Martello strumentato

ESSEBI S.r.l
MARTELLO
STRUMENTATO
Metodologie di eccitazione di strutture
Metodo impulsivo e applicazione
Sistema di misura
Martello strumentato e software
Programma di acquisizione ed analisi
08 maggio 2003
V.le Giulio Agricola, 130 – 00174 Roma
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INDICE:
1 – Varie metodologie di eccitazione delle strutture ....................................................2
2 – Il metodo impulsivo................................................................................................3
3 - Applicazioni del metodo .........................................................................................5
4 – Il sistema di misura................................................................................................7
5 – Il martello.............................................................................................................10
6 - Software per martello strumentato .......................................................................11
7 - Programma di acquisizione ..................................................................................13
8 - Programma di analisi ...........................................................................................15
9 - Settaggio della scheda NI DAQCard AI 16XE-50................................................20
10 - Drive degli accelerometri....................................................................................21
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1 – Varie metodologie di eccitazione delle strutture
La determinazione della funzione di trasferimento di una struttura consiste
nell’eccitare la struttura con un certo tipo di forza per un certo periodo di tempo e
misurarne la risposta in alcuni suoi punti.
Sperimentalmente, a seconda del modo con cui viene esercitata la forza eccitante,
possiamo avere diversi tipi di misura.
Considerando sempre valida l’ipotesi di linearità del sistema sottoposto a
sperimentazione, la risposta in frequenza non dipende dalla tecnica di eccitazione
impiegata.
La scelta di una metodologia o di un’altra quindi dipende dall’accuratezza che si
vuole ottenere nella misura, dal tipo di struttura da analizzare e dalla disponibilità di
una strumentazione più o meno sofisticata e costosa.
Il metodo usato da più tempo e che offre le maggiori caratteristiche di accuratezza è
sicuramente il metodo stazionario. Consiste nell’eccitare la struttura con una forzante
armonica, avente ampiezza costante e con una frequenza che viene fatta variare per
valori discreti (vibrodina). La risposta viene acquisita ai diversi valori della frequenza.
Il metodo può risultare lungo e laborioso e per grandi strutture occorrono degli
eccitatori di notevoli dimensioni e capacità.
Una evoluzione è rappresentata dal metodo quasi stazionario. Rispetto al caso
precedente la frequenza di eccitazione viene fatta variare in modo continuo secondo
un programma prestabilito, ma sempre lentamente in modo tale da mantenere il più
possibile le condizioni stazionarie. Questo è il limite: se la velocità di variazione è
troppo rapida, da non dare il tempo al sistema di stabilizzarsi, le frequenze proprie
vengono spostate nella direzione di variazione rispetto al caso stazionario. Questo
metodo risulta allora essere più rapido, ma meno preciso del precedente.
In entrambe le situazioni precedentemente descritte, il sistema viene eccitato
frequenza per frequenza. Si può utilizzare il metodo quasi stazionario per avere una
idea del posizionamento delle frequenze di risonanza, per poi effettuare una analisi
più accurata e mirata con il metodo stazionario.
Ci sono altre metodologie che invece forniscono una eccitazione su una banda di
frequenza più ampia, teoricamente infinita. Con esse si ha un’eccitazione simultanea
di più frequenze di vibrazione.
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Questi risultati possono essere ottenuti con segnali aleatori di tipo random, con
rapide variazioni in frequenza di un segnale sinusoidale (chirp) e con ingressi di tipo
impulsivo.
2 – Il metodo impulsivo
Il metodo del martello strumentato è oggi molto utilizzato per le sue caratteristiche di
facilità d'uso, basso costo e rapidità nell'effettuazione delle prove.
