I trasduttori differenziali.

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1 I trasduttori differenziali. I trasduttori differenziali sono dei dispositivi che consentono di convertire uno spostamento meccanico in un segnale elettrico. Sono utilizzati anche per piccoli spostamenti dal micron al centimetro per cui molto usati in ambito industriale per rilevare posizioni con una certa precisione ma anche sollecitazioni di tipo meccanico, si pensi a vibrazioni. La struttura di un sensore di questo tipo é un trasformatore dotato di un avvolgimento primario e due avvolgimenti secondari connessi in controfase. All interno vi é un nucleo mobile di materiale ferromagnetico che, nella posizione di riposo, è disposto proprio al centro(livello di zero) della struttura. La figura seguente mostra la disposizione particolare. Poiché i due avvolgimenti secondari sono collegati in opposizione la tensione d uscita sarà la differenza delle tensioni d uscita indotte nei due avvolgimenti secondari e quindi V out = V 1 V 2. Di conseguenza nella posizione centrale del nucleo di ferrite(ferro nichel) che rappresenta la posizione di zero l uscita avrà tensione nulla quando il primario é alimentato con un segnale sinusoidale. Se il nucleo di ferrite trasla un pò a destra o a sinistra, determinando uno spostamento dalla posizione di zero, l accoppiamento viene alterato e si riscontra una tensione Pag.1 10

2 V 0 =V 1 V 2 che é funzione dello spostamento del nucleo e quindi della posizione. Entro certi limiti anche la forma d onda d uscita é sinusoidale. Se risulta V 1 >V 2 la tensione di uscita ha la stessa fase di quella d ingresso, al contrario se V 1 <V 2 ha la fase opposta a quella d ingresso(il segnale d uscita é sfasato di 180 rispetto alla tensione di ingresso. La tensione d uscita ci dà allora due informazioni: 1. l entità dello spostamento legata all ampiezza del segnale 2. la direzione dello spostamento legata alla fase della tensione d uscita rispetto all ingresso. La figura seguente 3.8 é chiarificatrice. Si parla allora di trasduttore di posizione LVDT (linear variable differential trasformer) Se riportiamo la caratteristica Vout in funzione dello spostamento x che rappresenta la caratteristica di trasferimento del trasduttore munito di blocco di condizionamento interno (costituito da un raddrizzatore ed un discriminatore di fase ) si ha la seguente caratteristica: Pag.2 10

3 Vout L inf S S L sup Oltre al condizionamento vero e proprio il dispositivo necessita anche di filtraggio in quanto la bassa tensione d uscita risulta notevolmente disturbata dalla frequenza di rete(50 Hz in Europa e 60 Hz in America). Tutte le operazioni descritte sono oggi completamente realizzate mediante dispositivi integrati prodotti per lo più dalla Philips e dalla casa costruttrice Analog Devices. Quest ultima casa ha realizzato addirittura un LVTD come il 2S54 e il 2S56 che sono muniti anche di un convertitore A/D. In tal modo in uscita é gia disponibile un codice digitale di 14 bit per il 2S54 e 16 bit per 2S56. Tale codice rappresenta la posizione mobile già codificata rispetto al livello di riferimento di zero. Parametri fondamentale di un trasduttore LVTD La sensibilità: Dal costruttore é indicata come il valore della tensione d uscita per un dato spostamento unitario e per una tensione di alimentazione di 1V, normalmente un millesimo di pollice o un centesimo di pollice. [1 = 1 pollice=25,4mm]). Valori tipici di sensibilità : 1mV] per uno spostamento standard di 0,001. V out = sens S V ecc appartengono all intervallo [10mV Pag.3 10

4 Linearità La linearità é piuttosto contenuta per la presenza di materiali ferromagnetici nel circuito ferromagnetico La non linearità si aggira intorno all 1%. E bene dunque lavorare nel tratto fortemente lineare lontano dalla saturazione. LA TENSIONE DI ALIMENTAZIONE La tensione di alimentazione varia tra la frequenza di 50 Hz e 20 KHz. In genere é di solito usata la frequenza di 50Hz con tensioni di alimentazione massima che non superano pochi volt. Se si alimenta il circuito con frequenze dell ordine dei migliaia di Hz é bene sollecitare il trasduttore con tensioni massime fino ad un centinaio di volt. Range o campo di misura C é, in generale, molta variabilità con valori compresi tra ± 0,025 e ± 2,5 che, nel sistema metrico corrispondono a ± 0,62mm e ± 50mm. GLI ENCODER OTTICI Un encoder é un dispositivo elettromeccanico che converte una posizione angolare del suo asse rotante in un segnale di tipo digitale. Munito di opportuni circuiti elettronici é in grado di misurare spostamenti angolari ma anche velocità e accelerazioni. In ambito industriale é dunque molto usato (sensori ottici di questo tipo si trovano nelle macchine utensili, robot industriali(manipolatori) plotter, laminatoi etc etc.. Mostriamo come é fatto. Lo schema di principio é molto semplice: L alberello ruota intorno ad un asse e sull albero é calettato un disco fotoinciso. Su questo disco sono presenti delle Pag.4 10

