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Accelerometri: una guida completa alle applicazioni e alle tecniche nelle misurazioni delle vibrazioni

Gli accelerometri sono trasduttori essenziali utilizzati per misurare le vibrazioni e l’accelerazione in varie applicazioni, tra cui la sicurezza automobilistica, l’elettronica di consumo e i macchinari industriali. Questa guida copre le tecniche di selezione, montaggio, calibrazione, raccolta dati e analisi necessarie per utilizzare in modo efficace gli accelerometri per misurazioni precise delle vibrazioni.

Cos'è un accelerometro?

Un accelerometro è un trasduttore che misura la vibrazione in termini di accelerazione del movimento di una struttura. Funziona convertendo la vibrazione in un segnale elettrico proporzionale, basato sulla Seconda Legge del Moto di Newton, che afferma che l’accelerazione (m/s²) è direttamente proporzionale alla forza risultante (Newton) che agisce su un corpo e inversamente proporzionale alla sua massa (grammi ). In sostanza, un accelerometro misura l’accelerazione indirettamente rilevando la forza applicata a uno dei suoi assi. Un approccio di rilevamento comune utilizzato negli accelerometri è il rilevamento della capacità, in cui l’accelerazione è correlata alla variazione della capacità di una massa in movimento. Il metodo di trasduzione dipende dal tipo di accelerometro, con diverse costruzioni meccaniche per accelerometri piezoelettrici e MEMS.

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Quali sono i tipi di accelerometri?

I principali tipi di accelerometri includono:

  • Gli accelerometri piezoelettrici utilizzano un cristallo sensibile al quale è attaccato un peso sismico. Quando il sensore subisce un’accelerazione, il peso esercita una forza sul cristallo, generando una carica elettrica proporzionale alla forza e, quindi, all’accelerazione. Questo segnale ad alta impedenza può essere misurato direttamente oppure amplificato e condizionato da circuiti elettronici. Sono ampiamente utilizzati nelle misurazioni delle vibrazioni delle macchine.
  • Gli accelerometri MEMS (sistemi microelettromeccanici) sono costruiti utilizzando la tecnologia di microfabbricazione, costituita da minuscoli componenti meccanici su un chip di silicio. Un meccanismo di rilevamento comune prevede il rilevamento della capacità, in cui i cambiamenti nella posizione di una massa microlavorata causano variazioni di capacità. Quando il corpo dell’accelerometro viene spostato da una forza applicata esternamente, il movimento della massa sismica viene rilevato da elementi sensori capacitivi differenziali. Il segnale prodotto viene amplificato, condizionato e filtrato da componenti circuitali montati all’interno dello stesso pacchetto IC. Gli accelerometri MEMS sono ampiamente utilizzati nell’elettronica di consumo, per misurare le vibrazioni umane e per le vibrazioni del terreno a bassa frequenza.
  • Gli accelerometri piezoresistivi utilizzano materiali che modificano la resistenza elettrica quando sottoposti a stress meccanico. Funzionano in modo simile agli estensimetri, misurando lo stress. Una forza applicata al materiale piezoresistivo lo deforma, modificandone la resistenza. Questo viene misurato utilizzando elementi resistivi disposti in una configurazione a ponte. Gli accelerometri piezoresistivi hanno un’elevata larghezza di banda e una bassa sensibilità, il che li rende adatti per misurazioni ad alta frequenza e di breve durata, come test di collisioni o armi. Sono essenziali nelle applicazioni di crash test automobilistici.
  • Gli accelerometri estensimetrici utilizzano estensimetri collegati a una struttura che si deforma sotto accelerazione. Questa deformazione modifica la resistenza degli estensimetri, che viene misurata utilizzando un circuito a ponte. Un moderno accelerometro estensimetrico utilizza tipicamente un estensimetro in silicio o lamina depositato o incollato a un elemento che si flette con il movimento di una massa sismica. Questi accelerometri possono misurare accelerazioni fino a zero Hertz, rendendoli adatti per misurazioni statiche. Sono ampiamente utilizzati nell’industria automobilistica per applicazioni di sicurezza come sistemi di frenatura antibloccaggio, attivazione degli airbag e sistemi di controllo della trazione.

Gli accelerometri sono importanti perché forniscono misurazioni precise di accelerazione e vibrazione, che migliorano la sicurezza, migliorano la navigazione e il controllo, abilitano funzionalità avanzate, facilitano la manutenzione predittiva, supportano il monitoraggio sismico e aiutano nelle applicazioni mediche. Queste funzionalità rendono gli accelerometri indispensabili in vari settori, garantendo operazioni efficienti, affidabili e sicure nei settori automobilistico, aerospaziale, dell’elettronica di consumo, dei macchinari industriali, della salute strutturale e della sanità.

