ESSEBI S.r.lESSEBI S.r.l
ACCELEROMETRIACCELEROMETRIACCELEROMETRIConsiderazioni generali
TipologieMontaggio
Collegamenti
04 luglio 2003
V.le Giulio Agricola, 130 – 00174 Roma tel. 06-71.00.152 06-710.75.339
www.essebiweb.it [email protected]
ESSEBI S.r.l. ANSB001
Servizi e sistemi di acquisizione dati
INDICE: 1 – Considerazioni generali ..................................................................................................................... 1
2 - Trasduttore sismico ............................................................................................................................ 2
3 - Accelerometri piezoelettrici ................................................................................................................ 4
4 - Altre tipologie di accelerometri ........................................................................................................... 9
5 – Scelta di un accelerometro .............................................................................................................. 10
6 - Montaggio e isolamento ................................................................................................................... 12
7 - Connessioni...................................................................................................................................... 13
8 - Lunghezza dei cavi........................................................................................................................... 13
9 - Tipi di collegamento.......................................................................................................................... 13
10 – PCB 333B30 e PCB 353B17......................................................................................................... 15
11 - Settaggio della scheda NI DAQCard AI 16XE-50 ......................................................................... 18
12 - Drive degli accelerometri ................................................................................................................ 18
1 – Considerazioni generali
La vibrazione può intendersi come lo
spostamento relativo di un punto di un corpo
che si muove rispetto ad un punto fisso; essa
in generale è una grandezza di natura
periodica, o riconducibile a tale, individuata da
forma, frequenza ed ampiezza. Un metodo
molto semplice per misurare quest’ultima
grandezza è quello di far ricorso ad un punto
fisso di osservazione, a sufficiente distanza, in
cui posizionare un cannocchiale con oculare
munito di reticolo. Sull’organo in movimento si
incolla un piastrina adesiva, debitamente
illuminata, e dotata, nella parte in vista, di
elementi catadiottrici puntiformi. Quando
l’organo è fermo essi appaiono come punti
luminosi; quando esso si mette a vibrare ogni
punto nell’oculare appare come una striscia di
cui si può apprezzare l’intensità attraverso il
reticolo preventivamente tarato. Tali strisce
possono essere verticali, orizzontali o
costituire, per la composizione dei moti, figure
di Lessegius.. Con tale sistema è possibile
misurare l’ampiezza delle vibrazioni, sapere il
piano in cui si manifestano, ma non è dato
sapere nulla riguardo alla frequenza che le
caratterizza. Inoltre il metodo si basa sul
presupposto, molto spesso irrealizzabile, di
avere un punto fisso di riferimento da cui
effettuare le osservazioni. Con tale metodo,
definibile di tipo ottico, è pertanto possibile,
soltanto in alcuni casi, determinare il valore
picco-picco della vibrazione senza poterne
definire la forma e la frequenza. Un sistema
più efficace è senz’altro quello stroboscopio:
ultimando l’organo in movimento con una
sorgente luminosa alla stessa frequenza di
quella con cui sta vibrando, lo si può vedere
fermo ed apprezzarne visivamente l’ampiezza.
Per avere però una conoscenza completa del
fenomeno è opportuno ricorrere ai cosiddetti
trasduttori sismici.
www.essebiweb.it 1 [email protected]
ESSEBI S.r.l. ANSB001
Servizi e sistemi di acquisizione dati
www.essebiweb.it 2 [email protected]
2 - Trasduttore sismico
Un trasduttore sismico (Fig. 1) è caratterizzato
dal sistema massa M - molla K - smorzatore C,
da un contenitore protettivo e da un opportuno
trasduttore del segnale in uscita .
Figura 1 : trasduttore sismico.
Si suppone che la vibrazione abbia la direzione
dell’asse y e che sia sinusoidale1. Il trasduttore
è rigidamente collegato all’elemento di
macchina di cui si vuole misurare
l’accelerazione. Quest’ultimo in base all’ipotesi
fatta vibra con un spostamento rispetto ad un
punto fisso esterno D esprimibile nel seguente
modo:
tAyh ⋅⋅= ωsin
in cui yh è lo spostamento del contenitore
protettivo, e quindi dell’accelerometro nel suo
complesso, rispetto ad un punto fisso esterno,
A l’ampiezza e ω la pulsazione della forzante
impressa. Se yr è lo spostamento relativo
della massa M si ha che lo spostamento
assoluto ym della massa M si può esprimere
nel seguente modo:
rhm yyy +=
Se la massa M è molto grande e la vibrazione
ha una bassa frequenza, lo spostamento yr
della massa M avrà un certo ritardo rispetto a
1 Il fatto che la vibrazione non è sinusoidale è superabile in base al teorema di Fourier. Inoltre forme d’onda
quello del moto assoluto. Tale spostamento
risulta:
)sin()( ϕω +⋅= tyy Maxrr
in cui ϕ è lo sfasamento. Se la frequenza di
vibrazione aumenta molto, la massa tenderà a
restare inerte e ciò sarà tanto più vero quanto
più tale valore sarà grande rispetto alla
frequenza propria del trasduttore, la cui
pulsazione è pari a ωn: il movimento della
cassa rispetto alla massa è proprio quello
rispetto ad un punto fisso che si andava
cercando. In tal caso lo strumento si comporta
come un vibrometro (yrMax circa uguale ad A),
ossia misura l’ampiezza delle oscillazioni. Se
invece la frequenza di lavoro, ovvero la
frequenza di eccitazione , è inferiore alla
frequenza propria del trasduttore lo
spostamento relativo yr risulta proporzionale
all’accelerazione.
Per trovare il segnale di uscita yr rispetto a
quello di ingresso yh basta esplicitare il
secondo principio della dinamica per il caso in
esame:
02
2
=⋅+⋅+⋅ rrm yK
dtdyC
dtyd
M
sostituendo ym si ha:
0)(2
2
2
=⋅+⋅++⋅ rrrh yK
dtdyC
dtyd
dtyd
M
conoscendo l’espressione di yh si determina la
sua derivata seconda:
tAdt
yd h ⋅⋅−= ωω sin22
2
complesse possono essere rappresentate tramite una serie di funzioni seno e coseno.
ESSEBI S.r.l. ANSB001
Servizi e sistemi di acquisizione dati
www.essebiweb.it 3 [email protected]
che sostituita nell’espressione del secondo
principio della dinamica fornisce:
tAMyKdt
dyCdt
ydM rrr ⋅⋅⋅=⋅+⋅+⋅ ωω sin2
2
La soluzione in regime stazionario di tale
equazione differenziale del secondo ordine è la
seguente:
222
2
2
)(4)(1
)()(
nn
nMaxr
Ay
ωωζ
ωω
ωω
⋅⋅+⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−
=
con:
MK
n =ω MK
C⋅⋅
=2
ζ
e l’angolo di sfasamento:
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
−
⋅⋅=
2)(1
2
n
narctg
ωωωωζ
ϕ
Graficando tale soluzione (Fig. 2) si ha che
quando tende all’infinito ω/ωn , (yr)Max/A tende
ad 1 il che conferma quanto asserito
precedentemente: quando la frequenza dello
strumento è molto bassa rispetto a quella di
eccitazione, la massa M sta praticamente
ferma ed esso si comporta come un vibrometro
(misura cioè l’ampiezza).
