ACCELEROMETRI E SISMOMETRI
Alfredo Cigada
Sistema 1 gdl come strumento di misura
Sistema 1 grado di libertà
2
massa sospesa m
elemento elastico k
x, x&, &x&
elemento smorzante r
corpo vibrante
corpo di macchina o
oggetto di indagine
Ci interessa che cosa
succede all’interno
della scatola
Moto del corpo:
y, y&, &y&
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1
Il modello
vibrometro
x = spostamento della
massa relativo alla
scatola
x
y = spostamento del
vincolo (vibrazione da
misurare)
m
ξ
ξ=x+y
spostamento
assoluto della
massa
r
k
y
riferimento
assoluto
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Il modello
4
vibrometro
y = U sen Ωt
.. ..
2
ξ = x − UΩ sen Ωt
x
EQUILIBRIO:
..
.
− mx + mU Ω 2 sen Ω t − r x − kx = 0
m
da cui:
ξ
.. .
mx + rx + kx = mU Ω 2 sen Ωt
r
k
SOLUZIONE
y
riferimento
assoluto
A REGIME:
x = A sen
(Ω t − ϕ )
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2
Sistema 1 gdl come strumento di misura
5
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Sistema 1 gdl come strumento di misura
6
Pulsazione propria (o naturale)
Rapporto di smorzamento
Frequenza di risonanza
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3
Sistema 1 gdl come strumento di misura
note
7
vibrometro
VIBROMETRO:
x
m
Capacitivo
r
k
Induttivo
Estensimetrico
Forza F
flessione lamina
deformazione
estensimetro
m
velocimetro (no alimentazione)
F
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Lo stesso modello porta a due funzioni di
trasferimento diverse che riguardano due
trasduttori diversi
a=Ω/ω
8
h=r/rc
SISMOMETRO:
A=
a2
U (1- a2)2 + 4 a2h2
tgϕ= 2ah2
1- a
spostamento
ACCELEROMETRO:
A =
1
2
2
Ua
(1- a )2+ 4 a2h2
tgϕ= 2ah2
1- a
accelerazione
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4
Fdt X/Y - Sismometro
9
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Sismometro
10
La massa è ferma se la frequenza di vibrazione della scatola è molto
maggiore della frequenza propria
A=-u ξ=y+ x=-u+A=0
Frequenza propria bassa (< 1 Hz)
Molle poco rigide massa grande
Strumento molto ingombrante
Strumento pronto per frequenze maggiori della frequenza propria
dove:
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5
Sismometro
11
Caratteristiche (valori tipici per applicazioni civili):
banda passante: 0.7---> Hz
sensibilità: 100 - 1000 V/(m/s)
massa inerziale: 5-10 kg
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FdT X/Y’’ - Accelerometro
12
r↑
Per una frequenza f = 0
r↑
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6
Accelerometro
13
Molle molto rigide
Scatola e massa interna hanno circa la stessa accelerazione
Frequenza propria elevata (> 1000 Hz)
Piccole dimensioni
Distanza
circa
costante
Strumento pronto per frequenze minori
della frequenza propria dove:
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Tipi di Accelerometro
14
Con vibrometro relativo
Piezoaccelerometro
ICP (integrated circuit piezoelectric)
Servoaccelerometro
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7
Piezoaccelerometro
Proprietà dei sensori al quarzo
15
Il quarzo è un materiale piezoelettrico:
se sollecitato lungo l’asse elettrico si creano
delle cariche di segno opposto sulle due facce
proporzionali alla forza (circa 2 pC/N)
F
+ + + + +
+ + + + +
- - - - - -
-
-
-
F
F
- - - - -
- - - - +
+
+
+ + + + +
F
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Piezoaccelerometro
16
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8
Piezoaccelerometro
17
La molla è data dall’elemento in quarzo (rigidezza elevata)
La massa è molto piccola
frequenza propria elevata (> 1000 Hz)
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Piezoaccelerometro
18
La risposta alle basse frequenze è limitata dalle proprietà
piezoelettriche (alle basse frequenze conta la funzione di
trasferimento del quarzo)
La risposta alle alte frequenze è limitata dalla risonanza meccanica
+ 50 db
Sensibilità
+ 3 db
0
- 3 db
± 5 % range
± 10 %range
fn
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9
Piezoaccelerometro
influenza della massa sulla banda passante
(a pari rigidezza del quarzo)
19
Se ω ↑ xst ↓ sensibilità ↓
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Piezoaccelerometro
la risposta in frequenza è completa solo se si
considera anche la fase
20
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10
Piezoaccelerometro
sensibilità trasversale dell’Accelerometro
21
La sensibilità trasversale dipende dal tipo di accelerometro e comunque
è inferiore dell’ 1 %
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Piezoaccelerometro
22
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11
Sensori piezoelettrici
a)
b)
23
Azione meccanica
Effetto elettrico
Azione elettrica
Effetto meccanico
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Sensori piezoelettrici
24
Caso
a) per trasduttori (accelerazione, forza, pressione…), iniezione (alta
tensione con bassa corrente...)
