Qual è la differenza tra un accelerometro e un sensore di inclinazione?

La terminologia che circonda i sensori di inclinazione può essere confusa e alcune delle domande più frequenti che sentiamo sono: "Qual è la differenza tra un accelerometro e un inclinometro?" e "Posso usare un accelerometro come sensore di inclinazione?".

TLDR: Gli accelerometri sono talvolta utilizzati per misurare l'inclinazione, ma sono spesso inaffidabili (per la misura dell'inclinazione) negli usi finali in cui sono presenti vibrazioni. Inoltre, possono usurarsi perché hanno parti in movimento, il che provoca una deriva dell'uscita nel tempo. Un altro problema comune è la distorsione all'accensione, che comporta una bassa ripetibilità e una bassa precisione delle misure di inclinazione.

In questo post forniremo una rapida spiegazione per aiutarvi ad acquistare il sensore giusto per la vostra applicazione.

Che cos'è un accelerometro?

Gli accelerometri misurano, come avete capito, l'accelerazione! Ma vengono utilizzati anche per misurare le vibrazioni, gli urti e l'inclinazione. Gli accelerometri misurano l'inclinazione osservando l'accelerazione subita dalla gravità terrestre (~9,8 ^m/s2 per chi non va a scuola da un po'). Le misurazioni più affidabili si ottengono quando l'oggetto a cui sono attaccati non è in movimento, per cui gli accelerometri sono spesso utilizzati insieme ad altri sensori, come i giroscopi, per correggere gli errori.

Gli accelerometri basati su MEMS (Micro-Electro Mechanical System) sono i più utilizzati per la misurazione dell'inclinazione grazie alle loro dimensioni ridotte, al basso costo e alla relativa facilità di integrazione.

Che cos'è un inclinometro?

Esistono diversi tipi di inclinometri (detti anche sensori di inclinazione), dai sensori meccanici a sfera e a bolla di bassa precisione, ai sensori capacitivi a liquido di maggiore precisione e ai sensori a forza bilanciata estremamente sensibili. Come gli accelerometri MEMS, anche gli inclinometri MEMS sono popolari per molte delle stesse ragioni (dimensioni ridotte, basso costo, semplice integrazione), ma poiché la tecnologia MEMS si basa su parti in movimento, tendono a usurarsi molto più rapidamente delle loro controparti elettrolitiche a fluido.

I sensori di inclinazione elettrolitici di Fredericks sono dispositivi resistivi basati sul fluido, il che significa che il sensore fornisce una tensione di uscita proporzionale all'angolo di inclinazione del sensore rispetto alla gravità (in base alla posizione del fluido). Un tipico sensore di inclinazione ha più elettrodi stazionari che si estendono nel fluido e la posizione è misurata dalla resistenza del fluido tra di essi.

Il sensore è montato su un circuito stampato e l'uscita del sensore è collegata a un ADC, o convertitore analogico-digitale. La lettura dell'ADC viene elaborata da un microcontrollore e trasformata in un'uscita di facile utilizzo: tutto questo insieme è ciò che noi di Fredericks chiamiamo inclinometro.

Pro e contro degli accelerometri per la misurazione dell'inclinazione

I vantaggi principali dell'uso degli accelerometri per la misura dell'inclinazione sono il costo relativamente basso, le dimensioni ridotte e il fatto che spesso sono confezionati in modo pratico (si pensi al montaggio superficiale e al pick-and-place), il che li rende un'opzione interessante per le applicazioni commerciali.

Il prezzo da pagare è che sono meno precisi perché sono progettati per misurare l'accelerazione. Per ottenere la stessa precisione di un sensore di inclinazione elettrolitico, il costo di un accelerometro aumenta drasticamente, e ci sono ancora problemi di deriva dell'uscita e di rottura dell'hardware nel tempo a causa delle parti mobili.

Comprendere i diversi fattori di precisione

Di seguito è riportato un diagramma che rappresenta la relazione tra ripetibilità e precisione. Dal diagramma si evince che se qualcosa (come un sensore di inclinazione o un inclinometro) non è ripetibile, non può nemmeno essere preciso. Esistono altri fattori che influenzano la precisione, in particolare la linearità.

Nei sistemi embedded in cui si utilizzano spesso sensori, è comune che la memoria e la velocità di elaborazione siano limitate. L'ideale sarebbe avere un sensore con un'uscita lineare, che consenta di utilizzare una conversione lineare (che richiede meno memoria e velocità ed è la più semplice da implementare).

In realtà la maggior parte dei sensori ha un'uscita non lineare, quindi può essere un po' impegnativo convertire l'uscita in un valore utilizzabile, in particolare in un sistema embedded. Esistono modi per gestire le uscite non lineari, due dei quali consistono nell'utilizzare l'interpolazione lineare a tratti (detta anche tabella di lookup) o l'interpolazione polinomiale, entrambe le quali richiedono una memoria e una velocità significativamente maggiori.

A causa delle variazioni da sensore a sensore nella loro uscita non lineare, a volte è necessaria una calibrazione individuale. Non bisogna dimenticare la caratterizzazione della temperatura, il bias all'accensione e la deriva. In conclusione, è difficile ottenere un'elevata precisione.

Applicazioni in cui i sensori elettrolitici di inclinazione lasciano gli accelerometri nella polvere

Per le applicazioni industriali, come il livellamento dei camper e la sicurezza dei veicoli da costruzione, i sensori di inclinazione elettrolitici e gli inclinometri sono spesso un'opzione migliore rispetto agli accelerometri MEMS.

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