Range dell'accelerometro

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Il campo di misura dell’accelerometro definisce l’accelerazione massima misurabile che un sensore è in grado di rilevare con precisione senza saturarsi. I produttori specificano questo parametro come valore simmetrico a fondo scala, ad esempio ±2 g, ±8 g, ±16 g, ±50 g o ±100 g, dove 1 g = 9,80665 m/s². Il campo di misura selezionato determina l’accelerazione massima in ingresso, influenzando direttamente la risoluzione di misura, la quantizzazione e le prestazioni in termini di rumore.

Un accelerometro converte lo spostamento della massa di prova in un segnale di uscita digitale utilizzando un convertitore analogico-digitale (ADC). Per un ADC a N bit, il passo di quantizzazione teorico è

$$\Delta a = \frac{2A_{FS}}{2^N},$$

dove $A_{FS}$ è l'intervallo positivo a fondo scala. Aumentando l'intervallo di misura si allarga il bit meno significativo (LSB), riducendo la risoluzione teorica del sensore. Sebbene i moderni sensori inerziali Sebbene in genere si mantenga costante la risoluzione digitale regolando il guadagno interno, la densità effettiva del rumore aumenta generalmente all’aumentare degli intervalli di misura.

La selezione di un intervallo insufficiente provoca la saturazione dell'uscita ogni volta che

$$|a| > A_{FS},$$

impedendo al sensore di rilevare l'accelerazione reale. La saturazione provoca il clipping e compromette l'integrazione inerziale. Ciò degrada rapidamente la stima della velocità e della posizione in un INS. Al contrario, la scelta di un intervallo eccessivamente ampio riduce la sensibilità alle accelerazioni di basso livello. Ciò diminuisce il rapporto segnale-rumore (SNR), specialmente durante le misurazioni quasi-statiche.

Dinamiche nelle applicazioni reali

L'intervallo ottimale dell'accelerometro dipende dalle dinamiche previste dall'applicazione. La topografia di precisione, la mappatura mobile e le piattaforme marine stabilizzate danno generalmente priorità a un basso livello di rumore. Questi sistemi operano con intervalli moderati, tipicamente da ±2 g a ±8 g. Le piattaforme ad alta dinamica richiedono intervalli più ampi per evitare la saturazione durante manovre aggressive. Ne sono esempi i missili, le munizioni vaganti, gli UAV da competizione, i veicoli di lancio e i sistemi di monitoraggio degli impatti.

Nella navigazione inerziale, l’intervallo dell’accelerometro non dovrebbe mai essere considerato in modo isolato. Deve essere valutato insieme all’instabilità di bias, alla precisione del fattore di scala e alla larghezza di banda. Altri parametri critici includono l’errore di rettifica delle vibrazioni (VRE), la frequenza di campionamento e la densità di rumore. Un intervallo correttamente selezionato garantisce che il sensore rimanga all’interno della sua regione operativa lineare. Ciò massimizza la fedeltà della misurazione e migliora la stima dell’assetto. In definitiva, migliora la precisione della navigazione a stima e INS complessiva INS in ambienti operativi impegnativi.