Esempi di Sensori: Sensori di Temperatura Sensori a Lamina Bimetallica

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1 Esempi di Sensori: Sensori di Temperatura Sensori a Lamina Bimetallica Tratto da Sensors and Signal Conditioning R. Pallas Areny, J.G. Webster, John Wiley and Sons Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 1

2 Termocoppie V = a T Operano attraverso l effetto termoelettrico ( ) A B Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Termocoppie La temperatura T r della giunzione a temperatura inferiore (cold junction) deve essere nota per ricavare T x Nella pratica, si inserisce un secondo sensore dedicato a misurare T r Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 2

3 Termocoppie Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Termocoppie Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 3

4 Termoresistenze (RTD) Operano attraverso l effetto termoresistivo in metalli [ + α( T )] R = R0 1 T 0 I dispositivi più noti e utilizzati di questa tipologia sono le termoresistenza al platino (Platinum Resistance Temperature Detector, RTD): Pt100: R 0 = 100 Ω a T 0 = 0 C Pt1000: R 0 = 1 kω a T 0 = 0 C Per il Pt: α (Ω /Ω)/ C Termoresistenze (RTD) Caratteristica di trasduzione di Pt100 e Pt1000 Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 4

5 Termistori Operano attraverso l effetto termoresistivo in ossidi di semiconduttori R = R [ β( 1 T T )] 0 exp 1 0 Hanno maggiore sensibilità rispetto alle RTD, ma comportamento fortmente non lineare Esistono due categorie di termistori: Andamento tipo PTC (Positive Temperature Coefficient) La resistenza cresce al crescere della temperatura Andamento tipo NTC (Negative Temperature Coefficient) La resistenza decresce al crescere della temperatura Termistori Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 5

6 Termometri a Giunzione PN La caratteristica tensione-corrente di una giunzione PN dipende in maniera riproducibile dalla temperatura Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Termometri a Giunzione PN A seconda della corrente di polarizzazione diretta impostata, la tensione ai capi della giunzione PN varia con la temperatura con sensibilità lievemente differenti Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 6

7 Termometri Ottici a Fluorescenza In opportuni materiali, il tempo di fluorescenza (emissione di radiazione luminosa stimolata da un impulso luminoso di eccitazione) dipende dalla temperatura Adatti ad ambienti con presenza di elevato livello di disturbi elettrici/elettromagnetici (per es.: trasformatori in centrali elettriche) Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Termometri Acustici La velocità di propagazione delle onde sonore in aria dipende dalla temperatura Misurando la velocità, è possibile determinare la temperatura in condizioni ostili o inaccessibili per altri metodi (per es.: ambienti ad alta temperatura dove non è consentito il contatto diretto con il mezzo) Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 7

8 Esempi di Sensori: Sensori di Spostamento Potenziometri Resistivi Resistore a tre terminali con contatto intermedio (cursore) che fa capo a un tastatore mobile o a un filo avvolto a molla Uscita proporzionale allo spostamento x e alla tensione di alimentazione V E V E R xr R L >> R Vo = VE = xv xr + (1 x) R x R L E V o Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 8

9 Potenziometri Resistivi Vantaggi: Svantaggi: basso costo facilità di lettura del segnale misura a contatto (effetto di carico) contatto elettrico strisciante e usura Applicazioni: accuratezza tipica 1% FS inadatti per misure dinamiche su strutture leggere consentiti per misure dinamiche su strutture massive a bassa frequenza (<100 Hz) LVDT (Linear Variable Differential Transformer) Trasformatore con un primario e due secondari in controfase in cui l accoppiamento dipende dalla posizione di un nucleo mobile di materiale ferromagnetico Alimentando il primario in alternata, l ampiezza e la fase del segnale di uscita rappresentano entità e verso dello spostamento dalla posizione centrale Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 9

10 LVDT (Linear Variable Differential Transformer) Vantaggi: Svantaggi: elevata accuratezza assenza di contatto elettrico strisciante affidabilità, robustezza, durata misura a contatto (effetto di carico) costo elevato elettronica sofisticata (rivelazione di fase) Applicazioni: risoluzione ottenibile 0.01% FS misure di precisione statiche e dinamiche a bassa frequenza (<100 Hz) equivalente elettronico del comparatore meccanico Sensori Capacitivi La capacità tra due conduttori (armature) dipende dalla costante dielettrica del mezzo interposto e dalla geometria x A variable distance d (1) C d = ε 0 ε r A d x variable overlap area A (2) Utilizzato in sensori senza (1) e con (2) contatto meccanico Per sensori del tipo (1) segnale di uscita è mediato su un area Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 10

