Italiano
Français 
English 
Hai mai pensato a come il tuo smartphone sappia esattamente se lo stai tenendo in verticale o in orizzontale? Oppure come faccia un’auto a capire il momento giusto per attivare gli airbag in caso
di incidente?
Il segreto sta nei sensori MEMS! Probabilmente li usi ogni giorno senza nemmeno rendertene
conto. Ma sapevi che gli stessi sensori che permettono al tuo telefono di orientarsi vengono utilizzati anche per il monitoraggio geotecnico e strutturale? Esatto! Li trovi in dispositivi come inclinometri, clinometri e accelerometri, strumenti ampiamente utilizzati per il controllo di gallerie, pendii e
strutture. Ma come fanno questi microscopici sensori a rilevare rotazioni e vibrazioni?
Figura 1 Gli smartphone integrano solitamente sensori MEMS, utilizzati per rilevare l’orientamento del dispositivo (immagine generata con AI)
Principio di funzionamento
L’acronimo MEMS sta per Micro-Electro-Mechanical Systems, ovvero Sistemi Micro-Elettro-Meccanici. Si tratta di sensori estremamente compatti che uniscono componenti meccaniche ed elettroniche.
All’interno di un sensore MEMS si trova un minuscolo oscillatore sospeso. Quando il dispositivo si muove, l’oscillatore si sposta rispetto alla sua posizione di equilibrio. Questo spostamento viene rilevato da micro-capacitori o resistenze che lo trasformano in un segnale elettrico. Il segnale viene successivamente elaborato da un microprocessore e convertito in un’informazione utile, come la rotazione dello schermo o una variazione angolare registrata su una struttura.
Ci si potrebbe chiedere: è possibile monitorare le rotazioni di una struttura con uno smartphone? La risposta è: tendenzialmente no, ma dipende dalla risoluzione richiesta. I sensori integrati nei telefoni cellulari offrono prestazioni inferiori, in termini di accuratezza e sensibilità, rispetto a quelli impiegati in dispositivi professionali.
MEMS nel monitoraggio statico e dinamico
Nel campo del monitoraggio geotecnico e strutturale, i sensori MEMS trovano applicazione sia in ambito statico che dinamico. In particolare, vengono integrati in strumenti come inclinometri, clinometri e accelerometri, dispositivi fondamentali per osservare il comportamento di gallerie o di opere geotecniche.
Figura 2 A sinistra, un esempio di clinometro biassiale utilizzato per il monitoraggio delle inclinazioni strutturali. A destra, l’installazione di uno strumento Cir Array basato su sensori MEMS per la misura della convergenza in una sezione di galleria
Una caratteristica importante di questi sensori è il numero di assi su cui possono rilevare l’accelerazione: i MEMS possono essere monoassiali (1 asse), biassiali (2 assi) o triassiali (3 assi). Si tratta di un aspetto tutt’altro che secondario per la qualità del dato acquisito. Ad esempio, nel monitoraggio statico, dove si misura l’inclinazione di un’opera, l’uso di sensori triassiali offre un importante vantaggio. Infatti, grazie al terzo asse, è possibile comprendere se il dato raccolto durante la registrazione sia stato influenzato da movimenti dinamici. In ambienti con forte presenza di vibrazioni, come in prossimità del fronte di scavo, accanto a macchinari in funzione o lungo i binari ferroviari, l’utilizzo di sensori triassiali permette di filtrare, tramite algoritmi dedicati, le misure non affidabili, migliorando così l’accuratezza e la qualità del monitoraggio.
Come abbiamo visto, se viene imposta un’accelerazione a un dispositivo dotato di un sensore MEMS, l’elemento oscillante interno si sposta e questo movimento viene tradotto in un segnale elettrico. Ma sorge una domanda fondamentale: in assenza di movimenti dinamici, come fanno i sensori MEMS, utilizzati nel monitoraggio statico, a rilevare una variazione di inclinazione?
La risposta è: sfruttano la forza di gravità come vettore di riferimento. Nel monitoraggio statico, il sensore MEMS rileva l’orientamento del vettore gravitazionale rispetto ai propri assi interni. Se il sensore è inclinato, la componente della forza di gravità rilevata lungo ciascun asse cambia. Questa variazione viene interpretata come un cambiamento nell’inclinazione del dispositivo. In posizione perfettamente verticale, il sensore rileva tutta la forza di gravità lungo un asse. Se il sensore si inclina, parte della forza di gravità si distribuisce anche sugli altri assi.
Per comprendere meglio il principio, è possibile effettuare una prova semplice utilizzando un’applicazione per smartphone, come Sensor Kinetics, che consente di visualizzare in tempo reale le accelerazioni rilevate lungo gli assi X, Y e Z. Ruotando il dispositivo si può osservare direttamente la variazione delle componenti, simulando il comportamento del sensore MEMS in campo.
Figura 3 Schermata dell’app Sensor Kinetics che mostra in tempo reale le accelerazioni rilevate lungo gli assi X, Y e Z
Clinometri e inclinometri nel monitoraggio delle gallerie
Nel monitoraggio delle gallerie, inclinometri e clinometri vengono impiegati per la misurazione di rotazioni angolari e spostamenti, con l’obiettivo di valutare l’evoluzione deformativa sia dell’opera sia dei terreni adiacenti.
Gli inclinometri sono solitamente installati all’interno di apposite tubazioni, posizionate verticalmente o con inclinazione variabile nel terreno. Attraverso misure periodiche o in continuo, consentono di ricostruire i profili di spostamento cumulativo lungo la profondità del foro, fornendo informazioni essenziali per l’analisi dei meccanismi deformativi dei terreni attraversati. Possono essere di tipo manuale o automatizzato. Alcune configurazioni avanzate, basate su elaborazioni inclinometriche, permettono di individuare deformazioni localizzate o fenomeni di convergenza in sezioni specifiche della galleria, grazie all’installazione diretta sull’ammasso roccioso o nei rivestimenti strutturali.
I clinometri, generalmente basati su sensori MEMS ad alta sensibilità, sono impiegati per monitorare variazioni angolari localizzate in elementi strutturali dell’opera, offrendo un’indicazione continua dell’evoluzione di eventuali rotazioni e instabilità. Entrambi gli strumenti possono essere integrati in sistemi di monitoraggio automatici, connessi a Datalogger, piattaforme e sistemi di allarme.
Figura 4 Esempio di rappresentazione dei dati di output di un clinometro e di un inclinometro automatico mediante piattaforma web
Conclusioni
L’evoluzione della tecnologia MEMS ha permesso di sviluppare sistemi di monitoraggio sempre più compatti, precisi e affidabili, rendendoli strumenti imprescindibili nella sicurezza di opere complesse come le gallerie. La miniaturizzazione dell’hardware, unita all’elaborazione intelligente dei dati, apre scenari futuri ancora più avanzati nel campo dell’ingegneria geotecnica.