Il sistema è costituito da un martello o più in generale un impattatore che ha integrata
una cella di carico, o un trasduttore di forza, per misurare la forza di eccitazione
fornita alla struttura di cui si vogliono determinare le caratteristiche dinamiche. La
forza registrata dal martello naturalmente è assunta uguale e opposta a quella
avvertita dalla struttura. Nella configurazione più semplice (Fig. 1), un accelerometro
viene posizionato nei punti di misura prescelti per calcolare le FRF. Al variare del
punto in cui la struttura viene colpita e al variare della posizione di lettura della
risposta, può essere ricostruita con il metodo già descritto tutta la matrice delle FRF.
Figura 1 : schema generale di misura con il martello strumentato.
Il sistema di eccitazione risulta essere semplice e non bisogna ricorrere a sistemi
elettro-meccanici.
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Non tutte le strutture possono comunque essere eccitate con questo metodo o
perché troppo delicate, e quindi potrebbero subire dei danni, oppure perché per
eccitare le loro frequenze di risonanza sarebbero necessarie grandi energie di
impatto, che di nuovo potrebbero portare alla rottura della struttura stessa.
La forza di eccitazione può essere applicata sia manualmente, da un operatore, sia
attraverso dispositivi meccanici più sofisticati che garantiscono un maggiore controllo
sia del modulo della forza applicata, che della sua direzione di applicazione.
L'intensità della forza di eccitazione dipende da due parametri: dalla massa che va
ad impattare sulla struttura e dalla velocità con cui avviene l'impatto.
In Fig. 2 e Fig. 3 sono rappresentate le caratteristiche curve ottenute mediante la
registrazione dell'impulso dovuto al martello.
Figura 2 : andamento temporale reale dell’impulso.
Figura 3 : risposta in frequenza reale dell’impulso.
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Nel primo grafico è presentato l'andamento nel tempo, mentre nel secondo il suo
modulo nel dominio della frequenza.
Dal punto di vista teorico, la trasformata di Fourier di un impulso unitario ideale δ(t)
(Fig. 4) è un gradino:
F[δ(t)]
δ(t)
1
o
t
ω
o
Figura 4 : impulso ideale.
Cioè, un impulso ideale, ha un contenuto in frequenza infinito e lo stesso contenuto
in ampiezza per ogni frequenza. Infatti:
∞
F [δ (t )] = ∫ δ (t )e − jωt dt = 1
−∞
Per un impulso non ideale δb, rettangolare centrato nell’origine di base b e altezza
1/b (in questo modo la sua area rimane unitaria) si ha:
F (δ b ) =
[
]
1 − j ωt
1
2
⎛ b⎞
e dt =
e − j ωb / 2 − e j ω b / 2 =
sin⎜ ω ⎟
− jbω
bω ⎝ 2 ⎠
−b / 2 b
b/2
∫
Lo spettro di questo segnale è del tipo sin(x)/x , cioè è quello di una funzione
costante attorno all’origine ma che si attenua per ω=2π/b. Questo è quanto è stato
riscontrato per l’impulso reale.
3 - Applicazioni del metodo
Eccitando una struttura con un impulso è stato visto come lo spettro del segnale di
ingresso, si presenti piatto fino ad un certo valore di frequenza fc e poi decada molto
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rapidamente. Allora la struttura verrà eccitata in una banda di frequenza compresa
tra 0 e fc .
L'ampiezza di questa banda è funzione della durata dell'impulso Tc : quanto più è
breve, tanto più sarà elevata la frequenza massima. Il controllo su questo parametro,
quindi, non può avvenire con la scelta della massa del martello e della forza
applicata, ma per mezzo dell'uso di diversi di tips, cioè della parte della testa del
martello che effettivamente colpisce la struttura, aventi differenti rigidezze (Fig. 5).
Aumentando la rigidezza del tip, la deformazione causata dall'impatto sarà minore e
quindi anche la durata dello stesso risulterà minore. Comunque in ogni caso
interviene la rigidezza relativa tra le due superfici che vanno ad impattare.
Figura 5 : banda passante per tip con rigidezze diverse.
La possibilità di usare martelli con teste intercambiabili permette di effettuare una
misura mirata secondo il campo di frequenze di interesse.
Nella Fig. 6 è rappresentato un test con un martello dotato di un soft tip. La curva in
nero rappresenta la FRF, quella in blu lo spettro dell'eccitazione e quella in rosso la
funzione di coerenza.
Figura 6 : FRF ottenuta con un soft tip.
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Ad un valore di frequenza di circa 400 Hz si ha un brusca flessione dell'input e sia la
FRF che la funzione di coerenza presentano una cattiva definizione. Il problema è
appunto che alle frequenze oltre i 400 Hz la struttura non è stata abbastanza eccitata
per fornire una risposta ben definita.
Un altro problema di questo tipo di misura è la precisione con cui viene fornito il
colpo se l'operazione è fatta manualmente da un operatore. Non interessa tanto la
forza che viene fornita ma la direzione con cui viene applicata. E' infatti opportuno
che questa sia più vicina possibile alla verticale locale del punto di battuta. Quindi per
particolari applicazioni vengono realizzati degli impattatori elettromeccanici con i
quali è possibile controllare tutti i parametri della forza di eccitazione.
Ci sono poi diverse modalità con cui eseguire questo tipo di prova. Si possono
utilizzare
più
accelerometri
che
rilevano
la
risposta
della
struttura
contemporaneamente in più punti (rowing hammer). Oppure si può ricorrere ad
accelerometri triassiali e allora anche l'eccitazione dovrà essere fornita in ogni punto
di misura secondo la direzione dei tre assi di riferimento.
4 – Il sistema di misura
Nella Fig. 7 è mostrato il sistema di misura realizzato, ed oggetto di questa tesi, con
tutti i componenti che lo costituiscono.
J
G
H
I
A
D
C
F
E
B
Figura 7 : sistema di misura completo.
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A - Pc portatile ACER Travelmate 330, dotato di un processore INTEL Pentium II a
300 MHz, con 64 Mbyte di RAM;
B - Accelerometro piezoelettrico di misura PCB 333B30 (Fig. 8);
C - Martello eccitatore;
D - Accelerometro piezoelettrico da urto PCB 353B17(Fig. 8);
B
D
Figura 8 : accelerometri.
E - Alimentatore a 3 canali WILCOXON P703B(Fig. 9);
Figura 9 : alimentatore.
F - Cavo di collegamento a bassa impedenza;
G - Morsettiera adattatrice NATIONAL INSTRUMENTS (NI) CB-50(Fig. 10);
Figura 10 : scheda morsettiera.
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H - Cavo flat NI PSH27-50F per scheda PCMCIA;
I - Seda di acquisizione NI DAQCard AI 16XE 50 (Fig. 11);
Figura 11 : scheda d’acquisizione.
J - Software di gestione dell’acquisizione e dell’analisi dei dati realizzato in ambiente
LabVIEW™.
L'eccitazione alla struttura che deve essere esaminata è fornita per mezzo del
martello C, che ha, fissato sulla testa, nella parte posteriore rispetto quella di impatto,
l'accelerometro D per la rilevazione della forza trasmessa.
Sulla struttura invece, viene posizionato l'accelerometro B che misura la risposta
all'eccitazione data. Entrambi gli accelerometri B e D sono collegati al condizionatore
E che provvede alla loro alimentazione.
Il segnale in uscita, dall’alimentatore, è inviato tramite due cavi coassiali alla
morsettiera G che assegna a ciascun segnale uno dei canali a disposizione della
scheda di acquisizione. In questa applicazione è stato scelto di assegnare il canale 0
all'input, cioè al segnale proveniente da D, mentre all'output proveniente da B viene
assegnato il canale 1. La scheda d’acquisizione I può essere impostata via software
sia per quanto riguarda la scelta dei canali da utilizzare, che per il tipo di drive
associato a ciascun sensore.
La morsettiera è connessa alla scheda di acquisizione I tramite il cavo flat H.
Il PC portatile A gestisce sia l'acquisizione dei dati della misura e la loro
registrazione, sia la successiva fase di analisi dei dati raccolti tramite due programmi
software J, appositamente realizzati in ambiente LabVIEW™.
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5 – Il martello
Per questa applicazione è stata realizzato un martello apposito (Fig. 12).
Figura 12 : martello completo delle masse aggiuntive.
La necessità fondamentale è stata quella di avere uno strumento che possa in
seguito, essere utilizzato per eccitare diversi tipi di strutture. Per questo motivo è
stata pensata una soluzione modulare, con la possibilità di aumentare la massa del
battente. Il martello è quindi costituito da un manico, realizzato in carboresina (64
strati simmetrici e bilanciati) dotato di una impugnatura anatomica in gomma. La
testa del martello è in acciaio C40 realizzato alla fresa e al tornio. Nella parte
battente, sul tappo di chiusura, è presente un foro filettato M3 per l’inserimento dei
vari tipi di tip, da utilizzare di volta in volta nella specifica misura. Nell’altro lato è
invece possibile inserire, avvitandoli, tre diversi tipi di masse aggiuntive (siglate M1,
M2, M3) realizzate sempre in acciaio C40. Anche su queste masse vi è un foro
filettato M3 per l’inserimento dell’accelerometro che deve misurare la forza di
eccitazione. Nell’allegato E è presente il disegno d’insieme e
dei componenti
costituenti il martello.
Per quanto riguarda i pesi, questi possono essere riassunti nella tabella in Fig. 13.
Battente e manico
M1
M2
M3
156 g
36 g
78 g
120 g
Figura 13 : tabella delle masse del martello.
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La scelta di un PC portatile e di un sistema di acquisizione su card PCMCIA è stata
dettata da esigenze di facile trasportabilità di tutto il sistema.
In Fig 14 è mostrata la valigetta che, in modo estremamente compatto, contiene tutti i
vari componenti.
Figura 14 : sistema di misura nella sua valigetta.
6 - Software per martello strumentato
LabVIEW™, della National Instruments (Fig. 15), è un linguaggio di programmazione
grafica ampiamente utilizzato nell’industria e nella ricerca come software di
riferimento per l’acquisizione dati e per il controllo degli strumenti. Il suo nome sta a
significare Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench
che potrebbe
essere tradotto come pannello di lavoro per gli strumenti virtuali di laboratorio.
Potente e versatile strumento di analisi, oltre che su piattaforme hardware di
maggiori prestazioni, funziona su PCs che utilizzano Microsoft Windows.
Figura 15 : LabVIEW™.
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LabVIEW™, come sistema di sviluppo, pur essendo molto simile ai vari compilatori
che si trovano in commercio, si differenzia nel fatto che usa un sistema
programmazione grafica, il G, per creare programmi in una
grafico di flusso,
di
forma simile ad un
chiamato diagramma a blocchi, che elimina così molti dettagli
sintattici. Esso usa una terminologia ed icone fortemente espressivi; si basa su
simboli grafici piuttosto che su un linguaggio testuale per descrivere i vari passi della
programmazione. Il diagramma a blocchi di LabVIEW™ corrisponde alle linee di testo
che si trovano nei linguaggi di programmazione più diffusi: esso si costruisce
collegando tra loro oggetti che svolgono funzioni specifiche. I programmi di
LabVIEW™ si chiamano strumenti virtuali (VI) perché il loro aspetto e le loro modalità
di operazione imitano quelle di uno strumento reale: a parte le apparenze, sono
comunque analoghi a molti programmi, funzioni e subroutines dei più comuni
linguaggi di programmazione.
