre se juzga en velocidad, y el desplazamiento importa para las holguras. Las tres se relacionan con la frecuencia: en una senoide, aceleración = 2πf × velocidad = (2πf)² × desplazamiento.

Dos números lo dejan claro. Benjamin Reiss, de Analog Devices, apunta que un desplazamiento de 250 nm equivale a cerca de 1 g a 1 kHz, pero a cerca de 100 g a 10 kHz. Y con la velocidad fija en 4.5 mm/s RMS, la aceleración es de unos 0.09 g a 30 Hz, 0.86 g a 300 Hz y 8.6 g a 3 kHz. De ahí salen dos consecuencias: las fallas de alta frecuencia pueden producir aceleraciones sorprendentemente grandes, así que el rango en g tiene que cubrirlas; y la vibración de baja frecuencia produce aceleraciones muy pequeñas, así que el piso de ruido tiene que ser lo bastante bajo para verlas.

Densidad de ruido: siempre multiplícala por el ancho de banda

El ruido de un acelerómetro suele especificarse como densidad, en µg/√Hz. Para compararlo con un nivel de vibración necesitas el ruido RMS en el ancho de banda que conservas, que es la densidad por la raíz cuadrada del ancho de banda de ruido. Para un filtro de un polo, el ancho de banda de ruido es π/2 veces la frecuencia de −3 dB.

El ejemplo de Murphy: 80 µg/√Hz con un filtro pasabajas de un polo a 1 kHz dan unos 3.2 mg RMS. La misma cuenta muestra por qué un ancho de banda amplio no sale gratis: 25 µg/√Hz en un ancho de banda de un polo de 5 kHz dan unos 2.2 mg RMS, y 100 µg/√Hz en la misma banda, unos 8.9 mg. Murphy compara estas cifras con los niveles de vibración de máquinas en buen estado según las clases de máquinas de ISO y concluye que un sensor para un equipo pequeño y suave necesita un piso de ruido de unos cuantos mili-g para siquiera ver la línea base sana.

Rango en g: cubre el peor evento, incluida la gravedad

El consejo de Reiss sobre el rango es sencillo y se ignora seguido: elige un rango que cubra todas las aceleraciones del sistema, y recuerda que la gravedad por sí sola pone 1 g en un eje vertical. Una señal que excede el rango se recorta, y el recorte produce offsets asimétricos y armónicos que parecen fallas. Murphy señala que los requisitos de monitoreo de condición empiezan alrededor de ±16 g para equipos pequeños y llegan a ±500 g en algunos equipos industriales.

Aquí hay una tensión. En muchos sensores un rango mayor viene con más ruido, así que el rango debe alcanzar para el peor evento real y no más.

Resonancia: la frecuencia que el sensor exagera

Todo acelerómetro tiene una resonancia mecánica donde su respuesta sube bruscamente. Reiss advierte que las aceleraciones en la frecuencia de resonancia se amplifican y distorsionan la medición si no se amortiguan o filtran. El ancho de banda útil queda muy por debajo de la resonancia, y la que cuenta es la del sensor ya montado.

Montaje: la especificación que la hoja de datos no controla

La guía de instalación de Jim Matthews para Endevco (TP319) afirma que el montaje con birlo (stud) da mayor transmisibilidad que cualquier otro método, que ningún adhesivo es tan rígido como un birlo de montaje normal y que los adaptadores magnéticos en general solo sirven para mediciones de baja frecuencia, por debajo de unos cuantos cientos de hertz. También especifica la preparación de superficie que supone el montaje con birlo: un asiento plano y liso, un barreno roscado perpendicular y el torque del fabricante. Un sensor con 10 kHz de ancho de banda en la hoja de datos, sujeto con un imán sobre una carcasa curva y pintada, es un sensor de menos de un kilohertz.

¿MEMS o piezoeléctrico?