Un accelerometro a vibrazione può misurare:

  • Accelerazione: il tasso di variazione della velocità, che è la misurazione principale fornita dagli accelerometri.
  • Velocità: Integrando i dati di accelerazione, è possibile ricavare la velocità dell’oggetto vibrante.
  • Spostamento: integrando ulteriormente i dati di velocità, è possibile calcolare lo spostamento dell’oggetto vibrante. Ciò è particolarmente utile per valutare l’entità delle vibrazioni nei sistemi meccanici.

Quali sono le principali applicazioni degli accelerometri?

Gli accelerometri sono fondamentali nella progettazione, funzionamento e manutenzione dei sistemi in vari settori. Diversi tipi di accelerometri vengono selezionati in base alle loro capacità specifiche e ai requisiti dell’applicazione:

  • Progettazione: nella fase di ricerca e sviluppo, gli accelerometri vengono utilizzati per testare e convalidare i progetti. Per i sistemi di sicurezza automobilistici, MEMS e accelerometri piezoresistivi testano componenti come airbag, sistemi di frenatura antibloccaggio (ABS) e sistemi di controllo della trazione. Gli accelerometri piezoresistivi gestiscono gli impatti ad alta frequenza nei crash test. Nell’elettronica di consumo, gli accelerometri MEMS abilitano funzionalità come la rotazione dello schermo, i giochi in movimento e il monitoraggio del fitness, fornendo dati critici per la progettazione delle interfacce utente. Nel settore aerospaziale e della difesa, gli accelerometri piezoelettrici e MEMS aiutano a progettare sistemi di navigazione, controllo della stabilità e monitoraggio della salute strutturale misurando vibrazioni ad alta frequenza e parametri di navigazione inerziale.
  • Funzionamento: durante il funzionamento, gli accelerometri forniscono funzionalità in tempo reale e caratteristiche di sicurezza. Nelle applicazioni automobilistiche, gli accelerometri MEMS rilevano una rapida decelerazione per attivare gli airbag. Nell’elettronica di consumo, gli accelerometri MEMS ruotano gli schermi di smartphone e tablet e misurano le vibrazioni del corpo per valutazioni ergonomiche e di salute. Per il monitoraggio dell’attività sismica, i MEMS e gli accelerometri capacitivi rilevano e registrano i movimenti del terreno, fornendo misurazioni ad alta sensibilità e con un ampio intervallo di frequenza. Nei macchinari industriali, gli accelerometri piezoelettrici monitorano e analizzano le vibrazioni per la stabilità operativa, rilevando squilibri e potenziali guasti.
  • Manutenzione: per la manutenzione continua, gli accelerometri monitorano lo stato e le prestazioni dei sistemi. Nella manutenzione predittiva, gli accelerometri piezoelettrici ed estensimetrici analizzano le vibrazioni per prevedere e prevenire guasti alle apparecchiature, programmando la manutenzione prima che si verifichino guasti catastrofici. Nel monitoraggio della salute strutturale, gli estensimetri e gli accelerometri capacitivi valutano l’integrità di strutture come ponti, edifici e dighe misurando vibrazioni e deformazioni a bassa frequenza. Nel monitoraggio dello stato dei veicoli, i MEMS e gli accelerometri piezoresistivi monitorano continuamente vibrazioni e urti, identificando problemi che richiedono manutenzione, come squilibri o componenti usurati.
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Come utilizzare gli accelerometri per le misurazioni delle vibrazioni?

L’utilizzo degli accelerometri per le misurazioni delle vibrazioni richiede conoscenze e competenze specifiche. In genere, questi dispositivi vengono utilizzati da ingegneri, tecnici e ricercatori con esperienza nella gestione e interpretazione dei dati provenienti dagli accelerometri.

Quali dispositivi utilizzano gli accelerometri?

Gli accelerometri fanno parte di una catena di misurazione di misuratori di vibrazioni che include alimentazione, cavi e connettori. La corretta alimentazione dell’accelerometro è essenziale per ottenere letture accurate. L’uso di cavi e connettori appropriati garantisce una trasmissione affidabile del segnale e riduce al minimo la perdita di dati. I misuratori di vibrazioni possono essere monocanale o multicanale e pertanto gli accelerometri sono disponibili nelle versioni a singolo e tre assi.

Come scegliere l'accelerometro giusto?

Quando si seleziona un accelerometro per una determinata applicazione, considerare le seguenti caratteristiche chiave:

  1. Intervallo di frequenza (Hz): indica l’intervallo di frequenze di vibrazione a cui risponde l’accelerometro. Ad esempio, l’intervallo di frequenza di misurazione dello strumento di misurazione della gravità delle vibrazioni deve essere compreso tra 10 Hz e 1.000 Hz, ma può includere altri intervalli. (In alcune parti della norma ISO 20816 viene utilizzata una frequenza di taglio inferiore di 2 Hz o anche inferiore.)
  2. Gamma dinamica (g): la gamma tra l’ampiezza minima rilevabile e l’ampiezza massima prima di distorcere o tagliare il segnale di uscita.
  3. Sensibilità (mV/go mV/ms²): Definisce il segnale minimo rilevabile o la variazione del segnale elettrico in uscita per variazione della variazione meccanica in ingresso. Solitamente fornito ad una frequenza; la sensibilità è correlata al range operativo.
  4. Temperatura: l’intervallo di temperatura operativa che l’accelerometro può sopportare.
  5. Massa: il peso dell’accelerometro, che può influenzarne il montaggio e la precisione della misurazione.
  6. Tipo di montaggio: il metodo con cui l’accelerometro è fissato alla superficie di misurazione.
  7. Compatibilità con il misuratore di vibrazioni: garantire che l’accelerometro funzioni perfettamente con il misuratore di vibrazioni utilizzato.

Come garantire la precisione dell'accelerometro?

Per garantire misurazioni precise, gli accelerometri necessitano di una calibrazione iniziale e di una verifica in laboratorio ogni due anni. Questo processo prevede l’impostazione di una linea di base e la regolazione dell’output del sensore in modo che corrisponda ai valori di riferimento noti. Sono inoltre necessari controlli regolari in situ per mantenere la precisione nel tempo, in genere utilizzando calibratori portatili come SV110.

Come montare gli accelerometri?

Le misurazioni accurate delle vibrazioni dipendono dalle corrette tecniche di montaggio. I produttori di accelerometri in genere descrivono i seguenti metodi di montaggio:

  • Montaggio con perno
  • Montaggio adesivo (compreso il montaggio su cemento e cera)
  • Montaggio magnetico

Il corretto fissaggio dell’accelerometro al macchinario o alla struttura riduce al minimo le interferenze e garantisce che il sensore catturi accuratamente le vibrazioni.

Come raccogliere i dati sulle vibrazioni dagli accelerometri?

L’impostazione di un sistema di acquisizione dati comporta la configurazione dell’apparecchiatura (misuratore di vibrazioni) per registrare accuratamente i dati sulle vibrazioni. La selezione della frequenza di campionamento e dei parametri di registrazione dei dati appropriati è fondamentale per acquisire i dettagli necessari ed evitare la perdita di dati. È essenziale selezionare risultati come PEAK, RMS, MAX, PEAK-PEAK, VDV o analisi dello spettro di frequenza come FFT o 1/3 di ottava e registrare i dati grezzi (registrazione WAV).

Elaborazione e analisi dei dati

Una volta raccolti i dati, è necessario elaborarli e analizzarli. Software specializzati, come gli strumenti SvanPC++, applicano filtri e algoritmi ai dati grezzi, estraendo informazioni significative su modelli di vibrazione, frequenze e ampiezze.

Interpreting data and making adjustments

The final step involves interpreting the processed data to understand the condition of the machinery or structure. Based on this analysis, engineers and technicians can make necessary adjustments to improve performance, prevent failures, and ensure safety.

Punti chiave

  1. Gli accelerometri sono trasduttori versatili fondamentali per misurare le vibrazioni e l’accelerazione in varie applicazioni, dalla sicurezza automobilistica e dall’elettronica di consumo all’aerospaziale, ai macchinari industriali e al monitoraggio della salute strutturale.
  2. Esistono diversi tipi di accelerometri, come accelerometri piezoelettrici, MEMS, piezoresistivi ed estensimetrici. La scelta del tipo giusto dipende dai requisiti specifici dell’applicazione, tra cui gamma di frequenza, gamma dinamica, sensibilità e compatibilità con il sistema di misurazione.
  3. L’utilizzo efficace degli accelerometri richiede conoscenze ed competenze specifiche nelle tecniche di montaggio, calibrazione e acquisizione dati. Una corretta installazione e calibrazione garantiscono misurazioni accurate, mentre le tecniche avanzate di elaborazione e analisi dei dati sono essenziali per interpretare i dati sulle vibrazioni e apportare regolazioni informate.
  4. Gli accelerometri migliorano la sicurezza e l’efficienza operativa fornendo dati in tempo reale per la manutenzione predittiva, il monitoraggio della salute strutturale e il rilevamento di rapidi cambiamenti nel movimento, che possono attivare meccanismi di sicurezza come gli airbag nei veicoli.
  5. L’accuratezza e l’affidabilità delle misurazioni delle vibrazioni dipendono da una catena di misurazione completa che comprende un’alimentazione adeguata, cavi e connettori adeguati e robusti sistemi di acquisizione dati. Sono necessari tarature regolari e controlli in situ per mantenere l’accuratezza e l’affidabilità delle misurazioni.

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