L’ambiente LabVIEW™è costituito da tre parti principali: il pannello frontale, il
diagramma a blocchi e l’icona/connettore. Il pannello frontale è l’interfaccia del
programma con l’utente: si possono inserire i dati attraverso i controlli ed osservare i
dati in uscita attraverso gli indicatori (i primi infatti simulano i tipici dispositivi di input, i
secondi i tipici dispositivi di output che mostrano i dati che il programma produce o
acquisisce). Quando si pone un oggetto sul pannello frontale utilizzando il menu
“Controls”, appare un terminale corrispondente nel diagramma blocchi, rendendo il
pannello frontale pronto all’uso da parte del programma. I fili di collegamento
trasportano i dati fra i nodi, che sono che sono gli elementi esecutivi del programma.
Secondo un principio chiamato flusso di dati, il nodo lavora solo quando tutti i dati in
entrata saranno per lui disponibili. Un VI potrebbe anche avere una icona ed un
connettore. Infatti quando si usa un programma come subVI, la sua icona lo
rappresenta nel diagramma a blocchi nel quale è utilizzato; il suo connettore,
solitamente coperto dall’icona, ne definisce i parametri di input e di output.
LabVIEW™ possiede una libreria di funzioni e subroutines per fornire un aiuto anella
maggior parte dei compiti di un programmatore; contiene librerie di applicazioni
specifiche per il controllo di strumenti GPIB1 e seriali per la raccolta, l’analisi, la
1
General Purpose Interface Bus sviluppato degli anni 60 da HP per facilitare il collegamento tra computer e strumenti
costituisce uno standard ed un protocollo. In particolare l’Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) ha
standardizzato il G.P.I.B. bel 1975 ed esso è diventato noto con il nome IEEE 488.
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presentazione e la memorizzazione dei dati. Esso contiene strumenti convenzionali
per lo sviluppo del programma, con i quali si possono definire singoli passaggi e
punti di interruzione al suo interno ed animare l’esecuzione così da osservare il
flusso dei dati. In virtù della sua natura grafica, è simile ad un pacchetto per la
presentazione dei dati.
7 - Programma di acquisizione
Per la gestione dell'acquisizione dei dati della misura è stato sviluppato un apposito
software denominato Acquisizione FRF.
Il programma è di semplice uso e permette il controllo completo dei tutti i parametri
della scheda di acquisizione.
All'avvio, una schermata (Fig. 16) permette di scegliere, per ogni canale di misura, il
drive degli accelerometri impiegati più opportuno per quella particolare misura.
Figura 16 : schermata per la scelta dei sensori.
Al segnale di eccitazione, proveniente dall'accelerometro posto sul martello è stato
assegnato il canale 0 della scheda di acquisizione, mentre al segnale di risposta,
proveniente dall’accelerometro posto sulla struttura, il canale 1.
Della scelta dei drive si parlerà più avanti in questo capitolo.
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La schermata principale del programma si presenta come nella seguente Fig.17:
Figura 17 : schermata principale.
Al centro dello schermo, è visualizzato, in due grafici separati, l'andamento temporale
dei due segnali che si stanno acquisendo. Nel grafico superiore è riportata la forza di
eccitazione, in quello inferiore la misura dell'accelerazione della risposta.
Dall’avvio del programma si ha quindi, in tempo reale, la lettura dei segnali sui due
canali operanti. Per ognuna delle forme d'onda è inoltre possibile modificare la scala
della grandezza misurata senza arrestare il programma: in questo modo è possibile
avere una idea più chiara delle grandezze in gioco.
In questa modalità il programma non effettua nessuna registrazione dei dati che sta
leggendo.
L'acquisizione vera e propria comincia quando viene premuto il tasto con la scritta
Inizio acquisizione , e termina premendo il tasto Stop acquisizione.