Albarbar y su equipo probaron tres acelerómetros MEMS capacitivos espalda con espalda contra una referencia piezoeléctrica calibrada, en un excitador y en una máquina CNC, y lo publicaron en Sensors en 2008. Dos de los tres siguieron bien a la referencia, incluyendo la velocidad de giro y sus armónicos en la máquina; el tercero mostró sensibilidad inestable, ruido y corrimiento de fase. Su conclusión fue que los MEMS pueden servir para monitoreo de condición si se eligen por especificación y se validan, no si se asume que son equivalentes.

Murphy resume el balance desde la perspectiva de un fabricante (y su artículo promueve piezas de Analog Devices): los sensores piezoeléctricos suelen alcanzar menos ruido en alta frecuencia, mientras que los MEMS responden hasta DC, incluyen autoprueba y se integran más fácil en nodos inalámbricos.

Las normas fijan la vara, no el sensor

La ISO 20816-1 establece condiciones y procedimientos generales para medir y evaluar la vibración de máquinas, con criterios expresados tanto en magnitud de vibración como en cambio de vibración; los límites para cada tipo de máquina están en las otras partes de la serie. El sensor que elijas tiene que resolver la magnitud y el rango de frecuencias que pide la parte que aplica a tu equipo.

Especificaciones de acelerómetros según el tipo de falla

Falla	Dónde aparece	Ancho de banda necesario	Prioridad de ruido	Prioridad de rango	Montaje
Desbalance	1× velocidad de giro	Hasta ~10× la velocidad de giro	Alta en máquinas suaves (aceleraciones pequeñas)	Baja	El imán suele bastar
Desalineación, holgura	1×, 2×, 3× y armónicos bajos	Hasta ~1 kHz	Media	Media (impactos por holgura)	Imán o adhesivo
Defectos incipientes de rodamiento	Resonancias en kHz, envolvente en las frecuencias de defecto	Varios kHz, idealmente >5 kHz	Media	Alta (impactos)	Birlo o adhesivo rígido
Engranaje	Dientes × velocidad del eje y bandas laterales	Arriba de la frecuencia de engrane y sus armónicos	Media	Alta	Birlo
Cavitación en bombas	Banda ancha en alta frecuencia	>5 kHz	Media	Alta	Birlo

Las columnas de ancho de banda y montaje siguen las fuentes citadas; las cifras “hasta” para desbalance y desalineación son reglas prácticas para ilustrar, no límites normativos.

Qué hacer

Escribe la falla antes que el número de parte

Enlista las fallas que importan en esa máquina y estima sus frecuencias a partir de la velocidad de giro, los dientes de los engranes y la geometría de los rodamientos. Esas frecuencias fijan el ancho de banda mínimo.

Dimensiona el piso de ruido con la máquina sana

Convierte la vibración más pequeña que necesitas ver (muchas veces la línea base sana) a aceleración en su frecuencia, y verifica que el ruido RMS del sensor en tu ancho de banda quede muy por debajo.

Dimensiona el rango con el peor evento

Incluye la gravedad, los transitorios de arranque y los impactos. Si no puedes estimarlos, mídelos primero con un sensor de rango alto.

Especifica el montaje junto con el sensor

Trata el método de montaje, la preparación de la superficie y el torque como parte de la lista de materiales. Si el requisito incluye fallas de rodamiento, planea un montaje con birlo o con adhesivo rígido.

Valida contra una referencia

Como hicieron Albarbar y su equipo, monta el candidato junto a una referencia calibrada en la máquina real y compara espectros antes de instalar toda una flotilla.

Qué no hacer

No compares densidades de ruido de dos hojas de datos sin multiplicar cada una por su ancho de banda. Y no leas una tendencia plana de un sensor mal especificado como prueba de que la máquina está sana.

Cómo ponerlo en práctica

Si tienes una hora

Escoge una máquina monitoreada y calcula su velocidad de giro, las frecuencias de defecto de sus rodamientos y la aceleración de su vibración sana. Compáralas con el ancho de banda, el ruido y el rango del sensor.

Si tienes un sprint

Monta tu sensor de producción junto a un acelerómetro de referencia con birlo, captura ambos con la máquina en marcha y empalma los espectros. Repite con el montaje de producción. La diferencia es lo que te está costando tu instalación.

