GNGTS 2017 - 36° Convegno Nazionale

GNGTS 2017 S essione 2.3 453 La risoluzione R dello strumento prototipato mediante i componenti sopra definiti può essere pertanto determinata come: (1) dove: i) i livelli di quantizzazione disponibili, causa tipologia di output dell’accelerometro, sono ridotti a 2 23 =8388608; ii) il campo di acquisizione del convertitore analogico digitale varia tra 0 V e 3.3 V (alimentazione nominale); iii) la sensibilità dell’accelerometro scelto è pari a 0.66 V/g. Il rumore elettro-meccanico teorico dell’accelerometro è valutabile sulla base della densità spettrale di rumore indicata dal produttore. Tipicamente, utilizzando un filtro passa-basso del primo ordine con frequenza di taglio impostata a 20 Hz il rumore teorico è quantificabile in (45μg/√Hz × √(20Hz×1.56))=0.252 mg RMS. Si tratta comunque di una valutazione nominale. Nei sensori ultimati, vari fattori quali layout della scheda, disturbi digitali, processo di produzione, tipologia di alimentazione, temperatura, ecc., determineranno valori di rumore significativamente più elevati e diversificati da scheda a scheda. Valdiazione sperimentale. La fase di validazione sperimentale ha previsto sia test in laboratorio (Università di Trieste), che misure in situ (Pietratagliata, UD), per il monitoraggio di una struttura reale. Confronto dell’output in laboratorio con un accelerometro di riferimento. Il primo test sull’hardware prototipato ha riguardato il confronto degli output forniti da tre sensori - selezionati casualmente (S2, S4 e S5, in Tab. 2) - con l’output di un accelerometro per misure di laboratorio. I tre sensori sono stati installati su una piastra a vibrazione verticale, sulla quale è stato co-installato un accelerometro PCB 356A16 (sensibilità 100 mV/g; range di misurazione ±50 g; range di frequenze 0.5-5000 Hz) (Fig. 2a). Il campo di frequenze a cui la piastra vibrante può operare è di 5-50 Hz. Le prove effettuate hanno indagato il comportamento dei sensori a tre frequenze di sollecitazione ( f s = 5, 8 e 11 Hz). Per ognuna di queste, è stata effettuata una registrazione con campionamento a 128 Hz. In tutte le registrazioni (2 minuti la durata), la piastra è stata attivata manualmente alla frequenza desiderata. Al fine di stabilire correlazioni tra le misure secondo tutti gli assi, il setup di prova ha previsto 3 diverse posizioni di installazione per gli strumenti, per un totale di 3 frequenze di misura per 3 diverse posizioni, ovvero 9 confronti per ogni sensore (27 complessivi). I confronti sono stati effettuati su una finestra di 45 s, selezionata a ~60 s dall’attivazione della piastra, per evitare il transitorio (es. Fig. 2b). Lo scarto tra le registrazioni fornite dai prototipi e dalla strumentazione di laboratorio è stata quindi quantificata mediante l’indice di correlazione di Pearson ( ρ X.Y ) e il rapporto tra lo scarto quadratico medio ( rms X.Y ) dei sensori in prova ( X ) con quello di riferimento ( Y ). ρ X.Y (Eq. (2)) è una misura che consente di valutare la linearità e la distorsione di fase, mentre. rms Tab. 1 - Caratteristiche tecniche dell’accelerometro e dell’ADC impiegati. Accelerometro MEMS Kionix KXR94-2050 ADC Texas Instrument ADS1220 Assi di misura 3 Struttura Sigma-Delta Range di misura ±2g Livelli di quantizzazione 24 bit: 224 = 16777216 Sensibilità 0. 66V/g Canali 2 diff. / 4 ‘single ended’ Densità di rumore 45µg/ √ Hz Velocità di campionamento 2000SPS Alimentazione typ. 3.3V Alimentazione typ. 3.3V Range di temperatura da -40 a 85°C Range di temperatura da -40 a 125°C