SEMINARIO:
Speaker: Prof. Fabrizio Barone – Full Professor of Applied Physics
Affiliation: Dep. of Medicine, Surgery and Dentistry “Scuola Medica Salernitana” – University of Salerno, UNISA, Italy
Date: 19th September 2023
Time: 15:00
Hosted by: INGV Sezione di Pisa

Riassunto

Fin dagli anni Sessanta la ricerca e lo sviluppo di sensori per la misura di spostamenti, velocità ed accelerazioni lineari ed angolari sono stati fortemente indirizzati dal notevole e costante progresso dell’elettronica che, in sinergia con l’applicazione di sofisticate tecniche di controlli automatici, ha consentito la realizzazione di sensori di elevatissima qualità sia in termini di banda sia in termini di sensibilità.

Esistono, tuttavia, ancora ampi margini di miglioramento per la sensoristica, soprattutto nella regione delle basse frequenze, evidenziabili con approcci di ricerca e sviluppo di tipo differente, più classici, finalizzati al miglioramento delle prestazioni meccaniche del sensore, ed in particolare del suo nucleo centrale, l’oscillatore meccanico.

A tal fine, riprendendo architetture storicamente utilizzate per la realizzazione di meccanismi classici, ma di grande efficacia, si è effettuata nel corso di questi anni un’intensa attività di ricerca e sviluppo con l’obiettivo di realizzare oscillatori meccanici che, utilizzando le proprietà di tali meccanismi, consentano di superare i limiti di banda e sensibilità degli attuali sensori.

Il seminario ripercorre questo approccio di ricerca, sviluppato dal gruppo di Fisica Applicata dell’Università di Salerno, presentando l’innovativa meccanica, basata sul meccanismo classico noto come Watt’s Linkage, utilizzato in configurazione Folded Pendulum. Tale meccanismo, applicato alla realizzazione di oscillatori meccanici monolitici, costituisce il nucleo centrale di una nuova classe di sensori per la misura di spostamenti ed accelerazioni lineari ed angolari. In questo contesto, sono già stati realizzati sismometri classici (senza retroazione) ed accelerometri.

Le caratteristiche del nuovo oscillatore, così come le proprietà e le caratteristiche di alcuni dei sensori realizzati, saranno presentate sia mediante modelli teorici analitici e numerici sia mediante risultati sperimentali ottenuti mediante realizzazioni prototipali e/o applicazioni in sistemi di monitoraggio permanente. Sarà resa evidente anche la versatilità delle realizzazioni meccaniche, tra cui rilevante è la piena scalabilità dell’architettura Folded Pendulum, che consente la realizzazione di oscillatori di materiali, dimensioni e pesi ampiamente diversi, limitati dal solo rumore termico, applicabili anche in ultra alto vuoto e criogenia.

Saranno presentati, infine, alcuni risultati ottenuti in applicazioni scientifiche di interesse in diversi settori di ricerca fisica ed alcune innovative possibilità di applicazione di interesse scientifico multidisciplinare.

Abstract – An innovative classical mechanical approach for the implementation of seismometers and accelerometer for multi-disciplinary applications in Physics

Since the sixties the research and development of sensors for measuring linear and angular displacements, speeds and accelerations have been strongly directed by the considerable and constant progress of electronics which, in synergy with the application of sophisticated automatic control techniques, has allowed the realization of very high-quality sensors both in terms of bandwidth and in terms of sensitivity.

However, there is still large room for sensors improvement, especially in the low-frequency region, which can be highlighted with different, more classic, research and development approaches aimed at improving the mechanical performance of the sensor, and in particular its central core, the mechanical oscillator.

To this end, taking up architectures historically used for the implementation of classic but highly effective mechanisms, an intense research and development activity has been carried out over the years with the aim of inventing mechanical oscillators which, using the properties of these mechanisms, make it possible to overcome the bandwidth and sensitivity limits of the present sensors.

The seminar retraces this research approach, developed by the Applied Physics group of the University of Salerno, presenting the developed innovative mechanics, based on the classic mechanism known as Watt’s Linkage, used in its Folded Pendulum configuration. This mechanism, applied to the realization of monolithic mechanical oscillators, is the core of a new class of sensors for measuring linear and angular displacements and accelerations. In this context, classical seismometers (without feedback) and accelerometers have already been developed.

The characteristics of the new oscillator, as well as the properties and characteristics of some of the sensors developed, will be presented both through analytical and numerical theoretical models and through experimental results, obtained with prototype realizations and/or applications in permanent monitoring systems. The versatility of the mechanical realizations will also be made evident, among which the full scalability of the Folded Pendulum architecture is significant, since it allows the realization of oscillators in a large range of materials, dimensions and weights, limited only by thermal noise, also applicable in ultra-high vacuum and cryogenics environments.

Finally, some obtained results of interest for their applications in different areas of physics research and some innovative possibilities for their broad applicability in different scientific fields will be presented.

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