centinaia di sensori nelle nostre auto!

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1 Tecnica In futuro, centinaia di sensori nelle nostre auto! 2a parte: la tecnologia dei sensori Induzione elettromagnetica, piezoelettricità, effetto o di Gauss per l attivazione dei sensori utilizzando dei fenomeni fisici fondamentali. Spiegazione della tecnologia dei sensori e della loro modalità di sfruttamento dei principi fisici. Sensori potenziometrici Sensori di posizione (lineari o angolari) Sensore potenziometrico La misura si basa sulla proporzionalità esistente tra la lunghezza di una pista conduttrice e la relativa resistenza (fig 1). Questo tipo di sensore costituisce la tecnologia più economica per la misurazione delle posizioni angolari. La pista potenziometrica è alimentata attraverso due resistenze fisse, che servono alla regolazione della caratteristica in uscita del sensore e alla limitazione della tensione in uscita (fig 2). Il cursore è generalmente collegato ad una seconda pista collettrice di bassa resistività. Il valore basso della corrente in uscita (< 1 ma) limita l usura del contatto del cursore e garantisce una buona affidabilità della misurazione. La tensione in uscita corrisponde ad una percentuale della tensione di alimentazione del sensore, proporzionale all angolo che si vuole misurare (fig 3). Sensore ad anello di cortocircuito Questi sensori sono costituiti da un nodo magnetico a forma di E, da una bobina e da un anello mobile altamente conduttore (fig 4). Una tensione alternativa viene applicata ai terminali della bobina, generando una corrente I, proporzionale alla sua induzione. Si ricordi che l induttanza è direttamente collegata al flusso magnetico che attraversa la bobina. Le correnti indotte che attraversano l anello mobile limitano il flusso magnetico alla zona situata tra la bobina e l anello. Lo spostamento dell anello influisce sull induttanza della bobina e quindi sulla corrente che l attraversa. La corrente I è di conseguenza rappresentativa della posizione dell anello. L intera lunghezza del sensore è utilizzata per la misurazione. La massa da spostare Fig. 5 Sensore a corrente di Foucault 1 - corpo conduttore profilato j - angolo di rotazione L - induttanze è molto scarsa. Questi sensori sono molto precisi e presentano una buona linearità. Il fatto che siano senza contatto garantisce l assenza d usura e permette la misurazione rapida dello spostamento del fenomeno. Sono utilizzati correntemente per equipag-

2 23 OTTOBRE 08 Potenziometro a cursore Fig. 1 Fig. 3 1-cursore 2-pista resistiva 3-pista colletrice R0-resistenza totale pista Ra-resistenza proporzionale all angolo misurato a U0-tensione di alimentazione Us-tensione in uscita Rv-resistenza di calibrazione Curva di tensione raziometrica di un sensore d angolo potenziometrico Fig. 2 Fig. 4 Sensore ad anello di cortocircuito Diagramma elettrico di un potenziometro a cursore 1-anello 2-nodo 3-bobina I-corrente indotta L-induttanza F-flusso magnetico x-spostamento giare le pompe Diesel (misura della corsa di regolazione e della posizione angolare dell attuatore di portata). Sensore digitale 360 a effetto Fig. 9 1-coperchio con magneti permanenti 2-disco di codifica 3-circuito stampato che supporta l elettronica del sensore e delle piastre. Sensore a corrente di Foucault Questi sensori sono utilizzati per la misurazione senza contatto dell angolo della valvola a farfalla o della posizione dell acceleratore. Il principio della misurazione consiste nel far variare l induttanza di una bobina tramite rotazione di un corpo conduttore in alluminio profilato all interno di una bobinatura (fig 5). Questa tecnologia, che utilizza deboli correnti ad alta frequenza, sensibili ai disturbi radio, obbliga ad aggiungere direttamente l elettronica di trattamento al sensore. Sensore analogico ad effetto L effetto consiste nell utilizzare una particella semiconduttrice di silicio, che ha la particolarità di generare una tensione agli elettrodi (terminali), quando è attraversata da un campo magnetico. La tensione che ne deriva è proporzionale all intensità del campo magnetico perturbatore (fig 6). Nello stesso tempo, la resistenza della piastra aumenta rapidamente (effetto di magnetoresistenza detto anche effetto Gauss). L utilizzo della piastra presenta il vantaggio di una miniaturizzazione dei sensori dato che l elemento sensibile (piastra) può essere direttamente fuso (integrato) all elettronica di condizionamento del sensore. Questi sensori sono adattati alla misurazione di piccoli spostamenti. Il principio di funzionamento frequentemente usato è la sensibilità alle variazioni del campo magnetico indotte dall allontanamento o dall avvicinamento di un magnete permanente. Per la misura della posizione angolare su 360, vi sono due soluzioni. La prima consiste nel disporre due piastre perpendicolarmente frontali al magnete permanente (fig 7). Ogni piastra copre 180. La seconda consiste nell utilizzo di un anello magnetico O F F I C I N A

3 Fig. 6 Fig. 8 Principio dell effetto a) a-piastra b-evoluzione tensione in base all intensità del campo magnetico c-evoluzione della resistenza della piastra hall in base all intensità del campo magnetico (effetto Gauss) B-campo magnetico U-tensione b) c) Sensore analogico 360 a effetto e in uscita lineare Fig testata magnetica 2-statore in ferro flessibile 3-rotore magnetico 5-piastra Sensore analogico 360 a effetto 1-piastra 2-albero in spostamento angolare 3-magnete permanente B-campo magnetico Sensore di posizione volante (angolo) con tecnologia ARMangulaire 3-aimant perma- che opera una rotazione attorno ad una piastra (fig 8). Per entrambe le figure, è l angolo che forma l orientamento del campo rispetto alla piastra che fa variare in modo proporzionale la tensione generata ai terminali della piastra. Sensore digitale a effetto Di concezione più semplice, questi sensori trasmettono il segnale logico (tutto o niente) secondo l angolo di rotazione su 360. Per fare ciò, dispongono le piastre a intervalli regolari di fronte a magneti permanenti. Tra piastre e magneti, è presente un disco di codifica in ferro, libero in rotazione, che intercetta e lascia passare, grazie a delle «finestre», il campo magnetico prodotto dai magneti. In questo modo, le piastre generano successivamente un «picco» ad ogni passo di rotazione (fig 9). Nell esempio più corrente di un utilizzo come sensore d angolo volante, il disco di codifica è solidale al piantone dello sterzo, mentre il resto del sensore è fisso. La risoluzione di questa tecnologia del sensore è collegata al numero di coppie di piastre/magneti montati e al numero di aperture ricavate sul disco. In generale non eccede i 2,5. Sensore magnetoresistivo a tecnologia ARM (Anisotrop MagnetoResistive) Questa nuova tecnologia permette la realizzazione di sensori angolari senza contatto ed estremanente compatti. Funge da elemento sensibile delle piastre in silicio, fuse all elettronica del trattamento integrato al sensore. Non è più la tensione fornita dalla piastra ad essere sfruttata, ma la variazione della resistenza in base all intensità del campo magnetico che l attraversa (magnetoresistività o effetto Gauss). è il disequilibrio elettrico di un separatore di tensione ad essere sfruttato. Il campo magnetico perturbatore è generato da magneti permanenti in rotazione sulla piastra. La variazione della resistenza avviene in base all angolo che forma il campo magnetico con la piastra. Oggi, questo tipo di sensore è essenzialmente utilizzato per misurare l angolo volante. L utilizzo congiunto di due piastre permette di misurare l angolo di rotazione su più giri. A tale scopo, i due magneti permanenti sono posti su due piccole ruote dentate azionate dal piantone dello sterzo con delle diverse demoltiplicazioni; è possibile quindi conoscere la posizione assoluta del volante su più giri (fig 10 e 11). Questa configurazione a due piastre offre una precisione nell ordine di 1.

4 Sensore angolo volante magnetoresistivo Fig. 10 Fig. 12 Sensore di velocità induttivo 1-piantone dello sterzo, 2-ruota dentata a n denti 3-ruota dentata a m denti 4-ruota dentata a m+1 denti 5-magneti permanenti φ,ψ, θ- angoli di rotazione Sensore angolo volante magnetoresistivo OTTOBRE magnete permanente 2-valvola 3-nucleo 4-bobina 5-corona dentata Fig. 13 Fig. 11 Sensore di velocità magnetoresistivo 1-piantone dello sterzo 2-piastre magnetoresistive 3-ruota a m denti 4-elettronica trattamento sensore 5-magneti permanenti 6- ruota a n denti 7- ruota a m+1 1-piastre magnetoresistive 2-circuito stampato (elettronica sensore) 3-magnete permanente 4-corona dentata Sensore di velocità (lineare o angolare) Sensore induttivo I sensori di rotazione induttivi sono composti da due elementi, uno fisso e l altro rotativo, solidali al componente di cui si vuole conoscere la velocità di rotazione (rotore). L elemento fisso è una valvola che racchiude uno stelo magnetico, che funge da nucleo magnetico alla bobina. Le due estremità della bobina costituiscono l uscita elettrica del sensore. Il campo magnetico, emesso verso la bobinatura tramite lo stelo magnetico, crea una tensione indotta al terminale della bobina. Di fronte alla valvola si trova il secondo elemento del sensore, una corona dentata in ferro (fig 12). La sua rotazione e in particolare il passaggio di un dente davanti alla valvola causa la variazione della tensione indotta nella bobina tramite disturbo del flus- so magnetico emesso dallo stelo. Se la dentatura della corona è perfettamente regolare, in uscita dal sensore è presente una tensione sinusoidale. La velocità di rotazione è determinata dalla misura della frequenza del segnale in relazione al numero di denti della corona. L ampiezza del segnale in uscita è anch essa proporzionale alla velocità di rotazione. Dipende fortemente dallo scarto (chiamato traferro) tra la valvola e la corona. Il funzionamento è assicurato se il traferro non eccede un terzo della distanza che separa due denti. Nelle applicazioni frequentemente incontrate come misura della velocità di rotazione dell albero motore o quella delle ruote (ABS), la regolazione dei traferri è compresa tra 0,8 e 1,5 mm. Sensore a effetto Come i sensori di velocità di rotazione induttivi, i sensori a effetto sono composti da una corona dentata posta di fronte ad un elemento fisso sensibile accanto a un dente. L elemento fisso è composto da un magnete permanente, su cui disporre due piastre separate ad una distanza che è Segnale in uscita di un sensore induttivo. Il salto di tensione segnala il picco corrisponde al dente mancante O F F I C I N A

5 Sensore di velocità a effetto Fig. 14 Sensore di velocità con otturatore 1-tendina metallica circolare 2-magnete permanente 3-piastra Us-tensione in uscita U0-tensione di alimentazione drato rispetto al campo magnetico che le attraversa. Le due piastre sono montate sul partitore di tensione. Una soluzione che permette di colmare le derive termiche della resistenza delle piastre (le due piastre subiscono le stesse variazioni). In questo modo, i sensori resistono a temperature che possono raggiungere in breve 200. Il segnale in uscita è una tensione analogica proporzionale alla velocità captata. Non ha bisogno di essere amplificato. La tensione in uscita è direttamente dipendente alla tensione di alimentazione del ponte divisore costituito da due piastre (segnale in uscita che va da 0,1 v a 1 v). Fig. 15 Sensore albero a camme 1-tendina metallica circolare 2-magnete permanente 3-piastra Ug-tensione in uscita la metà rispetto a quella tra due denti. In questo modo, una delle due piastre si trova sotto lo spazio tra un dente e l altro. Le piastre sensibili al campo magnetico trasmesso dal magnete generano un segnale proporzionale all intensità del magnete. La presenza di un dente accanto a una piastra ha lo scopo di far deviare il campo magnetico di quest ultima. Presenterà quindi ai terminali una tensione meno elevata della piastra, che si presenta sotto lo spazio tra due denti. E la differenza dei segnali presenti ai terminali delle due piastre che costituisce il segnale in uscita. Le variazioni di traferro non vengono più considerate nell ampiezza del segnale in uscita contrariamente ai sensori induttivi. Inoltre, la presenza di una doppia piastra permette di conoscere il senso di rotazione. L inconveniente sta in una te- nuta meno buona in termini di temperatura rispetto ai sensori induttivi. Questa temperatura non può eccedere i 150. Il segnale in uscita è un segnale quadrato, la cui frequenza è proporzionale alla velocità. Sensore a effetto Gauss Questi sensori riprendono la stessa composizione e lo stesso funzionamento dei sensori di velocità di rotazione a effetto (fig 13). Non viene più considerata la tensione trasmessa dalle piastre, ma le loro variazioni di resistenza (magnetoresistenza). Nell area di utilizzo delle piastre, la loro resistenza varia in modo proporzionale al qua- Sensore a effetto Anche in questo caso, il sensore è costituito da due parti, una fissa e l altra mobile. La parte fissa è composta da una piastra che si attiva al passaggio del flusso magnetico emesso da un magnete permanente. La piastra invia una tensione dal valore fisso che, una volta amplificato, diventa il segnale in uscita. La parte mobile, solidale al componente rotativo, corrisponde a una tendina circolare in ferro che si posiziona tra la piastra e il magnete (traferro) dalla parte fissa, fungendo da otturatore. Essa presenta delle aperture in alcuni punti della sua superficie. In rotazione nel traferro, la tendina interrompe periodicamente il flusso magnetico in direzione della piastra. Il segnale inviato dalla piastra si trova quindi tra un segnale quadro alternativo, in base all arrivo o meno del flusso magnetico (fig 14 e 15). Questo tipo di sensore è principalmente usato per misurare la rotazione dell albero a camme. Nota Oltre a servire per la misurazione della velocità di rotazione dell albero motore e dell albero a camme, i sensori di velocità induttivi ad effetto permettono di determinare la posizione angolare dei componenti rotativi. Per fare ciò, si codificano le parti mobili del sensore. Per i sensori a induzione, la codifica corrisponde alla soppressione di uno o due denti sulla corona. Per i sensori a effetto, la codifica corrisponde al taglio di un apertura di dimensione diversa sul disco otturatore. Nel due casi, queste differenze si fanno sentire a livello del segnale d uscita....segue Sensore in uscita da un sensore con otturatore. Il salto di tensione segnala il picco corrispondente all apertura della tendina

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