Dove arrivano le attuali tecnologie
e quali sono le applicazioni più promettenti
L’ingresso dei sensori accelerometrici nei diversi set- tori dell’industria 4.0 è sempre più frequente. Dall’automotive alle applicazioni medicali, dai dispositivi di controllo per macchine automatiche e robot a smartphone e consolle, ogni settore ha il suo sensore. Il mercato è così ampio che viene presidiato sia da aziende specializzate in sensori di altissima precisione e qualità, su settori di nicchia specifici, sia da grandi multinazionali capaci di produzione di massa di dispositivi a bassissimo costo.
I sensori accelerometrici nel mondo dell’elettronica possono essere di vario tipo, a seconda del processo costruttivo con cui sono realizzati. Per ciascuna tipologia possono essere identificate applicazioni specifiche e caratteristiche di funzionamento differenti. Ad ogni tecnologia corrisponde un campo di applicazione definito.
Accelerometri piezoelettrici
Per funzionare utilizzano un materiale cristallino piezoelettrico che, se sottoposto ad una deformazione, genera una differenza di potenziale ai suoi capi. Fra i materiali più usati si hanno ceramiche ferroelettriche, titanato di bario o il titanato zirconato di piombo. La risposta dei cristalli è a taglio, compressione e stiramento.
Il materiale cristallino può essere inserito in una struttura meccanica che ne sollecita la struttura attraverso una massa oscillante (più o meno pesante, vincolata ad una struttura elastica), oppure depositato su wafer di silicio.
Questi sensori non possono percepire accelerazioni statiche (come la forza di gravità) e per questo sono anche detti accelerometri AC. Percepiscono invece molto bene variazioni di accelerazione fino alla frequenza di risonanza del loro sistema massa-molla, in genere nell’ordine dei KHz o dei 100 Khz-200 KHz nel caso di modelli con piccola massa vibrante.
Vengono utilizzati quando è richiesta una buona linearità della misura nei confronti dell’intensità dell’accelerazione, oppure impieghi a temperature elevate anche sopra i 100°C.
Recentemente tecniche innovative hanno permesso ad esempio anche la realizzazione di accelerometri di questo tipo su carta, a dimostrarne la flessibilità d’uso.
Accelerometri piezoresistivi
Rispetto ai modelli piezoelettrici, quelli piezoresistivi sfruttano il principio della piezoresistività, ovvero la variazione di impedenza elettrica dei cristalli piezoresistivi, a seguito di una loro deformazione.
Vengono utilizzati al posto dei piezoelettrici quando è necessario misurare anche accelerazioni statiche come la forza di gravità, e per questo sono detti anche accelerometri DC. Inoltre presentano resistenza alle alte temperature e shock anche sopra i 10.000g.
Accelerometri ottici/ a fibra ottica
Si tratta di sensori molto sofisticati che sfruttano i principi della riflessione ottica lungo guide di luce (fibre ottiche) per determinare l’accelerazione loro impressa. Una guida di luce è frapposta fra una sorgente luminosa e un ricevitore.
Ogni accelerazione deforma la guida ottica in cui passa la luce del sensore. La deformazione della guida di luce, funzione della accelerazione impressa, modifica a sua volta la quantità di luce trasmessa e misurata dal ricevitore.
Accelerometri mems capacitivi
Con il termine MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) si definiscono una classe di sensori molto vasta, capace di fornire un’uscita elettronica digitale o analogica in funzione dello stato interno del sistema micro-meccanico del sensore.
Si possono trovare in commercio accelerometri MEMS piezoresistivi, piezoelettrici e capacitivi anche se quelli capacitivi sono fra i più diffusi sul mercato.
Questa tipologia di accelerometri misura la capacità fra le facce di un micro-capacitore, la cui parte dielettrica centrale è costituita da uno spazio in cui è libera di oscillare una struttura traviforme micro lavorata opportunamente.
Le forze dovute alle accelerazioni deformano la struttura modificando il dielettrico e quindi la capacità e la tensione ai capi del capacitore.
Le applicazioni
I campi di applicazione per questi dispositivi sono così numerosi che alle volte, le misure accelerometriche possono essere utilizzate non solo per misure dirette ma anche per ricavare informazioni su grandezze fisiche ad esse collegate. Ad esempio in alcuni casi gli accelerometri sono utilizzati per la stima della velocità e della posizione di oggetti in movimento integrando l’accelerazione rispetto al tempo, oppure per la stima della forza impressa ad un dispositivo durante un impatto o una interazione.
Il limite di utilizzo di tali dispositivi è dato solo dalla fantasia dei progettisti, dal momento che il valore dell’accelerazione è legato a molti fenomeni fisici utili in moltissime applicazioni. Fra le applicazioni più diffuse e in rapida crescita in questi anni si hanno per esempio:
Navigazione autonoma o assistita
Sensori IMU (Inertial Measurement Unit) con all’interno accelero- metri MEMS permettono di misurare l’orientamento nello spazio di veicoli, la loro accelerazione nello spazio (3D) e di stimare, integrando la misura dell’accelerazione, anche la velocità e lo spazio percorso durante il moto. Tali dispositivi hanno dimensioni ridottissime e recentemente sul mercato si trovano versioni che includono al loro interno microprocessori per implementare filtri predittivi e fusione di dati con sistemi GNSS, magnetometri, barometri, encoder ed altri sensori (in genere Extended Kalman Filters).
