In questo lavoro il comportamento di una rete di sensori MEMS ad altarisoluzione, viene affrontato attraverso le seguenti fasi:

1. Test di validazione sul sistema di sensori inerziali:

a) in laboratorio

b) in ambiente esterno

c) per differenti valori di frequenze di acquisizione e differenti valori di fondo scala

2. Studio di una serie storica di dati

Vantaggi dei MEMS

Svantaggi dei MEMS

� Basso consumo energetico� Peso ridotto, minimo ingombro e semplicità di installazione� Migliori performance specifiche per ciascuna applicazione� Trasmissione wireless� Low cost (circa 400 euro)-costi inferiori rispetto ai dispositivi tradizionali� Modularità (interfacciabile con differenti tipologie di sensori)� Flessibilità di impiego (differenti contesti di applicazione)

� Complessa gestione dell’enorme mole di dati� Disposizione e numero di accelerometri da impiegare� Sostituzione delle batterie nel tempo

• Terna di accelerometri MEMS

• Piastra metallica solidalead un teodolite

Monitoraggio ad alta risoluzione temporale di tutti gli stati di navigazione, ossia posizione, velocità e assetto negli istanti di campionamento

Movimento contemporaneo dei tre sensori

TEST N.01: TEST STATICO DELLE SEI FACCE Si esegue il test statico delle sei facce (six position static test), unaprocedura “a basso costo” volta alla determinazione degli errori sistematicied accidentali.

ERRORI SISTEMATICI BiasFattore di scala

ERRORI ACCIDENTALI Noise di osservazione

I parametri stimati rappresentano gli errori strumentali e vengonoutilizzati per correggere le accelerazioni statiche rilevate dal sensore.

MODELLAZIONE DELLA PROVA

I parametri ba , sa e cT possono essere ritenuti costanti, con valore da determinarsi nel corso di una misura statica della durata di 15÷20 min.

La terna di accelerometri può essere scomposta secondo l’equazione

Durante il test il sensore inerziale è posto su un piano livellato, con il sistema di riferimento che assume alternativamente le sei possibili posizioni.

Secondo il modello le equazioni di osservazione degli accelerometri nelle due configurazioni verticali possibili sono:

Bias

Fattore di scala

TEST IN LABORATORIO TEST ALL’ESTERNO

CONSIDERAZIONI SUI RISULTATI

TEST N.02: VALIDAZIONE DEI PARAMETRI DI ACQUISIZIONE

Frequenza di acquisizione

Fondo scala

40 Hz

160 Hz

640 Hz

±2 g

±6 g

Il test si propone di caratterizzare la strumentazione accelerometrica variando i parametri di acquisizione quali:

±2 g

±6 g

Configurazione di riferimento

CASO DI STUDIOMonitoraggio relativo al costone in frana prospiciente la stazione ferroviaria di Castellammare di Stabia

Una rete discreta di sensori accelerometrici triassiali ad alta densità di punti di misura realizza un monitoraggio di potenziali instabilità lungo il versante a varia pendenza prospiciente il 3° binario

Monitoraggio in continuo• cinematica lenta

• cinematica veloce

IL SISTEMA DI MONITORAGGIO

1 5

11

27

20

24

17

1

28

10

14

26

29

1 2

2

9

19

13

8

22

21

25

7

16

5

43

48

4 534

18

3330

53

36

44 6

23

49

3 7

3

504 0

393 1

3 842

52

51

32

41

46

BINARIO 3

BINARIO 3

BINARIO 3

BINARIO 3

Area protetta con rete

STAZIONE

BINARIO 2

BINARIO 1

Binario

Unità Funzionale

4

35

47

PLANIMETRIA GENERALE E CABLAGGIO

� Rete wireless di 50 UF - Unità Funzionali�1 UAD – Unità Acquisizione Dati� Software di acquisizione dati

Sensori accelerometrici MEMS installati suun’asta rigida di un metro che funzionanocome inclinometri

STATO DEL SISTEMA DI MONITORAGGIOLo stato finale del sistema è una funzione degli stati assunti dalle singole Unità Funzionali.