Si quieres que dure toda la vida del producto

Registra el modelo de sensor, el montaje, la ubicación y la orientación de cada instalación, y repite la comparación lado a lado cuando cambie cualquiera de ellos. Volver a montar en otra superficie equivale a usar otro sensor.

La pregunta que debes hacerte: “¿Qué falla quiero detectar, a qué frecuencia, y ya comprobé que este sensor, montado así, la puede ver?”

Preguntas frecuentes

¿Qué especificaciones de un acelerómetro importan para monitorear vibración?

Las que más pesan son el ancho de banda, la densidad de ruido, el rango de medición (en g), la frecuencia de resonancia y el montaje, seguidas por los ejes, la sensibilidad cruzada y el rango de temperatura. Cada una se dimensiona a partir de las fallas que necesitas detectar y del nivel de vibración de la máquina sana.

¿Qué ancho de banda necesito para detectar fallas de rodamiento?

Los defectos incipientes excitan resonancias de alta frecuencia, así que la detección suele requerir varios kilohertz; Analog Devices menciona fallas que se detectan mejor arriba de unos 5 kHz, a veces hasta 20 kHz. Las frecuencias de defecto son más bajas y se recuperan con análisis de envolvente.

¿Los acelerómetros MEMS sirven para monitoreo de condición?

Algunos sí. Un estudio de 2008 en Sensors encontró que dos de tres MEMS probados siguieron bien a una referencia piezoeléctrica y el tercero no. Los MEMS responden hasta DC e incluyen autoprueba; los piezoeléctricos suelen tener menos ruido en alta frecuencia. Valida contra una referencia antes de instalar.

¿Cómo afecta el montaje a las lecturas del acelerómetro?

El montaje agrega rigidez y masa entre la máquina y el sensor, lo que cambia la respuesta en alta frecuencia. El montaje con birlo da la mejor transmisibilidad; los montajes magnéticos en general solo sirven por debajo de unos cuantos cientos de hertz.

¿Cómo convierto la densidad de ruido de un acelerómetro a ruido RMS?

Multiplica la densidad de ruido por la raíz cuadrada del ancho de banda de ruido. Para un filtro pasabajas de un polo, el ancho de banda de ruido es π/2 veces la frecuencia de −3 dB. Por ejemplo, 80 µg/√Hz con un filtro de un polo a 1 kHz dan unos 3.2 mg RMS.

Lecturas relacionadas: fuentes de ruido en sensores, cómo elegir un filtro antialiasing y datos de vibración para mantenimiento predictivo.

Fuentes

1. Randall, R. B., y Antoni, J. (2011). “Rolling Element Bearing Diagnostics—A Tutorial.” Mechanical Systems and Signal Processing, 25(2), 485–520. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2010.07.017
2. Albarbar, A., Mekid, S., Starr, A., y Pietruszkiewicz, R. (2008). “Suitability of MEMS Accelerometers for Condition Monitoring: An Experimental Study.” Sensors, 8(2), 784–799. https://doi.org/10.3390/s8020784
3. International Organization for Standardization (2016). ISO 20816-1:2016, Mechanical vibration – Measurement and evaluation of machine vibration – Part 1: General guidelines. https://www.iso.org/standard/63180.html
4. Murphy, C. (2021). “Why MEMS Accelerometers Are Becoming the Designer’s Best Choice for CbM Applications.” Analog Devices. https://www.analog.com/en/technical-articles/why-memes-acceler-are-best-choice-for-cbm-apps.html
5. Reiss, B. (2023). “Maximize Predictive Maintenance with Careful Selection of MEMS Accelerometers.” Analog Dialogue, RAQ Issue 212. Analog Devices. https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/raqs/raq-issue-212.html
6. Matthews, J. “Guide to Accelerometer Installation.” Technical Paper TP319, Endevco. https://www.endevco.com/contentStore/mktgContent/endevco/dlm_uploads/2019/02/TP319.pdf