ACCELEROMETRI PRESENTAZIONE DI: Lorenzo Dallara Simone Dallara Andrea Monticelli Controlli Digitali 14/04/2014 FUNZIONAMENTO GENERALE F=Ma IDEALE F=KX REALE • Accelerazioni statiche Accelerometro ruotato sul posto • Accelerazioni dinamiche Accelerometro fissato su un corpo in movimento Controlli Digitali 14/04/2014 Accelerometri monoassiali e triassiali • Accelerometri monoassiali • Accelerometri triassiali Controlli Digitali 14/04/2014 Esempio applicazione • Accelerazione longitudinale • Accelerazione laterale • Accelerazione verticale Controlli Digitali 14/04/2014 Tipi di accelerometri • Piezoelettrici • Capacitivi • MEMS capacitivi • Estensimetri • Potenziometri Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI PIEZOELETTRICI Funzionamento Effetto piezoelettrico diretto Q d ij F d ij ma Q CV C 0 r V d ij • S b • F b b d ij F d ij ma C 0 r S 0 r S • Cristalli naturali (quarzo, tormalina,…) e sintetici (solfato di litio, ammonio di idrogenato fosfato,…): piezoelettrici naturalmente Ceramiche ferroelettriche polarizzate artificialmente tramite il processo di «polling» (titanio di bario, zirconato titanio di piombo PZT,…) Pellicole di polimeri Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI PIEZOELETTRICI Funzionamento F m 2Y n 1 2 / n 2 1 2 / n 2 / n 2 2 Controlli Digitali 14/04/2014 K m c 2mn ACCELEROMETRI PIEZOELETTRICI Risposta in frequenza • Per w/wn<<1 il sistema è pressochè costante e anche lo sfasamento ha valori prossimi a zero • Errore massimo del 5% il campo di frequenze utili si estende fino a circa ¼ della frequenza naturale fn Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI PIEZOELETTRICI Sensibilità e frequenza di risonanza • Al diminuire della massa la wn aumenta mentre la sensibilità diminuisce Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI PIEZOELETTRICI Sensibilità trasversale Accelerometro monoassiale Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI PIEZOELETTRICI Tipi Accelerometri Piezoelettrici • Compressione • Flessione • Taglio Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI PIEZOELETTRICI Accelerometri a compressione A COMPRESSIONE SINGLE «ENDED» A COMPRESSIONE ISOLATO • La massa comprime l’elemento piezoelettrico • Genera tensione sull’elemento piezoelettrico • Elevata risonanza : utilizzo in monitoraggio macchinari • Buon rapporto massa/sensibilità • Elevata sensibilità al rumore Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI PIEZOELETTRICI Accelerometri a Taglio • Adatti a bassa frequenza • Bassa sensibilità alle variazioni di T • Sensori ridotti che minimizzano l’effetto della massa aggiuntiva • Si applicano quando distorsioni della base o flessibilità notevoli della base Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI PIEZOELETTRICI Accelerometri a Flessione • Frequenze di risonanza basse • No monitoraggio macchinari masse • Sensibilità elevata • Applicazione sismiche( basa frequenza) Precarico: • Per far funzionare l’accelerometro in un tratto lineare • Permette di misurare sia accelerazioni positive che negative Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI PIEZOELETTRICI Uscita accelerometro Generatore di cariche elettriche( pC/ms-2 ) Generatore di tensione( mV/ms-2 ) • Catena di misura ad ALTA IMPEDENZA( accelerometri piezoelettrici convenzionali) Amplificatore di carica Sensore di carica Preamplificatore esterno al sensore Uscita sensore ad alta impedenza Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI PIEZOELETTRICI Uscita accelerometro • Catena di misura a BASSA IMPEDENZA(accelerometri piezoelettrici ICP/IEPE) Microcircuito all’interno del sensore stesso Amplificatore di carica o di tensione Alimentazione esterna (tra 18-30V) Circuiti sempre più piccoli (vantaggio) Uscita già a bassa impedenza (vantaggio) Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI PIEZOELETTRICI Esempio ICP A COMPRESSIONE CON CONNETTORE LATERALE A TAGLIO Controlli Digitali 14/04/2014 A COMPRESSIONE CON CONNETTORE IN ASSE ACCELEROMETRI PIEZOELETTRICI Vantaggi • Campi di frequenza ampi(1-30000Hz) • Buona linearità su un campo dinamico esteso • L’accelerazione può essere integrata per ottenere la velocità e lo spostamento • Usato in varie condizioni ambientali • Attivo e quindi non necessità di alimentazione • Robusto • Ingombro contenuto • Non contiene parti mobili soggette ad usura • Resistente a sollecitazioni di shock elevate • All’aumentare massa wn aumenta Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI PIEZOELETTRICI Svantaggi • • • • • • • • No misura accelerazioni statiche Limitato superiormente(1/3-1/4 di wn) Limitato inferiormente(1Hz) Bassa sensibilità (ICP) Correnti verso terra uscita ad alta Rumore triboelettrico impedenza Rumore elettromagnetico All’aumentare massa sensibilità diminuisce • Zero-shift • Ringing(a frequenze elevate) • non oltrepassare i 250°C Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI PIEZOELETTRICI Campi di applicazione Urti e vibrazioni: • diagnostica industriale su macchinari, diagnostica Alta frequenza civile su edifici, vibrazioni di motori, turbine, elementi meccanici rotanti ad alte velocità, sottomarini, … Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI PIEZOELETTRICI Campi di applicazione Urti e vibrazioni: • Monitoraggio ambientale di ponti, solette, palazzi, sismi… Controlli Digitali 14/04/2014 Bassa frequenza ACCELEROMETRI PIEZOELETTRICI Metodi di montaggio Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI PIEZOELETTRICI Influenza condizioni ambientali Deformazione della base Sostanze corrosive Umidità Campo magnetico Rumore acustico Radiazioni nucleari Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI CAPACITIVI PRINCIPIO FISICO L'accelerometro capacitivo sfrutta, come principio per la rilevazione dello spostamento della massa, la variazione della capacità elettrica di un condensatore al variare della distanza tra le sue armature. La variazione di capacità di un condensatore risulta proporzionale allo spostamento della massa sismica. Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI CAPACITIVI PRINCIPIO FISICO Configurazione di tipo a «capacità differenziale». Massa (rotore) Controlli Digitali 14/04/2014 Armature fisse (statore) Armatura mobile ACCELEROMETRI CAPACITIVI FUNZIONAMENTO F=ma Massima deflessione x della massa è pari alla distanza tra le armature in condizioni di equilibrio (forze nulle). Uno spostamento pari ad x0 causa il contatto tra l’armatura mobile e quella fissa. Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI CAPACITIVI FUNZIONAMENTO Indipendentemente dalla posizione del massa: Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI CAPACITIVI FUNZIONAMENTO Tensione di alimentazione V0 troppo elevata Instabilità Ǝ Xmax tale per cui Felastica = Felettromagnetica Se X> Xmax massa collassa sull’armatura fissa (pull in). Tale limite è funzione della tensione di alimentazione. Aumentando V0 aumentiamo la sensibilità ma allo stesso tempo riduciamo la zona utile di stabilità del sistema. x/x0 x/x0 Parziale campo di stabilità Controlli Digitali 14/04/2014 Totale instabilità ACCELEROMETRI CAPACITIVI PREGI Adatti alla misura di accelerazioni statiche Poco sensibili alle variazioni di temperatura Elevata sensibilità Alte prestazioni Bassa dissipazione di potenza Costo basso DIFETTI La tecnologia capacitiva rende questi sensori suscettibili alle interferenze elettromagnetiche. Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI CAPACITIVI CAMPI DI APPLICAZIONE Analisi delle vibrazioni Monitoraggio industriale Monitoraggio sismico Package Automotive Etc.. Controlli Digitali 14/04/2014 Dal punto di vista costruttivo i condensatori sono ripetuti per aumentare la sensibilità. TECNOLOGIA MEMS (Micro Electro Mechanical System) Integrano su uno stesso substrato di silicio proprietà elettriche e meccaniche. Sistema Massa-Molla-Smorzatore completamente realizzato in silicio. Miniaturizzazione (dimensioni confrontabili con quelle di un acaro: 0.5mm). Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI MEMS CAPACITIVI PRINCIPIO FISICO Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI CAPACITIVI MEMS PRINCIPIO FISICO Rappresentazione tridimensionale Accelerometro verticale Tre possibili tipi: • 1 asse • 2 assi • 3 assi Controlli Digitali 14/04/2014 Accelerometro laterale ACCELEROMETRI CAPACITIVI MEMS CIRCUITO DI INTERFACCIA (CIRCUITO TRASDUZIONE/ CONDIZIONAMENTO) Viene usato per passare dalla variazione di capacità del condensatore ad armatura centrale (condensatore differenziale) ad un segnale in tensione la cui componente continua (DC) è proporzionale all’accelerazione misurata. Segnale periodico la cui ampiezza è proporzionale alla capacità differenziale (guadagno unitario) Genera un segnale contenente l’informazione sul segno dell’accelerazione applicata Demodulatore e filtro passabasso Le armature fisse del condensatore vengono pilotate da un segnale sinusoidale (oppure un’onda quadra) ad alta frequenza generato da un circuito oscillante Controlli Digitali 14/04/2014 Preleva la componente continua del segnale demodulato ACCELEROMETRI CAPACITIVI MEMS ELETTRONICA INTEGRATA: esempio accelerometro a 3 assi Ha 3 differenti sensori per l’accelerazione lungo gli assi x, y e z e 3 differenti circuiti elettronici per ogni asse. Struttura accelerometro 3D senza elettronica. Tutti e 3 i sensori sono collegati con la stessa massa di prova. Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI CAPACITIVI MEMS TECNICHE DI FABBRICAZIONE Bulk Micromachining Rimozione del materiale dal substrato per creare buchi, cavità, canali o altre forme. Wafer di silicio Attacco chimico STRUTTURE: cavità, membrane, travi, masse sismiche, ugelli. Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI CAPACITIVI MEMS Surface Micromachining Vengono depositati strati di materiale superficiale, definiti tramite litografia e rimossi senza intaccare il materiale di substrato. Attacco chimico Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI CAPACITIVI MEMS PREGI Precisione e rapporto segnale-rumore elevati Ampia banda passante a partire da 0 Hz, sono dunque in grado di misurare le accelerazioni statiche Basso consumo energetico Più sensibili alle variazioni di ingresso Affidabilità Produzione su larga scala e omogeneità della lavorazione Miniaturizzazione DIFETTI Range di misura limitato a pochi g: la distanza tra l’armatura mobile e quella fissa fornisce lo scostamento massimo possibile della massa di prova e quindi impone un limite sulla massima forza applicabile alla massa, cioè alla massima accelerazione misurabile. Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI CAPACITIVI MEMS APPLICAZIONI Mobile Negli smartphone non c’è spazio per inserire cilindri, pesi, molle. Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI CAPACITIVI MEMS Telecomando Nintendo Wii Individua la posizione del controller nello spazio tridimensionale. Il dispositivo misura l’accelerazione e la gravità a cui è sottoposto il sensore. Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI CAPACITIVI MEMS Automotive: airbag Gli accelerometri MEMS rilevano la rapida decelerazione del veicolo in caso di incidente, li convertono in un flusso di bit digitali, che vengono inviati istantaneamente alla centralina airbag. Sofisticati algoritmi valutano la situazione e decidono se distribuire l'airbag in pochi millisecondi. Controlli Digitali 14/04/2014 ACCELEROMETRI CAPACITIVI MEMS Space Automotive Vibration Mobile Sport Hard disc protection Controlli Digitali 14/04/2014 ESTENSIMETRI Principio fisico: sono costituiti da un elemento conduttore la cui resistenza elettrica varia quando viene sottoposto a una deformazione. Campi di applicazione: il campo di applicazione di questi trasduttori è assai vasto: ad esempio, il controllo delle sollecitazioni delle turbine, nei motori a combustione interna, nei telai degli aerei e dei veicoli spaziali sono quasi sempre a reti di estensimetri opportunamente disposti. Controlli Digitali 14/04/2014 STRUTTURA ESTENSIMETRO L’estensimetro è costituito da un filo conduttore calibrato incollato a zig-zag su un supporto isolante di carta o resina, o, più frequentemente, da una faccia conduttrice fotoincisa ottenuta attraverso processi di diffusione. Grazie ai processi della tecnologia elettronica, è