b) per piezoeccitatori o stampanti a getto di inchiostro
Vi sono tre gruppi di materiali:
1. cristalli naturali e sintetici
2. ceramiche ferroelettriche e polarizzate (riscaldamento sotto
un potente campo magnetico)
3. film di polimeri
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12
Sensori piezoelettrici
25
Il sensore consta del materiale piezoelettrico e di due elettrodi fissati
opportunamente alle facce del materiale per consentire di raccogliere la
carica generata
Per il trasduttore interessa il caso a):
il trasduttore è un generatore di carica con una capacità in parallelo
3
fi
6
w
e0
t
l
5
1
4
2
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Sensori piezoelettrici
Convenzioni adottate
26
Grandezza
Direzione effetto elettrico
Direzione effetto meccanico
(campo)
(carica)
Se è nota la costante dielettrica le due quantità sono legate
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13
Sensori piezoelettrici
27
Valori tipici:
quarzo
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Sensori piezoelettrici
28
L’analisi comprende trasduttore, cavo ed amplificatore
l’impedenza del trasduttore è molto alta
l’amplificatore ha spesso più la funzione di adattatore di impedenza
piuttosto che di elevatore del livello di tensione
la situazione più comune è l’impiego a valle del trasduttore di un
amplificatore di carica
fi
Impedenze voltmetro
crescenti
e0
xi
fi
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14
Sensori piezoelettrici
29
Corrente in ingresso all’amplificatore
assunta nulla
Rl
Rampl
eo
Ccable
Ccr
accelerometro
Campl
cavo
preamplificatore
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Sensori piezoelettrici
rete equivalente semplificata
30
kq= sensibilità [C/cm]
xi = deformazione [cm]
Da generatore di carica a generatore
di corrente
RETE EQUIVALENTE SEMPLIFICATA
R
icr
C
ic
iR
eo
generatore di
corrente
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15
Sensori piezoelettrici
rete equivalente semplificata
31
R
icr C
iR eo
ic
sensibilità
τ = RC =costante di tempo
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Sensori piezoelettrici
Funzione di trasferimento del Quarzo
32
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16
Sensori piezoelettrici
Esempio
33
Si desidera una risposta “piatta” entro una banda del 5%.
Allora ω > ω1, ove:
Dunque, se τ cresce, miglioro la risposta alle frequenze basse
Alzare τ significa alzare R o C: 2 possibilità:
1.
alzo C: basta mettere una capacità in parallelo al trasduttore (le
capacità in parallelo si sommano); si abbassa così anche la
sensibilità (K=kq/C).
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Sensori piezoelettrici
Esempio
2.
