SISTEMI DI INTEGRAZIONE ELETTRONICA

I sensori

Docente: Luigi Ferrigno

ferrigno@unicas.it

Università degli Studi di Cassino e

del Lazio Meridionale

2

Sensori e Trasduttori

Il sensore è il primo elemento della catena di misura.

Ha il compito di convertire la grandezza fisica da misurare

(misurando) in un’altra più facilmente trattabile.

Il trasduttore è un dispositivo sensibile che fornisce un

segnale elettrico misurabile in risposta ad uno specifico

misurando.

Un trasduttore è un sensore ma un sensore non è

necessariamente un trasduttore

3

Sensori e Trasduttori

Se il sensore non è un trasduttore può essere chiamato corpo

di prova e richiedere in cascata un trasduttore

Sensore (corpo di prova)

Trasduttore misurando misurando

primario secondario

segnale

elettrico

4

Trasduttori attivi e passivi

Un trasduttore può essere attivo o passivo:

• Attivo se l’effetto fisico su cui è basato assicura la trasformazione in

energia elettrica dell’energia propria del misurando (termica,

meccanica, d’irraggiamento, …).

Esempi: Termoelettrico (termocoppia), Piroelettrico (cristalli la cui

polarizzazione dipende dalla temperatura), …

• Passivo se l’effetto del misurando si traduce in una

variazione d’impedenza dell’elemento sensibile.

Esempi: estensimetri, magnetici, …

5

Classificazione dei trasduttori

• Attivi / passivi

• In base alla grandezza misurata: sensori di temperatura,

umidità, illuminamento, velocità, …

• In base alla grandezza che forniscono in uscita: trasduttori

resistivi, induttivi, capacitivi, in tensione, in corrente, …

• Analogici / digitali

6

Circuiti di condizionamento

Un trasduttore è completato dal circuito di

condizionamento.

Trasduttore passivo: il circuito di condizionamento è

indispensabile per la generazione del segnale elettrico

(montaggio).

Trasduttore attivo: il circuito di condizionamento ha il

compito di adattare i parametri dell’energia elettrica,

generata dal trasduttore, alle caratteristiche d’ingresso del

sistema di misura (condizionamento del segnale).

7

Varietà dei sensori Physical principle Typical application Measurand Output

Resistive

The variation if the sensing element electric

resistance depends on the measurand.

Thermistor or resistance thermometer

Potentiometer

Hot-wire anemometer

Resistive hygrometer

Chemioresistor

Temperature

Displacement, force, pressure

Flow

Humidity

Presence of gas

Change in resistance

Capacitive

The sensing element capacitance depends on the

measurand.

Parallel-plate capacitor sensor

Rotary-plate capacitor sensor

Differential capacitor

Capacitance manometer

Humidity sensor

Capacitive diaphragm

Displacement, force, liquid level, pressure

Displacement, force, angular position, torque

Small displacement

Very low pressure

Moisture

Pressure

Capacitance or change in

capacitance

Inductive

The sensing element inductance depends on the

measurand.

Linear variable differential transformer

Self inductance sensor

Eddy current sensor

Displacement, torque

Displacement, torque, liquid level

Position, conductivity, thickness, cracks in materials

Inductance or change in

inductance

Reluctive

The variation in the reluctance path between two

or more coil depends on the measurand.

Linear variable differential transformer

Rotary variable differential transformer

Microsyn

Resolver

Syncro

Reluctive diaphragm

Linear displacement

Angular rotation

Angular displacement

Position

Position, torque

Pressure

Voltage

Voltage

Voltage

Voltage

Voltage

Change in reluctance

Electromagnetic

In any circuit capturing a magnetic flux,

whenever the flux changes an electromotive force

is inducted. (Faraday law)

Linear velocity sensor

Flowmeter

Tachometer generator

Torque sensor

Linear velocity

Flow

Angular speed

Torque

Voltage

Piezoresistive effect

Resistance of the sensing element depends on the

strain.

Strain gauge

Stress, strain, Fluid pressure, displacement, force

Change in resistance

Hall effect

If the sensing element, carrying current, is put in a

magnetic field a differential in electric potential

among its sides is generated.

