Progetto di un nodo sensore attivo a basso voltaggio per analisi ad ultrasuoni

In questo elaborato è descritto il progetto di un nodo sensore attivo piezoelettrico adatto per applicazioni nell'ambito del monitoraggio strutturale, in particolare per l'analisi ad ultrasuoni. Tale tecnica si avvale di almeno una coppia di sensori: un pulsatore attivo e un ricevitore passivo. A tal proposito, i più utilizzati sono i trasduttori piezoelettrici, i quali trovano un largo impiego anche nell'ambito biomedico. Le attrezzature commerciali utilizzate in questo campo allo stato dell'arte hanno grande ingombro, costi elevati e un alto voltaggio. Tuttavia, tramite un'analisi preliminare sulla struttura da monitorare è possibile individuare le zone di maggiore stress e quindi inserire i sensori in modo mirato, riducendo l'ingombro e il peso dell'elettronica utilizzata. In questo contesto si inserisce il lavoro di tesi, il cui obiettivo è il progetto di un nodo sensore attivo piccolo, leggero, a basso costo e a basso consumo di potenza, idoneo per essere installato permanentemente sulle strutture. Si è passati dalla definizione del problema alle possibili implementazioni circuitali utilizzando il software LTspice, fino alla scelta finale dei componenti fisici che sintetizzassero il blocco di driver/demodulatore, rispettivamente pilotando l'elemento piezoelettrico e demodulando il segnale PWM generato dal microcontrollore. Dopo aver utilizzato un induttore (flottante) per svolgere l'adattamento di impedenza, sono stati testati due componenti di natura induttiva: doppio circuito di Antoniou e doppio giratore. Nella fase successiva sono state disaccoppiate la funzione di driver e demodulatore, realizzate prima da un VFA e un filtro passa-basso e poi, nello step finale, da un CFOA e un filtro passa-basso. Come risultato finale è stato ottenuto un nodo sensore attivo, la cui tensione di uscita è caratterizzata da una dinamica pari a 6 V circa e una frequenza di risonanza di 20 KHz.