Nell'indicatore posto al di sotto ai grafici viene visualizzato il nome del file in cui
vengono effettivamente registrati i dati con il suo percorso. Il programma fornisce in
uscita dei file di testo con estensione txt, il cui nome è assegnato in base ai dati
dell'orologio interno del PC nel momento in cui parte l'acquisizione. Questi file
presentano come primo dato il valore dell'effettiva frequenza di campionamento. Si
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hanno poi due colonne di numeri, una per canale che rappresentano i valori di
accelerazione acquisiti. Come separatore tra i valori viene usato il punto e virgola ";"
mentre come separatore decimale la virgola "," .
E’ possibile pure cambiare la frequenza di acquisizione della scheda, scegliendo tra
512, 1024, 2048, 3072, 4096 e 8192 S/s. Ogni volta che questo parametro viene
cambiato occorre riavviare il programma per far si che la scheda d’acquisizione
renda effettivo il cambiamento.
Premendo il tasto Help appare una schermata (Fig. 18) in cui sono indicate le
istruzioni principali per condurre l’acquisizione.
Figura 18 : Help.
8 - Programma di analisi
Per l’analisi e la presentazione dei dati acquisiti è stato realizzato il programma
Analisi FRF.
In Fig. 19 è mostrata la schermata principale del programma.
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Figura 19 : schermata principale.
Premendo il tasto Carica file multicanale appare un menù (Fig.20) con cui è possibile
scegliere il file precedentemente acquisito da analizzare. Operata la scelta, una volta
impostata, con l’apposito pulsante, la configurazione del martello usata, nel grafico
superiore è presentato l’andamento temporale della forza di eccitazione. Nella
finestra inferiore viene invece presentata la risposta della struttura.
Figura 20 : scelta file.
La prima operazione da compiere è quella di centrare il segnale acquisito nella
finestra temporale, eliminando alcuni secondi all’inizio o alla fine della registrazione.
Occorre fare in modo, però, che il numero di campioni da analizzare non scenda a
valori
troppo
insoddisfacente.
bassi,
altrimenti
la
risoluzione
in
frequenza
può
risultare
In ogni caso non è opportuno scendere al di sotto dei 12.000
campioni.
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Dopo aver aperto il file da analizzare è possibile scegliere una serie di opzioni:
•
eliminare l’offset;
•
filtrare i segnali;
•
applicare delle finestre di windowing.
Per i filtri è possibile scegliere sia il modello ( Butterworth o Chebyshev ) che il tipo (
lowpass, bandpass, bandstop o highpass ) che impostare il numero di poli.
I tipi di finestra utilizzabili sono invece due: esponenziale e di forza. La prima si
applica in generale alla risposta della struttura, mentre la seconda all’impulso.
A questo punto è possibile avviare l’analisi della FRF.
E’ possibile scegliere fra diversi tipi di rappresentazione:
•
parte reale;
•
parte immaginaria;
•
modulo;
•
modulo in decibell (dB);
•
fase.
Nelle figure seguenti vengono mostrate i vari tipi di analisi.
Figura 21 : parte reale.
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Figura 22 : parte immaginaria.
Figura 23 : modulo.
Figura 24 : modulo dB.
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Figura 25 : fase.
In ogni tipo di analisi è possibile calcolare i massimi e minimi delle FRF
rappresentate. E’ inoltre possibile rappresentare la funzione di coerenza tra i segnali
con cui viene costruita la FRF.
Premendo il tasto Anteprima di stampa, presente nella parte superiore di ogni
diagramma, vengono attivate le opzioni con cui è possibile stampare, o salvare, in un
file formato RTF, il diagramma stesso.
Come per il programma di acquisizione, premendo il pulsante Help appare una
schermata (Fig. 26) che richiama le principali funzionalità del programma.
Figura 26 : help.
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9 - Settaggio della scheda NI DAQCard AI 16XE-50
Essendo anche LabVIEW™ un prodotto della National Instrument esso contiene già
tutti i drive per il corretto funzionamento della DAQ.
