Lezione 2. Sensori per l automazione Industriale

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1 Lezione 2 Sensori per l automazione Industriale Sensori di prossimità!oltre ai tradizionali sensori per grandezze fisiche, sono largamente utilizzati dei sensori che avvertono il sistema di controllo della presenza di un oggetto o del raggiungimento da parte dello stesso di una determinata posizione

2 Sensori di prossimità! I sensori di prossimità sono in grado di percepire ed indicare la presenza di un oggetto, all interno di un determinato campo, in prossimità del sensore stesso! Un sensore di prossimità può anche essere predisposto per misurate distanze: ensore produce un segnale continuo (anzichè on-off) proporzionale alla distanza. Sensori di prossimità! Mediante più misure lineari, lungo direzioni diverse si possono poi agevolmente determinare posizioni ed orientamenti di pezzi semplici e complessi.! I sensori di prossimità possono basarsi su numerosi principi fisici: induttivo, capacitivo, magnetico, fluidico, luminoso ed ultrasonico.

3 Sensori ottici! In questa categoria di sensori si possono annoverare dispositivi assai diversi per concezione, frequenza della radiazione usata e quindi per settore d'impiego! Attualmente, la quasi totalità di questo tipo di sensori viene realizzata impiegando emettitori a LED e rivelatori al silicio (fotodiodo o fototransistor). Sensori ottici! I moderni sensori di prossimità ottici si suddividono in tre grandi famiglie:!sensori a barriera! sensori reflex!sensori a diffusione.

4 Sensori ottici! I sensori a barriera sono costituiti da un trasmettitore (emettitore) e da un ricevitore (rivelatore) separati tra di loro.! Qualunque oggetto non trasparente interposto interrompe il raggio luminoso e viene pertanto rilevato.! Questo tipo di sistema è generalmente impiegato dove sono richieste elevate distanze d intervento (anche dell ordine dei metri). Sensori ottici! I sistemi di funzionamento reflex, adatti per medie distanze di intervento, hanno il trasmettitore e il ricevitore integrati nello stesso contenitore.! Viene usato un riflettore prismatico, il quale riflette il raggio trasmesso.! Ha qualche difficoltà nel rilevare oggetti molto riflettenti come metalli levigati.

5 Sensori ottici! I sensori a diffusione sono analoghi a quelli reflex, ma non richiedono l'impiego di un riflettore. La potenza emessa, infatti, è molto bassa ed è lo stesso oggetto da rilevare che riflette il raggio verso il ricevitore.! La distanza d'intervento è legata alle caratteristiche superficiali dell oggetto da rivelare, ma solitamente questi sensori vengono impiegati solo per piccole distanze (fino a qualche decina di cm). Sensori ottici! I sensori a diffusione sono analoghi a quelli reflex, ma non richiedono l'impiego di un riflettore. La potenza emessa, infatti, è molto bassa ed è lo stesso oggetto da rilevare che riflette il raggio verso il ricevitore.! La distanza d'intervento è legata alle caratteristiche superficiali dell oggetto da rivelare, ma solitamente questi sensori vengono impiegati solo per piccole distanze (fino a qualche decina di cm).

6 Sensori ottici! I vantaggi principali dei sensori ottici sono rappresentati dalla elevata distanza d'intervento.! D'altra parte, le caratteristiche d'intervento sono fortemente legate al tipo di superficie dell'oggetto da rilevare.! Tale caratteristca, negativa per molte applicazioni, si rivela utile ad esempio per discriminare oggetti di colore diverso (per esempio rivelare la presenza di una etichetta su un contenitore). Sensori ottici! L'introduzione di fibre ottiche ha permesso di risolvere problemi particolari di rilevamento ed i costruttori piu evoluti forniscono infatti, oltre ai sensori, anche numerosi tipi di fibre ottiche da applicare ai sensori stessi! Questo consente di posizionare i sensori anche in spazi estrememente ristretti.

7 Sensori ottici - applicazioni Sensori induttivi! I sensori elettronici di prossimità a principio induttivo sfruttano il fenomeno dello smorzamento di un campo elettromagnetico per effetto delle correnti indotte (correnti di Foucault) in materiali conduttori, posti nelle loro vicinanze.! La bobina di un circuito oscillante genera un campo elettromagnetico ad alta frequenza che induce, in azionatori metallici vicini, correnti parassite.

8 ! Queste correnti provocano una perdita di energia nell'oscillatore,smorzando l'ampiezza del segnale. La riduzione dell'ampiezza dell'oscillazione è rilevata da un amplificatore di soglia con isteresi che, a sua volta, comanda uno stadio amplificatore finale per l azionamento di carico esterno Sensori induttivi Sensori induttivi! L'assenza di contatto meccanico fra azionatore e sensore consente una durata ed un numero di operazioni illimitate rispetto ad altri tipi di interruttori di prossimità, riducendo ogni problema di manutenzione.! I sensori induttivi rappresentano senza dubbio i sensori di prossimita piu diffusi su macchine automatiche e sono gli unici che, grazie alla maturità raggiunta dalla tecnologia, godono di una normalizzazione a livello internazionale (CENELEC).

9 Sensori induttivi Sensori capacitivi! I sensori di prossimità capacitivi contengono un oscillatore a transistor situato nella parte anteriore.! Il circuito oscillante R-C (resistenzacondensatore) viene influenzato dalla variazione di capacità, infatti quando un materiale qualsiasi solido o liquido (acqua, vetro, legno, metallo, caffè,polveri,ecc.) interessa la superficie attiva del sensore

10 Sensori capacitivi! Avvicinando l!azionatore, la capacità aumenta mettendo in azione l!oscillatore fino ad invertire la soglia del trigger, inducendo un cambiamento di condizione dello stadio finale ed il conseguente comando di un carico esterno.! Un potenziometro permette la regolazione fine della distanza di intervento. Sensori capacitivi

11 Sensori a ultrasuoni! I sensori a ultrasuoni sfruttano l emissione di impulsi sonori a frequenza elevata ( KHz) per rilevare la presenza di oggetti posti nelle loro vicinanze, grazie all'eco dovuta alla riflessione degli ultrasuoni da parte degli oggetti stessi.! Il segnale emesso è costituito in genere da un treno di impulsi viagganti alla velocità del suono nell'aria (340 m/s circa). Sensori a ultrasuoni! L'emissione avviene tramite un apposito trasduttore elettroacustico di tipo piezoceramico.! L'onda riflessa è rilevata da un analogo trasduttore la cui funzione è quella di riconvertire i segnali acustici in segnali elettrici.

12 Sensori a ultrasuoni! Nelle applicazioni dei sensori di prossimità interessa rilevare la presenza di un oggetto (azionatore) in un certo campo di rilevamento prefissato ed eventualmente programmabile in ampiezza dall'utilizzatore.! Pertanto il tempo di ritardo (o di volo ) cioè il tempo che intercorre fra l'istante di emissione di un impulso e l'istante di ricezione dello stesso, essendo proporzionale alla distanza azionatore-sensore, permette al sensore di stabilire se l'azionatore è o meno in campo. Sensori a ultrasuoni! L'impiego della tecnologia a ultrasuoni permette di ottenere distanze di intervento massime di ordine nettamente superiore rispetto a quelle ottenibili con la tecnologia induttiva o capacitiva, a parità di dimensione geometrica del sensore.! Il sensore ad ultrasuoni può anche essere utilizzato per rilevare oggetti trasparenti, costituendo così una alternativa ai sensori ottici

13 Sensori reed! Nella forma più semplice è costituito da due lamine, realizzate con materiale ferromagnetico (una lega di ferro-nichel), parzialmente sovrapposte e separate tra loro di qualche decimo di millimetro.! Sulle lamine contrapposte sono riportati dei contatti (generalmente in oro diffuso).le lamine vengono sigillate all'interno di un piccolo contenitore di vetro riempito di gas inerte (azoto o argon). Sensori reed! Le estremità delle lamine (opposte ai contatti) fuoriescono dal contenitore e costituiscono i terminali del contatto.in presenza di un campo magnetico le lamine diventano sede di flusso magnetico e sulle estremità si formeranno poli di segno opposto che tenderanno ad attrarsi.! Se il campo magnetico è sufficientemente forte, la forza d'attrazione vince la resistenza a flessione, e queste attraendosi chiuderanno il contatto.

14 Sensori reed! I contatti Reed presentano significativi vantaggi:!i contatti sono protetti in un ambiente stagno con atmosfera inerte; questo permette, quando usati all'interno delle specifiche d'utilizzo, di avere un'affidabilità molto elevata (fino a 100 milioni di commutazioni);!la forza d'attrazione, una volta che le lamine si sono toccate, è molto alta, e questo riduce la generazione rimbalzi;! velocità di commutazione di qualche millisecondo Sensori reed! La distanza di intervento è funzione della sensibilità del reed, della intensita del campo magnetico e anche della sua forma nel caso in cui non sia uniforme (per es.nei cilindri con pistone magnetico).! I materiali non ferrosi o ferrosi amagnetici, interposti tra sensore e magnete, non alterano il funzionamento del reed perchè il campo magnetico attraversa queste pareti.

15 Sensori reed! Bisogna invece prestare particolare attenzione a materiali ferrosi o altri magneti posti a pochi centimetri dal campo magnetico (per es. trucioli di ferro, supporti, viti di fissaggio, cilindri con pistone magnetico) perchè possono influenzare il campo e farlo deviare.! Questi interruttori di prossimità (reed o hall-effect) sono principalmente usati per determinare la posizione del pistone magnetico in un cilindro pneumatico ed idraulico o, in generale, in sistemi di rilevamento posizione a bassa risoluzione Sensori reed

16 Sensori industriali! Esistono numerosissimi tipi di sensori per applicazioni industriali! Spatial Variables Measurement! Displacement Measurement, Linear and Angular! Resistive Displacement Sensors! Inductive Displacement Sensors! Capacitive Displacement Sensors! Piezoelectric Transducers and Sensors! Laser Interferometer Displacement Sensors! Time-of-Flight Ultrasonic Displacement Sensors! Optical Encoder Displacement Sensors! Magnetic Displacement Sensors! Synchro/Resolver Displacement Sensors! Optical Fiber Displacement Sensors! Optical Beam Deflection Sensing Sensori industriali! Thickness Measurement! Proximity Sensing for Robotics! Position, Location, Altitude Measurement! Altitude Measurement! Attitude Measurement! Inertial Navigation! Satellite Navigation and Radiolocation! Area Measurement! Volume Measurement! Angle Measurement! Tilt Measurement! Velocity Measurement! Acceleration, Vibration, and Shock Measurement

17 Sensori industriali! Time and Frequency Measurement! Time Measurement! Frequency Measurement! Mechanical Variables Measurement! Solid Mass and Weight Measurement! Density measurement! Strain Measurement! Force Measurement! Torque and Power Measurement! Tactile Sensing Sensori industriali! Mechanical Variables Measurement - Fluid! Pressure and Sound Measurement! Pressure Measurement! Vacuum Measurement! Ultrasound Measurement! Acoustic Measurement! Flow Measurement! Differential Pressure Flowmeters! Variable Area Flowmeters! Positive Displacement Flowmeters! Turbine and Vane Flowmeters! Many others

18 Sensori industriali!point Velocity Measurement!Pitot Probe Anemometry!Thermal Anemometry!Laser Anemometry!Viscosity Measurement!Surface Tension Measurement Sensori industriali! Mechanical Variables Meas.nt - Thermal! Temperature Measurement! Bimaterials Thermometers! Resistive Thermometers! Thermistor Thermometers!! Infrared Thermometers! Pyroelectric Thermometers! Fiber-Optic Thermometers! Thermal Conductivity Measurement! Heat Flux!

19 Sensori industriali! Radioactivity Measurement! Dosimetry Measurement! Chemical Variables Measurement! Composition Measurement! Electrochemical Composition Measurement! Thermal Composition Measurement! Kinetic Methods! Chromatography Composition Measurement! ph Measurement! Humidity and Moisture Measurement! Questo e altro in Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook CRCnetBase (1999) e Sensors and Transducers - Newnes (2002) (entrambi gratis on line - no torrent)