5 tacche trasparenti che fanno passare la luce e tacche opache che la bloccano. Il fascio luminoso é emesso da una sorgente di luce. A valle del disco ci sono dei sensori ottici opportunamente posizionati che sono irradiati se il fascio incontra una tacca trasparente o non irradiati se incontra una zona opaca. Il posizionamento e le tacche e dei fotodiodi é possibile visualizzarlo nelle figura successiva. Se il fascio luminoso é interrotto dal disco il segnale digitale associato é al livello basso, al contrario quando il fascio incontra una tacca trasparente l uscita é alta. Esistono due tipi di Encoder, precisamente il primo che studieremo é chiamato ENCODER INCREMENTALE mentre il secondo è chiamato ENCODER ASSOLUTO. ENCODER INCREMENTALE Studiamo l Encoder incrementale a tre fasi dette anche tracce in quanto il disco si compone di tre serie di tracce su tre diverse corone circolari. Ciascun sensore ottico legge una corona circolare per cui i sensori ottici che rilevano il segnale sono tre. Come sono fatte e quante sono le tacche sulla corona. Il disco é fatto in modo che sulle prime due corone é presente lo stesso numero di tacche trasparenti in numero di N. La disposizione é tale che su due tacche omologhe appartenenti alle prime due corone una tacca precede la sua omologa di una distanza pari ad 1/4 della distanza tra due tacche consecutive chiamata passo. Nella terza corona é presente invece una sola tacca A ciascun passo corrisponde dunque un angolo pari a α p =. N Quando il disco ruota ci saranno tanti impulsi alti quante sono il numero di tacche rilevate dal sensore per cui se gli impulsi sono n l encoder ruota di un angolo α = n α p. Pag.5 10

6 Quando l encoder compie un giro completo ossia si generano N impulsi. Visualizziamo che cosa succede in figura seguente. 360 La risoluzione dell encoder é risol. = α p = ed é pari all angolo corrispondente ad N un passo. Se preleviamo e rappresentiamo il segnale delle due fasi può capitare che la prima fase precede la seconda di ¼ di passo in anticipo, in tal caso la rotazione é oraria. Se al contrario rileviamo che la fase 1 mostra un ritardo rispetto alla fase 2 di ¼ di passo allora l encoder sta ruotando in senso antiorario. La terza traccia fornisce il livello zero ossia il riferimento rispetto al quale cominciare a contare gli spostamenti angolari dell asse di rotazione. Pag.6 10

7 Il circuito in figura discrimina se la rotazione é oraria o antioraria. In questo circuito la prima fase é l input data del flip flop D edge triggered sul fronte di salita dell abilitazione. La seconda fase finisce al clock del flip flop. Se dunque la rotazione é oraria il clock si alza quando la prima fase è attiva. In figura seguente é mostrata la dinamica in caso di rotazione oraria. fase1 fase2 Q In tal caso l uscita di stato Q del flip flop é sempre alta e il contatore conta a crescere in quanto up/down é settato su up. L esatto contrario succede se la rotazione é antioraria in quanto in tal caso la fase 2 precede di ¼ di passo la fase 1 per cui sul fronte di salita dell abilitazione (fase 2) la fase 1 presenta il segnale basso. Di conseguenza Q=0 e il contatore conta a decrescere. Pag.7 10

8 fase1 fase2 Q Per come é costruito il flip flop l uscita Q é alta se la rotazione é oraria mentre é bassa se la rotazione é antioraria. Il contatore dunque conta a crescere o a decrescere a seconda che UP/down=Q sia alto o basso. In uscita abbiamo la rappresentazione binaria del numero di impulsi emesso. Moltiplicando la risoluzione angolare per il numero di impulsi emesso conosco la posizione angolare dell albero rispetto al riferimento di zero scandito dalla terza fase. Notiamo una cosa molto importante che ci permette di usare l encoder incrementale come trasduttore di velocità. La terza fase é costituita da una sola finestrella trasparente, il resto della corona circolare é tutto opaco. Se l albero é calettato all albero di un motore é possibile misurare la velocità del motore. Infatti si presenta un impulso in uscita sulla terza fase al quando il disco ha effettuato un giro completo. La frequenza del segnale tipo onda quadra presente in uscita misura il numero di giri al secondo ossia la velocità angolare del motore. T 1 n = f = é la velocità angolare in giri al secondo T Pag.8 10

9 In tal caso é certamente possibile fornire al flip flop D la fase 1 all input data e la fase 2 al clock. Le due usciteq e Q sono collegate a due porte and impulsive che hanno come ingresso comune la terza fase fase1 Q D velocità rotazione oraria CK fase2 Q velocità rotazione antioraria fase 3 ENCODER ASSOLUTO L encoder assoluto é un dispositivo in grado di far corrispondere alla posizione angolare dell asse un proprio codice digitale. Il codice usato è il codice di Gray. Il codice di Gray ha la proprietà fondamentale che la codifica di una cifra e di quella che segue differiscono sempre per un solo bit. Il codice di gray si ottiene dal codice binario puro che codifica un numero intero nel seguente modo: procedendo da destra verso sinistra ciascun bit del codice é pari alla somma del bit posto nella stessa posizione più quello posto immediatamente a sinistra e si trascurano i riporti. Esempio numero decimale binario puro numero Gray Pag.9 10

10 Il codice di Gray sarà poi trascodificato a quello binario mediante una semplice rete combinatoria di trascodifica. Esistono anche encoder assoluti con uscita in codice BCD ma anche essi utilizzano internamente il codice di Gray con successiva conversione BCD. La presenza ad esempio di 8 tracce sul disco ciascuna delle quali dotata di un sensore ottico ci permette di rappresentare 2 8 =256 eventi diversi ossia ci permette di risolvere posizioni angolari pari a 2 π ris = = 0, 0245 rad 256 In figura é mostrata il disco con le tracce. 360 ris = = 1, o in radianti Scelta di un encoder 1. massima velocità di rotazione(max rotating speed) : rappresenta la massima velocità oltre la quale l encoder subisce danneggiamenti meccanici 2. massima frequenza di rotazione(max operating frequency) cioé la massima frequenza dei segnali d uscita. 3. Numero di impulsi per giro Pag.10 10