I vibrometri risultano pertanto strumenti
intrinsecamente grandi e ciò è verificato tanto
più, quanto più è bassa la frequenza che
debbono misurare. Ciò significa che volendo
misurare con un vibrometro le caratteristiche di
vibrazione di un corpo piccolo e leggero, che
vibra a bassa frequenza, l’errore di inserzione
che ne risulta sarebbe tale da rendere
improponibile la misura stessa. In questi casi,
che poi in termini applicativi rappresentano la
stragrande maggioranza, è dunque necessario
ricorrere a sistemi alternativi,
Figura 2 : rapporto (yr)Max/A, in funzione del rapporto delle
frequenze.
quali gli accelerometri elettrici, trasduttori cioè
in grado di convertire l’accelerazione in
ingresso in un segnale in uscita proporzionale
all’accelerazione stessa. Tale segnale
elettrico, generalmente in tensione, viene
quindi trattato attraverso i sistemi di
acquisizione ed elaborazione dati: una doppia
integrazione dello stesso consentirà la
determinazione degli spostamenti.
Quando la frequenza da misurare è bassa,
rispetto a quella propria dello strumento, si è in
presenza ad un accelerometro; la massa M
non è più ferma ma si muove con spostamenti
che risultano proporzionali alle accelerazioni.
Derivando due la volte l’espressione dello
spostamento sinusoidale dell’accelerometro
rispetto ad un ipotetico punto fisso esterno si
ricava:
tAyh ⋅⋅⋅−= ωω sin2
..
e di conseguenza a meno del seno: 2ω⋅−= AAacc
in cui Aacc è l’ampiezza della accelerazione
(accelerazione massima). Ricavando A e
sostituendola nella soluzione precedentemente
scritta si ha:
ESSEBI S.r.l. ANSB001
Servizi e sistemi di acquisizione dati
www.essebiweb.it 4 [email protected]
222
2
2
)(4)(1
11)(
nn
nacc
Maxr
Ay
ωωζ
ωωω
⋅⋅+⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−
⋅−=
in cui risulta evidente il rapporto tra lo
spostamento massimo della massa M rispetto
alla cassa e la accelerazione massima della
cassa stessa. Il secondo fattore a secondo
membro è il fattore noto, tipico degli strumenti
del secondo ordine. Esso è moltiplicato per
l’inverso del quadrato della frequenza propria,
costante per ogni strumento. Graficando la
funzione (Fig. 3) ora si nota che per ω/ωn che
tende a zero (ossia per frequenze di vibrazione
molto piccole rispetto a quella propria dello
strumento), il rapporto (yr)Max/Aacc tende
all’unità, il che equivale a dire che lo
spostamento massimo della massa rispetto
alla cassa esterna è uguale all’ampiezza
massima dell’accelerazione.
Il dominio delle frequenze in cui può essere
usato l’accelerometro dipende dall’errore
dinamico accettabile. A parità di accelerazione
più è elevato ωn e più piccolo è lo
spostamento; ciò significa che intrinsecamente
è molto più sensibile il vibrometro
dell’accelerometro.
Un accelerometro con una grande banda
passante deve avere un valore alto della
frequenza propria ωn: ciò si ottiene diminuendo
la sua massa M ed aumentando il valore della
costante elastica K.
Figura 3 : rapporto (yr)Max/Aacc , in funzione del rapporto
delle frequenze.
Essendo K grande e M piccolo, lo spostamento
risultante è piccolo è quindi lo strumento è
caratterizzato dall’avere una bassa sensibilità.
Realizzare inoltre un accelerometro con una
grande banda passante è relativamente
difficile in quanto, dovendo impiegare una
massa molto piccola, non si riesce
praticamente ad applicarvi il trasduttore. Il
problema si risolve ricorrendo a trasduttori
piezoelettrici: con essi è possibile realizzare
accelerometri aventi bassa massa ed elevata
rigidezza.
3 - Accelerometri piezoelettrici
In questo tipo di accelerometri, che è quello
impiegato nella presente tesi, la reazione
elastica viene fornita da un elemento cristallino
che funge direttamente da trasduttore. Alla
base del funzionamento di questi sensori c’è
l’effetto piezoelettrico che causa una
separazione e quindi un accumulo di cariche
elettriche positive e negative sulle opposte
facce di un reticolo cristallino quando esso è
sottoposto all’azione di una forza esterna (Fig.
4). Il quarzo sia nella sua forma naturale che
dopo aver subito trattamenti particolari è uno
dei materiali piezoelettrici naturali più sensibili
e stabili che si conosca. Nella figura seguente
si può vedere l’effetto su un cristallo di quarzo.
ESSEBI S.r.l. ANSB001
Servizi e sistemi di acquisizione dati
Forza Forza
Figura 4 : disposizione delle cariche all’interno di un
cristallino eccitato.
Come si nota gli ioni dell’ossigeno e quelli del
silicio si ridistribuiscono nel reticolo andandosi
ad accumulare sulle facce opposte del
cristallo. Naturalmente l’intensità di questo
fenomeno è proporzionale alla sollecitazione
cui il cristallo è sottoposto le cariche che
appaiono sulle due facce possono pertanto
esprimersi nel seguente modo:
FdQ ij ⋅=
in cui dij è la costante piezoelettrica che sta a
significare la quantità di carica che il quarzo
mette a disposizione, per quel determinato
taglio, in funzione del carico applicato. Poiché
il doppio strato di cariche è separato da un
dielettrico, che è il cristallo stesso, si può
concludere che detto cristallo sotto carico si
comporta come un condensatore, per cui si
può scrivere:
VCQ ⋅=
in cui C è la capacità del condensatore che
può essere espressa nel seguente modo:
dSC ⋅= ε
in cui S è la superficie delle facce, d la
distanza tra le facce e ε la costante dielettrica
del quarzo. In definitiva fra le due facce esiste
una differenza di potenziale V che vale:
Sadmd
CFdV ijij ⋅
⋅⋅⋅=⋅=ε
in cui m è la massa cristallo, ovvero una
massa solidale al quarzo, ed a l’accelerazione
lungo l’asse preso in considerazione per
l’applicazione della forza F. Nella realizzazione
di un accelerometro è pertanto necessario che
la forza imposta sul materiale piezoelettrico
corrisponda esattamente all’accelerazione da
misurare. Per questo motivo al cristallo è
attaccata una massa nota che crea una forza
proporzionale all’accelerazione. Sottili elettrodi
metallici, realizzati tipicamente in oro, hanno il
compito di raccogliere gli ioni e, tramite dei
cavi di collegamento, di trasmettere il segnale
così ottenuto.
