Il chip è contenuto in un case JLCC44 con dimensioni 24mm × 24mm × 8mm, inserito in uno zoccolo i cui pin sono inseriti a loro volta in un quadrato di millefori, in modo da rendere la struttura più stabile. Al centro del quadrato di millefori è stato incollato uno spessore sopra il quale sono stati ancorati sei pin header, come si può osservare dalla Figura 2-9. I sei pin header sono stati saldati di volta in volta con i pin corrispondenti al campione/i da analizzare.
La struttura presente in Figura 2-9 è inserita in sei header femmina, a cui sono collegati quattro cavi coassiali e due fili. I cavi coassiali sono utilizzati per i segnali in modo da schermare i disturbi, gli altri sono utilizzati per il gnd e per l’alimentazione. I cavi sono fatti passare all’interno di un goniometro fissato in modo tale da poter ruotare il sensore rispetto al suo asse centrale, Figura 2-10.
Figura 2-9: zoccoletto nel quale è contenuto il sensore inserito in un quadrato di basetta millefori. Al centro è presente uno spessore con sei header. I pin dello zoccoletto devono essere saldati agli header di volta in volta a seconda della struttura da analizzare.
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Figura 2-10: il portacampioni della figura 2-9 viene collegato a sei header della Figura 2-9 sono inseriti in sei header femmina collegati a 4 cavi coassiali e due fili. Questi sono fatti passare dentro il goniometro fissato in modo tale da poter ruotare il sensore intorno al suo asse centrale. Il filo rosso è il filo dell’alimentazione del sensore, mentre quello verde è la massa.
La struttura riportata in Figura 2-10 è stata realizzata in modo da combaciare perfettamente con il tubo, in questo modo il sensore si troverà all’interno e il tubo risulterà chiuso. La presenza di unafessura sul tubo non permetterebbe l’instaurarsi di onde piane stazionarie, necessarie per la misura della sensibilità dei sensori, come spiegheremo nei prossimi capitoli.
Per prelevare il segnale dal sensore e dal microfono di riferimento è stato utilizzato un apparato di misura come quello mostrato in Figura 2-11. Il microfono utilizzato per misurare la pressione acustica è il modello MEO- 96PN-01-603 [22] che è un microfono ad elettrete e quindi non necessita di alimentazione.
L’impiego di due alimentatori è necessario perché gli amplificatori richiedono una tensione più alta rispetto a quella tollerata dal sensore. L’alimentatore del blocco 1 deve alimentare il sensore con una tensione
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cha va da 4 V a 7 V, mentre l’amplificatore del blocco 2 deve alimentare gli amplificatori con ±12 V.
Il segnale proveniente dal sensore è filtrato con un filtro passa alto per eliminare la continua. Successivamente il segnale viene amplificato con un amplificatore da strumentazione con guadagno variabile (G1 = 1,20,100),
che trasforma il segnale differenziale in segnale single ended, seguito da un altro stadio di amplificazione con guadagno variabile (G2 = 1,10). Il
guadagno complessivo risulta quindi essere G = G1G2, nel nostro caso è
stato scelto G = 1000. Il segnale in uscita dallo stadio di guadagno viene filtratocon un filtro passa basso attivo costituito dalla cascata di due celle Sallen-key con guadagno unitario in banda passante, che formano un filtro diButterwortha 10 kHz [32].
Figura 2-11: setup di misura. In giallo sono evidenziati gli alimentatori, uno alimenta il sensore mentre l’altro i due amplificatori. I fili rossi sono quelli dell’amplificazione positiva, mentre quelli in verde quella negativa. I terminali di riferimento (gnd) degli alimentatori sono collegati insieme.
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Il segnale in uscita dal blocco 4 è collegato al canale A del picoscope. Il segnale proveniente dal microfono di riferimento viene amplificato da un semplice amplificatore non invertente. Il guadagno del blocco 5 inizialmente pari a 3, è stato abbassato a 1 durante la seconda parte delle misure.
Il segnale in uscita dal blocco 5 è collegato al canale B del picoscope. Via software, grazie ad un programma python, il generatore di segnale viene pilotato in modo da stimolare l’altoparlante a diverse frequenze. Per pilotare il generatore di segnale è stato necessario collegarlo al computer con il bus GPIB-USB.HS [33] idoneo per il controllo da remoto degli strumenti. I segnali provenienti dai due canali vengono acquisiti grazie allo stesso programma python.
Per queste misure sono stati utilizzati due altoparlanti differenti il primo TR-050A-R e il secondo visaton FR 10 HM [26].
Si riporta in seguito la tabella riassuntiva degli strumenti utilizzati.
Blocco Marca e modello
Blocco 1: alimentatore sensore PS280 Tektronix [27] Blocco 2: alimentatore amplifictori E3646A Agilent [28] Blocco 3: generatore di segnale 33120A Agilent [29] Blocco 6: picoscope PicoScope 4262 [30] Tabella 2.3: strumenti utilizzati e relativi datasheet.
Per le misure di localizzazione della sorgente acustica è stato necessario utilizzare un sistema di lettura in grado di leggere contemporaneamente due canali. L’alimentatore 1 ed il blocco 4 sono stati sostituiti da una PCB (Printed Circuit Board), in grado di fornire sia un’alimentazione regolata ai due sensori sia di leggere le tensioni di uscita; questa board sarà descritta nel Capitolo 5
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3 Metodi di calibrazione sensori
APV
Si definisce calibrazione di un sensore il procedimento che identifica la relazione tra segnali di uscita e grandezza fisica misurata. Per definizione la
sensibilità è il rapporto tra il segnale di uscita e la grandezza fisica che lo ha generato, nel caso in cui il sensore non abbia una risposta lineare deve essere specificato il punto di lavoro in cui viene calcolata. Di solito, in questi casi, si sceglie di calcolarla nell'origine. In presenza di suoni molto forti la maggior parte dei sensori acustici non hanno un comportamento lineare. Per quanto riguarda gli APV la grandezza fisica da misurare è naturalmente la velocità acustica, mentre per i microfoni è la pressione. La grandezza di uscita in entrambi i casi è una tensione. Le sensibilità risultano quindi essere: 𝑆 =𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑑𝑖 𝑢𝑠𝑐𝑖𝑡𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡à 𝑉 𝑚 𝑠 𝑆 =𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑑𝑖 𝑢𝑠𝑐𝑖𝑡𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑉 𝑃𝑎 (3.1)
𝑆 , sensibilità del microfono, ha un comportamento piatto nel range frequenziale di interesse, mentre 𝑆 , sensibilità del sensore APV, dipende dalla frequenza.
Calibrare un sensore di velocità delle particelle non è semplice come caratterizzare un microfono di pressione per cui sono disponibili molteplici tecniche ormai verificate. Per definire la risposta in frequenza del sensore è stato scelto di utilizzare il metodo del tubo ad onde stazionarie, struttura con dimensioni non ingombranti, di facile utilizzo. All’interno del tubo il campo acustico è puramente unidimensionale, ma non si tratta del campo libero presente nelle camere anecoiche.
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