Parte I (I Sensori)

•Molte grandezze (pressione, temperatura, forza, accelerazione, etc.) vengono trasformate in uno spostamento, prima di essere convertite in un segnale elettrico.

I sensori di movimento

Parte I (I Sensori)

•Un potenziometro è costituito da un elemento resistivo su cui può scorrere un contatto mobile.

•L’elemento resistivo viene alimentato con una tensione, continua o alternata (sensore passivo).

• In condizioni ideali l’uscita è una funzione lineare dell’ingresso.

I potenziometri

Parte I (I Sensori)

Il moto della parte mobile può essere traslatorio, rotatorio o elicoidale.

I potenziometri

Parte I (I Sensori)I potenziometri

La presenza del carico produce degli effetti di non linearità sull’uscita:

t

i

m

p

t

i

ex

o

x

x

R

R

x

xe

e

11

1

che in condizioni ideali diventa:

t

i

ex

o

x

x

e

e

Parte I (I Sensori)I potenziometri

Per avere un comportamento lineare occorre che la resistenza del potenziometro sia piccola relativamente a quella del dispositivo utilizzatore!

Questa specifica, tuttavia è in contrasto con la possibilità di avere un elevata sensibilità!

pex PRe max

Parte I (I Sensori)

•I potenziometri a filo presentano una variazione di resistenza continua, ma hanno valori di sensibilità troppo bassi.

•Non è possibile diminuire la sezione del filo, per aumentare la resistenza, si ricorre allora ai potenziometri a filo avvolto.

•L’altra classe dei potenziometri è costituita dai potenziometri in cermet ed in plastica conduttiva

I potenziometri

Parte I (I Sensori)

•I potenziometri a filo avvolto hanno una risoluzione finita, legata alla possibilità di avvolgere un numero finito di spire per unità di lunghezza.

•I potenziometri del in cermet o in plastica conduttiva hanno una risoluzione infinitesima, ma presentano un’uscita molto rumorosa, a causa della rugosità della superficie

I potenziometri

Esempio: un potenziometro che ha 500 avvolgimenti ed una lunghezza di 1 cm avrà una risoluzione pari a:

cm102500

1cm 3l

Parte I (I Sensori)

•I vengono immessi sul mercato come dispositivi lineari (tranne che non si vogliano realizzare particolari funzioni). Il valore della loro linearità corrisponde pertanto anche alla loro accuratezza. Quando richiesto è possibile migliorare la linearità di tali dispositivi mediante inserimento di opportune resistenze (potenziometri a filo avvolto) o mediante processi al laser (potenziometri a strato).

I potenziometri

Nel caso di dispositivi che devono funzionare in ambienti ostili viene dichiarata anche la dither life. Essa indica la capacità del dispositivo a resistere a un numero grande di cicli di piccola ampiezza

Parte I (I Sensori)I potenziometri•Esistono dispositivi con caratteristiche metrologiche moto varie. Occorrerà di volta in volta scegliere il dispositivo che meglio soddisfa i vincoli imposti dall’applicazione e le specifiche richieste.

Parte I (I Sensori)I potenziometriUn tipico esempio di dati forniti per potenziometri

Parte I (I Sensori)I potenziometriEsempio

Per un potenziometro della famiglia riportata in tabella, la sensibilità può essere ricavata dai dati forniti (potenza massima, massimo valore del misurando, resistenza del potenziometro)

MAX

p

L

PR

l

ES

E nel caso in esame vale:

P=0.2 W

R=1kΩ

L=0.5in=1cm

V/cm141

10002.0

S

Parte I (I Sensori)

Gli estensimetri o strain gage si basano sul fenomeno della variazione della resistenza di un filo conduttore con la deformazione dello stesso:

Gli estensimetri

Si possono avere vari tipi di estensimetro:

• a filo non incollato o incollato

• a foglio metallico

•a semiconduttore.

LdL

d

LdL

RdRfactorGage

/

/21

/

/

Gli estensimetri vengono utilizzati in due campi:

•studio dello stato di carico di pari meccaniche

•costruzione di trasduttori di forza, coppia, pressione, etc.

Parte I (I Sensori)

Gli estensimetri a foglio metallico vengono costruiti direttamente nella forma desiderata e vengono incollati al dispositivo da analizzare con opportuni collanti.

Gli estensimetri

Parte I (I Sensori)

Quando richiesto si ricorre a opportune rosette di estensimetri.

Gli estensimetri

Parte I (I Sensori)

Gli estensimetri metallici sono molto lineari ma presentano un gage factor di valore molto basso (da 2 a 4)

Gli estensimetri

Parte I (I Sensori)

Gli estensimetri a film metallico depositato non hanno bisogno del collante, ma vengono depositati direttamente sulla superficie di un organo deformabile (servono in genere per costruire trasduttori di altre grandezze.)

Gli estensimetri

Gli estensimetri a semiconduttore possono essere sia incollati sia diffusi.

In entrambi i casi possono essere di tipo N o P. Nel primo caso la resistenza aumenta con lo stress nel secondo caso diminuisce.

Presentano il notevole vantaggio di avere un gage factor molto elevato (fino a 150). Dovuto principalmente all’effetto piezoresistivo e vengono detti trasduttori piezoresistivi.

Purtroppo presentano elevata sensibilità alla temperatura e non linearità.

Parte I (I Sensori)Gli estensimetri

Sarà la particolare applicazione, di volta in volta, a suggerire il tipo di estensimetro più adatto.

I parametri più significativi sono riportati nella tabella che segue.

Parte I (I Sensori)

Un tipico esempio di dati forniti per estensimetri metallici

Gli estensimetri

Parte I (I Sensori)

Esercizio

Si consideri uno strain gage di tipo metallico (con gage factor G=2.0) di valore R=120 Ω che deve misurare lo stato deformativo di un organo di acciaio (modulo di Young Y=210 GPa). Quanto vale la variazione di resistenza se il carico massimo vale 8x106Pa.

Si ha:

Gli estensimetri

35

59

6

109120)108.3(2Rl

lGR

l

lG

R

R

108.310210

108

Yl

l

Parte I (I Sensori)

I trasformatori differenziali (LVDT) sono costituiti da un avvolgimento primario e due avvolgimenti secondari.

I trasformatori differenziali

•Il primario è eccitato con una tensione di tipo sinusoidale, con frequenza variabile tra 60 e 20.000 Hz.

•Sui secondari vengono indotte due tensioni di ampiezza variabile con la posizione del nucleo.

•Connettendo i due secondari in antiparallelo, l’ampiezza del segnale d’uscita diventa una funzione lineare della posizione del nucleo.

Parte I (I Sensori)

•L’uscita del sensore è una sinusoide modulata in ampiezza. Per ricavare l’informazione in uscita si può, a seconda dei casi:

utilizzare un voltmetro per AC;

demodulare il segnale e utilizzare un voltmetro in DC, o un oscilloscopio (insieme ad eventuali filtri passabasso).

I trasformatori differenziali

Parte I (I Sensori)

•Se la frequenza della portante è grande rispetto alla massima frequenza del segnale (valore tipico è il rapporto 10:1) possono bastare dei filtri RC, semplici o multipli.

I trasformatori differenziali

Parte I (I Sensori)

Si supponga di voler misurare uno spostamento il cui contenuto in frequenza risulta trascurabile a frequenze superiori a 1000 Hz, utilizando un LVDT con tensione di eccitazione a frequenza di 10.000 Hz. Il processo di modulazione e successiva demodulazione produrrà dei segnali a frequenze nel’intervallo [19.000 Hz, 21.000Hz].

Si vuole che il ripple residuo alla frequenza di 19.000 Hz sia minore del 5%. Deve allora essere:

I trasformatori differenziali

sf

f

00017,0128.619000

105.0

2

Parte I (I Sensori)

Alla frequenza di 1000 Hz tale filtro produce un’attenuazione pari a 0,68 e uno sfasamento pari a -47°. Si ha quindi una distorsioe eccessiva del segnale.

Si possono migliorare le prestazioni del filtro utilizzando una cella RC doppia:

In questo caso alla frequenza di 1000 Hz si ha un’attenuazione di 0,94 e uno sfasamento di -26°. In tali condizioni si ottiene in uscita un segnale che è una copia fedele e ritardata del segnale in ingresso (cfr condizioni di non distorsione):

I trasformatori differenziali

sf

f

000037,0128.619000

105.0 2

s

ftr

7210002180

26

2

180/