Cos’è l’accelerometro
L’accelerometro è un dispositivo che misura le vibrazioni o l’accelerazione di movimento della struttura o dell’oggetto su cui è posto: l’energia delle vibrazioni viene trasformata in segnale elettrico, proporzionale all’accelerazione dell’oggetto. L’accelerometro quindi, più che un sensore è, più propriamente, un trasduttore, che converte in grandezza elettrica una grandezza meccanica o vettoriale.
Il dispositivo può essere mono, bi o triassiale, cioè effettuare la misurazione su uno, due o tre assi. Gli acceleratori triassiali sono i più comuni, composti da un sistema a tre accelerometri, uno per ogni asse. I modelli più avanzati sono dotati di memoria, interfaccia e software per archiviare le misurazioni.
L’accelerometro può essere portatile o da installazione fissa, generalmente consegnato con un certificato di taratura di fabbrica cui aggiungere una certificazione ISO. L’ampiezza massima che lo strumento è in grado di misurare prima che il segnale di uscita venga distorto viene detto “gamma dinamica” mentre la frequenza in cui lo strumento squilla viene detta “frequenza di risonanza”. La “gamma di temperatura” generalmente è compresa tra -50° e 120°C.
Tra i principali tipi di accelerometro: piezoelettrico, a sua volta distinto in dispositivi ad alta o bassa impedenza; piezoresistivo; capacitivo, con sensori MEMS; servoaccelerometro; estensimetrico; potenziometro; con sensore induttivo LVDT; laser.
Funzionamento dell’accelerometro
La tipologia del dispositivo ne determina il funzionamento interno.
L’accelerometro piezoelettrico
L’accelerometro piezoelettrico si basa sulla piezoelettricità, “l’elettricità dalla pressione”: una proprietà di alcuni cristalli che vengono integrati nel dispositivo. Quando l’oggetto su cui il dispositivo viene posizionato vibra o accelera, si genera una forza che comprime il cristallo piezoelettrico che, a sua volta, si polarizza e genera tensione elettrica proporzionale alla forza che subisce. La tensione elettrica, proporzionale alla forza, a massa costante sarà proporzionale anche all’accelerazione.
A seconda di come la massa sollecita il cristallo, gli accelerometri piezoelettrici possono essere a compressione, a taglio, a flessione. Nel primo caso, la massa “comprime” il cristallo; nel secondo lo sollecita attraverso una distorsione della base su cui il cristallo è posto; nel terzo la massa flette il cristallo. Questo perché solo quando il materiale piezoelettrico viene deformato genera tensione.
Inoltre, a seconda di come viene “gestita” la tensione generata, l’accelerometro piezoelettrico può essere con uscite ad “alta impedenza” o a “bassa impedenza”. L’impedenza è una grandezza che misura quanto sia “impedito” il passaggio alla corrente alternata in un circuito, misurata nel rapporto tra tensione e corrente. In un circuito a corrente continua, coincide con la resistenza. Quando in un accelerometro la tensione generata dal cristallo piezoelettrico è direttamente collegata agli strumenti di misurazione, l’uscita è “ad alta impedenza”. Quando invece l’accelerometro è dotato di un microcircuito integrato e di un transistor FET che converte la carica generata dal cristallo, l’uscita è “a bassa impedenza”.
Gli accelerometri con uscita a “bassa impedenza” vengono anche detti IEPE – Integrated Electronics Piezo-Electric, dotati cioè di elettronica integrata di conversione dell’impedenza e alimentati anche a batteria. Lo IEPE è uno standard tecnico che prevede: un circuito FET alimentato a corrente costante tra 2 e 20 mA con tensione tra 8 e 12 volt all’uscita; un filo schermato che trasmetta alimentazione e segnale del cristallo. Il segnale a bassa impedenza può essere trasmesso attraverso lunghe distanze di cavo senza perdita di qualità.
L’accelerometro piezoresistivo
L’accelerometro piezoresistivo si basa invece sulla piezoresistenza, “la resistenza dalla pressione” tipica di alcuni materiali conduttori o semiconduttori sottoposti a deformazione meccanica. In questo caso, al momento della vibrazione e/o accelerazione, la forza che comprime il materiale piezoresistivo (generalmente un metallo) causerà un aumento della resistenza elettrica proporzionale alla forza stessa.
L’accelerometro capacitivo (sensori MEMS)
L’accelerometro capacitivo per rilevare lo spostamento della massa sfrutta la variazione di capacità elettrica di un condensatore. Proprio come avviene in un sensore capacitivo, si costruiscono le due armature del condensatore: una è nel dispositivo, l’altra è la massa, con materiale conduttivo, sospesa su una membrana e posta a poca distanza. La corrente generata dalle due armature (dispositivo+massa conduttiva) ne cambia la variazione di tensione (capacità elettrica), e quindi la distanza.
Dalla rilevazione della capacità elettrica, il dispositivo deduce lo spostamento della massa e ne genera un segnale elettrico proporzionale. Gli accelerometri capacitivi possono essere a 3 o 4 fili, con amplificatore incorporato.
Tra gli accelerometri capacitivi si distinguono quelli dotati di sensori MEMS – Micro Electro-Mechanical System, microsistemi elettromeccanici. Sono accelerometri miniaturizzati, con microstruttura meccanica mobile, molto economici.
Video approfondimento sui sensori MEMS da “La notte dei ricercatori”
I servoaccelerometri sono, in inglese, i Force Balanced Accelerometer, gli accelerometri a bilanciamento della forza. Funzionano come un galvanometro, lo strumento che serve a misurare l’intensità delle correnti elettriche in un circuito. Più precisamente, il galvanometro misura con metodi ottici l’angolo di rotazione di un ago o una bobina: gli accelerometri a bilanciamento della forza funzionano come un galvanometro di Deprez-D’Arsonval, a bobina mobile. In questo tipo di galvanometri, la bobina è sospesa a un filo di torsione attorno a un magnete fisso. Quando il magnete percorso da tensione elettrica genera un campo elettromagnetico, la bobina si polarizza per induzione ed è soggetta a due forze che si bilanciano: da una parte la forza che la spinge a ruotare, dall’altra la forza elastica dovuta alla torsione del filo che la spinge a rimanere ferma. Il punto di equilibrio di queste due forze (che non si annullano) è l’angolo di rotazione, proporzionale alla corrente che si vuole misurare. Il segnale viene poi elaborato elettronicamente e trasmesso a bassa frequenza.
Accelerometro estensimetrico
L’accelerometro estensimetrico funziona come un estensimetro, lo strumento che misura la variazione di lunghezza di un corpo sottoposto ad applicazione di carichi o variazione di temperatura. Più precisamente, come un estensimetro elettrico a resistenza, una griglia di filo metallico sottile su una base incollata all’oggetto che si vuole misurare. Quando l’oggetto si deforma, la resistenza elettrica del filo varia, e la variazione viene misurata tramite un dispositivo elettrico chiamato “ponte di Wheatstone”. Ecco perché gli accelerometri estensimetrici vengono definiti “a ponte”.
Accelerometro con sensore induttivo LVDT
L’accelerometro LVDT è dotato dell’omonimo sensore induttivo, acronimo di Linear Variable Displacement Transducer, trasduttore di spostamento lineare. Il trasduttore è integrato nel dispositivo e il suo nucleo ferromagnetico costituisce la massa di cui misurare lo spostamento. La massa scorre all’interno di un canale collegato alle bobine e al circuito elettrico che ne rilevano la posizione.
Accelerometro laser
L’accelerometro laser si basa sul principio che l’accelerazione è una derivata della velocità nel tempo. Ovvero, cambia in funzione di quanto cambia la velocità in un intervallo temporale. A sua volta, la velocità istantanea è una derivata del tempo, cioè cambia in funzione dell’intervallo temporale considerato. Quindi, per misurare l’accelerazione, gli accelerometri laser calcolano matematicamente una derivata seconda con un elaboratore elettronico. Più precisamente, l’accelerometro laser è collegato a un computer ma è composto da un interferometro, uno strumento che misura le interferenze tra le onde luminose e tra queste e i materiali con cui interagiscono. L’interferometro laser misura per ogni istante lo spostamento dell’oggetto che si muove, il computer ne calcola l’accelerazione.
A cosa serve l’accelerometro
L’accelerometro serve a misurare le vibrazioni e le oscillazioni in un corpo, comprese quelle che si possono sviluppare sui macchinari e negli impianti.
Misura accelerazione, velocità e spostamento delle vibrazioni in dispositivi o strutture soggette a sollecitazioni: piloni, ponti, edifici ma anche hard-disk, apparecchiature mediche, controller, fotocamere e smartphone. Le industrie lo utilizzano anche in fase di Ricerca e Sviluppo, oltre che per il monitoraggio.
Gli accelerometri piezoelettrici vengono usati in presenza di accelerazioni dinamiche tipiche degli shock meccanici: quelli ad alta impedenza per applicazioni ad alta temperatura (>120°C), quelli a bassa impedenza sono tra i più comuni in ambito industriale, per il campo dinamico non ampio e la possibilità di utilizzare lunghi cavi di trasmissione senza perdere la qualità del segnale.
Gli acceleratori capacitivi sono adatti al monitoraggio, per misurazioni del movimento a bassa frequenza, come le vibrazioni nell’ingegneria civile. I capacitivi con sensori MEMS, più economici, vengono usati negli airbag e nella tecnologia mobile, per test di volo, di qualità della guida e simulazioni di trasporto.
I servoaccelerometri, ad alta sensibilità e basso rumore, sono adatti per gli studi sismici e le applicazioni inerziali.
Gli accelerometri laser sono estremamente accurati ma costosi e piuttosto ingombranti. Si usano quando non è possibile ottenere le misurazioni con altri mezzi.
Come funziona l’accelerometro dello smartphone
Gli accelerometri più comuni negli smartphone sono quelli capacitivi, dotati di sensori MEMS – Micro Electro-Mechanical System, microsistemi elettromeccanici. Sono accelerometri miniaturizzati, con microstruttura meccanica mobile, molto economici. In silicio, hanno dimensioni di frazioni di millimetro, opportunamente sagomate come un chip.
Gli smartphone e i tablet più avanzati sono dotati di tre accelerometri, uno per ogni asse, che rilevano in quale direzione viene mosso il dispositivo. Ogni accelerometro è fatto di silicio, con un involucro che ricopre una minuscola massa flessibile, formata da piccole lamelle mobili tra lamelle fisse. Le lamelle fisse e le lamelle mobili non entrano in contatto, e formano ciascuna un’armatura di condensatore: dalla variazione di capacità elettrica si rileva la distanza quindi il movimento. Come in un qualsiasi traduttore capacitivo, il segnale elettrico proporzionale allo spostamento viene quindi trasmesso e convogliato all’elettronica che lo elabora per le specifiche applicazioni. Ad esempio, la funzione “rotazione schermo” automatica, in verticale o orizzontale, che segue l’orientamento del dispositivo, oppure l’applicazione “contapassi”.
