Metrologia
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Campi di applicazione degli accelerometri
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Campi di applicazione degli accelerometri
Un accelerometro è uno strumento di misura in grado di rilevare e/o misurare l’accelerazione, effettuando il calcolo della forza rilevata rispetto alla massa dell’oggetto (forza per unità di massa). Pertanto il principio di funzionamento di un accelerometro si basa sulla rilevazione dell’inerzia di una massa quando viene sottoposta ad un’accelerazione.
La massa viene sospesa ad un elemento elastico, mentre un qualche tipo di sensore ne rileva lo spostamento rispetto alla struttura fissa del dispositivo. In presenza di un’accelerazione, la massa (che è dotata di una propria inerzia) si sposta dalla propria posizione di riposo in modo proporzionale all’accelerazione rilevata. Il sensore trasforma questo spostamento in un segnale elettrico acquisibile dai moderni sistemi di misura.
Gli accelerometri trovano impiego in molte delle applicazioni moderne sia in campo domestico che industriale o professionale. Un accelerometro viene utilizzato principalmente per misurare le vibrazioni e le oscillazioni che si possono sviluppare sui macchinari e negli impianti, viene spesso utilizzato anche per lo sviluppo di nuovi prodotti.
Determinando la relazione di fase e ampiezza di vibrazioni di vari punti di una struttura (analisi modale), si possono ricavare importanti informazioni sull’integrità di un sistema. L’accelerometro può fornire dati per i seguenti parametri delle vibrazioni: accelerazione, velocità e spostamento. Con tutte queste informazioni è possibile individuare con precisione le caratteristiche della vibrazione oggetto di studio.
L’accelerometro può essere portatile oppure da installazione fissa, cosi come può disporre anche di una memoria per archiviare i dati misurati. Solitamente l’accelerometro viene consegnato con un certificato di taratura di fabbrica, è comunque possibile richiedere, opzionalmente, anche una certificazione ISO per poter dare anche valore legale alle misure.
La misura delle vibrazioni di edifici e ponti permette di stabilire deterioramenti a seguito di terremoti, o ancora, nelle prove d’urto, gli accelerometri sono utilizzati per stabilire i livelli di impatto.
Infine, di particolare importanza sono le applicazioni aeronautiche e spaziali. Nel passato un accelerometro molto usato era quello a trasformatore differenziale costituito in pratica da un LVDT (linear variable differential transformers) dotato di molla e ammortizzatore al quale veniva ancorata una massa nota. Tuttavia, la presenza di masse mobili di entità non indifferente, comporta per questi accelerometri una ridotta banda passante (tipicamente di 100 Hz), un ridotto campo di misura (minore di 100 g) insieme ad una scarsa affidabilità.
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Tipologie e classificazione degli accelerometri
Gli accelerometri possono essere suddivisi in base alla tipologia di misurazione che andranno ad effettuare, ossia: per misure di accelerazione statica, oppure per misure di accelerazione dinamica.
Gli accelerometri per misure di accelerazione statica sono in grado di rilevare dalle accelerazioni continue e statiche (cioè grandezza d’ingresso con frequenza a 0 Hz) fino ad accelerazioni che variano con frequenze basse (normalmente fino a 500 Hz). Presentano dunque una banda passante con una caratteristica passa basso. Questa caratteristica è tipica degli accelerometri realizzati con il principio estensimetrico, LVDT o capacitivi. Esempi d’applicazione per questi strumenti sono misure d’accelerazione gravitazionale, d’accelerazione centrifuga, di un veicolo in movimento, nella guida inerziale.
Gli accelerometri per misure di accelerazione dinamica sono dei dispositivi che non sono in grado di rilevare accelerazioni statiche (ad esempio l’accelerazione gravitazionale), ma sono in grado di rilevare le accelerazioni che variano nel tempo, ad esempio quelle generate da oggetti che vibrano o quelle che si generano negli urti. La banda passante di questi strumenti può andare da qualche Hz a 50 kHz. Presentano una caratteristica passa banda. Tipici accelerometri di questo tipo sono quelli realizzati con tecnologia piezoelettrica.
Gli accelerometri si possono anche classificare a seconda del principio di funzionamento del sensore di posizione. Gli accelerometri attualmente più utilizzati sono quelli di tipo piezoelettrico e di tipo MEMS.
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Accelerometro a ponte estensimetrico
L’accelerometro a ponte estensimetrico sfrutta come principio di rilevazione lo stesso delle celle di carico, ovvero la variazione di resistenza di un estensimetro dovuta alla variazione della sua lunghezza.