E' possibile agire via software (Fig 27) sulla scheda per ottimizzarne al meglio le
prestazioni in funzione dell'uso che se ne deve fare.
Figura 27 : configurazione DAQ.
Il primo parametro da impostare è il tipo di grandezza da misurare tramite
Measurement mode structure. Nel caso specifico è impostato per una acquisizione in
volt. Segue poi l'impostazione dei drive del tipo di sensori che si assegnano ai canali
di misura con Channel e l'impostazione del buffer. Con Interchannel delay è infine
possibile stabilire il ritardo di campionamento tra un canale e il successivo. Per
minimizzare l'errore in fase della misura, è opportuno che questo parametro sia
impostato sulla massima velocità possibile.
Altri parametri da controllare sono il tipo di acquisizione in continuo, e lo scan rate,
ossia la frequenza di campionamento. La DAQ ha una frequenza massima di
campionamento di 20 kS/s, quindi, occupando con questa particolare applicazione
due canali della scheda, posso campionare su ciascuno di essi ad un massimo di 10
kS/s senza generare errori nel flusso dei dati. L'impostazione massima a 8192 S/s
allora rimane al di sotto di questo limite e mi garantisce pure una analisi in frequenza
senza problemi di aliasing fino a 4000 Hz.
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10 - Drive degli accelerometri
Alla scheda di acquisizione arriva un segnale in volt. Per poter dare un significato
fisico a questa grandezza elettrica occorre metterla in relazione con i valori di
accelerazione che l’hanno generata.
Per far questo è necessario impostare dei drive (Fig. 28) in cui specificare una serie
di parametri che poi serviranno alla DAQ per effettuare la misura nel modo corretto.
Figura 28 : drive della DAQ.
Ad ogni drive è associato un nome con cui è possibile richiamarlo all’interno di
qualsiasi programma LabVIEW™. E’ quindi opportuno che questo nome sia
significativo rispetto al tipo di sensore a cui si riferisce e alle sue impostazioni
principali.
La parte fondamentale è quella in cui viene assegnato il range di funzionamento.
Per prima cosa occorre desumere dai certificati di calibrazione di ogni sensore usato,
la relazione tra i volt e la grandezza fisica che si sta misurando.
In generale la sensibilità di un accelerometro è espressa in mV/g. Invertendola si
ottiene il livello di accelerazione associato ad ogni volt.
Per esempio l'accelerometro PCB 333B30 ha una sensibilità di 96,6 mV/g a cui
corrispondono 10,351g/V ossia in unità SI 101,552 m/s2/V.
Facendo leggere alla DAQ tensioni tra ±5 V, cioè facendola lavorare nel suo range
massimo di utilizzo, ottengo che anche l'accelerometro viene utilizzato alla sua
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massima capacità. Infatti a ±5 V corrispondono circa ±500 m/s2 ,ossia ±50 g, che è la
massima accelerazione che può misurare questo sensore.
Dato che la risoluzione della scheda rimane sempre la stessa, indipendentemente
dal range utilizzato, diminuendo quest'ultimo possono essere apprezzati valori di
tensione sempre più piccoli.
Il tipo di scheda utilizzato è a 16 bit, per cui l’intervallo di misura viene suddiviso in
216 parti. Per ottenere risoluzioni maggiori si può quindi usare un range della scheda
di ±1 V. L’accelerazione misurabile è però, ora, minore che nel caso precedente.
Infatti a questa impostazione corrisponde un utilizzo dell’accelerometro tra ±10 g.
A fronte di una risoluzione maggiore si ha di contro che la DAQ va in overflow per
valori di tensione che oltrepassano il range di ±1 V. Il limite della misura non è più
dato dalle caratteristiche del sensore, ma dall'impostazione della scheda.
