Appunti completi esame di "Sensori e strumenti per misure meccaniche e termiche"

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Bcirca 10 m/s. –Figura 8.9 Esempio di vibrometro Mach-Zender2. Nel caso in cui la superficie dell’oggetto da misurare sia sufficientemente diffusivaè necessario interporre, lungo il cammino ottico, una lente.In questo modo si ottiene il grosso vantaggio che non si ha la necessità di allineare ladirezione di vibrazione e lo strumento, ma si ha lo svantaggio che i fasci laser di ritornohanno intensità diverse proprio perché la superficie reale (in parte diffusiva ed in partespeculare) riflette con intensità massima in direzione parallela al fascio incidente, e poi, via via“ventaglio”:decrescente all'aprirsi delFigura 8.10 - Fascio laser incidente sulla superficie del misurandoNel caso si utilizzi una lente, quindi, il segnale in uscita dall’amplificatore è: (35)Diffusione della luceNel caso in cui la superficie oggetto della scansione sia caratterizzata da una riflessione perfetta(come per esempio con uno

Il testo formattato con i tag HTML sarebbe il seguente:

Lo specchio) tutta la radiazione incidente viene riflessa appunto in un' unica direzione dello spazio: l'angolo di riflessione è uguale all'angolo di incidenza. Affinché, quindi, lo strumento possa funzionare è necessario che questo venga posizionato in modo perfetto: ovvero il raggio laser deve incidere sulla superficie in modo perfettamente ortogonale (angolo di incidenza nullo).

Nel caso in cui la superficie oggetto della scansione è caratterizzata da una diffusione perfetta (superficie ideale che non esiste) la luce viene riflessa in tutte le direzioni dello spazio con la medesima intensità. In questo caso, quindi, non è necessario avere alcun allineamento. Però, per raccogliere una quantità di luce sufficientemente grande, si devono utilizzare delle lenti. Chiaramente, maggiore è la lente e più grande sarà il segnale in uscita.

Le superfici reali riflettono la luce in parte in modo diffusivo ed in parte in modo speculare: ovvero la riflessione avviene in tutte le regioni dello spazio ma per la maggior parte nella direzione speculare. Le caratteristiche di emissione dei corpi reali, quindi, consigliano non solo l'utilizzo di una lente per raccogliere quanta più radiazione possibile, ma anche l'allineamento dello strumento di misura.

Fonti di rumore:

Quando una radiazione coerente (come quella laser, cioè in fase) incide su di una superficie reale perde parte della sua coerenza perché la superficie non è perfettamente liscia.

Questo fenomeno prende il nome di speckle ed è causa di un rumore nello strumento. Un'altra fonte di errore è chiamato drop-out ed è causato dalla combinazione dell'effetto speckle e del movimento della superficie dell'oggetto. Infatti, se la

superficie si muove il raggio laser non colpisce sempre lo stesso punto. Applicazioni di vibrometria laser: 1) Vibrometro single-point: Con questi strumenti si misura la velocità di vibrazione su un solo punto; quindi i vibrometri single-point hanno piccole aree di misura e non consentono misurazioni contemporanee in diversi punti dello spazio. 2) Vibrometro a scansione: Attraverso l'utilizzo di un vibrometro a scansione è possibile costruire mappe del campo di vibrazione della superficie di un oggetto. La tecnica utilizzata è semplicemente quella di misurare la vibrazione in più punti della superficie e poi unire tutti i dati raccolti in una mappa. In questo modo è anche possibile effettuare l'analisi modale dell'oggetto in questione. Chiaramente, la scansione dei singoli punti non avviene in simultanea; inoltre, il vibrometro non è in grado di misurare la vibrazione assoluta della superficie ma solamente

La suacomponente normale (per i motivi già visti). Un esempio di vibrometro a scansione lo possiamo vedere nell'immagine sottostante:

Il fascio laser viene collimato (allineato) attraverso un obiettivo ottico; successivamente, dei motorini passo-passo in corrente continua azionati dal computer movimentano un sistema di prismi che serve per direzionare il fascio laser nella giusta direzione. Per garantire una più elevata precisione nel direzionamento del raggio laser i motori passo-passo sono controllati in retroazione.

