Accelerometri sismici wireless per la misura di inclinazione

Come funziona un accelerometro sismico

La metodologia proposta è alla base di applicazioni in ambito militare, industriale e dell’energia; con accelerometri sismici adeguati è possibile estenderla anche nell’ambito dell’ingegneria civile: la caratteristica richiesta agli accelerometri è quella di misurare anche la parte statica dell’accelerazione, cioè l’accelerazione di gravità (solo a titolo informativo questa caratteristica non è disponibile per sensori di tipo piezoelettrico quali ICP/IEPE).

L’accelerometro preso in considerazione in questo lavoro è di tipo piezoresistivo, campo di frequenze di lavoro da 0 a 250 Hz, campo di ampiezza misurabile da 0 a 2g; lo schema costruttivo è mostrato nella figura 1 seguente:

IMMAGINE 1: Schema costruttivo dell’accelerometro piezoresistivo

Il sensore accelerometrico piezoresistivo si presenta, verso l’acquisitore e/o condizionatore di segnale, come ponte estensimetrico intero ed è quindi gestibile tramite elettroniche appropriate: è possibile acquisirlo direttamente o amplificarlo per trasmettere il segnale su grandi distanze (anche oltre 100 metri senza riduzioni significative della risoluzione utilizzando cavi di bassa resistenza intrinseca).

Per questa prova è stata utilizzata una elettronica wireless, capace di alimentare il sensore con 5 V stabilizzati, digitalizzazione integrata (trasmissione del dato digitalizzato) con 24 bits di dinamica, campionamento massimo di 200 Hz per canale, distanza di comunicazione 800 metri in campo libero, ricezione dei segnali su USB direttamente al computer.

Il principio di funzionamento della misura proposta è illustrato nella figura 2 seguente:

IMMAGINE 2: Principio di funzionamento della misura

L’accelerometro, posizionato in direzione orizzontale, in condizione di quiete misurerà un valore prossimo allo zero (difficilmente la sua direzione di misura sarà perfettamente orizzontale e quindi la sua uscita perfettamente nulla), in quanto l’accelerazione di gravità è verticale e quindi ortogonale alla direzione di misura dell’accelerometro stesso.

Una volta che la superficie a cui l’accelerometro è solidale, si inclinerà, il sensore stesso si inclinerà della medesima quantità e la sua uscita cambierà di valore, legato alla componente dell’accelerazione di gravità rispetto all’asse di misura dell’accelerometro.

La relazione che viene a definirsi tra angolo di inclinazione e valore in uscita dall’accelerometro sarà quindi:

Lettura finale accelerometro = 1g * cos(π/2-α)=1g * sin(α)

Considerando la risoluzione di un accelerometro sismico, attorno ad 1 μg [2], si può stimare la risoluzione della misura di angolo, tramite le semplici formule seguenti:

Lettura iniziale accelerometro = 0 g

Lettura finale accelerometro = 1g * cos(π/2-α)=1g * sin(α) sinα

Differenza letture = a

Risoluzione accelerometro = 1 μg

Risoluzione angolare = 0.000001 rad @ 0.000029 gradi = 29 μgradi

IMMAGINE 3: Configurazione di prova

I risultati della misura dei 3 accelerometri orizzontali sono mostrati nella figura 4 seguente:

IMMAGINE 4: Risultati della misura di prova

La curva blu nei grafici di figura 4 rappresenta i segnali grezzi derivanti dagli accelerometri, contenenti sia la parte statica che la parte dinamica del movimento. La curva arancione rappresenta la sola parte statica, separata tramite una semplice media mobile (altre metodologie di filtro più efficaci possono essere implementate, al fine di aumentare la risoluzione della misura). 

I grafici riportati in figura 4 mostrano che i due accelerometri laterali (3 e 6) riescono a misurare l’angolo di deformazione locale, sia durante la fase di carico che di scarico, con ritorno al valore iniziale del segnale stesso alla fine del ciclo di carico/scarico; il segnale sull’accelerometro di mezzeria (1) rimane pressoché invariato, come confermato dalla deformata attesa, la quale ha un massimo della pendenza in corrispondenza (circa) di L/4 e 3/4L, mentre il centro della deformata rimane con inclinazione nulla durante tutta la fase di carico e scarico (pura traslazione verticale del punto).