Gaussmeter

Wattmeter

Magnetic field, displacement

Power

Voltage

8

Varietà dei sensori Magnetoresistive effect

Resistance of the sensing element depends on the

strain.

Magnetoresistor

Magnetic field, linear and angular displacement,

proximity, position

Change in resistance

Piezoelectric effect

Subjecting the sensing element to stress there is a

generation of electric charge.

Vibration cables

Active and passive force sensor

Piezoelectric microphone

Piezoelectric temperature sensor

Vibration

Force

Ultrasonic waves

Temperature

Voltage or charge

Pyroelectric effect

The sensing element generates an electric charge

in response to a heat flow.

Heat flowmeter

Pyroelectric sensor

Change in the temperature

Voltage

Thermoelectric effect

When there is a difference in temperature

between two junctions of different metals, a

difference of electric potential is generated.

Thermocouples, thermopiles, infrared

pyrometer

Difference of temperature

Voltage

Ionization effect

The sensing element when exposed to the

measurand becomes ionized.

Electrolytic sensor

Vacuum gages

Chemical ionizer

Electrical conductivity, pH

Pressure

Atomic radiation

Current

Photoresistive

The electric resistance of the sensing element is

caused by the incidence of optical radiation.

Photoresistor, photodiode, phototransistor,

photofet

Light, position, motion, sound flow, force

Change in resistance

Photovoltaic effect

When the sensing element is subject to a radiation

it generates an electric potential

Flame photometer

Light detector

Pyrometers

Light intensity

Light, position, motion, sound flow, force

Temperature

Voltage

Acoustooptic effect

The interaction of an optical wave with an

acoustic wave produces a new optical wave

Acoustic optic deflection, Bragg cell

Physical vibration

Phase modulated voltage

signal

Doppler effect

The apparent frequency of a wave train changes

in dependence of the relative motion between the

source of the train and the observer.

Remote sensor of linear velocity, Doppler

radar, laser Doppler velocimeter

Relative velocity

Frequency

Thermal radiation

An object emanes thermal radiation, which

intensity is related to its temperature

Pyrometer

Temperature

Voltage

9

• La variazione della grandezza in ingresso è

legata alla variazione della resistenza esibita

dal sensore ai suoi capi.

• Molto comuni, perché sono numerose le

grandezze fisiche in grado di alterare la

resistenza elettrica di un materiale. Sensori per

la misura di temperature si usano anche per

compensare facilmente sistemi che misurano

altre grandezze.

Sensori Resistivi

10

• Sensori a grande variazione di resistenza:

– Potenziometri

• Sensori a piccola variazione di resistenza:

– estensimetri (piezoresistenze)

– Termoresistenze (RTD) e termistori

Sensori Resistivi

11

Potenziometro per misure di posizione (displacement)

L x

R

xLA

R

Il più semplice sensore di posizione e il potenziometro: esso converte una

variazione di distanza (lineare od angolare) in una variazione di resistenza. Tale

variazione non è di per se direttamente misurabile, ma impone l’uso di un

circuito di condizionamento.

I dispositivi potenziometrici soffrono di problemi legati all’attrito meccanico,

limitata risoluzione, e grande rumore termico.

12

Estensimetri

• Presentano una variazione di resistenza

legata alla deformazione meccanica cui sono

sottoposti.

• La grandezza

rappresenta la variazione percentuale della

deformazione ed è detta strain

(deformazione).

• Sebbene sia adimensionale spesso si

estprime in με (“microstrain”, μm/m).

l

dl

13

Estensimetri

Vantaggi:

• Dimensioni ridotte

• Elevata linearità

• Bassa impedenza

Svantaggi:

• Ancoraggio meccanico: la forza deve essere

trasmessa tutta all’estensimetro.

• Dipendenza dalla temperatura (~50 με /〬C).

Si risolve con montaggi differenziali.

• Forza termoelettrica che appare ai capi di

giunzioni bimetalliche. Si risolve con una doppia

misura a polarità invertita.

14

Resistive Temperature Detector (RTD)

• Se sono realizzati in platino sono

chiamati anche PRT, Platinum

Resistence Thermometer.

• Nei metalli, un aumento di temperatura

fa diminuire la velocità media degli

elettroni, ed aumenta R.

=> Coefficiente di temperatura positivo.

• Relazione generale:

• A seconda del metallo, esiste un range

di linearità, in cui:

N

NTTTRR ...1 2

210

TRR 10

15

Tipicamente si usano:

• Platino (-200°C, +850 ° C)

• Rame (-200 °C,+260 °C)

• Nichel (-80 °C,+320 °C)

Disponibili con diversi output range (100 Ω – 2000 Ω).

Grazie a valori di resistenza elevati:

Minore influenza delle resistenze dei collegamenti

Cavi più lunghi.

Resistive Temperature Detector (RTD)

16

Resistive Temperature Detector (RTD)

Vantaggi:

• Elevata sensibilità (10 volte maggiore rispetto alle

termocoppie)

• Elevate prestazioni in termini di incertezza

• Ripetitività

• Basso costo (Rame e Nichel)

Svantaggi:

• Autoriscaldamento

Altre applicazioni:

• Misura della velocità di fluidi (hot wire anemometer)

17

Termistori (Thermally Sensistive Resistor)

Realizzati con semiconduttori.

• NTC: coefficiente di temperatura negativo.

• PTC : coefficiente di temperatura positivo.

Principio di funzionamento:

• Aumento del numero di portatori con T (coeff. negativo);

• Con opportuni droganti si ottiene un coefficiente positivo.

-t°

18

Condizionamento di trasduttori passivi

(in particolare resistivi)

• Il metodo voltamperometrico è inadeguato per piccole resistenze

• Il metodo della caduta di potenziale richiede 2 misurazioni ed un

resistore campione: difficilmente applicabile a sensori.

Si impiegano:

Metodi potenziometrici.

Metodi di ponte.

Oscillatori.

19

Sensori induttivi e capacitivi

• Rispetto ai sensori resistivi, spesso introducono minori

effetti di consumo

• Intrinsecamente non lineari, richiedono montaggi

differenziali

• Richiedono alimentazione ac

• Limite in frequenza (fmisurando < falimentazione )

• Diffusi come sensori di posizione, spostamento, prossimità,

livello, …

20

Sensori di livello

Misura della variazione di impedenza tra

due elettrodi immersi in un liquido.

Misura del livello di liquidi

elettroconduttivi attraverso una

variazione di induttanza.

21

La capacità come sensore

d

AC 0

Variazione di induttanza

AnL 2

0

22

Sensori capacitivi di spostamento lineare

Principio fisico: variazione di C rispetto

ad una delle tre grandezze ε, A, d. d

AC

23

Induzione elettromagnetica (Faraday 1791-1867)

- E’ possibile risalire a spostamenti, deformazioni, forze,

pressioni, velocità (v)

eMN proporzionale a vm

Condotta non metallica

Fluido conduttore

vkeu

keAB

vnBe

vBeMN

24

Condizionamento per sensori induttivi e capacitivi

Montaggi potenziometrici.

Montaggi galvanometrici.

Metodi di ponte.

Oscillatori.

25

Sensori attivi

• Effetto termoelettrico Una f.e.m. funzione della temperatura appare ai capi di giunzioni tra metalli diversi.

• Effetto piezoelettrico Una polarizzazione elettrica proporzionale ad una sollecitazione meccanica appare in particolari

materiali.

• Effetto piroelettrico Una polarizzazione elettrica proporzionale alla temperatura appare in particolari materiali.

• Effetto fotovoltaico Insorgere di una tensione proporzionale alla radiazione e.m. incidente

• …

26

Effetti termoelettrici (Seebeck 1826, Peltier 1834)

• Un conduttore, con una estremità posta ad una

temperatura T1 e con l’ altra ad una temperatura T2,

diventa sede di un passaggio di energia dalla parte calda

alla parte fredda

• il gradiente termico genera un campo elettrico che si

manifesta con un incremento di tensione

dTdV aa

27

Usando due materiali differenti A e B si

ha

AB = A - B

dVAB= AB dT

Per ottenere la migliore sensibilità

si scelgono materiali con coefficienti di segno opposto

• Effetto Peltier: Consiste nel manifestarsi di una

certa quantità di calore, assorbita o ceduta da una

termocoppia quando questa è attraversata da

corrente elettrica

• esempio: frigoriferi termoelettrici di piccole

dimensioni e limitato assorbimento di potenza

28

Termocoppie

Alta

temperatura

Dipende dalla %

della lega

0…2400 Tungsteno-

Tungsteno,Iridio

C

Robusta,

affidabile,

costosa, poco

sensibile

10 con

T=1000°C

0…1760 Pt-Pt90%, Rd10% S

Elevata f.e.m. >70 con

T=1000°C

-200…1250 Cromel-Costantana E

Piccole

dimensioni

15 con

T=320°C

Sens.:45V/°C

-200…400 Rame-Costantana T

Economica 30 con

T=500°C

-200…780 Ferro-Costantana J

Caratteristiche Vu [mV] Campo T°C Materiale bimetallo Tipo

29

Termocoppie: l’effetto Seebeck

Ai capi di una giunzione tra due metalli diversi A e B appare

una f.e.m. che dipende dalla natura dei metalli e dalla

temperatura TX

Tx V

A

B

30

Termocoppie: effetto Peltier ed effetto Thomson

Si può dimostrare che l’effetto Seebeck è una conseguenza

dei seguenti:

• Effetto Peltier: una giunzione di due metalli diversi si

riscalda o raffredda se è attraversata da una corrente.

• Effetto Thomson: un conduttore di composizione

omogenea, ma con temperatura non omogenea, cede o

assorbe calore se attraversato da corrente.

31

Tipi di termocoppie

Codice ANSI Composizione Range ºC mV @ full range

B Pt / Rhodium 38 – 1800 3.6

C W / rhenium 0 – 2300 37.0

E Chromel / Constantan 0 – 982 75.0

J Iron / Constantan 0 – 760 43.0

K Chromel / Alumel -184 – 1260 56.0

N Nicrosil (Ni/Cr/Si) / Nisil (Ni/Si/Mg) -270 – 1300 51.8

R Pt / Rhodium 0 – 1593 18.7

S Pt / Rhodium 0 – 1538 16.0

T Cu / Constantan -184 – 400 26.0

32

Sistema di acquisizione dati per termocoppie

OHMs

Conv.

HI

LO

Floating Circuitry Grounded Circuitry

Isolators

uP uP

I/O

(HP-IB,

RS-232) To

Computer ROM

Lookup Integrating

A/D

• Un termistore,

più canali T/C

• La CPU opera

la linearizzazione

33

Effetto piezoelettrico (Curie, 1880)

• Esiste in cristalli naturali (quarzo) e in ceramiche e

polimeri artificiali opportunamente polarizzati (anisotropia

del quarzo)

• Consiste nella generazione di carica elettrica da parte di

un materiale cristallino sottoposto ad una sollecitazione

meccanica

• E’ un effetto reversibile:

energia meccanica energia elettrica

applicataForzaF

BeAmorsettiai.m.e.fe

kFe

u

u

34

Effetto piroelettrico

• Tra i cristalli piezoelettrici ve ne sono alcuni (in 10 delle 32 classi cristalline) che presentano un’unica direzione privilegiata per l’orientamento dei momenti elettrici.

• Consiste nella generazione di carica elettrica per effetto di un flusso di calore (cariche indotte termicamente).

• Il materiale non necessita di eccitazione esterna

• contrariamente ai termoelettrici (es. termocoppie), le cariche vengono generate in risposta ad una variazione di temperatura

35

Effetto piezoresistivo (Strain-gauge, Strain-gage)

• Sforzo:

• dove E = modulo di Young del materiale

• F = forza applicata

• a = sezione interessata

E’ l’effetto di variazione della resistività di un opportuno

materiale quando è soggetto ad una deformazione dovuta ad

uno sforzo ad esso applicato (ridotto nei materiali metallici, più

consistente nei semiconduttori).

dE

a

F

d È chiamato tensione (deformazione normalizzata)

36

• Il conduttore cilindrico che subisce una elongazione (supponendo che il volume V rimanga costante) possiede una resistenza pari a:

2

VR

da cui si ricava la sensibilità:

dR2

d V

che è tanto migliore quanto più lungo e stretto è il

cilindro e quanto maggiore è la resistività del materiale.

Si puo’ esprimere come: e

dRS

R

Se = Sensibilità (gauge factor) [2-6 per metalli, 40-

200 per semiconduttori]

• applicazioni: accelerometri, microfoni.

Effetto piezoresistivo (2)

d

37

• E’ formato da un resistore saldato su un substrato

portante elastico, che viene fissato sull’ oggetto che si

deforma

• il resistore è in tal modo isolato elettricamente dall’

oggetto

• il coefficiente di espansione termica del substrato deve

essere coincidente con quello del materiale di cui è fatto il

resistore

• la resistenza varia in genere da 100 a migliaia di ohm.

• Per avere una buona sensibilità il sensore deve avere

lunghi segmenti longitudinali e corti segmenti trasversali,

così la sensibilità trasversale è solo di pochi percento di

quella longitudinale

Effetto piezoresistivo (3)

38

Effetto Hall (E.Hall 1879)

• In un materiale conduttore sottoposto ad un campo di induzione magnetica Bz normale al flusso di una corrente elettrica di intensità Ix, si manifesta una d.d.p. Vy in direzione perpendicolare alle direzioni sia di Bz sia di Ix.

• Il fenomeno è dovuto al fatto che le cariche elettriche, in movimento per la presenza della corrente, si accumulano su di una faccia del materiale per effetto del campo magnetico, finchè non si determina un campo elettrico agente sugli elettroni tale da opporsi e compensare la forza dovuta al campo magnetico.

• Sensori Hall sono usati per rilevare campi magnetici, posizione e spostamento di oggetti

39

• La tensione di Hall può essere

prelevata con opportuni elettrodi.

(Bassa nei conduttori e negli isolanti,

buona nei semiconduttori)

• non sono molto lineari rispetto all’

intensità del campo B e quindi

richiedono una calibrazione per

misure di precisione

• per misure di posizione e di

spostamento devono essere forniti

con una sorgente di campo

magnetico ed una interfaccia

elettronica

• Un dispositivo commerciale che

utilizza arseniuro di indio ha una

corrente di controllo di 0.1 A e

presenta una tensione di Hall pari a

0.15 V per un campo di induzione

magnetica di 1 Wb/m2 (T)

40

Effetto fotoconduttivo (Sensori passivi)

• Determina un passaggio di corrente elettrica in materiali

investiti da radiazioni di varia lunghezza d’onda.

• Dovuto alla variazione della conduttività di materiali isolanti e

semiconduttori.

• La radiazione incidente consente il passaggio di elettroni da

uno stato di legame ad uno libero, questi non hanno energia

sufficiente per uscire dal materiale (fotoemissione) ma

contibuiscono alla conduzione facendo diminuire la resistività.

• E’ necessario collegare il sensore ad un generatore di tensione

per avere un flusso di corrente elettrica variabile con la

radiazione incidente.

41

Effetto fotovoltaico (Sensori attivi)

• Conseguente alla conversione dell’energia radiante in energia

elettrica che consente la realizzazione di celle solari.

• Si presenta nelle giunzioni p-n dei semiconduttori, sottoposte a

radiazioni che danno luogo alla comparsa di una f.e.m.

• Illuminando la giunzione si producono coppie elettroni-buche.

• Materiali tipici sono selenio-ferro e rame-(ossido di rame)

• Fotodiodi o fototransitor sono elementi fotovoltaici usati come

interruttori nei quali piccole quantità di luce sono in grado di

produrre la commutazione del circuito dalla condizione di

minima corrente a quella di corrente elevata

42

Sistemi ad ultrasuoni (Effetto Doppler, 1842)

• Consiste nella variazione di frequenza delle onde acustiche,

ottiche , radio dovuta al moto relativo tra sorgente e ricevitore

delle onde.

vkff 21

f1 = Frequenza dell’onda incidente

f2 = Frequenza dell’onda riflessa

v = Velocità media del fluido

43

Sistemi ad ultrasuoni (tempo di volo)

vc

fd2;

vc

dt

• Misura della velocità di un fluido all’interno di un

condotto

• Controlli non distruttivi: misura delle inclusioni in pezzi

metallici

• Trasmettitore e ricevitore sono sensori piezoelettrici che

funzionano ad impulso o ad onda continua.

44

Sensori digitali: gli encoder incrementali

• Misure di posizione lineare ed angolare.

