Sistema di caratterizzazione automatizzato

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SISTEMA DI CARATTERIZZAZIONE

AUTOMATIZZATO

4.1 INTRODUZIONE

In questo capitolo si affronta il progetto di un circuito di misura per la caratterizzazione delle molle SMA. A differenza delle misure precedenti, dove le molle venivano collegate ad un peso di valore noto, si è scelto di far uso di un sensore di forza (cella di carico) basato su strain gage. La molla viene collegata al sensore e bloccata all’altra estremità. Il sensore fornisce un segnale proporzionale alla forza esercitata dalla molla, la sua lettura necessita però di un’opportuna amplificazione e filtraggio prima di essere digitalizzata e analizzata con il PC.

Sono possibili varie scelte architetturali per il circuito di misura; fra le varie analizzate

figura 4-1. Architettura del circuito di misura delle molle SMA con la cella di carico

La figura 4-1 mostra lo schema a blocchi del circuito proposto. Il segnale in uscita dal sensore di forza viene amplificato da un amplificatore da strumentazione, e a sua volta filtrato passa basso e poi inviato alla scheda di acquisizione DAQ 6024E della National Instrument.

Il blocco offset nulling provvede alla correzione dell’offset della cella, dell’amplificatore e del filtro. Il tutto è controllato tramite software di acquisizione e

read out di proprietà della Kayser Italia.

Nei primi test l’annullamento dell’offset è stato realizzato tramite un DC source in modo da fornire una tensione costante regolabile manualmente. Il segnale in uscita dalla scheda è stata analizzato con un oscilloscopio digitale.

Con la cella di acquisizione sono state svolte misure su alcune molle SMA che non erano state utilizzate nella missione spaziale ed è stato quindi effettuato un confronto tra le misure svolte in precedenza con il sistema discusso nel paragrafo 3.7.2 e le misure ottenute tramite il sistema di caratterizzazione automatizzato.

4.2 LO STRAIN GAGE

Uno strain gage, o estensimetro, è un dispositivo la cui variazione di resistenza può essere messa in relazione allo strain, cioè alla quantità di deformazione del materiale soggetto ad una forza. Il valore di resistenza di uno strain gage metallico può essere ricavato dalla seguente formula, valida per i conduttori:

A l

R= ρ (33)

figura 4-2

dove ρ è la resistività, l è la lunghezza lungo la direzione di applicazione della forza e

A è l’area della sezione ad essa trasversale.

Una forza F monoassiale applicata al conduttore, supposto isotropo, produce uno stress meccanico σ che corrisponde al rapporto tra la forza applicata e l’area del conduttore.

L’applicazione della forza produce una variazione dL della lunghezza del conduttore che è direttamente proporzionale allo stress σ se la deformazione rimane nei limiti di elasticità del materiale.

Si definisce lo strain come L L ∆ = ε (34) da cui dalla letteratura [24] si ottiene

ε

RG R

dR≈∆ = (35)

dove G è una costante detta fattore di gage.

La variazione di resistenza è quindi direttamente proporzionale allo strain.

A causa dei piccoli valori che assume lo strain normalmente si utilizza come unità di misura il microstrain (µε).Il valore dello strain varia a seconda dell’applicazione: il valore massimo misurabile è in generale di 40000µε.

Per i metalli il fattore di gage è pari circa a 2, ma esistono anche delle eccezioni, come il platino per il quale vale 6. Sarebbe auspicabile avere un G elevato, in quanto si otterrebbe una sensibilità maggiore alle deformazioni; questo avviene con gli strain gage a semiconduttore, che hanno fattori di gage di un ordine di grandezza maggiore rispetto ai valori tipici dei metalli (si può arrivare ad avere un G pari a 150). Questi strain gage, però, hanno altre controindicazioni, come ad esempio una relazione tra resistenza e deformazione che presenta delle non linearità non trascurabili, una maggiore sensibilità alla temperatura e una dipendenza del fattore di gage dall’orientazione della forza applicata rispetto agli assi cristallini.

La tabella 4-1 mostra il valore del fattore di gage di alcuni metalli utilizzati nella costruzione degli strain gage.

