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2020-01-08

Come funziona a cosa serve l'accelerometro?

Che cos'è l'accelerometro? Si tratta di un dispositivo che consente la misurazione e l'analisi dell'accelerazione lineare e angolare. Questa funzione è essenziale in molti dispositivi e sistemi, utilizzati in quasi tutti i settori della nostra vita quotidiana, sia negli elettrodomestici che utilizziamo ogni giorno, che nelle applicazioni industriali professionali o quelle legate alla ricerca e allo sviluppo.

In questo articolo illustreremo:

Che cos'è l'accelerometro?

Gli accelerometri vengono utilizzati nelle misurazioni dell'accelerazione gravitazionale statica, che consente di determinare l'angolo di deviazione dell'oggetto misurato rispetto al piano verticale, nonché trovano impiego nelle misurazioni dell'accelerazione dinamica a seguito di urti, movimenti, impatti o vibrazioni; ossia vibrazioni a bassa ampiezza e bassa frequenza, che raggiungono alcune decine di Hz.

Come funziona l'accelerometro durante la misurazione delle vibrazioni? Questo dispositivo viene installato direttamente sull'oggetto che vibra; questa soluzione permette la trasformazione dell'energia delle vibrazioni in un segnale elettrico, proporzionale all'accelerazione istantanea dell'oggetto.

Qual è la funzione dell'accelerometro? La misurazione delle vibrazioni viene solitamente utilizzata per la diagnostica del funzionamento di macchinari, dispositivi o strutture soggette a sollecitazioni elevate, come ad esempio strutture in acciaio di piloni, ponti o edifici. Gli accelerometri vengono utilizzati anche ad es. per proteggere i dischi rigidi contro il danneggiamento, nelle apparecchiature mediche e sportive, nelle fotocamere e nelle telecamere, negli smartphone, nei telecomandi, nei controller o nei sistemi di navigazione.

Che cos'è l'accelerometro? Non è altro che un trasduttore di accelerazione destinato alla misurazione del proprio spostamento nello spazio. Esistono tre tipi fondamentali di accelerometri, che illustreremo più avanti nell'articolo.

Come funziona l'accelerometro?

Il principio di funzionamento degli accelerometri non è molto complicato. Questo dispositivo misura la forza di accelerazione nell'unità "g" e può effettuare la misurazione su uno, due o tre assi. Attualmente gli accelerometri a 3 assi sono i più comunemente utilizzati, la loro struttura è costituita da un sistema di tre accelerometri, ognuno dei quali misura l'accelerazione in una direzione diversa – sugli assi X, Y e Z. Un esempio di accelerometro a 3 assi è costituito dal modello ADAFRUIT 2019. ADA-2019

Se l'accelerazione su un qualsiasi asse avviene nella direzione opposta a quella in cui è diretto il sensore, l'accelerometro misura l'accelerazione con un valore negativo. In caso contrario l'accelerazione verrà misurata con un valore positivo.

Se nessuna accelerazione esterna influisce sull'accelerometro, il dispositivo misurerà solo l'accelerazione terrestre, ossia la forza di gravità. Supponendo che l'accelerometro a 3 assi sia posizionato in modo tale che il sensore dell'asse X sia rivolto verso sinistra, il sensore dell'asse Y verso il basso e il sensore dell'asse Z in avanti, e alcuna ulteriore forza venga applicata ad esso, l'accelerometro fornirà i seguenti valori: X = 0 g, Y = 1 g, Z = 0 g. Se lo stesso accelerometro viene inclinato verso sinistra, le sue letture saranno: X = 1 g, Y = 0 g, Z = 0 g. Allo stesso modo, quando l'inclinazione avverrà verso destra, l'asse X come risultato indicherà X = -1 g. Le dipendenze delle misurazione dell'accelerazione specificate vengono utilizzate dagli algoritmi dei sistemi che gestiscono il funzionamento dell'acceleratore.

Quali sono i tipi di accelerometri?

Gli accelerometri più importanti possono essere suddivisi in tre tipi: accelerometri capacitivi MEMS, accelerometri piezoelettrici e accelerometri piezoresistivi.

Accelerometri capacitivi MEMS

Gli accelerometri capacitivi basati sulla tecnologia MEMS sono i sensori più economici, più comuni e più piccoli di questo genere. Come funziona l'accelerometro capacitivo MEMS? Il principio di funzionamento sfrutta il posizionamento di un peso installato su delle molle. Un'estremità delle molle è fissata alle armature del condensatore a pettine, mentre l'altra estremità al peso. La forza che agisce sul sensore causa lo spostamento del peso sulle molle, in questo modo varia la distanza tra l'elemento capacitivo e la massa, e ha luogo una variazione della capacità. Un esempio di accelerometro MEMS è costituito dal modello SPARKFUN ELECTRONICS INC. DEV-09267 o dal modello SPARKFUN ELECTRONICS INC. BOB-13926.

SF-DEV-09267SF-DEV-09267 SF-BOB-13926SF-BOB-13926

Gli accelerometri capacitivi MEMS vengono utilizzati principalmente nei dispositivi indossabili, negli apparecchi mobili e nell'elettronica di consumo largamente intesa. Uno dei maggiori vantaggi degli accelerometri MEMS è la possibilità della loro installazione direttamente sulla scheda PCB.

I difetti dei sistemi MEMS includono una bassa precisione di misura, in particolare nel caso delle misurazioni con maggiori ampiezze e frequenze; per questo motivo questi dispositivi sono inadatti ad applicazioni industriali specialistiche.

Accelerometri piezoresistivi

Un altro tipo di accelerometri è costituito dai sensori che sfruttano l'effetto della piezoresistenza. Come funziona l'accelerometro piezoresistivo? Il suo principio di funzionamento è simile al funzionamento di un tensiometro, ossia il sensore utilizzato per la misurazione delle sollecitazioni. Questi tipi di accelerometri sono provvisti di un materiale piezoresistivo, che sotto l'influsso di una forza esterna si deforma, causando un variazione della resistenza.

La variazione della resistenza viene quindi trasformata in un segnale elettrico, che viene a sua volta ricevuto dal ricevitore integrato nell'accelerometro. Gli accelerometri piezoresistivi presentano un'ampia banda di misura, pertanto sono in grado di registrare vibrazioni con elevata ampiezza e frequenze, caratteristica utile ad esempio durante una varietà di crash test.

Un ulteriore vantaggio degli accelerometri piezoresistivi è costituito dalla possibilità di misurare segnali a variazione lenta; questa caratteristica consente il loro impiego nei sistemi di navigazione inerziale, per il calcolo della velocità e del movimento dei componenti del sistema.

Proprio il principio di funzionamento dell'accelerometro piezoelettrico rende questo dispositivo suscettibile alle variazioni della temperatura ambiente, pertanto richiede una compensazione della temperatura. Inoltre gli accelerometri di questo tipo hanno problemi nel rilevare segnali deboli, e sono nettamente più costosi rispetto agli accelerometri capacitivi MEMS.

Accelerometri piezoelettrici

Che cos'è l'accelerometro piezoelettrico? Questo dispositivo è uno dei sensori più comunemente utilizzati per la misurazione dei livelli di vibrazioni. Per questo motivo gli accelerometri piezoelettrici vengono comunemente utilizzati nelle applicazioni industriali per la diagnostica o il controllo di macchinari e attrezzature. Come funziona l'accelerometro piezoelettrico? Il suo funzionamento è simile al principio di funzionamento degli accelerometri piezoresistivi. Tuttavia sotto l'influsso dell'accelerazione la loro resistenza non varia, e generano tensione elettrica di un valore predeterminato.

L'elemento rilevatore utilizzato in questi sensori è di solito il piombo-zirconato di titanio (PZT). La deformazione del piombo-zirconato di titanio genera una carica elettrica. Gli accelerometri piezoelettrici sono caratterizzati da un'elevata sensibilità ed accuratezza, pertanto vengono utilizzati in molte applicazioni, dalle misurazioni sismiche estremamente avanzate e precise, ai crash test e ai test distruttivi condotti in condizioni ambientali sfavorevoli.

Il segnale di uscita degli accelerometri piezoelettrici di solito viene sottoposto ad amplificazione e compensazione della temperatura. Il calcolo dello spostamento dell'oggetto viene favorito dalla trasmissione del segnale all'ingresso dell'integratore.

Restanti accelerometri

Tra i restanti tipi di accelerometri è necessario citare gli accelerometri IEPE, comunemente utilizzati per le misurazioni delle vibrazioni. Sono degni di nota anche gli accelerometri piezoelettrici in carica, adatti per il funzionamento a temperature estreme.

Simbolo: Descrizione:
ADA-2019 Sensore: accelerometro; 3,3÷5VDC; I2C; MMA8451; ±3,±4,±8g; Canali: 3
SF-DEV-09267 Sensore: accelerometro; analogico; ADXL335; LilyPad; 20mm
SF-BOB-13926 Sensore: accelerometro; 1,95÷3,6VDC; I2C; MMA8452Q; ±2,±4,±8g

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