Sensori: gli accelerometri

Sensori per il monitoraggio

Un’altra componente fondamentale della catena di misura è rappresentata dai sensori.

Si definiscono sensori o trasduttori “i dispositivi che consentono di convertire la quantità in una quantità elettrica (tipicamente una differenza di tensione). Una volta che il segnale elet-trico viene convertito in voltaggio viene trasferito alla centralina di acquisizione per le opera-zioni di digitalizzazione”⁶⁸.

68 A. Pierdicca, F. Mattiauda, “Il monitoraggio dinamico delle strutture” 2021 – §3.3: Sensoristica: gli accelerometri

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Si procede all’analisi delle categorie di sensori che trovano ampio impiego nell’ambito del mo-nitoraggio delle strutture, distinti sulla base del fenomeno osservato, tenendo conto del princi-pio di funzionamento e del meccanismo di misura.

- Misura delle deformazioni:

Lo strumento principale è l’estensimetro, il quale misura la deformazione lungo una direzione;

per cui, la deformazione globale viene ricavata usando una combinazione di più unità. I più diffusi estensimetri risultano:

1. Estensimetri elettrici a resistenza:

è costituito da un filo elettrico su una piastrina di supporto. La deformazione comporta la variazione di lunghezza del filo, associata alla modifica della sua resistenza elettrica, da cui derivare la deformazione stessa.

2. Estensimetri acustici:

la deformazione comporta una variazione di lunghezza e, quindi, di frequenza di vibrazione, secondo il principio del “filo teso”.

- Misura delle accelerazioni:

avviene tramite gli accelerometri, i quali si servono di una massa e sfruttano la relazione fisica che sussiste tra le due grandezze.

Considerato il ruolo centrale occupato in ambito di monitoraggio strutturale, in particolare dinamico, l’intero paragrafo successivo viene dedicato a questi sensori.

- Misura delle velocità:

tramite accelerometri LVDT, per mezzo dell’integrazione dell’accelerazione nel tempo ma an-che tramite strumenti per la misura diretta basati su un magnete permanente in moto rispetto ad un avvolgimento.

- Misura degli spostamenti:

I trasduttori di spostamento principali sono i capacitivi (descrizione analoga alla precedente), potenziometrici e LVDT. I trasduttori potenziometrici sono basati sullo spostamento di un’asta rispetto al corpo dello strumento, legato ad una variazione di tensione. I sensori induttivi o LVDT, invece, si basano sulla variazione di induttanza. Infine, si citano i fessurimetri o vetrini, ossia quelle piastrine applicate a cavallo di una fessura per il monitoraggio del quadro fessura-tivo.

- Misura dei cedimenti:

tramite rilievo topografico di alcuni punti della struttura. Si definiscono dei capisaldi che co-stituiscono la base per la creazione di una rete topografica. Il metodo del monitoraggio topo-grafico consiste nel controllo periodico di questa rete fatta di capisaldi e mire da traguardare.

- Misura delle forze:

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tramite le celle di carico, costituite da un elemento di modulo elastico, dimensioni e materiale noto a cui si applica un estensimetro. Dalla deformazione si può ricavare il carico.

- Misura delle inclinazioni:

dalla misura del dislivello di un liquido inserito in due vasi comunicanti, sfruttando il principio del livello idrostatico; ai applica soprattutto al monitoraggio dei ponti.

- Misura della temperatura:

avviene tramite termometri (basati sulla dilatazione termica di una sostanza) o rilevatori (ba-sati sull’influenza della temperatura sulla resistenza elettrica di alcuni materiali). Dilatazioni e contrazioni sono un problema se incompatibili con i vincoli, causando sollecitazioni aggiun-tive.

Accelerometri

I sensori più impiegati nel monitoraggio strutturale per l’identificazione della risposta dinamica sono gli accelerometri.

Per quanto riguarda il principio di funzionamento, un elemento elastico mette in sospensione la massa, mentre dall’altra parte un sensore valuta il suo spostamento rispetto alla struttura fissa dello strumento. Il sensore è in grado di convertire lo spostamento, proporzionale all’ac-celerazione della massa, in segnale elettrico.

Figura 3.6. Schema concettuale dell'accelerometro: sistema massa-molla-smorzatore

Gli accelerometri possono essere distinti in base al modo in cui viene prodotto il segnale elet-trico proporzionale all’accelerazione:

1. Accelerometri per misure di accelerazione statica

per accelerazioni statiche, continue (0 Hz), come l’accelerazione di gravità.

2. Accelerometri per misure di accelerazione dinamica

per accelerazioni variabili nel tempo (es. da urti o vibrazioni).

