MECCATRONICA Moduli 5-8

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1 MECCATRONICA Moduli 5-8 componenti meccatronici sistemi meccatronici e funzioni manutenzione remota e diagnosi Esercizi Soluzioni (concetto) Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no Minos, durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no. DE/08/LLP-LdV/TOI/ MINOS ++, durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto è finanziato con il sostegno della Commissione europea. L autore è il solo responsabile di questa pubblicazione (comunicazione) e la Commissione declina ogni responsabilità sull uso che potrà essere fatto delle informazioni in essa contenute.

2 Partners per la creazione, valutazione e diffusione dei progetti MINOS e MINOS**. - Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production Processes, Germany - np neugebauer und partner OhG, Germany - Henschke Consulting, Germany - Corvinus University of Budapest, Hungary - Wroclaw University of Technology, Poland - IMH, Machine Tool Institute, Spain - Brno University of Technology, Czech Republic - CICmargune, Spain - University of Naples Federico II, Italy - Unis a.s. company, Czech Republic - Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic - Tower Automotive Sud S.r.l., Italy - Bildungs-Werkstatt Chemnitz ggmbh, Germany - Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany - Euroregionala IHK, Poland - Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen - Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland - Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary - Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary - Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary - Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany - Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden Articolazione del materiale didattico Minos : moduli 1 8 (manuale, soluzioni e esercizi): Conoscenze fondamentali/ competenze interculturale, gestione del progetto/ tecnica pneumatica/ azionamenti elettrici e controlli automatici/ componenti meccatronici/ sistemi meccatronici e funzioni/ attivazione, sicurezza e teleservizio/ manutenzione remota e diagnosi Minos **: moduli 9 12 (manuale, soluzioni e esercizi): Prototipazione Rapida/ robotica/ migrazione/ Interfacce Tutti i moduli sono disponibili nelle seguenti lingue: tedesco, inglese, spagnolo, italiano, polacco, ceco e ungherese Per ulteriori informazioni si prega di contattare Dr.-Ing. Andreas Hirsch Technische Universität Chemnitz Reichenhainer Straße 70, Chemnitz Tel.: + 49(0) Fax.: + 49(0) [email protected] Internet: oder

3 MECCATRONICA Modulo 5: componenti meccatronici Esercizi (concetto) Wojciech Kwaśny Andrzej Błażejewski Politecnico di Wroclaw, Polonia Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no Minos, durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no. DE/08/LLP-LdV/TOI/ MINOS ++, durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto è finanziato con il sostegno della Commissione europea. L autore è il solo responsabile di questa pubblicazione (comunicazione) e la Commissione declina ogni responsabilità sull uso che potrà essere fatto delle informazioni in essa contenute.

4 Componenti meccatronici Minos

5 Minos Componenti meccatronici Indice: 1 Sensore ad induzione Nozioni di base Elementi costruttivi fondamentali Sensori speciali Alimentazione con corrente e principi di collegamento di sensori Mezzi protettivi e sicurezza di sensori 12 2 Sensori capacitivi Nozioni di base Principio fisico Funzionamento del sensore Tipi di sensori capacitivi Soppressione dei disturbi 17 3 Sensori ultrasonici Principio fisico Funzionamento dei sensori ultrasonici Disturbi durante il funzionamento dei sensori Sensori ultrasonici speciali 24 4 Sensori ottici Elementi fotoelettrici Principio fisico Emettitori e rilevatori ottici Tipi di sensori Elaborazione dei segnali Tipi speciali di sensori ottici Tecnica di collegamento 35 5 Sensori magnetici Nozioni di base Il campo magnetico Il contatto Reed Effetti magnetici usati in sensori Tipi di sensori magnetici Sensori magnetici speciali Principi di montaggio e applicazioni 44

6 Minos Componenti meccatronici 1 Sensore ad induzione 1.1 Nozioni di base Compito 1 Quale è la fonte del campo magnetico alternato in un sensore ad induzione? Come cambia l energia accumulata nel circuito risonante? Come vengono generate le oscillazioni nel circuito LC? Come si possono mantenere costanti le oscillazioni del circuito oscillante? In quali condizioni ha luogo la risonanza nel circuito oscillante? 4

7 Componenti meccatronici Minos Quali condizioni vanno soddisfatte per generare oscillazioni nel circuito LC? 1.2 Elementi costruttivi fondamentali Compito 2 Com è costituita la parte attiva del sensore? Come avviene la misura della distanza fra l oggetto e la bobina in un sensore ad induzione? Perché un sensore ad induzione dovrebbe avere un isteresi? Che cos è l isteresi? Quanto vale la frequenza di lavoro di un sensore ad induzione? 5

8 Minos Componenti meccatronici Quanto è ampio il raggio d azione di un sensore ad induzione e quali involucri si utilizzano? Qual è il raggio d azione nominale del sensore? Con quale campione si valuta il raggio d azione nominale? Qual è il raggio d azione reale del sensore? Qual è il raggio d azione garantito del sensore? Da cosa dipende il raggio d azione nominale del sensore? Perché si usa un coefficiente di correzione per i sensori ad induzione? 6

9 Componenti meccatronici Minos In quale maniera la sensibilità del sensore dipende dalla sua forma costruttiva? Quale condizione si deve rispettare quando diversi sensori schermati vengono installati vicini? Quale condizione si deve rispettare quando diversi sensori non schermati vengono installati vicini? Qual è la frequenza massima di commutazione del segnale di output? Quale frequenza massima di commutazione ci si deve aspettare quando viene usato un oggetto diverso dalla piastra standard? 7

10 Minos Componenti meccatronici 1.3 Sensori speciali Compito 3 Come funziona un sensore induttivo ad anello? Quali limiti ci sono per la grandezza degli oggetti da individuare mediante un sensore induttivo ad anello? Ci sono delle prescrizioni per la traiettoria degli oggetti da rilevare con un sensore ad anello? Quali conseguenze negative può avere l influsso di forti campi magnetici sui sensori ad induzione? Come vengono protetti dai disturbi i sensori che lavorano in vicinanza di attrezzature per la saldatura? 8

11 Componenti meccatronici Minos Quali sensori non sono sensibili all influsso di campi magnetici esterni? Faccia degli esempi di sensori che lavorano in condizioni difficili. Quale caratteristiche devono avere i sensori che lavorano sotto un alta pressione? Come si riconosce la direzione di un movimento lineare con un bistabile sensore ad anello? Come funzionano i sensori ad induzione NAMUR? 9

12 Minos Componenti meccatronici Qual è la caratteristica tipica dei sensori NAMUR? Quali condizioni devono essere rispettate se i sensori NAMUR sono impiegati in una zona soggetta al pericolo di esplosione? Qual è la differenza fra sensori standard e sensori analogici ad induzione? Di quali elementi consiste un sensore analogico induttivo? 10

13 Componenti meccatronici Minos 1.4 Alimentazione elettrica e principi di collegamento dei sensori Compito 4 Di quale entità possono essere le variazioni della tensione per i sensori con alimentazione in corrente continua? Come si possono evitare picchi istantanei di tensione? Quali configurazioni possono avere le uscite dei sensori che vengono alimentati in corrente continua? I sensori con alimentazione in corrente alternata possono essere collegati direttamente con la rete a corrente alternata? Ci può essere una corrente nel circuito di sensore con alimentazione in corrente alternata quando il sensore è spento? 11

14 Minos Componenti meccatronici Perché si collegano più sensori in gruppi? Quali funzioni logiche si possono implementare con sensori collegati in serie? Da cosa dipende il numero massimo di sensori che si possono collegare in serie? Quali funzioni logiche si possono implementare con sensori collegati in parallelo? Da cosa dipende il numero massimo dei sensori che si possono collegare in parallelo? Si possono collegare in parallelo sensori a due conduttori? 12

15 Componenti meccatronici Minos 1.5 Dispositivi di protezione e sicurezza dei sensori Compito 5 Da cosa vanno protette le uscite dei sensori con alimentazione in corrente continua? Un cortocircuito può essere dannoso per sensori alimentati in corrente continua? Quando l involucro di un sensore deve avere un collegamento a terra? Come si può evitare la corrente che circola nel circuito quando il sensore è spento? 13

16 Minos Componenti meccatronici 2 Sensori capacitivi 2.1 Nozioni di base Compito 1 Quali oggetti possono rilevare i sensori capacitivi? Quali materiali tra questi vengono rilevati dai sensori capacitivi? 1. Acciaio 2. Rame 3. Gomma 4. Ebanite 5. Acqua 6. Ferro 7. Idrogeno Come è costituito un sensore capacitivo? Qual è l elemento attivo del sensore capacitivo? Quanto è grande il raggio d azione del sensore capacitivo? 14

17 Componenti meccatronici Minos 2.2 Principio fisico Compito 2 La capacità di un condensatore è proporzionale alla distanza fra gli elettrodi? Come si può ottenere un condensatore aperto? Qual è la funzione dell elettrodo intermedio? Qual è la differenza quando nel campo elettrostatico del condensatore aperto entra un oggetto di metallo e uno non conduttore? 15

18 Minos Componenti meccatronici 2.3 Funzionamento del sensore capacitivo Compito 3 Per quali oggetti (di materiale conduttore o non) il raggio d azione del sensore capacitivo è più grande? Quando il raggio d azione del sensore capacitivo è massimo? Qual è il ruolo del potenziometro nel sensore capacitivo? Con quale oggetto standard viene misurato il raggio d azione nominale del sensore capacitivo? Quanto è grande il raggio d azione affidabile? Da cosa dipende la struttura capacitiva del sensore? 16

19 Componenti meccatronici Minos 2.4 Tipi di sensori capacitivi Compito 4 Quale forma hanno i sensori capacitivi? Quali tipi di sensori cilindrici esistono? Da che cosa dipende la distanza tra un oggetto di materiale organico ed il sensore a cui cambia il segnale di output? Come si può calcolare il raggio d azione reale di un sensore capacitivo? 17

20 Minos Componenti meccatronici 2.5 Soppressione dei disturbi Compito 5 Come reagisce un sensore capacitivo all insudiciamento? Con quale accorgimento costruttiva si può ridurre l influsso dell insudiciamento? 18

21 Componenti meccatronici Minos 3 Sensori ultrasonici 3.1 Principio fisico Compito 1 Come si propaga un onda acustica nell aria? Cos è la lunghezza dell onda acustica? Come si può misurare la distanza fra un oggetto ed il sensore? Che cos è l effetto piezoelettrico? Cosa succede alle caratteristiche piezoelettriche alle temperature alte? 19

22 Minos Componenti meccatronici Come viene generata un onda ultrasonica? A quale frequenza funzionano i sensori ultrasonici? In quale zona è più grande l energia acustica? Come si può calcolare il diametro del cono del suono? Da cosa dipendono l angolo e la forma del raggio acustico? 20

23 Componenti meccatronici Minos 3.2 Funzionamento dei sensori ultrasonici Compito 2 Quali modi di funzionamento esistono per i sensori ultrasonici? Quale fasi ha la misurazione dell eco ultrasonico? Quando vengono impiegati i sensori ultrasonici? I sensori ultrasonici non sono sensibili all influsso del suono nell ambiente? Di quali parti costruttive consiste un sensore ultrasonico? 21

24 Minos Componenti meccatronici Quali oggetti vengono rilevati particolarmente bene dai sensori ultrasonici? Come funziona un sensore ultrasonico con trasduttore piezoelettrico? Come può essere eliminato l eco di fondo? Si può regolare il raggio d azione minimo del sensore nei sensori ultrasonici? Perché esiste la zona morta? 22

25 Componenti meccatronici Minos Quanti gradi può avere l angolo del cono sonico? Quale oggetto standard viene usato per misurare il raggio d azione dei sensori ultrasonici? Come funzionano sensori a sbarramento? Che tipo di onda acustica viene creata da sensori a sbarramento? Quando vengono usati sensori a sbarramento? Quali fra i sensori a sbarramento e quelli a diffusione hanno la maggiore frequenza di commutazione del segnale di output? 23

26 Minos Componenti meccatronici 3.3 Disturbi durante il funzionamento dei sensori 3.4 Sensori ultrasonici speciali Compito 3 Quali fattori fisici possono disturbare il funzionamento dei sensori ultrasonici? A che cosa porta un aumento di temperatura nei sensori ultrasonici? Quali fattori di montaggio possono disturbare il lavoro dei sensori ultrasonici? Quando si verifica l interferenza dei sensori ultrasonici? Come si può evitare l interferenza dei sensori ultrasonici? 24

27 Componenti meccatronici Minos 3.5 Sensori ultrasonici speciali Compito 4 Come funzionano i sensori a riflessione? Quando vengono usati i sensori a riflessione? Come funzionano i sensori con due trasduttori in un unico alloggiamento? Come viene misurata la distanza mediante i sensore ultrasonici? 25

28 Minos Componenti meccatronici 4 Sensori ottici 4.1 Componenti fotoelettrici Principio fisico Compito 1 Quali parti della radiazione elettromagnetica vengono usati nei sensori ottici? Che cosa è la rifrazione? Che tipi di riflessione ci sono? 26

29 Componenti meccatronici Minos Emettitori e rilevatori ottici Compito 2 Quali fotoemettitori vengono usati nei sensori ottici? Su che cosa si basa il funzionamento del diodo LED? Da che cosa dipende l intensità del diodo LED? Da che cosa dipende il colore della luce creata nel diodo LED? Quali sono i vantaggi e gli svantaggi dell uso della luce visibile e della radiazione infrarossa nei sensori? Perché si trova una lente nell involucro del LED? 27

30 Minos Componenti meccatronici Quale è la differenza fra i LED e diodi laser? Quali sono i vantaggi dei diodi laser? Quale ruolo hanno i fotorilevatori nei sensori ottici? Cosa sono il tempo di salita e il tempo di discesa? Qual è la differenza fra un comune foto diodo e un diodo PIN? Come si può calcolare la posizione della sorgente luminosa con un PSD? 28

31 Componenti meccatronici Minos Perché nei sensori ottici si sostituiscono i sensori PSD con elementi CCD? Qual è differenza nella costruzione di un fototransistore e un comune transistore? 29

32 Minos Componenti meccatronici 4.2 Tipi di sensori Come funzionano le barriere luminose unidirezionali? Che caratteristiche hanno le barriere luminose? Quali oggetti possono essere rilevati da barriere luminose unidirezionali? Come funzionano le barriere ottiche a riflessione? Come funziona il sistema a tre specchi? Da che cosa dipende il raggio d azione dei sensori a riflessione? Come funzionano i sensori a diffusione? 30

33 Componenti meccatronici Minos Quale caratteristiche hanno i sensori a diffusione? Come si misura il raggio d azione massimo di un sensore a diffusione? 31

34 Minos Componenti meccatronici 4.3 Elaborazione dei segnali Compito 4 Che cosa può disturbare il funzionamento dei sensori ottici? Quali sensori sono particolarmente sensibili all interferenza? Quali vantaggi ha la luce modulata? Che cosa è la polarizzazione della luce? Come funzionano i filtri di polarizzazione? 32

35 Componenti meccatronici Minos La polarizzazione viene distrutta tramite la riflessione? Perché si usa la luce polarizzata in sensori ottici? Che cosa è il margine operativo? Che valore deve avere il margine operativo? Che cosa è il tempo di reazione del sensore ottico? 33

36 Minos Componenti meccatronici 4.4 Tipi speciali di sensori ottici Compito 5 Qual é la differenza fra sensori a riflessione con e senza polarizzazione? Come si può eliminare l influsso dello sfondo e del primo piano? Quali modalità di soppressione elettronica dello sfondo ci sono? Che cosa è l autocollimazione? Quali vantaggi ha l autocollimazione? Come sono costituite le fibre ottiche? 34

37 Componenti meccatronici Minos Che cosa è la riflessione totale in una fibra ottica? Perché le fibre ottiche devono avere lunghezza limitata? Qual è la differenza fra le fibre ottiche di vetro e di plastica? Come funzionano i sensori ottici con fibra ottica? 35

38 Minos Componenti meccatronici 4.5 Tecnica di collegamento Compito 6 Quali modi di funzionamento hanno i sensori ottici? Da che cosa dipendono la grandezza e la forma della zona di commutazione del segnale di output? 36

39 Componenti meccatronici Minos 5 Sensori magnetici 5.1 Nozioni di base Il campo magnetico Compito 1 Che cosa può essere la fonte di un campo magnetico e come sono indirizzate le sue linee di forza? Quali grandezze fisiche sono tipiche per un campo magnetico? Come si distinguono le sostanze per caratteristiche magnetiche? Che cosa sono le bolle magnetiche? Quali materiali ferromagnetici sono duri e quali sono dolci? 37

40 Minos Componenti meccatronici Il contatto Reed Compito 2 In cosa consiste un contatto Reed? Perché si usano materiali protettivi del contatto Reed? Qual è la massima frequenza di commutazione dei contatti Reed? Quante volte può essere commutato il segnale di output del contatto Reed? 38

41 Componenti meccatronici Minos Effetti magnetici usati in sensori Compito 3 Che cosa è l effetto Hall? Come si può raggiungere un valore più alto della tensione Hall? Perché un campo magnetico cambia la magnetoresistenza del semiconduttore? Cosa succede quando la corrente attraversa elettrodi di oro o di alluminio? Che cosa è l effetto Wiegand? 39

42 Minos Componenti meccatronici Quali caratteristiche ha un convogliatore d impulso? Come reagiscono gli ambiti magnetici di un convogliatore d impulso al cambiamento di direzione del campo magnetico esterno? Quando si verifica un impulso elettrico nella bobina con una convogliatore d impulso? 40

43 Componenti meccatronici Minos 5.2 Tipi di sensori magnetici Compito 4 Quali vantaggi hanno i sensori sensori basati sul campo magnetico? Quali oggetti possono essere rilevati da sensori magnetici? Quale può essere l elemento che reagisce ad un campo magnetico? Un oggetto in un tubo di plastica può essere rilevato da un sensore magnetico? Come funziona un sensore con contatto Reed? 41

44 Minos Componenti meccatronici In che stato rimangono i contatti di un contatto Reed se questo non si trova in un campo magnetico? Da cosa dipende il raggio d azione massimo di un sensore magnetico? Che forme può avere il contenitore di un sensore magnetico con un contatto Reed e che cosa determinano? Quanti conduttori hanno i sensori con contatto Reed? Come funzionano i sensori Hall? I sensori Hall reagiscono soltanto ad una particolare polarizzazione del campo magnetico? 42

45 Componenti meccatronici Minos 5.3 Sensori magnetici speciali Compito 5 Come funzionano i sensori Wiegand? Come vengono rilevati magneti mobili da un sensore Wiegand? Come vengono rilevati convogliatori d impulso mobili da un sensore Wiegand? Quale alimentazione di corrente richiedono i sensori Wiegand? In cosa consiste il sensore magnetico più semplice? Quali oggetti possono essere rilevati da un sensore con un magnete permanente? 43

46 Minos Componenti meccatronici Un sensore con magnete permanente richiede un alimentazione con corrente? 44

47 Componenti meccatronici Minos 5.4 Principi di montaggio e applicazioni Quali collegamenti ci devono essere se un sensore magnetico viene fissato ad un elemento di materiale ferromagnetico? Cosa succede se un oggetto non ferromagnetico viene a trovarsi tra il sensore ed il magnete? Come vengono impiegati nell industria i sensori magnetici?

