SENSORI E TRASDUTORI. Dr. Ing. Andrea Malizia, PhD.

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1 SENSORI E TRASDUTORI malizia@ing.uniroma2.it 19/10/2012

2 Oggi è abbastanza frequente sentir parlare indifferentemente sia di sensori che di trasduttori, quasi che i due termini siano sinonimi. In realtà con il termine di trasduttore intendiamo parlare di un oggetto che è un po di più che non un semplice sensore: - sensore è un dispositivo meccanico, elettrico o di altro genere in grado di rilevare una certa grandezza fisica. - trasduttore è un apparecchio che serve a trasdurre una certa energia, con o senza conversione della stessa in una forma diversa, da un punto ad un altro di un sistema. Ne consegue che, allo stato attuale della tecnologia, è sempre più frequente l uso di trasduttori, in quanto è sempre più diffuso l uso di strumentazione elettrica od elettronica per effettuare misure di grandezze anche non elettriche (ad esempio in meccanica od idraulica). Proseguendo nel nostro corso parleremo quindi essenzialmente di trasduttori, anche perché, come vedremo più avanti, è sicuramente più facile manipolare un segnale elettrico che non un altro tipo di grandezza fisica. Se poi volessimo portare questo ragionamento alle sue estreme conseguenze, si potrebbe anche comprendere come la logica evoluzione futura dei trasduttori sia nella direzione del tutto digitale. Ma andiamo per gradi, e cominciamo prima a vedere i principi di funzionamento dei trasduttori. Differenze tra sensori e trasduttori 2

3 Un trasduttore (o sensore) è un dispositivo in grado di rilevare una grandezza fisica di tipo qualsiasi (termico, luminoso, magnetico, meccanico, chimico, eccetera) e di trasformarla in una grandezza di altro tipo, generalmente elettrica (tensione o corrente). Il motivo della trasformazione è che in questo modo il segnale di uscita (generalmente una tensione o una corrente) è facilmente manipolabile mediante dei circuiti elettronici in modo da amplificarlo, linearizzarlo e filtrarlo da eventuali disturbi (condizionamento del segnale). Un segnale analogico potrà inoltre essere facilmente convertito in digitale (mediante un convertitore AD) ed acquisito da un sistema di elaborazioni dati e/o trasportato a distanza da un sistema di comunicazione dati. 3

4 Oggi si delega sempre più alle apparecchiature elettroniche il compito di leggere le misure. Ciò significa che i valori delle grandezze fisiche da misurare vanno generalmente convertiti in segnali elettrici che, rilevati od acquisiti da una apparecchiatura elettronica, possono esserci comunicati, su nostra richiesta, anche in forma ottica. E quindi abbastanza ovvio che, se vogliamo convertire in segnali elettrici tutte le possibili grandezze fisiche, dobbiamo cercare di sfruttare tutti i fenomeni fisici il cui esito è la variazione di una grandezza elettrica; ecco che allora appare più chiaro il nostro odierno interesse per quei fenomeni come quello termoelettrico, fotoelettrico, piezoelettrico e così via. Alla luce di queste prime considerazioni, distingueremo dapprima i trasduttori in due gruppi: i trasduttori attivi ed i trasduttori passivi. I trasduttori attivi sono quelli che per loro natura trasformano direttamente una data grandezza fisica (per esempio una pressione) in una corrispondente grandezza elettrica. A questo tipo di trasduttori appartengono, per esempio, tutti quelli costruiti utilizzando i materiali piezoelettrici I trasduttori passivi sono quelli nei quali la grandezza fisica da misurare fa variare una corrispondente grandezza elettrica la quale, per essere misurata, necessita di apporto di energia esterno. 4

5 I trasduttori vengono classificati in : primari o fondamentali (trasduttori di temperatura, di luminosità, di posizione, di campo magnetico,ecc ) ; secondari (trasduttori di forza, di accelerazione, di pressione, ecc ) che dipendono dai primari e che quindi vengono definiti delle variazioni dei primari. Nei trasduttori primari la grandezza di ingresso viene trasformata direttamente nella grandezza di uscita.nei secondari, viceversa, la grandezza di uscita si ottiene dalla grandezza di ingresso in modo indiretto. Ovvero la grandezza di ingresso viene convertita in una grandezza intermedia e quest'ultima viene convertita nella grandezza di uscita. 5

6 Trasduttori Primari trasduttori di temperatura trasduttori fotoelettrici estensimetri sensori di campo magnetico potenziometri sensori elettrochimici 6

7 Trasduttori Secondari - i sensori di forza, accelerazione e pressione (basati sugli estensimetri). - la maggior parte dei sensori di posizione (basati sui sensori fotoelettrici e sui sensori di campo magnetico). - i sensori di velocità, basati sui sensori di posizione. 7

8 Si possono elencare una serie di caratteristiche che possono interessare un trasduttore: Accuratezza; Risoluzione; Linearità; Tempo di risposta; Offset di uscita; Ripetitività; Risoluzione; Campo di ingresso o portata (è l intervallo entro cui può variare l ingresso); Isteresi 8

9 Accuratezza L accuratezza esprime la differenza fra il valore ideale (corretto) dell uscita e il valore reale (falsato da errore) dell uscita del trasduttore, con riferimento ad uno specifico ingresso. Il costruttore può esprimere l accuratezza in una delle tre forme seguenti: % FSO: Percentuale sull uscita di fondo scala (Full Scale Output) % SULLA LETTURA DI USCITA: Questa è la forma più subdola, in quanto tipicamente il costruttore sceglie come lettura di uscita di riferimento quella che garantisce risultati migliori, non curandosi di riportarla nelle specifiche. VALORE ASSOLUTO: espresso nella unità di misura dell ingresso. 9

10 Risoluzione La risoluzione è la più piccola variazione dell ingresso che provoca una variazione dell uscita. Naturale è l esempio dell encoder ottico incrementale costituito da un disco opaco recante quattro fori sulla circonferenza più esterna, disposti a 90 l uno dall altro: appare evidente come la risoluzione (assumendo come grandezza di ingresso l angolo di rotazione del disco) ammonti appunto a 90. Anche i convertitori A/D sono intrinsecamente caratterizzati dalla risoluzione: ipotizzando parole di n bit e un ingresso che varia fra V FS e + V FS, la risoluzione è pari alla ampiezza del quanto, cioè VFS/2 n-1. 10

11 Range E l intervallo di valori in cui il trasduttore lavora secondo i parametri stabiliti. Appena esce dal range il trasduttore non funziona più, e ritorna a lavorare appena rientra nell intervallo. Il range di ingresso (o campo di ingresso) definisce i limiti entro cui può variare l'ingresso; mentre il range di uscita (o campo di uscita) definisce i limiti entro cui può variare l'uscita. Sensibilità La sensibilità S del trasduttore è il rapporto fra la variazione della grandezza d'uscita e quella dell'ingresso che l ha determinata. Lo strumento risulterà essere molto sensibile quando a parità di grandezza di ingresso la grandezza di uscita è molto elevata. S=Δ O / Δ I 11

12 LINEARITA Se il trasduttore in questione deve essere idealmente lineare, è necessario corredare l insieme delle specifiche che lo caratterizzano con il parametro linearità. La linearità può essere espressa in una delle tre forme seguenti, facenti tutte riferimento alla rappresentazione grafica: LINEARITA DEI PUNTI ESTREMI: è costituita da due valori, calcolati rispettivamente sulla successione di ingresso crescente e decrescente, ciascuno dei quali rappresenta la massima deviazione percentuale (sul F.S.) dell uscita rispetto alla retta passante per i punti origine e F.S. output full scale. 12

13 LINEARITA Se il trasduttore in questione deve essere idealmente lineare, è necessario corredare l insieme delle specifiche che lo caratterizzano con il parametro linearità. La linearità può essere espressa in una delle tre forme seguenti, facenti tutte riferimento alla rappresentazione grafica: LINEARITA MEDIA: Analogamente alla linearità dei punti estremi, anche questa è descritta da due valori calcolati l uno sulla successione di ingressi crescenti, l altro sulla succ. decrescente, come massima deviazione percentuale rispetto alla retta mediana che costituisce l asse della fascia rettilinea includente l andamento grafico isteretico della misura. 13

14 LINEARITA Se il trasduttore in questione deve essere idealmente lineare, è necessario corredare l insieme delle specifiche che lo caratterizzano con il parametro linearità. La linearità può essere espressa in una delle tre forme seguenti, facenti tutte riferimento alla rappresentazione grafica: LINEARITA AI MINIMI QUADRATI: E espressa dalla coppia di parametri percentuali utilizzati anche nei due casi precedenti: in questo caso la retta di riferimento è quella che minimizza la sommatoria dei quadrati degli scostamenti fra essa stessa e i punti rappresentativi delle misure. Il coefficiente angolare m e l intercetta b di tale retta saranno così calcolati: Retta dei minimi quadrati : y=mx+b dove y è l ordinata (asse delle misure), x l ascissa (asse dei valori di input); Va minimizzata la funzione: Sommatoria(y-y mis ) 2 ove y mis è il valore della misura dell uscita. Con n dati di misura si ottiene: 14

15 LINEARITA Se il trasduttore in questione deve essere idealmente lineare, è necessario corredare l insieme delle specifiche che lo caratterizzano con il parametro linearità. La linearità può essere espressa in una delle tre forme seguenti, facenti tutte riferimento alla rappresentazione grafica: LINEARITA AI MINIMI QUADRATI: Va minimizzata la funzione: Sommatoria(y-y mis ) 2 ove y mis è il valore della misura dell uscita. Con n dati di misura si ottiene: 15

16 Tempo di risposta Rappresenta il tempo che intercorre dal momento che l ingresso assume un certo valore a quello in cui questo è presente in uscita. I migliori trasduttori hanno un tempo di risposta molto basso. Offset di uscita L offset indica la bontà del trasduttore che risulterà essere migliore quanto minore sarà il valore assunto da tale parametro. Esso viene verificato azzerando gli ingressi e visualizzando il valore presente i uscita. 16

17 Ripetitività Un atro parametro importante, anche se la sua definizione precisa varia da costruttore a costruttore, è la ripetibilità, vale a dire la costanza nel tempo delle caratteristiche del trasduttore (la sua resistenza all'invecchiamento). Il parametro ripetibilità quantifica l attitudine del trasduttore a produrre la stessa uscita quando si effettuino ripetute applicazioni successive di uno stesso ingresso. Ci sono due modi per esprimere la ripetibilità: 17

18 Ripetitività Un atro parametro importante, anche se la sua definizione precisa varia da costruttore a costruttore, è la ripetibilità, vale a dire la costanza nel tempo delle caratteristiche del trasduttore (la sua resistenza all'invecchiamento). Risoluzione La risoluzione R esprime la variazione minima di uscita rispetto al fondo-scala: R = 1 /Δ I min Un buon trasduttore presenta una BASSA risoluzione (cioè può apprezzare segnali di piccolo valore riferiti alla portata del dispositivo). 18

19 Isteresi Il parametro isteresi fornisce una indicazione sulla attitudine di un trasduttore a produrre la stessa identica uscita sia nel caso che l ingresso di riferimento venga raggiunto da valori inferiori, sia che esso venga raggiunto da valori superiori (si ricorda che poiché trattasi di specifiche statiche la misura sull uscita va eseguita a regime). Per calcolare l isteresi, innanzitutto si esegue la misura dell uscita in corrispondenza di una sequenza d ingresso prima crescente (a gradini ) e poi decrescente: l isteresi sarà data dal valore massimo della differenza fra l uscita assunta nella fase crescente e l uscita assunta nella fase decrescente in corrispondenza della stessa ampiezza d ingresso. Si riporta di seguito un esempio di caratteristica di isteresi di un trasduttore (in questo caso di forza), che chiarisce la procedura appena descritta. 19

20 Un buon trasduttore dovrebbe avere caratteristica di trasferimento lineare range ampio alta sensibilità bassa risoluzione piccola costante di tempo assenza di isteresi 20

21 Trasduttori di posizione Il problema di misura della posizione di un corpo (massa) soggetto all azione di una forza è tipico dei SdC (Sample data Collector) delegati alla gestione di processi meccanici (per es.: robots, plotters, testine dei disk-drivers, ecc.). Logicamente può interessare la trasduzione in grandezza elettrica di una posizione lineare (spostamenti rettilinei) oppure di una posizione angolare (asse in rotazione). Esistono varie tecniche per la misura elettronica di posizione, a seconda della tipologia del dispositivo utilizzato: - POTENZIOMETRI (VEDI PRESENTAZIONE: MALIZIA_1.3) - TRASUTTORI PIEZOELETTRICI (VEDI PRESENTAZIONE MALIZIA_1.4) - ENCODER OTTICI 21

22 ENCODER OTTICI Gli encoder ottici sono dei trasduttori rotativi di posizione angolare. Poiché il formato della loro uscita è di tipo digitale, essi si prestano molto bene a lavorare in tandem con dispositivi numerici. Il cuore di un encoder è costituito da un disco trasparente calettato sull asse di rotazione, recante (in zona periferica onde ottenere la massima risoluzione spaziale) in serigrafia la codifica binaria (a opaco/trasparente corrisponde 0/1): 22

23 ENCODER OTTICI Tale marcatura viene letta da un sistema ottico costituito da una coppia emettitore (tipicamente un LED infrarosso) e rivelatore (tipicamente un FOTODIODO) affacciati l uno verso l altro fra i quali è frapposto (trasversalmente) il disco. Una semplice circuiteria elettronica provvede al condizionamento (squadratore e output-buffer) dell uscita del/dei rivelatore/i. 23

24 ENCODER OTTICI Per quanto concerne le caratteristiche meccaniche, si sottolinea la sostanziale assenza di attriti (non ci sono componenti striscianti e tipicamente i supporti sono dei cuscinetti a sfere); tuttavia in taluni contesti applicativi il momento d inerzia del disco ottico non è affatto trascurabile: il progettista del SdC dovrà scegliere fra l utilizzo di un encoder a disco in vetro (grazie alla purezza ottica che lo caratterizza offre risoluzione elevate, al prezzo di una inerzia e di una fragilità non indifferenti) oppure un encoder a disco in materiale plastico (bassa inerzia e elevata robustezza al prezzo di risoluzioni non elevate). Le caratteristiche costruttive appena descritte sono comuni a tutti gli encoders ottici, fra i quali è possibile operare una distinzione, delineando due famiglie di dispositivi: Encoders di tipo ASSOLUTO : sono dei trasduttori in grado di rilevare la posizione angolare assoluta dell asse; si compongono di un disco ottico recante la codifica binaria (tipicamente codice Gray) assoluta in corrispondenza di ciascun settore circolare. Molteplici fotorivelatori radiali (uno per ciascun bit di codifica) forniranno (previo condizionamento del segnale) in uscita una word (formato parallelo) che corrisponde univocamente alla posizione attuale dell asse. 24

25 ENCODER OTTICI Encoders di tipo INCREMENTALE : volendo semplificare al massimo, si può dire che l uscita (singola) di questo tipo di trasduttori è un onda quadra avente frequenza direttamente proporzionale alla velocità angolare di rotazione dell asse. Un solo trasduttore ottico esegue la lettura di una corona circolare caratterizzata da una marcatura a tratteggio uniforme ; in figura è schematizzato l equivalente rettilineo : In realtà l encoder incrementale dispone di TRE uscite, due delle quali forniscono in uscita altrettante onde quadre IN QUADRATURA fra loro al fine di poter ricavare il VERSO DI ROTAZIONE (cosa impossibile se l uscita fosse unica); la terza fornisce un singolo impulso rettangolare in corrispondenza della posizione angolare di zero (riferimento): 25

26 ENCODER OTTICI La codifica numerica della posizione è ottenibile impiegando un contatore integrato (quadrature decoder) con comando up/down direttamente ricavato dalla fase reciproca delle uscite A e B, clock fornito da una (indifferentemente) delle due. E interessante notare inoltre come l impiego di un reticolo di diffrazione opportunamente sagomato incrementi notevolmente la risoluzione rispetto all utilizzo del solo disco serigrafato: con questo accorgimento si raggiunge un massimo di 18*10 6 impulsi per giro. 26

27 Unità di Misura nel SI 27

28 SENSORI E TRASDUTORI Gruppo di Ricerca di Elettronica Quantistica e Plasmi malizia@ing.uniroma2.it 19/10/2012