SOMMARIO
L’accelerometro piezoelettrico è autogenerante, ovvero non necessita di alimentazione. Non ha componenti mobili che si usurano e, infine, il suo risultato proporzionale all’accelerazione può essere integrato per dare segnali di velocità e spostamento proporzionali. Può funzionare a temperature estreme, ma è limitato da un’elevata impedenza di output, che necessita di cavi a bassa rumorosità e amplificatori di carica per condizionare il segnale.
Al cuore di un accelerometro piezometrico è presente una porzione di materiale piezoelettrico, solitamente una ceramica ferroelettrica con polarizzazione artificiale, che ha l’esclusivo effetto piezoelettrico. Quando è sollecitato meccanicamente, che sia per tensione, compressione o taglio, genera una carica elettrica attraverso le sue facce polari proporzionale alla forza applicata.
Design degli accelerometri
Nei pratici design degli accelerometri, l’elemento piezoelettrico è sistemato in modo che quando il gruppo viene vibrato, la massa applica una forza all’elemento piezoelettrico proporzionale all’accelerazione vibratoria. Si può vedere nella legge forza = massa x accelerazione.
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SENSORE DI ACCELEROMETRO
Per le frequenze ben al di sotto della frequenza risonante del completo sistema massa-molla, l’accelerazione della massa sarà uguale all’accelerazione della base e l’ampiezza del segnale di uscita sarà quindi proporzionale all’accelerazione cui è soggetto il pick-up.
Sono due le configurazioni comunemente usate:
Il Tipo a compressione, dove la massa esercita una forza di compressione sull’elemento piezoelettrico, e il Tipo a taglio, dove la massa esercita una forza di taglio sull’elemento piezoelettrico.
Tipi di accelerometri piezoelettrici
La maggior parte dei fabbricanti sembrano avere una vasta gamma di accelerometri, ma forse sono troppi per poter scegliere senza problemi.
Basta un piccolo gruppo di tipi a “scopo generico” per rispondere alla maggior parte delle esigenze. Sono disponibili con connettori in alto o laterali e hanno sensibilità comprese nell’intervallo da 1 a 10 mV o pC per m/s2. I tipi Brüel & Kjær Uni-Gain® hanno una sensibilità normalizzata a una comoda “cifra tonda”, come 1 o 10 pC/ms-2 per semplificare la taratura del sistema di misura.
Accelerometri CCLD/DeltaTron® o IEPE
Gli accelerometri CCLD (Constant Current Line Drive) or IEPE (Integrated Electronics Piezo Electric) sono accelerometri piezoelettrici con preamplificatori integrali, che emettono segnali di uscita in forma di modulazione della tensione sulla linea di alimentazione.
Gli accelerometri Brüel & Kjær’s IEPE hanno un’elevata sensibilità di uscita, un elevato rapporto segnale-rumore e un’ampia larghezza di banda, che li rende adatti sia per impieghi generici che per la misurazione delle vibrazioni ad alta frequenza.
Questi accelerometri sono strumenti ad alte prestazioni con sensibilità di uscita maggiore rispetto agli accelerometri piezoelettrici standard (senza amplificatori integrali). Hanno una sigillatura ermetica che li protegge dalla contaminazione ambientale, hanno una ridotta suscettibilità alla radiofrequenza e alle radiazioni elettromagnetiche e un ridotto output di impedenza per via della fonte di alimentazione esterna a corrente costante. L’output a bassa impedenza consente di usare cavi coassiali economici per gli accelerometri.
Molti accelerometri al di fuori del range dello scopo generale hanno caratteristiche orientate verso un’applicazione specifica. Un esempio; gli accelerometri piccoli, pensati per misurazioni di alto livello o alta frequenza e che si usano su strutture delicate, pannelli, ecc. che pesano da ca. 0,5 a 2 grammi.
Altri tipi a scopo speciale sono ottimizzati per la misurazione simultanea in tre direzioni reciprocamente perpendicolari; alte temperature; livelli vibratori molto bassi; urti di alto livello; taratura di altri accelerometri per confronto e monitoraggio permanente delle macchine industriali.
Sensibilità dell’accelerometro, massa e intervallo dinamico
La sensibilità è la prima caratteristica solitamente considerata. Idealmente, vorremmo un elevato livello di output, ma dobbiamo scendere a compromessi perché l’alta sensibilità solitamente implica un gruppo piezoelettrico relativamente grande, quindi un’unità di grandi dimensioni e pesante.