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49 MECCATRONICA Modulo 6: sistemi meccatronici e funzioni Esercizi (concetto) Jerzy Jędrzejewski Wojciech Kwaśny Zbigniew Rodziewicz Andrzej Błażejewski Politecnico di Wroclaw, Polonia Matthias Römer Università Tecnica di Chemnitz, Germania Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no Minos, durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no. DE/08/LLP-LdV/TOI/ MINOS ++, durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto è finanziato con il sostegno della Commissione europea. L autore è il solo responsabile di questa pubblicazione (comunicazione) e la Commissione declina ogni responsabilità sull uso che potrà essere fatto delle informazioni in essa contenute.

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51 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 1 Sensori induttivi 1.1 Elementi costruttivi di base Esercizio 1 Qual è la parte attiva del sensore induttivo? Come un sensore induttivo misura la distanza tra l oggetto e la bobina? Che cos è Isteresi? Qual è la frequenza tipica dei sensori induttivi? Perché il sensore induttivo ha un isteresi? 3

52 Minos Sistemi meccatronici e funzioni Qual è il campo d azione dei sensori induttivi e qual è il supporto? Che cos è d azione nominale Sn? Su quale oggetto è impostato? Che cos è d azione reale Sr? Che cos è d azione operativo Sa? Da cosa dipende il campo d azione nominale? Perché viene utilizzato un coefficiente di correzione per i sensori induttivi? 4

53 Sistemi meccatronici e funzioni Minos Come dipende la sensibilità del sensore dalla sua modalità construttiva? Cosa si deve considera, quando un sensore coperto è montato nei pressi di un altro?... Que cos è la frequenza massima di commutazione del segnale di uscita? Quali frequenze massimali di commutazione ci si aspetta, quando un altro oggetto viene utilizzato come piastra? 5

54 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 1.2 Sensori speciali Esercizio 2 Qual è la modalità d azione dei sensori induttivi ad anello? La dimensione di un sensore ad anello è limitata dagli oggetti rilevati?.. Ci sono dei requisiti sulla traiettoria di volo?. Quali conseguenze negative possono avere i forti campi magnetici sui sensori induttivi?. Come si pussono proteggere i sensori, posizionati nelle vicinanze dell impianto di saldatura? 6

55 Sistemi meccatronici e funzioni Minos Quali sensori sono poco sensibili all influenza di campi magnetici esterni? Si forniscano esempi di sensori funzionanti in condizioni diffi cile? Quali caratteristiche dovrebbe avere sensori, che lavorano ad alte pressioni?. Come sensori induttivi NAMUR? Qual è la loro caratteristica tipica? Quali condizioni devono essere soddisfatte, per i sensori NAMUR che lavorano in una zona sottoposta al pericolo di esplosione? Qual è la differenza tra sensori standard e sensori induttivi analogici? Che cosa è un sensore induttivo analogico? 7

56 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 1.3 Alimentazione con corrente continua e Principi di collegamento tra sensori Esercizio 3 Quanto ampio devono essere variazioni di tensione dei sensori, alimentati con corrente continua? Quali confi gurazioni possono avere le uscite dei sensori con alimentazione continua? Qual è la differenza tra il NO e NC per l esecuzione dei sensori? Quale fattore determina il numero massimo di sensori collegati in serie? I sensori alimentati con corrente alternata possono essere collegati direttamente all alimentazione in CA? Prechè si raggruppamento i sensori? 8

57 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 1.4 Protezione dei sensori Esercizio 4 Caso assicurano le uscite dei sensori in corrente continua? Un corto circuito è pericoloso per i sensori alimentati con corrente continua? Quando un alloggiamento di sensore ha una messa a terra aggiuntiva? Quali precauzioni devono essere prese contro la presenza di dispersione di corrente nei circuiti elettrici di un sensore? 9

58 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 2 Sensori capacitivi 2.1 Funzionamento di un sensore capacitivo Esercizio 1 Quali oggetti possono riconescere sensori capacitivi? Com è fatto un sensore capacitivo? Qual è la parte attiva del sensore capacitivo? Quali sono gli oggetti per i quali il campo d azione del sensore capacitivo è più ampio: oggetti isolanti o oggetti conducenti? Quando il campo d azione del sensore capacitivo è più grande? 10

59 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 2.2 Tipologie di sensori capacitivi Esercizio 2 Quali forme hanno i sensori capacitivi? Quali tipi di sensori cilindrici ci sono? Come valutare la distanza reale di funzionamento di un sensore? De cosa dipende che la distanza per il rilevamento di materiali organici?... A che distanza gli uni dagli altri devono essere installati sensori capacitivi? 11

60 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 2.3 Compensazione dei disturbi Esercizio 3 Qual è l infl uenza dell inquinamento sul funzionamento di un sensore? Com è possibile limitare costruttivamente l infl uenza di inquinamento?

61 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 3 Sensori ad ultrasuono 3.1 Principio di funzionamento die sensori a ultrasuoni Esercizio 1 Quali sono i processi tipiche di sensori ad ultrasuoni? Quali fasi ha la misurazione ad ultrasuoni? I sensori ad ultrasuoni sono insensibili l influenza del rumore ambientale? Com è un sensore ad ultrasuoni? 13

62 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 3.2 Principio di funzionamento die sensori a ultrasuoni Esercizio 2 Quando vengono utilizzati i sensori ad ultrasuoni? Quali sono gli oggetti ccptati pricolarmente bene dai sensori ad ultrasuoni? Come funziona un sensore ad ultrasuoni con un convertitore piezoelettrico? Come si può cancellare lo sfondo dalla misura? È possibile impostare l ampiezza minima del sensore nei sensori ad ultrasuoni? Perché esiste la zona morta? 14

63 Sistemi meccatronici e funzioni Minos Quanti gradi può coprire l angolo del sono sonoro? Quale oggetto è utilizzato per determinare, la zona è efficace del sensore? Come funzionano i sensori d arraversamento? Che genere di onda sonora producono i sensori di attraversamento? Quando vengono usati i sensori di attraversimento? Quale sensore ha la maggiore frequenza di commutazione del segnale di uscita i sensori a attraversomento o i sensori di diffusione? 15

64 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 3.3 Fattori di disturbo Esercizio 3 Quali fattori possono interferire con la funzionalità del sensore?. Quale effetto l aumento della temperatura? Quali tipolgi di assemblaggio possono disturbare il lavoro dei sensori ad ultrasuoni? A quali condizioni infl uenzano i sensori ad ultrasuoni contro l altro? Come posso evitare questo? 16

65 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 3.4 Speciali sensori ad ultrasuoni Esercizio 4 Come funzionao i sensori retrorifl ettenti? Quando sono usati i sensori retrorifl ettenti? Come funzionano i sensori a due convertitori in un alloggiamento? Come si misura la distanza? 17

66 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 4 Sensori optoelettronici 4.1. Tipologie di sensori Esercizio 1 Come funzionano sensori fotoelettrici? Che propietà hanno i sensori fotoeletricci? Quali oggetti vengono captati? Come funzionano i sensori fotoelettrici retrorifl ettenti? Come funziona il sistema a tre di specchi (triple mirrors)? Da quale raggio di luce effettivo dipendono? 18

67 Sistemi meccatronici e funzioni Minos Come funzionano i sensori di luci? Che qualità proprietà hanno i sensori di luce? Qual viene stabilito il massimo raggio d azione? 4.2 Elaborazione del signale Esercizio 2 Cosa può interferire con il funzionamento sensori fotoelettrici?. Quali sensori sono particolarmente sensibili nei confronti dall interferenza ottica? Quelle sono i vantaggi del luce modulata? 19

68 Minos Sistemi meccatronici e funzioni. Che cos è la polarizzazione della luce? Che cosa sono i fi ltri di polarizzazione? La polarizzazione elimina la rifl essione? Perché usare la luce polarizzata in sensori opto-elettronici? Chè cos è il margine operativo? Quanto grande deve essere il margine operativo? 20

69 Sistemi meccatronici e funzioni Minos Che cos è il tempo di reazione (response time)? 4.3 Tipi speciali di sensori optoelettronici Esercizio 1 Qual è la differenza tra sensori retrorifl ettenti fotoelettrici con a zenza polarizzazione? Come è possible nascondere l effetto delle cose in primo piano e di sfondo? Quali sono tre modi in cui tali sensori rimuovono elettronicamente l infl uenza dello sfondo? Che cos è l autocollimazione? 21

70 Minos Sistemi meccatronici e funzioni Quali sono i vantaggi dell autocollimazione? Come sono realizzati cavi in fi bra ottica? Che cosa è la rifl essione totale nelle fi bre ottiche? Qual è la differenca tra cavi di vetro e cavi di plastica? Come funzionano sensori optoelettronici con cavi in fi bra ottica? 22

71 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 4.4. Tecniche di collegamento Esercizio 1 Quali moda di lavorare hanno i sensori ottico - elettronici? Come dipendono dalla grandezza e dalla forma della zona di scambio del segnale d uscita? 23

72 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 5 Sensori magnetici 5.1 Informazioni di base Esercizio 1 Quali materiale ferromagnetico sono forti e quali deboli? Che cos è l effetto Hall? Perché un campo magnetico varia la magnetoresistenza di un semiconduttore? Cosa succede se corrente attraversa un elettrodo di oro o alluminio? Che cos è l effetto Wiegand? 24

73 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 5.2 Tipi di sensori magnetici Esercizio 2 Quali sono i vantaggi dei sensori magnetici? Quali oggetti possono essere rilevati dai sensori magnetici? A quale tipo di elementi reagiscono i sensori magnetici? Può essere rilevato un oggetto che si trova in un tubo di plastica? Qual è il principio di un sensore che si basa sulla funzione di un contatto Reed? 25

74 Minos Sistemi meccatronici e funzioni In quale stato rimarranno i contatti di un contatto Reed, quando non è in un campo magnetico? Che cosa determina il raggio d azione massimo,smax, di un sensore di campo magnetico? Quali forme può avere l alloggiamento dei sensori magnetici con un contatto Reed? Che cosa si defi nisce la forma? Come funzionano i sensori a effetto Hall? 26

75 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 5.3 Sensori magnetoresistivi Esercizio 3 Come funzionao i sensori ad effetto Wiegand? Come vengono rintracciati magneti mobili di sensori Wiegand? Come vengono rintracciati i conduttore impulsivi dei sensori Wiegand? Di che tipo di alimentazione hanno bisogno i sensori Wiegand? Com è fatto il sensore magnetico più semplice? Qualli ogetti possone esseri rintraccati da un sensore magnetico? 27

76 Minos Sistemi meccatronici e funzioni Il sensori magnetico richiedere un alimentazione? Principi di montaggio e Applicazioni Esercizio 1 Quali requisiti occorre soddisfare se un sensore magnetico viene montato vicino ad un elemento ferromagnetico? Cosa succede se un oggetto non ferromagnetico si trova fra sensore e magnete? Quando sono utilizzati i sensori magnetici?

77 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 6 Funzioni dei sensori in sistemi meccatronici Esercizio 1 Che cosa in grado di rilevare i sensori nei sistemi meccatronici? Cosa parametri di utilizzo dei sistemi meccatronici moderni possono essere controllati da sensori?

78 Minos Sistemi meccatronici e funzioni Esercizio 2 Quale algoritmo utilizzano le funzione dei sistemi meccatroni? Perché i sensori sono utilizzati nei processi diagnostici? Che cosa può essere determinato con questi sensori? Che cosa significa la supervisione dei sistemi meccatronici? Come sono utilizzati i sensori nel servizio diagnostico?

79 MECCATRONICA Modulo 8: manutenzione remota, diagnosi Esercizi (concetto) Jerzy Jędrzejewski Politecnico di Wroclaw, Istituto di ingegneria di fabbricazione e di automazione, Polonia Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no Minos, durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no. DE/08/LLP-LdV/TOI/ MINOS ++, durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto è finanziato con il sostegno della Commissione europea. L autore è il solo responsabile di questa pubblicazione (comunicazione) e la Commissione declina ogni responsabilità sull uso che potrà essere fatto delle informazioni in essa contenute.

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81 Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Exercises Minos 1 Aims and tasks of remote diagnostics and servicing Problem 1 What are the reasons for taking diagnostic measures? What is the task of remote diagnostics? What is the task of a remote servicing system?.. What are the advantages of remote connection of sensors to communication networks? 3

82 Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Exercises Minos 2 Idea, components and operation of diagnostic system Problem 2 What are the input data for object diagnostics? What are the criteria for designing diagnostics? What do typical units for diagnosing mechatronic objects consist of? 4

83 Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Exercises Minos 3 Idea, components and operation of service diagnosing system Problem 3 What is the purpose of and what does service diagnostics consists in? Describe the course of degradation of an operating parameter of a machine and the classification of the latter s technical condition... What are the main trends in the development of service diagnostics?.. 5

84 6 Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Exercises Minos

85 MECCATRONICA Modulo 5: componenti meccatronici Soluzioni (concetto) Wojciech Kwaśny Andrzej Błażejewski Politecnico di Wroclaw, Istituto di ingegneria di fabbricazione e di automazione, Polonia Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no Minos, durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no. DE/08/LLP-LdV/TOI/ MINOS ++, durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto è finanziato con il sostegno della Commissione europea. L autore è il solo responsabile di questa pubblicazione (comunicazione) e la Commissione declina ogni responsabilità sull uso che potrà essere fatto delle informazioni in essa contenute.

