Validazione di un sistema di sensori di spostamenti per il monitoraggio delle frane

INTRODUZIONE 
 
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INTROUZIONE 
 
 
 
La presenza lungo il territorio italiano di rilievi potenzialmente franosi 
richiede un monitoraggio efficiente a mezzo di un sistema che consenta di 
individuare in tempo utile l’eventuale instaurarsi di situazioni di criticità o di 
allarme, al fine salvaguardare l’incolumità della popolazione, oltre che 
l’integrità delle opere. Tali dissesti, infatti, possono insistere tipicamente su 
centri abitati, insediamenti industriali e infrastrutture. 
La combinazione di opere difensive atte a combattere il dissesto e di un 
adeguato sistema di monitoraggio costituisce la soluzione ottimale per 
affrontare il rischio frane. Il sistema di monitoraggio rappresenta, inoltre, 
uno strumento essenziale per la comprensione dei meccanismi d’innesco-
riattivazione e, più in generale, della dinamica evolutiva di un versante 
instabile. 
 Oltre alla misura di parametri ambientali significativamente influenti sulle 
condizioni di stabilità dei pendii (precipitazioni, velocità e intensità del 
vento, temperatura, pressione atmosferica, spessore dello strato di neve, 
ecc.), un sistema di monitoraggio deve essere rivolto, soprattutto, al controllo 
strumentale dei parametri specifici e delle grandezze fisiche associate ai 
terreni in frana, quali spostamenti superficiali e profondi, accelerazioni 
sismiche, contenuto d’acqua del sottosuolo, ecc. 
Tra queste grandezze il monitoraggio degli spostamenti è particolarmente 
significativo e comunemente adottato nei casi di frane attive, ma può fornire 
informazioni molto utili anche in condizioni precedenti la rottura, qualora si 
sviluppino spostamenti apprezzabili a livello strumentale. Infatti, la misura
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degli spostamenti consente di limitare superficie e volume del corpo di frana,  
gestire il territorio a rischio di frana, assumere provvedimenti di emergenza. 
Nel caso di spostamenti e rotazioni superficiali vengono impiegati sistemi 
basati su metodi di rilevamento geodetico che impiegano stazioni totali, GPS, 
fotogrammetria aerea, immagini satellitari. In particolare, negli ultimi anni, 
nel rilevamento geodetico si è diffuso l’impiego di sensori inerziali a basso 
costo. Ad esempio tale risorsa all’interno di veicoli aerei o terrestri è ad oggi 
una risorsa largamente utilizzata in molte applicazioni della Geomatica: in 
campo fotogrammetrico, e in particolar modo per scopi di direct georeferencing 
o di obile apping, nella tecnica del laser-scanning aereo (LIDAR) e, più in 
generale,  nel campo del rilevamento geodetico. 
Di particolare interesse risulta essere l’integrazione di questi sensori con i 
sistemi di posizionamento satellitare GNSS. 
Tali sensori di navigazione, ad esempio GPS, accelerometri o giroscopi 
consentono di determinare la posizione e l’assetto di un oggetto in moto 
attraverso la misura delle grandezze riconducibili ad una o più variabili della 
navigazione tipicamente in un sistema di riferimento predeterminato. Per 
fornire tali grandezze ad ogni istante di tempo occorre che i dati di misura 
consentano di calcolare quelli che, in linguaggio scientifico, si chiamano 
“stati della navigazione”, ovvero posizione, velocità e assetto negli istanti di 
campionamento, oltre che, eventualmente, di prevederne il valore negli 
istanti successivi. 
Nella tesi viene illustrata la realizzazione di un sistema di monitoraggio degli 
spostamenti superficiali di un rilievo franoso costituito da sensori 
accelerometrici a tecnologia MEMS  (Micro-Electro-Mechanical Systems) ad 
alta risoluzione, un’unità di elaborazione e un sistema di trasmissione dati. 
I movimenti franosi oggetto del monitoraggio possono interessare anche solo 
la coltre superficiale, ossia uno spessore non superiore a un metro.
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Da un punto di vista della tipologia della frana, la cinematica del movimento 
franoso deve essere non estremamente lenta, altrimenti la strumentazione 