Non è previsto di solito nessun elemento che
fornisca uno smorzamento, l’unica forma di
dissipazione di energia è data dall’isteresi del
cristallo. Lo smorzamento, quindi è davvero
molto basso, dell’ordine di 0,01 ed in genere
non viene neanche fornito nei certificati della
ditta che ha realizzato l’accelerometro e in
molte considerazioni pratiche può essere
addirittura trascurato. Questo è accettabile
visto l’elevato valore della frequenza propria di
risonanza. Per quanto riguarda il campo di
utilizzo la risposta alle basse frequenze è
determinata dalle caratteristiche del cristallo, in
particolare dalla sua costante di tempo τ,
mentre alle alte frequenze dalla risonanza
meccanica. Il range di utilizzo, considerando
un 5 % in più della frequenza minore e un 5 %
in meno a quella maggiore, può essere
espresso da: 3/τ < ω < 0,2ωn.
Un’accurata risposta alle basse frequenze
richiede un’elevata costante di tempo τ, che di
solito è ottenuta usando un amplificatore di
tensione ad alta impedenza o un amplificatore
di carica. Le cariche debbono essere presenti
sulle facce del cristallino e non devono
www.essebiweb.it 5 [email protected]
ESSEBI S.r.l. ANSB001
Servizi e sistemi di acquisizione dati
migrare, altrimenti si commette un errore che è
tanto più grande, quanto più è la quantità di
esse che abbandona gli elettrodi. Ciò vuol dire
che l’amplificatore, che deve rilevare la piccola
differenza di potenziale presente, deve avere
una impedenza di ingresso nel primo stadio
dello stesso ordine di grandezza
dell’impedenza di uscita del cristallo di quarzo
(dell’ordine di 1014 Ω). Amplificatori con elevata
impedenza di ingresso nel primo stadio si
ottengono con l’uso di triodi ad alto vuoto, nei
quali la Ig (corrente di griglia) è praticamente
nulla, e sono comunemente detti amplificatori
di carica. Il problema dell’isolamento, ossia
della capacità di impedire la fuga di cariche, è
tanto più difficile quanto la misura è statica,
ossia quanto più tempo si desidera far restare
le cariche ferme. Il cristallo di quarzo è infatti
un condensatore che si scarica attraverso una
resistenza esterna: ciò significa che i
trasduttori al quarzo sono idonei per misure
dinamiche o quasi statiche. Non misurano cioè
accelerazioni costanti e, tanto meno, se posti
in un campo gravitazionale, non sono in grado
di misurare l’accelerazione di gravità ed il
valore uguale e contrario quando ruotati di
180°. Con essi si può arrivare, nelle
realizzazioni più accurate, a misure di qualche
centesimo di Hz. Sistemi disegnati per misure
a bassa frequenza (al di sotto di 1 Hz) possono
presentare però degli errori in presenza di
transienti termici a causa dell’effetto
piroelettrico tipico di molti materiali
piezoelettrici., che produce un carica in output
non a causa dello sforzo avvertito ma per la
variazione di temperatura. Per i sensori in cui è
trascurabile la risposta alle basse frequenze
questi segnali indotti dalla temperatura
risultano trascurabili, mentre per accelerometri
con costanti di tempo elevate l’errore può
diventare significativo soprattutto se in fase di
progettazione non si è tenuto conto di
minimizzare gli effetti termici.
I cristalli piezoelettrici, inoltre, presentano
valori di rigidezza dell’ordine di 100 GPa, che
sono simili a quelli di molti metalli, producendo
così un segnale di uscita elevato a fronte di
una deformazione veramente molto limitata.
Questo limita effetti di deflessione e fa si che il
sensore abbia eccellenti caratteristiche di
linearità su uno spettro di frequenze molto ampio.
Rispetto ad altri tipi di accelerometri inoltre
tendono ad avere anche un elevata sensibilità
trasversale, tipicamente attorno al 2-4%.
Ci sono numerose possibili configurazioni con
cui è possibile realizzare questo tipo di sensori
in modo da far risaltare proprietà e
caratteristiche desiderate per particolari
applicazioni. In pratica, una volta ricavato un
cristallino di quarzo, tagliato secondo
determinate direzioni, si ha in sostanza la
possibilità di ottenere un accelerometro
piezoelettrico. Nelle figure che seguono sono
riportati diversi schemi, a seconda del principio
di funzionamento in termini di modalità di
azione della sollecitazione eccitatrice. Dato
che con un eccessivo serraggio si potrebbe
deformare il cristallo, la coppia di serraggio
deve essere fornita con opportuna
modulazione: un valore elevato potrebbe
deformare il cristallo, un valore basso potrebbe
tagliare le alte frequenze. Volendo
generalizzare, sulla base viene posto il
cristallino di quarzo e su di esso la massa m; il
tutto viene serratoli tutto serrato, per esempio
per mezzo di vite filettata e dado, ed inserito in
una cassa che la funzione di protezione. Il
serraggio conferisce un precarico al cristallino;
www.essebiweb.it 6 [email protected]
ESSEBI S.r.l. ANSB001
Servizi e sistemi di acquisizione dati
in questo modo le cariche positive si
presentano sempre sulla stessa faccia, anche
per accelerazioni negative: in tal caso la
massima accelerazione negativa rilevabile è
quella che annulla il precarico. Tale precarico
si potrebbe annullare incollando la massa m al
cristallino; spesso ciò non è possibile per
problemi concernenti gli elettrodi, a partire dai
quali si deve portare fuori il segnale.
In generale gli accelerometri piezoelettrici si
differenziano in base al modo in cui la forza
d’inerzia della massa accelerata agisce sul
cristallino. A titolo esplicativo in Fig. 5 sono
mostrati tre diversi tipi di sensore.
Compressione Flessione Taglio
Figura 5 : modalità di azione della forza di inerzia.
Il rosso rappresenta il cristallo piezoelettrico, il
grigio la massa mentre le frecce verde
individuano la direzione in cui è applicata la
forza.
Figura 6 : cristallino a compressione (connettore elettrico
laterale).
Ogni configurazione presenta caratteristiche
diverse e non c’è n’è una ideale per tutte le
situazioni. La configurazione più semplice e
solida è quella in cui la massa comprime
l’elemento piezoelettrico (Fig. 6). Quando il
trasduttore è accelerato la massa aumenta o
diminuisce la forza agente sul cristallo e quindi
fa variare la carica in uscita. Naturalmente
maggiore è la massa, maggiore è la
sollecitazione sull’elemento sensibile e quindi
maggiore è l’intensità del segnale in uscita.
Questo tipo di sensore presenta quindi il
migliore rapporto massa /sensibilità, ma a
causa dell’involucro, che risulta essere parte
integrante del sensore,
Figura 7 : cristallino a compressione (connettore in asse
con massa e cristallino).
ha una elevata sensibilità al rumore, inteso sia
come rumore acustico, sia come effetto
termico e soprattutto come effetto derivante
dalla deformazione della superficie di
montaggio.
Figura 8 : cristallino a flessione
Per questo motivo sono state pensate diverse
possibili configurazioni alternative che cercano
di limitare questi effetti (Fig. 7). Per analisi a
www.essebiweb.it 7 [email protected]
ESSEBI S.r.l. ANSB001
Servizi e sistemi di acquisizione dati
bassa frequenza e a bassi livelli di
accelerazione è molto usato l’elemento che
lavora a flessione (Fig. 8).
La configurazione maggiormente usata è quella
con il cristallo che lavora per taglio (Fig. 9).
Figura 9 : cristallino a taglio
Nel dettaglio questa configurazione prevede
l’elemento piezoelettrico attaccato tra un
montante centrale e la massa sismica. Un
anello esterno applica un precarico di
compressione per dare rigidezza alla struttura
e per assicurare che il sensore si trovi a
lavorare nella porzione più ampia a
comportamento lineare della sua curva
sforzo/carica. In presenza di una
accelerazione, la massa genera uno sforzo di
taglio nel cristallo che per l’effetto
piezoelettrico produce sugli elettrodi ad esso
applicati un segnale elettrico in uscita
proporzionale allo sforzo a cui è sottoposto, e
quindi all’accelerazione che lo ha indotto.
L’output dagli elettrodi per mezzo di sottilissimi
conduttori viene trasmesso al connettore
esterno o, se si tratta di accelerometri di tipo
ICP, ad un circuito interno al trasduttore che ne
effettua il condizionamento e poi al connettore.
Questo modello avendo l’elemento sensibile
isolato rispetto alla base ed all’involucro
dell’accelerometro presenta una bassa
sensibilità sia alle variazioni di temperatura che
agli effetti di deformazione della superficie su
cui è montato. Inoltre in questo modo è
possibile realizzare sensori dalle dimensioni
molto ridotte che minimizzano l’effetto della
massa aggiuntiva durante le prove dinamiche
e che possono acquisire frequenze molto
elevate.
Per quanto riguarda il tipo di elemento
piezoelettrico da impiegare nella realizzazione
dei vari tipi di sensore, la scelta è ristretta a
due tipi di materiali: il quarzo già citato e
cristalli ceramici. Il quarzo è un materiale
piezoelettrico naturale e presenta una elevata
stabilità. Ormai non si usa più nella sua forma
naturale, ma viene prodotto artificialmente per
migliorarne le già buone caratteristiche.
Presenta inoltre una bassa sensibilità alle
variazioni di temperatura e, per la sua stabilità,
un elevata riproducibilità della misura. Molti
sono i materiali ceramici usati nella
realizzazione degli accelerometri e la scelta
dipende dal particolare tipo di applicazione; fra
essi il più diffuso è lo zirconato di titanio
(comunemente indicato con la sigla PZT). Tali
materiali sono prodotti artificialmente e sono
forzati a diventare piezoelettrici tramite un
processo di polarizzazione conosciuto con il
termine di “polling”. Esso consiste nel
sottoporre il materiale ad un campo elettrico di
elevata intensità che allinea i dipoli elettrici
della sua struttura cristallina facendolo così
diventare piezoelettrico. Ciò però potrebbe
comportare un limite per i trasduttori realizzati
con questo tipo di materiali. Infatti, se vengono
sottoposti a campi elettrici di intensità vicina a
quella di polling, le loro proprietà
piezoelettriche possono essere gravemente
alterate. Lo stesso può succedere se vengono
www.essebiweb.it 8 [email protected]
ESSEBI S.r.l. ANSB001
Servizi e sistemi di acquisizione dati
www.essebiweb.it 9 [email protected]
impiegati in ambienti con una temperatura
troppo elevata, al di fuori del loro range di
funzionamento.
I ceramici, rispetto ai cristalli di quarzo,
presentano diversi vantaggi. In particolare il
segnale elettrico in uscita risulta esser di molte
volte superiore di quello fornito dal quarzo
potendo così realizzare, a parità di output,
sensori più piccoli e di minor peso, minori costi
di realizzazione, e con la conseguente
capacità di misurare più bassi livelli di
vibrazione e frequenze più elevate.
4 - Altre tipologie di accelerometri
Tutte le tipologie di accelerometro di pratico
interesse hanno il principio di funzionamento
riconducibile a quanto descritto nel paragrafo
relativo a quelli sismici2. Dei piezoelettrici,
oggetto della presente tesi, si è detto abbastanza;
di seguito è pertanto raccolta una carrellata di
soluzioni alternative possibili.
Gli accelerometri propriamente detti “meccanici”
sono quelli in cui gli elementi massa e molla
assumono una ben definita consistenza. Essi
sono impiegati per vibrazioni che variano
lentamente nel tempo e lo spostamento della
massa, che assume pertanto notevoli dimensioni,
è misurato da potenziometri resistivi o da LVDT3.
Il loro campo di applicazione in termini di
ampiezza può andare da un minimo di ± 1g ad
una ± 50 g; hanno una frequenza naturale che si
trova tra 12 e 86 Hz con uno smorzamento ζ tra
0.5 e 0.8. Nel caso di potenziometri , la resistenza
del trasduttore può variare tra 1000 e 10000 Ω,
che corrispondono ad una risoluzione dello 0,45%
o dello 0,25% dell’intera scala. La temperatura di
utilizzo va dai –65 a 165 °F. La sensibilità alle
accelerazioni ortogonali alla direzione di misura è
pari a ± 1% della sensibilità lungo l’asse di misura.
Per misurare frequenze maggiori la soluzione
2 L’accelerometro è uno strumento del secondo ordine in quanto possiede due distinti elementi (massa e molla) in cui è possibile l’immagazzinamento dell’energia in modo diverso. L’equazione differenziale che ne governa il funzionamento è pertanto una equazione del secondo ordine.
migliore è quella di impiegare degli strain-gage (a
più grande banda passante), disposti all’incastro
di elementi elastici, molto flessibili, a mensola che
sorreggono la massa. Con sensori di questo tipo
si possono ottenere misure molto accurate, fino a
frequenze dell’ordine 15000 Hz.
Una interessante variante dell’accelerometro
meccanico è quello “ad equilibrio di forza” (Fig.
10). Anche in questo caso è presente una massa
sensibile alle accelerazioni: il suo spostamento
rispetto all’involucro è rilevato mediante un
trasduttore posizione-tensione e la tensione
risultante, amplificata in un amplificatore di
corrente ad elevato guadagno, alimenta un
forzatore che fornisce la forza di equilibrio alla
forza d’inerzia. Se la massa è un magnete
permanente il forzatore può essere costituito da
una bobina, per cui si ha, con ottima
approssimazione, un legame lineare tra corrente e
forza.
