Parte I (I Sensori) I sensori a correnti parassite, sfruttano il fenomeno dellinduzione di correnti...

Parte I (I Sensori)

•I sensori a correnti parassite, sfruttano il fenomeno dell’induzione di correnti parassite su un opportuno target, per sbilanciare un ponte.

•L’intervallo di funzionamento va da 0.25 a 30 mm (sensori di prossimità)

I sensori induttivi di prossimità

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•Intervallo di misura: 0.25, 30 mm;

•Non linearità migliore di 0.5%;

•Frequenza di eccitazione 1MHz;

•Risoluzione 0.0001 mm.

I sensori induttivi di prossimità

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E’ possibile, in teoria, variare una capacità, in funzione di uno spostamento cambiando uno dei parametri che forniscono il valore di una capacità:

I sensori capacitivi

x

AC ro

Le soluzioni che si basano sul cambiamento del dielettrico vengono raramente utilizzate per difficoltà costruttive. Si ricorre al cambiamento della distanza per valori molto grandi e molto piccoli del misurando.I dispositivi che si basano sulla variazione dell’area sono adatti per applicazioni intermedie (1÷ 10 cm).

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Nonostante alcuni problemi di tipo elettrico, i sensori capacitivi hanno delle caratteristiche metrologiche che li rendono apprezzabili (basso carico meccanico, semplicità costruttiva, elevata stabilità).

La forma più comune di sensore capacitivo è a facce piane parallele. Per esso si ha:


x

AC ro

e quindi, rispettivamente:

1;22

nx

A

dx

dC

x

A

dx

dCroro

Oppure, se si usa un capacitore con n piatti:

1 nx

AC ro

Valori tipici di C vanno da 1 pF a 500 pF, con una frequenza maggiore di 10 kHz, per ridurre il valore dell’impedenza d’uscita del sensore.

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I sensori capacitivi:

•Hanno una vita media molto maggiore rispetto ai potenziometri in quanto non sono soggetti ad usura per strofinio;

•Hanno un campo di misura circa doppio rispetto a quello dei sensori induttivi;

•Producono verso l’esterno un campo elettromagnetico molto minore.

•Esistono delle configurazioni differenziali che eliminano il problema della non linearità.


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Infatti si ha:


d

zV

d

zd

d

zdVVV

d

zdV

zdzd

zdVV

d

zdV

zdzd

zdVV

CC

CV

CjCjCj

VV

CC

CV

CjCjCj

VV

zd

AC

zd

AC

rr

rr

rr

rr

rr

22

2/1/1

/1

2/1/1

/1

111

111

;

21

2

1

21

1

2

21

2

21

2

1

21

1

21

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•I sensori capacitivi coprivano nel 1999 il 3.1% del mercato US.

•Applicazioni tipiche dei sensori capacitivi sono:

•Sensori di prossimità (comprese le applicazioni di riconoscimento presenza umana e veicoli);

•Misure di altre grandezze (flusso, livello, etc.)

•Realizzazione di interruttori.

NB: un buon testo sui sensori capacitivi è Capacitive Sensors, Larry K. Baxter, IEEE Press.

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I sensori piezoelettrici

•I sensori piezoelettrici si basano sulla proprietà di alcuni materiali di accumulare cariche alla superficie per effetto di carichi meccanici e viceversa (a differenza dei sensori capacitivi sono dei dispositivi attivi).

•I sensori piezoelettrici godono di:

•Elevata rigidità

•Elevata frequenza naturale (fino a 500 kHz)

•Grande dinamica (migliore di 108)

•Stabilità, riproducibilità e linearità

•Ampio campo di temperatura

•Elevata insensibilità ai campi elettromagnetici esterni.

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I sensori piezoelettrici non possono misurare fenomeni statici per lunghi intervalli di tempo a causa della resistenza di dispersione e delle correnti di perdita verso i componenti elettronici attivi.

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•La piezoelettricità è legata a delle asimmetrie della struttura cristallografica dei materiali.

•I materiali che presentano l’effetto piezoelettrico sono dei dielettrici e possono essere: cristalli naturali (quarzo e tomalina), ceramiche ferroelettriche (è richiesto un processo di polarizzazione) e film polimerici.

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I fenomeni piezoelettrici vennero scoperti nel 1880-1881 da Jacques e Pierre Curie. Essi vengono descritti mediante le equazioni piezoelettriche.

Si consideri il caso schematico di un parallelepipedo di materiale dielettrico. Se il materiale non è piezoelettrico, applicando una forza esterna si ha:

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YssTS

YSl

lY

A

FT

1;

Applicando contemporaneamente una differenza di potenziale V tra i due elettrodi, si ha:

ionepolarizzazdivettoreP

elettricoospostamentvettoreD

PEED 0

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Se il materiale è piezoelettrico occorre introdurre anche gli effetti mutui:

ricapiezoelett costante detta è(C/N)

costanteelettricocampoaacedevolezz

costantestressaadielettriccostante

d

s

dETsS

EdTD

T

T

E

T

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nedeformaziodiricopiezoelettcoeff.

tensionediricopiezoelettcoeff.

