Acelerómetros para aplicaciones marinas

Los acelerómetros marinos son instrumentos que se utilizan para medir la aceleración, la vibración y el movimiento en entornos submarinos, lo que permite una amplia gama de aplicaciones en investigación oceanográfica, ingeniería submarina y operaciones navales. Estos sensores convierten las fuerzas mecánicas en señales eléctricas, proporcionando datos precisos que resultan esenciales para diversos casos de uso, como la evaluación de la integridad estructural, la supervisión de la actividad sísmica y el guiado de plataformas de vehículos submarinos.

Cómo funcionan los acelerómetros

Acelerómetro MEMS de grado industrial de Silicon Designs

Los acelerómetros utilizan la detección inercial, donde el movimiento de una masa de prueba dentro del sensor responde a fuerzas externas. Cuando se produce una aceleración, el desplazamiento de la masa interna genera una señal eléctrica proporcional a la fuerza aplicada. Esta señal puede procesarse para determinar no sólo la magnitud, sino también la dirección de la aceleración. Los acelerómetros miden la aceleración relativa a la caída libre, y pueden hacerlo a lo largo de uno o varios ejes.

Los acelerómetros marinos se basan en diversas tecnologías de detección para lograr mediciones precisas. Los tipos más comunes son los piezoeléctricos, los capacitivos y los MEMS (sistemas microelectromecánicos). Cada tecnología aprovecha un mecanismo único para detectar cambios de velocidad, inclinación o vibración. La sensibilidad, la gama de frecuencias y el tiempo de respuesta del acelerómetro dependen de su diseño y de la tecnología subyacente.

En las aplicaciones marinas y en alta mar, los acelerómetros suelen integrarse en sistemas de adquisición de datos (DAQ) para facilitar la supervisión y el análisis en tiempo real. Al recoger y transmitir datos de forma continua, los acelerómetros proporcionan información sobre el estado estructural de los equipos submarinos, la estabilidad de los buques y la actividad sísmica submarina. Estos datos son vitales para el mantenimiento predictivo, la reducción de riesgos operativos y la prolongación de la vida útil de costosos activos marinos.

Acelerómetros marinos de Silicon Designs

Tipos y tecnologías de acelerómetros marinos

Acelerómetros piezoeléctricos

Los acelerómetros piezoeléctricos funcionan generando una carga eléctrica cuando el material piezoeléctrico del sensor experimenta una tensión mecánica. Este tipo de acelerómetro se utiliza mucho para controlar las vibraciones y las aplicaciones de alta frecuencia. Gracias a su robusto diseño, los acelerómetros piezoeléctricos son idóneos para entornos dinámicos en los que se producen cambios rápidos de fuerza y presión.

En entornos marinos, estos acelerómetros se emplean con frecuencia en la monitorización de plataformas marinas y la detección sísmica submarina. Su alta sensibilidad y su capacidad para funcionar a temperaturas extremas los hacen ideales para la exploración y extracción de recursos en aguas profundas.

Acelerómetros capacitivos

Los acelerómetros capacitivos miden los cambios de capacitancia resultantes del movimiento de la masa interna. Conocidos por su precisión a bajas frecuencias, los acelerómetros capacitivos se utilizan habitualmente en la detección de inclinación y las mediciones de vibraciones de baja frecuencia.

Los acelerómetros capacitivos se utilizan a menudo en sistemas de navegación de embarcaciones, proporcionando datos críticos para el posicionamiento dinámico y la compensación del movimiento. Su capacidad para funcionar en rangos de baja frecuencia los hace especialmente valiosos para parques eólicos marinos y otras estructuras submarinas estáticas.

Acelerómetros MEMS

Los acelerómetros MEMS utilizan estructuras mecánicas a microescala para detectar la aceleración. Estos acelerómetros son compactos, ligeros y consumen un mínimo de energía, lo que los hace ideales para aplicaciones de bajo SWaP (tamaño, peso y potencia). La tecnología MEMS ha permitido el desarrollo de acelerómetros muy sensibles y reproducibles en masa, adecuados para su integración en AUV, ROV y otras plataformas marinas no tripuladas.

