Compendio sui Sensori

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1 Compendio sui Sensoi Gli Inteuttoi di Posizione pemettono il ilevamento mediante il contatto fisico dietto (fine cosa); l oggetto dunque, poggia fisicamente sopa l inteuttoe chiudendo e/o apendo un contatto; hanno le doti di essee facilmente ealizzabili e piuttosto economici; poiché meccanici peò, manifestano poblematiche di ottua e di velocità nella commutazione. I Sensoi di Possimità, comunemente detti anche Inteuttoi di Possimità, consentono di effettuae il ilevamento senza contatto fisico dietto. Queste due denominazioni sono comunemente impiegate l una come sinonimo dell alta; in ealtà, qualoa il dispositivo di ilevamento sia coedato esclusivamente di contatti NA ed NC (meccanici o pilotati da elè), è più idonea la denominazione di Inteuttoe di Possimità ; se invece il dispositivo è ealizzato esclusivamente con stadio di uscita allo stato solido mediante componenti a semiconduttoe, fonisce in uscita una tensione che a sua volta comandeà un elè oppue piloteà l ingesso di un PLC; in questo caso, la denominazione di Sensoe di Possimità è più consona, poiché la pesenza dei contatti non c è. Inteuttoi di possimità Magnetici: Inteuttoi magnetici con Ampolle Reed; sono costituiti da un ampolla di veto annegata su esina epossidica, in cui sono poste due lamelle di mateiale feomagnetico affacciate pazialmente ta di loo, e poste ad una distanza di cica 0,2mm; quando un magnete natuale si avvicina all ampolla, le lamelle feomagnetiche vengono attatte fino a congiungesi chiudendo così il contatto. Si depone dunque una placca magnetica sull oggetto da ilevae, in modo tale che qualoa posto in possimità del sensoe, poduca la chiusua del contatto all inteno dell ampolla; nel caso in cui l applicazione della placca, costituisca dei poblemi d ingombo, si può pevedee che sia l oggetto stesso ad integae un magnete pemanente; nel caso dei cilindi infatti, si utilizzano talvolta dei pistoni di mateiale Magnetico 1 coedati da mantelli e testate Amagnetici 2 (es. Alluminio, Ottone oppue Acciai Inox Austenitici 3 ); in questo caso i cilindi hanno anche l Ampolla Reed integata. Poiché meccanici, questi Inteuttoi Magnetici manifestano poblemi di usua e velocità di isposta; in altenativa si usano i Sensoi Magnetici ad Effetto Hall che essendo elettonici hanno un tempo di isposta molto più contenuto e non manifestano poblemi di ottua meccanica. Pincipio di funzionamento: si abbia una piastina di mateiale semiconduttoe, pecosa da una coente costante; qualoa la si immega in un campo magnetico tasvesale al moto degli elettoni, questi subiscono l azione della foza di Loentz; F L = q( v B) Foza di Loentz 1 Un mateiale, si dice Magnetico quando sviluppa da solo un campo magnetico, senza alcun contibuto elettico esteno. Se un mateiale non sviluppa da se alcun campo magnetico, questo viene comunque distinto in te categoie in base a come eagisce quando viene attavesato dalle linee di foza di un campo magnetico esteno. Queste te categoie, classificano i mateiali Non Magnetici come: Feomagnetici, Paamagnetici, Diamagnetici. 2 I mateiali Feomagnetici, hanno la caatteistica di fasi attavesae agevolmente dalle linee di foza del campo magnetico; sono caatteizzati da un elevata pemeabilità magnetica elativa (molto supeioe all unità) e affozano molto il campo magnetico che li attavesa. Si dicono Amagnetici invece, quei mateiali che non si fanno attavesae agevolmente dalle linee di foza del campo magnetico, e che quindi lo alteano di poco quando questo li attavesa; i mateiali Amagnetici compendono peciò sia quelli Paamagnetici che icodiamo avee pemeabilità magnetica elativa di poco supeioe all unità (affozano solo lievemente il campo magnetico che li attavesa), che quelli Diamagnetici che icodiamo avee pemeabilità magnetica elativa di poco infeioe all unità (indeboliscono solo lievemente il campo magnetico che li attavesa). 