86 Componenti meccatronici Minos

87 Minos Componenti meccatronici Indice: 1 Sensore ad induzione Nozioni di base Elementi costruttivi fondamentali Sensori speciali Alimentazione con corrente e principi di collegamento di sensori Mezzi protettivi e sicurezza di sensori 12 2 Sensori capacitivi Nozioni di base Principio fisico Funzionamento del sensore Tipi di sensori capacitivi Soppressione dei disturbi 17 3 Sensori ultrasonici Principio fisico Funzionamento dei sensori ultrasonici Disturbi durante il funzionamento dei sensori Sensori ultrasonici speciali 24 4 Sensori ottici Elementi fotoelettrici Principio fisico Emettitori e rilevatori ottici Tipi di sensori Elaborazione dei segnali Tipi speciali di sensori ottici Tecnica di collegamento 35 5 Sensori magnetici Nozioni di base Il campo magnetico Il contatto Reed Effetti magnetici usati in sensori Tipi di sensori magnetici Sensori magnetici speciali Principi di montaggio e applicazioni 44

88 Minos Componenti meccatronici 1 Sensore ad induzione 1.1 Nozioni di base Compito 1 Quale è la fonte del campo magnetico alternato in un sensore ad induzione? Una bobina d induzione è la fonte del campo magnetico alternativo in un sensore ad induzione. Quando la corrente attraverso la bobina cambia direzione il campo magnetico viene invertito. Come cambia l energia accumulata nel circuito risonante? L energia complessiva accumulata nel circuito risonante si compone dell energia del campo magnetico della bobina d induzione E L e l energia del campo elettrico del condensatore caricato E C. L energia complessiva è sempre costante: E = E L + E C = const. All inizio il circuito LC, che consiste della bobina L e del condensatore, è aperto e l energia totale è immagazzinata sugli elettrodi del condensatore caricato. Quando si chiude il circuito il condensatore inizia a scaricarsi e la corrente l inizia a circolare nel circuito. L ampiezza cambia da zero fino a l max. Tutta l energia del condensatore viene immagazzinata nella bobina. Come vengono generate le oscillazioni nel circuito LC? Anche se il condensatore è già scaricato la corrente continua a circolare nel circuito. La corrente la cui fonte è l autoinduzione nella bobina, carica il condensatore e così l energia viene ritrasmessa al condensatore. Quando la carica del condensatore è massima la corrente si azzera nel circuito. Lo stato finale è simile allo stato iniziale ma il condensatore è caricato con polarità inversa e la corrente circola nella direzione opposta. Nel circuito LC hanno quindi luogo le oscillazioni accoppiate del campo elettrico del condensatore e del campo magnetico della bobina. Come si possono mantenere costanti le oscillazioni del circuito oscillante? Le oscillazioni del circuito oscillante possono essere mantenute costanti quando viene alimentato da una fonte esterna con una tensione sinusoidale. In quali condizioni ha luogo la risonanza nel circuito oscillante? Quando la frequenza delle onde esterne è pari alla frequenza propria del circuito LC, l ampiezza delle oscillazioni è massima. In queste condizioni ha luogo la risonanza nel circuito oscillante. 4

89 Componenti meccatronici Minos 1.2 Elementi costruttivi fondamentali Quali condizioni vanno soddisfatte per generare oscillazioni nel circuito LC? Per generare oscillazioni si devono soddisfare due condizioni: la condizione sulla fase e la condizione sull ampiezza. La condizione sulla fase implica che la fase della tensione d entrata deve essere uguale alla fase della tensione d uscita. La condizione sull ampiezza implica che l amplificatore deve compensare completamente lo smorzamento del circuito oscillante. Compito 2 Com è costituita la parte attiva del sensore? La parte attiva del sensore induttivo contiene una bobina avvolta su un nucleo di ferrite che crea un campo magnetico alternativo. Il nucleo col circuito magnetico aperto rafforza il campo magnetico della bobina e lo indirizza nella zona d azione del sensore. Come avviene la misura della distanza fra l oggetto e la bobina in un sensore ad induzione? In base al grado di smorzamento dell ampiezza nel circuito oscillante, l elettronica del sensore determina la distanza fra l oggetto e la bobina e genera il segnale d uscita. Normalmente il segnale ha due stati: l oggetto si trova nel campo del sensore o no. In alcuni casi il segnale è anche analogico ed inversamente proporzionale alla distanza fra l oggetto e il sensore. Perché un sensore ad induzione dovrebbe avere un isteresi? Il circuito oscillante elettronico del sensore contiene anche un comparatore con isteresi e un sistema di output. Grazie all isteresi si evitano disturbi del segnale d uscita quando l oggetto di metallo è mobile oppure variano la temperatura e la tensione. Che cos è l isteresi? L isteresi è la differenza tra la distanza alla quale il sensore reagisce quando si avvicina l oggetto di metallo e la distanza alla quale il sensore reagisce quando l oggetto si allontana. In questo caso il segnale d origine cambia da OFF(spento) ad ON (acceso). Il valore dell isteresi dipende dal tipo e dalla grandezza del sensore ed è minore del 20 % del raggio di azione. Quanto vale la frequenza di lavoro di un sensore ad induzione? La frequenza tipica di generatori LC nei sensore ad induzione è alta (HF) ed è compresa tra 100 khz ed 1 MHz. Più grande è il 5

90 Minos Componenti meccatronici diametro della bobina maggiore è l assorbimento di corrente e più bassa è la frequenza massima. Quanto è ampio il raggio d azione di un sensore ad induzione e quali involucri si utilizzano? Il raggio d azione di un comune sensore ad induzione è compreso nei 60 mm. L involucro del sensore, di forma cilindrica o prismatica, è di metallo o plastica il che per un facile montaggio. Qual è il raggio d azione nominale del sensore? La distanza fra oggetto e sensore a cui cambia il segnale di output viene chiamata raggio d azione nominale S n. Questo valore viene indicato nei cataloghi. Con quale campione si valuta il raggio d azione nominale? Il raggio d azione nominale viene determinato in accordo alla norma EN mediante una piastra quadrata di acciaio (St37) di larghezza pari al diametro del sensore spessa 1 mm. Qual è il raggio d azione reale del sensore? Il raggio d azione reale S r viene calcolato durante il processo di produzione del sensore e può leggermente differire da S n. Per la tensione nominale alla temperatura nominale vale la condizione: 0.9 S n S r 1.1S n. Qual è il raggio d azione garantito del sensore? Nel raggio d azione S a 0.8 S n, che rappresenta la distanza di rilevamento garantita tra l oggetto e il sensore, questo può funzionare senza problemi, anche al variare di temperatura e tensione, quale che sia raggio d azione indicato a catalogo dal produttore. Da cosa dipende il raggio d azione nominale del sensore? Il raggio d azione nominale S n dipende dal diametro della bobina D e dalle caratteristiche del nucleo. Più piccolo è il sensore minore è il raggio d azione nominale. Ci sono anche tipi speciali di sensore con un raggio d azione nominale maggiorato. Perché si usa un coefficiente di correzione per i sensori ad induzione? I materiali che hanno una resistenza elettrica minore dell acciaio St37 quali oro, rame o alluminio, smorzano in misura minore le oscillazioni del circuito risonante. Queste differenze possono essere compensate limitando il raggio d azione nominale. Se 6

91 Componenti meccatronici Minos l oggetto da rilevare è di ottone, si deve moltiplicare la zona nominale S n indicata per l acciaio con un coefficiente pari a 0,5. In quale maniera la sensibilità del sensore dipende dalla sua forma costruttiva? Ci sono due forme costruttive di base per i sensori cilindrici: - schermata, la bobina del circuito risonante è in involucro metallico che ricopre l estremità del sensore - non schermata, la bobina si trova chiusa soltanto in un cappuccio di plastica. I sensori non schermati sono più sensibili agli oggetti di metallo. Quale condizione si deve rispettare quando diversi sensori schermati vengono installati vicini? Un sensore cilindrico schermato è sensibile soltanto agli oggetti di metallo che si trovano davanti al sensore. Perciò questi sensori possono essere istallati in elementi di metallo. La zona libera è 3xS n. La distanza minima fra sensori deve essere maggiore di 2xD per evitare interazioni. Quale condizione si deve rispettare quando diversi sensori non schermati vengono installati vicini? Un sensore cilindrico non schermato è sensibile agli oggetti metallici su tre lati. Perciò il sensore va portato parzialmente fuori dalla superficie di montaggio. Il raggio d azione riprende anche i lati del sensore. In questo caso la distanza minima fra i sensori deve essere maggiore 3xD per evitare l interferenza. Qual è la frequenza massima di commutazione del segnale di output? Nella descrizione tecnica di ogni sensore viene dichiarata la frequenza massima caratteristica di commutazione del segnale di output. Questa indica il numero di cambiamenti dell uscita in un secondo, allorché oggetti di acciaio St37 appaiono ciclicamente nel raggio d azione del sensore, in accordo alla norma EN /IEC Quale frequenza massima di commutazione ci si deve aspettare quando viene usato un oggetto diverso dalla piastra standard? Il risultato della misurazione dipende sempre dalla grandezza dell oggetto, dalla sua velocità e dalla distanza tra l oggetto e il sensore. Se viene usato un oggetto più piccolo della piastra standard o una distanza inferiore fra le piastre viene ridotta anche la frequenza massima del segnale di output. 7

92 Minos Componenti meccatronici 1.3 Sensori speciali Compito 3 Come funziona un sensore induttivo ad anello? Il funzionamento del sensore ad anello si basa su un oscillatore ad alta frequenza che genera un campo magnetico elettrico nella cavità del sensore. Viene usato un nucleo toroidale sinterizzato con un fattore di qualità maggiore di un comune nucleo di ferrite. La presenza di un oggetto di metallo causa una riduzione dell ampiezza delle oscillazioni. Il comparatore riconosce questi cambiamenti e quando viene superato il valore limite il segnale di output viene commutato. Quali limiti ci sono per la grandezza degli oggetti da individuare mediante un sensore induttivo ad anello? Il sensore si attiva quando il campo magnetico viene sufficientemente smorzato. Gli oggetti molto piccoli possono creare uno smorzamento troppo limitato. Perciò per ogni grandezza dei sensori c è una lunghezza o un diametro minimo dell oggetto. Ci sono delle prescrizioni per la traiettoria degli oggetti da rilevare con un sensore ad anello? Non è indispensabile per i sensore ad anello che gli oggetti da rilevare abbiano tutti la stessa traiettoria. Grazie al volume d azione dell anello si possono individuare oggetti indipendentemente dall orientamento, ad es. oggetti che cadono in un tubo. Quali conseguenze negative può avere l influsso di forti campi magnetici sui sensori ad induzione? Se un sensore ad induzione si trova nell area di saldatura, il segnale di output come conseguenza dell influsso dei campi esterni sul magnete può venire commutato in maniera incontrollata. Infatti viene indotta una tensione addizionale nella bobina che disturba il funzionamento dell oscillatore e che può creare una commutazione casuale del segnale di output. Come vengono protetti dai disturbi i sensori che lavorano in vicinanza di attrezzature per la saldatura? Durante il processo di saldatura viene prodotta una gran quantità di scintille che possono danneggiare l alloggiamento del sensore. Per questo motivo sensori che lavorano vicini a impianti di saldatura vengono prodotti in ottone protetto con uno strato di teflon. La superficie anteriore viene protetta con plastiche dure che non sono sensibili al calore in caso di impiego a temperature alte. 8

93 Componenti meccatronici Minos Quali sensori non sono sensibili all influsso di campi magnetici esterni? I sensori hanno un nucleo con una permeabilità magnetica piccola e richiedono una costruzione speciale del circuito elettrico per evitare errati segnali. I sensori senza nucleo sono maggiormente resistenti all influsso dei campi magnetici esterni. Dato che manca il nucleo la bobina è avvolta a una rullo di plastica. Faccia degli esempi di sensori che lavorano in condizioni difficili. I produttori di sensori offrono, fra l altro: sensori insensibili a temperature alte (fino a 200 C), sensori insensibili a prodotti chimici, sensori insensibili all olio, sensori insensibili all umidità, sensori miniaturizzati con testa di 3-5 mm. Quale caratteristiche devono avere i sensori che lavorano sotto un alta pressione? I sensori che lavorano sotto una pressione alta devono avere un alloggiamento stabile e chiuso per proteggere gli elementi elettronici interni. La superficie anteriore del sensore è protetta con un disco di ceramica resistente all usura. Dato che tale costruzione richiede uno spostamento delle bobine il raggio d azione del sensore è più piccolo. L oscillatore va quindi modificato. Come si riconosce la direzione di un movimento lineare con un bistabile sensore ad anello? Il sensore contiene due bobine che si trovano accanto e che hanno un alimentazione di corrente separata. Perciò l ampiezza in ogni bobina può essere diversa. Se l oggetto viene dalla parte di sinistra prima viene smorzato il circuito elettrico della prima bobina e poi quello della seconda bobina. Se l oggetto viene dalla parte destra i due circuiti elettrici vengono smorzati all incontrario. L attrezzo di misurazione riconosce la direzione del movimento sulla base delle amplitudini nelle bobine. Come funzionano i sensori ad induzione NAMUR? I sensori ad induzione NAMUR prevedono due conduttori e funzionano con un amplificatore esterno. La loro resistenza cambia quando viene rilevato un oggetto di metallo. Una bassa resistenza significa nessun oggetto di metallo nel raggio d azione, una elevata resistenza significa presenza di un oggetto di metallo. Consistono di un oscillatore smorzato a bobina e un demodulatore. Quando cambia la distanza fra l oggetto ed il sensore cambia anche la corrente assorbita e mediante l amplificatore questa variazione viene trasformata in un segnale bistabile. 9

94 Minos Componenti meccatronici Qual è la caratteristica tipica dei sensori NAMUR? Una specifica caratteristica dei sensori NAMUR è che l intervallo di corrente d uscita è molto precisamente definito (secondo la norma EN ), e va da 1,2 fino a 2,1 ma. I sensori NAMUR con alimentazione in corrente continua hanno tutti la stessa caratteristica della corrente e la stessa isteresi di commutazione che è pari a 0,2 ma. Quali condizioni devono essere rispettate se i sensori NAMUR sono impiegati in una zona soggetta al pericolo di esplosione? Se i sensori NAMUR sono impiegati in una aree di questi tipo l amplificatore non deve generare scintille o deve trovarsi al di fuori della zona soggetta al pericolo di esplosione. Qual è la differenza fra sensori standard e sensori analogici ad induzione? I sensori standard rilevano soltanto se c è o no un oggetto di metallo nel loro raggio d azione. I sensori analogici ad induzione registrano la posizione dell oggetto in tutto il raggio d azione del sensore. Se l oggetto si muove da una distanza dal sensore che va da 0 fino ad S n, il segnale di output varia concordemente nell intervallo da 0 fino a 20 ma. Di quali elementi consiste un sensore analogico induttivo? Un sensore induttivo analogico consiste di una testa con una bobina, un generatore, un sistema di linearizazzione ed un sistema di output. 10

95 Componenti meccatronici Minos 1.4 Alimentazione elettrica e principi di collegamento dei sensori Compito 4 Di quale entità possono essere le variazioni della tensione per i sensori con alimentazione in corrente continua? I sensori con alimentazione in corrente continua spesso lavorano insieme con una parte della rete i cui la tensione di output varia. Se queste variazioni d ampiezza sono troppo grandi non si può prevedere il comportamento del sensore. Se le variazioni sono minori del 10% del valore medio della tensione il sensore funzione correttamente. Come si possono evitare picchi istantanei di tensione? I picchi di tensione dovrebbero provocare eccessi di tensione U ss che non debbono superare 10 % del valore medio della tensione. Prevedere che una parte della rete sia stabilizzata o inserire un condensatore di maggiore capacità sono le due misure primarie da adottare per evitare effetti negativi di questo tipo. Quali configurazioni possono avere le uscite dei sensori che vengono alimentati in corrente continua? Le uscite di sensori con alimentazione in corrente continua possono avere una configurazione NPN o PNP. Nel caso della configurazione NPN la resistenza RL viene inserita fra l uscita del sensore e il polo positivo dell alimentazione con la corrente U. Nel caso della configurazione PNP la resistenza viene inserita fra l uscita del sensore e il polo negativo dell alimentazione con la corrente. I sensori con alimentazione in corrente alternata possono essere collegati direttamente con la rete a corrente alternata? I sensori con alimentazione di corrente alternata non possono essere collegati direttamente con la rete a corrente alternata perché un tale collegamento potrebbe causare un irreparabile danneggiamento dei circuiti interni del sensore. I sensori con a- limentazione in corrente alternata vengono collegati in serie con una resistenza RL. Ci può essere una corrente nel circuito di sensore con alimentazione in corrente alternata quando il sensore è spento? Si, dato che questi sensori vengono collegati in serie con una resistenza c è ancora corrente nel circuito anche quando il sensore è spento. Questo produce una caduta di tensione nella rete. 11

96 Minos Componenti meccatronici Perché si collegano più sensori in gruppi? Quando più sensori vengono collegati in serie o parallelo, possono essere realizzate diverse funzioni con elementi utilizzatori. Si possono implementare le funzioni logiche AND, OR o NOR. Quali funzioni logiche si possono implementare con sensori collegati in serie? Con i sensori collegati in serie sono possibili le funzioni AND e NOR. La funzione logica AND garantisce che il segnale di output di un gruppo di sensori sia attivo soloquando lo stato di output di tutti i sensori è ON. La funzione logica NOR garantisce che la resistenza R L non ha nessuna alimentazione in corrente quando il segnale di output di tutti i sensori è OFF. Da cosa dipende il numero massimo di sensori che si possono collegare in serie? Il numero massimo di sensori collegati in serie dipende dalla tensione della rete, delle cadute di tensione alle uscite dei sensori e dall utilizzatore collegato. La tensione della rete meno le cadute di tensione sulle uscite dei sensori deve essere maggiore della tensione di lavoro minima per l utilizzatore collegato. Quali funzioni logiche si possono implementare con sensori collegati in parallelo? I sensori collegati paralleli rendono possibile la funzione logica OR che garantisce che c è il segnale di output da un gruppo di sensori quando il segnale di output di almeno un sensore è ON. Da cosa dipende il numero massimo dei sensori che si possono collegare in parallelo? Il numero di sensori a tre conduttori con alimentazione in corrente continua che si possono collegare in parallelo non è a rigore limitato. In pratica, si possono collegare alcune decine di sensori in parallelo, indipendente dalla loro funzione di output. Si possono collegare in parallelo sensori a due conduttori? Se i sensori con due conduttori vengono collegati in parallelo le correnti che circolano nel circuito si sommano anche quando i sensori sono spenti (a causa del collegamento comune con l utilizzatore). Questo effetto può disturbare il corretto funzionamento. Perciò i sensori con due conduttori non dovrebbero essere collegati in parallelo. Il numero massimo dei sensori che si possono collegare dipende dalla somma di questi correnti ed il carico. 12

97 Componenti meccatronici Minos 1.5 Dispositivi di protezione e sicurezza dei sensori Compito 5 Da cosa vanno protette le uscite dei sensori con alimentazione in corrente continua? I dispositivi di protezione elettrica proteggono i circuiti interni del sensore: - da un collegamento alla rete con polarità invertite, - da un cortocircuito sull uscita, - da brevi picchi di tensione della rete, - dal superamento dell ampiezza ammessa. Un cortocircuito può essere dannoso per sensori alimentati in corrente continua? Un cortocircuito non danneggia irreparabilmente i sensori con a- limentazione in corrente continua, anche se i cortocircuiti si verificano ripetutamente e per un arco di tempo lungo. Dopo questi episodi soltanto i LED del sensore non funzionano più. Il sensore invece dopo il cortocircuito riprende a funzionare normalmente. Quando l involucro di un sensore deve avere un collegamento a terra? Se la tensione di una parte della rete rappresenta un pericolo per la salute umana, i sensori con contenitori di metallo devono avere un collegamento a terra aggiuntivo. Come si può evitare la corrente che circola nel circuito quando il sensore è spento? Se un sensore è collegato in serie con l utilizzatore circola ancora una corrente nel circuito anche quando il sensore è spento. Questo può danneggiare il sensore o dare luogo ad un segnale di output costantemente OFF. Una resistenza addizionale collegata in parallelo R p viene inserita per evitare questo effetto. 13

98 Minos Componenti meccatronici 2 Sensori capacitivi 2.1 Nozioni di base Compito 1 Quali oggetti possono rilevare i sensori capacitivi? Possono rilevare sia oggetti di metallo sia oggetti non metallici (ad es. di plastica) che non conducono la corrente elettrica. Un sensore capacitivo può rilevare un oggetto che si trova dietro una superficie di materiale non conduttore. Perciò viene usato per rilevare un fluido o un granulato in un serbatoio. I sensori capacitivi inviano in uscita un segnale proporzionale alla distanza fra l oggetto rilevato e il sensore. Quali materiali tra questi vengono rilevati dai sensori capacitivi? 1. Acciaio 2. Rame 3. Gomma 4. Ebanite 5. Acqua 6. Ferro 7. Idrogeno Tutti fuorché l idrogeno perché è un gas. Come è costituito un sensore capacitivo? Un sensore capacitivo contiene una testa con elettrodi, un potenziometro, un oscillatore, un raddrizzatore ed un sistema di output. Qual è l elemento attivo del sensore capacitivo? L elemento attivo del sensore capacitivo sono i due elettrodi di metallo che formano un condensatore aperto. Se un oggetto si avvicina al sensore la sua capacità cambia. Il segnale di output dipende dalla capacità complessiva che è la somma della capacità iniziale del sensore e della variazione di capacità. Questa variazione di capacità viene indotta dall oggetto rilevato. Quanto è grande il raggio d azione del sensore capacitivo? Il raggio d azione di un comune sensore capacitivo è di 30 mm (arriva a 60 mm per sensori speciali). 14

99 Componenti meccatronici Minos 2.2 Principio fisico Compito 2 La capacità di un condensatore è proporzionale alla distanza fra gli elettrodi? La capacità del condensatore è inversamente proporzionale alla distanza fra gli elettrodi. È proporzionale alla superficie degli e- lettrodi e alla costante dielettrica del materiale fra gli elettrodi. Come si può ottenere un condensatore aperto? Nella sua forma di base un condensatore consiste di due elettrodi che si trovano una di fronte all altro. Se gli elettrodi si trovano sullo stesso piano si ottiene un condensatore aperto. Qual è la funzione dell elettrodo intermedio? Se un elettrodo sottile C, il cui spessore sia prossimo a zero, viene inserito fra gli elettrodi A e B, si ottengono due condensatori collegati in serie. Nel condensatore aperto l elettrodo intermedio divide il campo elettrico in due campi indirizzati in versi opposti. Qual è la differenza quando nel campo elettrostatico del condensatore aperto entra un oggetto di metallo e uno non conduttore? Un oggetto di metallo che appare nel campo elettrostatico del condensatore aperto diventa l elettrodo intermedio C. La capacità di tale sistema è maggiore della capacità del condensatore senza l elettrodo intermedio. Gli oggetti non conduttori (isolanti) che entrano nel campo elettrostatico del condensatore aperto ne aumentano la capacità in misura proporzionale alla costante dielettrica dell isolante. La capacità del sensore viene aumentata perché le costanti dielettriche di fluidi o corpi solidi sono sempre maggiori della costante dielettrica dell aria (ε aria = 1). 15

100 Minos Componenti meccatronici 2.3 Funzionamento del sensore capacitivo Compito 3 Per quali oggetti (di materiale conduttore o non) il raggio d azione del sensore capacitivo è più grande? Gli oggetti di materiali non conduttori (di plastica, carta o vetro) aumentano la capacità propria del sensore perché le loro constanti dielettriche sono maggiori della costante dielettrica dell aria. L aumento di capacità dipende dalla costante dielettrica dell oggetto, ma è in genere contenuta. Perciò anche il raggio d azione del sensore è piccolo. Gli oggetti non conduttori senza collegamento a terra formano due condensatori in più (fra l oggetto e l elettrodo interno e fra l oggetto e l elettrodo esterno) collegati in serie. Il raggio d azione del sensore risulta quindi maggiore. Quando il raggio d azione del sensore capacitivo è massimo? Quando l oggetto da rilevare è un conduttore con collegamento a terra la capacità propria del sensore si collega in parallelo con la capacità aggiuntiva (tra l oggetto e gli elettrodi). Il raggio d azione del sensore è quindi massimo. Qual è il ruolo del potenziometro nel sensore capacitivo? Fra l oscillatore e gli elettrodi si trova un potenziometro con il quale può essere impostato il limite d inserzione dell oscillatore. Con quale oggetto standard viene misurato il raggio d azione nominale del sensore capacitivo? Il raggio d azione nominale S n del sensore capacitivo viene misurato per una piastra quadrata di acciaio FE360 con collegamento a terra. La sua larghezza deve essere uguale al diametro del sensore o tre volte S n (se maggiore) e il suo spessore dovrebbe essere 1mm. Quanto è grande il raggio d azione affidabile? Sa raggio d azione affidabile 0 <= S a <= 0.71 S n. Da cosa dipende la struttura capacitiva del sensore? La struttura capacitiva del sensore dipende dal tipo di oggetto da rilevare e dal suo collegamento a terra. 16

101 Componenti meccatronici Minos 2.4 Tipi di sensori capacitivi Compito 4 Quale forma hanno i sensori capacitivi? I sensori capacitivi normalmente hanno una forma cilindrica o prismatica. La loro parte attiva si trova all estremità del sensore. Esistono anche tipi speciali, come sensori flessibili che possono essere incollati su superfici piane o curve. Quali tipi di sensori cilindrici esistono? Ci sono due tipi di sensori cilindrici. I sensori del primo tipo hanno soltanto un involucro all estremità ed una zona d azione frontale. La loro testa va istallata sulla superficie di montaggio di metallo o plastica. I sensori del secondo tipo hanno un involucro più piccolo e una zona d azione che si sviluppa intorno al sensore. Questi sensori vengono usati quando sono in contatto col mezzo da rilevare (fluido o granulato). Hanno un raggio d azione del 50% più grande dei primi perché il loro campo elettrico è maggiore. Da che cosa dipende la distanza tra un oggetto di materiale organico ed il sensore a cui cambia il segnale di output? La distanza fra un oggetto di materiale organico (ad es. legno) ed il sensore a cui cambia il segnale di output dipende fortemente dal contenuto d acqua dell oggetto, perché la costante dielettrica dell acqua è molto elevata (εacqua = 80). Come si può calcolare il raggio d azione reale di un sensore capacitivo? Il raggio d azione nominale S n viene indicato nri cataloghi e dimensionato per un oggetto di metallo prescritto dalla norma. Questo, per calcolare il raggio d azione reale, va moltiplicato per il coefficiente di correzione del materiale dell oggetto da rilevare. 17

102 Minos Componenti meccatronici 2.5 Soppressione dei disturbi Compito 5 Come reagisce un sensore capacitivo all insudiciamento? Il sensore può reagire in maniera errata quando sporco o umidità si formano sulle superfici attive del sensore. L insudiciamento aumenta la capacità fra l elettrodo del sensore e lo schermo. Con quale accorgimento costruttiva si può ridurre l influsso dell insudiciamento? Un elettrodo addizionale di compensazione, collegato con l uscita del sensore viene impiegato per ottenere un raggio d azione costante. L insudiciamento aumenta la capacità fra l elettrodo del sensore e lo schermo. La capacità fra elettrodo del sensore e l elettrodo di compensazione crea allo stesso momento un effetto di compensazione. Se però un oggetto sottile (ad es. un foglio di carta) entra in contatto con il sensore il segnale degli elettrodi principali può essere neutralizzato dal disturbo e il segnale di output non viene commutato. 18

103 Componenti meccatronici Minos 3 Sensori ultrasonici 3.1 Principio fisico Compito 1 Come si propaga un onda acustica nell aria? Le onde acustiche si possono propagare in mezzi diversi (gas, fluidi e corpi solidi) grazie all influsso reciproco delle molecole. Un'onda acustica procede longitudinalmente nell aria e si propaga quando le molecole che vibrano toccano le molecole vicine e le inducono ad oscillare. Perciò l onda acustica si propaga senza uno spostamento delle molecole che la trasmettono. Cos è la lunghezza dell onda acustica? La lunghezza dell onda acustica λ é la distanza che viene superata dall onda nell unità di tempo. La frequenza dell oscillazione f è il numero dei periodi dell oscillazione in un secondo. La sua u- nità di misura e l Hertz [Hz]. Come si può misurare la distanza fra un oggetto ed il sensore? Se si consce la velocità del suono nell aria e l arco di tempo fra l invio e la ricezione dell eco riflesso si può misurare la distanza fra l oggetto ed il sensore come segue: S = V t/2 V velocità del suono nell aria (343 m/s a 20 C) t arco di tempo tra l invio e la ricezione dell onda ultrasonica [s] S distanza tra l oggetto ed il sensore [m] Che cos è l effetto piezoelettrico? L effetto piezoelettrico consiste nel fatto che nascono delle cariche elettriche in seguito ad una tensione meccanica. Alcuni cristalli (solfato di litio, quarzo) hanno caratteristiche piezoelettriche perché il loro reticolo cristallino ha una struttura elicoidale. Questo effetto è reversibile, cioè un materiale piezoelettrico può essere deformato applicando una tensione elettrica. Cosa succede alle caratteristiche piezoelettriche alle temperature alte? Le caratteristiche piezoelettriche svaniscono con temperature alte. La temperatura massima di lavoro di un trasduttore al quarzo dovrebbe essere inferiore ai 200 C e quella di un trasduttore ceramico minore di 100 C. 19

104 Minos Componenti meccatronici Come viene generata un onda ultrasonica? Le vibrazioni generate dalle oscillazioni di tensione nel trasduttore vengono trasmesse alle molecole di un materiale o mezzo (ad es. l aria) e viene creata un onda ultrasonica. Viceversa, quando le oscillazioni delle molecole di un mezzo vengono trasmesse al trasduttore, le proprietà piezoelettriche del materiale fanno sì che sulle superfici del trasduttore nascano delle cariche elettriche. Perciò un trasduttore piezoelettrico può essere usato come sia emettitore sia come rilevatore delle onde soniche. A quale frequenza funzionano i sensori ultrasonici? La frequenza acustica dei sensori ultrasonici normalmente si trova nell intervallo Hz. In quale zona è più grande l energia acustica? La zona di propagazione di un onda ultrasonica è notevolmente diffusa. L energia del suono maggiore si trova vicino all asse del sensore. Soltanto il cono del suono con un angolo di apertura va utilizzato per la misurazione. Come si può calcolare il diametro del cono del suono? Quando si conosce la distanza X fra l oggetto ed il sensore il diametro D del cono del suono in vicinanza dell oggetto può essere misurato come segue: D = 2٠X٠tan ( /2) X Distanza fra oggetto e sensore α - angolo del cono sonico Da cosa dipendono l angolo e la forma del raggio acustico? L angolo del cono sonico può essere adattato all impiego e va da alcuni fino ad alcune decine di gradi. Sia l angolo sia la forma del raggio sonico dipendono dalla grandezza, dalla forma e dalla frequenza della superficie vibrante del trasduttore. 20

105 Componenti meccatronici Minos 3.2 Funzionamento dei sensori ultrasonici Compito 2 Quali modi di funzionamento esistono per i sensori ultrasonici? Ci sono due modalità di funzionamento per i comuni sensori ultrasonici: la modalità a diffusione e la modalità a sbarramento. La modalità a diffusione è usata più spesso. Il sensore riceve l onda sonica riflessa dall oggetto come un eco. Secondo il tipo di output adottato la distanza, fissata sulla base della misurazione del tempo, viene trasformata in un segnale analogico di corrente o di tensione, o in un segnale binario di output (ON/OFF). Se l oggetto si trova fuori del raggio d azione del sensore il sistema di output torna nello stato precedente. Quale fasi ha la misurazione dell eco ultrasonico? La misurazione dell eco ultrasonico consiste di due fasi: - invio dell onda sonica dal trasduttore in direzione dell oggetto, - ritorno dell onda (eco) dall oggetto rilevato in direzione del trasduttore Quando vengono impiegati i sensori ultrasonici? I sensori ultrasonici vengono impiegati sia per rilevare oggetti indipendentemente dal loro materiale o dal loro colore, sia per controllare il livello di un fluido trasparente o no. Vengono usati in ambienti polverosi dove i sensori ottici non possono essere impiegati. I sensori ultrasonici non sono sensibili all influsso del suono nell ambiente? Il trasduttore ultrasonico genera un onda sonica la cui frequenza è molto più alta di 20 khz, per questo l onda non è udibile. Grazie all alta frequenza di funzionamento del trasduttore i sensori ultrasonici non sono sensibili all influsso del rumore ambientale. Di quali parti costruttive consiste un sensore ultrasonico? Un sensore ultrasonico contiene un generatore di alta tensione, un trasduttore piezoelettrico nella testa del sensore, un sistema per l elaborazione del segnale ed un sistema di output. 21

106 Minos Componenti meccatronici Quali oggetti vengono rilevati particolarmente bene dai sensori ultrasonici? Maggiore è lo spessore dell oggetto rilevato migliore è la sensibilità del sensore perché viene riflessa buona parte dell onda sonica. Perciò specialmente gli oggetti con un alto coefficiente di riflessione del suono (corpi solidi, fluidi e granulati) vengono rilevati mediante sensori ultrasonici. Come funziona un sensore ultrasonico con trasduttore piezoelettrico? Il trasduttore crea impulsi di suono ciclici. La loro frequenza è di alcune decine di Hz. L arco di tempo fra l invio e la ricezione dell eco riflesso è proporzionale alla distanza effettiva tra l oggetto ed il sensore. Se un unico trasduttore genera e riceve le onde soniche, la durata dell impulso T i deve essere molto più breve del tempo di ritorno dell eco T e. Il sensore attende l eco fino al successivo invio dell impulso. Se si misura il tempo T e la distanza tra oggetto ed il sensore può essere determinata. La comparsa dell eco nei sensori di rilevazione significa che c è un oggetto nel raggio d azione del sensore. Il segnale di output viene quindi commutato. Come può essere eliminato l eco di fondo? Il raggio d azione massimo del sensore può essere limitato da un potenziometro adatto e gli oggetti oltre questa distanza limite non vengono rilevati. Questa funzione viene chiamata cancellazione dello sfondo. Si può regolare il raggio d azione minimo del sensore nei sensori ultrasonici? Il raggio d azione minimo può essere regolato soltanto in qualche tipo di sensore. Per questi la zona bloccata (nella quale gli oggetti non vengono rilevati) e la zona attiva (nella quale gli oggetti vengono rilevati) possono essere determinate con precisione. Perché esiste la zona morta? La zona morta esiste perché un solo trasduttore ha ambedue le funzioni (generare e ricevere l onda sonica). Il trasduttore può ricevere un eco soltanto quando l impulso di suono è già stato inviato. L ampiezza della zona morta dipende dal raggio d azione e dalla grandezza del sensore. Minore è il raggio d azione più piccola è la zona morta. 22

107 Componenti meccatronici Minos Quanti gradi può avere l angolo del cono sonico? A secondo del loro uso vengono prodotti sensori con un angolo del cono sonico che va da tre fino ad alcune decine di gradi. Il cono sonico deve includere soltanto la parte desiderata della superficie da rilevare. Le altre zone vanno ignorate. Quale oggetto standard viene usato per misurare il raggio d azione dei sensori ultrasonici? Una piastra quadrata di metallo dello spessore di 1 mm che riflette le onde ultrasoniche viene usata per misurare il raggio d azione S n del sensore. La piastra va fissata perpendicolarmente all asse dell onda sonica. La sua grandezza dipende dal raggio d azione del sensore: - larghezza della piastra = 10mm per un raggio d azione del sensore < 300 mm - larghezza della piastra = 10 mm per un raggio d azione del sensore > 800 mm Altri oggetti non garantiscono che si raggiunga il raggio d azione S n indicato nei cataloghi a seguito di questa misurazione. Come funzionano sensori a sbarramento? Il trasduttore ultrasonico nei sensori a sbarramento genera un onda sonica in direzione del ricevitore si trova in un alloggiamento separato. Il segnale di output viene commutato quando un oggetto interrompe l onda sonica. Che tipo di onda acustica viene creata da sensori a sbarramento? A differenza dei sensori a diffusione ed a riflessione il trasduttore crea un onda acustica continua nei sensori a sbarramento. Non esiste quindi una zona morta. Quando vengono usati sensori a sbarramento? I sensori a sbarramento vengono usati sopratutto per rilevare oggetti porosi che diffondo le onde acustiche o che le assorbono, o oggetti con una forma complicata che non possono essere facilmente rilevati dai sensori a diffusione. Quali fra i sensori a sbarramento e quelli a diffusione hanno la maggiore frequenza di commutazione del segnale di output? La frequenza di commutazione del segnale di output nei sensori a sbarramento è più grande rispetto a quella dei sensori a diffusione è può raggiungere i 200 Hz. 23

108 Minos Componenti meccatronici 3.3 Disturbi durante il funzionamento dei sensori 3.4 Sensori ultrasonici speciali Compito 3 Quali fattori fisici possono disturbare il funzionamento dei sensori ultrasonici? I seguenti fattori possono disturbare il funzionamento del sensore: aumento di temperatura nel raggio d azione del sensore, cambiamenti della pressione d aria, correnti d aria e l assorbimento delle onde acustiche da parte di insonorizzatori. A che cosa porta un aumento di temperatura nei sensori ultrasonici? Gli aumenti di temperatura nel raggio d azione del sensore possono cambiare la velocità del suono e la durata dell impulso e ridurre l affidabilità della misurazione. Un aumento di temperatura e di umidità fa sì che la distanza rilevata fra l oggetto ed il sensore sia più piccola che nella realtà. Le superfici calde di un oggetto riflettono le onde acustiche peggio che gli oggetti freddi. Quando la temperatura aumenta di 20 K, il raggio d azione del sensore aumenta di una percentuale compresa tra il 3,5 e l 8%. Quali fattori di montaggio possono disturbare il lavoro dei sensori ultrasonici?. I sensori ultrasonici rilevano molto bene gli oggetti rigidi e piani che si trovano perpendicolarmente all asse del sensore. Tutte le deviazioni da questa condizione causano disturbi al funzionamento del sensore. Quando si verifica l interferenza dei sensori ultrasonici? Quando diversi sensori ultrasonici vengono istallati accanto l onda creata da un sensore può raggiungere un altro sensore e commutare il suo segnale di output. Come si può evitare l interferenza dei sensori ultrasonici? Quando più sensori vengono sincronizzati con un giusto collegamento delle loro uscite possono essere istallati accanto senza interazione. I sensori sincronizzati mandano i segnali nello stesso momento e funzionano come un sensore con un cono sonico maggiorato che rileva lo stesso oggetto. 24

109 Componenti meccatronici Minos 3.5 Sensori ultrasonici speciali Compito 4 Come funzionano i sensori a riflessione? I sensori a riflessione (o retroriflettenti) misurano la differenza fra il tempo di ritorno dell onda acustica riflessa dall oggetto e il tempo di ritorno dell onda riflessa dal riflettore. Una qualsiasi superficie piana e rigida può essere impiegata come riflettore. Se l onda acustica riflessa dall oggetto ritorna prima dell onda riflessa dal riflettore il segnale di output viene commutato. Quando vengono usati i sensori a riflessione? I sensori a riflessione reagiscono anche ad interruzioni delle onde acustiche da parte di oggetti che assorbono le onde acustiche o che le diffondono. Il segnale di output viene quindi commutato. Questi sensori vengono usati quando l oggetto da rilevare è fatto di un materiale isolante del suono (cotone, gomma, ecc.) e se l angolo fra la superficie frontale dell oggetto e l asse del sensore non è di 90. Come funzionano i sensori con due trasduttori in un unico alloggiamento? I sensori con due trasduttori in un solo involucro possono lavorare sia come sensori a diffusione sia a riflessione con un riflettore. Il primo trasduttore è il trasmettitore e il secondo è il rilevatore dell onda sonica. Un sensore di questo tipo riprende anche oggetti piccoli vicini visto che il rivelatore può lavorare allo stesso tempo del trasmettitore. I due convertitori vanno però sincronizzati. Come viene misurata la distanza mediante i sensore ultrasonici? La maggior parte dei sensori ultrasonici ha uscite binarie ed analogiche. Quando si vuole misurare una distanza viene usata l uscita di tensione o di corrente. La tensione o l ampiezza è proporzionale alla distanza misurata. 25

110 Minos Componenti meccatronici 4 Sensori ottici 4.1 Componenti fotoelettrici Principio fisico Compito 1 Quali parti della radiazione elettromagnetica vengono usati nei sensori ottici? Nei sensori ottici più spesso viene impiegata la luce rossa visibile o la luce infrarossa. La luce visibile è la parte della radiazione elettromagnetica che viene percepita dall occhio umano. La sua lunghezza d onda va da 380 fino a 770 nm. La lunghezza d onda della luce infrarossa è più lunga di quella della luce visibile. Che cosa è la rifrazione? La rifrazione è il fenomeno per il quale la luce può essere rifratta o riflessa al confine fra due diversi mezzi. Che tipi di riflessione ci sono? La riflessione della luce dipende tanto dalle caratteristiche di riflessione (ruvidità, colore, brillantezza) di una superficie. Ci sono: 1. la riflessione indirizzata - l angolo di incidenza è uguale al angolo di riflessione (p.es. se si tratta di un metallo lucido come uno specchio o di uno specchio) 2. retroriflessione una parte della luce ha una riflessione indirizzata e una parte della luce viene diffusa (p.es. da una superficie dipinta) 3. riflessione diffusa la luce viene riflessa in tutte le direzioni (p.es. da una superficie ruvida) 26

111 Componenti meccatronici Minos Emettitori e rilevatori ottici Compito 2 Quali fotoemettitori vengono usati nei sensori ottici? I fotoemettitori si possono classificare in: - LED (Light Emitting Diode) che emettono una luce visibile con la lunghezza d onda più breve che 780 nm - LED che emettono la radiazione infrarossa (λ> 780nm) - laser a semiconduttore LD, che emettono luce visibile o radiazione infrarossa Su che cosa si basa il funzionamento del diodo LED? Il funzionamento del diodo LED si basa sulla luminescenza elettrica, il fenomeno per cui un materiale emette una radiazione e- lettromagnetica quando viene attraversato da corrente elettrica. Da che cosa dipende l intensità del diodo LED? L intensità luminosa del LED dipende dall ampiezza della corrente. Il rapporto fra intensità e ampiezza è grosso modo lineare. Da che cosa dipende il colore della luce creata nel diodo LED? Il colore della luce creata dipende dalla lunghezza d onda predominante e dalla composizione del materiale del semiconduttore. Comunemente viene prodotta luce rossa, blu o bianca. Quali sono i vantaggi e gli svantaggi dell uso della luce visibile e della radiazione infrarossa nei sensori? La luce visibile facilita la regolazione del sensore. I sensori che emettono impulsi infrarossi assorbono una potenza piccola, hanno una buona precisione e un grande raggio d azione. Perché si trova una lente nell involucro del LED? All estremità del contenitore di un LED si trova una lente convergente fatta di plastica che forma il raggio di luce e che garantisce una caratteristica ottima dell angolo della radiazione. 27

112 Minos Componenti meccatronici Quale è la differenza fra i LED e diodi laser? Fino a un certo valore dell ampiezza fornita il diodo laser funziona come un LED tipico. Se questo valore viene superato ha luogo una emissione stimolata di fotoni che assicura caratteristiche speciali della luce, una alta intensità luminosa, coerenza e un ambito spettrale limitato. Quali sono i vantaggi dei diodi laser? I sensori con un emettitore laser vengono usati quando un oggetto va rilevato o posizionato. Visto che la luce laser è un raggio di luce quasi parallelo l emettitore può essere regolato con più facilità quando l oggetto si trova lontano. Quale ruolo hanno i fotorilevatori nei sensori ottici? I fotorilevatori prodotti di semiconduttori (al più spesso fotodiodi o fototransistori) trasformano l energia della luce ricevuta da un emettitore in energia elettrica. Cosa sono il tempo di salita e il tempo di discesa? Il tempo di salita è l arco di tempo in cui l ampiezza della corrente fotoelettrica cambia da 0,1 fino a 0,9 del valore massimo. Il tempo di discesa è l arco di tempo in cui l ampiezza della corrente fotoelettrica cambia da 0,9 fino a 0,1 del valore massimo. Qual è la differenza fra un comune foto diodo e un diodo PIN? L assorbitore di un fotodiodo è più sottile della profondità che raggiungono i fotoni. Perciò il coefficiente di efficienza del diodo è piccolo e la corrente fotoelettrica generata è limitata. In un diodo-pin l ampiezza è più alta perché il volume in cui agisce il campo elettrico è maggiore. Il tempo di salita dell impulso in un diodo PIN è più breve e il suo coefficiente di efficienza è più alto che quello del comune fotodiodo. Come si può calcolare la posizione della sorgente luminosa con un PSD? Un sensore PSD (Position Sensitive Detector) in sostanza è un diodo PIN con una grande superficie sensibile alla luce. A causa del fenomeno fotoelettrico interno le cariche elettriche appaiono su tutte e due lati del elemento e fanno sì che circolino le correnti I A e I B. Quando l elemento viene illuminato in maniera asimmetrica queste correnti sono diverse. Sulla base del rapporto delle correnti che attraversano il PSD si può valutare la posizione dell intensità di luce massima che colpisce il sensore. 28

113 Componenti meccatronici Minos Perché nei sensori ottici si sostituiscono i sensori PSD con elementi CCD? Gli elementi CCD non sono sensibili ai disturbi creati da riflessioni casuali della luce né a fonti secondarie perché reagiscono soltanto all intensità di luce (e non alla misura della luce come i sensori PSD). Una matrice CCD tipica digitale è una struttura regolare di linee che consiste di cellule sensibile alla luce (pixel). L uscita consiste di segnali discreti in tensione che rappresentano l intensità di illuminazione di ogni pixel. Qual è differenza nella costruzione di un fototransistore e un comune transistore? La costruzione di un fototransistore è simile a quella di un comune transistor amplificatore ma il contenitore rende possibile l illuminazione della base di semiconduttori. La sensibilità del fototransistore è migliore di quella di un fotodiodo, visto che la fotocorrente viene amplificata. Grazie a questo vantaggio i fototransistori vengono usati come fotorilevatori anche se hanno una frequenza di taglio molto più bassa dei fotodiodi. 29

114 Minos Componenti meccatronici 4.2 Tipi di sensori Come funzionano le barriere luminose unidirezionali? Nelle barriere luminose unidirezionali (trough beam sensors) il raggio di luce viene mandato dal trasmettitore direttamente al ricevitore. Questi si trovano su un asse comune ma in due contenitori separati. I sensori rilevano gli oggetti che si trovano fra il trasmettitore e il ricevitore, e così interrompono il raggio di luce. Che caratteristiche hanno le barriere luminose? Non sono sensibili a condizioni ambientali severe come sporco, vapore o nebbia. Il loro raggio d azione è elevato (più di 50 m). Quali oggetti possono essere rilevati da barriere luminose unidirezionali? Le barriere luminose unidirezionali rilevano oggetti di qualsiasi materiale. Non ha importanza se la superficie dell oggetto è dipinta, trasparente, ruvida o liscia. Un oggetto viene rilevato quando copre almeno il 50% del raggio. Come funzionano le barriere ottiche a riflessione? Trasmettitore e ricevitore dei sensori a riflessione si trovano nello stesso contenitore. La luce viene riflessa da un riflettore in direzione del ricevitore. Questi sensori richiedono o un opportuno riflettore o nastri speciali riflettenti. Quando l oggetto riflette il raggio di luce verso il sensore il segnale di output viene commutato. Come funziona il sistema a tre specchi? La legge di riflessione bidimensionale vale anche per un sistema di tre specchi disposti perpendicolarmente l uno rispetto all altro. Il raggio di luce che entra viene riflesso da tutte le tre superfici e il raggio riflesso torna parallelo. Un complesso di sistemi a tre specchi viene usato come riflettore per le barriere a riflessione. Da che cosa dipende il raggio d azione dei sensori a riflessione? Il raggio d azione effettivo dipende dal diametro delle lenti nel trasmettitore e nel ricevitore come anche dalla superficie del riflettore. Come funzionano i sensori a diffusione? I sensori a diffusione hanno un solo contenitore in cui si trovano il trasmettitore e il ricevitore. La luce generata Dall emittitore viene riflessa da un oggetto e torna al ricevitore, quindi viene commutato il segnale di output. 30

115 Componenti meccatronici Minos Quale caratteristiche hanno i sensori a diffusione? I sensori a diffusione hanno un piccolo raggio d azione dell ordine di mm. Oggetti al di fuori del raggio d azione non vengono rilevati e i disturbi creati da loro vengono automaticamente soppressi. Il raggio di lavoro dipende dal coefficiente di riflessione della luce dell oggetto da rilevare. Questo coefficiente viene influenzato dal colore e dal tipo della superficie. Le superfici lucide possono riflettere la luce anche se lontane dal sensore e questo può disturbare il corretto rilevamento dell oggetto. Una superficie scura o opaca assorbe una parte della luce e la parte riflessa restante non basta per rilevare il oggetto. Come si misura il raggio d azione massimo di un sensore a diffusione? Per stabilire il raggio massimo d azione di un sensore a diffusione viene usata una superficie calibrata diffondente (un foglio di carta bianca o carta KODAK) che riflette al 90% il raggio di luce. 31

116 Minos Componenti meccatronici 4.3 Elaborazione dei segnali Compito 4 Che cosa può disturbare il funzionamento dei sensori ottici? I sensori ottici sono sensibili ai disturbi che nascono a causa dell interferenza ottica o che derivano dal fonti esterni di luce (sia naturali sia artificiali). I raggi di luce di questi fonti che raggiungono un sensore ottico possono influenzare la corrente creata dal rilevatore e causare falsi segnali di output. Per evitare reazioni errate i sensori vengono attrezzati con sistemi che in una certa misura escludono questi disturbi e che stabiliscono la sensibilità del sensore. Anche lo sporco nell ambiente (olio o polvere sulle superfici degli oggetti da rilevare e sulle lenti dei sensori) può creare problemi. Quali sensori sono particolarmente sensibili all interferenza? I sensori a diffusione sono molto sensibili ai disturbi creati dall interferenza ottica, soprattutto dalla luce naturale con intensità costante, da una luce artificiale con uno spettro luminoso simile a quello della luce naturale o da una luce lampeggiante. Quali vantaggi ha la luce modulata? Quando i sensori ottici usano la luce modulata la luce dell emettitore viene accesa soltanto per un breve periodo. La luce modulata ha i seguenti vantaggi: i sensori sono quasi del tutto insensibili alla luce dell ambiente, il raggio d azione del sensore aumenta, la quantità di calore generata diminuisce, la durata di vita dei LED aumenta. Che cosa è la polarizzazione della luce? La polarizzazione significa orientare parzialmente o del tutto i piani di oscillazione delle onde luminose. Se un onda di luce non è polarizzata le oscillazioni del campo elettrico e magnetico avvengono in piani con molte direzioni diverse. Quando la luce è polarizzata questi piani hanno soltanto una direzione. Come funzionano i filtri di polarizzazione? Sia la luce naturale sia la luce emessa dai LED non è polarizzata. Se la luce attraversa un filtro di polarizzazione rimane soltanto una parte del raggio luminoso che ha la direzione del filtro. Quando un raggio di luce che ha già attraversato il filtro con la polarizzazione orizzontale passa per un filtro con la polarizzazione verticale viene annullato. 32

117 Componenti meccatronici Minos La polarizzazione viene distrutta tramite la riflessione? La riflessione diffusa distrugge la polarizzazione. Se la luce polarizzata viene riflessa da uno specchio la polarizzazione non viene distrutta. Perché si usa la luce polarizzata in sensori ottici? Se si scelgono filtri di polarizzazione adatti e li si orienta correttamente, i disturbi creati da superfici riflettenti possono essere evitati. Inoltre si possono così rilevare anche oggetti trasparenti. Che cosa è il margine operativo? A causa dell influsso dell ambiente (ad es. insudiciamento delle lenti, cambiamento del coefficiente di riflessione dell oggetto, invecchiamento dell emettitore) si può ridurre l illuminazione dell elemento optoeletronico e il livello del suo segnale di output. Il livello del segnale può quindi essere troppo basso per commutare il segnale di output, e il sensore funziona male. Per evitare queste situazioni si deve avere a disposizione un eccedenza del livello del segnale che viene definito dal margine operativo: margine operativo = quantità effettiva di luce rilevata / quantità minima della luce che commuta il segnale di output Che valore deve avere il margine operativo? Il livello effettivo della luce dovrebbe superare il livello minimo che commuta il segnale di output (margine operativo > 1), per avere una riserva di capacità. Quando l aria è pulita e la probabilità del insudiciamento della lente è bassa, il margine operativo minimo dovrebbe essere maggiore di 1,5. Se l ambiente è molto insudiciato e la possibilità di pulizia della lente limitata, il margine operativo minimo dovrebbero essere più grande di 50. Che cosa è il tempo di reazione del sensore ottico? Il tempo di reazione è l arco di tempo fra il presentarsi di un raggio di luce davanti al sensore e la commutazione del segnale di output. Se si conosce il tempo di reazione si può fissare la velocità massima di un oggetto o la distanza massima fra gli oggetti rilevabili corretamente. 33

118 Minos Componenti meccatronici 4.4 Tipi speciali di sensori ottici Compito 5 Qual é la differenza fra sensori a riflessione con e senza polarizzazione? Nei sensori a riflessione che impiegano la polarizzazione della luce, la luce creata dall emettitore viene indirizzata con una lente convergente e un filtro orizzontale di polarizzazione verso un riflettore con specchi triplici. Gli specchi triplici ruotano il piano di polarizzazione dei raggi di 90º. Una parte della luce riflessa attraversa un filtro di polarizzazione verticale e raggiunge il ricevitore. Perciò è riconoscibile soltanto la luce riflessa dal riflettore. Come si può eliminare l influsso dello sfondo e del primo piano? In molti sensori ottici si può regolare la distanza di lavoro minima e massima. Questo viene realizzato con un cambiamento meccanico dell angolo del ricevitore o dell angolo di uno specchio addizionale. Il procedimento elettronico di cancellazione sfondo è ancora più efficace. Il sensore così riconosce lo sfondo e lo può ignorare. Questo procedimento viene usato in sensori a fotocellule con due ricevitori di luce o in sensori per la triangolazione con una fotocamera CCD o un trasduttore PSD. Quali modalità di soppressione elettronica dello sfondo ci sono? Ci sono tre modalità di soppressione elettronica dell influsso dello sfondo impiegate con i sensori ottici: la difesa contro la ripresa di un oggetto che si trova al di fuori della distanza di lavoro; contro la ripresa del oggetto che si trova al di qui della distanza di lavoro; il rilevamento dell oggetto che si trova in un ambito definito (campo di lavoro). Che cosa è l autocollimazione? L autocollimazione significa che il raggio di luce diffuso viene o- rientato in maniera automatica in un raggio parallelo. Così anche un raggio di piccolo diametro fornisce sufficiente illuminazione. Quali vantaggi ha l autocollimazione? Grazie all autocollimazione possono essere rilevati anche oggetti trasparenti ed oggetti che si trovano nella zona morta. Come sono costituite le fibre ottiche? Un lungo cilindro di vetro o plastica con le facce di estremità piane è avvolto da un mantello di un altro vetro o plastica con un coefficiente di rifrazione più basso. 34

119 Componenti meccatronici Minos Che cosa è la riflessione totale in una fibra ottica? Il meccanismo di funzionamento della fibra ottica si basa sulla riflessione totale verso l interno della luce al interfaccia tra due sostanze con un diverso coefficiente di rifrazione. Dopo la riflessione il 100% dell energia della luce rimane confinata la fibra. Il raggio di luce viene riflesso soltanto dalla parte dell interfaccia dove se si trova il mezzo con il coefficiente di rifrazione più alto. Perché le fibre ottiche devono avere lunghezza limitata? Sporco e piccoli difetti indeboliscono l intensità della luce e limitano la lunghezza della fibra ottica con la quale la luce può essere trasmessa con efficienza. Qual è la differenza fra le fibre ottiche di vetro e di plastica? I conduttori di vetro possono sopportare temperature più alte (fino a 250º) dei conduttori di plastica. I conduttori di plastica però sono più resistenti, costano meno e possono essere accorciati più semplicemente. I conduttori di vetro trasmettono sia la luce visibile sia la radiazione infrarossa. I conduttori di plastica vengono usati soltanto per trasmettere la luce visibile perché hanno un rendimento inferiore nel trasmettere la radiazione infrarossa. Come funzionano i sensori ottici con fibra ottica? I sensori ottici con la fibra ottica funzionano come gli altri sensori ottici. La differenza consiste soltanto nel fatto che la luce emessa e ricevuta viene trasmessa attraverso la fibra ottica. La testa del conduttore di luce è molto piccola (alcuni mm) e può essere istallata in luoghi difficili da raggiungere, lontani dai circuiti elettronici. L elettronica si trova infatti in un contenitore separato. 35

120 Minos Componenti meccatronici 4.5 Tecnica di collegamento Compito 6 Quali modi di funzionamento hanno i sensori ottici? I sensori ottici lavorano in due modi: modalità scura (DO, dark operate) modalità chiara (LO, light operate). L uscita di sensori che usano la modalità scura è attiva (output ON), quando la luce emessa non raggiunge il ricevitore. L uscita di sensori che usano la modalità chiara è attiva quando la luce emessa raggiunge il rilevatore. Da che cosa dipendono la grandezza e la forma della zona di commutazione del segnale di output? Ogni sensore ottico ha una zona caratteristica di commutazione del segnale di output. La sua grandezza e forma dipendono dal diametro del raggio di luce emesso e dalla distanza fra l oggetto rilevato ed il sensore (fra l emettitore e il rilevatore per barriere luminose ad una via). Quando l oggetto (il rilevatore per barriere luminose ad una via) si trova in questa zona il segnale di output viene commutato. 36

121 Componenti meccatronici Minos 5 Sensori magnetici 5.1 Nozioni di base Il campo magnetico Compito 1 Che cosa può essere la fonte di un campo magnetico e come sono indirizzate le sue linee di forza? Una fonte di un campo magnetico può essere un magnete permanente, una bobina o un conduttore in cui circola corrente. Le linee di forza di un campo magnetico sono chiuse e sono sempre indirizzate dal polo Nord verso il polo Sud. Quali grandezze fisiche sono tipiche per un campo magnetico? Ci sono tre grandezze fisiche (e relative unità di misura) di un campo magnetico: potenza del campo magnetico H, misurata in [A/m] ; induzione del campo magnetico B, misurata in Tesla [T] ; permeabilità magnetica relativa μ r. Come si distinguono le sostanze per caratteristiche magnetiche? Tutte le sostanze hanno caratteristiche magnetiche ma un campo magnetico le influenza in maniera diversa. In base alle caratteristica magnetica che viene espressa dalla permeabilità magnetica relativa μ r si suddividono le sostanze in: diamagnetiche (μ r < 1, non sono attratte da magneti ad es. vetro e bismuto), paramagnetiche (μ r > 1, ad es. alluminio, platino, stagno), ferromagnetiche (il gruppo più importante, μ r >> 1, il valore μ r per il ferro puro può essere anche di alcune migliaia). Che cosa sono le bolle magnetiche? Un campo magnetico influenza fortemente i ferromagnetici. Le loro caratteristiche sono piccoli alveoli magnetizzati le bolle magnetiche. Se questi alveoli vengono allineati da un campo magnetico esterno il materiale ferromagnetico funziona come un magnete. Quali materiali ferromagnetici sono duri e quali sono dolci? Quando l isteresi è ampia il materiale ferromagnetico è difficile da smagnetizzare. Tali materiali ferromagnetici (Fe-Co, Ni-Co, ferriti duri) vengono chiamati duri e usati come magneti permanenti. Quando l isteresi è stretta il materiale ferromagnetico è semplice da magnetizzare e smagnetizzare. Tali materiali ferromagnetici (ferro, Fe-Si, Fe-Al ferriti dolci e leghe amorfe) vengono chiamati dolci ed usati come nuclei magnetici. 37

122 Minos Componenti meccatronici Il contatto Reed Compito 2 In cosa consiste un contatto Reed? Un contatto Reed consiste di un piccolo tubo di vetro chiuso ermeticamente in cui si trovano due sottili lamelle conduttrici di materiale ferromagnetico immerse nel vuoto o in un gas inerte. In dipendenza dalla destinazione e delle condizioni di funzionamento i contatti vengono rivestiti da un strato di metallo nobile (rutenio, rodio, oro) per ottenere una caratteristica stabile di lavoro. Perché si usano materiali protettivi del contatto Reed? Quando lo stato viene commutato si può verificare una scarica di corrente fra le lamelle che può danneggiare il contatto Reed o peggiorare la sua qualità. Qual è la massima frequenza di commutazione dei contatti Reed? La frequenza massima dei contatti Reed dipende dalla costruzione e dalle caratteristiche del materiale ed è normalmente di Hz. Quante volte può essere commutato il segnale di output del contatto Reed? Quando un magnete disposto parallelamente all asse del contatto viene spostato in direzione parallela a questo ci sono tre posizioni in cui il segnale di output viene commutato. Quando un magnete disposto perpendicolarmente viene spostato in direzione parallela all asse del contatto Reed il segnale di output viene commutato due volte. Quando un magnete disposto parallelamente o perpendicolarmente viene spostato in direzione perpendicolare all asse del contatto Reed lo stato di output viene commutato soltanto una volta. 38

123 Componenti meccatronici Minos Effetti magnetici usati in sensori Compito 3 Che cosa è l effetto Hall? L effetto Hall è la nascita di un campo elettrico addizionale in una piastra attraversata dalla corrente di un conduttore o semiconduttore che si trova immersa in un campo magnetico esterno. Sotto l influsso del campo magnetico esterno le cariche elettriche si accumulano soltanto su un lato della piastra e nasce una differenza di potenziale. Come si può raggiungere un valore più alto della tensione Hall? Per gli usi pratici dell effetto Hall si deve ottenere un valore possibilmente alto della tensione V H. Questo può essere raggiunto se si usa lamelle molto sottili (0,1mm) di un materiale con un alta mobilità degli elettroni. Tale caratteristiche si hanno soltanto nei semiconduttori (InSb, InGaAs, Si, GaAs). La possibilità di aumentare la tensione accrescendo la corrente che attraversa la piastra è limitata dal massimo wattaggio ammesso nella piastra. Questo wattaggio dipende in misura determinante dalla costruzione e della forma della piastra. Perché un campo magnetico cambia la magnetoresistenza del semiconduttore? La magnetoresistenza di un semiconduttore viene aumentata a causa dell influsso del campo magnetico esterno perché questo cambia l angolo α della direzione della corrente attraverso il semiconduttore e le cariche elettriche devono percorrere una distanza più lunga. Più grande è l intensità del campo magnetico più grande è l angolo α. Cosa succede quando la corrente attraversa elettrodi di oro o di alluminio? Quando la corrente attraversa elettrodi di oro o di alluminio viene cambiata la sua direzione. Quindi le cariche elettriche devono attraversare una distanza ancora più grande e la resistenza viene aumentata. Che cosa è l effetto Wiegand? L effetto Wiegand è la produzione di un impulso elettrico in una bobina costituita dall avvolgimento di conduttore elettrico con caratteristiche magnetiche speciali ( convogliatore d impulso ) quando cambia la direzione del campo magnetico esterno. 39

124 Minos Componenti meccatronici Quali caratteristiche ha un convogliatore d impulso? Un convogliatore è costruito con una lega di cobalto, ferro e vanadio. Contiene due distinti ambiti magnetici: un nucleo e una guaina. Il nucleo viene prodotto con un materiale ferromagnetico dolce (isteresi stretta) e la guaina da un materiale ferromagnetico duro (isteresi larga). Per ottenerlo, un filo di materiale ferromagnetico del diametro di circa 0.3 mm viene deformato a freddo innescando così uno stato di stress. Come reagiscono gli ambiti magnetici di un convogliatore d impulso al cambiamento di direzione del campo magnetico esterno? Ogni ambito magnetico reagisce in maniera diversa al cambiamento del campo magnetico esterno. La direzione di magnetizzazione del nucleo magnetico dolce cambia più velocemente di quella della guaina magneticamente dura. Quando si verifica un impulso elettrico nella bobina con una convogliatore d impulso? Quando la direzione di magnetizzazione del nucleo è già variata mentre quella della guaina non è ancora cambiata si verifica un breve impulso elettrico (10-20 μs) nella bobina. L ampiezza del impulso è quasi indipendente dalla velocità del cambiamento della direzione del campo magnetico. 40

125 Componenti meccatronici Minos 5.2 Tipi di sensori magnetici Compito 4 Quali vantaggi hanno i sensori sensori basati sul campo magnetico? I sensori basati sul campo magnetico vengono ampiamente usati nell automatizzazione industriale perché hanno un grande raggio d azione ed i loro contenitori sono chiusi ermeticamente e possono avere forme diverse. I tipi base di sensori magnetici non hanno bisogno di alimentazione con corrente e possono essere montati direttamente all apparecchiatura di comando. Possono controllare anche autonomamente attrezzature. Il loro ulteriore vantaggio è l ampio campo di tensioni e correnti di collegamento (oltre 1000V e alcuni A). Quali oggetti possono essere rilevati da sensori magnetici? Questi sensori reagiscono ad un campo magnetico che normalmente viene creato dal magnete permanente fissato all oggetto da rilevare. Gli oggetti possono essere di diversi materiali ma gli oggetti non ferromagnetici sono più adatti perché garantiscono una raggio d azione maggiore. Quale può essere l elemento che reagisce ad un campo magnetico? Un contatto elettrico, ermeticamente chiuso (contatto Reed), un elemento di un semiconduttore (sensore Hall), una resistenza magnetica o un materiale con caratteristiche magnetiche speciali può essere l elemento che reagisce ad un campo magnetico. Un oggetto in un tubo di plastica può essere rilevato da un sensore magnetico? I campi magnetici attraversano la maggior parte di materiali non magnetici. Perciò un oggetto può essere rilevato anche se si trova un diamagnetico fra oggetto e sensore (come ad es. un tubo di plastica o un contenitore di plastica). Come funziona un sensore con contatto Reed? Il funzionamento di un tale tipo di sensore si basa sulla funzione di un contatto Reed che reagisce ad un magnete che si avvicina. Quando le lamelle conduttrici del contatto Reed si trovano in un campo magnetico creato dal magnete vengono indotti i loro campi magnetici propri. Quando la forza che attira le lamelle è maggiore della loro forza elastica il contatto Reed viene commutato: si passa allo stato di conduzione d elettricità ed il circuito con l utilizzatore collegato viene chiuso. 41

126 Minos Componenti meccatronici In che stato rimangono i contatti di un contatto Reed se questo non si trova in un campo magnetico? Quando il contatto Reed non si trova in un campo magnetico i suoi contatti possono essere rimanere chiusi (segnale NC) o aperti (segnale NO). Da cosa dipende il raggio d azione massimo di un sensore magnetico? L intensità del campo magnetico dipende dalle caratteristiche del materiale e dalle dimensioni del magnete. Questo incide sul raggio d azione massimo del sensore S max. Che forme può avere il contenitore di un sensore magnetico con un contatto Reed e che cosa determinano? Il contenitore dei sensori magnetici con un contatto Reed può avere diverse forme (cilindriche, prismatiche ed anche molto complesse) che dipendono dalle condizioni d uso. La forma del sensore determina dove l oggetto si può muovere. Per qualche sensore il magnete si deve muovere soltanto di fronte alla superficie anteriore del sensore. Per altri sensori il magnete si può muovere anche ai lati del sensore. Quanti conduttori hanno i sensori con contatto Reed? I sensori con contatto Reed hanno tre conduttori o solamente due se non hanno un diodo luminoso che ne segnala lo stato. Come funzionano i sensori Hall? I sensori Hall hanno bisogno di un alimentazione con corrente continua. Se un magnete si trova al di fuori del raggio d azione del sensore la corrente passa attraverso la piastra di semiconduttore e la differenza di potenziale ai bordi della piastra è 0. Se un magnete si trova nel raggio d azione del sensore il suo campo magnetico induce la tensione Hall ai bordi della piastra. Questa tensione viene misurata e comanda il transistor di output del sensore. I sensori Hall reagiscono soltanto ad una particolare polarizzazione del campo magnetico? Non sempre. I sensori magnetici ad effetto Hall possono essere realizzati anche in versione omnipolare (in gradi di reagire ad ogni direzione di polarizzazione del campo magnetico) unipolare (solo ad una specifica direzione) bipolare (il disinnesco, passaggio dallo stato ON a quello OFF, avviene a causa di un campo di direzione opposta a quiella che innesca il sensore). 42

127 Componenti meccatronici Minos 5.3 Sensori magnetici speciali Compito 5 Come funzionano i sensori Wiegand? Il funzionamento dei sensori Wiegand si basa sul rilevare il cambiamento del piano di magnetizzazione (polarizzazione) del nucleo di una convogliatore d impulso. Quando cambia la direzione del campo magnetico esterno può cambiare anche la polarizzazione del nucleo. Come vengono rilevati magneti mobili da un sensore Wiegand? Su una convogliatore d impulso il campo magnetico prima ha un effetto con polarizzazione in direzione N/S e poi con la polarizzazione inversa S/N. A causa di questo cambiamento del campo magnetico esterno viene creato un impulso elettrico nella bobina. L impulso può essere direttamente trasmesso come segnale di output del sensore oppure dopo un opportuna elaborazione. Come vengono rilevati convogliatori d impulso mobili da un sensore Wiegand? Un convogliatore d impulso viene spostato prima davanti ad un magnete con la polarizzazione N/S e poi davanti ad un magnete con la polarizzazione inversa S/N, per cambiare la direzione di magnetizzazione del nucleo. In questa modalità si trovano nel sensore il magnete e la bobina nella quale viene generato l impulso elettrico. Quale alimentazione di corrente richiedono i sensori Wiegand? I sensori Wiegand non richiedono una alimentazione con corrente. Hanno due conduttori e possono lavorare in ambienti difficili. In cosa consiste il sensore magnetico più semplice? Il sensore magnetico più semplice consiste di una bobina avvolta su un magnete permanente. Quali oggetti possono essere rilevati da un sensore con un magnete permanente? Tali sensori non rilevano oggetti immobili perché la tensione di output dipende dalla velocità dell oggetto. Più lentamente si muove l oggetto più piccola è la tensione di output. Se l oggetto non si muove questa tensione è 0V. 43

128 Minos Componenti meccatronici Un sensore con magnete permanente richiede un alimentazione con corrente? I sensori non richiedono un alimentazione con corrente. Un oggetto ferromagnetico che si muove nella vicinanza del sensore cambia il campo magnetico che attraversa la bobina e crea una tensione nella bobina. 44

129 Componenti meccatronici Minos 5.4 Principi di montaggio e applicazioni Quali collegamenti ci devono essere se un sensore magnetico viene fissato ad un elemento di materiale ferromagnetico? Quando un sensore magnetico va fissato ad un elemento di sostegno di materiale ferromagnetico la distanza fra la superficie anteriore e la superficie dell elemento dovrebbe essere la maggiore possibile. Inoltre dovrebbe essere usato uno strato isolante di dielettrico fra il sensore e l elemento. Cosa succede se un oggetto non ferromagnetico viene a trovarsi tra il sensore ed il magnete? Quando compare un oggetto non ferromagnetico tra sensore e il magnete la funzione del sensore non viene disturbata. Quando invece un oggetto ferromagnetico viene a trovarsi fra il sensore e il magnete la funzione del sensore viene disturbata e il segnale di output può essere commutato accidentalmente. Come vengono impiegati nell industria i sensori magnetici? I sensori magnetici vengono usati per: rilevare oggetti che si trovano in un tubo di plastica o un contenitore di plastica; rilevare attraverso uno strato protettivo oggetti che si trovano in un ambiente aggressivo; rilevare oggetti in una zona con una temperatura più alta (un elemento ferromagnetico si può trovare in vicinanza dell oggetto); rilevare il numero di giri di un elemento rotante o il numero progressivo di oggetti che transitano. 45

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131 MECCATRONICA Modulo 6: sistemi meccatronici e funzioni Soluzioni (concetto) Jerzy Jędrzejewski Wojciech Kwaśny Zbigniew Rodziewicz Andrzej Błażejewski Politecnico di Wroclaw, Polonia Matthias Römer Università Tecnica di Chemnitz, Germania Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no Minos, durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no. DE/08/LLP-LdV/TOI/ MINOS ++, durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto è finanziato con il sostegno della Commissione europea. L autore è il solo responsabile di questa pubblicazione (comunicazione) e la Commissione declina ogni responsabilità sull uso che potrà essere fatto delle informazioni in essa contenute.