Gracias a su reducido factor de forma, los acelerómetros MEMS pueden integrarse directamente en componentes estructurales, proporcionando una monitorización continua sin añadir un peso o volumen significativos. Esta integración es crucial para la próxima generación de vehículos submarinos y conjuntos de sensores compactos.

Robustez para condiciones marinas y en alta mar

Sensor acelerómetro herméticamente sellado por Silicon Designs

Los entornos marinos presentan desafíos únicos para el despliegue de acelerómetros, que requieren diseños robustos capaces de soportar condiciones de alta presión, corrosivas y dinámicas. Los acelerómetros estándar suelen ser inadecuados para la exposición prolongada al agua de mar, las fluctuaciones de temperatura y los impactos mecánicos.

Los acelerómetros sellados herméticamente son esenciales para las aplicaciones submarinas, ya que evitan la entrada de agua y protegen los componentes internos de la corrosión. Estos sensores se alojan en carcasas de acero inoxidable, titanio u otras aleaciones marinas para garantizar su longevidad incluso en condiciones extremas. Al eliminar la exposición al agua de mar y minimizar la contaminación interna, los acelerómetros sellados herméticamente proporcionan un rendimiento constante durante despliegues prolongados.

Otro aspecto crucial de la robustez es la resistencia a golpes y vibraciones. En entornos marinos, los acelerómetros deben soportar el movimiento constante de olas, corrientes y operaciones mecánicas. Los acelerómetros de grado inercial están diseñados específicamente para mantener la precisión y la estabilidad durante largos periodos, incluso en entornos marinos dinámicos. Estos sensores de alta precisión minimizan la deriva y proporcionan datos fiables en aplicaciones de navegación, posicionamiento y monitorización sísmica.

Para AUVs y ROVs, se prefieren los acelerómetros de bajo SWaP, ya que reducen el peso total de la carga útil a la vez que mantienen la funcionalidad. La capacidad de soportar vibraciones intensas durante el lanzamiento y la recuperación del vehículo es fundamental, ya que garantiza la integridad del sensor durante todo el ciclo operativo.

Aplicaciones de los acelerómetros marinos

Los acelerómetros marinos admiten un amplio espectro de aplicaciones, que van desde la investigación científica hasta la defensa y las operaciones comerciales en alta mar.

Monitorización sísmica y exploración de recursos

Acelerómetro digital robusto de un eje de Tronics Microsystems

Los acelerómetros son indispensables en las redes sísmicas submarinas, donde detectan los movimientos del terreno y contribuyen a la exploración de petróleo y gas. Al identificar los cambios en las formaciones geológicas, los acelerómetros proporcionan datos valiosos para evaluar los yacimientos de recursos y vigilar la actividad tectónica submarina. Estos sensores son vitales para la perforación en aguas profundas y la gestión de yacimientos, ya que garantizan la seguridad y eficacia de las operaciones de extracción.

Control de la salud estructural

En las plataformas petrolíferas marinas, los parques eólicos y las tuberías submarinas, los acelerómetros supervisan continuamente la integridad estructural mediante la detección de vibraciones y tensiones. Estos datos permiten a los ingenieros identificar posibles fallos antes de que se agraven, minimizando el tiempo de inactividad y los costes de mantenimiento. Los acelerómetros integrados en sistemas DAQ ofrecen información en tiempo real, lo que permite estrategias de mantenimiento predictivo que mejoran la longevidad de los activos.

Aplicaciones navales y de defensa

En los buques de guerra y los sistemas de defensa submarinos, los acelerómetros contribuyen a los sistemas de estabilización, guiado y puntería. Estos sensores desempeñan un papel fundamental en los sistemas de navegación inercial (INS), garantizando un seguimiento preciso de submarinos y torpedos. La salida del acelerómetro es esencial para mantener la precisión del rumbo, especialmente en entornos sin GPS.

Navegación de AUV y ROV

Los vehículos autónomos y teledirigidos dependen de los acelerómetros para la orientación, la medición de la inclinación y el control del movimiento. Al integrar los acelerómetros MEMS en sus conjuntos de navegación, los AUV y ROV consiguen una mayor maniobrabilidad y estabilidad, lo que mejora las tasas de éxito de las misiones de exploración en aguas profundas, control medioambiental e inspecciones submarinas.