34
alzo Rampl: occorre dunque che l’amplificatore abbia una R
sempre più grande (può essere difficile da trovare). Allora si può
fare come di seguito indicato
R5
amplificatore
cristallo
R5
Ccr+Ccable
Rampl
eo
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17
Sensori piezoelettrici
Esempio
35
R5
Ccr+Ccable
Rampl
eo
Anche in questo caso, tuttavia, la sensibilità risulta sacrificata
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Condizionamento di segnale dei sensori al
quarzo
36
Caratteristiche salienti del quarzo:
Insostituibile per misure dinamiche
Alta impedenza di uscita
Lavora bene anche ad alte temperature (intorno ai 500°C)
Cavi di collegamento: segnale generato sensibile alle radio-frequenze
(RFI), all’interferenza elettromagnetica (EMI) e al rumore triboelettrico
(generato dal mivimento del cavo).
Deve essere mantenuta un’elevata resistenza di isolamento del
trasduttore e del cavo per evitare problemi di deriva e garantire la
ripetibilità
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18
CONDIZIONAMENTO DI SEGNALE DEI
SENSORI AL QUARZO
37
Il primo punto è la conversione dal segnale in carica ad alta
impedenza in un segnale in tensione a bassa impedenza.
Questo può essere fatto:
dallo stesso strumento che registra o visualizza il segnale
per mezzo di amplificatori di:
Tensione
Carica.
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Amplificatore in tensione
38
Non è riportata la resistenza di isolamento verso terra che è assai
elevata
+
Ra
Rc
Rp
Vo
Qa
Ca
accelerometro
Cc
cavo
Cp
preamplificatore
adattatore di impedenza
con G = 1
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19
Amplificatore in tensione
(voltage mode)
39
Alcuni materiali piezoelettrici hanno valori di capacità interna che,
seppur elevata, non assume valori eccessivi.
Per questi è possibile adottare un voltage amplifier.
La sensibilità in tensione a circuito aperto è:
Va=q/Ca
q = sensibilità in carica (es pC/g)
Ca = capacità del sensore (pF=10-12 farad)
La resistenza Ra è molto alta e in parallelo, quindi trascurabile
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Amplificatore in tensione
(voltage mode)
40
La sensibilità dell’intero circuito rilevata all’ingresso del
preamplificatore è allora :
Ne viene che elementi con capacità relativamente bassa hanno
un’alta sensibilità in tensione
Il preamplificatore è un follower, dunque:
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20
Amplificatore in tensione
(voltage mode)
41
In termini di sensibilità:
Con Sva(open) la sensibilità a circuito aperto del trasduttore.
Dunque la sensibilità in tensione del circuito dipende dalla capacità
complessiva che comprende anche le caratteristiche del cavo.
Se questo viene cambiato, il sistema va ritarato.
Qualsiasi variazione di capacità o perdita di resistenza di isolamento
altera le caratteristiche del circuito.
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Amplificatore in tensione
(voltage mode)
42
Questo sistema conserva:
una buona linearità anche a frequenze elevate (>1 MHz),
tuttavia cavi molto lunghi, con pesanti effetti capacitivi (filtro
passa basso), possono limitarne le prestazioni.
Tuttavia
il rumore di fondo di questo sistema i amplificazione è di almeno
un ordine di grandezza superiore rispetto al caso
dell’amplificatore di carica.
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21
Amplificatore in tensione
svantaggi:
43
l’uscita varia al variare di:
capacità del cavo
resistenze di contatto
umidità e sporcizia nei contatti
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Amplificatore in carica
44
Cf
Non è riportata la resistenza di
isolamento verso terra che è
assai elevata
Ra
Rf
Rc
Rp
Vo
Qa
Ca
accelerometro
Cc
cavo
Cp
preamplificatore
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22
Amplificatore in carica
45
Il valore delle resistenze è in genere assai elevato, dunque il circuito
può essere trattato in prima approssimazione come costituito dalle
sole capacità.
Cf
Ic
Vc
I
Ii
Vo
Qa
Vi
Ct
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Amplificatore in carica
46
Il valore delle resistenze è in genere assai elevato, dunque il circuito
può essere trattato in prima approssimazione come costituito dalle
sole capacità.
