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Ve lo spiega l’ingegnere/2: gli accelerometri

Nella seconda puntata di “Ve lo spiega l’ingegnere”, la prima se ve la siete persa la trovate qui, vi racconterò degli accelerometri. Molto spesso sentiamo parlare di forza G, per gli amanti delle corse ne è un esempio l’incidente avvenuto a fine novembre nel GP del Bahrain che ha avuto come protagonista il pilota di F1 Grosjean in cui l’impatto contro le barriere è avvenuto a 53 G. Al contrario da come si potrebbe pensare “53 G” non indica propriamente la forza ma bensì l’accelerazione a cui è stato sopposto il pilota. Ma cosa rappresenta questo dato e come viene misurato?

 

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Cos’è un’accelerazione?

La definizione di forza G nasce dal concetto di accelerazione gravitazionale, ossia l’accelerazione di un corpo in caduta libera che è costante in ogni punto del globo e vale 9,81 m/s² oppure 1 G. Questo significa che se lascio cadere un oggetto dopo 1 secondo avrà una velocità di 9,81 m/s (35 km/h), dopo 2 secondi 19,62 m/s (70 km/h) e così via. L’accelerazione è infatti la descrizione di come varia la velocità. Poiché quella gravitazionale è una manifestazione della accelerazione molto concreta e accessibile a tutti è stata presa come riferimento per la misurazione.

L’utilizzo degli accelerometri

L’utilizzo di questi sensori si estende in molti ambiti, anche diversi tra loro: quello più comune è lo smartphone in cui è utile sapere se stiamo guardando lo schermo in verticale o orizzontale, o è utile contare i passi.

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Ma questo è solo un piccolo ramo di utilizzo degli accelerometri che si utilizzano anche nell’ambito automotive per sviluppare sistemi di controllo di trazione sempre più efficienti, o in caso di incidente per attivare gli airbag, in quello biomedico per gli arti bionici o pacemaker. Altri esempi di utilizzo sono le lavatrici che sono in grado di capire se il carico di vestiti è sbilanciato, dispositivi domestici anti intrusione, e dispositivi per l’esplorazione del sottosuolo.

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Ogni qual volta è necessario avere informazioni su velocità, accelerazioni, o posizione del dispositivo rispetto alla terra si può utilizzare un accelerometro.

Come funzionano?

Gli accelerometri, come ci suggerisce l’etimologia, si occupano di misurare questa variazione di velocità sfruttando delle leggi fisiche. Un esempio di accelerometro è il sensore MEMS, le cui peculiarità sono la piccola dimensione (pochi millimetri) e il basso consumo energetico. Per questi motivi è ad ora il più diffuso sul mercato.

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Il principio di funzionamento è molto semplice: è presente una massa semi-sospesa detta rotore, e una parte ancorata al basamento detta statore. Gli unici vincoli tra basamento e rotore sono delle molle, le quali permettono a quest’ultimo di muoversi quando è applicata una accelerazione esterna.

 

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Il passaggio fondamentale è quindi trasformare questo movimento meccanico dovuto a una forza esterna in un segnale elettrico analogico. Questo avviene perché lo statore ha una tensione elettrica diversa dal rotore, perciò il loro avvicinamento o allontanamento provocherà la formazione di una piccola corrente di elettroni. Una volta amplificata la corrente sarà possibile misurarla e calcolare l’accelerazione applicata al sensore.

Si può immaginare questo modello come una piscina con al centro un materassino: se nessuno muove il materassino, l’acqua rimane ferma nella piscina. Se invece io mi metto a saltare sul materassino si formerà una corrente d’acqua e sicuramente fuoriuscirà dal bordo.

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Le specifiche

Quando si progetta o sceglie un sensore bisogna tenere in considerazioni altri parametri oltre alla accelerazione massima che può si misurare. Alcuni di questi sono la banda di funzionamento. Ossia la frequenza massima delle accelerazioni in ingresso, la temperatura di funzionamento, che può variare molto a seconda dell’ambito di utilizzo. E inoltre la risoluzione, ossia qual è l’accelerazione misurabile più piccola.

Ovviamente non esiste un accelerometro perfetto per tutte le applicazioni, ma si tratta di scegliere il miglior compromesso tra tutti i parametri.

Ad esempio, un accelerometro da smartphone avrà un range di utilizzo massimo di ±5 G e un range di temperature che andrà dai -40 °C ai +85 °C .

Mentre uno usato in auto da corsa avrà un massimo oltre i ±20 G, e un range di temperature che andrà dai -30 °C a oltre i 120 °C.

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Marco De Pace
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