In circostanze normali, la sensibilità non è un problema critico, in quanto i moderni preamplificatori sono progettati per accettare questi segnali di basso livello. La massa degli accelerometri diventa importante quando si misurano i leggeri oggetti di prova. Una massa aggiuntiva può alterare in modo significativo i livelli vibratori e le frequenze nel punto di misura.
In generale, la massa degli accelerometri non dovrebbe essere più di un decimo rispetto alla massa dinamica dell’elemento vibratorio sul quale vengono montati.
Quando si devono misurare livelli di accelerazione bassi o alti, occorre considerare l’intervallo dinamico dell’accelerometro. Il limite minimo mostrato sul disegno non è solitamente determinato direttamente dall’accelerometro, ma dal rumore elettrico derivante dal collegamento di cavi e dal circuito dell’amplificatore. Questo limite è solitamente pari a un centesimo di un m/s2 con strumenti generici.
Il limite superiore è stabilito dalla forza strutturale dell’accelerometro. Un tipico accelerometro generale è lineare tra 50000 e 100 000 m/s2, quindi decisamente entro il range degli urti meccanici. Un accelerometro appositamente studiato per misurare gli urti meccanici può essere lineare fino a 1000km/s2 (100000 g).
Range di frequenza accelerometro
I sistemi meccanici tendono ad avere molta della loro energia vibratoria entro range di frequenza relativamente stretti tra 10 Hz e 1000 Hz, ma le misurazioni spesso sono effettuate fino a, diciamo, 10 kHz, perché spesso ci sono componenti vibratori interessanti a queste frequenze più elevate. Quando scegliamo un accelerometro, dobbiamo quindi garantire che il range di frequenza dell’accelerometro possa coprire il range di interesse.
Un range di frequenza su cui l’accelerometro offre un vero output è limitato all’estremità di bassa frequenza in pratica da due fattori. Il primo è il cut-off di bassa frequenza dell’amplificatore che segue. Solitamente non è un problema, in quanto il limite solitamente è ben al di sotto di un Hz.
Il secondo è l’effetto delle fluttuazioni della temperatura ambiente, a cui l’accelerometro è sensibile. Con i moderni accelerometri di tipo a taglio, questo effetto è ridotto al minimo, il che consente di arrivare a misurazioni sotto a 1 Hz per ambienti normali.
Il limite superiore è stabilito dalla frequenza risonante del sistema massa-molla dell’accelerometro stesso. In linea di principio, se impostiamo il limite superiore della frequenza a un terzo della frequenza di risonanza dell’accelerometro, sappiamo che le vibrazioni misurate sul limite superiore di frequenza del componente saranno in errore per non più di + 12%.
Con accelerometri piccoli in cui la massa è piccola, la frequenza di risonanza può essere 180kHz, mentre per gli accelerometri generali, un poco più grandi e con output maggiore, sono più tipiche frequenze di risonanza comprese tra 20 e 30kHz.
Errori di risonanza accelerometro
Dato che l’accelerometro avrà tipicamente un aumento di sensibilità sulle alte frequenze per via della sua risonanza, il suo output non darà una rappresentazione reale delle vibrazioni nel punto di misura su queste alte frequenze.
Quando si analizza la frequenza di un segnale di misura si può riconoscere facilmente che un picco di alta frequenza è dovuto alla risonanza dell’accelerometro, quindi va ignorato. Se invece viene eseguita una lettura generale a larga banda che comprende la risonanza dell’accelerometro, si otterrà un risultato impreciso se al contempo la vibrazione da misurare ha anche componenti nella zona attorno alla frequenza risonante.
Questo problema si supera scegliendo un accelerometro con range di frequenza più ampia possibile e usando un filtro passa basso, solitamente compreso nei misuratori di vibrazioni e nei preamplificatori per tagliare via il segnale indesiderato provocato dalla risonanza dell’accelerometro.
Laddove le misurazioni sono limitate alle basse frequenze, gli effetti della risonanza con alta frequenza e degli accelerometri, come sovraccarichi sull’elettronica, possono essere rimossi con filtri meccanici. Si tratta di un metodo resistente, solitamente robusto, legato tra due dischi di montaggio, fissato tra l’accelerometro e la superficie di montaggio. Di solito riducono il limite superiore della frequenza tra 0,5 kHz e 5 kHz.
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di BRÜEL & KJÆR
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