Figura 10 : accelerometri ad equilibrio di forza.
3 Acronimo per Linear Voltage Differential Transformer
ESSEBI S.r.l. ANSB001
Servizi e sistemi di acquisizione dati
www.essebiweb.it 10 [email protected]
La corrente è proporzionale alla forza di inerzia e
quindi all’accelerazione da misurare, il cui valore è
determinato mediante la caduta di tensione ai
capi di una resistenza nota. Sul principio di
funzionamento degli accelerometri ad equilibrio di
forza si realizzano anche sensori che oltre
all’accelerazione misurano la sua variazione
rispetto al tempo e vengono chiamati jerkmetri.
Vengono realizzati includendo nel trasduttore di
base un circuito integratore, infatti mentre la
tensione ai capi della resistenza di misura è
proporzionale all’accelerazione, quella prelevata
prima dell’integratore è proporzionale alla sua
derivata.
Negli accelerometri capacitivi (Fig. 11) l’elemento
sensibile è un condensatore la cui capacità varia
al variare dell’accelerazione. In particolare esso
consiste in un diaframma che sotto l’azione di
accelerazioni o vibrazioni ha la possibilità di
flettersi, svolgendo il ruolo che nei trasduttori
meccanici era della massa. Al di sopra ed al di
sotto di questo diaframma ci sono delle piastre a
formare in questo modo due condensatori
affiancati che hanno due armature fisse ed una in
comune in grado di compiere piccoli spostamenti.
In presenza di una accelerazione il diaframma si
deforma, alterando la distanza dalle altre due
armature e quindi fa variare le capacità dei due
condensatori. In questo modo un circuito a ponte
sensibile a queste variazioni di energia del
sistema fornisce in uscita un segnale elettrico
proporzionale all’accelerazione in ingresso.
Figura 11 : accelerometro capacitivo.
Con questo tipo di sensore è possibile misurare
anche accelerazione uniforme, infatti quando il
diaframma raggiunge la sua posizione di equilibrio
sotto la sua azione ho che anche la capacità del
sistema si manterrà ad un valore costante ad
essa proporzionale.
5 – Scelta di un accelerometro
Per la scelta dell’accelerometro più opportuno, da
utilizzare in una determinata applicazione, occorre
per prima cosa vedere se i livelli di accelerazione
e le frequenze da misurare siano compatibili con il
range di funzionamento del sensore che
graficamente può essere rappresentato da un
grafico simile a quello riportato in Fig. 12.
L’altro parametro fondamentale è la sensibilità in
uscita dal trasduttore. Questa indica la differenza
di potenziale prodotta sull’elemento sensibile per
un dato livello di accelerazione. Essa è imposta
quando l’accelerometro viene fabbricato e non
può più esser cambiata e viene misurata in mV/g ,
cioè in tensione per unità di accelerazione.
Figura 12 : range di funzionamento.
ESSEBI S.r.l. ANSB001
Servizi e sistemi di acquisizione dati
www.essebiweb.it 11 [email protected]
Ogni modello, sul certificato di calibrazione,
presenta anche una tolleranza associata alla
sensibilità in output che va dal ± 5 % al ± 15 % a
seconda della manifattura, e quindi del costo.
Anche il valore minimo e massimo di frequenza
che può essere misurato vengono ricavati
sperimentalmente durante la sua calibrazione. La
sensibilità propria del sensore è ottenuta
dividendo il segnale in uscita con quello di
riferimento a 100 Hz. La risposta in frequenza
definisce questa sensibilità varia mentre
l’accelerometro vibra alle varie frequenze. In Fig.
13 è riportato un andamento tipico di risposta in
frequenza.
Figura 13 : risposta in frequenza.
La parte piatta della curva definisce il range di
frequenza utilizzabile. Al di fuori di questo tratto la
curva comincia a scendere o a salire.
Di solito diminuisce alle basse frequenze e
aumenta alle alte. Operativamente si considera
una tolleranza del ± 5 % rispetto alla sensibilità di
riferimento a 100 Hz, oppure di ± 3 dB.
La frequenza più bassa in generale è determinata
dalla costante di tempo di scarica della parte
capacitiva del circuito interno e dalle
caratteristiche del filtro passa-alto usato
nell’amplificatore. Più è elevato il tempo di scarica
e migliore è la risposta alle basse frequenze. La
frequenza massima è invece determinata dalla
frequenza di risonanza del sensore. Questa
dipende dalla rigidezza del cristallo e dalla sua
massa:
MK
=ω
Per aumentare la banda passante si deve
diminuire la massa ed aumentare la rigidezza
dell’elemento sensibile scegliendo una opportuna
configurazione. Tutti i sensori hanno un livello
massimo di accelerazione che può essere
acquisito. Questo parametro è espresso
generalmente in g , e rappresenta la massima
tensione che può essere generata sugli elettrodi
del sensore, e quindi la massima accelerazione a
cui è sensibile il sistema, senza sovraccaricare il
circuito elettronico interno. Se questo valore viene
superato vengono introdotti nella misura degli
errori oltre a presentarsi il rischio di rottura del
sensore stesso. In particolare la forma d’onda che
si sta acquisendo nel tempo sarà tagliata per quei
valori limite e si presenterà come in Fig. 14:
Figura 14 : forma d’onda tagliata.
Nel dominio delle frequenze ciò produce il
cosiddetto effetto sky slope (Fig. 15) che consiste
nell’introduzione di componenti della vibrazione a
bassa frequenza che però non sono contenute nel
segnale originario.
E’ invece il rumore intrinseco del sensore a
determinare la sua risoluzione e quindi il valore
minore di accelerazione rilevabile. Per poter
ESSEBI S.r.l. ANSB001
Servizi e sistemi di acquisizione dati
www.essebiweb.it 12 [email protected]
distinguere un livello di accelerazione bisogna che
questa sia più intensa del rumore.
Figura 3.15 : effetto sky slope.
In genere è accettabile un rapporto, indicato con
SNR (signal to noise ratio) tra le due grandezze
pari a 10. Questo è un problema che si manifesta
soprattutto quando si misurano le basse
frequenze. Infatti all’aumentare della frequenza
aumenta anche il modulo dell’accelerazione e il
SNR assume valori superiori.
Anche il tipo di ambiente in cui saranno effettuate
le misure è determinante per la scelta
dell’accelerometro: occorrere vedere se le
temperature di esercizio siano compatibili con
quelle indicate nelle specifiche tecniche del
sensore. Inoltre in caso di ambiente umido
bisogna ricorrere ad accelerometri, cavi e
connettori che siano a tenuta stagna.