E

T

EEE

TTT

s

de

dg

eEs

SE

s

d

s

ST

gTDdTD

E

Viene introdotto anche un coefficiente di accoppiamento elettromeccanico:

ET s

degk

2

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ESEMPIO 1:

Per il titanato di piombo si ha:

d=-44pC/N;

T=600o;

g=-8(mV/m)/(N/m2);

Si vuole calcolare la tensione sviluppata (a circuito aperto) da un carico di 1000 N su un papallelepipedo di 1 cm di lato.

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SOLUZIONE:

Essendo in condizioni di circuito aperto si ha:

V828100/10008.82

kV/m9.821085.8600

)01/(.10001044

0

12

212

hEV

dTE

D

T

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ESEMPIO 2:

iSi vuole calcolare la deformazione prodotta sullo stesso dispositivo quando si applica una differenza di potenziale pari a V=1kV, in assenza di carico meccanico.

SOLUZIONE

nm44

104.401.0104.4

με4.4

104.401.0

10001044

0

86

612

h

dES

T

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In realtà nel caso di un dispositivo reale le azioni meccaniche possono avvenire secondo sei diversi assi (tre per tensione-compressione e tre per sollecitazioni di torsione).

E’ necessario quindi ricorrere a una rappresentazione matriciale.

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Nel caso di assenza di fenomeno piezoelettrico le relazioni diventano:

E in presenza di effetto piezoelettrico si ha:

3,2,1,

6,..,1

3,2,1

jiED

j

iTsS

jiji

jiji

mipermki

ddnj

TdED

EsTsS

im

jiij

ninmimi

kikjiji

03,2,1,,

6...,,1,

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Per un tipico dispositivo vengono riportati i seguenti parametri

Tale materiale genera ad esempio in reazione a uno stress torsionale di 1N/m2 applicato attorno all’asse 2 (direzione 5), una densità di carica pari a 515 pC/m2 su due elettrodi collegati al materiale in corrispondenza della direzione 1.

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Per i materiali più comuni valgono i valori riportati in tabella per le caratteristiche piezoelettriche.

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•Anche i sensori piezoelettrici vengono utilizzati per realizzare sensori di sistemi di deformazioni in tre direzioni (rosette piezoelettriche).

NB: Informazioni sui sensori piezoelettrici si possono trovare in G. Gautschi, Piezoelectric Sensorics, Springer Edt.

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•La connessione con un dispositivo di misura dei sensori piezoelettrici crea problemi, a causa della loro elevata impedenza d’uscita.

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I sensori optoelettrici

Esistono vari sensori optoelettrici, tutti hanno in comune la proprietà di influire in modo trascurabile sul misurando. Esempi di tali dispositivi sono:

•il sensore Fotonic.

• I vettori e/o le matrici di fotodiodi.

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Il sensore Fotonic

Utilizza fibre ottiche per inviare un fascio luminoso al target. Il segnale riflesso viene catturato da fibre ottiche riceventi.

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Si ottiene in tal modo un sensore di prossimità ad elevata sensibilità.

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I sensori a ultasuoni

I sensori ad ultasuoni usano la misura del tempo di volo (TOF) di un’onda di pressione ad ultrasuoni per la misura della distanza.

Receiver

Target

O

h

z

S

A

S

A

y

Transmittedbeam

Reflectedbeam

sv

hTOF

2

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Il ricevitore e il trasmettitore vengono realizzati con:

ceramiche piezoelettriche polimeri

Operanti a una temperatura inferiore alla temperatura di Curie.

Lo stesso dispositivo può funzionare da trasmettitore e ricevitore del segnale di eco.

Si utilizzano generalmente dispositivi risonanti a frequenza tipica di 40kHz.

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Tali sensori sono carattetizzati da un basso costo (qualche euro).

Principali cause d’incertezza sono

la risoluzione (limitata a qualche dalla lunghezza d’onda del segnale ad ultrasuoni). la dipendenza della velocità del suono in aria dalla temperatura.

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Gli encoder

Gli encoder hanno il vantaggio di fornire un’uscita direttamente sotto forma digitale. Esisono encoder per

•Misure angolari

•Misure di spostamento rettilineo

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Gli encoder

Tutti gli encoder sono caratterizzati da strutture geometriche regolari che permettono di determinare la posizione dell’organo cui è vincolato il sensore.

Esistono sistemi:

• Ottici

•Elettromagnetici

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Gli encoder

Gli encoder hanno il vantaggio di fornire un’uscita direttamente sotto forma digitale. Esisono tre tipi di encoder:

•Encoder tachimetrico

•Encoder incrementale

•Encoder assoluto.

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