Lega composizione della lega fattore di gage

costantana 55% Cu, 45% Ni 2,0

Nichrome 80% Ni, 20% Cu 2,0

Isoelastici 36% Ni, 8% Cr, 55.5% Fe, 0.5% Mo 3,5 Karma 74% Ni, 20% Cr, 3% Al, 3% Fe 2,4

Monel 67% Ni, 33% Cu 1,9

Uno strain gage metallico viene costruito deponendo un film metallico su un substrato elastico: la struttura risultante viene poi incollata con un collante rigido sul materiale del quale si vogliono misurare le deformazioni. Nel caso di una cella di carico 4 strain gage vengono incollati all’interno della struttura della cella.

figura 4-3. Struttura di uno strain gage

La figura 4-3 mostra uno strain gage metallico: la forma è tale da minimizzare il rapporto di Poisson. Il film metallico è costituito da lati lunghi e sottili collegati da altri più corti, la cui deformazione (dell’ordine del 1-2%), non produce variazioni apprezzabili di resistenza. Questo consente di misurare lo strain lungo l’asse di massima sensibilità.

Gli strain gage con valore di resistenza nominale maggiore forniscono una maggiore sensibilità dato che a parità di deformazione si ottiene una variazione di resistenza maggiore, ma hanno ovviamente dimensioni maggiori.

I valori di resistenza tipici degli strain gage disponibili sul mercato sono di 120Ω e di 350Ω, gli estensimetri utilizzati nella realizzazione di sensori di forza possono avere valori di resistenza di 500, 1000 o 3000Ω.

4.3 LA CELLA DI CARICO

Nella maggior parte dei casi i trasduttori di forza vengono realizzati con 4 strain gage montati su un ponte di Wheatstone. Questo tipo di montaggio risolve il problema dell’errore di linearità sulla tensione di uscita grazie al fatto che tutti e quattro gli elementi del ponte variano la loro resistenza in funzione della forza applicata. Un ponte di Wheatstone con 1 o 2 estensimetri viene normalmente utilizzato in altre applicazioni (ad es. sensori di temperatura). Il vantaggio della configurazione con 4 estensimetri è illustrata nella figura seguente dove si suppone che le resistenze abbiano lo stesso valore nominale.

figura 4-4. Analisi della configurazione a 1, 2, 4 estensimetri[22]

Un altro vantaggio della cella a 4 estensimetri è il fatto che la tensione di uscita del ponte non risente degli effetti della temperatura dato che i quattro strain gage hanno lo stesso coefficiente di dilatazione termico e sono termicamente accoppiati, quindi sono soggetti alle stesse variazioni di temperatura.

L’espressione del segnale in uscita dal sensore è linearmente dipendente dalla tensione di alimentazione Vref. Nei datasheet dei sensori di forza viene indicata la sensibilità nominale, un valore tipico è 2mV/V, che corrisponde alla tensione di uscita del sensore nel caso sia applicata una forza pari al fondo scala riferita ad una tensione di alimentazione di 1 V. Normalmente l’alimentazione consigliata è di 10 VDC (Vref), si

ottiene, per una forza pari al fondo scala, una tensione di uscita della cella di 20mV. Si consideri il caso di un sensore di forza costituito da 4 strain gage indicato ciascuno con il proprio valore nominale di resistenza come da figura

figura 4-5. Schema elettrico di una cella di carico

La tensione in uscita dal sensore è data da:

Vref R R R R R R R R Vref R R R Vref R R R Vo       +       + − = + − + = 3 4 1 2 3 4 1 2 4 3 4 2 1 2 1 1 (36) Se il ponte è bilanciato 0 3 4 1 2 _{− =} R R R R

e la tensione di uscita è nulla.

Se la cella di carico non è stata calibrata dal costruttore si deve provvedere alla calibrazione manuale del ponte altrimenti si ha un errore di tipo sistematico nelle misure. La calibrazione della cella può essere eseguita inserendo in parallelo ad uno o più estensimetri del sensore, raggiungibili fisicamente da due dei conduttori della cella, un potenziometro del valore opportuno. Tuttavia questa scelta implica una calibrazione manuale della cella ogni volta che si vuol fare una misura.

E’ possibile anche compensare l’effetto dell’offset a valle del circuito: questa è la soluzione adottata e analizzata più avanti.

Considerando le quattro resistenze dello stesso valore nominale R si ottiene un valore della tensione di uscita proporzionale alla variazione di resistenza ∆R.

Vref R

R

Vo= ∆ (37)

Sostituendo a ∆R l’espressione precedentemente ricavata si ottiene la relazione di proporzionalità tra la deformazione e la tensione di uscita

ref V R RG

V0 = ε (38)

Il posizionamento dei 4 strain gage all’interno della cella di carico è illustrato nella figura 4-6.

figura 4-6. Posizionamento di quattro strain gage all’interno della cella di carico

Gli estensimetri vengono posizionati all’interno del foro della cella di carico e protetti esternamente da un coperchio metallico. Il segnale di riferimento Vref e la tensione di

uscita V0 del ponte di strain gage sono condotti da un cavo a quattro fili con schermo.

4.3.1 CRITERI DI SCELTA DELLA CELLA DI CARICO

Le caratteristiche più importanti nella scelta di una cella di carico sono di seguito riassunte:

• Range di forza in cui la cella deve lavorare.

• Modalità di lavoro della cella (tensione o compressione). • Carico nominale.

• Alimentazione di riferimento consigliata. • Resistenza di ingresso e di uscita.

• Accuratezza, linearità, isteresi, sensibilità nominale.

Nel nostro caso le molle SMA hanno mostrato valori di forza inferiori ai 3 N (si veda capitolo 3). Si è scelto quindi una cella di carico con funzionamento in trazione e con un valore di fondo scala superiore ai dei 3 N massimi misurati, per poter essere

utilizzata anche con molle di dimensioni maggiori per eventuali altri progetti. La scelta è ricaduta sulla cella (si veda la figura 4-8) CTCA1K5 della AEP

Transducers. Questa cella è del tipo a S, funziona sia in compressione che in trazione e permette di misurare valori di forza fino a circa 10 N. La molla SMA viene bloccata all’estremità superiore, l’estremità inferiore viene fissata ad un sostegno.

figura 4-8. Montaggio della cella di carico

I dati tecnici della cella di carico sono i seguenti:

costruttore EAP TRANSDUCERS

part number CTCA1K5

carico nominale 1 Kg sensibilità nominale 2mV/V linearità ≤ ±0.03% isteresi ≤ ±0.03% resistenza di ingresso 440±20Ω resistenza di uscita 350±2Ω alimentazione di riferimento 10 VDC temperatura di riferimento 23°C

campo nominale di temperatura -10+40°C

peso 0.3 Kg

tabella 4-2. Dati tecnici della cella di carico utilizzata

Il montaggio della molla SMA alla cella di carico avviene come in figura 4-9.

figura 4-9. Montaggio della molla SMA

La molla SMA viene interfacciata alla cella mediante 2 capicorda che vengono pressati in modo da bloccare una estremità del filo SMA come da figura 4-10 e figura 4-30. Gli stessi capicorda, isolati dalla meccanica sottostante da una guaina termorestringente, vengono connessi al monostabile per l’attivazione della molla. È importante stringere bene la vite e il dado che bloccano i capicorda per diminuire la resistenza di contatto che andrebbe a falsare le misure.

La cella di carico viene fissata al sostegno con una vite M6, e come suggerito nel datasheet di questo componente, si è bloccato il cavo che porta il segnale in ingresso allo stadio di amplificazione. Il peso del cavo può infatti influire sulla misura, è bene quindi fissarlo posizionandolo orizzontalmente.

figura 4-10. Interfacciamento della molla SMA alla cella di carico

Il collegamento della cella al circuito realizzato avviene secondo l’architettura riportata in figura 4-11.

Nei prossimi paragrafi si analizzano i blocchi citati.

4.4 COLLEGAMENTO DELLA CELLA DI CARICO ALLA STRUMENTAZIONE DI LETTURA

Nell’utilizzo delle celle di carico, come in tutti i circuiti analogici di misura, è importante tenere presente il problema di eventuali errori dovuti al rumore per le correnti che si richiudono dalle connessioni a massa. Per tale motivo una delle regole di design principale è di collegare lo schermo del cavo del sensore al ground point del sensore o dell’amplificatore e mai ad entrambi. Questa accortezza evita l’insorgere di rumore dovuto alla corrente di ground loop che scorre nella calza schermo, indotta dalla differenza di potenziale tra i due riferimenti di massa (si veda figura 4-12, Earth ground 1 e Earth ground 2). Per lo stesso motivo è da evitare il collegamento di uno degli ingressi dell’amplificatore a massa (si veda figura 4-12).

figura 4-12. Collegameno errato della cella alla strumentazione di letturaErrore. L'origine riferimento non è stata trovata.

In definitiva il corretto collegamento fra sensore e strumentazione è mostrato nella

figura 4-13:

figura 4-13. Collegamento corretto della cella alla strumentazione di letturaErrore. L'origine riferimento non è stata trovata.

In ultima analisi anche con l’utilizzo di uno schermo coassiale, correttamente collegato come in figura 4-13, si possono avere degli inconvenienti causati dalla capacità tra lo schermo e il conduttore che porta il segnale all’amplificatore. Tale capacità è influenzata dalla lunghezza dei collegamenti, è bene quindi limitare il più possibile le connessioni eccessivamente lunghe.

4.5 TENSIONE DI RIFERIMENTO

Un requisito fondamentale nell’utilizzo delle celle di carico è l’impiego di un riferimento di tensione costante. L’espressione della tensione di uscita dalla cella di carico è infatti direttamente proporzionale alla tensione di alimentazione fornita alla cella (si veda paragrafo 4.3) e una variazione di tale tensione provocherebbe degli errori inaccettabili nella misura di forza.

In commercio esistono numerosi integrati progettati per questo scopo anche a basso costo, per il progetto si è scelto di utilizzare una tensione di riferimento DC del valore di 10 V consigliata nel datasheet ed ottenuta con un AD587 della Analog Devices. La corrente massima che tale integrato può fornire è di 10mA ed essendo il valore della resistenza di ingresso della cella è pari a 440Ω, con una tensione di riferimento di 10 VDC la corrente necessaria alla cella di carico è quindi pari a circa 22.73 mA. Si è aggiunto al circuito di alimentazione un BJT PNP 2N2907(si veda figura 4-17) che può fornire fino a 600mA.

La configurazione dei pin dell’AD587 è mostrata in figura 4-14.

figura 4-14. Configurazione dei pin dell’AD587[27]

figura 4-15[27]

L’AD587 fornisce un riferimento stabile e della precisione adeguata, è provvisto inoltre di un pin che consente con l’aggiunta del solo condensatore C3 di ridurre il

rumore di uscita. Il valore di C3 consigliato nel datasheet è di 1µF (si veda figura 4-16).

La tensione di uscita del regolatore può variare tra un minimo di 9.990V e un massimo di 10.010V garantiti dal costruttore. Il potenziometro mostrato in figura 4-16 è collegato al pin 5 e consente una regolazione della tensione di uscita nel range 9.990-10.010 V.

figura 4-16[27]

In ingresso questo regolatore consente un valore di tensione che può variare tra 13.5V e 36V, nel nostro caso vengono forniti 15 VDC con un alimentatore da banco per laboratorio.

La figura 4-17 mostra il circuito di regolazione della tensione e della corrente per la cella di carico adottata, in cui R1 del valore di 200Ω serve per la polarizzazione del BJT, considerando una Vdd di 15 VDC.

Vdd Vdd R1 Q1 2 8 6 5 Vi NR Vo TR 4 GND GND x Vref GND

figura 4-17. Circuito di alimentazione della cella

4.6 STADIO DI AMPLIFICAZIONE

L’amplificatore da strumentazione scelto è l’AD624 della Analog Devices. Questo componente, ad alta precisione e basso rumore, è stato progettato principalmente per misure di segnali provenienti da celle di carico e strain gage.

figura 4-18. Configurazione dei pin dell’AD624[26]

E’ possibile fissare il fattore di amplificazione desiderato (scegliendo tra i valori 1, 100, 200, 500, 1000) collegando il pin 3 (si veda figura 4-18) con relativo pin di programmazione secondo quanto riportato in tabella 4-3.

GAIN collegamento _{pin3 al pin} collegamento dei _pin 1 – – 100 13 – 125 13 11 to 16 137 13 11 to 12 186,5 13 11 to 12 to 16 200 12 – 250 12 11 to 13 333 12 11 to 16 375 12 13 to 16 500 11 – 624 11 13 to 16 688 11 11 to 12; 13 to 16 831 11 16 to 12 1000 11 16 to 12; 13 to 11 tabella 4-3

E’ possibile ottenere anche altri valori di guadagno utilizzando un jumper esterno e ottenere un qualsiasi fattore di amplificazione compreso tra 1 e 1000 collegando una resistenza di valore opportuno tra il pin 3 e il pin 16 secondo la formula

1 40 − = G K R_G (39)

Il valore del guadagno da impostare nel circuito è fissato dal valore di fondo scala della scheda di acquisizione del segnale. Nel nostro caso tale valore è pari a 4.82 V. Tutta la catena di amplificazione deve quindi avere un guadagno tale da fornire, per una forza applicata al sensore pari al fondo scala dello strumento, un valore di uscita del circuito di acquisizione del segnale pari a 4.82V (- 4.82V nel caso di segnale negativo per misure di compressione).

La cella di carico utilizzata fornisce, per un valore di forza applicata pari al fondo scala e una tensione di alimentazione di 10 VDC, una tensione di uscita pari a 20 mV. Il corrispondente guadagno del circuito è

241 20 82 . 4 = = mV V GAIN (40)

Lo stadio di filtraggio (si veda il paragrafo 4.7) ha un guadagno unitario, mentre l’ultimo stadio di amplificazione (si veda paragrafo relativo al circuito di annullamento dell’offset 4.8) fornisce un guadagno pari a -2.41.

L’amplificatore da strumentazione deve quindi avere un guadagno pari a 100 che si ottiene collegando il pin 3 e il pin 13.

Il collegamento dell’AD620 alla cella di carico è mostrato in figura 4-19.

figura 4-19. Collegamento dei pin dell’AD624

Le tensioni Vdd (+15VDC) e Vss (-15VDC) sono fornite tramite un alimentatore da banco.

Il pin 9 (sense terminal) viene collegato al pin 10 come nella maggior parte delle applicazioni dell’AD624. Nel caso di pilotaggio di elevate correnti attraverso un lungo cavo per la connessione, il pin 9 consente di ridurre gli errori causati dalla caduta di tensione sul conduttore che connette l’uscita dell’amplificatore da strumentazione al carico.[26]

4.7 STADIO DI FILTRAGGIO

Lo stadio di filtraggio è costituito da un filtro passa basso del 6° ordine ottenuto da tre stadi del 2° ordine in cascata.

figura 4-20. Stadio di filtraggio del 6° ordine

Ogni singolo stadio di filtraggio attenua il segnale di 40 dB/dec, in uscita dal 3° filtro il segnale è attenuato di 120dB/dec.

Lo stadio passa basso è implementato da una cella Sallen-Key con guadagno unitario come mostrato in figura 4-21.

figura 4-21. Stadio di filtraggio Sallen-Key del 2° ordine

L’espressione della funzione di trasferimento, del tipo di Butterworth, è

0 0 2 2 0 ) ( ω ω ω +       + = Q s s s H (41) dove la frequenza w0 è 2 1 2 1 0 1 C C R R = ω (42)

e il fattore di qualità del filtro è dato da

(

)

(

)

La frequenza di taglio di ciascuno stadio di filtraggio è stata fissata intorno ai 20 Hz. E’ stata utilizzata una frequenza di taglio molto bassa dato ci interessa conoscere solo il valore massimo della forza esercitata dalla molla sotto test.

Il componente scelto nella progettazione del filtro è l’OP-400[28] che offre una bassa

tensione di offset di ingresso (150µV max) e un basso consumo di corrente (750 µA max). Tre dei quattro amplificatori operazionali presenti al suo interno sono

utilizzati nell’implementazione del filtro passa basso, il quarto è utilizzato nel circuito di annullamento dell’offset (si veda paragrafo relativo).

La configurazione dei pin dell’OP400 è mostrata in figura

figura 4-22. Configurzione dei pin dell’OP400[28]

Le caratteristiche principali di questo componente sono evidenziate in tabella 4-4.

Low input offset voltage 150 µV max Low offset voltage drift over –55°C to +125°C 1.2 pV/°C max Low supply current (per amplifier) 725 µA max

Input bias current 3 nA max

Low noise voltage density 11 nV/√Hz at 1 kHz Stable with large capacitive loads 10 nF typ

Maximum Supply Voltage ±20 V Maximum Differential Input Voltage ±30 V

Slew Rate 0.15 V/µs

Lo schema completo del filtro passa basso è mostrato nella figura 4-23.

figura 4-23. Schema completo del filtro passa basso

Il valore di ciascun componente del circuito è indicato in tabella 4-5.