6 - Montaggio e isolamento
La modalità con cui viene effettuato il montaggio
influenza moltissimo la risposta in frequenza
dell’accelerometro (Fig. 16). Il range operativo in
frequenza in molti casi viene determinato
assicurando il sensore tramite una vite
direttamente ad un accelerometro di riferimento.
L’accoppiamento diretto per mezzo di una vite ad
una superficie molto levigata generalmente
comporta più alte frequenze di risonanza e quindi
una più ampia banda utilizzabile.
Figura 16 : frequenza di risonanza in funzione del montaggio.
Il montaggio per mezzo di un adesivo o tramite
magneti al contrario diminuisce la frequenza di
risonanza. Anche l’isolamento del sensore dalla
superficie può creare un filtro meccanico con
l’effetto di smorzare la trasmissione delle alte
frequenze.
Generalmente per test strutturali a temperatura
ambiente con frequenze massime intorno ai 500
Hz vengono usati degli adesivi temporanei come
la cera.
Quando un accelerometro è montato su una
superficie conduttrice c’è la possibilità che il
sensore avverta un segnale di rumore dovuto ad
altri dispositivi elettrici, connessi alla struttura
stessa, che hanno dispersioni.
Un altro fenomeno che può portare ad
un’acquisizione erronea è il cosiddetto ground
loop (Fig. 17) che si verifica quando il sensore ed
il condizionatore del segnale sono messi a terra a
potenziali diversi.
ESSEBI S.r.l. ANSB001
Servizi e sistemi di acquisizione dati
Figura 17 : ground loop.
Si genera allora un flusso di corrente sulla linea di
alimentazione che comporta sia l’introduzione nel
segnale acquisito della frequenza di questa
corrente e delle sue armoniche, che errori di
deriva del segnale per la lettura di potenziali non
dovuti all’accelerazione da misurare. E’
conveniente allora isolare elettricamente gli
accelerometri dalla struttura su cui vengono
montati.
7 - Connessioni
Gli accelerometri devono essere connessi al
sistema di acquisizione tramite un collegamento
ben saldo per fare in modo che il segnale sia
trasmesso in modo continuo, senza intermittenze
che causerebbero una perdita di dati. I cavi di
collegamento inoltre devo essere fermati con
adesivo per minimizzare le frustate del cavo che
possono introdurre rumore nella misura
soprattutto nei sistemi ad alta impedenza (effetto
triboelettrico).
8 - Lunghezza dei cavi
Il carico capacitivo dei cavi, che dipende dalla
lunghezza degli stessi, può distorcere o filtrare le
alte frequenze del segnale in dipendenza della
corrente di alimentazione e dell’impedenza in
uscita del sensore.
La massima frequenza che può essere trasmessa
su un cavo di una data lunghezza è funzione sia
della capacità che dal rapporto del picco del
segnale in Volt sul valore della corrente di
alimentazione secondo la formula:
In cui C è la capacità dei cavi [pF], V è la
massima tensione in uscita dal sensore [V] ed Ic è
la corrente costante dal condizionatore [mA]
Nell’equazione viene sottratto 1 mA dalla
corrente totale per compensare quella assorbita
dall’elettronica interna al sensore. Dalla formula
sopra riportata si vede come all’aumentare della
lunghezza del cavo, a parità di segnale, occorre
una corrente maggiore. Una corrente di
alimentazione maggiore nel circuito interno del
sensore sviluppa una certa quantità di calore che
potrebbe portare l’accelerometro al di fuori delle
sue specifiche termiche. CV
Icf π21
109
max
−=
9 - Tipi di collegamento
Il segnale in uscita dal sensore, presumibilmente
quello desiderato, prima di essere introdotto in un
oscilloscopio o in qualsiasi altro sistema di
registrazione o analisi del segnale, ha bisogno di
essere condizionato. In particolare questo
condizionamento può essere effettuato da un
www.essebiweb.it 13 [email protected]
ESSEBI S.r.l. ANSB001
Servizi e sistemi di acquisizione dati
sistema dedicato che riceve il segnale in uscita
dal sensore e poi lo ritrasmette all’elaboratore e
che viene indicato come charge mode (CM),
oppure, come accade ormai per molti
accelerometri, per mezzo di un microcircuito
interno al sensore stesso secondo la tecnologia
ICP (marchio depositato dalla PCB). In entrambi i
casi sopra citati si vuole invece ottenere un
segnale a bassa impedenza che risulta essere
meno suscettibile ai disturbi, però mentre per gli
ICP questo passaggio viene effettuato all’interno
dell’accelerometro, per i CM non è così. Allora
usando questo tipo di sensori (Fig. 18) bisogna
cercare di limitare al massimo le fonti di rumore a
cominciare per esempio, dall’utilizzo di cavi molto
corti.
Figura 18 : schema CM.
Il sistema ICP presenta notevoli vantaggi;
introdotto a partire dal 1967, i progressi in campo
elettronico hanno fatto in modo di realizzare dei
circuiti sempre più piccoli con caratteristiche
sempre migliori. Questi circuiti, a seconda delle
caratteristiche dell’accelerometro, altro non sono
che amplificatori di carica o di tensione.
Lo schema (Fig. 19) della catena di misura è
molto semplice.
Il segnale in uscita dal sensore può essere
trasmesso su due comuni cavi elettrici, spesso
nella configurazione coassiale. Su di uno viene
trasmessa l’alimentazione del trasduttore e
sull’altro il segnale vero e proprio. C’è poi il
sistema di alimentazione a corrente costante con
una tensione compresa tra i 18 e i 30 VDC e
infine il sistema di analisi. Il vantaggio più
evidente è il fatto che il segnale in uscita è già a
bassa impedenza, per cui non si hanno problemi
di trasmissione anche su lunghe distanze,
Figura 3.19 : schema ICP.
riuscendo ad ottenere sempre un segnale di
buona qualità. Inoltre il sistema è molto compatto
e richiede solo un alimentatore riducendone così
anche i costi di installazione.
In Fig. 20 vengono illustrati i due diversi tipi di
circuito ICP utilizzati a seconda del materiale
piezoelettrico impiegato nel sensore.
Figura20 : tipi di circuiti ICP.
Il cristallo di quarzo avendo un capacità
veramente molto bassa produce in uscita una
tensione molto elevata e quindi viene usato con
un amplificatore di tensione di tipo MOSFET. Il
www.essebiweb.it 14 [email protected]
ESSEBI S.r.l. ANSB001
Servizi e sistemi di acquisizione dati
www.essebiweb.it 15 [email protected]
guadagno dell’amplificatore allora determina la
sensibilità dell’accelerometro.
Dal punto di vista delle prestazioni questa
configurazione ha un comportamento lineare fino
ad alte frequenze ( > 1 MHz) trovando così
applicazione soprattutto nell’analisi degli urti.
I policristalli ceramici invece avendo in uscita una
carica elevata sono accoppiati ad amplificatori di
carica. Questo però presenta degli svantaggi.
