Due giovani ingegneri Per V. Brüel e Viggo Kjær, laureati in Ingegneria Elettrica nel 1939, hanno deciso di fondare un’azienda assieme.

Ritennero necessario, prima di iniziare, migliorare le loro conoscenze e approfondire l’esperienza pratica: P.V. Brüel divenne l’assistente del prof. P.O. Pedersen in un laboratorio di acustica di recente costituzione e V. Kjær iniziò a lavorare come ingegnere di sviluppo in un’azienda di produzione di radio danese.

Nel 1942 fu fondata l’azienda Brüel & Kjær. I primi strumenti costruiti furono analizzatori e generatori nel campo delle frequenze audio ma già dal 1943 iniziò lo sviluppo e la vendita del primo trasduttore di vibrazioni.

Le prime realizzazioni

Per V. Brüel seguì lo sviluppo del settore acustico attraverso il Journal of the American Society of Acoustics (J.A.S.A.) finchè divenne indisponibile in Europa a causa della guerra.

In uno degli ultimi numeri Benjamin Baumzweiger aveva fornito una descrizione di un trasduttore di vibrazioni che impiegava un cristallo piezoelettrico; Brüel vide immediatamente la sua possibilità di impiego per lamisura e l’analisi di vibrazioni e di rumore.

In fig. 1 è presentato il primo schizzo di un accelerometro che divenne il modello 4301 venduto a partire dal 1943. Questo modello fu rapidamente sviluppato nei modelli 4302 e 4303 (fig. 2). Tutti questi accelerometri erano costruiti a partire da sali di cristallo Rochelle realizzati attraverso colture di soluzioni chimiche. I cristalli grezzi dovevano essere tagliati alle forme e dimensioni corrette ed incollati assieme per ottenere il prodotto desiderato.

Le ceramiche e l’importanza del contenitore

I principali svantaggi degli accelerometri realizzati coi Sali di Rochelle era che il cristallo si distruggeva se soggetto a:

• Temperature superiori a 50 – 55 °C anche per brevi periodi
• Umidità dell’aria superiore all’85% per più di un periodo molto breve
• Umidità dell’aria inferiore al 30% per periodi prolungati
• Carichi in tensione o in compressione superiori a 15 MN/m²

Il primo di questi problemi era particolarmente serio specie quando il trasduttore veniva posto su un’autovettura calda. Il secondo ed il terzo problema poteva essere in qualche modo superato mediante l’impiego di un idoneo contenitore ma la scarsa resistenza non poteva essere migliorata: se l’accelerometro cadeva si distruggeva.

All’inizio degli anni ’50 è stata presentato un nuovo materiale, basato su una ceramica ferroelettrica polarizzata il Titanato di bario (BaTiO3), che poteva essere impiegato per realizzare accelerometri. Immediatamente P.V. Brüel e C. G. Wahrman progettarono un nuovo accelerometro a partire da questo nuovo materiale e nel 1955 è stata realizzata la nuova famiglia di accelerometri 4306 e 4307.

Osservando la sezione trasversale dell’accelerometro si intuisce l’idea geniale di impiegare il contenitore come protezione e la molla per ottenere un ottimo rapporto segnale/massa ma, anche, che le forze esterne agiscono solo sulla massa eliminando qualsiasi segnale d’uscita sbagliato (nessuno delle centinaia di utilizzatori si lamenta di ciò!). Con la realizzazione di questo nuovo progetto iniziò la rapida sostituzione dei presedenti accelerometri con l’introduzione del modello 4308. Questo accelerometro presentava un contenitore rigido e una molla, posta tra contenitore e massa, fu impiegata per disaccoppiare la massa dal contenitore e per fornire la forza di precarico.

Subito a seguire divenne disponibile un nuovo materiale il Titanato Zirconato (meglio conosciuto come PZT) e dal 1957 furono prodotti i nuovi accelerometri modello 4308, 4309, 4310 e 4311.

Il decennio del DeltaShear®

All’inizio degli anni ’70 furono impiegate molte risorse per migliorare la stabilità e la ripetibilità delle ceramiche piezoelettriche e il risultato fu il materiale chiamato PZ23. Contemporaneamente alla sostituzione dei vecchi modelli di accelerometro furono realizzati nuovi modelli con attacco centrale dall’alto in grado di garantire una bassa sensibilità alle deformazioni della base anche se a spese di una minore frequenza di risonanza.