R1 100KΩ C1 78nF R2 100KΩ C2 82nF R3 100KΩ C3 56nF R4 100KΩ C4 110nF R5 100KΩ C5 22nF R6 100KΩ C6 302nF tabella 4-5

Le resistenze utilizzate sono through-hole con tolleranza 1%, i condensatori sono

through-hole ceramici con tolleranza 10%.

4.8 CIRCUITO DI ANNULLAMENTO DELL’OFFSET

Ciascun componente utilizzato nel circuito di acquisizione dl segnale introduce un offset che va opportunamente compensato. Questa regolazione viene svolta in maniera digitale secondo lo schema di figura 4-24.

In questo paragrafo si analizza il principio di funzionamento del circuito.

figura 4-24. Architettura del circuito di regolazione dell’offset

La regolazione dell’offset viene svolta come segue: senza carico applicato al sensore di forza il segnale analogico di uscita OUT_AN viene inviato ad un comparatore che esegue un confronto tra tale tensione e un riferimento a tensione nulla. In condizioni in cui sia presente dell’offset il convertitore DAC fornisce al sommatore (in configurazione invertente), su uno dei suoi due ingressi, un segnale a rampa che viene quindi sommato a quello di offset. Quando il comparatore scatta, cioè quando il segnale di uscita OUT_AN è zero, una volta che la tensione di offset è stata annullata dal valore di tensione raggiunto dalla rampa, la logica FPGA pilota il DAC che fornisce una tensione costante al sommatore tale da mantenere l’uscita OUT_AN a

zero. Il termine della regolazione dell’offset viene imposto, una volta che la tensione OUT_AN ha raggiunto il valore nullo, dalla scheda di acquisizione che invia il comando OFF_CMD alla logica FPGA.

Lo schema del sommatore è mostrato nella figura seguente:

figura 4-25. Schema del sommatore utilizzato nel circuito di annullamento dell’offset

dove V1 e V2 sono i due ingressi: l’uscita del filtro passa basso e l’uscita a rampa del DAC. Questo stadio offre un fattore di amplificazione in continua pari a –R9/R7 per il segnale V1 di cui si è tenuto conto nel dimensionamento dello stadio di guadagno dell’amplificatore da strumentazione al paragrafo 4.6. La tensione di uscita dallo stadio è 2 8 9 1 7 9 _ V R R V R R V_{OUT AN} =− − (44)

Il convertitore digitale-analogico ha una dinamica di uscita che va da +5V a -5V. Il segnale a rampa in uscita dal DAC è rappresentato in figura 4-26.

La tensione di uscita del DAC si fermerà sul valore 1 7 8 2 V R R V =− (45)

che andrà a compensare la tensione di offset in uscita dal sommatore.

Tale stadio, inoltre, con il condensatore C7, fornisce un ulteriore stadio di filtraggio passa basso del 1° ordine con un polo a frequenza

132 2 1 7 9 ≈ = C R f π Hz (46)

La regolazione dell’offset può essere svolta anche manualmente facendo uso di un DC source: la tensione in uscita da tale strumento, inizialmente nulla, viene impostata agendo sui comandi di controllo e aumentata fino a che il segnale visualizzato sull’oscilloscopio non diventa prossimo a zero. La figura 4-27 mostra la tensione di offset presente in uscita dallo stadio sommatore.

figura 4-27. Tensione di offeset in uscita dallo stadio sommatore

La regolazione dell’offset avviene per passi variando la tensione di uscita del DC source e la risoluzione dell’oscilloscopio fino a che, come si vede in figura 4-29, non si ottiene un segnale nullo.

figura 4-28. Azzeramento dell’offset con il DC source figura 4-29. Azzeramento dell’offset con il DC conuna risoluzione dell’oscilloscopio di source con una risoluzione dello 10mV divisione oscilloscopio di 100mV per divisione

Dalla figura 4-29 si vede che è stato inviata una tensione di -0.38 VDC sull’ingresso V2 dello stadio sommatore di figura 4-25.

La tensione di offset viene annullata senza collegare la molla alla cella di carico. In caso contrario, a causa del pretenzionamento della molla, regolando la tensione di uscita dello stadio sommatore sullo zero annulleremmo anche la tensione dovuta alla forza esercitata dalla molla prima dell’attivazione.

Un accorgimento utile è collegare la molla, regolando l’altezza del sostegno, come in

figura 4-30 in modo da evitare il pretenzionamento.