Si può integrare assumendo nulle tutte le condizioni iniziali:
Se poi A è grande, la soluzione si riduce alla semplice equazione:
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23
Amplificatore in carica
47
Cf
La tensione in uscita, con guadagno
dell’amplificatore elevato, è proporzionale
alla carica in ingresso.
Il guadagno è espresso dalla capacità di
feedback.
Nel caso ideale non contano le altre
capacità (compresa quella dei cavi)
Qa
perché nel caso ideale (A tendente
all’infinito) la tensione di ingresso è nulla.
Ic
Vc
Ii
Ii
Vi
Ct
Dunque tutta la carica in arrivo dal
trasduttore passa alla capacità di
feedback.
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Amplificatore in carica
48
Il rumore elettrico è funzione del rapporto tra Cf , capacità dell’anello
di retroazione, e la somma delle capacità del circuito Ct. Per questo
motivo esiste un limite sulla lunghezza massima dei cavi.
In secondo luogo poiché il segnale in uscita è ad alta impedenza,
devono essere impiegati speciali cavi insensibili a RFI, EMI e al
rumore triboelettrico.
Una cura particolare va posta nell’evitare il degrado della resistenza
di isolamento all’ingresso dell’amplificatore di carica, che produce
deriva (è rischioso l’impiego in ambienti “difficili”, con sporcizia,
umidità..)
Anche se tendenzialmente le prestazioni sono superiori rispetto al
voltage mode, il costo per canale è assai elevato e la massima
frequenza è minore (50-100 kHz) a causa dell’effetto filtro di Cf al di
sopra delle citate frequenze
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24
Accelerometro ICP
ICP (integrated circuit piezotronic)
49
Sono dei piezoaccelerometri con un circuito integrato all’interno
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Accelerometro ICP
50
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25
Accelerometro ICP
Schema
51
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Accelerometri ICP
elettronica integrata nel trasduttore
52
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26
Accelerometri ICP
53
Questo accelerometro deve essere alimentato
(ha un amplificatore all’interno)
La curva di risposta dello strumento è ancora quella del
piezoaccelerometro
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Sensori ICP
54
Si tratta di sensori piezoelettrici con elettronica incorporata.
Sono alimentati da condizionatori a corrente costante, che dunque
consentono l’impiego di cavi a due fili a bassa impedenza.
Vantaggi
sensibilità in tensione costante (indipendente dalla lunghezza
del cavo o dalla sua capacità)
bassa impedenza di uscita (<100 W)
costi limitati
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27
Sensori ICP
55
Anche in questo caso ci sono due differenti configurazioni, per
sensori al quarzo (bassa capacità, voltage mode, amplificatori in
tensione MOSFET) e ceramici (grandi valori di carica in uscita,
charge mode);
il meccanismo di funzionamento del quarzo è sempre lo stesso.
QUARZO, BASSA IMPEDENZA
Il misurando produce una carica raccolta dal condensatore
Poiché il quarzo ha bassa capacità, la tensione in uscita è grande; il
guadagno dell’amplificatore determina la sensibilità del sensore.
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Sensori ICP
56
Poiché il quarzo ha bassa capacità, la tensione in uscita è grande; il
guadagno dell’amplificatore determina la sensibilità del sensore.
Il DV appare istantaneamente all’uscita dell’amplificatore, con aggiunta
una tensione di bias di +10VDC: questo livello di tensione costante
deriva dalle proprietà elettriche dell’amplificatore. L’impedenza
all’uscita del sensore è circa 100 W.
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28
Sensore ceramico, alta impedenza
57
Viene sfruttata un’amplificazione in carica, legata al valore della
capacità di feedback.
Tuttavia sono eliminati alcuni aspetti svantaggiosi, ossia la necessità
di cavi protetti in maniera ermetica; i problemi connessi al rumore dei
cavi e al degrado della resistenza di isolamento sono eliminati.
