Esistono due tipi di accelerometri strutturali utilizzabili per il monitoraggio delle infrastrutture: i sensori MEMS e i force-balance. I sensori MEMS sono meno sensibili e consumano meno energia, mentre gli accelerometri servo force-balance riescono a risolvere valori di rumore molto bassi, utili persino per il monitoraggio dei vulcani, ma la tecnologia interna al sensore li rende energivori.

Le due tecnologie

Un accelerometro MEMS capacitivo è una massa di prova in silicio di pochi micrometri, sospesa su molle micro-lavorate e letta come variazione di capacità tra dita interdigitate. L'intero dispositivo è inciso su un chip, compensato in temperatura in fabbrica, e durante lo sleep consuma pochi microwatt.

Un accelerometro force-balance non lascia deflettere la massa di prova, la mantiene nella sua posizione di zero con un anello di retroazione chiuso, e la corrente che la bobina deve fornire per tenerla ferma è l'uscita del sensore. L'anello servo aggira i limiti meccanici di una massa libera, ed è questo a dare al force-balance il suo eccellente comportamento in prossimità della continua (DC) e un rumore a banda larga molto basso. Significa anche che l'anello deve restare alimentato in continuazione.

Per molto tempo gli accelerometri force-balance sono stati nettamente superiori ai sensori MEMS, proprio per il basso rumore dei primi. Oggi i sensori MEMS sono diventati più sensibili e raggiungono sensibilità nell'ordine dei µg/√Hz, con i migliori dispositivi research-grade intorno a 0,7 µg/√Hz, valore paragonabile ai migliori force-balance disponibili.

I quattro parametri importanti

Ci sono quattro parametri importanti che gli ingegneri cercano di ottimizzare negli accelerometri: densità di rumore, larghezza di banda, consumo e costo.

Densità di rumore (µg/√Hz)

La densità di rumore è la più piccola accelerazione che il sensore riesce a risolvere in una data banda. I modi delle strutture civili sono a bassa frequenza e bassa ampiezza. Per esempio, la risposta dinamica di un impalcato da ponte sotto traffico ambientale è nell'ordine dei milli-g, mentre su elementi più rigidi può scendere a qualche centesimo di g o meno.

La letteratura accademica a volte indica un obiettivo di auto-rumore inferiore a 1 µg/√Hz, e preferibilmente vicino a 0,5 µg/√Hz, per il lavoro modale più impegnativo a bassa ampiezza su una struttura quasi silenziosa. Ma l'infrastruttura civile non è quasi mai silenziosa, perché è eccitata dal traffico. Su un impalcato a campata media schieriamo il DECKAXE-SHM in mezzeria, con una densità di rumore intorno a 22,5 µg/√Hz, e quel valore è ben al di sotto della risposta in milli-g che l'impalcato produce sotto carico in esercizio. In test affiancati su ponti, un nodo MEMS di questa classe ha eguagliato un riferimento piezoelettrico ad alta sensibilità entro una frazione di punto percentuale sulle frequenze naturali identificate. La review dei accelerometri micromeccanici sub-µg/√Hz di MDPI Sensors documenta quanto in basso possa ormai arrivare il rumore dei MEMS, ma questi livelli stanno diventando più di quanto serva alle strutture civili.

Larghezza di banda

Le frequenze naturali di ponti ed edifici sono comprese tra 0,1 e 10 Hz, e i modi che contano per il rilevamento del danno sono concentrati in basso. Il DECKAXE-SHM offre un campionamento selezionabile fino a 640 Hz (passi da 40, 80, 160, 320 e 640 Hz), ma il lavoro modale sulle grandi opere civili raramente ha bisogno della parte alta di quell'intervallo. Si imposta una frequenza di campionamento più alta per mantenere margine sopra i modi di interesse e per cogliere l'occasionale elemento locale rigido.

Aumentare la banda non si può fare senza limiti, perché sacrifica la sensibilità del sensore. La sensibilità meccanica di un accelerometro scala in modo inversamente proporzionale al quadrato della sua frequenza di risonanza, quindi un dispositivo pubblicizzato con una banda molto ampia ha quasi certamente barattato la sensibilità a bassa frequenza per ottenerla. Per un modo di ponte a 2 Hz quel compromesso è esattamente al contrario.

Consumo e durata della batteria

Oggi la differenza tra un accelerometro force-balance e uno MEMS conta soprattutto per il consumo energetico. Un accelerometro force-balance fa girare il suo anello servo in continuazione, quindi assorbe corrente a prescindere da ciò che accade sulla struttura. Questo rende questi sensori adatti quando esiste già una fonte di alimentazione a disposizione del sensore.

Un nodo MEMS wireless passa la maggior parte del tempo in sleep, consumando piccole quantità di energia nell'ordine dei microwatt. Svegliarsi solo per campionare permette a questi accelerometri di funzionare per anni con un singolo pacco batteria. Poiché i sistemi di monitoraggio di solito devono durare anni, i sensori che sopravvivono cinque o più anni senza interventi riducono i costi e mantengono i dati continui.

Costo

Un accelerometro force-balance costa tipicamente da dieci a cinquanta volte un MEMS comparabile, il che significa che un sistema basato su MEMS scala molto meglio. Inoltre, avere un sistema MEMS alimentato a batteria significa non dover installare cavi, cosa che riduce notevolmente anche i costi di installazione.

Quando usare gli accelerometri force-balance

Gli accelerometri force-balance servono ancora dove il segnale si avvicina al regime deformation-grade e in prossimità della continua. Applicazioni come la sismologia strong-motion, il monitoraggio tettonico e delle faglie, la deformazione vulcanica e altre misure a frequenza ultra-bassa, di carattere statico, richiedono un sensore servo.

Domande frequenti

Che rumore di fondo specifica Move Solutions per un ponte stradale a campata media, e perché non andare più in basso?

Schieriamo il DECKAXE-SHM, con una densità di rumore intorno a 22,5 µg/√Hz, in mezzeria e ai quarti di campata. Quel valore si colloca già comodamente sotto la risposta in milli-g che l'impalcato produce sotto traffico in esercizio, quindi risolve i modi con ampio margine, e in test affiancati questa classe di nodo ha seguito un riferimento piezoelettrico ad alta sensibilità entro una frazione di punto percentuale sulle frequenze identificate. Scendere a un valore a una cifra o sub-µg/√Hz comprerebbe una risoluzione che la struttura non sollecita mai, a fronte di più costi e più consumo, che su una rete wireless permanente è la risorsa che davvero ti vincola.

Una scheda MEMS economica può mai andar bene per un'installazione SHM permanente?

Per una rete permanente che raccoglie dati richiesti per legge, no. I MEMS di livello consumer stanno tipicamente nell'ordine delle decine di µg/√Hz, ben al di sopra di ciò che serve a una struttura civile silenziosa, e a quel livello di rumore i modi ambientali finiscono sepolti nel rumore del sensore. Le schede economiche hanno un posto nella didattica, nella prototipazione e negli allarmi ad alta ampiezza, ma un sensore di riferimento su un ponte è un componente a basso rumore e calibrato.

Una frequenza di campionamento più alta compra risultati modali migliori, o solo bollette di dati più salate?

Per lo più bollette di dati più salate. I modi civili sono all'incirca tra 0,1 e 10 Hz, quindi più hertz aggiungono carico di archiviazione e trasmissione senza aggiungere informazione strutturale. Il DECKAXE-SHM arriva a 640 Hz per i casi che ne hanno bisogno, ma la maggior parte del lavoro modale sui ponti gira molto più in basso, e i suoi dati alimentano il Modal Analysis Tool in MyMove senza intasare la rete.

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