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Accelerometri. Accelerometri Modello di riferimento e similari Taratura Tipi e modelli Usi comuni Montaggio e precauzioni. m. k el. c. Modello di riferimento. vibrazione da misurare. vibrazione della massa inerziale. vibrazione relativa tra massa inerziale e guscio del trasduttore.
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Accelerometri • Accelerometri • Modello di riferimento e similari • Taratura • Tipi e modelli • Usi comuni • Montaggio e precauzioni
m kel c Modello di riferimento vibrazione da misurare vibrazione della massa inerziale vibrazione relativa tra massa inerzialee guscio del trasduttore Imponendo l’equilibrio dinamico: Modello del II ordine z(t) è l’output del trasduttore, che viene poimisurato da un trasduttore di spostamento.
Modello di riferimento Sostituendo le equazioni complesse in (1)…
Modello di riferimento • Diverse grandezze possono essere considerate input: • Spostamento • Velocità • Accelerazione Sismometro Velocimetro accelerometro
Modello di riferimento Divido numeratore e denominatore per kel … and Thus: Sismometro velocimetro accelerometro
x Sismometro Il misurando è l’oscillazione dell’elemento vibrante.
Accelerometro Il misurando è l’accelerazione, la lettura avviene misurando lo spostamento della massa inerziale → accelerometro a deflessione. K=m/ks – sensibilità statica
Estensimetri vibrazione da misurare Forza inerziale sulla massa m Deformazione dell’asta Misura di deformazione (R) Modello di riferimento • Gli accelerometri a deflessione possono essere realizzati usando diversi principi di misura per valutare lo spostamento della massa • Accelerometri a spostamenti relativi: capacitivo, induttivo, potenziometrico • Accelerometri estensimetrici o piezoresistivi • Accelerometri piezoelettrici • Accelerometri MEMS – capacitivi or piezoresistivi • Ad esempio considerando un accelerometro estensimetrico…
Modello di riferimento Proprietà degli accelerometri a deflessione:
Modello di riferimento • Accelerometri LOAD EFFECT: • on mass-load relationship • on the resonant frequency of the measurand system m Thereforeaccelerometromass should be small compared to the vibrating mass beingmeasured M F M F K C K C
Taratura degli accelerometri Gli accelerometri sono solitamente tarati a 1000 rad/s = 159.2 Hz con ampiezze di 10 m/s2.
Taratura degli accelerometri • Il metodo interferometrico è usato solo per la taratura di standard primari nazionali, mentre tecniche più pratiche sono usate comunemente con trasduttori campione: • Back to back Vu amp. accelerometro da tarare DAQ Vr amp Accelerometrocampione Sensibilità Aosint Tavolavibrante
Tipi e modelli di accelerometri • Accelerometri capacitivi: sensibili ad un cambio nella capacità elettrica derivante dall’accelerazione.L’accelerometro misura la variazione di capacità tra una condizione stazionaria ed una dinamica. • Piezoaccelerometri: sfruttano materiali come cristalli di quarzo, che generano potenziale elettrico se viene imposta una deformazione. L’effetto piezoelettrico consiste nella ridisposizione di cariche elettriche a causa dello sforzo meccanico. • Accelerometri piezoresistivi (ed estensimetrici): funzionano misurando la resistenza elettrica di un materiale che varia quando questo viene deformato. • Accelerometri ad effetto Hall Effect: misurano la variazione di tensione originata da un cambiamento del campo magnetico attorno all’accelerometro
Tipi e modelli di accelerometri • AccelerometriMagnetoresistivi: funzionano misurando variazioni di resistenza elettrica causata da un campo magnetico. La struttura ed il funzionamento sono analoghi agli accelerometri ad effetto Hall, ma non è richiesta una misura di tensione, solo di resistenza. • Accelerometri a trasferimento di calore: misura i cambiamenti interni di trasmissione termica legati all’accelerazione. Una singola sorgente di calore è sospesa su una cavità, termistori posti tutt’attorno misurano asimmetrie geometriche nel trasferimento termico dovuti allo spostamento della massa calda. • Micro-Electro Mechanical System (MEMs): tecnologie basate su una vasta serie di strumenti e metodologie, che sono usate per creare strutture di dimensioni micrometriche (un millesimo di metro). Queste tecnologie si rifanno come principio di misura a quanto già visto in precedenza, ma la loro scala li rende molto facilmente usabili in molti settori e facili da integrare.
Servoaccelerometri L’accelerazione è compensata da una retroazione che mantiene la massa ferma: metodo ad azzeramento • alta sensibilità (> 1000 mV/g) • basse frequenze (0500 Hz)
Piezoaccelerometro • Il parallelo massa molla smorzatore è dato da un prisma piezoelettrico, con una piccola massa ed una alta rigidezza. • Normalmente il cristallo è precaricato. • Nessuno smorzatore aggiunto: smorzamento molto basso (0.3). High frequency accelerometro High sensitivity accelerometro Mass 43 g Sens.10 pC/(ms-2) Freq. 1-4800 Hz Mass 0.63 g Sens. 0.15 pC/(ms-2) Freq. 1-26000 Hz
Piezoaccelerometro Il cristallo ha un’alta impedenza, quindi per misurare la carica è necessario usare un voltmetro ad alta impedenza, al fine di evitare che la misura stessa causi la scarica del cristallo. Poichè spesso questo è impossibile, un preamplificatore è usualmente collegato tra il trasduttore ed il sistema di acquisizione. La preamplificazione può avvenire in carica o in tensione. Solitamente si usano amplificatore di carica oppure amplificatori di tensione direttamente a bordo del trasduttore (circuiti a bordo). L’amplificazione in tensione è da evitare quando si usano cavi lunghi a causa della resistenza dei cavi.
Piezoaccelerometro Piezoaccelerometri con circuito a bordo sono disponibili sul mercato con vari nomi: ICP (trade mark di PCB piezotronics), IEPE (Bruel & Kjaer) e molti altri. L’acronimo più noto è ICP – Integrated Circuit Piezoelectric.
Piezoaccelerometro L’amplificazione a bordo ICP/IEPE richiede a sua volta un condizionatore per fornire l’alimentazione richiesta
Piezoaccelerometro Three axial ICP I condizionatori ICP sono compatti, affidabili ed utili, ma possono presentare problemi in temperatura, legati alla sensibilità termica del circuito a bordo Mono axial ICP
Tipi e modelli di accelerometri ATTENZIONE: Icristallipiezoelettrici col tempo riallineano le lorocaricheinternamente, quindimisure in bassafrequenza (3-5Hz) non sonopossibili
Usi principali • Vibrazione: • Comfort vibrazionale umano • Diagnostica industriale su macchinari • Diagnostica civile su edifici • Accelerazione: • Sistemi di navigazione inerziale • Misura e rilevamento degli impatti • Caratterizzazione dinamica dei materiali