impiegata non è in grado di rilevare il movimento. Sotto queste ipotesi, un 
elemento rigido immesso nel terreno del rilievo franoso alla profondità 
massima di un metro, viene trascinato dal movimento franoso eseguendo un 
moto rototraslatorio. In conseguenza di questa particolare configurazione 
dinamica che caratterizza la coltre superficiale del rilievo franoso, diviene 
significativo, dunque, monitorare l’inclinazione della testa dell’elemento 
rigido, in quanto la variazione nel tempo di questa grandezza è 
rappresentativa dello stato cinematico della porzione di versante franoso in 
cui è infisso. 
Per quanto sopra esposto, il sistema di monitoraggio impiegato consiste in 
una rete di inclinometri fissati sulla testa di un elemento rigido infisso nel 
terreno e distribuiti sulla superficie. A tal fine i sensori accelerometrici 
triassiali possono fungere da inclinometri dato che sono in grado di misurare 
anche accelerazioni statiche, quale quella di gravità.  
La tecnica di sensori MEMS per il monitoraggio dei versanti franosi presenta 
le seguenti caratteristiche:  
• si pregia di un alto grado di versatilità nelle modalità e nelle 
caratteristiche di acquisizione e elaborazione dei dati;  
• presenta un basso costo dei componenti e una notevole semplicità di 
installazione, il che consente di aumentare il numero dei punti misura 
senza far lievitare i costi del sistema e della sua installazione;  
• consente la pre-elaborazione dei dati in loco su singola unità funzionale 
UF. Tale aspetto, in virtù  della conseguente riduzione dell’onere 
computazionale della unità di amministrazione dati, UAD,  consente la 
possibilità di moltiplicare il numero dei punti misura utili a ottenere un 
modello quanto più realistico della struttura monitorata, senza inficiare 
l’efficienza di elaborazione dati;
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• è costituito da unità funzionali (UF) alimentate a batteria, sicché, una 
volta installato, opera in completa autonomia per circa un anno (dopo di 
che è necessario operare un cambio batterie perché il funzionamento 
continui correttamente);  
• consente di realizzare un monitoraggio del rilievo franoso che è efficiente 
e, allo stesso tempo, di interesse geofisico, dato che, durante tutto il 
tempo in cui è attivo, si raccoglie una banca dati di estremo interesse e 
utilità al fine di seguire la componente a cinematica lenta dell’evoluzione 
dello stato del rilievo franoso, oltre che eventuali derive a cinematica 
veloce potenzialmente pericolose.  
Questo lavoro di tesi si inserisce in una collaborazione scientifica avviata con 
la Società  STRAGO s.r.l., fornitrice di quattro unità MEMS di cui una unità 
master e tre sensori di tipo “slave”.  
In tale ambito, il primo obiettivo riguarda  lo studio della precisione dei 
sensori accelerometrici MEMS.  
In particolare in questo lavoro sono presentati, in una prima parte, test di 
calibrazione e affidabilità dei sensori al fine di stimare la precisione delle 
osservazioni al variare dei valori di frequenza, dei valori del fondo scala e 
della temperatura, nonché di stimare i valori degli errori sistematici e 
accidentali. Viceversa, in una seconda parte, sono presentati i risultati di 
elaborazioni e analisi degli stati di navigazione di una rete di unità funzionali 
installata in una prima applicazione pilota, su un costone in frana 
prospiciente la stazione di Castellammare di Stabia della Società 
Circumvesuviana di Napoli. In particolare per serie mensili di dati di 
osservazioni sono stati stimati i valori delle inclinazioni dei sensori e, quindi, 
dei loro spostamenti planimetrici. 
In generale sviluppi futuri del predisposto programma di ricerca sono:  
• Studio di un “cluster”di sensori per il fitraggio del rumore;
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• Modalità di monitoraggio real time attraverso l’analisi di serie 
temporali di lungo periodo dell’impianto di monitoraggio già 
realizzato; 
• Confronto della tecnica di misura MEMS con la strumentazione 
geodetica tradizionale.
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TECNICA MEMS: PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO 
 
 
 
1. Introduzione alla tecnologia 
I MEMS – Micro Electro Mechanical Systems - si definiscono 
tipicamente come dispositivi microscopici progettati, assemblati e utilizzati 
per interagire e produrre modificazioni in un particolare ambiente di ridotte 
dimensioni. In un MEMS uno stimolo di tipo meccanico, elettrico o chimico 
può essere utilizzato per generare una risposta meccanica, elettrica o chimica. 
La nascita dei MEMS risale agli anni 50, insieme con la scoperta dei 
semiconduttori presso i Bell Laboratories (negli Stati Uniti d’America). L’uso 
del termine MEMS nasce però più tardi, negli anni 90 negli Stati Uniti (prima 
si parlava di micromachining su silicio) e definisce la tecnologia, non gli 
specifici prodotti. Questa tecnologia comprende un insieme piuttosto vario di 
processi che consentono di modellare sulle tre dimensioni uno o più wafer di 
silicio. 
Come accennato, il silicio è il materiale più utilizzato ma sono stati impiegati 
anche wafer di vetro e di quarzo. 
Il funzionamento di un MEMS si può descrivere considerando il circuito 
integrato come il "cervello" del sistema che rende possibile il monitoraggio 
dell'ambiente circostante tramite gli altri dispositivi presenti sullo stesso 
chip. In questo modo il sistema raccoglie le informazioni misurando 
fenomeni meccanici, termici, biologici, ottici e magnetici; l'elettronica elabora 
le informazioni derivate dai sensori e reagisce abilitando gli attuatori a 
rispondere tramite movimenti, posizionamenti, filtrazioni, pompaggi o anche
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riverificando, tramite gli stessi sensori, le variazioni avvenute nell'intervallo 
di tempo nell'ambiente circostante. 
Si ha ,quindi, un sistema in grado di captare informazioni dall'ambiente, di 
prendere decisioni e, infine, di attuare le azioni opportune. I sensori possono 
misurare fenomeni di varia natura: meccanica, termica, biologica, chimica, 
ottica, magnetica. Le tecnologie MEMS promettono di rivoluzionare intere 
categorie di prodotti proprio per il fatto di integrare in uno stesso dispositivo 
le funzioni più diverse: un minuscolo chip di silicio diventa ora un sensore di 
pressione, ora un accelerometro, ora un giroscopio e così via. 
I MEMS, dispositivi più piccoli e più sofisticati, in grado di agire, “sentire” e 
comunicare, stanno gradualmente sostituendo le loro controparti di 
dimensioni standard in molte applicazioni tradizionali. I vantaggi dei MEMS 
comprendono un minore consumo energetico, migliori performance 
(specifiche per ciascuna applicazione), peso ridotto e costi inferiori rispetto ai 
dispositivi tradizionali. Inoltre la fabbricazione in serie riduce i costi di 
produzione e di assemblaggio, mentre dimensioni e peso ridotti, oltre ad un 
minore consumo energetico, migliorano la flessibilità nella progettazione di 
sistemi. Molti componenti MEMS, infatti, possono essere utilizzati in serie o 
in parallelo per migliorare le funzionalità, le caratteristiche e l’affidabilità dei 
dispositivi. 
Nel corso del tempo sono stati sviluppati diversi processi per fabbricare 
strutture meccaniche. Le tre principali categorie di questi processi sono le 
seguenti: 
• Micro-lavorazione del wafer di silicio; 
• Micro-lavorazione superficiale; 
• Incisione ionica profonda. 
Un ruolo fondamentale è assunto dal packaging, dove si intendono i 
processi, l’industria e i metodi per “racchiudere” i componenti e i sistemi 
microelettromeccanici all’interno di un involucro protettivo. Il “packaging”,
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combinando l’ingegneria con le tecniche di produzione industriale, converte 
un insieme di componenti microelettromeccanici in un insieme dotato di 
funzionalità complesse, in grado di interagire in maniera sicura ed affidabile 
con l’ambiente circostante.  
 
 
1.1. Classificazione delle tipologie costruttive 
I componenti MEMS attualmente in uso o in fase di sviluppo possono 
essere classificati secondo le seguenti quattro macro-categorie: 
• Sensori e attuatori; 
• MEMS RF; 
• MEMS ottici ed optoelettronici; 
• MEMS microfluidici e Bio MEMS. 
Nel’ambito del lavoro di tesi, verranno affrontati solamente gli accelerometri 
MEMS a sensori inerziali con trasmissione dati in modalità wireless. 
I sensori rappresentano una classe di MEMS progettata per rilevare i 
cambiamenti e interagire con l’ambiente circostante; possono essere chimici, 
di movimento, inerziali, termici e ottici. 
Gli attuatori costituiscono un gruppo di dispositivi progettati per fornire 
energia o stimoli ad altri componenti o ad altri MEMS e sono tipicamente 
guidati per mezzo di stimoli termici o elettrostatici. 
I MEMS RF rappresentano un gruppo di dispositivi utilizzati per trasmettere 
segnali radio ad elevata frequenza. Tipicamente si impiegano interruttori a 
contatto metallico, condensatori regolabili, antenne ecc. 
I MEMS ottici sono dispositivi progettati per dirigere, riflettere, filtrare e/o 
amplificare la luce; possono essere interruttori ottici oppure riflettori. Si sta 
lavorando nella direzione di una loro sempre maggiore integrazione 
all’interno di dispositivi optoelettronici.
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I MEMS microfluidici sono dispositivi progettati per interagire con ambienti 
in cui siano presenti dei fluidi: pompe e valvole progettate per muovere, 
espellere e mescolare volumi di liquido particolarmente ridotti. Tali 
dispositivi sono progettati specificatamente per interagire con campioni 
biologici quali proteine, cellule, reagenti ecc. sono detto bioMEMS e possono 
essere impiegati per analisi mediche in-situ e altre applicazioni. 
 
 
1.1.1. Sensori 
I sensori basati sulla tecnologia MEMS presentano una gamma di 
applicazioni molto ampia, dai sensori inerziali e di movimento a quelli 
biologici e risultano particolarmente adatti in tutti quegli ambiti dove le 
tecnologie tradizionali tendono a fallire a causa delle caratteristiche 
dell’ambiente circostante, delle limitazioni a livello di sistema o per problemi 
di progettazione o dimensioni. 
I dispositivi basati sulla tecnologia MEMS svolgono un ruolo strategico sia 
dal punto di vista strumentale che da quello economico nel mondo dei 
sensori, soprattutto grazie alle loro possibili applicazioni per la misurazione 
di grandezze fisiche. I principali sensori basati sui MEMS sono i seguenti: 
• Sensori di pressione: i MEMS rappresentano il 90% delle unità vendute nel 
mondo e il 50% dei profitti; 
• Sensori di accelerazione: i MEMS rappresentano oltre il 95% delle unità 
vendute e il 25% dei profitti; 
• Sensori di velocità: i MEMS rappresentano il 95% delle unità vendute e il 
75% dei profitti; 
• Sensori di forza: i MEMS rappresentano il 20% delle unità vendute e il 5% 
dei profitti.
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1.1.2. Principio di funzionamento dell’ accelerometro MEMS 
Un accelerometro è uno strumento che in linea di principio misura la 
forza di reazione vincolare con cui un veicolo agisce su una massa “m” per 
mantenerla a sé legata nel movimento. Nella sua configurazione più 
elementare un accelerometro è costituito da uno chassis che vincola la massa 
“m” a muoversi solo lungo l’asse x e da una molla che lega “m” allo chassis. 
 
Figura 1.1 - Schema di un accelerometro a molla 
 
All’interno del sensore è presente una massa campione nota m sospesa 
all’interno di un molla di costante elastica nota K; la massa m si muove a 
causa della sua inerzia e va a sovrapporsi alle 4 placche metalliche in 
modalità dipendente dal verso e dall’intensità della forza F applicata, come 
conseguenza dell’inerzia. 
La capacità elettrica relativa ad ogni placca sarà quindi funzione dello 
spostamento di m (x) e, quindi, del valore di F; in particolare applicando la 
seconda legge di Newton e la legge di Hooke’ s: 
 
Dalla misura della capacità, ricaviamo x dal quale otteniamo l’accelerazione.  
Si supponga ora che vi sia un sensore tale che non appena “m” tende a 
muoversi ne misuri lo spostamento e con un servomeccanismo imprima lo 
spostamento opposto alla parete del veicolo, a cui è vincolata la molla. In tal
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caso, “m” sarebbe riportata quasi istantaneamente alla posizione iniziale, in 
modo tale che in definitiva “m” riesca a rimanere immobile mentre sarebbe 
la reazione della molla a cambiare. La misura della tensione della molla 
risulta essere comunque proporzionale alla forza specifica che agisce su “m”, 
lungo l’asse di x. Naturalmente, affinché un tale meccanismo abbia senso, 
occorre che il circuito di reazione e i tempi dell’azione del servomeccanismo 
siano assai piccoli rispetto al tempo in cui il movimento di “m” risulta 
percepibile per il sensore, ma questa è una realtà tecnologicamente 
accessibile ed oggi implementata nei vari accelerometri. 
Le prestazioni delle varie tipologie di accelerometri sono usualmente 
descritte dalla stabilità del bias e del fattore di scala. 
Nota. Se si immagina di porre un accelerometro su un piano soggetto al 
campo di gravità, allora si nota che la massa interna dell’accelerometro viene 
attratta verso il basso rispetto alla posizione di equilibrio. Quindi, l’output 
dell’accelerometro legato alla gravitazione è di segno opposto rispetto 
all’accelerazione locale. L’output dell’accelerometro (accelerazione meno 
gravità) è detta forza specifica, ed è data da: 
 
ove a è l’accelerazione rispetto al sistema di riferimento inerziale e g è 
l’accelerazione di gravità. 
 
 
1.2. Definizione di un sistema di riferimento 
Un sistema di riferimento spazio-temporale è definito come quella legge 
che ad ogni istante assoluto t assegna un sistema di riferimento spaziale. 
Il sistema di riferimento porta con sé anche un sistema di coordinate, ovvero 
una regola che fa corrispondere biunivocamente punti dello spazio con una 
terna (x1, x2 , x3 ) di numeri reali.
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Naturalmente è sempre possibile passare dalla scelta di tre coordinate (x1, x2, 
x3) ad altre tre (y1, y2, y3) purché queste siano in corrispondenza biunivoca 
con le precedenti: questa operazione è puramente matematica e non modifica 
gli elementi materiali che individuano il sistema di riferimento. 
Un sistema di riferimento spaziale classico è costruito da un insieme di piani, 
direzioni e punti materiali, da regole di misura di angoli e distanze, incluse le 
rispettive unità di misura, e dalle regole euclidee per le costruzioni 
geometriche oltre che da una scelta di coordinate dei punti dello spazio. 
Un sistema di riferimento inerziale è un sistema di riferimento in cui ogni punto 
materiale, sottratto a tutte le forze esterne, resta in quiete o si muove di moto 
rettilineo uniforme. Che un tale sistema di riferimento esista è un postulato 
galileiano che va sotto il nome di prima legge fondamentale della dinamica. 
Ciascun corpo persevera nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme, a meno 
che sia costretto a mutare tale stato da forze impresse (esterne). 
Nella letteratura geodetica è, in realtà, comune la consuetudine di 
distinguere tra sistema di riferimento teorico e frame, considerato come una 
materializzazione del sistema di riferimento su cui, successivamente eseguire 
misure e elaborazioni. 
  
 
1.2.1. Frame comuni in navigazione inerziale 
La materializzazione di un sistema di riferimento, in particolare di un 
sistema di tipo inerziale, non sempre può avvenire per semplice 
assegnazione di coordinate ed elementi materiali, ad esempio, punti in moto 
rettilineo uniforme: poiché infatti i punti appartenenti ad un sistema di 
riferimento in generale possono non muoversi tutti con le stesse velocità, il 
sistema di riferimento subirà sempre una rotazione rispetto al sistema 
precedente e di tipo non uniforme nelle tre direzioni.