11 Sensori Capacitivi Vantaggi: misura senza contatto (1) indipendenza dal target se conduttivo utilizzabile con target non conduttivi risoluzione e accuratezza molto elevate Applicazioni: risoluzione ottenibile 0.005% FS misure di precisione statiche e dinamiche fino a elevata frequenza (>10 khz) Svantaggi: possibile risposta non lineare necessità di confinare il campo (anelli di guardia) suscettibilità a disturbi EM elettronica sofisticata influenza di condensa, olio e sporco Sensori Induttivi L induttanza di una bobina avvolta su nucleo varia al variare della riluttanza magnetica che dipende dalla distanza da un riscontro ferromagnetico Circuito magnetico chiuso (a) Circuito magnetico aperto (b) µ 0 L d Il segnale di uscita è mediato su un area Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 11

12 Sensori Induttivi Vantaggi: misura senza contatto robustezza, affidabilità basso costo Applicazioni: accuratezza tipica 1% FS Svantaggi: uso limitato a target ferromagnetici (degrado di prestazioni con target conduttivi) scarsa linearità suscettibilità a campi magnetici misure statiche e dinamiche a bassa frequenza (<1 khz) principalmente con target ferromagnetici essenzialmente impiegati per misure di prossimità Sensori a Correnti Parassite (eddy-current probes) Bobina eccitata in AC genera una campo elettromagnetico alternato le cui perdite dipendono dalla distanza e dalle proprietà della superficie conduttiva di riscontro Il segnale di uscita è mediato su un area Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 12

13 Sensori a Correnti Parassite (eddy-current probes) Vantaggi: misura senza contatto funzionamento con target non solo ferromagnetico dimensioni ridotte elevata accuratezza affidabilità, robustezza, adatto a ambienti ostili Applicazioni: risoluzione ottenibile 0.01% FS Svantaggi: misure di precisione statiche e dinamiche fino a frequenze di 1-10 khz largamente impiegato su parti rotanti sensibilità dipendente dalle proprietà del target necessaria taratura individuale elettronica sofisticata Estensimetri (strain gauge) Resistore da incollare sulla struttura di test in modo che una deformazione (strain) produca una variazione di resistenza R R L = K L K = fattore di gauge Materiale K costantana 2 karma 2.1 isoelastic 3.5 semiconduttori 100 Il segnale è proporzionale alla deformazione mediata sulla lunghezza dell estensimetro Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 13

14 Montaggio di Estensimetri Gli estensimetri a griglia metallica vengono incollati sul pezzo in modo da esservi perfettamente solidali Estensimetri (strain gauge) Vantaggi: Svantaggi: ridotto ingombro sensibili allo strain basso effetto di carico buona risposta in frequenza montaggio laborioso segnale di bassa intensità elettronica non banale Applicazioni: risoluzione ottenibile 1 µε analisi di deformazioni statiche e dinamiche principio utilizzato per elementi primari in trasduttori (accelerometri, celle di carico, ) elettromeccanici tradizionali e piezoresistivi microlavorati in silicio Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 14

15 Sensori Ottici a Triangolazione Un fascio luminoso emesso da un diodo laser viene riflesso dal target e focalizzato su un fotorivelatore (PSD) in un punto correlabile alla distanza tra diodo e target Il principio implica una misura di tipo puntuale (spot) Sensori Ottici a Triangolazione Vantaggi: misura senza contatto indipendenza dalle proprietà elettriche/magnetiche del target alto rapporto tra campo di misura e distanza di stand-off Svantaggi: dipendenza dalle proprietà ottiche del target necessaria continuità ottica rispetto al target sensibilità a polvere, sporco, contaminanti Applicazioni: risoluzione ottenibile 0.005% FS misure di precisione in ambiente pulito risposta in frequenza fino a 10 khz, dipendente dalla risoluzione Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 15

16 Esempi di Sensori: Encoder Ottici Encoder Ottici Rotativi Incrementali Un disco con fori sagomati tutti uguali tra loro interrompe il fascio ottico tra una o più coppie LED-fotodiodo Il numero di impulsi luminosi rilevati nell unità di tempo corrisponde alla velocità di rotazione del disco La posizione angolare può essere rilevata solo in relazione alla posizione iniziale (funzionamento incrementale) Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 16

17 Encoder Ottici Rotativi Assoluti Il disco incorpora una configurazione opportuna di zone trasparenti e opache che identifica in maniera univoca valori quantizzati della posizione angolare Dalla lettura dei segnali da LED e fotodiodi si ottiene la misura della posizione angolare assoluta codificata in binario (funzionamento assoluto) Encoder Rotativi e Lineari Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 17