3 Va detto, che la categoia degli Acciai Inox Austenitici, mantiene stabilmente le sue caatteistiche Amagnetiche anche in seguito ad eventuali pocessi di lavoazione (es. tonitua o fesatua), soltanto se sottoposti peventivamente ad un oppotuno tattamento temico di icottua. Gli Acciai Inox Austenitici sono mateiali Paamagnetici, e appesentano comunque cica l 80% degli Acciai Inox in pesenti sul mecato. 1

2 icodiamo che secondo le egole del podotto vettoiale, l intensità di questa foza è data da F L = qvbsenα dove α 180 è l angolo acchiuso ta i vettoi v e B ; in ogni caso, la sua diezione saà comunque pependicolae al piano contenente i vettoi velocità ed induzione magnetica mente il veso, stabilito pe mezzo della egola della mano desta (oientazione del pollice, qualoa le alte dita uotino lungo α 180, in modo tale da fa sovappoe v a B ). Il moto degli elettoni disponibili alla conduzione nel mateiale semiconduttoe, veà deviato a causa della foza di Loentz; questi si accumulano quindi da un lato della piastina e si aefanno dall alto, dando così luogo ad una diffeenza di potenziale popozionale sia all induzione B che alla velocità degli elettoni, quindi alla coente I ; si icodi a tal poposito, che la foza di Loentz è anche esponsabile dell Effetto Motoe; infatti, essendo q v= q( l t) = Il, nel caso dei motoi si ha che F L = I l B. Nomalmente i sensoi magnetici ad effetto Hall, vengono già fatti attavesae da un campo magnetico costante geneato da un magnete pemanente, e spesso sono inseiti in un dispositivo a focella; in questo caso, su uno dei due ami è posto il sensoe, mente sull alto il magnete pemanente; qualoa un oggetto feomagnetico si inseisca nella focella, il campo magnetico veà da questo intappolato e dunque non aggiungeà più il sensoe; si otteà dunque una diminuzione del valoe di B che agisce sulla piastina, e di conseguenza una attenuazione della ddp ai capi del sensoe (ilevamento di una petubazione). Natualmente, analogamente al caso delle Ampolle Reed, ci sono anche dei casi in cui il sensoe ad Effetto Hall è spovvisto del magnete, che andà invece applicato sull oggetto da ilevae; in questo caso la logica di identificazione si invete, poiché la pesenza di tensione all uscita del sensoe, indicheà la pesenza dell oggetto. I sensoi ad Effetto Hall con magnete pemanente integato, sono adatti all individuazione di oggetti di tipo feomagnetico, quindi non pe tutti i metalli; quelli senza magnete, possono anche essee impiegati anche come sensoi di campo magnetico; pe questo motivo, assieme alle Ampolle Reed, si classificano come Sensoi Magnetici. Sensoi di Possimità Induttivi, Capacitivi, a Ultasuoni e Fotoelettici I Sensoi di possimità Induttivi, hanno genealmente un costo maggioe ispetto a quelli magnetici. Sono utilizzati pe il ilevamento di oggetti comunque metallici sia feosi che non feosi. Pincipio di funzionamento: all inteno di questi sensoi c è un oscillatoe ad alta fequenza ed un piccolo geneatoe di c.e.m. Quando un oggetto metallico viene avvicinato al sensoe, il c.e.m. viene fotemente petubato a causa dei fenomeni di iflessione; il sensoe induttivo, nomalmente costituito da una bobina che funge da antenna icevente, ileva la petubazione del c.e.m. segnalando così la possimità del metallo. Può ovviamente dae in uscita (comunemente con dive a Tansisto) un infomazione analogica oppue digitale, mediante l impiego di un Tigge di Schmitt con soglia egolabile che solitamente è integato nel sensoe. S n indica la Distanza Opeativa Nominale del sensoe induttivo che coisponde alla distanza di ilevamento sicuo dell Acciaio Dolce; nel caso di alti mateiali metallici, viene fonito un coefficiente di coezione K < 1 che moltiplicato pe S n fonisce la distanza di ilevamento utile di quel sensoe induttivo elativamente a quel mateiale; ad esempio nel caso del ame K =0,3 0, 4, si ha che la distanza di ilevazione vale nella peggioe ipotesi S n 0, 3. I coefficienti di coezione si tovano nomalmente tabulati pe i vai tipi di sensoi induttivi. 2

3 Sensoi di Possimità Capacitivi: paticolamente indicati pe il ilevamento di oggetti non metallici (anche liquidi); pe i metalli si pefeiscono gli inteuttoi induttivi pe la loo maggioe affidabilità e convenienza economica. Pincipio di funzionamento: il sensoe capacitivo è costituito da un condensatoe a piasta sottoposto a tensione; una delle due amatue è costituita da un piatto mente l alta dal bodo concentico; le linee di foza del campo elettico si iadiano peciò dal piatto veso il bodo, estendendosi pevalentemente di fonte al sensoe; l affaciamento di un oggetto davanti al piatto poduce delle alteazioni del campo elettico dovute al cambiamento di capacità del condensatoe pe effetto di modificazione della costante dielettica; si icodi infatti l espessione della capacità di un condensatoe piano S C = ε, ε = εelε 0 Capacità del condensatoe piano d dove S è al supeficie di una delle due amatue, d la loo distanza, ed ε la costante dielettica dell isolante inteposto, ottenuta come podotto ta quella elativa ( ε el ) e quella del vuoto 12 ( ε 0 8, F/ m). L innesco di un oscillatoe pesente all inteno del sensoe, viene pedisposto qualoa l incemento della capacità sia supeioe a quello di una ceta soglia (eventualmente egolabile), al contaio peciò di quello che avviene nei sensoi induttivi. Natualmente, oggetti con una costante dielettica supeioe, sono più facilmente ilevabili (maggio accoppiamento capacitivo). Pe calcolae la distanza eale S di ilevamento di un sensoe capacitivo ispetto ad un ceto mateiale si utilizzano i diagammi foniti dal costuttoe, che foniscono ε el in funzione di S ottenuta come S n % (legame pessoché quadatico ε el ks ). Quindi, nota ε el si guada quale S gli coisponde sul gafico, espessa quindi come pecentuale della S n. Classicamente il Mamo pesenta una ε = 8 (siamo sull asse y); supponiamo che sul gafico, si el isconti pe S (siamo sull asse x) un valoe di cica il 50% di S n; se il sensoe avesse S n = 8mm, ileveebbe mamo ad S = 4mm. Nel caso del PVC, ε el = 3(siamo sull asse y); se dal gafico iscontassimo che S 20%di Sn (siamo sull asse x), un sensoe con S n = 25mm, ileveebbe PVC ad S = 5mm. 2 Impotante: Sensoi di possimità Induttivi e Capacitivi, iescono ad individuae oggetti ad una distanza Max di 50 mm. Gli Inteuttoi di Possimità ad Ultasuoni ( KHz), consentono di ilevae oggetti a distanze compese ta i 6 cm ed i 15 m. Sono composti da un geneatoe ed un ilevatoe di onde ultasoniche. Pincipio di Funzionamento: consideando la velocità di popagazione delle onde acustiche pessoché costante nell aia, il sensoe non fa alto che calcolae il tempo che tascoe ta l emissione di un segnale e la ilevazione del suo echo iflesso; in questo modo si stabilisce una popozionalità dietta ta intevallo di ilevazione e distanza dell oggetto. Sensoi ad Ultasuoni di tipo Analogico sevono pe misuae le distanze degli oggetti, mente quelli di tipo Digitale (ON OFF) pe ilevane la pesenza. Tali sensoi sono in gado di individuae la pesenza di oggetti (liquidi o solidi, taspaenti e/o opachi) che iescono a iflettee bene le onde acustiche (basso coefficiente di assobimento o elevato coefficiente di iflessione): no dunque stoffa, gomma, faine e simili. A diffeenza dei sensoi fotoelettici, isentono meno degli effetti di condensa. 3

