utilizzo di tecnologie mems per la progettazione e realizzazione di

UTILIZZO DI TECNOLOGIE MEMS PER LA PROGETTAZIONE E
REALIZZAZIONE DI SENSORI DI VIBRAZIONI TRIDIMENSIONALI
AD ALTA DINAMICA
Alberto Bellini, Carlo Concari, Giovanni Franceschini, Emilio Lorenzani, Carla Tassoni,
Andrea Toscani
Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione
Università degli Studi di Parma
Via G.P. Usberti 181/A, 43100 Parma
Area di ricerca – Tematica: G4
Introduzione
I sensori di vibrazione basati su accelerometri hanno un vasto campo di potenziali
applicazioni, tra le quali:
• Controllo della dinamica di veicoli
• Antifurti e rilevatori di movimento
• Sistemi di localizzazione
• Stabilizzazione di piattaforme
• Diagnostica di sistemi elettromeccanici
La recente introduzione di accelerometri basati su tecnologia MEMS (micro electromechanical systems) sembra permettere la realizzazione di trasduttori compatti, leggeri e poco
invasivi. L’unità di Parma ha progettato e realizzato un sensore di vibrazioni tridimensionale
che presenta un ingombro estremamente ridotto e una dinamica elevata, completo di circuiti
di condizionamento del segnale. La possibilità di rilevare le vibrazioni nelle tre direzioni dello
spazio permette lo studio dei modi di vibrazione di strutture meccaniche anche complesse.
Realizzazione
Il sensore realizzato è costituito da due accelerometri, uno che copre il piano X-Y (Analog
Devices ADXL311) e uno per l’asse Z (Analog Devices ADXL103) (fig. 1).
Z
3
10
XL
AD
Y
ADXL311
X
Fig. 1 – Assi di riferimento per gli accelerometri MEMS impiegati.
La sensibilità sul piano X-Y è di 19 ⋅10−3 m / s 2 (su un fondo scala di ±19.6 m / s 2 ), mentre
sull’asse Z la sensibilità è migliore di 10 ⋅10−3 m / s 2 (su un fondo scala di ±16.7 m / s 2 ). La
banda passante intrinceca dei sensori (a −3 dB ) è di 3 kHz.
Fig. 2 – Catena di condizionamento dei segnali.
Il circuito di condizionamento (fig. 2) provvede a filtrare passa basso i segnali, ed amplificarli
per riportarli nel range ±10 V . Attraverso tre trimmer è possibile compensare gli offset
introdotti dall’accelerazione di gravità del campo terrestre e dalla sezione di filtrazione e
amplificazione. In fase di progetto la banda passante del condizionamento di segnale è stata
limitata al valore di 3.3 kHz. Il circuito di condizionamento e la sezione di alimentazione sono
montati sulla stessa scheda su cui alloggiano i sensori (fig. 3).
Fig. 3 – Scheda realizzata con i sensori e i circuiti di alimentazione e condizionamento.
Esempio di applicazione
Il sensore realizzato ha dato ottimi risultati per la diagnostica di guasti su attuatori
elettromeccanici. La presenza di guasti di natura elettrica o meccanica causa l’insorgere di
vibrazioni specifiche sia in frequenza sia in direzione, che non compaiono sui dispositivi
“sani”. L’analisi spettrale dei tre segnali in uscita al sensore permette di rilevare la presenza di
tali frequenze caratteristiche una volta verificato, con prova ad impulso, che esse siano
ragionevolmente distanti dai modi di vibrazione caratteristici del sistema meccanico (fig. 4).
L’elevata sensibilità del sensore permette di rilevare guasti anche di modesta entità.
Fig. 4 – Risposta sui tre assi alla prova di impulso.