• Il rilevamento dei settori può essere magnetico, elettrico

oppure ottico.

• La misura è incrementale (problemi).

45

Le regioni sono univocamente contraddistinte da

una proprietà: ad es. un codice binario.

10011111

Encoder assoluti

ENCODER INCREMENTALI

• L'elemento fotosensibile ( un

fotodiodo o un fototransistor)

genera un treno di impulsi ed il

loro numero è pari al numero delle

zone trasparenti, alternate alle

scure, intercettate dal blocco

emettitore-ricevitore .

• Il conteggio di questi impulsi

consente di individuare la rotazione

compiuta dal disco

• Un encoder in cui sia presente solo una serie di feritoie non

consente di individuare il verso in cui il disco ruota. Viene

ricavata una seconda serie di feritoie, sfalsata rispetto alla prima

di un quarto di passo, essendo il passo la distanza tra due zone

trasparenti successive. E' ovviamente necessaria la presenza di

una seconda sorgente luminosa e di un secondo sensore.

Encoder assoluti

0

1

2

34

5

6

7In questi encoder non si ha una

semplice successione di zone

chiare e di zone scure, ma le

zone chiare e quelle scure,

rappresentano, lette su una

linea perpendicolare alle piste

o su un raggio una parola in

un certo codice binario.

• Un codice binario puro non è tuttavia

adatto ad essere utilizzato in un encoder.

Si ha che in alcune posizioni, passando da

un numero binario al successivo, varia più

di una cifra. Ad esempio passando dal n. 3

(011) al n. 4 (100) si ha una variazione

contemporanea di tutte e tre le cifre.

Cod ice G ray

ENCODER INCREMENTALI ED ASSOLUTI

LED

fotorivelatore

fotorivelatori

tracce

ogni livello ha una risoluzione doppia rispetto a quello inferiore; con 10 tracce vengo ad avere una risoluzione di 210=1024 impulsi per giro (nota: i segnali provenienti dai fotorivelatori possono essere interpretati direttamente come una codifica binaria della posizione)

ENCODER INCREMENTALE: contando gli impulsi permette di valutare lo spostamento rispetto ad una posizione iniziale

ENCODER ASSOLUTO: fornisce la posizione assoluta

SENSORI DI VELOCITA’

• Un’altra grandezza fisica di notevole

importanza nelle applicazioni e negli

automatismi è la velocità. Per realizzare

trasduttori di velocità lineare o angolare

possono essere utilizzati dispositivi

elettromeccanici come la dinamo

tachimetrica oppure dei tachimetri

elettronici.

• I tachimetri elettronici basano il loro funzionamento su un encoder che

fornisce una sequenza di impulsi grazie a una coppia led-fotodiodo in

genere integrati nell’encoder.

• I tachimetri digitali possiedono un generatore di clock il cui compito è di

fornire una finestra temporale di durata costante che abilita il conteggio

di un contatore.

• Accanto alla versione digitale che consente comunque un immediato interfacciamento con microcontrollori è possibile realizzare un analogo circuito analogico.

• Gli impulsi provenienti dall’encoder sono squadrati da un circuito a trigger di Smidth, poi, tramite un convertitore frequenza tensione, gli impulsi sono trasformati in una tensione proporzionale alla frequenza e quindi alla velocità dell’encoder.

La dinamo tachimetrica

• La dinamo tachimetrica è un piccolo

generatore di corrente continua. Nello

statore è presente un magnete permanente.

Il rotore racchiude l’avvolgimento indotto.

Rispetto le tradizionali dinamo si pone

molta cura nella costruzione per evitare

attriti e eccentricità che falserebbero la

lettura.

• E’ importante nell’utilizzo di far lavorare la

dinamo tachimetrica a vuoto per evitare che

la misura sia falsata dalle cadute di tensione

sulla resistenza degli avvolgimenti del

rotore.

+ -+

++

+

N

S

+ ++

+

• Si ricorda che una spira conduttrice interessata da un flusso variabile nel tempo produce ai suoi capi una f.e.m.

• l’andamento di tale forza elettromotrice è sinusoidale.

• Ora ciascun avvolgimento contribuisce alla tensione complessivo con una propria tensione ed ogni f.e.m. sarà sfasata rispetto la precedente

• La somma di queste sinusoidi sfasate fornisce una tensione pressoché continua ma che presenta una certa ondulazione, la tensione, pertanto, deve essere filtrata per evitare problemi nei sistemi di controllo

• La tensione continua in uscita è legata alla velocità

di rotazione dalla relazione

• dove KD è la costante della dinamo mentre è la

velocità angolare in giri /min.

• Per le dinamo tachimetriche commerciali la KD

vale 6090 V per 1000 giri/min

strutturalmente sono dei piccoli generatori in corrente continua eccitati con magneti permanenti (AlNiCo: stabilità termica)

TACHIMETRI A CORRENTE CONTINUA

nkΦV n: n° di giri/min

scostamenti dalla proporzionalità:

• dissimmetrie costruttive (squilibrio del rotore, irregolarità del traferro, ecc.)

• caduta di tensione alle spazzole (la corrente assorbita deve essere piccola per evitare l’effetto della reazione di indotto): si usano quindi spazzole con basse cadute (contenenti polvere di Ag)

scostamenti tra la caratteristica reale e ideale di un tachimetro in c.c.

errore di linearità =V/ VM : massimo scostamento V dalla retta ideale, riferito al valore di fondo scala VM

• Ci sono diversi metodi per misurare gli

sforzi, molti dei quali sono basati su misure

di spostamento.

• Gli strain gauge di tipo elettrico realizzano

una misura di tipo mono o bidimensionale,.

•

Sensori piezoelettrici

• si basano sulla misura della carica elettrica

che compare sulla superficie di cristalli

speciali (quarzi, topazi, sale di Rochelle)

quando sono sottoposti a stress meccanici.

Sensori ottici

• I principali sensori ottici sono il fotodiodo, i fototransistor e le fotoresistenze.

• simbolo del fotodiodo e del fototransistor.

• I fotodiodi basano il loro funzionamento sul fatto che in polarizzazione inversa la corrente inversa aumenta se si illumina la giunzione.

• Infatti, i portatori minoritari, elettroni nella zona p e lacune in n, si liberano dal legame chimico passando dalla banda di valenza a quella di conduzione in misura maggiore se colpiti da un quanto energetico sufficiente a fargli compiere il balzo.

• Normalmente i diodi sono contenuti in

contenitori oscuri per cui l’unico contributo

per tale passaggio di banda è legato al

calore, se la giunzione è resa trasparente o

meglio si concentra la luce tramite una lente

sulla giunzione si aumenta l’intensità di tali

portatori all’aumentare dell’illuminamento.

• La relazione che esprime la corrente

I I I eL

qV

kT 0 1( )

fotodiodo

n p

+ -

E

+++

+++

+++

+ - - -

- - -

- -

- -

+

+

+

-

--

La misura di distanza con sensori ottivci

Verranno trattati due metodologie differenti per effettuare misure di

distanza utilizzando un laser:

• Misura basata sulla triangolazione

• Misura basata sul tempo di volo

Queste sono per certi versi duali e presentano, quindi, campi applicativi

molto differenti.

Diodo laser

In entrambi i casi, l’elemento alla base di questi sensori è il diodo laser. Il

diodo converte un segnale elettrico in un segnale luminoso.

Riflessione nei diversi materiali

Riflessione diffusa in accordo

con la legge di Lambert.

Riflessione totale

Riflessione catottrica

Sensori basati sulla triangolazione

Il principio di funzionamento è il seguente:

1. Un raggio laser colpisce il bersaglio e

viene riflesso (in modo diffuso).

2. Il punto colpito viene messo a fuoco

da lenti su un vettore CCD.

3. In base alla posizione del punto sul

vettore si può determinare la distanza

del bersaglio.

D1 è la distanza di riferimento (lo zero).

D2 è il range delle misure.

Determinazione della distanza

Dobbiamo calcolare d conoscendo

h:

Nel caso si utilizzasse il sensore

con un PC sarebbe sufficiente

mandare attraverso l’RS232 i

valori di h e lasciare che si occupi il

calcolatore di ricavare il valore

della misura.