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133 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 1 Sensori induttivi 1.1 Elementi costruttivi di base Esercizio 1 Qual è la parte attiva del sensore induttivo? La parte attiva di un sensore induttivo contiene una bobina messa intorno al nucleo di ferrite che genera un campo magnetico variabile. Lo scopo del nucleo di ferrite è quello di amplifi care il campo magnetico della bobina e indirizzarlo verso la zona di misura del sensore Come un sensore induttivo misura la distanza tra l oggetto e la bobina? Sulla base del grado di smorzamento dell ampiezza, il circuito risonante del sensore determina la distanza tra l oggetto e la bobina e genera il segnale d uscita. Nel maggior numero dei casi il segnale ha due stati: l oggetto PRESENTE/ASSENTE nel raggio d azione del sensore. Qualche volta il segnale è anche analogico e inversamente proporzionale alla distanza tra l oggetto e il sensore. Che cos è Isteresi? L isteresi è la differenza tra distanza, alla quale reagisce il sensore quando si avvicina l oggetto di metallo e la distanza alla quale reagisce il sensore se l oggetto si allontana. Qual è la frequenza tipica dei sensori induttivi? La frequenza tipica dei generatori LC nei sensori induttivi è di 100 Hz MHz (Alta Frequenza, HF). Maggiore è il diametro della bobina maggiore è l assorbimento di corrente e minore è la frequenza massima. Perché il sensore induttivo ha un isteresi? Tramite l isteresi si evitano i disturbi del segnale d uscita se viene cambiato lo stato, se è instabile l oggetto di metallo o se variano la tensione e la temperatura. 3

134 Minos Sistemi meccatronici e funzioni Qual è il campo d azione dei sensori induttivi e qual è il supporto? Il campo d azione dei induttori tipici d induzione è più piccolo che 60 mm. Il supporto del sensore viene prodotto in forma cilindrica o quadratica, di metallo o di plastica, e permette un montaggio ottimo. Che cos è d azione nominale Sn? Il fl usso del campo magnetico generato dalla bobina induttiva circonda un area limitata che determina il raggio d azione del sensore induttivo.la distanza fra l oggetto e il sensore di cui cambia il circuito d uscita viene chiamato raggio d azione nominale Sn.. Su quale oggetto è impostato? Questo valore viene indicato in accordo alle norme EN per una piastra quadrata di accaio (ST37) con largezza pari al diametro del sensore e di spessore 1 mm. Che cos è d azione reale Sr? Il raggio d azione reale Sr viene fissata durante il processo di produzione del sensore e può essere leggermente diversa da Sn. Per la tensione nominale e la temperatura nominale vale 9 S n < S r < 1,1 S n. S a < 0,8S n Che cos è d azione operativo Sa? Il raggio d azione operativo S a < 0,8S n, che indica la distanza fra l oggetto e il sensore, assicura condizioni di lavoro indipendenti da cambiamenti di temperatura e tensioni e dal raggio d azione reale indicata dal produttore.. Da cosa dipende il campo d azione nominale? Il raggio d azione nominale Sn dipende dal diametro della bobina D (fi - gura 1.4) e le caratteristiche del nucleo. Più piccolo è il sensore minore è il raggio d azione nominale. Ci sono anche produzioni speciali con un raggio d azione nominale aumentato. Perché viene utilizzato un coefficiente di correzione per i sensori induttivi? Lo smorzamento del circuito risonante dipende dal materiale col quale è stato prodotto l oggetto da individuare. Il materiali che hanno una resistenza elettrica minore dell acciaio St 37 (come oro, rame o alluminio) smorzano meno l oscillazione del circuito risonante. Queste differenze possono essere compensate modifi cando il raggio d azione nominale. Se per esempio l oggetto da rilevare è di ottone va moltiplicata il raggio d azione nominale Sn, che è stata ottenuta per l acciaio St37, va moltiplicata per il coefficiente di correzione di 0,5. 4

135 Sistemi meccatronici e funzioni Minos Come dipende la sensibilità del sensore dalla sua modalità construttiva? Un sensore cilindrico ricoperto è sensibile soltanto agli oggetti di metallo che si trovano davanti al sensore. Perciò questi sensori possono essere fissati completamente in elementi di metallo. La zona libera è 3x S n (figura 1.6b). La distanza minima tra i sensori dovrebbe essere maggiore di 2xD, per evitare la mutua interferenza. Un sensore cilindrico non ricoperto è sensibile agli oggetti metallici sui tre lati. Perciò il sensore va posizionato leggermente all esterno in modo tale che la zona libera includa anche le superfici laterali del sensore. In questo caso la distanza minima tra sensori dovrebbe essere maggiore di 3xD per evitare interferenze indesiderate.. Cosa si deve considera, quando un sensore coperto è montato nei pressi di un altro? vedi sopra Cosa si deve considera, quando un sensore non coperto è montato nei pressi di un altro? vedi sopra Que cos è la frequenza massima di commutazione del segnale di uscita? La frequenza massima caratteristica della commutazione del segnale di uscita è specifi cato nella descrizione tecnica. Signifi ca che il numero di modifi che di uscita in un secondo. NORM EN /IEC/ Quali frequenze massimali di commutazione ci si aspetta, quando un altro oggetto viene utilizzato come piastra? Il risultato della misurazione dipende sempre dalla dimensione dell oggetto e la velocità dell oggetto e la distanza tra oggetto e sensore. Con un oggetto più piccolo riduce anche la frequenza. 5

136 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 1.2 Sensori speciali Esercizio 2 Qual è la modalità d azione dei sensori induttivi ad anello? Il principio di funzionamento del sensore ad anello si basa su un oscillatore ad alta frequenza che genera un campo magnetico nella fessura del sensore. Viene utilizzato un nucleo toroidale a polvere di ferro con ha un fattore di qualità più alto di un normale nucleo di ferrite. La presenza dell oggetto di metallo causa un abbassamento dell ampiezza dell oscillazione. Il comparatore riconosce questi cambiamenti e se è superato il valore limite il segnale d uscita viene commutato.. La dimensione di un sensore ad anello è limitata dagli oggetti rilevati? Il sensore funziona se il campo magnetico viene suffi cientemente smorzato. Gli oggetti troppo piccoli possono causare uno smorzamento troppo piccolo. Perciò ad ogni grandezza di sensore corrisponde una lunghezza minima o un diametro minimo dell oggetto da riconoscere Ci sono dei requisiti sulla traiettoria di volo? Un vantaggio dei sensori ad anello è che gli oggetti riconosciuti non devono avere la stessa traettoria. Grazie alla zona di riconoscimento di forma circolare, mediante tali sensori è possibile rilevare oggetti indipendentemente dal loro orientamento, p.es. oggetti in caduta in un imbuto di plastica. Quali conseguenze negative possono avere i forti campi magnetici sui sensori induttivi? All installazione di un sensore induttivo nella zona di saldatura è associato un rischio di commutazione non controllata del segnale d uscita, come conseguenza del forte campo magnetico sul grado di saturazione del nucleo. Inoltre, viene indotta una tensione addizionale nella bobina che interferisce con il lavoro d oscillazione e che può causare anche in questo caso una commutazione non controllata del segnale d uscita. Durante il processo di saldatura viene inoltre generato anche un grande numero di scintille che può danneggiare il supporto del sensore e la sua zona di rilevamento.. Come si pussono proteggere i sensori, posizionati nelle vicinanze dell impianto di saldatura? Per questo motivo sensori che progettati per essere posizionati nelle vicinanze dell impianto di saldatura vengono prodotti in ottone con uno strato di Tefl on. La superfi cie frontale viene protetta con Duraplast resistenti alle alte temperature.. 6

137 Sistemi meccatronici e funzioni Minos Quali sensori sono poco sensibili all influenza di campi magnetici esterni? I sensori senza nucleo sono maggiormente robusti all infl uenza di campi magnetici esterni. Il nucleo nei sensori normali catalizza il campo magnetico esterno. In simili soluzioni costruttive, prive di nucleo la bobina viene avvolta su un cilindro di plastica.. Si forniscano esempi di sensori funzionanti in condizioni difficile? Per adattare i sensori alle condizioni di lavoro, i produttori offrono in particolare : - sensori resistenti alle alte temperature (al di sopra dei 200 ) - sensori resistenti a prodotti chimici, - sensori resistenti a sostanze oleose, - sensori resistenti all umidità, - sensori piccolissimi, la cui testa ha un diametro di 3-5 mm. Quali caratteristiche dovrebbe avere sensori, che lavorano ad alte pressioni? I sensori che lavorano ad alte pressioni devono avere un supporto fisso e compatto che protegga gli elementi elettrici interni. La superfi cie frontale viene protetta con un disco di ceramica resistente all usura. Perchè una tale costruzione chiede uno spostamento della bobina dalla sua posizione ottimale il raggio d azione del sensore è ridotto. Per contrastare questo effetto l oscillatore viene modifi cato. In condizioni normali un tale sensore modifi cato avrebbe un raggio d azione molto maggiore di un sensore standard. Come sensori induttivi NAMUR? Qual è la loro caratteristica tipica? I sensori induttivi NAMUR contengono due sensori principali. La loro resistenza cambia quando viene rilevato un oggetto di metallo. Una resistenza piccola signifi ca nessun oggetto di metallo, una resistenza grande signifi ca oggetto di metallo rilevato. Una caratteristica dei sensori NAMUR è un ben defi nito intervallo di corrente d uscita ammissibile (secondo la norma EN ) da 1,2 fi no a 2,1 ma. Quali condizioni devono essere soddisfatte, per i sensori NAMUR che lavorano in una zona sottoposta al pericolo di esplosione? Se i sensori NAMUR lavorano in una zona sottoposta al pericolo di esplosione l amplifi catore non deve generare scintille deve trovarsi fuori da questa zona. Qual è la differenza tra sensori standard e sensori induttivi analogici? Che cosa è un sensore induttivo analogico? I sensori standard registrano soltanto la presenza o meno di un oggetto di metallo. I sensori analogici induttivi registrano soltanto la posizione di un oggetto nel raggio d azione del sensore. Se l oggetto da 0 fi no a Sn 7

138 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 1.3 Alimentazione con corrente continua e Principi di collegamento tra sensori Esercizio 3 Quanto ampio devono essere variazioni di tensione dei sensori, alimentati con corrente continua? Per evitare cio le variazioni di tensione devono essere minori del 10 % del valore medio della tensione di alimentazione: U ss < 0,1U D La variazione momentanea di tensione Uss non deve superare questa limitazione. Per evitare questo effetto andrebbero utilizzati uno stabilizzatore o un condensatore appropriato. Quali configurazioni possono avere le uscite dei sensori con alimentazione continua? Le uscite dei sensori con alimentazione continua possono avere una confi gurazione NPN o PNP. Nel caso della confi gurazione NPN la resistenza RL viene collegata fra l uscita del sensore e il polo positivo dell alimentazione con la corrente U. Nel caso della confi gurazione PNP la resistenza viene collegata fra l uscita del sensore e il polo negativo. Qual è la differenza tra il NO e NC per l esecuzione dei sensori?.entrambi i tipi possono avere una funzione NO ( normalmente aperto) o NC (normalmente chiuso). Alcuni sensori hanno una funzione complementare NP e due uscite indipendenti NO e NC. Quale fattore determina il numero massimo di sensori collegati in serie? Il numero massimo dei sensori collegati in serie dipende dalla tensione, dalle cadute di tensione all uscita dei sensori e dai parametri di carico. La tensione di alimentazione, meno le cadute di tensione, deve essere maggiore della tensione minima di lavoro per il carico collegato. I sensori alimentati con corrente alternata possono essere collegati direttamente all alimentazione in CA? I sensori alimentati con corrente alternata non vanno collegati direttamente con uno stabilizzatore per corrente alternata poichè ciò potrebbe distruggere i circuiti elettrici interni del sensore. Prechè si raggruppamento i sensori?.se i sensori vengono collegati in serie o in parallelo si apre la possibilità di realizzare differenti strategie operazionali. Si possono rendere possibili le funzioni AND, OR o NOT. La funzione logica AND garantisce il segnale d uscita di un gruppo di sensori se lo stato iniziale di tutti i sensori è ON. La funzione logica OR garantisce che la resistenza RL non sia alimentata se il segnale d uscita di tutti i sensori è OFF.. 8

139 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 1.4 Protezione dei sensori Esercizio 4 Caso assicurano le uscite dei sensori in corrente continua? I sensori possono essere protetti da eventuali errori di installazione o di avaria durante l uso. I sistemi di protezione proteggono i circuiti interni dei sensori da: - un inversione del collegamento della tensione di alimentazione - un cortocircuito in uscita - impulsi brevi della tensione di alimentazione - un superamento dell intensità di corrente permessa. Un corto circuito è pericoloso per i sensori alimentati con corrente continua? Un cortocircuito non distrugge i sensori alimentati con corrente continua anche se hanno luogo più volte per un tempo prolungato durante il quale non funzionano soltanto i diodi del sensore. Dopo il cortocircuito il sensore funziona normalmente. Quando un alloggiamento di sensore ha una messa a terra aggiuntiva? Se la tensione può danneggiare i sensori con supporti di metallo è necessaria una messa a terra aggiuntiva.. Quali precauzioni devono essere prese contro la presenza di dispersione di corrente nei circuiti elettrici di un sensore? Se un sensore è collegato in serie con il carico circola ancora una corrente nel circuito anche quando il sensore è spento (fi gura 1.13). Ciò può danneggiare il sensore o causare un segnale OFF permanente. Per evitare questo effetto deve essere collegata una resistenza aggiuntiva Rp in parallelo. Il valore di Rp e la potenza corrispondente P possono essere calcolate come segue: Rp=U/I min P=U 2 /Rp. 9

140 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 2 Sensori capacitivi 2.1 Funzionamento di un sensore capacitivo Esercizio 1 Quali oggetti possono riconescere sensori capacitivi? Possono riconoscere sia oggetti di metallo sia oggetti (p.es. di plastica) che non conducono corrente. Un sensore capacitivo può riconoscere un oggetto che si trova dietro uno strato non conduttore.. Com è fatto un sensore capacitivo? Un sensore capacitivo contiene una testa con elettrodi, un potenziometro, un oscillatore, un circuito di rilevamento e un sistema d uscita. Qual è la parte attiva del sensore capacitivo? Due elettrodo di metallo che formano un condensatore aperto sono gli elementi attivi del sensore capacitivo. Se un oggetto si avvicina al sensore ne modifi ca la capacità. Il segnale di uscita dipende dalla capacità totale che è la somma della capacità ordinaria del sensore e della variazione di capacità generata dall oggetto rilevato. Quali sono gli oggetti per i quali il campo d azione del sensore capacitivo è più ampio: oggetti isolanti o oggetti conducenti? Gli oggetti isolanti (di plastica, carta o vetro) aumentano la capacità propria del sensore perché le loro costanti dielettriche sono più grandi di quella dell aria. L aumento di capacità dipende dalla costante dielettrica dell oggetto, ma è bassa. Perciò anche Il raggio d azione del sensore è ridotta. Gli oggetti conducenti senza collegamento a massa formano due condensatori aggiuntivi (tra l oggetto e l elettrodo interno e tra l oggetto e elettrodo esterno) in serie. Il raggio d azione del sensore in questo caso è maggiore. Quando il campo d azione del sensore capacitivo è più grande? Se l oggetto da individuare è un conduttore con collegamento a terra la capacità propria del sensore si collega in parallelo con la capacità aggiuntiva (tra l oggetto e l elettrodo). Il raggio d azione del sensore in questo caso è maggiore. 10