stato possibile miniaturizzare questi componenti e di integrare, sul loro stesso chip, anche parte dei circuiti elettrici di misura. Dimensioni traccia fotoincisa: spessore <0,005mm, dimensione 1cm. Controlli Digitali 14/04/2014 FUNZIONAMENTO DEI SENSORI Il funzionamento di un estensimetro è basato sulla variazione di resistenza di un conduttore al variare delle sue dimensioni. La resistenza della traccia di un estensimetro, di sezione costante A e lunghezza l, è data da: Per effettuare questa analisi, è utile considerare i differenziali delle grandezze. Con alcuni passaggi otteniamo: La quantità adimensionale Ke è detta costante di taratura. Quest’ultimo risultato permette di ottenere , dalla misura di ΔR/R, le deformazioni della struttura meccanica. Controlli Digitali 14/04/2014 COSTANTE DI TARATURA Per quasi tutti i conduttori usati per la realizzazione di questi trasduttori, Ke assume valori vicino a 2. I materiali semiconduttori impiegati negli estensimetri a stato solido presentano invece costanti di taratura assai più elevate. Costanti di taratura elevate aumentano la sensibilità della trasduzione deformazione-resistenza, e rende sempre più diffuso l’uso di questi componenti a stato solido. Controlli Digitali 14/04/2014 TECNICHE DI MISURA DEGLI ESTENSIMETRI Le conseguenti variazioni di resistenza della griglia vengono rivelate tramite un ponte di Wheatstone. Esso consiste nella lettura della d.d.p. che si stabilisce ai capi della diagonale del ponte, quando questo viene spostato dalla iniziale posizione di equilibrio a causa della variazione di resistenza. condizione di equilibrio: R1 R3 = R2 R4 I1 = I2 Va,b=0 Controlli Digitali 14/04/2014 TECNICHE DI MISURA DEGLI ESTENSIMETRI /2 Stato deformazione Resistenza estensimetro R1 R1+ΔR1 Viene misurata una d.d.p. Va,b≠ 0 ai capi della diagonale di misura che viene inviata allo strumento di misura. Dato che la corrente assorbita dall’amplificatore è del tutto trascurabile, la Va,b risulta proporzionale alla ΔR1/R1. I1( R1’ + R4) = I2 ( R2 + R3 ) = V0 R1’= R1+ΔR1 Va,b = I1 R1’ – I2 R2 Controlli Digitali 14/04/2014 TECNICHE DI MISURA DEGLI ESTENSIMETRI /3 Considerazioni Se si sceglie R1 = R4, la condizione di equilibrio impone che R2 = R3 Otteniamo: I1( R1’ + R4) = I2 ( R2 + R3 ) = V0 I1(2R1+ΔR1 ) = 2 I2 R2= V0 Va,b = I1 R1’ – I2 R2 Va,b = I1 R1’ – I2 R2 Con alcuni passaggi è possibile ottenere: Questo risultato è di grande importanza, perché si ha un sistema lineare , che trasforma le deformazioni in tensione con sensibilità costante. Controlli Digitali 14/04/2014 PRESTAZIONI ESTENSIMETRI Estensimetri incollati semiconduttore = deformazione 20 um/m Questa tabella consiglia la serie da usare per un certo profilo di prova o per un certo numero di specifiche che sono il tipo di misura, la temperatura di funzionamento, la durata della prova, la precisione richiesta e la durata di vita ciclica. Inoltre fornisce consigli per la scelta dell’adesivo, che essendo parte del sistema di misura, influenza la precisione. Controlli Digitali 14/04/2014 SCELTA ESTENSIMETRO 1. Lunghezza: La lunghezza è il primo parametro da scegliere in funzione allo spazio disponibile e alla natura della sollecitazione, cioè biassialità e gradiente. Controlli Digitali 14/04/2014 SCELTA ESTENSIMETRO Per uno stato di tensione biassiale si richiede l’uso di rosette. Controlli Digitali 14/04/2014 SCELTA ESTENSIMETRO 3. Serie: La scelta della serie è facilitata dalla consultazione di tabelle che consigliano la serie per un certo profilo di prova o per certe esigenze di prova Controlli Digitali 14/04/2014 SCELTA ESTENSIMETRO 5. Resistenza: tipicamente 120 e 350 ohm. Se la scelta è possibile, la resistenza più alta è preferibile in quanto riduce la generazione di calore di un fattore 3. Controlli Digitali 14/04/2014 SCELTA ESTENSIMETRO 6.Il numero STC è il coefficiente termico di espansione del materiale su cui è incollato l’estensimetro. I numeri STC più utilizzati e con maggiore probabilità sono 06 per l’acciaio e 13 per l’alluminio. Controlli Digitali 14/04/2014 PREGI E DIFETTI ESTENSIMETRI Pregi: -permettono di misurare tensioni, forze, pressioni, coppie e accelerazioni. -costi elevati consentono una riduzione del costo totale dell’installazione. - sono stati sviluppato molti tipi di colle per gli estensimetri e metodi di incollaggio adatti a intervalli di T° da -269°C a 816°C. Difetti: - temperature estreme richiedono saldature o fiammatura. - alcune colle richiedono riscaldamento in forno. - i tempi di presa variano da qualche minuto a parecchi giorni. - problemi a umidità estreme e per istallazioni a lunga durata. -la resistenza varia sia con la deformazione sia con la temperatura. Controlli Digitali 14/04/2014 POTENZIOMETRI Principio fisico: è un trasduttore di movimento basato sulla variazione di resistenza dovuta al movimento di un cursore mobile. Campi di applicazione: Le loro caratteristiche di precisione, linearità, compattezza e robustezza li rendono particolarmente adatti ad impieghi in macchine per termoplastici, legno, marmo, lamiera ed in tutte le applicazioni di misure assolute di posizione o di spostamento. Controlli Digitali 14/04/2014 STRUTTURA POTENZIOMETRO Sono costituiti da un filo o da uno strato metallico, avvolto su un supporto isolante, e da un contatto mobile in grado di spostarsi lungo il conduttore. Il potenziometro è poi inserito in un circuito alimentato da una sorgente di tensione costante, in modo che ogni variazione della posizione si traduce in una variazione della tensione erogata. Controlli Digitali 14/04/2014 PRINCIPIO FISICO POTENZIOMETRI Più pratico effettuare misure di tensione utilizzando il potenziometro come partitore di una tensione di alimentazione applicata agli estremi. Comportamento ideale perfettamente lineare: tensione nulla ad un estremo (x=0) e di alimentazione, VS, all’estremo opposto (x=L). Controlli Digitali 14/04/2014 CLASSIFICAZIONE Esistono vari tipi di potenziometri in commercio che differiscono sostanzialmente per la corsa che possono effettuare. Lineari o rettilinei Angolari o rotativi Controlli Digitali 14/04/2014 EQUAZIONI DI MISURA E’possibile notare come i potenziometri forniscono in uscita un segnale di tensione proporzionale allo spostamento subito dal contatto mobile; per questo si può affermare che il potenziometro è un trasduttore lineare. Controlli Digitali 14/04/2014 COMPORTAMENTO REALE Alcune discrepanze tra il caso reale e quello ideale, tipiche di un potenziometro sono: • nel risolvere l’equazione del circuito elettrico abbiamo ipotizzato assorbimento nullo in uscita; • il cursore ha un movimento limitato da una qualche forma di finecorsa meccanico che deve essere regolato; • la proporzionalità tra ingresso ed uscita potrebbe differire, magari anche solo localmente, dalla costante determinata semplicemente a partire dai valori globali di RL e L. Controlli Digitali 14/04/2014 SENSIBILITA’ DISPOSITIVO La sensibilità costante coincide col coefficiente angolare della retta (Vs/L): SENSIBILTA’ Nei potenziometri costituiti da un avvolgimento a filo la soglia di sensibilità è determinata dal passo dell’avvolgimento. Fintanto che il cursore si mantiene a contatto con una data spira, la tensione di uscita non cambia. Controlli Digitali 14/04/2014 RISOLUZIONE Esistono due tipologie di resistenza elettrica variabile all’interno di un potenziometro: FILO A SPIRALE A STRATO RESISTIVO Controlli Digitali 14/04/2014 PRESTAZIONI POTENZIOMETRI Controlli Digitali 14/04/2014 PREGI E DIFETTI Pregi: - precisi; - leggeri e poco ingombranti; - buona linearità, la linearità dipende dall’uniformità dell’avvolgimento resistivo, ma questi errori posso essere corretti con opportune resistenze in serie e in parallelo. Difetti: - L’irregolarità di costruzione dell’avvolgimento e l’intensità della corrente troppo elevata, fan variare per effetto Joule il valore di R, e quindi allontanano la risposta dall’andamento lineare; - temperature e umidità peggiorano le caratteristiche dell’elemento; - difetti meccanici ed elettrici producono rumore (fluttuazioni tensione di uscita Vo). Controlli Digitali 14/04/2014
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