Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo. Sensori Introduzione. Ing. Andrea Tilli. Revisionato: 27/09/2004

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1 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Sensori Introduzione Ing. Andrea Tilli DEIS Alma Mater Studiorum Università di Bologna atilli@deis.unibo.it Revisionato: 27/09/2004

2 Parte 1 Trasduttori, sensori ed attuatori Caratteristica di un trasduttore Classificazione dei sensori Parte 2 Sensori per grandezze meccaniche posizione, velocità,, deformazione, forza, pressione Sensori di temperatura Sensori di corrente Sommario Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 2

3 TRASDUTTORI, SENSORI ED ATTUATORI Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 3

4 Trasduttori, sensori ed attuatori Trasduttore (dal latino trasducere = condurre attraverso) dispositivo fisico progettato per realizzare un legame tra grandezze appartenenti a sistemi energetici diversi (per natura e/o livelli di potenza in gioco) Temperatura Trasduttore Tensione Energia termica Energia elettrica NB: IL LEGAME CHE SI REALIZZA E ORIENTATO (SI INDIVIDUANO IN E OUT) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 4

5 DI POTENZA Trasduttori, sensori ed attuatori Trasduttore Realizza la conversione di una potenza in ingresso (relativa ad un certo dominio energetico) in una potenza d uscitad (relativa ad un dominio energetico di diversa natura) con un certo rendimento. Energia elettrica Energia meccanica Energia luminosa Energia acustica IN GENERALE l INPUT E ANCHE L ALIMENTAZIONE DEL SISTEMA Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 5

6 DI SEGNALE Trasduttori, sensori ed attuatori Trasduttore Realizza il trasferimento del contenuto informativo di una grandezza (appartenente ad un certo dominio energetico) ad un altra (relativa ad un dominio energetico differente per natura e/o livelli di potenza). VOLTMETRO ANALOGICO VOLTMETRO DIGITALE INPUT E ALIMENTAZIONE DEL SISTEMA POSSONO ESSERE DISTINTI Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 6

7 Sensore Trasduttore (di segnale) utilizzato per misurare le condizioni operative del processo Grandezza in ingresso energia nel dominio fisico di interesse Grandezza in uscita segnale nel dominio fisico dell unit unità di controllo Tipici domini fisici delle unità di controllo elettrico (pneumatico, idraulico) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 7

8 Esempio dall esperienza quotidiana Sensore Unità di elaborazione Immagine Segnale Sensore Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 8

9 Esempio dall esperienza quotidiana Sensore Temperatura Indicazione Unità di elaborazione Sensore Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 9

10 Esempio dall esperienza quotidiana Sensore Peso Indicazione Unità di elaborazione Sensore Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 10

11 Attuatore Trasduttore utilizzato per trasformare un segnale di comando (bassa potenza) in azione sul processo (tipicamente a elevata potenza) Funzione complementare a quella del sensore Grandezza in ingresso segnale nel dominio fisico dell unit unità di controllo Grandezza in uscita energia nel dominio fisico della grandezza di comando Sono spesso realizzati come cascata di più trasduttori: il primo sicuramente di segnale Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 11

12 Esempio dall esperienza quotidiana Attuatore Segnale Energia meccanica Unità di elaborazione Attuatore Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 12

13 Attuatore Esempio dall esperienza quotidiana Energia elettrica Trasduttore 2 Energia meccanica Segnale meccanico Trasduttore 1 Attuatore composito Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 13

14 CARATTERISTICA DI UN TRASDUTTORE Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 14

15 Caratteristica (statica( statica) ) di un trasduttore (di( segnale di segnale) Ym Campo di uscita non linearità sistematica Caratteristica ideale lineare Caratteristica ideale non lineare Comunque generalmente biettive (eccezione: sensori logici, 0 Campo di ingresso Xm analizzati in seguito) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 15

16 Caratteristica (statica( statica) ) di un trasduttore (di( segnale di segnale) Ym Campo di uscita non linearità sistematica Importante la non linearità sistematica si può compensare a priori con opportuni algoritmi o circuiti 0 Campo di ingresso Xm Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 16

17 Caratteristica (statica( statica) ) di un trasduttore (di( segnale Errori (richiami di definizioni generali) di segnale) Errore Assoluto VALORE VERO - VALORE IDEALE Errore Relativo (VALORE VERO - VALORE IDEALE) / VALORE IDEALE spesso fornito in termini percentuali non sempre riferito al valore ideale, ma anche ad altre grandezze caratteristiche (fondo scala del range di interesse) PER CARATTERIZZARE L ERRORE DI UNO STRUMENTO/MISURA/TRASDUTTORE SI FORNISCONO LIMITI SUI VALORI MASSIMI DI ERRORE Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 17