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Alimentazione ICP
58
E’ richiesta un’alimentazione a corrente costante.
Il segnale è fornito da una sorgente VDC da 18 a 30 V, un diodo
regolatore di corrente (o un equivalente circuito a corrente costante,
minimo 2mA), una capacità di disaccoppiamento (rimozione del bias
voltage dal segnale).
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29
Alimentazione ICP
59
Il voltmetro controlla la tensione di bias del sensore (da 8 a 14 VDC)
ed è utile per controllare il buon funzionamento del sensore stesso, di
eventuali corto circuito o circuito aperto.
La capacità di disaccoppiamento sposta il livello del segnale
abbattendo la tensione di bias; il risultato è una modalità di
operazione DC esente da derive.
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ICP - carica
60
In condizioni operative la centralina di condizionamento
presenta 3 LED (giallo rosso verde) e il voltmetro.
LED VERDE: è presente la corretta tensione di bias del
sensore ICP e un corretto collegamento dei cavi
LED ROSSO: corto circuito (V bias =0)
LED GIALLO: è controllata la tensione di alimentazione
(circuito aperto)
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30
Note
61
Con accoppiamento in AC si ricorda che è sempre necessario un
certo tempo per caricare il condensatore di accoppiamento: se si
utilizza uno strumento di misura DC, una lenta deriva prosegue fino
a carica ultimata.
Il condensatore si carica attraverso la resistenza di ingresso dello
strumento di lettura.
Condizioni stabili si hanno dopo 5 costanti di tempo,
ossia 5 x resistenza x capacità. Con R=1MW, C=10mF
questo significa attendere circa 50 s.
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SENSORE
62
SENBILITA’ TIPICA:
100 mV/g
Guadagno:
x1
x 10
x 100
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31
Risposta in frequenza degli ICP
63
Fattori
1.
considerazioni meccaniche
2.
limitazioni amplificatore /alimentazione
3.
Cavo
MECCANICHE
valgono le stesse considerazioni già fatte per gli accelerometri al
quarzo (molto importanti le condizioni di fissaggio)
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Risposta in frequenza degli ICP
64
AMPLIFICATORE/ALIMENTATORE
tensione 1MHz di banda passante
carica 100 kHz di banda passante
CAVI
Il problema nasce con cavi lunghi quando la corrente non è
sufficiente a vincere la capacità del cavo.
Mentre, come già sottolineato, non vi sono problemi dovuti ad
ambienti “ostili”, il carico capacitivo del cavo può distorcere o
filtrare le frequenze più alte del segnale, in funzione della corrente
di alimentazione e dell’impedenza del sensore. La formula che
lega queste grandezze è:
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32
Risposta in frequenza degli ICP
65
Ic =corrente costante dell’alimentazione
V= picco massimo di tensione del
segnale
pF(lunghezza cavo)
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Sensori ICP
Risposta alle basse frequenze
66
2 fattori
1.
tempo di scarica del sensore
2.
costante di tempo del circuito (se accoppiato in AC)
In genere il problema maggiore è il primo perché non è controllabile
Si ricorda che la tensione cui
tende il segnale durante la
scarica non è 0, ma la
tensione di bias (8-10V).
La capacità è fissa (regola il
guadagno), quindi per variare t
si varia R
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33
Servoaccelerometro
Sistema Meccanico II Ordine
67
ampl.
trasd.