La proiezione della superficie misuranda viene visualizzata sullo schermo del PC dove un apposito algoritmo genera una griglia di punti che il sistema si appresterà a scansionare. I sistemi attuali arrivano a generare delle griglie di scansione di 512 x 512, con i punti che possono essere anche molto ravvicinati tra di loro. Inoltre, il sistema necessita di una scheda di conversione del

Segnale digitale-analogico. I maggiori problemi legati ai vibrometri a scansione sono rappresentati dal comportamento dinamico del sistema di specchi che direzionano il raggio laser. In generale il tempo di posizionamento e stabilizzazione del sensore è minore di 10 ms, con un'accuratezza del raggio di 300μrad. L'uscita del vibrometro a scansione è la storia temporale di ogni punto di scansione, della quale si può calcolare il valore quadratico medio (RSM) oppure lo spettro in frequenza. Un parametro molto importante del vibrometro a scansione è rappresentato dalla frequenza di campionamento e dalla durata del campionamento stesso. Le applicazioni per un vibrometro a scansione sono molteplici: può essere utilizzato per verificare le vibrazioni causate da un macchinario sull'essere che lo sta utilizzando per vedere se queste rientrano nei limiti imposti dalle leggi. Può essere utilizzato per effettuare l'analisi modale di un oggetto.

utilizzare un sensore di vibrazione, che può essere un accelerometro o un sensore piezoelettrico. Questo sensore è in grado di rilevare le variazioni di accelerazione causate dalle vibrazioni dell'oggetto in movimento. Una volta ottenuti i dati dal sensore, è possibile visualizzarli e analizzarli utilizzando un software apposito. Questo permette di studiare le caratteristiche delle vibrazioni, come la frequenza, l'ampiezza e la forma d'onda. I vibrometri a scansione sono strumenti molto utili in diversi settori, come l'ingegneria meccanica, l'industria automobilistica e l'acustica. Consentono di valutare la qualità e l'affidabilità di componenti e sistemi soggetti a vibrazioni, individuando eventuali problemi o difetti. In conclusione, i vibrometri a scansione sono strumenti indispensabili per lo studio e la misurazione delle vibrazioni, sia su oggetti in movimento che su componenti come le membrane degli altoparlanti. Grazie a questi strumenti è possibile analizzare e ottimizzare le prestazioni di vari dispositivi e garantire una migliore qualità del suono e del movimento.sincronizzare i movimenti dell'oggetto con i movimenti del sistema di scansione. È necessario, in poche parole, dotare il sistema di misura di un sistema di inseguimento. Un esempio è rappresentato dalla misurazione di oggetti in rotazione, come ad esempio l'elica di una turbina:

3) Vibrometro tangenziale I vibrometri tangenziali sono strumenti formati da due vibrometri single-point concentrati in un solo punto. Se quel punto sta traslando in direzione tangenziale, anziché ortogonale come visto finora, si creano delle frange di interferenza grazie alle quali si è in grado di misurare la velocità della vibrazione tangenziale.

Dato che il funzionamento dei vibrometri tangenziali è lo stesso del vibrometro

laser-Doppler, è necessario che la superficie sia il più diffusiva possibile.

4) Vibrometro torsionale

Eccetto i vibrometri tangenziali appena visti, con i vibrometri analizzati fin'ora si rilevano vibrazioni solamente nella direzione del raggio incidente. Questo perché un interferometro fornisce in uscita una frequenza Doppler proporzionale alla componente di velocità lungo il raggio incidente.

I vibrometri torsionali sono in grado di misurare le vibrazioni angolari di un oggetto a mezzo ω(t), della misura della legge temporale della velocità angolare dalla quale si ricavano θ(t) α(t).le leggi dell'angolo di rotazione e dell'accelerazione angolare ω(t)

La misura della si basa sull'utilizzo di due interferometri single-point i quali danno un segnale proporzionale al valore della velocità lungo la direzione del raggio laser. Le due velocità sono legate, l'una all'altra,

dall'atto di rotazione dell'oggetto stesso. Quindi, dalle informazioni fornite dai due interferometri, si ricava il valore della velocità angolare. La spiegazione, da un punto di vista geometrico, è che i due interferometri forniscono in uscita una frequenza Doppler pari a: (36)ma, come già detto, le velocità v1 e v2 dipendono dall'atto di moto del sistema (quindi dalla ω) e velocità istantanea di rotazione da alcune caratteristiche geometriche: (37)

Si può sostituire il valore della velocità v1 all'interno dell'espressione della frequenza Doppler e fare la somma tra le due frequenze Doppler: ad ω)(f è proporzionale (38) dove con d è stato indicata la distanza tra i due interferometri:

È stato dimostrato, dunque, che la somma dei segnali

provenienti dai due interferometridipende solamente dalla distanza d tra i due interferometri, che è un dato noto, e dalla velocitàangolare dell’oggetto, cioè la grandezza che si vuole determinare.

L’elettronica di controllo di un vibrometro torsionale, come si nota dallo schema sottostante, èin grado di calcolare: direttamente la velocità angolare media. Si sommano le frequenzeprovenienti dai due vibrometri nel mixer e si ottiene la frequenza media f dalla quale si risaledωalla media.

La differenza di velocità angolare. Sempre nel mixer si effettua la differenza delle∆f ∆ω. ∆ω ∆Φ.frequenze, si ottiene e poi Integrando si calcola lo spostamento angolaredE' bene notare che, per un sistema come quello rappresentato in figura, è molto più precisa la∆ω piuttosto ω datomisura de