Sensores de Vibración: Tipos, Principios, Selección e Integración con Arduino y Raspberry Pi

Los sensores de vibración (transductores piezoeléctricos, MEMS, capacitivos, de corriente de Foucault) son esenciales para monitorizado de condición (Condition Monitoring), mantenimiento predictivo (PdM), detección de impactos, alarmas de seguridad, y análisis modal estructural. Miden aceleración, velocidad, o desplazamiento vibratorio. Esta guía cubre tipos físicos, criterios de selección, interfaz con Arduino/Raspberry Pi, y aplicaciones industriales/IoT.

1. ¿Qué es un Sensor de Vibración?

Dispositivo que convierte vibración mecánica (aceleración a, velocidad v, desplazamiento d) en señal eléctrica (voltaje, corriente, digital). La relación fundamental: a = 2πf v = (2πf)² d. La elección del dominio (aceleración vs velocidad vs desplazamiento) depende de frecuencia de interés y aplicación.

• Acelerómetros (Piezoeléctricos / MEMS / Piezorresistivos): Miden aceleración (g, m/s²). Respuesta amplia (DC - 50 kHz+). Estándar para análisis espectral (FFT), detección choque, PdM maquinaria rotativa.
• Velocímetros (Bobina móvil / Geófonos): Miden velocidad (mm/s). Respuesta 10 Hz - 1 kHz. Estándar ISO 10816/20816 para monitorizado máquinas (rodamientos, engranajes, desbalance).
• Desplazómetros (Eddy Current / Capacitivos / LVDT / Láser): Miden desplazamiento relativo (µm/mil). Sondas proximidad para ejes rotativos (vibración radial/axial, excentricidad).

2. Tipos Principales de Sensores de Vibración

A. Acelerómetros Piezoeléctricos (IEPE / ICP® / Carga)

• Principio: Cristal piezoeléctrico (PZT, cuarzo) + masa sísmica. Fuerza inercial → carga → voltaje.
• IEPE (Integrated Electronics PiezoElectric): 2 hilos (señal/alimentación). Preamplificador JFET interno. Alimentación corriente constante 2-4 mA / 18-30 V (suministro estándar BNC). Salida AC acoplada (bloquea DC). Conectores BNC / 10-32 UNF. Marcas: PCB Piezotronics (ICP®), Dytran, Meggitt, Wilcoxon, Kistler.
• Carga (Charge Mode): Sin electrónica interna. Salida carga (pC). Requiere amplificador de carga externo. Alta temperatura (>250 °C), radiación, cables largos.
• Rango: ±10 g a ±100,000 g. Sensibilidad: 10 mV/g (general) a 1 V/g (sísmico). Frecuencia: 0.5 Hz - 50 kHz.
• Ventajas: Amplio rango dinámico, robustez, alta T°, estándar industrial.
• Desventajas: No mide DC (estático), requiere acondicionador IEPE/carga, cable coaxial bajo ruido.

B. Acelerómetros MEMS (Capacitivos / Piezorresistivos / Térmicos)

• Principio: Microestructura silicio (masa prueba + resortes) + detección capacitiva (cambio capacitancia) / piezorresistiva / convección gas.
• Salida: Analógica (voltaje ratiométrico) o Digital (I2C / SPI). Miden DC (gravedad) + AC.
• Rango: ±2 g a ±400 g. Ancho banda: DC - 3-10 kHz (consumidor), DC - 20 kHz (industrial/auto). Ruido: 20-200 µg/√Hz.
• Ejemplos: ADXL345/343/355/357 (Analog Devices), LIS3DH/LSM6DSO/LSM6DSOX (ST), MPU6050/9250 (InvenSense), BMI160/270 (Bosch), FXOS8700 (NXP).
• Ventajas: Bajo coste ($1-5), pequeño (LGA 2×2-3×3 mm), bajo consumo (µA), digital I2C/SPI, mide inclinación (DC), integrable en PCB.
• Desventajas: Rango frecuencia limitado vs piezo, ruido mayor, deriva offset/temperatura, sensibilidad a choque mecánico (fractura MEMS), no apto alta T° (>105-125 °C).

C. Sensores de Corriente de Foucault (Eddy Current / Proximidad)

• Principio: Bobina genera campo AC → corrientes de Foucault en objetivo conductor → impedancia bobina cambia con distancia (gap).
• Mide: Desplazamiento relativo (gap) → vibración radial/axial de eje rotativo.
• Rango: 0.5-10 mm gap. Resolución < 1 µm. Frecuencia: DC - 10-20 kHz.
• Uso: Turbinas, compresores, generadores, motores grandes (API 670). Sistema: Sonda + Cable extensor + Driver (Bently Nevada 3300, 3500).
• No mide vibración de carcasa (casing).