..
x
Fi
M
+
ω0 =
ζ0
-
k y
M
V
Ks
I
Ka
R
eu
Fe
Ke
K = sensibilità statica
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Servoaccelerometro
68
E’ costituito da:
massa sismica (frequenza propria < 1 Hz)
trasduttore di spostamento molto sensibile
sistema elettronico che, grazie ad una bobina e ad una corrente
circolante, mantiene la massa fissa rispetto allascatola
La corrente necessaria per tenere ferma la massa è proporzionale
all’accelerazione dello strumento
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34
Servoaccelerometro
schema
69
bobina
k
C
A
M
k
alimentazione
segnale
di uscita
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Servoaccelerometro
70
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35
Servoaccelerometro
schema a blocchi
71
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Servoaccelerometro
72
Strumento molto sensibile (fino a 1000 V/g)
Si possono misurare anche accelerazioni a
bassa frequenza
Campo di impiego: 0 - 500 Hz (il limite superiore è legato
all’elettronica di controllo)
Strumento molto delicato quando non è alimentato (le molle hanno
una rigidezza molto bassa)
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36
Servoaccelerometro usato come
inclinometro
73
g
g sinθ
θ
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Se c’è anche vibrazione…
74
g sinθ
θ
inclinazione
vibrazione
f
BANDE SEPARATE
In questo caso non è possibile
separare inclinazione da
accelerazione
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37
Un esempio riuscito…
75
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I sensori MEMS
76
•MEMS:
•Micro
–
–
–
Electro Mechanical System
Dispositivi tridimensionali
realizzati in silicio.
sistemi polifunzionali che
consistono di sensori, attuatori,
elettronica integrata.
Si realizzano con tecniche di
Micromachining
Da STMicroelectronics
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38
Quali sensori
77
•Accelerometri
•Giroscopi
•Sensori di pressione
Da
STMicroelectronics
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Accelerometri MEMS
78
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39
Accelerometri MEMS
79
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Modello equivalente per i MEMS
80
C
D
M
K
F
MX'' + DX' + KX = F
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40
Accelerometri MEMS
81
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Accelerometri MEMS
82
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41
Accelerometers
83
MEMS ACCELEROMETERS: different packages
Different available packages
MEMS sensor with
evaluation board
MEMS sensor alone
(sensing element + IC)
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A first small-big trouble
84
vibrometer
vibrometer
x
x
m
m
k
The first MEMS
we tested were
useless, due to
the board shape
and stiffness
r
MEMS accelerometer
k
r
board
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42
The most important check: calibration
•
•
•
•
•
•
85
MEMS accelerometers are usually powered by a 5 V voltage
Along the measurement axis they provide 2.5 V for null acceleration
There is always some bias (a problem for integration)
They are g sensitive (work as clinometers as well)
Full scale acceleration gives 0.2(-) ÷ 4.8(+) V
Suppose we have ± 2g full scale: 2 g = 4.8 - 2.5 V = 2.3 V ≈ 2V
bit
8.00
8.00
16.00
16.00
levels
256
256
65536
65536
FS acc
g
FS volt res acc res volt
V
mm/s2 mV
2.00
6.00
2.00
6.00
2.30
2.30
2.30
2.30
153.28
459.84
0.60
1.80
Too coarse?
17.97
17.97
0.07
0.07
Is it
meaningful?
It is easy to reach high acceleration levels as explained in the following
2 g might be a good level for civil engineering, but for instance a tyre
entering the contact patch undergoes several hundreds m/s2 acceleration;
resolution in this case is very bad
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Prova per la verifica delle prestazioni di un
accelerometro MEMS
86
Spesso il costo del prodotto è talmente più basso del costo del
testing che I prodotti rischiano un sotto-impiego: è difficile che
un accelerometro MEMS goda di una caratterizzazione
metrologica come quella dei sensori più “costosi”.
servoacc.
acc. mems ST
acc. piezo
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43
MEMS accelerometer performances
87
The system has been tested as if it were a lab instrument: temperature, humidity,
but also any eventual natural frequencies of the board or the case
Head-to-head test on a shaker
Accelerometers
mounted
Vibrating element
particular care in the plate
design and accelerometers
fixing
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88
MEMS
SERVO
Prova per la verifica delle prestazioni di un
accelerometro MEMS
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44
Prova per la verifica delle prestazioni di un
accelerometro MEMS
89
Mean 0.0619
Std 0.0028
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90
Prova per la verifica delle prestazioni di un
accelerometro MEMS
•TF modulo con la fascia di tolleranza ± 2σ
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45
List of investigated performances
91
•
•
•
•
•
FRFs for different frequency bands and amplitudes
Does sensitivity change with voltage supply ?