18 Caratteristica (statica( statica) ) di un trasduttore (di( segnale Errori (richiami di definizioni generali) di segnale) Errore sistematico a parità di condizioni si ripresenta sempre uguale (PUO ESSERE DESCRITTO IN TERMINI DETERMINISTICI) tipicamente: costanti nel tempo o funzioni di particolari grandezze (temperatura, etc.) Errore aleatorio a parità di condizioni non si ripresenta sempre uguale (PUO ESSERE DESCRITTO SOLO IN TERMINI PROBABILISTICI) esempio: rumore termico dei circuiti Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 18

19 Caratteristica (statica( statica) ) di un trasduttore (di( segnale di segnale) Tipologie di errori rispetto alla caratteristica ideale di un trasduttore: Errori SISTEMATICI PARAMETRICI (che mantengono la forma della caratteristica IN-OUT) Errori SISTEMATICI NON PARAMETRICI (che NON mantengono la forma della caratteristica IN-OUT) Errori ALEATORI Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 19

20 Caratteristica (statica( statica) ) di un trasduttore (di( segnale Errore sistematico di tipo parametrico di segnale) Ym Campo di uscita Caratteristica ideale Famiglia di caratteristiche parametrizzata tra cui si trova quella reale Errore sistematico che mantiene la forma 0 Campo di ingresso Xm Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 20

21 Caratteristica (statica( statica) ) di un trasduttore (di( segnale Errore sistematico di tipo parametrico di segnale) Ym Campo di uscita Errore di guadagno K1 Κ K1 K Parametri che quantificano l errore sistematico che mantiene la forma (caso lineare) 0 Errore di off-set Campo di ingresso Xm Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 21

22 Caratteristica (statica( statica) ) di un trasduttore (di( segnale di segnale) Ym Campo di uscita 0 Errore di guadagno K1 Κ K1 Errore sistematico di tipo parametrico K Errore di off-set Campo di ingresso Xm Se rilevanti valori iniziali si possono compensare con circuiti o via algoritmi software, dopo rilevazione sperimentale variazioni con la temperatura C Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 22

23 Caratteristica (statica( statica) ) di un trasduttore (di( segnale Errore sistematico di tipo NON parametrico di segnale) Ym Campo di uscita 0 Campo di ingresso Xm Caratteristica ideale Famiglia di caratteristiche non parametrizzabile tra cui si trova quella reale Errore sistematico che NON mantiene la forma Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 23

24 Caratteristica (statica( statica) ) di un trasduttore (di( segnale Errore sistematico di tipo non parametrico di segnale) Ym Campo di uscita Caratteristica ideale Caratteristica reale Rappresentazione dell errore sistematico non parametrico 0 Campo di ingresso Xm Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 24

25 Caratteristica (statica( statica) ) di un trasduttore (di( segnale Errore sistematico di tipo non parametrico di segnale) Ym Campo di uscita 0 Campo di ingresso Xm Importanti valori iniziali si possono compensare con tabelle, se si rileva la caratteristica sperimentalmente (complesso) variazioni con la temperatura Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 25

26 Caratteristica (statica( statica) ) di un trasduttore (di( segnale Errore sistematico totale di segnale) Ym Campo di uscita 0 Campo di ingresso Xm Caratteristica ideale Caratteristica reale Retta che meglio approssima la caratteristica reale (Errore Sistematico parametrico) Scomposizione dell errore sistematico in: parte che mantiene la forma (parametrico) e parte residua (non parametrico). Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 26

27 Caratteristica (statica( statica) ) di un trasduttore (di( segnale Errore sistematico totale di segnale) Ym Campo di uscita Retta che meglio approssima la caratteristica reale Errore sistematico residuo non parametrico (detto spesso di non linearità nel caso di caratteristiche lineari) 0 Campo di ingresso Xm Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 27

28 Caratteristica (statica( statica) ) di un trasduttore (di( segnale Errore sistematico totale (riassunto) di segnale) Ym Campo di uscita Errore sistematico parametrico Errore sistematico non parametrico Errore sistematico che non modifica la forma: PARAMETRICO (offset e errore di guadagno nel caso lineare) Errore sistematico che corrompe la forma: NON PARAMETRICO detto di NON LINEARITA nel caso di caratteristiche lineari 0 Campo di ingresso Xm Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 28

29 Caratteristica (statica( statica) ) di un trasduttore (di( segnale ERRORI ALEATORI di segnale) I sensori sono affetti anche da errori aleatori che sono quantificati in termini probabilistici in genere dipendono pesantemente anche dalla catena di acquisizione del segnale Ovviamente non sono mai perfettamente compensabili a priori, si possono effettuare misure multiple e utilizzare tecniche di filtraggio Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 29