Prima di tutto un amplificatore di carica risulta
essere di dimensioni maggiori ed ha un costo
elevato. Poi gli elementi capacitivi che lo
costituiscono risultano essere dei filtri per
frequenze maggiori di 50-100 kHz.
L’alimentatore necessario al funzionamento di
questi sensori è un normale alimentatore a
corrente costante, alimentato a batterie o tramite
la rete elettrica che produce una tensione tra 18 e
30 VDC. Un diodo o un circuito equivalente di
regolazione, fanno si che effettivamente il valore
della corrente in ingresso rimanga costante. Con
alcuni alimentatori c’è anche la possibilità di
eliminare automaticamente la tensione di bias.
10 – PCB 333B30 e PCB 353B17
Nella Fig. 21 sono mostrati questi due modelli di
accelerometri della PCB.
Figura 21 : 1 - PCB 333B30; 2 - PCB 353B17 .
Sono entrambi di tipo piezoelettrico con elemento
cristallino di quarzo ed una configurazione dello
stesso a taglio.
Nella tabella di Fig. 24 sono riportate le principali
caratteristiche dei due accelerometri.
Questi due accelerometri vengono utilizzati per
l'analisi di fenomeni impulsivi con elevati valori di
accelerazione in gioco. Insieme vengono utilizzati
per la realizzazione di un martello strumentato per
l'analisi dinamica di strutture. Le dimensioni ridotte
e il peso contenuto dell’accelerometro PCB
333B30 di misura non introducono errori di
inserzione nell’acquisizione. L’accelerometro
PCB 353B17 che va posizionato sulla testa del
martello presenta una sensibilità peggiore di
quello di misura, ma ha un valore massimo di
shock più elevato. Questo è necessario perché
nei fenomeni impulsivi facilmente si raggiungono
picchi di accelerazione elevati. Alla breve durata
dell’impatto è comunque associata un’energia
notevole.
1
2
11 - PCB 393A03
Questo modello di accelerometro della PCB (fig.
22) è indicato per la misura di vibrazioni a bassa
frequenza.Nella tabella di Fig. 25 sono riportate
le sue principali caratteristiche.
E' un accelerometro di dimensioni notevoli adatto,
grazie anche alla sua elevata risoluzione, alla
ESSEBI S.r.l. ANSB001
Servizi e sistemi di acquisizione dati
misura di vibrazioni sismiche.
Figura 22 : configurazione triassiale.
Figura 23 : PCB 356B18.
12 - PCB 356B18
Questo accelerometro triassiale (Fig. 23) permette
la misura simultanea delle vibrazioni e degli urti
nelle tre direzioni coordinate. Nella tabella di Fig.
26 sono riportate le sue principali caratteristiche.
E' realizzato con tre elementi sensibili di quarzo
indipendenti uno per ciascun asse di misura.
La sua massa ridotta e la sua elevata risoluzione
ne permettono l'uso sia nello studio della dinamica
strutturale che per la rilevazione di vibrazioni di
tipo sismico a bassa frequenza.
PCB 333B30 PCB 353B17
Voltage sensitive 100 10 mV/g
Measurament range 50 500 ±g pk
Frequency range (± 5 %) 0,5-3.000 1-10.000 Hz
(± 10 %) 0,7-20.000 Hz
(± 3 dB) 0,35-30.000 Hz
Resoltion 0,00015 0,01 g pk
Amplitude linearity ±1 ±1 %
Transverse sensitivity ≤5 ≤5 %
Shock limit 5.000 10.000 ±g pk
Excitation voltage 18-30 18-30 VDC
Outpu impedance <200 <100 Ω
Output bias 7-12 8-12 VDC
Discharge time constant ≥12 ≥0,5 sec
Size 10,2x16 7,1x14 mm
Weight 4 1,7 gm
Figura 24 : accelerometri PCB.
www.essebiweb.it 16 [email protected]
ESSEBI S.r.l. ANSB001
Servizi e sistemi di acquisizione dati
PCB 393A03
Voltage sensitive 1000 mV/g
Measurament range 5 ±g pk
Frequency range (± 5 %) 0,5-2000 Hz
(± 10 %) 0,3-4000 Hz
(± 3 dB) 0,2-6000 Hz
Resoltion 0,0001 g pk
Amplitude linearity ±1 %
Transverse sensitivity ≤5 %
Shock limit 5000 ±g pk
Excitation voltage 18-30 VDC
Outpu impedance <250 Ω
Output bias 8-12 VDC
Discharge time constant 1-3 sec
Size 30,2x55,6 mm
Weight 210 gm
Figura 25 : accelerometri PCB.
PCB 356B18
Voltage sensitive 1000 mV/g
Measurament range 5 ±g pk
Frequency range (± 5 %) 0,5-3000 Hz
(± 10 %) 0,3-5000 Hz
Resoltion 0,0005 g pk
Amplitude linearity ±1 %
Transverse sensitivity ≤5 %
Shock limit 5000 ±g pk
Excitation voltage 18-30 VDC
Outpu impedance <250 Ω
Output bias 8-12 VDC
Discharge time constant 1-3 sec
Size 20x20 mm
Weight 25 gm
Figura 26 : accelerometri PCB.
www.essebiweb.it 17 [email protected]
ESSEBI S.r.l. ANSB001
Servizi e sistemi di acquisizione dati
www.essebiweb.it 18 [email protected]
13 - Settaggio della scheda NI DAQCard AI 16XE-50
Essendo anche LabVIEW™ un prodotto della
National Instrument esso contiene già tutti i drive
per il corretto funzionamento della DAQ.
E' possibile agire via software (Fig 27) sulla
scheda per ottimizzarne al meglio le prestazioni in
funzione dell'uso che se ne deve fare.
Figura 27 : configurazione DAQ.
Il primo parametro da impostare è il tipo di
grandezza da misurare tramite Measurement
mode structure. Nel caso specifico è impostato
per una acquisizione in volt. Segue poi
l'impostazione dei drive del tipo di sensori che si
assegnano ai canali di misura con Channel e
l'impostazione del buffer. Con Interchannel delay
è infine possibile stabilire il ritardo di
campionamento tra un canale e il successivo. Per
minimizzare l'errore in fase della misura, è
opportuno che questo parametro sia impostato
sulla massima velocità possibile.
Altri parametri da controllare sono il tipo di
acquisizione in continuo, e lo scan rate, ossia la
frequenza di campionamento. La DAQ ha una
frequenza massima di campionamento di 20 kS/s,
quindi, occupando con questa particolare
applicazione due canali della scheda, posso
campionare su ciascuno di essi ad un massimo di
10 kS/s senza generare errori nel flusso dei dati.
L'impostazione massima a 8192 S/s allora rimane
al di sotto di questo limite e mi garantisce pure
una analisi in frequenza senza problemi di
aliasing fino a 4000 Hz.