STATO NORMALE

∆i<Spa

PRE-ALLARME

Spa<∆i<Sa

STATO DI ALLARME

∆i>Sa

∆i: variazione dell’inclinazione rispetto all’acquisizione precedenteSa: soglia di allarme Spa: soglia di pre-allarme

RISULTATI -SpostamentiRISULTATI - Inclinazioni RISULTATI MONITORAGGIO SERIE STORICA

ACCELERAZIONI σ =10-3÷10-4 g

SPOSTAMENTI• Spostamento massimo lineare globale ∆s [m] = 3,18·10-3 per il sensore n.46

• Inclinazione massima globale angolare rispetto la verticaleα [°] = 3,62·10-2 del sensore n.34

IN DEFINITIVA: • Gli spostamenti sono decisamente trascurabili• I valori minimi delle inclinazioni rispetto alla verticale possono essere attribuiti alle condizioni climatiche del sito; infatti l’area risulta particolarmente battuta dai venti che generano delle micro-sollecitazioni alla strumentazione installata.

INCLINAZIONI

1) TEST STATICO DELLE SEI FACCE

3) RETE DI MONITORAGGIO

SVILUPPI DELLA RICERCA - Studio di un “cluster”di sensori per il fitraggio del rumore installati su versanti in frana;- Modalità di monitoraggio real time attraverso l’analisi di serie temporali a lungo periodo;- Confronto della tecnica MEMS con la strumentazione geodetica tradizionale.

- Affidabilità strumentale- Precisione test eseguito in laboratorio di σ =10-3÷10-4g- Precisione test eseguito all’esterno σ =10-4÷10-5g

2) TEST PARAMETRI DI ACQUISIZIONE

- Frequenza di acquisizione di 40 Hz- Fondo scala di 2g

- Inclinazioni rispetto la verticale di 10-2gradi- Spostamenti lineari di 10-3m

±2 g

±6 g

±2 g

±6 g

±2 g

±6 g

±2 g

±6 g

±2 g

±6 g

±2 g

±6 g

±2 g

±6 g

±2 g

±6 g

±2 g

±6 g

±2 g

±6 g

±2 g

±6 g

±2 g

±6 g

±2 g

±6 g

±2 g

±6 g

±2 g

±6 g

±2 g

±6 g

OBIETTIVI• Illustrazione di una tecnica di monitoraggio a basso costo e alta densità di punti di misura dello strato superficiale di versanti in frana;• Tecnica di monitoraggio basata sulla tecnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System);• Presentazione dei tests di calibrazione e di sensibilità al fine di stimare i principali parametri di errore sistematico;• Risultati della elaborazione di una serie temporale mensile di sensori accelerometrici installati su un versante franoso prospiciente la linea ferroviaria della Circumvesuviana di Napoli.

• Monitoraggio topografico degli spostamenti

• Prevenzione frane

• Monitoraggio strutturale

• Monitoraggio sismico

• Monitoraggio ferroviario

AMBITI DI APPLICAZIONE

Gamma molto vasta di impieghi, dalle applicazioni aeronautiche e marittime, al controllo automatizzato di mezzi in movimento, al monitoraggio:

LA CALIBRAZIONE DEI SENSORI ACCELEROMETRICI MEMS

CASO DI STUDIO: UNA RETE PILOTA DI SENSORI PER IL MONITORAGGIO DELLE FRANE

SENSORI ACCELEROMETRICI PER IL MONITORAGGIO IN CONTINUO DI VERSANTI IN FRANA

Maria Grazia D’Urso* Francesco Cavaliere** Mattia Crespi ***

*Di.M.S.A.T. - Università di Cassino Via G. Di Biasio, 43 – 03043 Cassino (FR) - durso@unicas.it**Libero professionista Via A. Aligerno, 03043 Cassino (FR) cavalierefrancesco@inwind.it

***DICEA - Area Geodesia e Geomatica -Università La Sapienza Via Eudossiana, 00198 Roma-mattia.crespi@uniroma1.it