Which is the sensitivity to transverse vibration ?
Which is the intrinsic noise level?
Which is the temperature influence on sensitivity and zero-g offset.
•
Although the reference accelerometer can have higher sensitivity, this
has been made similar to that of the MEMS, so that the influence of
electronic noise can be similar for both.
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After this introduction, let’s go to the
point…that is the stadium!!
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46
Empty stadium (ambient)
93
MEMS
• Servo and piezo accelerometer have the same PSD
• MEMS noise floor covers most peaks
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Crowd entrance
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MEMS
• Signal is higher S/N ratio has improved
•Now spectra are closer
• S/N ratio much better
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Crucial points: noise floor and temperature
sensitivity
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The noise floor affects the lower limit to use ambient
vibrations for SHM purposes
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Border topics in mechanical measurements
for structural engineering
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Wireless techniques for dynamic measurements have not proven to be
reliable enough
• Synchronization
• Time stamp
are major issues
But a true wireless also means no power supply by cables
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Tests on wireless sensors
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•Standards like Zigbee
•Tests to know:
• Sampling frequency is constant?
• Sampling frequency is really known?
• We need to spare memory and power (A/D converter has a low
bit number, also related to noise floor: it is nonsense having a high
resolution on noise)
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•
•
I compare CERTAIN data (i.e. analog) with those from the wireless
MEMS.
If the event duration is different, this means some problems in the
wireless transmission
• Data packet loss
• Sampling frequency not constant
• Constant sampling frequency but different from what expected
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The old procedure: sweep test
99
MEMS
Piezo
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Pos 1: comparison at the same position
100
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50
Superposition: a single person bouncing
and jumping
101
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The final test: the U2 concert during
summer 2009 HORIZONTAL
102
Piezo reference
MEMS
Although the MEMS
response is fairly good
for high excitation, all the
same it appears a rather
poor resolution (we see
the signle bit resolution)
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51
Some examples
103
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Wireless data transmission
In-tyre
sensors
104
Analysis
Understanding
physical meaning
Micro-parameters
Synthesis index
Raw signals
Know
How
Triaxial
Accelerometers
Data to Vehicle
for Dynamic
Control
System
Algorithm
To be used
inside the
vehicle
Macro-parameters
Fonte Pirelli
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Intelligent tyre
105
100 Km/h – surface comparison – 50 wheel turns
Rough
Smooth
Internal acc. celtripetal
Courtesy Pirelli
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Intelligent tyre
Original signals
106
Centripetal
Longitudinal
Lateral
Fonte Pirelli
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SHM: examples; the space shuttle
107
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Examples: space shuttle – impact sensors
108
A preliminary “calibration” has
allowed to define the limits in
identifying the damage.