Con l’avvento della norma ANSI S2.11-69 fu imperativo misurare tutti i parametri del trasduttore e divenne evidente che i trasduttori a compressione avevano diverse limitazioni rispetto a quelli con tecnologia a taglio che iniziavano ad essere impiegati in modo massiccio. Le principali aree di preoccupazione erano la sensibilità alle deformazioni della base e ai transienti termici che erano, spesso, fonte di problemi col controllo degli shaker alle basse frequenze.

Questi parametri sono particolarmente importanti per i piccoli trasduttori e la prima realizzazione con tecnologia a taglio fu il trasduttore modello 8307 di solo 0,5 grammi. Questo accelerometro era costituito da un elemento ceramico cilindrico (ispirato dalla concorrenza) e, per ridurne il peso, la base fu realizzata in berillio.

Il sistema di incollaggio e serraggio impiegato col trasduttore 8307 non fu, tuttavia, possibile impiegare per accelerometri più grandi tant’è che sono state proposte molteplici configurazioni di cui alcune si è tentato la realizzazione; l’idea finale fu di impiegare piattelli piani posti all’intorno di un prisma centrale mantenuto in posizione mediante un anello di fissaggio. Questa realizzazione richiedeva superfici estremamente buone, un’accurato controllo delle dimensioni, un materiale ad alta resistenza anulare e un modo pratico di posizionare l’anello con la giusta tensione.

Nel 1974 è stata brevettata questa nuova costruzione più tardi nota col termine DeltaShear®. Questo particolare processo costruttivo ha dato alla luce centinaia di migliaia di accelerometri tant’è che oggi è uno dei classici metodi di produzione impiegato anche dai nostri concorrenti.

Elettronica incorporata

Verso la fine degli anni ’70 lo sviluppo dell’elettronica ha raggiunto uno stadio col quale era possibile realizzare preamplificatori a film spesso molto piccoli e stabili di dimensioni sufficienti per essere inseriti all’interno di un normale accelerometro.

Questa implementazione aveva lo svantaggio di ridurre la massima temperatura di lavoro, il campo dinamico e l’affidabilità; il mercato apprezzava, invece, il ridotto costo per canale e dei cavi di connessione.

Prima di decidere la configurazione line-drive sono state provate diverse altre configurazioni. Il sistema line-drive impiega una linea a tensione costante per alimentare il trasduttore che modula la corrente in modo proporzionale al segnale d’ingresso. Questo sistema è lo stesso sistema che è stato ed è tuttora impiegato per i trasmettitori di pressione e di temperatura. Il grande vantaggio rispetto alla soluzione a modulazione di tensione è la maggiore immunità ai disturbi esterni.

La prima soluzione è stato il preamplificatore modello 2644, compatto (solo 5 grammi) e che si avvita sull’accelerometro, e la medesima tecnologia è stata, in seguito, impiegata per inserire il medesimo preamplificatore direttamente all’interno dell’accelerometro.

A causa del minor costo e della maggiore semplicità la soluzione a modulazione di tensione é diventata de facto lo standard industriale del tempo commercializzata con diversi nomi.

Verso la fine del decennio e con i primi anni del ’90 l’alimentazione line-drive ha iniziato ad avere successo specialmente nel campo dei sistemi monitoraggio che richiedono livelli di rumore molto basso ed elevate caratteristiche.

Da Δ a Θ
Nell’intorno dell’inizio degli anni ’90 la situazione alla Brüel & Kjær si modificò a causa di una lunga recessione e delle perdite maturate nei mercati orientali. Numerose piccole aziende ebbero maggior attenzione perché il prezzo era diventato un particolare importante del mercato.

Questa condizione si rivelò particolarmente importante nel mercato dell’analisi modale dell’industria automobilistica. La Brüel & Kjær, perciò, pose particolare attenzione alla realizzazione di trasduttori innovativi e rese disponibile il nuovo concetto di trasduttore che denominò ThetaShear® dalla similutidine della costruzione alla lettera greca Θ. L’accelerometro ThetaShear® è sostanzialmente un DeltaShear® invertito con la massa sismica posta al centro ma con un numero di componenti notevolmente ridotto; questa nuova costruzione riduce i costi di produzione senza troppo sacrificare le caratteristiche di funzionamento tipiche del DeltaShear® rendendo il trasduttore particolarmente indicato per il mercato dell’analisi modale. Per renderlo leggero e non troppo costoso il contenitore fu realizzato in alluminio; oggi coi modelli 4507 e 4508 si è sostituito l’alluminio col titanio.

Il mercato richiede trasduttori di elevata sensibilità e di piccole dimensioni perchè si devono misurare bassi livelli: risulta necessario impiegare preamplificatori incorporati con basso rumore. Per soddisfare questa richiesta è stato necessario sviluppare circuiti ASIC (Application Specific Integrated Circuits) dedicati dotati di speciali transistor d’ingresso in grado di fornire prestazioni migliori dei normali MOSFET.

L’ultima innovazione al concetto costruttivo è l’OrtoShear® che rappresenta l’evoluzione del ThetaShear® e permette l’impiego di una sola massa sismica e di un solo elemento piezoelettrico cilindrico per la misura in tre direzioni ortogonali come indicato dal nome. Esempio di questa nuova tipologia costruttiva sono gli accelerometri modello 4506 e 4524.

Il primo decennio del 21° secolo é stato un periodo in cui la microelettronica ha realmente scosso il mondo. Per gli accelerometri questo ha avuto tre significativi impatti:

• I microprocessori hanno aumentato notevolmente la potenza di calcolo permettendo di risolvere i modelli ad elementi finiti (FEM)
• I microchip sono stati incorporati dentro gli accelerometri sostituendo il sistema ASIC precedente
• I sistemi micro elettro-meccanici (MEMS) possono essere impiegati per la realizzazione di trasduttori su chip

Impiegando la potenza offerta dagli attuali PC è ora possibile per gli ingegneri della Brüel & Kjær costruire e risolvere modelli ad elementi finiti (FEM) e questo ha portato alla creazione di imponenti database contenenti i dati di progetto dei trasduttori. Mediante la costante verifica del modello FEM coi dati sperimentali la ‘qualità’ del modello matematico migliora costantemente riducendo la necessità di un elevato numero di prototipi.

La caratteristica fondamentale della norma IEEE 1451 introdotta negli anni ’90 è stata la definizione del Transducer Electronic Data Sheets (TEDS). Il TEDS è una memoria non volatile contenuta nel trasduttore che contiene, in formato digitale, gli elementi di identificazione del trasduttore, la calibrazione, eventuali correzioni, il campo di misura, le informazioni fornite dal costruttore, ecc. La comunicazione col TEDS avviene attraverso lo stesso cavo segnale e la Brüel & Kjær masterizza i dati specifici su ogni trasduttore dotato di tecnologia TEDS prima della consegna.

La Brüel & Kjær ha avuto un importante ruolo nella storia degli accelerometri vedendo le nuove possibilità tecnologiche e fornendo nuove soluzioni innovative ma non prevediamo che il nostro ruolo sia al termine. Il nostro team di ricerca e sviluppo sui trasduttori setaccia continuamente l’orizzonte delle nuove tecnologie alla ricerca di idee e metodi che potrebbero essere utili all’evoluzione o alla rivoluzione dei trasduttori. Un esempio sono i recenti vantaggi offerti dalla microelettronica, dalla tecnologia delle batterie e dalla comunicazione wireless che fanno ben sperare per ilfuturo dei trasduttori e dei sistemi di acquisizione.

Alla Brüel & Kjær i trasduttori rappresentano una parte importante del proprio business così come lo sono stati per più di 67 anni! La qualità dei nostri trasduttori è ben conosciuta al mondo ed è il risultato della nostra unica conoscenza ed esperienza seguita da meticolosi collaudi e prove di qualità. In questo articolo il nostro scopo era di darvi una panoramica della storia degli accelerometri dal nostro punto di vista e di darvi un senso del patrimonio che è parte di ciascun trasduttore che lascia la nostra azienda in Danimarca.