30 Caratteristica (statica( statica) ) di un trasduttore (di( segnale NOMENCLATURA di segnale) Errore Totale Errore Sistematico Errore Aleatorio In italiano Precisione Accuratezza Ripetibilità In inglese Accuracy Bias Precision Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 30

31 Caratteristica (statica( statica) ) di un trasduttore (di( segnale NOMENCLATURA di segnale) Risoluzione Minima variazione della variabile di ingresso rilevabile tramite una variazione dell uscita Errore aleatorio necessariamente della risoluzione Ripetibilità Attitudine a ripetere la stessa rilevazione con gli stessi risultati A breve termine: errore aleatorio A lungo termine: stazionarietà delle caratteristiche del sensore spesso indicata come stabilità, ovviamente non in senso controllistico Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 31

32 Caratter.. DINAMICA di un trasduttore (di( segnale Rappresenta il comportamento dinamico (frequenziale)) del trasduttore tipicamente i trasduttori per automazione hanno caratteristiche passa basso di segnale) elementi caratterizzanti: frequenza di taglio e tipo di sfasamento e necessario tener conto di non linearità (tipicamente saturazioni) che limitano la risposta frequenziale per grandi segnali elementi caratterizzanti: Slew Rate spesso i dati relativi al comportamento in frequenza dei trasduttori sono lacunosi Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 32

33 Caratteratteristica di un trasduttore (di( segnale NOTA BENE: di segnale) Ovviamente il comportamento complessivo di un sistema di trasduzione dipende anche da tutti gli elementi che si trovano a monte e a valle del trasduttore usato. Anche questi componenti sono caratterizzabili in termini comportamento statico e dinamico come visto nel caso dei trasduttori Esempio: Componenti elettronici per l acquisizione l di una misura da sensore Op-Amp Amp,, IA... Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 33

34 CLASSIFICAZIONE DEI SENSORI Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 34

35 Sensori ad uscita continua tutta l informazione l viene acquisita Sensori: classificazione Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 35

36 Sensori ad uscita continua tutta l informazione l viene acquisita Sensori: classificazione Sensori ad uscita logica solo una parte dell informazione viene acquisita Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 36

37 Sensori autoeccitanti non richiedono sorgenti ulteriori di energia Sensori: classificazione Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 37

38 Sensori autoeccitanti non richiedono sorgenti ulteriori di energia Sensori: classificazione Sensori modulanti richiedono una sorgente di energia aggiuntiva La grandezza da misurare modula un campo generato esternamente (le caratteristiche del sensore dipendono dalla sorgente esterna) Tx Rx Campo luminoso Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 38

39 ALCUNI PRINCIPI FISICI UTILIZZATI PER LA REALIZZAZIONE DI SENSORI Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 39

40 Sensori: alcuni principi fisici utili Effetto fotoelettrico/fotovoltaico fotovoltaico generazione di cariche elettriche tramite fotoni materiali utilizzabili semiconduttori Luce Variazione di conduttività La configurazione interna al silicio e la polarizzazione del circuito determinano l effetto utile esterno (tensione, corrente) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 40

41 Sensori: alcuni principi fisici utili Effetto termoelettrico (Seebeck( Seebeck) forza elettromotrice (E) generata dalla differenza di temperatura materiali utilizzabili coppia di metalli diversi saldati a due estremo giunzione calda giunzione fredda E T2 T1 non lineare E = f(t2,t1) in qualunque punto si interrompa il circuito si otterrà una differenza di potenziale (V) pari ad E Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 41

42 Sensori: alcuni principi fisici utili Effetto termoresistivo variazione della resistività di un materiale causata dalla variazione della temperatura materiali utilizzabili metalli, ossidi metallici, semiconduttori T R = f(t) spesso lineare Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 42

43 Sensori: alcuni principi fisici utili Effetto piezoresistivo variazione della resistività di un materiale causata dalla deformazione materiali utilizzabili metalli, semiconduttori R = f(d) deformazione abbastanza lineare Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 43

44 Sensori: alcuni principi fisici utili Effetto Hall generazione di una tensione da parte dell azione congiunta di un campo magnetico ed una corrente materiali utilizzabili metalli, semiconduttori H Iref Iref Vout = K (H x I) Ing. Andrea Tilli - DEIS - Università di Bologna 44

45 Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Sensori Introduzione Fine Ing. Andrea Tilli DEIS Alma Mater Studiorum Università di Bologna atilli@deis.unibo.it