La precisione raggiungibile dai dispositivi top di gamma è elevatissima e permette ad esempio il controllo e la stabilizzazione in volo di droni o la stima della posizione dei veicoli in tunnel, aree non coperte dal GPS.
Interfacciamento uomo/macchina
Grazie alla diffusione delle console di gioco, è oggi possibile disporre di joystick, polsiere, anelli ed orologi smart dotati di sensori per interpretare i gesti e i movimenti della mano. In questo contesto gli accelerometri sono usati per analizzare e rilevare movimenti utili al controllo di veicoli, macchinari, robot, applicazioni per PC o smartphone.
Oltre alla direzione del movimento, è possibile valutarne l’intensità, la fluidità (Jerk – ovvero la derivata dell’ac- celerazione) o rilevare eventi come cambiamenti di movimento, inversioni del movimento e altri gesti associabili alla mano, al polso o alle dita dell’utente. Per queste applicazioni vengono spesso usati MEMS miniaturizzati di ridottissime dimensioni.
Monitoraggio e controllo
L’analisi delle vibrazioni di un macchinario può essere indice dello stato di manutenzione o usura. Per questo l’analisi delle vibrazioni è spesso utilizzata per valutare interventi di manutenzione predittiva, per prevenire guasti o malfunzionamenti in macchinari industriali.
Allo stesso modo, analizzare la risposta in termini di oscillazioni o di vibrazioni di una struttura sottoposta a urti o carichi impulsivi, può evidenziare danneggiamenti (cricche, corrosioni, difetti di fabbricazione, vuoti interni, difetti di assemblaggio/saldatura).
In questo campo anche sensori acustici possono essere utilizzati, perché le vibrazioni trasmesse anche nelle frequenze udibili (da 20 a 20.000Hz) possono essere associate allo stato di manutenzione di un macchinario e al suo funzionamento.
Il principio di funzionamento di questi sensori è analogo a quello degli accelerometri MEMS capacitivi.
Come corollario è interessante osservare come, nelle attività di spionaggio, gli accelero- metri integrati nei dispositivi commerciali o industriali possano essere utilizzati anche per ricostruire i suoni ambientali, senza per forza fare ricorso ai tradizionali microfoni. Infatti, l’analisi delle vibrazioni dell’aria, dei materiali o della cassa toracica nelle frequenze udibili è relazionabile all’onda sonora associata.
Analisi medicali
L’analisi del movimento è una branca dell’ingegneria biomedica che sta traendo enorme beneficio dall’introduzione degli accelerometri miniaturizzati nei dispositivi indossabili o negli smartphone.
Analizzare il movimento ad esempio della mano, del piede o della testa può essere importante per misurare il tremore muscolare o il freezing del movimento, tipici sintomi del morbo di Parkinson anche in fasi embrionali della malattia. Tali misure possono essere utili alla diagnosi precoce e accurata dello stato di avanzamento di malattie neuro degenerative o muscolari.
La precisione dei sensori e la ripetibilità delle misure permettono in questo campo di dare un valido aiuto a medici e infermieri durante le visite.
Allo stesso modo, gli accelerometri nei dispositivi indossabili possono aiutare i terapisti a valutare le performance motorie e cognitive di pazienti in riabilitazione, anziani o persone con deficit durante gli esercizi giornalieri di stimolazione fisico/ cognitiva. Anche in questo caso l’aiuto di tali dispositivi è fondamentale per ridurre il carico di lavoro degli operatori socio/sanitari e fornire misurazioni oggettive nelle terapie somministrate.
Tra le novità più rilevanti del 2022 c’è stata senza dubbio l’introduzione dei sensori accelerometrici integrati con processori neurali per implementare logiche di controllo programmabili. La tendenza in questo settore è quella di rendere disponibile una gamma di sensori sempre più piccoli e performanti da inserire in architetture edge-computing, generalmente per applicazioni IoT, smart factory e smart city.
Il potenziale di questi nuovi dispositivi è enorme e promettente, perché consente di avere sensori e processori dedicati in un unico chip, con la riduzione di costi, dimensioni e consumo energetico rispetto alle tradizionali architetture.
Nel futuro, oltre a vedere telecamere diffuse ovunque (anche connesse in sistemi di edge-computing) in strade, edifici e fabbriche, potremo anche vedere sensori accelerometrici misurare lo stato di salute di un ponte e il traffico su di esso grazie all’analisi delle vibrazioni in tempo reale.
I sensori misureranno anche il nostro stesso stato di salute, durante esami medici o terapie per riabilitazioni fisiche o cognitive.