4.9 MONTAGGIO DELLA SCHEDA

Il montaggio dei componenti è stato eseguito su un PCB di proprietà della Kayser Italia. Le saldatura dei componenti è stata effettuata con flussante per migliorare il risultato delle saldature soprattutto quando si è dovuto saldare i condensatori a montaggio superficiale (SMD). Si è effettuato poi il risciacquo della scheda con alcool isopropilico.

Una volta terminato il montaggio dei componenti si è effettuato un controllo della scheda con un multimetro per verificare la continuità dei collegamenti. Si è verificata inoltre, fornendo l’alimentazione duale di ±15VDC, la tensione di riferimento di 10 VDC da fornire alla cella di carico.

La figura 4-31 mostra la scheda realizzata.

figura 4-31. La scheda realizzata

Alcuni condensatori, del tipo SMD, sono stati montati sul retro della scheda come si vede in figura 4-32.

4.10 MONTAGGIO DEL SETUP DI MISURA

La figura 4-33 mostra lo schema a blocchi del setup di misura realizzato in laboratorio come mostrato dalla figura 4-34.

figura 4-33. Architettura del setup di misura

Gli strumenti utilizzati per le misure sono stati i seguenti: • Oscilloscopio digitale

• Sonda di corrente (uscita 100mV/A). La figura 4-35 mostra il gradino di corrente applicato alla molla SMA sotto test.

• Alimentatore da banco (regolato in modo da fornire ±15 VDC 100mA). • Alimentatore da banco (regolato in modo da fornire ±15 VDC 100mA). • DC source

La scheda è stata successivamente inserita in un contenitore che consentisse la schermatura dell’elettronica da eventuali fonti esterne di rumore. Lo schermo della cella di carico, collegato al corpo della cella, è stato connesso al contenitore metallico. Anche con le prime misure di test, prima di aver inserito la scheda elettronica nel contenitore metallico, il rumore di uscita si è rivelato molto basso (0.06% FS).

figura 4-34. Montaggio del setup

4.11 MISURA DI FORZA

Il procedimento per la misura di forza è il seguente:

1) Calibrazione dell’offset in uscita (si procede come descritto nel paragrafo 4.8). 2) Misura della lunghezza iniziale della molla SMA.

3) Collegamento della molla SMA alla cella di carico come descritto nel paragrafo 4.9.

4) Attivazione della molla con un impulso di corrente di 1 A e durata 1 s e acquisizione del segnale di uscita tramite l’oscilloscopio.

La relazione tra la tensione di uscita e la forza esercitata dalla molla si ottiene a partire

dal valore di sensibilità nominale della cella di carico. Come già detto al paragrafo 4.3.1 la cella scelta ha un carico nominale di 1 Kg che corrispondono a 9.81 N. Con l’alimentazione di 10 VDC utilizzata, per un carico pari al fondo scala, si ottengono 20mV di uscita dalla cella che vengono poi amplificati di 241 ottenendo un segnale di uscita di 4.82V. Data l’ottima linearità presentata da questa cella (≤ 3%FS) si può ottenere il valore di forza relativo ad una misura facendo una proporzione. La figura 4-35 mostra l’andamento nel tempo della tensione di uscita dalla cella di

carico quando sollecitata da una molla SMA sotto test. Si noti il ritardo introdotto nella risposta della molla dovuto al tempo che occorre per raggiungere la temperatura di 70°C. Tale ritardo è stimato intorno ai 390 ms.

figura 4-35. Andamento nel tempo della tensione di uscita dalla cella di carico

Nel caso di figura 4-35 osservando si è ottenuto un valore massimo della tensione di uscita di 880 mV cui corrisponde una forza esercitata dalla molla pari a

79 . 1 88 . 0 82 . 4 81 . 9 = = F N

Le misure svolte su 10 molle SMA hanno riportato i risultati mostrati in tabella 4-6. Con un calibro digitale si è misurata la lunghezza iniziale della molla che è stata fissata a 55 mm come nelle precedenti misure.

SMA VMAX(mV) F(N) 1 840 1.71 2 1040 2.12 3 1000 2 4 960 1.95 5 880 1.79 6 960 1.95 7 1080 2.2 8 1080 2.2

9 1080 2.2

10 1080 2.2

tabella 4-6. Risultati delle misure su dici molle SMA con il sistema di misura automatizzato

Il nuovo metodo di misura per la caratterizzazione delle molle SMA consente una selezione delle stesse molto più rapida e affidabile.