)(

tgrh

tg

tgbdtgda

tgba

Dati tecnici

Sensori di questo tipo presentano le seguenti caratteristiche:

• Misura senza contatto

• Lunghezza d’onda del laser di 670nm (rosso)

• Ampie distanze fra sensore e target (50-250mm) (D1)

• Range di misura da ±2 a ±100mm (D2)

• Precisione: 0,005% f.s.

• Data-rate circa di 10KHz

• Linearità dello 0.03% f.s.

• Piccolo punto di misura (100m)

• Temperatura di funzionamento da 0° a 40°C

Cose da ricordare per l’impiego

• L'area della trasmissione e riflessione del raggio deve essere pulita

• Il sensore ha dimensioni relativamente grandi (120x120x30mm)

• Il laser deve essere orientato

in modo da evitare che gli

spigoli non oscurino il laser

(shadowing effect)

• La misura è affetta da errori

dovuti ad un “disallineamento”

Possibili applicazioni

Con questo sensore, nei processi industriali, è possibili misurare:

1. vibrazioni, gioco,…

2. distanza, posizione,…

3. flessione, deformazione,…

4. dimensioni, rispetto di tolleranze,…

5. deformazioni,…

6. controllo di qualità,…

Esempio: misura del livello idrostatico

Vogliamo utilizzare un sensore basato sul laser per misurare l’altezza di un

liquido (acqua) contenuto in un recipiente.

Il sensore è tale per cui il riferimento

è a distanza b=40mm con un angolo

28°. Possiamo calcolare la distanza:

a = b tg

Se nel recipiente mettiamo un liquido

il laser viene rifratto. A seconda del livello

del liquido il laser compie una traiettoria

più o meno lunga ed in questo modo si

riesce a misurare il livello del liquido senza

che vari la distanza fra il sensore ed il fondo

che è la superficie di riflessione.

Per prima cosa dobbiamo tarare il sensore ovvero trovare un livello del

liquido di riferimento. Sappiamo che il laser ha una lunghezza d’onda

l=670nm per cui n=1,33. Calcoliamo :

sin = n sin , = 20,67°

Quindi:

È stato scelto d =15mm e T=44.4mm. Il sensore restituisce 1V per mm in

aria ed in questo caso 0.3V per mm.

mmdT

btg

tgdT

tg

tgdTdbf

tgdtgf

4029,0

1

Un esempio di misura fatto con questo sensore. Supponiamo di avere due

serbatoi a due livelli differenti. Supponiamo di aprire il rubinetto fra questi

serbatoi in un certo istante. Queste sono le misure che otterremmo:

Sensori basati sul tempo di volo

Un diodo laser trasforma un treno d’impulsi in un segnale luminoso. Parte

dell’eco del segnale colpisce un foto diodo che lo trasforma in un segnale

elettrico. L’intervallo di tempo fra l’impulso trasmesso e quello ricevuto

viene “contato” da un clock la cui frequenza stabilisce la precisione

minima apprezzabile dallo strumento.

In genere questi sensori danno una misura non solo della distanza ma

anche dell’intensità con cui è “tornato” il laser.

Principio di funzionamento

In generale quella che viene misurata è la distanza del sensore dall’ultimo

bersaglio incontrato dal laser. Consideriamo i seguenti diagrammi

temporali:

Specifiche tecniche

Sensori di questo tipo sono caratterizzati da:

• Numero massimo di bersagli illimitato

• Minima distanza fra due bersagli dipende dell’ampiezza dell’eco (2-5m)

• Distanza massima dai 100 m a circa 1Km

• Distanza minima di circa 2m

• Precisione di ±2,5cm, nel caso dell’ultimo bersaglio di 10cm

In particolare notiamo che dalla distanza massima e dalla precisione

possiamo avere un’idea del periodo del segnale che pilota il diodo laser

del clock:

GHz

cm

cf

MHzm

cf

ck

l

10103

103

3

1103

103

300

2

8

2

8

Esempio di misura

Consideriamo un bersaglio posto a circa 35m. Facciamo delle misure in

caso neve fra il sensore e il bersaglio. Quello che otteniamo con sensori di

questo tipo è:

Questi sensori restituiscono anche la distanza dell’ultimo bersaglio dal

precedente.

Variazioni di distanza massima misurabile

La portata del sensore è funzione sia del materiale del bersaglio (del suo

coefficiente di riflessione ) che delle condizioni atmosferiche: