Sensori Mems per infrastrutture intelligenti

Tablet, smartphone, consolle per videogiochi, videocamere e macchine fotografiche hanno rivoluzionato il mondo dei sensori. Prestazioni sempre maggiori e applicazioni avanzate hanno aperto la porta a una serie di sensori, tra cui i Mems, principalmente accelerometri e giroscopi, che grazie alla loro capacità di misurare il movimento sono in grado di migliorare le prestazioni e aumentare le funzionalità dei dispositivi. Se è vero, da un lato, che le applicazioni consumer hanno determinato il boom di questi sensori, dall’altro bisogna dire che è in aumento l’adozione anche in altri mercati, dove però il livello di prestazioni e affidabilità richiesto è molto più alto. L’automotive è stato pioniere nell’impiego di queste tecnologie, con i sensori di airbag, e oggi è un fruitore importante con applicazioni consolidate, come gli antifurti basati su tilt sensing, il controllo elettronico della stabilità, le sospensioni elettroniche, il dead reckoning nei sistemi di navigazione satellitare, scatole telematiche e black box. Anche l’healthcare sta beneficiando dell’introduzione di questi sensori, specialmente nelle apparecchiature per l’assistenza domestica. Sensori di movimento installati sui pazienti sono in grado di monitorare attività varie, come il moto, la respirazione, la posizione, e possono discriminare eventi traumatici come urti e cadute. In applicazioni di questo genere l’alimentazione è a batteria e pertanto il basso consumo è mandatario; diventa assolutamente critico in dispositivi impiantabili, dove la sostituzione della batteria è impraticabile e la durata deve essere anche di anni. Oltre alle applicazioni sanitarie, c’è il mondo correlato del wellness, dove i sensori possono essere utilizzati per monitorare il corretto svolgimento degli esercizi e, più in generale, monitorare l’attività fisica giornaliera. Con l’avvento della digitalizzazione il ruolo dei sensori sta diventando centrale anche nelle applicazioni industriali e nel mondo delle infrastrutture dove i Mems vengono utilizzati per Condition Monitoring, e Structural Health Monitoring applicazioni che richiedono caratteristiche molto peculiari.

Infrastrutture intelligenti

La digitalizzazione è alla base della nuova rivoluzione industriale e coinvolge tutti i settori, non ultimo quello delle infrastrutture. I vantaggi di una infrastruttura intelligente sono innumerevoli. Consente a possessori e operatori di ottenere molto di più dalle strutture già esistenti aumentandone capacità, efficienza e affidabilità, potendo così offrire ai loro clienti servizi aggiuntivi e più mirati alle loro esigenze, senza aumentare le risorse o gli investimenti. Inoltre un’infrastruttura collegata consente di comprendere meglio le dinamiche del suo funzionamento, e si potranno quindi progettare e realizzare le infrastrutture del futuro in maniera più efficiente. Un’infrastruttura, una volta realizzata, rimarrà in essere per diverse decine di anni. Uno dei problemi principali è la manutenzione. Si pensi a quali possono essere gli effetti di una cattiva manutenzione di uno scalo aeroportuale, o un ponte, oppure un tunnel, una diga, o un traliccio dell’alta tensione. Mantenere l’infrastruttura in piena efficienza è un compito oneroso, e disporre di uno strumento che sia di ausilio in questo compito è un grande valore aggiunto. Monitorare lo stato di salute è uno dei vantaggi che offre la digitalizzazione, ed è possibile farlo mediante l’impiego di sensori. I sensori Mems hanno un ruolo determinante in questo campo, e possono essere usati per misurare variazioni di inclinazione, analisi delle vibrazioni, movimenti lineari o circolari, anche in condizioni estreme. Grazie a questi sensori è possibile effettuare interventi di manutenzione predittiva, concentrando così gli investimenti dove è necessario, ed evitando guasti e interruzioni del servizio. Analog Devices ha investito in questo ambito per realizzare sensori ad elevate prestazioni, che siano in grado di misurare i parametri richiesti per questo tipo di monitoraggio.

Accelerometri a 3 assi

Analog Devices  ha introdotto sul mercato due accelerometri a tre assi, con range programmabili ±10g, ±20g e ±40g: l’ADXL356 con uscita analogica e l’ADXL357 con uscita digitale. Questi dispositivi possono essere impiegati per realizzare delle Imu (Inertial measurement unit), nei sistemi di stabilizzazione delle piattaforme, per la manutenzione predittiva negli impianti industriali e nelle infrastrutture, per la mappatura di eventi sismici, la realizzazione di inclinometri, ecc. Il mondo è pieno di accelerometri a tre assi; qual è dunque la necessità di introdurre due nuovi dispositivi? Ovviamente qui non stiamo parlando di oggetti general purpose, che devono funzionare quel tanto che basta e costare poco. Questi dispositivi combinano prestazioni che li collocano nella fascia medio alta dei sensori, in grado di soddisfare i requisiti di applicazioni particolari, che richiedono caratteristiche molto spinte.

Caratteristiche e funzionalità

Il range di misura è un parametro importante. 40g possono sembrare eccessivi per una moltitudine di applicazioni, dove i picchi di accelerazione che si vogliono misurare sono dell’ordine di pochi g. Per un inclinometro è sufficiente 1g. Tuttavia questi dispositivi si trovano spesso a operare in ambienti soggetti a forti vibrazioni e shock che porterebbero l’uscita in saturazione. Una volta in saturazione non è più possibile estrarre le informazioni richieste, e bisogna attendere che il componente recuperi il funzionamento nominale. Con un fondo scala di 40g è meno probabile che si raggiunga la saturazione, e in queste condizioni, anche in presenza di disturbi di notevole entità, con una adeguata analisi del segnale è possibile estrarre l’informazione utile. Se si considera l’ambito applicativo, che è quello delle reti di sensori wireless, il basso consumo è un’altra caratteristica fondamentale. I dispositivi consumano entrambi 21 µA in stand-by mentre in Measurement Mode il consumo è di 150 µA per l’ADXL356 e 200 µA per l’ADXL357. Altri accorgimenti consentono di risparmiare energia a livello di sistema. È il caso della memoria Fifo nell’ADXL357, che può accumulare i dati con il microcontrollore di sistema in sleep mode; al riempimento della memoria il micro viene risvegliato per trasferire i dati accumulati, per poi ritornare in uno stato dormiente. Generalmente il basso consumo è il frutto di un compromesso con le altre prestazioni del dispositivo. Non è questo il caso; un parametro importante nel Condition Monitoring, è la possibilità di discriminare vibrazioni e segnali di piccola entità; questa operazione è tanto più efficiente quanto più è basso il rumore del dispositivo. Questi dispositivi sono caratterizzati da una densità spettrale del rumore pari a 80 µg/√Hz. Non solo, l’architettura interna prevede altri accorgimenti per ottimizzare la sensibilità dell’accelerometro. Con riferimento alla Fig. 2, in cui sono riportati gli schemi a blocchi, si può osservare che sul segnale proveniente dal Mems viene applicato un filtro analogico prima di passare agli stadi successivi. Nel caso dell’ADXL356, dopo il filtro c’è un buffer e delle resistenze da 32 kΩ, prima dell’uscita, dove potrà essere effettuato un ulteriore filtraggio analogico. Il dispositivo digitale, L’ADXL357, ha in più un filtro digitale programmabile; la frequenza di taglio del filtro passa basso viene regolata sulla base dell’Output Data Rate, ed è possibile inoltre inserire anche un filtro passa alto per realizzare una funzione passabanda. Nel monitoraggio delle condizioni generalmente viene effettuata un’analisi spettrale delle vibrazioni, per cui è importante anche la larghezza di banda. La frequenza di risonanza meccanica del sensore è intorno ai 5.5kHz, ma la risposta in frequenza è determinata principalmente dai filtri anti aliasing che hanno la frequenza di taglio a 1,5 kHz. Infine, per poter offrire la risoluzione desiderata, la conversione analogico digitale viene effettuata con convertitori sigma delta a 20 bit. Grazie a questi accorgimenti questi accelerometri possono essere utilizzati anche per la registrazione di eventi sismici. Se si vuole monitorare lo stato di salute strutturale di un edificio, un ponte, un binario, un traliccio dell’alta tensione, o un qualunque altro elemento di una infrastruttura, la stabilità è un requisito imprescindibile. Quello che si vuole misurare sono le derive della struttura, da non confondersi con quelle che possono essere le derive dei dispositivi di misura. La stabilità a lungo termine è legata allo stress meccanico cui può essere soggetto il sensore. Eventuali stress meccanici, subiti durante le fasi di saldatura, possono portare ad una variazione degli offset. La sollecitazione può modificarsi nel tempo e comportare una deriva dell’offset, che potrebbe essere erroneamente interpretata come una variazione di inclinazione o di un qualche altro parametro strutturale. Per ovviare a questo problema viene posta particolare attenzione all’operazione di die attach. Anche la selezione del package è importante; questi accelerometri hanno un package ceramico Lcc 14ld, poco incline alle deformazioni, specialmente se confrontati ai package plastici, largamente utilizzati nelle applicazioni consumer. Il package ceramico garantisce inoltre un elevato grado di ermeticità, che è un altro fattore che contribuisce alla stabilità a lungo termine. Durante il normale funzionamento un apparato è soggetto a variazioni ambientali, in particolare temperatura e umidità. Queste variazioni devono influenzare minimamente il sistema. Per l’umidità, disporre di un package ermetico, come nel caso dell’Lcc 14ld in cui sono incapsulati i sensori, è garanzia di funzionamento stabile anche nelle condizioni peggiori. Venendo alla temperatura, il range di funzionamento è da -40 a + 125 °C. Questo vuol dire che i dispositivi sono ottimizzati per poter lavorare anche alle alte temperature. Non solo, particolare attenzione è stata posta alla deriva dell’offset, il parametro che pone maggiori problemi; su tutti e tre gli assi viene garantita una deriva massima di ±0.75mg/°C. Inoltre gli accelerometri sono dotati di un sensore di temperatura integrato, utilizzabile per una eventuale compensazione termica delle derive.

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