In questi dispositivi una massa viene sospesa su dei sottili lamierini, su questi ultimi sono fissati degli estensimetri collegati a ponte di Wheatstone.
In presenza di un’accelerazione la massa si sposta, flettendo i lamierini e conseguentemente gli estensimetri subiscono un allungamento. Con un voltmetro è possibile leggere una tensione di sbilanciamento del ponte di Wheatstone proporzionale all’accelerazione.
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Accelerometro a ponte piezoresistivo
L’accelerometro a ponte piezoresistivo è una variante dell’accelerometro a ponte estensimetrico, dove al posto degli estensimetri sono utilizzati sensori piezoresistivi. Questi sensori si comportano in modo analogo agli estensimetri, ma permettono allungamenti e sensibilità superiori, pur avendo qualche problema di stabilità con la variazione di temperatura.
Spesso, in questi strumenti la massa viene sospesa su una membrana plastica, sulla quale sono stati attaccati gli elementi piezoresistivi.
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Accelerometro LVDT
L’accelerometro LVDT sfrutta, come principio per la rilevazione dello spostamento della massa, un sensore LVDT (Linear Variable Differential Transformer) integrato nella struttura dell’accelerometro stesso.
In questi dispositivi, la massa stessa costituisce il nucleo ferromagnetico del sensore LVDT, e scorre (sospesa su molle o altri elementi elastici) all’interno di un canale, attorno al quale sono avvolte le bobine destinate alla rilevazione della posizione della massa.
Un apposito circuito rileva la posizione del nucleo rispetto alle bobine e genera un segnale elettrico proporzionale allo spostamento rispetto alla posizione di riposo.
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Accelerometro capacitivo
L’accelerometro capacitivo sfrutta, come principio di funzionamento per la rilevazione dello spostamento della massa, la variazione della capacità elettrica di un condensatore al variare della distanza tra le sue armature.
In questi accelerometri, la massa (realizzata con materiale conduttivo) costituisce un’armatura, mentre l’altra è realizzata sulla struttura fissa del dispositivo, nell’immediata prossimità della massa. La massa viene sospesa su un elemento elastico relativamente rigido (tipicamente una membrana). Un apposito circuito rileva la capacità del condensatore così realizzato e genera un segnale elettrico proporzionale alla posizione della massa.
Questa tipologia di accelerometri sono realizzati per applicazioni comuni come gli air-bag e dispositivi tecnologici mobili, con tecnologia Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS). Una tecnologia di fabbricazione con economia di scala, processi di alto volume e quindi costi di produzione inferiori.
Gli accelerometri capacitivi sono di basso costo con un rapporto segnale-rumore e risposta dinamica non ottimale. Una caratteristica intrinseca di tutti gli elementi capacitivi è il circuito di clock interno. La frequenza di tale circuito è elevata (circa 500 kHz) ed è parte integrante del circuito di rilevazione della corrente, sempre presente nel segnale di uscita. Il rumore presente è ad alta frequenza ed in generale al di fuori del campo d’interesse di misura dell’accelerazione. Grazie al suo amplificatore incorporato/IC, i 3 fili (o 4 fili per uscita differenziale) sono la connessione ad una stabile sorgente di tensione.
La larghezza di banda dell’accelerometro capacitivo è limitata, a qualche centinaia di Hertz a causa dello smorzamento a gas che reaziona l’elemento per l’effetto smorzante. La struttura dell’elemento del sensore capacitivo favorisce il basso campo di misura di accelerazione. Il campo massimo è in genere limitato a meno di 100 g. Al di fuori di queste limitazioni i moderni accelerometri capacitivi, in particolare i dispositivi di alta qualità, offrono una buona linearità ed elevata stabilità del segnale di uscita.
Accelerometri di tipo capacitivo sono più adatti per applicazioni di monitoraggio. Sono ideali per la misurazione del movimento a bassa frequenza dove il livello g è anche basso, come ad esempio misure di vibrazioni nell’ingegneria civile.
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Accelerometro piezoelettrico
L’accelerometro piezoelettrico sfrutta, come principio per la rilevazione dello spostamento della massa, il segnale elettrico generato da un cristallo piezoelettrico (quarzi o cristalli ceramici) quando è sottoposto ad uno sforzo meccanico. Questo effetto viene sfruttato posizionando a contatto con il cristallo una massa nota, detta anche massa sismica o massa di prova che costituisce sia il sensore, che l’elemento elastico, in modo tale che essa eserciti una forza. In presenza di un’accelerazione la massa (che presenta una certa inerzia) comprime il cristallo con una forza direttamente proporzionale all’accelerazione, il quale genererà un segnale elettrico direttamente proporzionale alla forza di compressione a cui è soggetto il sensore.