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Impact sensors (+cameras)
109
We should know:
•Where damage is
•Which kind of damage it is
•Its entity
(sensor fusion with camera data)
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Impact sensors
110
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55
Example: rehabilitation
111
White: x axis acceleration
Red: angular speed around y
Y enters
X
Z
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Fissaggio accelerometri
112
L’accelerometro può essere collegato all’elemento vibrante mediante:
perno filettato
cera d’api
colla
magnete permanente
sonda tenuta manualmente
nastro biadesivo
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Fissaggio accelerometri
113
vibrometro
vibrometro
x
x
m
m
k
r
r
k
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Fissaggio accelerometri
114
Il sistema di montaggio funziona da filtro meccanico limitando la
massima frequenza misurabile
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57
Sistema di fissaggio
115
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Effetto di carico dovuto all’accelerometro
116
Dipende dalla massa dell’accelerometro rispetto a quella della struttura
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58
Taratura
117
Perché occorre tarare un Accelerometro
Per ricavare il valore della sensibilità
Per ricavare l’accuratezza dello strumento
Per motivi legali
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Taratura
gerarchia di taratura
118
Istituto nazionale di metrologia
I.M.G.C. COLONNETTI - Torino
Centri SIT
Laboratori
Il certificato di taratura deve dimostrare la catena di riferibilità
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Taratura
119
TRASDUTTORE PRIMARIO:
tarato utilizzando un metodo assoluto (interferometrico)
conservato dall’istituto nazionale di metrologia
TRASDUTTORE SECONDARIO:
tarato dall’istituto nazionale di metrologia per confronto con
quello primario
utilizzato per tarare i trasduttori di riferimento presenti nei centri
SIT
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Taratura
120
TRASDUTTORE DI RIFERIMENTO DEL CENTRO SIT:
tarato per confronto con il trasduttore secondario
conservato dai centri SIT
utilizzato per tarare gli accelerometri di uso comune
ACCELEROMETRI DI USO COMUNE:
tarati dai centri SIT per confronto con il trasduttore di riferimento
dei centri SIT
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60
Taratura
Assoluta
121
TARATURA DELL’ACCELEROMETRO CON UN METODO ASSOLUTO
(INTERFEROMETRICO)
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Taratura
122
La taratura viene effettuata in particolare alla frequenza di 159,2
Hz (ω=1000 rad/s) con un livello di accelerazione di 10 ms-2 a cui
corrisponde una velocità di 10 mms-1 ed uno spostamento di 10
µm
L’interferometro misura lo spostamento picco-picco della
vibrazione
Lo spostamento viene misurato contando le frange di interferenza
per ogni periodo
Dalla conoscenza dello spostamento e della frequenza si ricava
l’accelerazione
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61
Taratura
123
La sensibilità dell’accelerometro viene ricavata dividendo l’uscita
dell’accelerometro per l’accelerazione misurata con il metodo
interferometrico
La curva di taratura viene fornita come scostamento della
sensibilità rispetto al valore misurato a 159,2 Hz al variare della
frequenza
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Taratura
per confronto - metodo back to back
124
preamp.
accelerometro
da tarare
voltmetro
Vu
Vr
accelerometro
di riferimento
preamp.
Sensibilità:
Aosinω
ωt
tavola
vibrante
V
Su = Sr Vu
r
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Taratura
per confronto - metodo back to back
rif.
125
x
Qx
S
= x
Q rif. S rif.
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Taratura
per confronto - metodo back to back
126
La curva di taratura viene fornita come scostamento della sensibilità
rispetto al valore misurato a 159,2 Hz al variare della frequenza
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Verifica della sensibilita’
(sensitivity checking)
127
Viene effettuata con eccitatori calibrati portatili
Gli eccitatori producono una accelerazione di 10 ms-2 alla
frequenza di 159,2 Hz (ω=1000 rad/s) a cui corrisponde una
velocità di 10 mms-1 ed uno spostamento di 10 µm
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Verifica della sensibilita’
(sensitivity checking)
128
La sensibilità del servoaccelerometro può essere verificata anche
sfruttando l’accelerazione di gravità
k
k
M
i1
A
C
C
i2
A
M
k
k
2g
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Esempio:
misura di vibrazione di rotaie
129
Punti di misura della
accelerazione
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Esempio:
misura di vibrazione di rotaie
130
Rotaia corda alta: accelerazione assoluta orizzontale
Piezoaccelerometro
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Esempio:
vibrazioni di un motore per tram
131
Banco prova
Rotore di un motore a
magneti permanenti
Piezoaccelerometri
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Esempio:
vibrazioni di un motore per tram
132
Spettro
accelerazione
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Esempio:
vibrazioni dello stadio Meazza
133
Punti di misura dell’accelerazione:
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Sky Box:
134
Servoacceleometri
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Punta secondo anello:
135
Servoacceleometri
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Terzo anello:
136
Alle spalle della tribuna stampa
Servoacceleometri
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68
Sulla copertura:
137
Servoacceleometri
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