Principio di funzionamento e calibrazione

L’accelerometro Vernier, che può essere usato con CBL o con altre interfacce (LabPro, Coach, ULI…) è un sensore analogico che fornisce una tensione proporzionale alla forza esercitata su una piccola massa, sospesa nel sensore stesso.

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Principio di funzionamento

Per effetto della sua inerzia la massa, sospesa ad un supporto flessibile solidale con l’involucro del sensore, applica al supporto una forza proporzionale all’accelerazione ad essa impressa, e questo permette di utilizzare il sensore di forza come sensore di accelerazione.

Ovviamente il sensore è direzionale: quando esso è tenuto fermo con la freccia marcata sull’involucro puntata verso il basso, la massa sente nel campo gravitazionale una forza verso il basso che fornisce all’uscita una tensione il cui valore è compreso tra 0 e 5V.

Misura di accelerazioni orizzontali.

Se il sistema di acquisizione dati utilizza parametri di calibrazione che fanno corrispondere alla tensione in uscita il valore dell’accelerazione di gravità (9.8 m/s²) quando la freccia è verso il basso e il valore zero quando la la freccia è orizzontale, il sensore risulta tarato come accelerometro per accelerazioni orizzontali (e va usato con la freccia in orizzontale).

Misura di accelerazioni verticali

Per misurare correttamente accelerazioni in moti lungo la verticale (il sensore va tenuto con la freccia in verticale) la taratura deve essere diversa: va sottratto il valore (9.8 m/s²) che il sensore fornisce quando esso è fermo (accelerazione nulla) con la freccia rivolta verso il basso.
E’ bene osservare che l’accelerazione misurata ha il segno corrispondente ad un sistema di riferimento con asse diretto nella direzione opposta a quella indicata dalla freccia!

Se infatti lasciamo cadere liberamente il sensore (accelerazione pari a 9.8 m/s² verso il basso) l’interfaccia fornisce il valore - 9.8 m/s². E quando il sensore decelera bruscamente al toccar terra il segnale corrispondente è un picco positivo, ovvero una variazione positiva di velocità nel breve intervallo di tempo in cui avviene la collisione. In altri termini, dato che dopo l’urto la velocità è nulla, la velocità prima dell’urto era negativa, e quindi il sistema di riferimento è rivolto verso l’alto.

Se il sensore viene posizionato con la freccia puntata verso l’alto la taratura va modificata:
il valore (-9.8 m/s²) che il sensore fornisce quando esso è fermo (accelerazione nulla) con la freccia rivolta verso l’alto medesimo valore va ancora sottratto, ovvero va sommato il valore +9.8 m/s².
In questo caso il sistema di riferimento ha asse diretto verso il basso (sempre in direzione opposta a quella della freccia) e in caduta libera il sensore fornisce il valore +g e la collisione con il terreno è registrata come picco negativo (accelerazione verso l’alto).

Un modo pratico di eseguire una corretta calibrazione per misurare accelerazioni lungo un asse verticale (una volta deciso come si vuole orientare l’asse del sistema di riferimento) è quello di fornire il valore zero quando il sensore è fermo e con la freccia diretta verticalmente, e fornire il valore ±g (a seconda della direzione scelta per l’asse) quando il sensore è posto con la freccia orizzontale (segno meno se l’asse punta in alto e segno più se l’asse punta in basso). Infatti se il sensore è fermo con la freccia orizzontale esso sente una forza nulla, la stessa che sente se si trova in caduta libera, con la freccia in qualsiasi direzione.

Note tecniche sui sensori di accelerazione Vernier

Per CBL esistono tre tipi di accelerometri: due monoassiali, che si distinguono solo per il fondo scala (rispettivamente 5 g e 50g), e uno triassiale composto da tre distinti sensori che misurano l’accelerazione lungo tre assi ortogonali. Tutti sono ottenuti impiegando circuiti integrati prodotti dalla Analog Devices (i monoassiali impiegano gli integrati ADXL05 e ADXL50).

I sensori ADXL05 e ADXL50 sono sensori di forza. Più esattamente si tratta di una capacità variabile costituita da un elettrodo mobile (massa inerziale) posto tra due armature fisse: quindi la misura della accelerazione (in caso di movimento del sensore) ovvero della forza applicata (in caso di sensore fermo) che provoca lo spostamento dell’elettrodo centrale, si riduce ad una misura di variazione di capacità.
Un oscillatore pilota, in controfase alla frequenza di 1MHz, le due capacità in serie costituite dai tre elettodi che formano il sensore.

Schema dell’elemento sensibile dell’accelerometro

Le due capacità sono ricavate mediante microlitografia da un chip di silicio ritagliando l’elettrodo centrale (l’elemento sensibile che si muove per effetto dell’accelerazione) come doppio pettine i cui denti si affacciano ai due pettini che costituiscono le altre due armature fisse. La direzione in cui l’accelerometro è sensibile è quindi l’asse di simmetria del pettine centrale, che è tenuto in posizione da 4 sottili leve alle estremità.

Il segnale prelevato all’elettrodo centrale viene rivelato da un amplificatore a sensibilità di fase (synchronous demodulator) che rimuove i segnali spuri e guida un amplificatore che insieme fornisce il segnale di uscita e forza elettrostaticamente l’elettrodo centrale nella posizione di bilanciamento delle capacità

Schema dell’elettronica interna al sensore

Questo sistema di rivelazione del segnale e di retroazione garantisce una buona immunità al rumore e una buona linearità, e consente di discriminare tra le componenti positive o negative della accelerazione rispetto all’asse del sensore.