Un accelerometro è un sensore che, fissato ad un mobile o qualsiasi altro oggetto, permette di misurare l' accelerazione lineare non gravitazionale di quest'ultimo. Si parla di accelerometro anche quando si tratta infatti di 3 accelerometri che calcolano le accelerazioni lineari secondo 3 assi ortogonali.
Quando invece cerchiamo di rilevare una rotazione o una velocità angolare, parliamo di girometro . Più in generale, si parla di unità di inerzia quando si cerca di misurare tutte e 6 le accelerazioni.
Sebbene l'accelerazione lineare sia definita in m / s 2 ( SI ), la maggior parte della documentazione su questi sensori esprime in "g" (circa 9,81 m / s 2 ) l'accelerazione (come quella causata dalla gravitazione terrestre).
Un accelerometro può essere schematizzato da un sistema massa-molla . Consideriamo questo diagramma opposto: all'equilibrio, la posizione x della massa m sarà il riferimento, quindi x = 0. Se il supporto subisce un'accelerazione verticale, verso l'alto, avverranno due cose: questo supporto si muoverà verso l'alto da un lato e, per l' inerzia della massa m , questa tenderà a rimanere nella sua posizione di partenza , forzando la molla comprimere d'altra parte. Il valore x sarà tanto maggiore quanto maggiore sarà l'accelerazione applicata al supporto.
Possiamo indicare, mediante l' principio fondamentale della dinamica di un sistema non smorzato (e considerando il sistema orizzontalmente, in modo che non prendiamo in considerazione il peso) :, con l'accelerazione della massa m e x la posizione del supporto ( rispetto a un quadro di riferimento galileiano ).
Appare chiaramente che questa accelerazione è proporzionale a x . Misurando semplicemente lo spostamento della massa m rispetto al suo appoggio, si può conoscere l'accelerazione subita da quest'ultimo.
Il principio della maggior parte degli accelerometri si basa sulla legge fondamentale della dinamica :
F = m acon
Più precisamente, consiste nell'uguaglianza tra la forza di inerzia della massa sismica del sensore e una forza di ripristino applicata a questa massa. Esistono due famiglie principali di accelerometri: accelerometri non servo e accelerometri servo.
Sui sensori di tipo non slave (anello aperto), l'accelerazione è misurata dalla sua immagine "diretta": lo spostamento della massa sismica (massa della forza o anche massa di prova) del sensore per ottenere l'uguaglianza tra la forza di ripristino e la sua forza di inerzia.
Esistono in commercio accelerometri non servo che si possono trovare direttamente sul mercato:
Allo stesso modo, ci sono quelli non commercializzati come:
Alcuni cristalli ( quarzo , sale di Seignette ) e certe ceramiche hanno la proprietà di caricarsi elettricamente se sottoposti a deformazione. Al contrario, si deformano se sono caricati elettricamente, il fenomeno è reversibile. Il cristallo si carica su due facce frontali con cariche opposte quando sottoposto a una forza esercitata tra queste due facce. Una metallizzazione delle facce consente di raccogliere una tensione elettrica utilizzabile in un circuito.
Per gli accelerometri servocomandati, l'accelerazione viene misurata all'uscita di un anello di retroazione (servocomando) comprendente un correttore di tipo PI (Proporzionale integrale: tipo di correttore che migliora la precisione). Un sensore di rilevamento dello spostamento (tipo non servo) consente la misurazione immediata dell'accelerazione. È il valore di ingresso del nostro loop servo. All'uscita di questo anello, l'accelerazione si ottiene leggendo l'energia necessaria alla forza di ripristino che consente il ritorno della massa sismica nella sua posizione iniziale.
Nelle unità inerziali , per un'applicazione nella guida , generalmente utilizzata in aeronautica o in astronautica , questo tipo di tecnologia è generalmente privilegiata. I cellulari, infatti, hanno una certa massa e il loro baricentro è soggetto a vibrazioni di frequenza relativamente bassa, dell'ordine da 0 a 10 Hz . Ciò consente quindi l'utilizzo di sensori servocomandati.