14 - Drive degli accelerometri
Alla scheda di acquisizione arriva un segnale in
volt. Per poter dare un significato fisico a questa
grandezza elettrica occorre metterla in relazione
con i valori di accelerazione che l’hanno generata.
Per far questo è necessario impostare dei drive
(Fig. 28) in cui specificare una serie di parametri
che poi serviranno alla DAQ per effettuare la
misura nel modo corretto.
Ad ogni drive è associato un nome con cui è
possibile richiamarlo all’interno di qualsiasi
programma LabVIEW™. E’ quindi opportuno che
questo nome sia significativo rispetto al tipo di
sensore a cui si riferisce e alle sue impostazioni
principali.
La parte fondamentale è quella in cui viene
assegnato il range di funzionamento.
Figura 28 : drive della DAQ.
Per prima cosa occorre desumere dai certificati di
calibrazione di ogni sensore usato, la relazione tra
i volt e la grandezza fisica che si sta misurando.
ESSEBI S.r.l. ANSB001
Servizi e sistemi di acquisizione dati
In generale la sensibilità di un accelerometro è
espressa in mV/g. Invertendola si ottiene il livello
di accelerazione associato ad ogni volt.
Per esempio l'accelerometro PCB 333B30 ha una
sensibilità di 96,6 mV/g a cui corrispondono
10,351g/V ossia in unità SI 101,552 m/s2/V.
Facendo leggere alla DAQ tensioni tra ±5 V, cioè
facendola lavorare nel suo range massimo di
utilizzo, ottengo che anche l'accelerometro viene
utilizzato alla sua massima capacità. Infatti a ±5 V
corrispondono circa ±500 m/s2 ,ossia ±50 g, che è
la massima accelerazione che può misurare
questo sensore.
Dato che la risoluzione della scheda rimane
sempre la stessa, indipendentemente dal range
utilizzato, diminuendo quest'ultimo possono
essere apprezzati valori di tensione sempre più
piccoli.
Il tipo di scheda utilizzato è a 16 bit, per cui
l’intervallo di misura viene suddiviso in 216 parti.
Per ottenere risoluzioni maggiori si può quindi
usare un range della scheda di ±1 V.
L’accelerazione misurabile è però, ora, minore
che nel caso precedente. Infatti a questa
impostazione corrisponde un utilizzo
dell’accelerometro tra ±10 g.
A fronte di una risoluzione maggiore si ha di
contro che la DAQ va in overflow per valori di
tensione che oltrepassano il range di ±1 V. Il limite
della misura non è più dato dalle caratteristiche
del sensore, ma dall'impostazione della scheda.
Per apprezzare accelerazioni ancora più piccole
possono essere utilizzati amplificatori con
guadagno programmabile. Impostando un
guadagno G, il segnale arriverà alla scheda G-
volte più grande. Allora con un valore di G = 10,
nel caso di range ±5 V le accelerazioni che
possono essere misurate saranno comprese tra
±5 g. Si ottiene quindi una risoluzione 10 volte
superiore al caso normale, ma con una limitazione
nei valori massimi misurabili, che a volte non può
essere ammessa.
Naturalmente, per ottenere un certo valore di
risoluzione, entrambi questi processi possono
essere combinati. Il limite è rappresentato dal
livello di rumore della scheda e dei sensori.
Quando la risoluzione diventa dello stesso ordine
di grandezza del rumore non ha più senso fare la
misura in quanto i due eventi non sarebbero
distinguibili e apprezzabili separatamente.
Nella tabella in Fig. 29 è riportato il foglio
elettronico utilizzato per realizzare i drive dei due
accelerometri usati nelle misure.
Nella prima colonna sono indicati i nomi parziali
assegnati a ciascun drive: la sigla di riferimento è
il nome dell’accelerometro, è presente poi il valore
massimo di accelerazione che può essere
misurato con quella configurazione ed una G
indica la necessità di impostare l’alimentatore con
un guadagno pari a 10. A completamento deve
essere indicato il canale che viene utilizzato.
Nelle colonne successive vengono poi riportati
l’accelerazione massima, il range della DAQ, il
valore del guadagno e il setup di calibrazione.
www.essebiweb.it 19 [email protected]
ESSEBI S.r.l. ANSB001
Servizi e sistemi di acquisizione dati
Nome drive F.S. Range G Setup PCB393A03 X 01g G ch 0,1 g ± 1 V 10 0,98891 m/s2
PCB393A03 Y 01g G ch 0,1 g ± 1 V 10 0,98297 m/s2
PCB393A03 Z 01g G ch 0,1 g ± 1 V 10 0,99291 m/s2
PCB393A03 X 1g ch 1 g ± 1 V 1 9,88911 m/s2
PCB393A03 Y 1g ch 1 g ± 1 V 1 9,82966 m/s2
PCB393A03 Z 1g ch 1 g ± 1 V 1 9,92915 m/s2
PCB393A03 X 5g ch 5 g ± 5 V 1 49,44556 m/s2
PCB393A03 Y 5g ch 5 g ± 5 V 1 49,14830 m/s2
PCB393A03 Z 5g ch 5 g ± 5 V 1 49,64575 m/s2
PCB356B18 Asse X 01g G ch 0,1 g ± 1 V 10 0,95428 m/s2
PCB356B18 Asse Y 01g G ch 0,1 g ± 1 V 10 1,00512 m/s2
PCB356B18 Asse Z ,1g G ch 0,1 g ± 1 V 10 0,93876 m/s2
PCB356B18 Asse X 1g ch 1 g ± 1 V 1 9,54280 m/s2
PCB356B18 Asse Y 1g ch 1 g ± 1 V 1 10,05123 m/s2
PCB356B18 Asse Z 1g ch 1 g ± 1 V 1 9,38756 m/s2
PCB356B18 Asse X 5g ch 5 g ± 5 V 1 47,71401 m/s2
PCB356B18 Asse Y 5g ch 5 g ± 5 V 1 50,25615 m/s2
PCB356B18 Asse Z 5g ch 5 g ± 5 V 1 46,93780 m/s2
PCB333B30 1g G ch 1 g ± 1 V 10 10,15528 m/s2
PCB333B30 10g ch 10 g ± 1 V 1 101,55280 m/s2
PCB333B30 5g G ch 5 g ± 5 V 10 50,77640 m/s2
PCB333B30 50g ch 50 g ± 5 V 1 507,76398 m/s2
PCB353B17 10g G ch 10 g ± 1 V 10 93,16239 m/s2
PCB353B17 100g ch 100 g ± 1 V 1 931,62393 m/s2
PCB353B17 50g G ch 50 g ± 5 V 10 465,81197 m/s2
PCB353B17 500g ch 500 g ± 5 V 1 4658,11966 m/s2
Figura 29 : impostazioni drives.
www.essebiweb.it 20 [email protected]