I principali sono gli accelerometri estensimetrici, piezoresistivi, LVDT, capacitivi e piezoelet-trici. Gli ultimi tre sono i più diffusi:

o Accelerometri LVDT:

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basati sulla determinazione della posizione relativa di una massa interna al sensore rispetto al corpo dello strumento tramite valutazione della differenza di potenziale in un avvolgimento elettrico.

o Accelerometri capacitivi:

basati sulla misura della distanza tra le facce fissa e mobile di un condensatore piano, la cui variazione per effetto dell’accelerazione comporta la modifica del campo elettrico del conden-satore.

o Accelerometri piezoelettrici:

basati su un cristallo piezoelettrico e le sue proprietà, le quali garantiscono la produzione di un segnale elettrico proporzionale alla forza agente. In questo modo, la compressione del cri-stallo causata dalla massa in accelerazione produce un segnale elettrico proporzionale alla com-pressione stessa. I sensori piezoelettrici sono i più usati nell’ambito dell’analisi modale. Questi possono essere con uscita in carica o in tensione: nel secondo caso il circuito di condizionamento è integrato all’accelerometro e si parla di IEPE o di ICP. Tali sensori, inoltre, possono essere monoassiali, biassiali o triassiali, in base al numero di cristalli piezoelettrici contenuti (1, 2 o 3) e, di conseguenza, gli assi di vibrazione rilevabili.

La prestazione del sensore è definita dalle caratteristiche funzionali statiche e dinamiche⁶⁹ da cui dipende la scelta del sensore in base all’applicazione. Esse possono essere impostate a mano oppure in automatico, come avviene con la tecnologia TEDS in cui un microchip nel sensore ha le informazioni della carta di calibrazione e comunica con la centralina. Tali parametri principali risultano:

1. Range di misura:

intervallo simmetrico delle accelerazioni che possono essere misurate dal sensore per cui è garantito un segnale in uscita lineare (ad es. ±2g):

Figura 3.7. Range di misura circoscritto dall'errore di linearità

2. Non-linearità:

deviazione dalla linearità del parametro ideale, espressa in percentuale del fondo scala.

3. Sensibilità o sensitività:

69 A. Pierdicca, F. Mattiauda, “Il monitoraggio dinamico delle strutture” 2021 – §3.3.1: Accelerometri: caratteristiche principali

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minima quantità rilevabile, rapporto tra la differenza di segnale in uscita e la corrispon-dente variazione di accelerazione in ingresso, in V/g o mV/g:

sensibilità = ^∆_∆ (3.1) 4. Risposta in frequenza:

range in frequenza di impiego del sensore, anche detta “banda passante”.

I fattori da cui dipende sono due: la massa sismica e la rigidezza dell’elemento elastico:

a pari rigidezza, la risposta in frequenza aumenta al diminuire della massa sismica; tale aumento è abbinato ad una minore sensitività.

Figura 3.8. Risposta in frequenza dell'accelerometro al variare della sua massa sismica Nota: da qui si evidenzia che il frequency range è legato alla frequenza di risonanza

5. Offset in uscita a 0 g:

tensione in uscita nel caso di accelerazione applicata nulla (0 g), in V o mV.

6. Tensione di alimentazione:

gamma di tensioni di alimentazione possibili del sensore.

7. Errore di allineamento del package:

angolo tra il piano del package e il die. Il primo è il riferimento degli assi esterni mentre il secondo costituisce il riferimento degli assi interni.

8. Sensibilità asse-asse:

entità del segnale mostrato sulle uscite corrispondenti agli assi ortogonali all’asse a cui è applicata l’accelerazione, a causa degli errori di allineamento tra assi.

9. Rumore:

rumore elettrico prodotto dal circuito di amplificazione, il quale diminuisce al crescere della frequenza. In genere di livelli di rumore, espressi in g.

Accelerometri MEMS

I passi da gigante registrati negli ultimi tempi in campo elettronico hanno consentito di rispondere all’esigenza di combinazione di una miniaturizzazione molto spinta con l’alto grado di complessità dell’informazione coinvolta. La risposta scientifica arriva dalle tecnologie più innovative, messe in campo negli ultimi anni e rappresentate da microsistemi basati sull’inte-grazione di elementi meccanici e circuiti elettronici per il condizionamento del segnale in un unico componente. Questo passo in avanti si deve all’evoluzione delle tecniche di lavorazione del silicio.

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Gli accelerometri capacitivi si prestano bene a tali soluzioni di tipo embedeed, in cui acce-lerometro e relativo sistema di controllo e elaborazione del segnale vengono integrati in un unico chip di silicio: si ottiene un dispositivo di tipo MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Sy-stems). Sono apparecchi di dimensioni dell’ordine dei micron costruiti su un substrato di silicio e introdotti in forma di sistemi analogici per il trattamento di segnali. Se da una parte la miniaturizzazione elettronica dei sistemi analogici comporta un’importante riduzione del rap-porto segnale/rumore e il processo produttivo di assemblaggio dei componenti può compro-mettere il sensore MEMS, dall’altra parte consente l’integrazione di vari componenti in un unico pacchetto, rendendo il dispositivo una micro macchina completa e intelligente.

Infine, è doveroso evidenziare che ad oggi l’applicabilità dei sensori MEMS per l’identifica-zione dinamica di strutture civili costituisce una inventiva ideale, a causa del rapporto se-gnale/rumore ancora non compatibile con le sensibilità molto elevate richieste, tipiche dei sensori piezoelettrici. Eppure, le innovazioni tecnologiche raggiunte e l’evoluzione dell’elettro-nica fanno ben sperare in ottica futura.