## Sensori di vibrazione
I **sensori di vibrazione** consentono la misura dei parametri cinematici (spostamento, velocità e accelerazione) in forma assoluta o relativa. La scelta del trasduttore ideale dipende dal campo di frequenza, dall'invasività del montaggio e dalle condizioni ambientali operative.
```mermaid
graph LR
A[Sensori di vibrazione] --> B[Spostamento]
A --> C[Velocità]
A --> D[Accelerazione]
B --> E[Sensori di prossimità]
C --> F[Vibrometri laser]
D --> G[Accelerometri piezoelettrici]
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classDef sub fill:#bbf,stroke:#333,stroke-width:2px;
class A main;
class B,C,D,E,F,G sub;
```
### Classificazione e criteri di scelta
La caratterizzazione delle vibrazioni richiede la misura di parametri cinematici riferiti a un sistema fisso (misure assolute) o a un altro corpo in movimento (misure relative).
La selezione del sensore ottimale si basa su:
- Tipo di macchina
- Dinamica e ampiezza del segnale atteso.
- Campo di frequenza del fenomeno vibratorio.
- [[Effetti di carico|Effetti di carico]] indotti dal sensore sulla struttura.
- Condizioni ambientali (temperatura, campi elettromagnetici).
#### Sensori di spostamento e prossimità
Per misurare lo spostamento relativo tra due organi meccanici (es. l'albero rotante e il supporto di una turbina) si utilizzano [[Sensori di movimento senza contatto|sensori senza contatto]], principalmente induttivi (correnti parassite), capacitivi o ottici.
- **Vantaggi**: ottima risposta a frequenza nulla (misure statiche) e a basse frequenze, assenza di usura, calibrazione semplice.
- **Svantaggi**: risposta limitata alle alte frequenze, necessità di alimentazione esterna e calibrazione dipendente dal materiale del target.
#### Sensori di velocità assoluti e relativi
La velocità di vibrazione può essere rilevata con sensori sismici elettromagnetici (assoluti) o tramite sistemi ottici.
- **Sensori elettromagnetici**: generano un segnale proporzionale alla velocità grazie al movimento relativo di una bobina in un campo magnetico. Sono robusti ma limitati alle basse frequenze dal rumore di fondo.
- **Vibrometri laser**: sfruttano l'effetto Doppler ottico per misurare la velocità relativa senza contatto. Offrono una risoluzione eccezionale e un range di frequenza estesissimo, eliminando completamente gli effetti di carico strutturale.
#### Accelerometri piezoelettrici
Nelle applicazioni industriali e di laboratorio, l'accelerometro piezoelettrico rappresenta lo standard per le [[Misure di vibrazioni|misure di vibrazioni]]. Il suo funzionamento si basa sulla forza d'inerzia esercitata da una massa sismica su un cristallo piezoelettrico, che genera una carica elettrica proporzionale all'accelerazione.
##### Parametri critici di selezione
- **Sensibilità**: un'elevata sensibilità richiede masse sismiche maggiori, aumentando l'ingombro del sensore.
- **Massa**: per evitare alterazioni della dinamica strutturale, la massa dell'accelerometro deve essere almeno 10 volte inferiore a quella della struttura sotto test.
- **Campo di misura (gamma di frequenza):** limitata inferiormente dall'elettronica di condizionamento ($\approx 1 \text{ Hz}$) e superiormente dalla frequenza di risonanza meccanica del sensore.
![[Pasted image 20260612161606.png]]
##### Tecniche di fissaggio e accoppiamento meccanico
Il metodo di montaggio introduce una rigidezza di contatto che agisce come uno dei [[Filtri|filtri]] meccanici passa-basso, limitando la banda utile:
| Metodo di fissaggio | Limite di frequenza tipico | Note |
| -------------------------------- | ----------------------------------- | ------------------------------------------ |
| Prigioniero filettato | Molto alto (
gt; 10 \text{ kHz}$) | Richiede foratura, accoppiamento ottimale |
| Colla cianoacrilica / Cera d'api | Alto ($\approx 3 - 5 \text{ kHz}$) | Ottimo compromesso non distruttivo |
| Base magnetica | Medio ($\approx 1 - 2 \text{ kHz}$) | Rapido, richiede superfici ferromagnetiche |
| Sonda a spillo manuale | Basso (lt; 500 \text{ Hz}$) | Solo per verifiche rapide e grossolane |
*TABELLA: Confronto tra metodi di fissaggio per accelerometri*
##### Fattori di disturbo
Le prestazioni possono essere degradate da transitori termici (depolarizzazione del cristallo sopra i $250^{\circ}\text{C}$), sensibilità trasversale (solitamente lt; 1\%$), deformazioni della base di fissaggio e rumore triboelettrico nei cavi di collegamento.
#### Vibrometria laser a scansione
Per mappare i modi di vibrare di strutture complesse senza alterarne la dinamica si impiega il vibrometro laser a scansione. Questo sistema indirizza automaticamente il fascio laser su una griglia di punti definita dall'utente, ricostruendo la mappa spaziale delle velocità di vibrazione e consentendo l'analisi modale sperimentale ad altissima risoluzione spaziale.
![[Pasted image 20260612161928.png]]
*Figura: Esempio di vibrometria laser per lo studio delle vibrazioni di una ventola*
### Esempi ed esercizi
#### 1. Esempio pratico (Tecnica di Feynman)
Immagina di voler misurare l'oscillazione di un righello di plastica fissato al bordo di un tavolo. Se gli incolli sopra un grosso sasso (un sensore troppo pesante), il righello oscillerà molto più lentamente rispetto a prima: hai appena alterato la misura a causa degli effetti di carico.
Se invece usi un puntatore laser da lontano per tracciare il movimento della punta del righello, non aggiungi alcuna massa e ottieni la misura reale. Questo è lo stesso principio per cui si preferisce la vibrometria laser rispetto agli accelerometri pesanti quando si studiano membrane sottili o piccoli componenti elettronici.
##### Domande di teoria
- [ ] Quali sono i principali vantaggi e svantaggi dei sensori di prossimità induttivi rispetto agli accelerometri piezoelettrici?
- [ ] Descrivi l'effetto della massa di un accelerometro sulla frequenza di risonanza misurata di una struttura leggera.
- [ ] Perché il metodo di fissaggio di un accelerometro influenza la sua banda passante superiore?
##### Esercizi
- [ ] Un accelerometro piezoelettrico di massa $m_s = 50 \text{ g}$ viene montato su una struttura di massa $m = 150 \text{ g}$ avente frequenza naturale pari a $120 \text{ Hz}$. Stimare l'errore percentuale sulla frequenza naturale indotto dall'effetto di carico del sensore.
- [ ] Calcolare la massima frequenza misurabile con accuratezza del 5% da un accelerometro montato tramite base magnetica, sapendo che la frequenza di risonanza del sistema di montaggio è pari a $2 \text{ kHz}$.
### Collegamenti
---
*Per risposte, ulteriori esercizi e approfondimenti consultare le risorse di riferimento.*
> [!info]- Risorse
> ![[!Misure meccaniche e termiche#Risorse#Bibliografia]]
> ![[!Misure meccaniche e termiche#Risorse#Approfondimenti]]