MEMS, elettrolitico o force-balance: quale inclinometro scegliere per il monitoraggio strutturale

I diversi tipi di inclinometri hanno differenze nette nelle loro risoluzioni, ma sul cantiere può essere poco chiaro quale strumento usare. Un inclinometro MEMS commerciale risolve 0,01°. Un sensore elettrolitico di fascia alta arriva a 0,0001°. Un force-balance geofisico scende a 1 nrad, ovvero cinque ordini di grandezza sotto il MEMS. Quindi da cosa dipende la scelta?

La risoluzione più bassa non è sempre la priorità assoluta, e quello che bisogna chiedersi prima di tutto è quale tecnologia corrisponda alla struttura che va osservata e alle condizioni in cui si troverà il sensore.

Le tre famiglie da paragonare

Quattro principi di sensing sono in uso commerciale per gli inclinometri, ma tre dominano il mercato strutturale e geotecnico: MEMS, elettrolitico e force-balance. La quarta, il vibrating-wire, viene usata in nicchie geotecniche dove serve funzionamento elettrico passivo, ma viene progressivamente sostituita dal MEMS. Il confronto per il monitoraggio civile resta sulle tre tecnologie dominanti.

MEMS, la famiglia a massa sismica in silicio

Un inclinometro MEMS usa una micro-struttura in silicio, ovvero una piccola massa sospesa da molle micro-lavorate, il cui spostamento sotto gravità viene letto capacitivamente. L'uscita è proporzionale alla componente gravitazionale proiettata sull'asse di misura. Siccome la gravità è l'unica accelerazione statica, un accelerometro MEMS funziona come inclinometro per misure lente.

La risoluzione tipica di un sensore MEMS va da 0,001° a 0,01° a seconda del modello. La deriva termica residua, dopo la compensazione di fabbrica, è tipicamente tra 10 e 50 µrad/°C per le unità commerciali.

Un vantaggio importante di questi sensori è la durata della loro batteria. Il consumo è dell'ordine dei microwatt in sleep, quindi permettono installazioni wireless con autonomia pluriennale a batteria. Inoltre, hanno una tolleranza a vibrazioni e urti molto alta e il sensore sopravvive ad accelerazioni ben oltre il proprio range di misura.

Il MEMS è consigliato per strutture sottoposte a vibrazioni (ponti sotto traffico, edifici con impianti, fondazioni di macchinari), ma anche dove serve wireless, e dove il fenomeno è comodamente sopra il rumore. Non dovrebbe essere usato nelle applicazioni geofisiche che richiedono risoluzione sub-microradiante e nelle misure molto lente su finestre pluriennali, dove fatica a differenziare la deriva del sensore e quella del fenomeno.

Elettrolitico, la famiglia a fluido conduttivo

Un sensore elettrolitico è una cavità sigillata in vetro o ceramica, parzialmente riempita con un elettrolita conduttivo e dotata di più elettrodi. Quando il sensore si inclina, il liquido si ridistribuisce e l'impedenza tra coppie di elettrodi cambia. La lettura è differenziale, tipicamente in AC.

La sua risoluzione arriva a 0,0001° nei modelli di fascia alta. Il rumore a bassa frequenza è estremamente basso, perché il fluido integra meccanicamente le alte frequenze.

Il punto problematico di questa tecnologica sono i coefficienti della temperatura che vanno tipicamente da 0,01 a 0,1 % per °C sul fondo scala. Variano con la composizione dell'elettrolita e richiedono compensazione individuale per le applicazioni di precisione.

La manutenzione è peggiore rispetto ai sensori MEMS, perché il fluido reagisce in modo imprevedibile e gli urti le guarnizioni. Inoltre l'eccitazione AC continua necessaria per la lettura scarica la batteria del dispositivo più velocemente rispetto ad altre tipologie.

L'elettrolitico è molto utile in misure statiche o molto lente su strutture rigide e in ambienti stabili come fondazioni di dighe, prove strutturali di laboratorio. Sono monitoraggi a lungo termine dove il noise floor diventa molto importante per un'analisi corretta e quindi gli svantaggi sono tollerabili.

Force-balance: la famiglia nanoradiante

Un inclinometro force-balance tiene un pendolo in posizione nulla con un anello di retroazione, dove una bobina applica la corrente necessaria a bilanciare la massa, e quella corrente è proporzionale all'inclinazione. Il principio è che il loop di servocontrollo bypassa i limiti meccanici del pendolo libero.

La risoluzione di questa tecnologia arriva sotto il microradiante, fino a 1 nrad negli strumenti geofisici di precisione, con linearità ben caratterizzata e rumore basso a tutte le frequenze.

In cambio, il consumo è alto, perché il loop di retroazione è sempre attivo, e il costo è 10-50 volte quello di un MEMS comparabile.

Il force-balance vince dove il segnale è all'ordine del nanoradiante, quindi nel monitoraggio tettonico, nella deformazione di vulcani e nella strumentazione scientifica. Su un ponte ammalorato è uno strumento sbagliato, perché la sua risoluzione è ordini di grandezza oltre ciò che il fenomeno strutturale richiede.

Come si sceglie?

La scelta della tecnologia per il monitoraggio strutturale è abbastanza semplice.

• Se la struttura vibra (ponti sotto traffico, edifici con HVAC, fondazioni di macchinari), la scelta più conveniente è MEMS. L'elettrolitico restituirebbe letture inaffidabili e il force-balance sarebbe un'esagerazione costosa.
• Se il fenomeno è creep lento su una struttura rigida (spalla di diga, fondazione di ponte su roccia, provino di laboratorio), conviene l'elettrolitico o il MEMS. Ancora più precisamente: l'elettrolitico se il noise floor è il vincolo e il MEMS se servono wireless e autonomia.
• Se il fenomeno è tettonico o geofisico (vulcani, faglie, deformazione di bedrock), bisognerebbe usare il force-balance, siccome niente altro ha la risoluzione adeguata.
• Se il deployment è wireless con autonomia pluriennale a batteria, la scelta migliore è il MEMS, perché le altre tecnologie usano troppa energia per funzionare per anni senza ricariche.
• Se la struttura è un bene storico con vincoli di reversibilità, l'opzione migliore è il MEMS per via del form factor compatto e basso consumo che permettono montaggi adesivi o con fissaggi minimi.

La maggior parte dei progetti strutturali ricade nei casi 1, 4 e 5. Il MEMS domina il mercato civile, perché la distribuzione dei problemi reali corrisponde alla sua busta operativa.

L'obiezione sulla durata dei MEMS

Ricorre un'obiezione tecnica, ovvero: il MEMS ha parti in movimento, quindi si usura prima di un elettrolitico. A livello fisico l'osservazione è legittima. La struttura in silicio ha elementi sotto stress e modi di guasto che il sensore elettrolitico non ha: stiction, frattura delle molle, degrado del wafer.

Nella pratica, però, i dati di campo da deployment MEMS di 5-10 anni su ponti ed edifici mostrano tempi medi al guasto comparabili o superiori a quelli dei sensori elettrolitici sottoposti allo stesso ambiente. Il motivo è che anche gli elettrolitici hanno modi di guasto propri, altrettanto importanti per la lettura di dati, ovvero l'evaporazione del fluido, il degrado delle guarnizioni o la corrosione degli elettrodi.

Il MEMS non dura per sempre, ma in orizzonti di deployment realistici non è materialmente peggio e offre vantaggi importanti.

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