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1 Alcuni parametri di scelta dei trasduttori Criteri generali: Banda passante Segnale fornito Compatibilità strutturale e di installazione Costo... 1 tipici per misure strutturali: Potenziometri LVDT Estensimetri elettrici Celle di carico Accelerometri 2

2 Misure di spostamento A contatto (misura di movimento relativo tra due parti del sensore): Potenziometri LVDT Encoder Non a contatto (misura del movimento relativo tra il sensore e l oggetto della misura) Capacitivi 3 Misure di spostamento (2) Potenziometri (strumenti di ordine zero) VS R i= V x O = R x i= V R S x x R L R = L RL L VO Rx x R = = x x V O = VS = VS VS RL L RL L 4

3 Misure di spostamento (2) A spire A strato resistivo Risoluzione finita (numero di spire) Risoluzione infinita (virtualmente) 5 Misure di spostamento (2) Lineari Angolari 6

4 Misure di spostamento (2) VALORI TIPICI Lineare Angolare Portata mm 1 60 giro Risoluzione infinita? (a strato) infinita? (a strato) 0,1% 1% f.s. (a spire) 0,05% 1% f.s. (a spire) Linearità ± 0,1% 0,3% ± 0,1% 0,5% Resistenza 0,5 10 kω / 25 mm 0,5 20 kω / 25 mm Vita a fatica 10 8 cicli 10 8 cicli Velocità massima 1 m/s 3000 /s 7 Misure di spostamento (2) E possibile eseguire misure lineari con un potenziometri angolare: Potensiometro a filo (wire potentiometer) Il filo disaccoppia sensore e oggetto di misura nella direzione perpendicolare al filo ma è difficile da allineare 8

5 Misure di spostamento (2) Potenziometri a filo (wire potentiometer) LIMITI Dispositivi normali Dispositivi speciali Tensione cavo 2 10 N 50 N Vel. max < 10 m/s 25 m/s Acc. Max <35 g estrazione 50 g <25 g avvolgimento Velocità massima 1 m/s 3000 /s 9 Misure di spostamento (3) A trasformatore differenziale lineare o LVDT (Linear Variable Differential Transformer) 10

6 Misure di spostamento (4) L avvolgimento primario dell LVDT è alimentato in AC (1-10 khz, V) da un apposito oscillatore. Il flusso magnetico prodotto si accoppia attraverso l equipaggio mobile con gli avvolgimenti secondari. La differenza delle tensioni indotte è proporzionale allo spostamento dell equipaggio mobile dal centro 11 Misure di spostamento (4) 12

7 Misure di spostamento (4) L elettronica può essere integrata come nei DC-LVDTs. In questo caso non è richiesta una alimentazione AC con i benefici delle operazioni DC sia in ingresso che in uscita. 13 Misure di spostamento (4) Vantaggi di un LVDT: Robustezza meccanica e ambientale Basso attrito, quindi alta sensibilità e risoluzione Vita a fatica virtualmente infinita Sensibilità incrociata praticamente nulla Misura assoluta Ripetibilità dello zero Valori tipici: Portata: sonda a molla ± 2,5 7,5 mm sonda libera ± 1, mm Sensibilità: (tipo ac - ac ): mv/v/mm (tipo dc -dc ): 0,04 8 V/mm Linearità (f.s.): < ± 0,25% 14

8 Misure di spostamento (5) RVDT: Rotary Variable Differential Transformer 15 Misure di spostamento (5) RVDT Valori tipici: Portata: ± Sensibilità (tipo ac - ac ): 2 3 mv/v (tipo dc - dc ): 125 mv/ Linearità (f.s.): < ± 0,3% 16

9 Problemi di installazione di sensori lineari Sonde semplicemente appoggiate 17 Problemi di installazione di sensori lineari Sonde con molla di precarica 18

10 Problemi di installazione di sensori lineari Sonde direttamente collegate all elemento in movimento Problema di allineamento nel caso di una lunga corsa (es ammortizzatore di un carrello) 19 Misure di spostamento non a contatto capacitivi C A = Kε D C = capacità [pf] K = costante dielettrica dell aria [pf/m] ε =costante dielettrica del materiale tra le armature [pf/m] A = area delle armature D = distanza tra le armature 20

11 Misure di spostamento non a contatto capacitivi La capacità può essere fatta variare linearmente con: la distanza degli elettrodi l area affacciata degli elettrodi 21 Misure di spostamento non a contatto capacitivi VALORI TIPICI: Portata: 0,05 10 mm Sensibilità: V/mm Risoluzione: 0,02 % f.s. Linearità: > ± 0,2 % f.s. 22

12 Misure di spostamento non a contatto capacitivi Svantaggi: sensibili alle variazioni di capacità del cavo sensibili alle variazioni delle caratteristiche del dielettrico (acqua, olio, umidità) elevata impedenza Vantaggi: elevata sensibilità e stabilità poco sensibili alle variazioni di temperatura target non conduttore 23 Misure di spostamento non a contatto induttivi a correnti parassite bobina alimentata con corrente alternata ( 1 MHz) la bobina genera un campo lettromagnetico oscillante sul conduttore nascono correnti parassite l intensità delle correnti è proporzionale alla distanza. VALORI TIPICI: Portata: mm 1-4 mm Sensibilità: 8 4 V/mm Diametro sonda: 5 14 mm Linearità: < 0, mm 24

13 Misure di spostamento non a contatto induttivi a correnti parassite 25 Misure di spostamento non a contatto induttivi a correnti parassite 26

14 Misure di spostamento non a contatto induttivi a correnti parassite 27 Misure di spostamento non a contatto Laser a triangolazione 28

15 Misure di spostamento non a contatto Laser a triangolazione 29 Misure di spostamento non a contatto Laser a triangolazione VALORI TIPICI: Portata: ± 0, mm Distanza di misura: mm Linearità: µm Risoluzione: 0,1 60 µm Tempo di integrazione: 0,1 30 ms CARATTERISTICHE: raggio laser visibile ( = 675 nm) spot di piccole dimensioni (λ = 0,1 1 mm) poco sensibili alla rugosità superficiale e alle variazioni di colore del target possibilità di misurare spessori di oggetti trasparenti 30

16 Misure di spostamento non a contatto Laser a contatore di frange di interferenza (effetto Doppler) 31 Misure di spostamento (7) Encoder Il segnale di uscita è costituito da una successione di N impulsi per giro (N = numero di incisioni) 32

17 Misure di spostamento (7) Encoder 33 Misure di spostamento (7) Encoder 34

18 Misure di spostamento (7) Encoder Il numero massimo di incisioni dipende dal diametro del disco: La risoluzione angolare è data dal numero di incisioni sul giro (N impulsi per giro) Il conteggio degli impulsi fornisce la rotazione θ = n 360/N Possono essere utilizzati per misurare la velocità angolare di un albero misurando t ω = θ / t 35 Misure di spostamento (7) Encoder assoluto Disco codificato con n piste (bit) che vengono lette simultaneamente fornendo un uscita in codice (binario, Gray) Per ogni settore angolare si ha un codice differente Con un solo disco il numero di settori angolari N è pari a: N = 2 n Le piste vengono lette da N fotorilevatori indipendenti 36

19 Misure di spostamento (7) Encoder assoluto 37 Misure di spostamento (7) Considerazione generale sulla massima frequenza 38

20 Misure di velocità LVT Trasduttore lineare di velocità 39 Misure di velocità LVT Trasduttore lineare di velocità Valori tipici: sensibilità: 2-20 mv/ mms-1 intervallo di linearità: mm linearità: ± 1% f.s. Caratteristiche: autoalimentati elevato guadagno (anche senza amplificatori) nessun contatto tra bobine e nucleo (attrito molto basso e usura praticamente nulla) 40

21 Misure di velocità LVT 41 Misure di velocità (2) Pick-up magnetico o ottico 42

22 Misure di velocità (3) Tachimetrica 43 Misure di accelerazione Accelerometri piezoelettrici Accelerometri piezoresistivi Servo accelerometri 44

23 Misure di accelerazione (2) Accelerometri piezoelettrici q = K F V S pt p o = q=carica, K p =cost.piezoelettrica, F=forza, S v =sensibilità in tensione, p=pressione, t=spessore v 45 Misure di accelerazione (3) Accelerometri piezoelettrici Disegni pcb 46

24 Misure di accelerazione (4) Accelerometri resistivi 47 Misure di accelerazione (4) Accelerometri capacitivi Inserire disegni e schemi 48

25 Misure di accelerazione (5) Servoaccelerometri 49 Misure di deformazione Estensimetri elettrici Principi di funzionamento Principali collegamenti Estensimetri a semiconduttore 50

26 Misure di deformazione (2) Estensimetri elettrici 51 Misure di deformazione (3) Estensimetri elettrici 52

27 Misure di deformazione (4) 53 Misure di deformazione (5) 54

28 Misure di deformazione (6) ESEMPIO DATI: barretta in acciaio E MPa σ =100 Mpa (trazione monoassiale) R=120. Fattore di taratura: k=2 INCOGNITA: variazione di resistenza ε= σ / E= m/m= 476 µm R/R = k ε= R=0.114Ω SI PONE IL PROBLEMA DI MISURARE R 55 Misure di deformazione (6) Modalità di misura: Ponte di Wheatstone 56

29 Misure di deformazione (6) I contributi di lati opposti si sommano se uguali raddoppiano se opposti si annullano I contributi di lati adiacenti si sottraggono se uguali si annullano se opposti si sommano 57 Misure di deformazione (6) Effetti della temperatura sulla sensibilità La griglia dell estensimetro varia la sua lunghezza in funzione della temperatura: L est =α est T La base del pezzo varia la sua lunghezza in funzione della temperatura: L pez =α pez T Cambia la resistenza perché cambia la resistività Si considerano la variazione di k con la temperatura e i differenti coefficienti di dilatazione: entrambe le cause danno una deformazione apparente, che non viene da deformazione Differenti coefficienti di dilatazione ( ) di di e T =. in in m/m m/m ove,, e sono i coefficienti di dilatazione termica lineare del pezzo e dell ER 58

30 Misure di deformazione (6) Effetti della temperatura Compensabili con correzione delle misure Compensabili con doppia misura 59 Misure di deformazione (6) Trazione 60

31 Misure di deformazione (6) Trazione 61 Misure di deformazione (6) Trazione 62

32 Misure di deformazione (6) Flessione 63 Misure di forza Celle di carico estensimetriche (statiche) o piezoelettriche (dinamiche) 64

33 Misure di forza Celle di carico 65 Misure di pressione Tubi ad U 66

34 Misure di pressione (2) Manometro di Bourdon 67 Misure di pressione (3) Tubi di Pitot (misure differenziali di pressione e di velocità) 68

35 Misure di pressione (3) Capsule aneroidi 69 Misure di temperatura Termocoppie 70

36 Misure di temperatura (2) Termoresistenze 71

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