D. Velocímetros (Bobina Móvil / Geófonos)

• Principio: Masa + imán + bobina. Velocidad relativa → voltaje inducido (Ley Faraday).
• Salida: AC, alta impedancia. Sensibilidad: 20-100 mV/mm/s.
• Rango freq: 4.5 Hz - 2 kHz (geófono sísmico), 10 Hz - 1 kHz (industrial).
• Ventajas: Sin alimentación, robusto, intrinsicamente seguro (áreas clasificadas), estándar ISO 10816.
• Desventajas: Pesado, grande, respuesta limitada baja freq, orientación sensible (gravedad).

E. Sensores de Deformación (Strain Gauge / Extensómetros) para Vibración

• Extensómetros (foil/semiconductor) en puente Wheatstone miden deformación estructural → inferir vibración. Usados en análisis modal experimental (roving accelerometer vs roving hammer). Requieren acondicionador puente (excitación DC/AC, amplificador).

3. Criterios de Selección (Cómo Elegir)

Parámetro	Consideración	Regla Práctica
Rango Frecuencia	Interés: 1x RPM, armónicos, resonancias, rodamientos (BPFO/BPFI/BSF/FTF).	Maquinaria rotativa: 10 Hz - 10 kHz (acelerómetro IEPE/MEMS industrial). Rodamientos: hasta 50 kHz (IEPE alta freq / MEMS 20 kHz). Estructural: 0.1-100 Hz (MEMS DC / piezo sísmico).
Rango Amplitud (g)	Máx vibración esperada + margen choque.	Maquinaria general: ±10-50 g. Choque/impacto: ±500-10,000 g. Sísmico/edificio: ±2-5 g.
Sensibilidad / Ruido	Ruido piso < vibración mínima de interés.	IEPE 100 mV/g: ruido ~100 µg. MEMS 1 mg/LSB: ruido ~2-5 mg. Para vibración fina (< 1 g): IEPE 500 mV/g o MEMS bajo ruido (ADXL355: 22 µg/√Hz).
Entorno	Temperatura, humedad, químicos, radiación, ATEX, choque.	Industrial/Exterior: IEPE acero inox IP67/68, cable blindado. Alta T° (>125°C): Piezo carga. ATEX: IEPE certificado / Geófono. PCB embebido: MEMS LGA.
Montaje	Crítico para respuesta freq > 1 kHz.	Perro (stud mount) > Imanes > Cera/adhesivo > Mano. Superficie plana, limpia, rígida. Freq resonancia montaje > 10x freq max interés.
Interfaz / DAQ	Compatibilidad con hardware adquisición.	IEPE: Módulo DAQ IEPE (NI 9234, MCC USB-2404, Dewesoft, OROS). MEMS: I2C/SPI directo a MCU (Arduino, ESP32, STM32, Pi). 4-20 mA: PLC/DAQ industrial.
Certificaciones	CE, ATEX, IECEx, SIL, ABS, DNV, API 670.	Según normativa planta/proyecto.

4. Integración con Arduino y Raspberry Pi (Enfoque MEMS – Accesible Makers)

Nota: IEPE requiere acondicionador (24 V, 4 mA) → no directo a MCU. Use módulo breakout IEPE (ej. SparkFun DEV-11084) o shield. Aquí cubrimos MEMS digitales (I2C/SPI).

Ejemplo: ADXL345 (I2C/SPI, 3.3 V, ±16 g, 13-bit, 3200 Hz) con Arduino

// Wire: A4=SDA, A5=SCL (Uno/Nano). 3.3V !NO 5V!
#include 
#include 
#include 
Adafruit_ADXL345_Unified accel = Adafruit_ADXL345_Unified(12345);
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  if (!accel.begin()) { Serial.println("ADXL345 no detectado"); while(1); }
  accel.setRange(ADXL345_RANGE_16_G);
  accel.setDataRate(ADXL345_DATARATE_800_HZ); // 100-3200 Hz
}
void loop() {
  sensors_event_t event;
  accel.getEvent(&event);
  Serial.print("X: "); Serial.print(event.acceleration.x); Serial.print(" ");
  Serial.print("Y: "); Serial.print(event.acceleration.y); Serial.print(" ");
  Serial.print("Z: "); Serial.print(event.acceleration.z); Serial.println(" m/s^2");
  delay(10);
}

Detección Simple de Vibración/Golpe (Piezo Discreto / SW-420 / LDT0-028) con Arduino

Módulos baratos (< $1) con piezo cerámico o resorte + comparador LM393. Salida digital (HIGH al vibrar).

const int vibPin = 2; // DOUT módulo
const int ledPin = 13;
void setup() { pinMode(vibPin, INPUT); pinMode(ledPin, OUTPUT); }
void loop() {
  if (digitalRead(vibPin) == HIGH) { // Umbral fijo por potenciómetro módulo
    digitalWrite(ledPin, HIGH);
    delay(100);
  } else digitalWrite(ledPin, LOW);
}