4 Inteuttoi di Possimità Fotoelettici: distanze da 2,5 cm a 100 m e più. Pincipio di funzionamento: una sogente luminosa (fotodiodo) poietta un fascio di luce su di un oggetto, dopodiché un ilevatoe (fototansisto) ileva la pesenza del fascio geneato o di una sua pozione iflessa. La ilevazione poduce ovviamente un segnale analogico o digitale da inviae ad un attuatoe o un PLC; quest inteuttoe di possimità è composto di cinque pati: sogente (diodo led o diodo lase), ilevatoe (fototansisto), cicuito di logica, dive di uscita (cicuito di comando) e lenti (che qualoa pesenti, hanno la funzione di concentae il fascio in un angolo solido più piccolo e possono pe questo potae a poblemi di allineamento pe gandi distanze). Esistono te tipi fondamentali di ilevamento: a baiea (detti anche a sbaamento): sogente e ilevatoe sono fisicamente sepaati, e posti l uno di fonte all alto; l oggetto in questo caso s intepone come una baiea, impedendo alla adiazione elettomagnetica emessa dalla sogente di aggiungee il ivelatoe) a iflessione (è pesente il cataifangente): sogente e ilevatoe sono fisicamente collocati nello stesso involuco; il cataifangente viene posto fontalmente al guppo ottico in modo tale da consentie alla adiazione elettomagnetica emessa dalla sogente di aggiungee il ilevatoe sul pecoso di itono, in seguito alla iflessione sul cataifangente; l oggetto in questo caso impedisce che la adiazione iflessa aggiunga il ilevatoe. taste (detti anche eflex oppue a iflessione dietta ): sogente e ilevatoe sono fisicamente collocati nello stesso involuco; a diffeenza di quanto accade nei sensoi a baiea e a iflessione, dove la pesenza dell oggetto viene ilevata quando il fascio non iesce più a aggiungee il ilevatoe, nei sensoi taste la adiazione elettomagnetica emessa dalla sogente iesce ad aivae al ilevatoe, soltanto quando la pesenza dell oggetto la iflette indieto; pe questo motivo, tali sensoi si dicono anche a iflessione dietta poiché la iflessione avviene diettamente sull oggetto da ilevae. I sensoi a baiea sono più adatti pe posizionamenti pecisi e stabili, ma possono avee ovviamente dei poblemi di collimazione del fascio; pe facilitane l installazione sono spesso coedati da LED luminosi che segnalano l eventuale eoe di allineamento. La sogente ed il ilevatoe necessitano in questo caso di due cablaggi sepaati; sono piuttosto costosi, ma possono ilevae oggetti anche ad elevate distanze. I sensoi a iflessione sono di più facile installazione, poiché il cablaggio è più agevole; il loo costo è più contenuto poiché tutto è acchiuso da un unico involuco; la potata di ilevazione è più limitata ispetto ai sensoi a baiea, ma ispetto a questi hanno minoi poblemi di posizionamento poiché la iflessione sul cataifangente allaga molto il fascio iflesso ispetto a quello incidente, a causa della elevata ganulaità dei tiedi; inolte il pocesso di detecting può essee anche di tipo selettivo, scegliendo oppotunamente la dimensione dei tiedi del cataifangente, in base alle dimensioni dell oggetto da individuae. Non possono ovviamente essee impiegati pe il ilevamento di oggetti iflettenti, in quanto il ilevatoe potebbe confondee il aggio che questi ifletteebbeo, con quello che poviene invece dal cataifangente. I sensoi taste, hanno genealmente una potata infeioe di quelli a iflessione, che oltetutto dipende anche molto dal coloe e dal tipo di mateiale dell oggetto; i coloi chiai possono essee genealmente individuati a distanze supeioi ispetto a quelli scui; a diffeenza di quelli con cataifangente, i sensoi a iflessione dietta funzionano invece molto bene pe oggetti molto iflettenti, come ad esempio le bottiglie; pe la loo scasa sensibilità, è da sconsigliane invece l uso in ambienti molto polveosi (poiché il pulviscolo attenueebbe molto l intensità del fascio iflesso dall oggetto, impedendone quindi la ilevazione) oppue in pesenza di uno sfondo più chiao oppue più iflettente dell oggetto da individuae. 4

5 Paticolaità dei dive d uscita pe i dispositivi BJT (alimentazione DC); solitamente, lo stadio d uscita dei Sensoi Induttivi e Capacitivi, è ealizzato a tansisto con configuazione Open - Collecto, quella più adatta quando non si conosce a pioi la natua del caico e la tensione di alimentazione del sensoe; il collettoe del BJT in questo caso viene ad essee polaizzato mediante l inteconnessione di un caico; a vuoto, oppue collegato ad uno voltmeto ad elevata impedenza d ingesso pe la veifica del funzionamento, il sensoe potebbe anche non funzionae, potando dunque ad un eata analisi. Tipologia PNP: il teminale di collettoe del BJT, quindi l uscita del sensoe, fonisce l alimentazione al caico e deve peciò essee collegata al suo connettoe (+); la massa del caico deve invece coincidee con quella di alimentazione del sensoe; in questo caso l uscita viene detta di tipo Souce. Tipologia NPN: il teminale di collettoe del BJT, quindi l uscita del sensoe, fonisce invece la massa al caico e peciò deve essee collegata al suo connettoe (-); il polo positivo del caico deve stavolta essee collegato al polo positivo dell alimentazione del sensoe; in questo caso l uscita viene detta di tipo Sink. In entambe le configuazioni, e in condizioni attive, il caico viene alimentato alla tensione di alimentazione del sensoe, decutata della V CE del tansisto, che il costuttoe indica come Caduta di Tensione. Anche in condizioni inattive, cioè con lo stadio di uscita in intedizione, tansita sul caico una piccola coente chiamata coente di dispesione; pe definizione quindi abbiamo che I = I dispesione (OFF) C la coente di dispesione coincide con la coente di collettoe in condizioni di intedizione; può capitae, che se il caico connesso al sensoe ha una coente caatteistica molto vicina a quella di dispesione, questo isulteà attivato anche quando il sensoe non sta ilevando alcun oggetto; è impotante dunque che la coente di dispesione del sensoe, sia sempe molto più bassa di quella necessaia pe attivae o eccitae il caico. Paticolaità dei dive d uscita pe i dispositivi SCR (alimentazione AC); in questo caso si dispone di un alimentazione in AC; il geneatoe alimenta un Ponte di Gaetz ed il caico (tipicamente un elè AC), deve essee collegato in seie lungo la maglia di alimentazione del ponte, il cui caico è invece costituito popio dal sensoe, il quale stavolta pesenta due soli fili di collegamento, dietti fisicamente all anodo ed al catodo dell SCR, il cui gate è invece pilotato dalla logica di detecting del sensoe veo e popio; quando l oggetto viene ilevato, il tiistoe viene messo in conduzione dalla logica di contollo pe mezzo del gate, ed il elè AC sulla maglia di alimentazione isulta eccitato poiché pecoso dalla coente di caico; al contaio invece, quando il sensoe isulta inattivo, la logica di contollo lascia l SCR in intedizione ed il elè AC sulla maglia di alimentazione è diseccitato poiché non pecoso da coente. 5