Visto che l’elemento elastico è un cristallo, le caratteristiche di questi dispositivi sono peculiari:
- presentano una sensibilità relativamente bassa;
- possono rilevare accelerazioni elevatissime senza danneggiarsi (anche 1000 g);
- non possono rilevare accelerazioni costanti nel tempo.
Una considerazione di particolare rilievo sta nel fatto che i cristalli generalmente impiegati nella costruzione dell’elemento elastico hanno un elevatissimo valore della costante elastica, oltre che un’alta stabilità e ripetibilità, il che ha una profonda influenza sull’equazione differenziale che governa il fenomeno vibratorio che coinvolge il sistema strumento.
L’ultima caratteristica è da rimarcare: come detto, il cristallo genera un segnale elettrico proporzionale alla compressione, ma se la compressione sul cristallo permane, il segnale generato tende a dissiparsi dopo un breve periodo. In conseguenza di questo fenomeno, detto leakage, questi accelerometri non sono in grado di rilevare un’accelerazione quasistatica: dopo qualche secondo dall’applicazione di una tale accelerazione, il segnale prima si “congela” e poi si dissipa, e in uscita non sarà presente alcun segnale. Ciò è dovuto all’elevata resistenza dell’accelerometro o, eventualmente, anche ad una errata impostazione della frequenza limite inferiore sul preamplificatore.
Questi accelerometri trovano impiego in applicazioni dove si deve rilevare accelerazioni dinamiche come quelle che si generano nelle vibrazioni e negli shock meccanici.
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Accelerometro laser
L’accelerometro laser è un tipologia particolare della famiglia degli accelerometri, usato quando è necessario effettuare misure estremamente precise, non ottenibili con altri tipi di strumenti. Il principio di funzionamento è concettualmente differente rispetto a quelli sopra esposti, e si basa sul principio fisico che l’accelerazione è una derivata della velocità nel tempo.
In questo dispositivo un interferometro laser misura istante per istante lo spostamento dell’oggetto in moto, un computer ad esso collegato effettua la derivata seconda rispetto al tempo, ottenendo così direttamente il valore d’accelerazione.
I problemi di questi dispositivi è che sono costosi, piuttosto ingombranti, richiedono che l’interferometro sia montato a terra (o su un luogo da considerarsi fisso) e il laser deve essere costantemente puntato verso l’oggetto in moto.
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Accelerometro MEMS
Gli accelerometri realizzati con tecnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanica System) altro non sono che degli accelerometri miniaturizzati basati su una micro struttura meccanica mobile, realizzata incidendo con metodi fotolitografici standard un substrato di silicio. I vantaggi principali di questi dispositivi sono il basso costo di produzione (in particolare per due o tre assi di misura) e la presenza al loro interno del circuito di condizionamento per la risposta alle basse frequenze estesa fino alla continua.
Gli aspetti negativi di questa tecnologia di produzione si ripercuotono sulle prestazioni in termini di accuratezza e stabilità al momento inferiori ai migliori accelerometri piezoelettrici. Inoltre i contenitori di rivestimento utilizzati tipicamente per tali dispositivi (i Dual in-line package per circuiti integrati) non sono adatti per misure industriali in ambienti ostili.
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Gravimetro
Il gravimetro è un tipo particolare di accelerometro realizzato appositamente per misurare l’accelerazione di gravità. Secondo il principio d’equivalenza della relatività generale, gli effetti della gravità e dell’accelerazione sono gli stessi, perciò un accelerometro non può fare distinzione tra le due cause.
Come gravimetri si possono usare delle versioni migliorate di accelerometri per misure statiche, in cui sono state particolarmente curate le caratteristiche di sensibilità, di precisione e di stabilità. Infatti, in questa applicazione, necessita rilevare variazioni d’accelerazione estremamente ridotte.
Dove, a fini scientifici, è necessario effettuare misure estremamente precise, si ricorre ad uno strumento che lavora con lo stesso principio dell’accelerometro laser: in questo caso, si rileva l’accelerazione della caduta di un grave in una camera sottovuoto, usando un interferometro laser per misurare lo spostamento, e un orologio atomico per misurare il tempo di caduta.
La rilevazione dell’accelerazione gravitazionale, oltre ad avere interesse in campo scientifico (specie in fisica e in geologia), è una pratica dell’industria estrattiva (specie per la ricerca di giacimenti petroliferi).
