ITPZ20130004A1 - Sistema per l'acquisizione di dati da sensori rumorosi - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Nel mondo scientifico, con particolare riferimento a quello che si occupa del monitoraggio territoriale ed ambientale, ma non necessariamente limitatamente a questo, si utilizzano normalmente sensori con un range dinamico piuttosto elevato che sono però particolarmente costosi. Questo è dovuto al fatto che la qualità si ottiene di regola tramite sensori di tipo elettro-meccanico, si pensi ad esempio agli accelerometri a bilanciamento di forza, che sono conseguentemente costosi da produrre.

In anni recenti sono stati resi disponibili tutta una serie di sensori a bassissimo costo, i MEMS, Micro Electro-Mechanical Systems, che hanno costi dell’ordine di un millesimo di quello dei sensori tradizionali. Essi tuttavia sono in genere caratterizzati da una forte rumorosità, che aumenta inoltre aH'aumentare della frequenza di campionamento considerata, normalmente secondo un legge del tipo cosi. (Hz,/2). Esistono in effetti sul mercato sensori MEMS caratterizzati da rumorosità sensibilmente più basse. Essi tuttavia, non essendo prodotti in quantità industrialmente rilevanti, raggiungono costi non dissimili a quelli dei sensori tradizionali, senza eguagliarne totalmente le prestazioni. Vi è quindi la necessità di soddisfare un segmento di mercato intermedio che permetta di fornire prestazioni soddisfacenti senza portare ai costi elevati degli attuali strumenti, che rappresentano di conseguenza un grosso limite alla diffusione di questi sensori. Nel caso degli accelerometri, ad esempio, il Dipartimento della Protezione Civile dispone di poche centinaia di sensori mentre in Italia vi sono ben 8.000 comuni ed un numero ancora più rilevante di centri urbani. Strumenti che costino il 5 od il 10% di quelli attuali potrebbero potenzialmente coprire l'intero territorio.

Lo scopo della presente invenzione è quello di fornire un sistema a costo relativamente basso, che, utilizzando i nuovi sensori MEMS, possa permettere un monitoraggio di qualità sufficiente per utilizzi di tipo tecnico-scientifico. Tali sensori forniscono un segnale analogico, in termini di variazione di voltaggio di una corrente positiva, proporzionale al segnale misurato.

Il sistema oggetto della presente invenzione si basa sul principio di utilizzare numerosi sensori a basso costo. Una procedura di somma dei segnali che escono da tali sensori, assicura una forte riduzione della rumorosità elettrica presente in essi, nella fattispecie la soglia viene abbassata di un fattore N dove N è il numero di sensori. Se tuttavia il flusso di dati analogici che tali sensori generano venisse immediatamente digitalizzato e poi sommato, sarebbe necessario prevedere un filtro hardware anti-aliasing ed un canale del convertitore analogicodigitale per ciascun canale del sensore e tali componenti sono, a loro volta, molto costosi. In particolare, date le caratteristiche ad alta frequenza del rumore, i filtri devono essere molto sofisticati per poter troncare efficacemente le frequenze più alte che consistono essenzialmente di rumore. La soluzione quindi è uno strumento che utilizzi un certo numero di sensori MEMS in parallelo, i cui segnali vengano prima sommati in modo analogico e poi filtrati e digitalizzati. Per essere l'invenzione efficiente e di semplice realizzazione, è necessario che le tensioni presenti nel circuito rimangano molto basse. Tramite opportune resistenze, il voltaggio del segnale analogico viene pertanto abbassato prima della somma analogica. Il principio quindi e di dividere per 1/N il voltaggio proveniente da ciascun sensore e poi di sommarlo analogicamente.

L’invenzione viene descritta con riferimento alla Figura 1 annessa, che illustra un esempio non limitativo di alcun modo di realizzazione dell'invenzione, per mezzo dello schema elettrico della sola porzione dello strumento oggetto della presente invenzione, quindi solamente di un modo per realizzare la somma analogica del segnale: a valle di questo bisogna prevedere sia la presenza di un sistema di filtraggio anti-aliasing che di un conertitore analogico-digitale.

Facendo riferimento alla Figura I, si illustra lo schema elettrico del sommatore analogico del segnale proveniente dai sensori MEMS. Con (1) si indicano una serie di sensori MEMS alimentati con tensione positiva (2) e con relativa messa a terra (3). Il segnale analogico in uscita dai sensori (1) incontra poi una resistenza (4) e, tramite un nodo (5), viene ripartito fra un ramo caratterizzato da una resistenza (6) di feedback che, essendo di valore inferiore a quello della resistenze (4), ha l'effetto di ridurre l'ampiezza del segnale, ed un altro ramo che, tramite un amplificatore operazionale (7), sì ricollega al primo ramo nel nodo (8) per poi uscire verso un sistema di filtri anti-aliasing ed il convertitore analogico digitale, non illustrati. L'amplificatore operazionale (7) viene alimentato con tensione negativa (9) ed è dotato di relativa messa a terra (10). La resistenza (11) viene dimensionata in modo tale da minimizzare le correnti parassite provenienti dall'ingresso invertente. Eventuali variazioni della tensione di alimentazione (9) vengono bilanciate con un condensatore polarizzante (12), dotato di relativa messa a terra (13). La tensione in uscita dall'amplificatore operazionale (7) sarà ovviamente negativa e dovrà essere successivamente essere invertita.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un sistema per l'acquisizione dì dati da sensori ad elevato rumore elettrico e a basso costo caratterizzato dal fatto di essere costituito da numerosi sensori posti in parallelo nel quale il segnale analogico proveniente da ciascun sensore modulato in termini di variazioni di voltaggio viene prima abbassato e poi sommato analogicamente.
2. 2. Un sistema per l’acquisizione di dati da sensori ad elevato rumore elettrico e a basso costo in accordo al punto 1 caratterizzato dal fatto che i sensori alimentati con tensione positiva e dotati di relativa messa a terra danno un segnale analogico in uscita che tramite una resistenza viene convogliato in un nodo a cui afferiscono tutti i segnali analogici provenienti da ciascun sensore e che a sua volta si divide in due rami in uscita dove il primo ramo in uscita dal nodo consiste in una resistenza di valore inferiore alle resistenze poste immediatamente dopo i sensori e il secondo ramo consiste in un amplificatore operazionale la cui uscita si ricollega al primo ramo tramite un nodo che ha un ramo in uscita verso un sistema di filtraggio hardware anti-aliasing ed un convertitore analogico digitale caratterizzato inoltre dal fatto che operazionale è alimentato da un circuito con tensione negativa e con relativa messa a terra e stabilizzata da un condensatore polarizzato con relativa messa a terra nel quale le correnti parassite dell'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale vengono minimizzate tramite una resistenza posta prima dell'ingresso non-ìnvertente.
3. 3. Un sistema per l’acquisizione di dati da sensori ad elevato rumore elettrico e a basso costo in accordo ai punti 1 e 2 caratterizzato dal fatto che i sensori sono preferibilmente di tipo MEMS.
4. 4. Un sistema per l'acquisizione di dati da sensori ad elevato rumore elettrico e a basso costo in accordo ai punti 1, 2 e 3 caratterizzato dal fatto che i sensori sono preferibilmente accelerometri.