Questi sono classificati in base alla loro forza di ripristino, che può essere di tipo elettromagnetico o elettrostatico. Oppure a seconda del tipo di rilevamento, che può essere capacitivo, induttivo o ottico.
Nel 2018, l' Imperial College di Londra ha introdotto un accelerometro quantistico . Il sistema si basa sulla misura delle proprietà delle onde quantistiche fornite dagli atomi durante le accelerazioni, il che permette di dedurre lo spostamento, e quindi la posizione, rispetto al tempo. Il funzionamento è simile a quello degli accelerometri convenzionali, ma pur essendo molto più sensibile e preciso.
Il sistema utilizza i laser per raffreddare gli atomi a temperature estremamente basse, il che richiede spazio.
Oltre alle caratteristiche classiche dei sensori , l'accelerometro può essere caratterizzato dai seguenti dati:
Tutte queste caratteristiche interagiscono e caratterizzano un principio, una tecnologia o un processo produttivo.
Le applicazioni di questo sensore sono molto diverse:
Tuttavia, sono generalmente classificati in tre grandi categorie:
Gli shock sono accelerazioni di ampiezza molto forte. Ad esempio, un oggetto che cade da un'altezza di 20 cm su una lamiera di acciaio di 5 cm di spessore viene sottoposto ad un'accelerazione di 8000 g all'impatto, e su un taccuino di 50 pagine di spessore viene sottoposto ad un'accelerazione di soli 90 g .
Si tratta di accelerazioni molto brevi e quindi richiedono un sensore a banda passante generalmente compreso tra 0 e 100 kHz .
La precisione richiesta per queste misurazioni è dell'ordine dell'1% della scala di misurazione del sensore .
I sensori comunemente associati a questo tipo di applicazione sono accelerometri di spostamento non controllati, e più precisamente:
Esempi:
Le accelerazioni vibratorie sono considerate accelerazioni di livello medio (generalmente intorno a un centinaio di g). Richiedono un sensore con una larghezza di banda fino a 10 kHz e una precisione di circa l'1% della scala di misurazione del sensore.
Gli accelerometri utilizzati, di tipo non slave, sono:
Esempi:
Le accelerazioni mobili sono basse. Ad esempio, l'accelerazione massima adottata per il " Rafale " è di 9 g . Queste accelerazioni non superano alcune decine di hertz. D'altra parte, la precisione richiesta può essere importante. Varia dallo 0,01% al 2% della scala di misurazione del sensore.
Gli accelerometri utilizzati sono:
Esempio:
Dalla fase di sviluppo degli accelerometri MEMS , dal 1975 al 1985, l'accelerometro ha conosciuto un "boom" nei suoi utilizzi. In effetti, è passato da 24 milioni di vendite nel 1996 a 90 milioni nel 2002. Il suo prezzo continua a diminuire per MEMS . Con il recente arrivo degli accelerometri NEMS , questa onnipresenza dell'accelerometro in vari prodotti "di consumo" è sempre più attuale.
Le unità inerziali con 6 accelerazioni, come su iPhone 4, consumano più energia e sono spesso meno sensibili di un'unità ridotta a soli 3 accelerometri lineari come su molti telefoni cellulari incluso l' iPhone 3GS , o anche 2 per uno. Console di gioco come WII , o anche una singola dimensione per fermare un disco rigido in caso di caduta di un laptop ( ThinkPad ).
Negli orologi sportivi:
Per la misurazione di un gesto sportivo o quotidiano:
In fotocamere e fotocamere:
In ultraportatile, PDA, ecc. :
Da cellulare:
Nei videogiochi:
Nella telefonia: a causa della convergenza delle tecnologie, gli accelerometri vengono utilizzati per combinare la maggior parte delle funzioni sopra descritte.
Nei veicoli da trasporto: