Modellazione non lineare di un sensore capacitivo = Nonlinear modeling of a capacitive sensor

Il tema del monitoraggio strutturale è divenuto negli ultimi anni di particolare interesse in diversi rami dell’ingegneria, dall’ aerospaziale al civile. L’ obiettivo principale del monitoraggio strutturale (SHM – Structural Health Monitoring) è quello di controllare il livello di efficienza e di sicurezza delle strutture nel tempo. Nell’ambito dell’ingegneria strutturale, uno dei problemi tecnici da affrontare è costituito dalla misura dello stato tensionale all’interno di corpi solidi, realizzati con materiali da costruzione quali calcestruzzo e murature. Fino ad oggi, gli strumenti tradizionalmente utilizzati (strain gauges o estensimetri a corda vibrante) risalgono allo stato tensionale presente a partire dalla misura di deformazioni, una volta nota la legge costituiva dei materiali. Tuttavia, questi metodi presentano degli svantaggi non trascurabili. In primo luogo, posso essere utilizzati per ottenere risultati affidabili solo nel momento in cui la legge costituiva del materiale sia elastica lineare e le caratteristiche dello stesso non evolvano nel tempo. Inoltre, sono metodi tendenzialmente non concepiti per un utilizzo prolungato nel tempo. Parallelamente i martinetti piatti consentono di misurare forze, ma sono particolarmente invasivi e necessitano di un’installazione manuale e laboriosa che li rende inadatti ad un impego estensivo. Il progresso tecnologico ha portato allo sviluppo di sensori per impieghi strutturali dalle dimensioni e dai costi più contenuti, per lo più basati su tecnologie MEMS (accelerometri e inclinometri). Esistono inoltre nuovi sensori di forza, alternativi ai martinetti piatti, basati su tecnologie piezoresistive e capacitive, che sono stati sviluppati e brevettati negli ultimi anni da un gruppo di ricerca di ST Microelectronics con il Politecnico di Torino. Un sensore piezoresistivo ceramico è stato già oggetto di campagne sperimentali mentre un nuovo dispositivo di tipo capacitivo è ad oggi in fase di prototipizzazione e sviluppo. Questo tipo di sensori sono ideati per un utilizzo duraturo e prolungato nel tempo, e, al contrario della strumentazione tradizionale, richiedono un impiego limitato di risorse umane, una volta installati. Possono essere utilizzati inoltre, indipendentemente dalla legge costitutiva del materiale in cui sono immersi. Il presente lavoro di tesi ha come scopo la simulazione del comportamento meccanico del sensore capacitivo. Avvalendosi del software agli elementi finiti DIANA FEA, si sono simulate diverse condizioni di impiego del sensore capacitivo in elementi di calcestruzzo e in murature. In particolare ci si è concentrati sugli effetti dei carichi prolungati nel tempo al fine di valutare l’affidabilità delle misure in presenza di viscosità dei materiali. Si sono inoltre svolte analisi parametriche per comprendere l’effetto sulla risposta del sensore di vari parametri geometrici e meccanici del sensore stesso.