Ejemplo: ADXL345 / MPU6050 / LSM6DSOX con Raspberry Pi (Python + I2C)

1. Habilite I2C: sudo raspi-config → Interface Options → I2C → Enable. Reboot.
2. Instale: pip3 install adafruit-circuitpython-adxl34x adafruit-blinka (o mpu6050, lsm6ds).
3. Cableado: VCC → 3.3V (Pin 1), GND → GND (Pin 6/9/14...), SDA → GPIO2 (Pin 3), SCL → GPIO3 (Pin 5). Pull-ups 4.7k en placa sensor.
4. Código (ADXL345):

import board, busio, adafruit_adxl34x, time
i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA)
accel = adafruit_adxl34x.ADXL345(i2c)
accel.range = adafruit_adxl34x.Range.RANGE_16_G
accel.data_rate = adafruit_adxl34x.DataRate.RATE_800_HZ
while True:
    x, y, z = accel.acceleration
    print(f"X: {x:.2f}  Y: {y:.2f}  Z: {z:.2f} m/s^2")
    time.sleep(0.1)

5. Aplicaciones Principales

• Mantenimiento Predictivo (PdM) Industria 4.0: Monitorizado continuo rodamientos, engranajes, bombas, ventiladores, compresores, turbinas. Análisis FFT, envolvente (envelope), tendencias RMS, alarmas ISO 10816. Gemelos digitales.
• Salud Estructural (SHM): Puentes, edificios, presas, torres eólicas, plataformas offshore. Acelerómetros MEMS/Piezo sísmicos + registradores autónomos (solar + LoRa/satélite).
• Automotriz / Transporte: Airbag (MEMS alta-g), ESP/ESC (yaw rate + lat/long accel), suspensión activa, monitorizado motor/transmisión, ferrocarril (vía, bogies).
• Consumer / Wearables: Contador pasos, detección caídas, gesto, navegación inercial (IMU 6/9 DoF), estabilización imagen (OIS/EIS), gaming (mandos VR).
• Seguridad / Intrusión: Rotura cristal (piezo frecuencia específica), vibración valla/perímetro, cajero automático, caja fuerte.
• Electrodomésticos Inteligentes: Lavadora (desequilibrio tambor), secadora, lavavajillas (fuga agua vibración), compresor nevera.
• Robótica / Drones: IMU (acel + gyro + mag) para navegación, estabilización, control vuelo, detección colisión.
• Energía: Turbinas eólicas (vibración pala, caja multiplicadora, generador), paneles solares (vibración viento), tuberías (fuga por vibración acústica).

6. Buenas Prácticas de Instalación y Medida

• Montaje: Perro roscado (M5, M8, 1/4-28) en superficie preparada (plana, limpia, sin pintura). Torque especificado. Acoplamiento rígido = respuesta fiel.
• Cableado IEPE: Coaxial RG-174 / RG-58 / cable blindado par trenzado. Conector BNC / 10-32. Tierra en un solo extremo (DAQ) para evitar bucles tierra.
• Acondicionamiento señal: Anti-aliasing filter (hardware o digital) antes de muestreo. Frecuencia muestreo ≥ 2.56 × f_max (estándar vibración).
• Calibración: Trazable a patrón nacional (ISO 17025). Cada 12-24 meses. Sensibilidad (mV/g), respuesta frecuencia, fase, linealidad, ruido.
• Análisis: Espectro FFT (resolución 0.5-1 Hz, líneas 1600-6400), Órdenes (order tracking) si RPM variable, Envolvente (bearing defect frequencies), Cepstrum, Time waveform, Órbitas (ejes).

Conclusión

No existe "el mejor sensor de vibración"; existe el sensor adecuado para su aplicación, entorno, y presupuesto. Para PdM industrial en maquinaria crítica: Acelerómetro IEPE industrial (±50 g, 100 mV/g, IP67, cable blindado) + DAQ dedicado (NI, Dewesoft, OROS, CSI) + software análisis (Omnitrend, Pulse, Ascent, Python/Obspy). Para IoT, makers, prototipos, monitorizado básico, orientación, detección choque: MEMS digital (ADXL345, LSM6DSOX, MPU6050, BMI270) + MCU (ESP32, STM32, RP2040, Arduino) + MQTT/HTTP/LoRa. Para vibración eje rotativo (radial/axial): Sondas Eddy Current (Bently Nevada, Pruftechnik). Para estándar ISO 10816 en planta: Velocímetro bobina móvil (10-1000 Hz, 20-100 mV/mm/s) + medidor portátil (Fluke 805, SKF Microlog, Pruftechnik VibXpert). Domine montaje, muestreo (Nyquist + anti-aliasing), análisis espectral, y tendencias. La vibración es el "latido" de la máquina; escucharlo bien evita paradas imprevistas, optimiza mantenimiento, y salva activos.