Specifiche dell’inclinometro
Gli inclinometri, noti anche come sensori di inclinazione, clinometri o sensori di pendenza, sono progettati per misurare l’angolo di un oggetto rispetto alla forza di gravità. Questi dispositivi rilevano l’angolo di beccheggio e/o rollio e trasmettono i dati tramite l’interfaccia elettrica appropriata.
Principio di misurazione degli inclinometri MEMS
Gli inclinometri misurano l’angolo di orientamento di un oggetto rispetto alla forza di gravità. Questo avviene tramite un accelerometro che monitora l’effetto della gravità su una piccola massa sospesa in una struttura di supporto elastica. Quando il dispositivo si inclina, la massa si sposta leggermente causando una variazione di capacità tra la massa e la struttura. L’angolo di inclinazione viene calcolato a partire dai valori di capacità misurati.
Massa di prova con
Elettrodi
Molle
Elettrodi fissi
Fig. 1: Principio di un sensore MEMS
Il funzionamento può essere illustrato con un modello semplificato composto da due elettrodi: uno fisso e l'altro (la massa di prova) mobile, sospeso tramite molle (vedi Fig. 1). Quando l’inclinometro è in posizione orizzontale (Fig. 2.1), viene misurata la capacità tra gli elettrodi. Se il sensore viene inclinato (Fig. 2.2), la massa mobile e il suo elettrodo cambiano posizione rispetto all’elettrodo fisso. Il cambiamento di capacità viene rilevato dalla cella sensore e utilizzato per calcolare il nuovo valore di inclinazione.
Sensore MEMS in posizione orizzontale
Sensore MEMS in posizione inclinata
Fig. 2: Posizione di un sensore MEMS
Limitations of Static Inclinometers
Bei starken Stößen und Vibrationen reicht die physikalische Dämpfung statischer Inklinometer möglicherweise nicht aus, um Störungen zu unterdrücken. Software-Filter können diese nur begrenzt kompensieren. Bei statischen TILTIX-Inklinometern können „gleitende Mittelwert“- oder „exponentielle“ Filter aktiviert und konfiguriert werden, um das Signal zu glätten. Dies führt jedoch dazu, dass die schnelle Reaktionszeit des MEMS-Inklinometers verloren geht und die Sensorantwort langsamer wird.
Für dynamische Bewegungen mit starken Beschleunigungen sollten die dynamischen TILTIX-Inklinometer von POSITAL verwendet werden. Sie basieren auf einer anderen Technologie ohne physikalische Dämpfung, sodass keine Kompromisse zwischen Stabilität und Reaktionszeit erforderlich sind.
Inclinometro dinamico
Per applicazioni soggette a movimenti improvvisi, urti e vibrazioni, è fondamentale disporre di sensori con risposta rapida e segnale pulito. Gli inclinometri dinamici POSITAL combinano due principi di misurazione utilizzando due sensori MEMS distinti: un accelerometro 3D e un giroscopio 3D. L'accelerometro non è smorzato (a differenza di quelli usati negli inclinometri statici) e può rilevare con precisione movimenti dinamici rapidi. Il giroscopio misura la velocità di rotazione secondo principi inerziali. I segnali di entrambi i sensori vengono fusi per calcolare l'inclinazione, compensando completamente gli effetti delle accelerazioni. Di conseguenza, gli inclinometri dinamici TILTIX possono essere utilizzati con affidabilità su macchinari mobili come mezzi da costruzione, attrezzature minerarie, gru o in applicazioni robotiche.
Il diagramma seguente confronta le prestazioni di un inclinometro dinamico con giroscopio integrato con quelle di un inclinometro statico convenzionale, quando entrambi sono sottoposti a movimenti dinamici con forti urti e vibrazioni.
Misura dell’inclinazione su un escavatore in movimento
Algoritmo innovativo per risultati affidabili
Per applicazioni in cui sono presenti movimenti improvvisi, urti e vibrazioni, è fondamentale disporre di sensori con risposta rapida e uscita del segnale pulita. Gli inclinometri dinamici POSITAL combinano due principi di misurazione utilizzando due sensori MEMS differenti: un accelerometro 3D e un giroscopio 3D. L’accelerometro non è smorzato (a differenza di quelli usati negli inclinometri statici) e può seguire movimenti dinamici rapidi. Il giroscopio misura la velocità di rotazione secondo principi inerziali. I segnali di entrambi i sensori vengono combinati per fornire una misurazione dell’inclinazione che compensa completamente gli effetti dell’accelerazione. Di conseguenza, gli inclinometri dinamici TILTIX possono essere utilizzati in modo affidabile su macchine mobili come macchinari edili, attrezzature minerarie, gru o in applicazioni robotiche.
Il diagramma seguente confronta le prestazioni di un inclinometro dinamico con giroscopio integrato rispetto a un inclinometro statico convenzionale, quando entrambi sono sottoposti a movimenti dinamici con forti urti e vibrazioni.
Campo di misura e opzioni di montaggio
La serie di inclinometri TILTIX è disponibile in due varianti.
Doppio asse
Un sensore biassiale progettato per il montaggio orizzontale. Questa versione ha due uscite, una per l’asse X e una per l’asse Y. Ogni asse mostra l’angolo di inclinazione rispetto al campo gravitazionale.
Asse singolo
2. Una versione per la misurazione dell’inclinazione su un solo asse, progettata per il montaggio verticale, con uscita su un asse.
Funzionalità aggiuntive dell’inclinometro dinamico
Lo scopo principale degli inclinometri dinamici è fornire dati di inclinazione stabilizzati senza la necessità di configurare i parametri del sensore. Tuttavia, per i modelli con interfaccia CANopen, è anche possibile ottenere separatamente le forze di accelerazione (accelerometro) e la velocità di rotazione (giroscopio) su ciascun asse.
Queste misurazioni sono memorizzate in oggetti CANopen mappabili.
Monitorare la forza di accelerazione su uno o più assi può essere utile per implementare funzioni aggiuntive o caratteristiche di sicurezza lato controllore. Il controllore può ad esempio arrestare la macchina se viene superata una soglia di accelerazione.
Con l’informazione aggiuntiva sulla velocità di rotazione sull’asse X, è possibile rilevare e monitorare la rotazione orizzontale (yaw) della macchina.
Sarà il costruttore della macchina o l’integratore di sistema a decidere come utilizzare queste informazioni aggiuntive.
Elaborazione dei dati
Un microcontrollore ad alte prestazioni viene utilizzato per elaborare in tempo reale i segnali dei sensori e calcolare l’angolo di inclinazione corretto.
La temperatura viene monitorata e utilizzata dagli algoritmi di compensazione per correggere effetti indesiderati.
Algoritmi digitali intelligenti filtrano rumori ambientali e vibrazioni per garantire un segnale preciso e stabile in qualsiasi condizione.
Le non linearità dei sensori MEMS vengono rilevate tramite misure di riferimento durante la produzione e memorizzate come dati di calibrazione nel sensore stesso.
Durante il funzionamento, questi dati vengono utilizzati per correggere i valori grezzi e fornire un angolo di inclinazione linearizzato.
L’utente può inoltre impostare parametri personalizzati come una correzione dell’offset (Preset) o una funzione di scala (per uscite analogiche).
Specifiche comuni
Tempo di ciclo del sensore
È il tempo interno di aggiornamento del sensore. Un ciclo di 5 ms significa aggiornamento ogni 5 ms.
Tempo di ciclo dell’interfaccia
È il tempo di aggiornamento tramite l’interfaccia di comunicazione. Può essere regolato dall’utente.
Precisione assoluta
Scostamento massimo tra la posizione misurata e quella reale all’interno dell’intervallo specificato.
Offset
Quando posizionato a zero, il sensore può mostrare una leggera deviazione chiamata errore di offset.
Precisione dinamica
Misurata come la precisione assoluta, ma sotto vibrazioni e accelerazioni. POSITAL testa in laboratorio per simulare ambienti reali.
Condizioni di test:
Accelerazione lineare: 10 m/s² su un asse per 1 s
Vibrazioni: da 1 a 1000 Hz con 1 g
Risoluzione: È il più piccolo passo rilevabile dal sensore.
Isteresi: L’output del sistema dipende sia dall’ingresso attuale sia da quelli passati. Per un inclinometro, ciò significa che lo stesso angolo può restituire valori leggermente diversi in base alla traiettoria precedente.
Gradiente di temperatura: Descrive la variazione dell’angolo misurato in funzione delle variazioni di temperatura.
Tempo di assestamento: Indica quanto tempo impiega il segnale a stabilizzarsi entro il 5 % del valore finale.
Produzione di chip sensori MEMS
Grazie ai progressi nella produzione di dispositivi MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), questi sensori sono diventati prodotti di largo consumo con un eccellente rapporto prestazioni/prezzo. L’elemento di misura principale negli inclinometri TILTIX è una cella sensore MEMS incorporata in un ASIC completamente incapsulato.
