Diseño y evaluación de un acelerómetro basado en el uso de recolectores de energía piezoeléctricos

Abstract

Se evalúa el uso de recolectores de energía piezoeléctricos como acelerómetros de rigidez media. Debido a esto, el dispositivo opera en condiciones en que se produce el fenómeno de resonancia. El objetivo general de este estudio es diseñar y evaluar las limitaciones de un acelerómetro basado en el uso de recolectores de energía piezoeléctricos. Los objetivos específicos son: implementar un modelo predictivo para el modelo de viga, una estrategia de integración numérica para el problema directo, y una estrategia para el problema dinámico inverso; seleccionar un caso de estudio; y proponer un diseño mecánico para el dispositivo. Se estudia la respuesta de la estructura según el modelo de viga Euller-Bernoulli. Este entrega expresiones para la respuesta modal y en voltaje. Las expresiones son implementadas en Matlab, para resolverlas directamente de manera matricial. Luego, se implementa el modelo de solución del problema dinámico inverso en Simulink. Posteriormente, esta solución es optimizada mediante Procesos Gaussianos. Se realiza una comparación entre la respuesta del sistema frente a una excitación simulada, y su diferencia con respecto a la respuesta calculada mediante el modelo resultante del Proceso Gaussiano. Luego, se evalúa el nivel de error de la respuesta en voltaje y en aceleración modeladas con respecto a las simuladas, considerando distintas frecuencias de excitación. Se obtiene que existen curvas de error de 5 y 10$\%$. Se evalúan estas curvas de error para diversos regímenes de excitación. En particular, para excitaciones sinusoidales puras y acopladas, con y sin ruido entre 1 y 20$\%$. Para las señales puras y sin ruido, la respuesta en voltaje es confiable, alcanzando curvas de 5$\%$ de error. Al aumentar el nivel de ruido, la precisión del modelo se reduce, siendo confiable solo para frecuencias de excitación entre 200 y 300 Hz, situación que se repite para señales acopladas. El algoritmo funciona satisfactoriamente en frecuencias superiores a la frecuencia natural, mientras que para frecuencias de excitación inferiores, el modelo presenta niveles de error mayores a 10$\%$. Por este motivo, el algoritmo se considera funcional. Se concluye que el uso de recolectores de energía piezoeléctricos como acelerómetros autónomos es viable, al poder medir la respuesta, calcular la excitación con niveles de precisión aceptables, y poder funcionar con su propia generación. Dependiendo de la naturaleza de la excitación, el algoritmo es más o menos confiable en distintos rangos. Por este motivo, se propone que para estudios futuros, se evalúen más y distintos regímenes de excitación, se utilicen Procesos Gaussianos para datos con ruido, y métodos que aumenten el ancho de banda y de precisión de la medición.