Per apprezzare accelerazioni ancora più piccole possono essere utilizzati
amplificatori con guadagno programmabile. Impostando un guadagno G, il segnale
arriverà alla scheda G-volte più grande. Allora con un valore di G = 10, nel caso di
range ±5 V le accelerazioni che possono essere misurate saranno comprese tra ±5
g. Si ottiene quindi una risoluzione 10 volte superiore al caso normale, ma con una
limitazione nei valori massimi misurabili, che a volte non può essere ammessa.
Naturalmente, per ottenere un certo valore di risoluzione, entrambi questi processi
possono essere combinati. Il limite è rappresentato dal livello di rumore della scheda
e dei sensori.
Quando la risoluzione diventa dello stesso ordine di grandezza del rumore non ha
più senso fare la misura in quanto i due eventi non sarebbero distinguibili e
apprezzabili separatamente.
Nella tabella in Fig. 29 è riportato il foglio elettronico utilizzato per realizzare i drive
dei due accelerometri usati nelle misure.
Nella prima colonna sono indicati i nomi parziali assegnati a ciascun drive: la sigla di
riferimento è il nome dell’accelerometro, è presente poi il valore massimo di
accelerazione che può essere misurato con quella configurazione ed una G indica la
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Il Martello strumentato
ESSEBI Srl
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necessità di impostare l’alimentatore con un guadagno pari a 10. A completamento
deve essere indicato il canale che viene utilizzato.
Nelle colonne successive vengono poi riportati l’accelerazione massima, il range
della DAQ, il valore del guadagno e il setup di calibrazione.
Nome drive
PCB393A03 X 01g G ch
PCB393A03 Y 01g G ch
PCB393A03 Z 01g G ch
F.S.
0,1 g
0,1 g
0,1 g
Range
±1 V
±1 V
±1 V
G
10
10
10
Setup
0,98891 m/s2
0,98297 m/s2
0,99291 m/s2
PCB393A03 X 1g ch
PCB393A03 Y 1g ch
PCB393A03 Z 1g ch
1 g
1 g
1 g
±1 V
±1 V
±1 V
1
1
1
9,88911 m/s2
9,82966 m/s2
9,92915 m/s2
PCB393A03 X 5g ch
PCB393A03 Y 5g ch
PCB393A03 Z 5g ch
5 g
5 g
5 g
±5 V
±5 V
±5 V
1
1
1
49,44556 m/s2
49,14830 m/s2
49,64575 m/s2
± 1 V 10
± 1 V 10
± 1 V 10
0,95428 m/s2
1,00512 m/s2
0,93876 m/s2
PCB356B18 Asse X 01g G ch
PCB356B18 Asse Y 01g G ch
PCB356B18 Asse Z ,1g G ch
0,1 g
0,1 g
0,1 g
PCB356B18 Asse X 1g ch
PCB356B18 Asse Y 1g ch
PCB356B18 Asse Z 1g ch
1 g
1 g
1 g
±1 V
±1 V
±1 V
1
1
1
9,54280 m/s2
10,05123 m/s2
9,38756 m/s2
PCB356B18 Asse X 5g ch
PCB356B18 Asse Y 5g ch
PCB356B18 Asse Z 5g ch
5 g
5 g
5 g
±5 V
±5 V
±5 V
1
1
1
47,71401 m/s2
50,25615 m/s2
46,93780 m/s2
PCB333B30 1g G ch
PCB333B30 10g ch
PCB333B30 5g G ch
PCB333B30 50g ch
1
10
5
50
g
g
g
g
±1
±1
±5
±5
V 10
V 1
V 10
V 1
10,15528
101,55280
50,77640
507,76398
m/s2
m/s2
m/s2
m/s2
PCB353B17 10g G ch
PCB353B17 100g ch
PCB353B17 50g G ch
PCB353B17 500g ch
10
100
50
500
g
g
g
g
±1
±1
±5
±5
V 10
V 1
V 10
V 1
93,16239
931,62393
465,81197
4658,11966
m/s2
m/s2
m/s2
m/s2
Figura 29 : impostazioni drives.
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