Strumentazione

Il set up sperimentale di base delle prove effettuate in questa tesi comprende un micromartello

Dytran 5800SL per l’eccitazione, e accelerometri monoassiali o triassiali per la misura della

risposta vibrazionale. In particolare per questi ultimi la scelta ricade tra: un accelerometro triassiale Dytran 3133A1, accelerometri 1D CCLD Brüel & Kjær 4507, e accelerometri 1D

Dytran 3035B e 3035G.

L’acquisizione e l’analisi dei dati sono stati effettuate grazie al sistema di misura e di analisi

LMS Test.Lab sviluppato dalla Siemens, studiato per ottimizzare l’acquisizione, la registrazione

e l’analisi dei dati durante test meccanici quali test vibrazionali, test acustici, test su sistemi rotanti e test strutturali. Il sistema consta di una parte hardware (LMS SCADAS) e di una parte software (LMS Testing Solution Software).

Martello Dytran 5800SL

Il micromartello Dytran 5800SL è un micromartello ad impulso con tecnologia IEPE (Integral Electronic Piezo-Electric) prodotto dalla Dytran Instruments. Il micromartello è dotato di un sensore di forza al quarzo montato sulla punta e un amplificatore IC a bordo in miniatura (Fig 2.1).

Lo strumento ha una sensitività di 100 mV/Lbf, un range di misura di 50 Lbf (0.22 kN) e una forza massima di 200 Lbf (0.9 kN).

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Fig 2.1: Micromartello Dytran 5800SL con sensore di forza e testa estensibile (dimensioni in inches).

Le ridotte dimensioni del martello e il ridotto peso della testa e dell’impugnatura permettono di ridurre l’inerzia complessiva dello strumento riuscendo a trasferire alle strutture forze impulsive con banda frequenziale fino a 300 kHz. In Tab 5.6.1 vengono riportate le specifiche tecniche del martello strumentato.

Martello Kistler 9724A

Il martello strumentato prodotto dalla Kistler modello 9724A (Fig 2.2 a) permette di generare una forza impulsiva di ampiezza fino a 500 lbf (2.2 kN). Il sistema è equipaggiato in punta di un sensore di forza al quarzo a bassa impedenza con valore di sensitività di 10 mV/lbf. In base alla banda frequenziale che si vuole eccitare, è possibile montare sulla cella di carico dei puntali di diverso materiale: acciaio (Tip 9902A e 99024B), PVC (Tip 9906), gomma dura (Tip 9908), gomma media (Tip 9910) e gomma morbida (Tip 9912).

In Fig 2.2 b viene riportata la banda frequenziale di eccitazione del martello strumentato per i diversi puntali: punte più rigide permettono di generare una forza impulsiva con banda frequenziale più ampia; al contrario, punte più morbide riducono la banda di eccitazione frequenziale della struttura. Nel caso di punta in acciaio si riesce ad avere una banda frequenziale di eccitazione fino a 6.6 kHz.

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Fig 2.2: a) Martello strumentato Kistler 9724A. b) Banda frequenziale di eccitazione del martello strumentato con puntali di diverso materiale.

In Tab 5.6.2 vengono riportate le specifiche tecniche del martello strumentato.

Accelerometro Dytran 3133A1

L’accelerometro modello 3133A1 della Dytran Instrument è un accelerometro piezoelettrico triassiale con tecnologia ICP. Lo strumento ha una sensitività di 10 mV/g, una frequenza di risonanza superiore a 35 kHz e una banda frequenziale che va da 0.25 a 7000 Hz per gli assi x e y da 0.25 a 10000 Hz per l’asse z. Il valore di RMS acceleration noise, stimato a partire dal valore di Spectral Noise di Tab 5.6.3, è di 0.02 g quindi accelerazioni al di sotto di questo valore non sono risolvibili. Il valore massimo di accelerazione misurabile è di 500 g. In Fig 2.3 viene riportato uno schema dell’accelerometro.

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Fig 2.3: Accelerometro Dytran 3133A1.

Accelerometro Brüel & Kjær 4507

L’accelerometro CCLD modello 4507, della Brüel & Kjær, è costituito da un accelerometro ThetaShear® e un preamplificatore CCLD in un alloggiamento in titanio leggero con connettori integrati da 10 a 32 UNF.

Il termine CCLD identifica l’accelerometro e i dispositivi di condizionamento del segnale che operano su un’alimentazione a corrente costante e forniscono segnali di uscita sotto forma di modulazione di tensione sulla linea di alimentazione. Uno dei vantaggi di questi sistemi è che consentono di utilizzare cavi poco costosi.

Il modello 4507 può essere utilizzato con tutte le configurazioni di vibrazione con i moduli di ingresso CCLD. I preamplificatori integrati a bassa rumorosità sono realizzati con tecnologia a film sottile. Inoltre l’impedenza di uscita a bassa potenza permette il collegamento di cavi lunghi tra l’accelerometro e l’apparecchiatura di misura.

Lo strumento (Fig 2.4) ha una sensitività di 10 mV/ms-2, frequenza di risonanza pari a 18 kHz e una banda frequenziale che va da 0.3 a 8 kHz. Il valore massimo di accelerazione misurabile è di 700 ms-2. Nella Tab 5.6.4 vengono riportate le specifiche tecniche del dispositivo.

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Fig 2.4: Accelerometro Brüel & Kjær 4507.

Accelerometro Dytran 3035BG

L’accelerometro modello 3035BG della Dytran Instrument (Fig 2.5) è un accelerometro IEPE in miniatura, con una sensibilità di 100 mV / g, un'altezza complessiva di soli 0,33 pollici (8,3 millimetri) e un peso totale di 2,5 grammi. I sensori presentano una robusta struttura in acciaio inossidabile, un supporto adesivo e un connettore radiale da 5-44. Come si può vedere dalla Tab 5.6.5, il dispositivo è dotato di una frequenza di risonanza superiore a 45 kHz, una banda frequenziale che va da 0.5 a 10000 Hz e un range di accelerazione pari a ± 50 g.

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Prove preliminari per il posizionamento degli accelerometri

Un aspetto delicato in fase di misura è il corretto posizionamento degli accelerometri. È importante che essi siano applicati in modo corretto e solido alla struttura da analizzare e che il materiale utilizzato per il fissaggio non provochi inclinazioni dell’oggetto alterando la misura. Fattori come la temperatura o il materiale utilizzato per il posizionamento, possono influire notevolmente sull’adesione degli accelerometri sui supporti.

Uno dei materiali più comunemente utilizzato per il collegamento, impiegato anche in tutte le prove che saranno discusse nel presente lavoro, è la classica cera per accelerometri. Spesso però, in particolari condizioni di temperatura, risulta difficile tenere incollati i sensori alla struttura in esame, con conseguente errore nella misura. Per ovviare a problemi del genere, sono state effettuate delle prove per identificare il miglior metodo di posizionamento degli accelerometri, e il materiale più adatto.

In particolare sono state condotti test vibrazionali, utilizzando un micromartello (Dytran

5800SL) come fonte di eccitazione, su una trave posizionata su un cuscino in gommapiuma (

Fig 2.6) incollando un accelerometro triassiale con diversi materiali: cera per accelerometri (fornita dal produttore), cera ricavata da tappi auricolari e colla Attak®.

Fig 2.6: Configurazione per prove preliminari per il posizionamento degli accelerometri: trave su cuscino in gommapiuma con accelerometro triassiale, eccitazione nel punto 5.

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È stato infine valutato l’effetto dello spessore di cera utilizzato per far aderire l’accelerometro alla struttura d’analisi. Nel caso specifico, la trave è stata eccitata nel punto 5 (Fig 2.7), in direzione perpendicolare all’asse della trave.

Il tutto è stato ripetuto su un phantom di tibia, già utilizzato in lavori precedenti [1], con pin avvitati all’interno e supporti per il posizionamento dei sensori di misura. Gli accelerometri (Dytran 3133A1 e Brüel & Kjær 4507) sono stati fissati come in Fig 2.7, alternativamente con la classica cera e con colla Attak®, ed è stato variata la quantità di cera utilizzata per valutare come ciò possa influenzare le misure, in condizioni simili a quelle in vivo. In accordo con il sistema di riferimento mostrato in Errore. L'origine riferimento non è stata trovata., è stato eccitato il punto 1 in direzione X, ed è stata acquisita la risposta in corrispondenza del punto 1 (direzione Z).

Fig 2.7: Configurazione di misura utilizzata per la determinazione del corretto metodo di posizionamento degli accelerometri su phantom di tibia con accelerometro triassiale e

monoassiale.