Classificazione dei Sensori. (raccolta di lucidi)

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1 Classificazione dei Sensori (raccolta di lucidi) 1

2 Le grandezze fisiche da rilevare nei processi industriali possono essere di varia natura; generalmente queste quantità sono difficili da trasmettere e da elaborare nella loro forma originaria. Di conseguenza, l obiettivo fondamentale di un sensore/trasduttore è quello di convertire una grandezza fisica in ingresso in un altra grandezza più facile da manipolare. Una peculiarità del processo di trasduzione è la conversione dell energia da una forma (in ingresso) ad un altra (in uscita). 2

3 Classificazione dei Sensori La classificazione di un sensore può essere fatta in vari modi fra loro alternativi (principio fisico, grandezza da misurare, settore di destinazione). Ognuno di essi si adatta a esigenze diverse. 1. in base al principio fisico ottico, meccanico pneumatico, elettrico Vantaggi visione integrata dei processi utilizzati nella realizzazione particolarmente indicata per i progettisti possibilità di verificare l utilizzo di un processo fisico Svantaggi impossibilità di comparare le caratteristiche di sensori di una stessa grandezza 3

4 2. in base alla grandezza da misurare lunghezza, temperatura, pressione, vibrazione Vantaggi visione globale dei sensori disponibili e delle loro caratteristiche particolarmente indicata per gli utenti possibilità di confronto tramite il rapporto costi/benefici Svantaggi impossibilità di avere una visione generale dei processi utilizzati 3. in base al settore di destinazione agricoltura, chimica, robotica, manifatturiero Vantaggi facilità di utilizzazione per chi opera in un certo campo Svantaggi ripetitività 4

5 Sensori Attivi e Passivi I sensori possono essere classificati in base alla necessità o meno di richiedere una potenza esterna per poter funzionare Sensori attivi non richiedono potenza dall esterno per fornire il segnale in uscita derivante dall applicazione della variabile di processo Esempi effetto piezoelettrico Variabile di Processo Sensore/ Trasduttore Variabile Misurata (uscita normalizzata) effetto fotoelettrico effetto termoelettrico Questi dispositivi presentano in uscita un basso valore di energia per cui richiedono in genere una opportuna amplificazione 5

6 Sensori passivi richiedono potenza dall esterno per fornire il segnale in uscita derivante dall applicazione della variabile di processo Variabile di Processo Sensore/ Trasduttore Variabile Misurata (uscita normalizzata) Esempi effetto piezoresistivo effetto fotoconduttivo Alimentazione effetto termoresistivo Forme di Energia Il modo di operare di un sensore è strettamente legato alla grandezza fisica che esso deve misurare. Di conseguenza: una loro classificazione generale si basa sulle forme di energia esistenti in natura e sui principi fisici che realizzano la conversione da una forma di energia ad un altra 6

7 tipo di energia gravitazionale nucleare atomica molecolare magnetica radiante di massa meccanica termica elettrica manifestazione attrazione gravitazionale energia fra i nuclei forza tra nuclei ed elettroni energia fra molecole campi magnetici onde radio, luce visibile equivalenza massa-energia movimento, forze, spostamenti energia cinetica di atomi e molecole campi elettrici, tensioni 7

8 Ogni forma di energia ha un corrispondente segnale ad esso associato E. Meccanica spostamento, velocità, forza, pressione, accelerazione E. Termica temperatura, calore, flusso di calore E. Elettrica E. Magnetica E. Radiante E. Chimica tensione, corrente, carica intensità del campo magnetico, densità del flusso, magnetizzazione intensità della onda elettromagnetica, fase, lunghezza d onda, polarizzazione rapporto di reazione, composizione, concentrazione 8

9 Rappresentazione dei Sensori Una rappresentazione tridimensionale dei sensori universalmente riconosciuta è dovuta a Middelhoek e Noorlang (1981) z alimentazione r: energia radiante me: energia meccanica t: energia termica e: energia elettrica ma: energia magnetica c: energia chimica r me t e ma c r me t e ma c 216 sensori passivi (z 0) 36 sensori attivi (piano x-y) 5 sensori attivi con uscita elettrica (piano x-y) c ma e t me r y energia di uscita x energia di ingresso stessa energia 9

10 Parametri Fondamentali dei Sensori I due più importanti parametri di un sensore sono il segnale di uscita conseguente ad un segnale di ingresso e il livello del rumore di uscita. responsivity o sensitivity (costante di trasduzione) r = U U o i [ U U ] o I rappresenta l efficienza di trasduzione del sensore ed è normalmente espressa come rapporto di due unità di misura differenti U o sensibilità variabile Questo parametro coinciderà con la pendenza se la relazione ingresso-uscita è di tipo lineare mentre sarà un valore variabile nel caso di relazione ingressouscita non lineare. sensibilità costante sensibilità nulla U i 10

11 Ad esempio può essere espresso come: F/m per un sensore elettrico di spostamento Distanza d [m] Sensore Capacità C [F] Ν/Pa per un sensore meccanico di pressione Pressione P [Pa] Sensore Forza F [N] 11

12 S / N di uscita 1 detectivity d = U I segnale di ingresso rappresenta l abilità del trasduttore nel rivelare il segnale di ingresso (limitata dal rumore da esso prodotto) ed è espresso come reciproco dell unità di misura dell ingresso Di conseguenza: il minimo segnale rilevabile è definito come il segnale di ingresso che produce un S/N di uscita unitario: P P S/ N = 1 d = s n 1 minimo segnale rilevabile 12

13 Infatti, in assenza di segnale in ingresso, il trasduttore produce in uscita una data potenza di rumore; di conseguenza il minimo segnale rilevabile è quello che per essere rilevato deve avere una potenza almeno uguale a quella di rumore. Ad esempio sarà espresso come: m -1 per un sensore elettrico di spostamento Distanza d [m] Sensore Capacità C [F] Quindi per un sensore di spostamento con d = 10 6 m il valore di segnale minimo rilevabile è pari a 10-6 m 1 Pa -1 per un sensore meccanico di pressione Pressione P [Pa] Sensore Forza F [N] Quindi per un sensore di pressione con d = 10 8 Pa il valore di segnale minimo rilevabile è pari a 10-8 Pa 1 13

14 Una caratterizzazione completa del sensore richiede la descrizione delle seguenti caratteristiche: statiche descrivono le prestazioni del sensore in condizioni normali con variazioni lente dell ingresso ed in assenza sollecitazioni esterne dinamiche descrivono il comportamento del sensore alle variazioni dell ingresso con il tempo ambientali si riferiscono alle prestazioni del sensore dopo l esposizione (c.a. non operative) o durante l esposizione (c.a. operative) a specifiche sollecitazioni esterne di affidabilità sono relazionate alla vita utile del sensore e a possibili cause di mal funzionamento nel sistema in cui è inserito 14