141 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 2.2 Tipologie di sensori capacitivi Esercizio 2 Quali forme hanno i sensori capacitivi? I sensori capacitivi normalmente hanno la forma di un cilindro o di parallelepipedo. Quali tipi di sensori cilindrici ci sono? Ci sono due tipi di sensori cilindrici. I sensori del primo tipo sono schermati ed hanno la zona attiva all estremità. Sono ricoperti in superfi cie da metallo o plastica. I sensori del secondo tipo non sono schermati ed hanno la zona attiva ad una piccola distanza dalla superfi cie cilindrica del sensore. De cosa dipende che la distanza per il rilevamento di materiali organici? La distanza tra un oggetto di materiale organico (p.es. legno) e il sensore, di cui cambia il segnale d uscita, dipende notevolmente dalla percentuale d acqua contenuta nell oggetto in quanto la costante dielettrica dell acqua è molto elevata (ε acqua = 80). Come valutare la distanza reale di funzionamento di un sensore? Il raggio d azione nominale Sn viene indicato nei cataloghi e misurato per un oggetto metallico standardizzato. Sn va moltiplicato per il coeffi ciente del materiale dell oggetto da individuare per individuare il raggio d azione reale la distanza reale = Sn x coefficiente del materiale 11

142 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 2.3 Compensazione dei disturbi Esercizio 3 Qual è l influenza dell inquinamento sul funzionamento di un sensore? Il sensore può reagire in maniera sbagliata se non perfettamente pulito o in presensa di condensa sulla superfi cie attiva del sensore.. Com è possibile limitare costruttivamente l influenza di inquinamento? Un elettrodo di compensazione aggiuntivo, collegato all uscita del sensore (figura 2.5), viene utilizzato per mantenere costante Il raggio d azione. Lo sporcamento aumenta la capacità tra l elettrodo del sensore e lo schermo. La capacità tra l elettrodo del sensore e l elettrodo di compensazione genera nello stesso modo un accoppiamento di compensazione. Se un oggetto sottile (p.es. foglio di carta) viene in contatto con il sensore il segnale principale dell elettrodo può essere neutralizzato dal disturbo e lo stato iniziale non viene commutato. 12

143 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 3 Sensori ad ultrasuono 3.1 Principio di funzionamento die sensori a ultrasuoni Esercizio 1 Quali sono i processi tipiche di sensori ad ultrasuoni? Ci sono due funzionamenti tipici di sensori ad ultrasuoni: il procedimento che si basa sulla diffusione (diffuse sensor) e il procedimento che si basa sul transito (sensori a sbarramento). La rifl essione della diffusione viene utilizzata più frequentemente. Il sensore riceve l onda sonora riflessa dall oggetto come eco. Secondo il tipo di uscita, la distanza fi ssata sulla base della misurazione del tempo viene trasformata in un segnale analogico di corrente o di tensione (ON/ OFF). Se l oggetto si trova al di fuori del raggio d azione del sensore il sistema iniziale torna allo stato precedente. Quali fasi ha la misurazione ad ultrasuoni? La misurazione ultrasonica ha due fasi: - invio dell onda ultrasonica del convertitore in direzione dell oggetto - invio dell onda ultrasonica (eco) dall oggetto individuato in direzione del convertitore. I sensori ad ultrasuoni sono insensibili l influenza del rumore ambientale? Il convertitore ultrasonico genera un onda acustica, la cui frequenza è molto più alta di 20 khz. A causa dell alta frequenza di lavoro del convertitore i sensori ad ultrasuoni non sono sensibili all infl uenza di suoni nell ambiente. Com è un sensore ad ultrasuoni? Un sensore ultrasonico contiene un generatore ad alta tensione, un convertitore piezoelettrico nella testa del sensore, un sistema per l elaborazione del segnali e un sistema d uscita. 13

144 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 3.2 Principio di funzionamento die sensori a ultrasuoni Esercizio 2 Quando vengono utilizzati i sensori ad ultrasuoni? I sensori ad ultrasuoni vengono utilizzati per individuare gli oggetti indipendentemente dal colore o dal materiale e per controllare l altezza di un fl uido colorato o non colorato. Vengono utilizzati in ambienti polverosi dove i sensori ottici non possono essere utilizzati. Quali sono gli oggetti ccptati pricolarmente bene dai sensori ad ultrasuoni? Maggiore è lo spessore dell oggetto individuato più alta è la sensibilità del sensore visto che viene rifl essa una parte maggiore di onda sonora. Perciò vengono individuati soprattutto oggetti con un alto coeffi ciente di rifl essione del suono (corpi solidi, fl uidi, granulati). Come funziona un sensore ad ultrasuoni con un convertitore piezoelettrico? I sensori ad ultrasuoni generano impulsi di suono ciclici. La loro frequenza è di alcune decine di Hz. L arco di tempo tra l emissione dell impulso del suono e la ricezione dell eco rifl esso è proporzionale alla distanza effettiva tra l oggetto e il sensore. Se un convertitore genera e riceve le onde sonore, la durata dell impulso Ti deve essere molto più breve che il tempo di ritorno Te (fi gura 3.6). Il sensore aspetta l eco tra un impulso inviato e il successivo. In tal modo può essere calcolata la distanza tra l oggetto e il sensore. La presenza dell eco è giustifi cata dalla presenza di un oggetto nel raggio d azione del sensore. Il segnale d uscita viene poi commutato. Come si può cancellare lo sfondo dalla misura? Il raggio d azione massimo del sensore può essere limitato da un potenziometro adatto e così oggetti che superano questo limite non vengono più individuati. Questa funzione si chiama eliminazione del rumore di fondo (blanking out the backround). È possibile impostare l ampiezza minima del sensore nei sensori ad ultrasuoni? Il raggio d azione minimo può essere regolato soltanto in alcuni tipi di sensore. Se è così, la zona morta (nella quale gli oggetti non vengono individuati) e la zona attiva (nella quale gli oggetti vengono individuati) possono essere stabilite con precisione. Perché esiste la zona morta? La zona morta si trova vicino al sensore dove gli oggetti non vengono individuati o dove l individuazione non è credibile. La misura della zona morta dipende dal raggio d azione del sensore. Più piccolo è il raggio di azione del sensore minore è la zona morta. 14

145 Sistemi meccatronici e funzioni Minos Quanti gradi può coprire l angolo del sono sonoro? L angolo del cono del suono può essere adattato ai bisogni ed ha una ampiezza di alcuni gradi fi no ad alcune decine di gradi. Sia l angolo sia la forma dell onda sonora dipendono da grandezza, forma e frequenza della superfi cie del convertitore vibrante.. Quale oggetto è utilizzato per determinare, la zona è efficace del sensore? Una piastra quadrata di metallo avente 1 mm di spessore e che rifl ette le onde ultrasoniche viene utilizzata per defi nire il raggio d azione del sensore Sn. La piastra va fi ssata in verticale rispetto all asse dell onda sonora. La sua grandezza dipende dal raggio di azione del sensore: - larghezza della piastra = 10 mm x il raggio di azione del sensore < 300 mm - larghezza della piastra = 100 mm x il raggio di azione > 800 mm Altri oggetti non garantiscono che si raggiunga il raggio d azione del sensore Sn indicato nei cataloghi durante la misurazione.. Come funzionano i sensori d arraversamento? Il convertitore ultrasonico genera un onda sonora in direzione del ricevitore che ha un supporto separato. Il segnale originale viene commutato se un oggetto interrompe l onda sonora (fi gura 3.8). Che genere di onda sonora producono i sensori di attraversamento? A differenza dei sensori a retrorifl ettenti e a diffusione, il convertitore dei sensori ad ultrasuoni non genera un onda continua. Dunque è assente la zona morta. Quando vengono usati i sensori di attraversimento? I sensori di passaggio vengono utilizzati soprattutto per individuare oggetti porosi dissipativi o fonoassorbenti, e oggetti con una forma complicata che non possono essere individuati dai sensori a diffusione. Quale sensore ha la maggiore frequenza di commutazione del segnale di uscita i sensori a attraversomento o i sensori di diffusione? La frequenza della commutazione del segnale d uscita nei sensori di passaggio paragonata con i sensori a diffusione è maggiore e può arrivare fi no a 200 Hz. 15

146 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 3.3 Fattori di disturbo Esercizio 3 Quali fattori possono interferire con la funzionalità del sensore? I seguenti fattori possono interferire con la funzionalità del sensore: - Correnti d aria che cambiano velocità, cambiamenti della pressione dell aria, l aumento della temperatura nel raggio d azione e assorbono le onde sonore Quale effetto l aumento della temperatura? - L aumento della temperatura nel raggio d azione del sensore può diminuire la velocità del suono e la durata dell impulso come anche l affidabilità della misurazione. Un aumento della temperatura o dell umidità sottostima la distanza tra l oggetto e il sensore. Le superfi ci di un oggetto a temperature maggiore riflettono meno le onde sonore. Se la temperatura aumenta di 20 K Il raggio d azione del sensore aumenta del 3,5 %.. Quali tipolgi di assemblaggio possono disturbare il lavoro dei sensori ad ultrasuoni? I sensori ad ultrasuoni rilevano molto bene specialmente gli oggetti duri e bassi che si trovano perpendicolarmente all asse del sensore. In tutti gli altri casi potrebbero verifi carsi delle diffi coltà di rilevamento da parte del sensore. - Se l angolo tra la superfi cie frontale dell oggetto e l asse del sensore non è di 90º - Se la forma dell oggetto è tale che la direzione dell onda riflessa è molto diversa da quella dell onda generata - Fluidi turbolenti - infl uenza reciproca dei sensori A quali condizioni influenzano i sensori ad ultrasuoni contro l altro? Se i sensori ad ultrasuoni vengono installati a piccola distanza l uno dall altro l onda sonora generata da un sensore può raggiungere un altro sensore e commutare il suo segnale d uscita.. Come posso evitare questo? Se più sensori vengono sincronizzati con un corretto collegamento fra le uscite, possono essere installati a piccola distanza l uno dall altro senza problemi di mutua interazione. I sensori sincronizzati inviano i segnali nello stesso istante e funzionano come un sensore con un cono sonoro più grande orientato sullo stesso oggetto. 16

147 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 3.4 Speciali sensori ad ultrasuoni Esercizio 4 Come funzionao i sensori retroriflettenti? I sensori retrorifl ettenti misurano la differenza tra il tempo di ritorno dell onda sonora rifl essa dall oggetto e il tempo di ritorno dell onda riflessa dal rifl ettore. Può essere utilizzata come rifl ettore una superfi cie qualsiasi. Se l onda sonora rifl essa dall oggetto torna prima dell onda rifl essa il segnale d uscita viene commutato.. Quando sono usati i sensori retroriflettenti? I sensori retrorifl ettenti possono anche sfruttare le onde ultrasoniche rifl esse da un superfi cie dura per rilevare un oggetto diffi cile da raggiungere. Reagiscono sia su un interruzione di quest onda ma anche sull eco di ritorno. Questi sensori vengono utilizzati se un oggetto è prodotto da un isolatore di suono (cotone, gomma ecc.) o se la superfi cie frontale dell oggetto e l asse del sensore non sono ortogonali. Come funzionano i sensori a due convertitori in un alloggiamento? I sensori a due convertitori in un involucro possono lavorare sia con sensori a diffusione sia con sensori retrorifl ettenti con un rifl ettore (figura 3.13). Il primo convertitore è il trasmettitore e il secondo è il ricevitore dell onda ultrasonica. Un tale sensore rileva anche oggetti piccoli nelle strette vicinanze del sensore visto che il ricevente può lavorare contemporaneamente con il trasmettitore. I due convertitori vanno però sincronizzati.. Come si misura la distanza? La maggior parte di sensori ad ultrasuoni hanno sia un uscita binaria che una analogica. Se si vuole misurare una distanza viene utilizzata l uscita di tensione o l uscita di corrente. La tensione o l intensità di corrente è proporzionale alla distanza misurata 17

148 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 4 Sensori optoelettronici 4.1. Tipologie di sensori Esercizio 1 Come funzionano sensori fotoelettrici? Nei sensori a sbarramento il fascio luminoso viene inviato dall emittente direttamente al ricevente che si trova sullo stesso asse, ma in un supporto separato. Questi sensori rilevano gli oggetti che si trovano tra l emittente e il ricevente e che interrompono il raggio di luce.. Che propietà hanno i sensori fotoeletricci? Sono robusti rispetto a condizioni di solito ritenute critiche (p.es., sporco, vapore e nebbia). Il loro raggio d azione è il maggiore (più di 50 m). Le due versioni costruttive più diffuse sono quella cilindrica e quella a forma di parallelepipedo. Quali oggetti vengono captati? Tali sensori rilevano oggetti di un materiale qualsiasi e la superfi cie dell oggetto può, senza problemi, essere colorata, trasparente, ruvida, scivolosa. Come funzionano i sensori fotoelettrici retroriflettenti? Trasmettitore e ricevitore dei sensori retrorifl ettenti si trovano in un supporto. La luce viene rifl essa da un rifl ettore in direzione del ricevitore, l oggetto diffonde il raggio di luce e il segnale d uscita viene commutato.. Come funziona il sistema a tre di specchi (triple mirrors)? La legge di retrorifl essione bidimensionale vale anche per un sistema di tre specchi che si trovano perpendicolari l uno verso l altro. Il raggio di luce che arriva viene rifl esso da tutte e tre le superfi ci e il raggio rifl esso è parallelo a quello incidente. Un sistema di tre di specchi (triple mirrors) viene utilizzato come rifl ettore nei sensori retrorifl ettenti. Da quale raggio di luce effettivo dipendono? Il raggio di luce effettivo dipende dal diametro delle lenti nel trasmettitore e nel ricevitore e dalla superfi cie del rifl ettore.. 18

149 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 4.2 Elaborazione del signale Come funzionano i sensori di luci? I sensori a diffusione hanno soltanto un involucro nel quale si trovano trasmettitore e ricevitore. Il loro grande vantaggio è che non richiedono un rifl ettore. La luce generata dall emittente viene rifl essa da un oggetto e torna al ricevitore ed in seguito viene commutato il segnale d uscita.. Che qualità proprietà hanno i sensori di luce? I sensori a diffusione hanno un modesto raggio di azione che è mm. Oggetti al di fuori del raggio di azione non vengono individuati così come i disturbi da essi generati vengono automaticamente eliminati. Il raggio d azione dipende dal coeffi ciente di rifl essione dell oggetto da rilevare che viene infl uenzato da colore e tipo della superfi cie. Una superfi cie lucida può rifl ettere la luce anche se si trova lontana dal sensore, però disturba l esatta individuazione dell oggetto. Una superfi cie opaca assorbe una parte della luce e a volte il raggio rimanente non basta per rilevare l oggetto. Qual viene stabilito il massimo raggio d azione? Per determinare la portata massima di un sensore di luce, una superfi - cie calibrata dispersivo utilizzato (un foglio di carta bianca), che rifl ette il 90% della luce Esercizio 2 Cosa può interferire con il funzionamento sensori fotoelettrici? I sensori a diffusione sono sensibili nei confronti di disturbi che vengono generati dall interferenza ottica, soprattutto quella di una luce naturale con intensità costante e quella di una luce artifi ciale con uno spettro simile a quello della luce naturale, o di una luce lampeggiante. I raggi di luce di queste fonti che raggiungono un sensore optoeletronico possono influenzare la corrente generata dall emittente e causare segnali d uscita sbagliati. Per evitare reazioni sbagliate i sensori vengono attrezzati con sistemi che in un certo grado escludono questi disturbi e infl uenzano la sensibilità dei sensori in maniera adatta. Lo sporcamento (olio o polvere su superfi cie di oggetti scoperti e dei lenti dei sensori) può generare problemi aggiuntivi. Quali sensori sono particolarmente sensibili nei confronti dall interferenza ottica? I sensori sono particolarmente sensibili ai disturbi causati dalla interferenza ottica, specialmente da una luce naturale con uno spessore costante, da una luce artifi ciale con uno spettro di radiazioni che la luce naturale è simile, o una luce lampeggiante. Quelle sono i vantaggi del luce modulata? Se i sensori optoelettronici usano luce modulata non sono sensibili alla luce dell ambiente esterno. La luce dall emittente poi viene accesa soltanto per un breve arco di tempo (molto più breve della pausa fra gli impulsi) - i sensori sono meno sensibili alla luce dell ambiente. - il raggio d azione del sensore diventa maggiore - la misura del calore prodotto diminuisce - la durata di vita dei LED aumenta 19

150 Minos Sistemi meccatronici e funzioni Che cos è la polarizzazione della luce? Il fenomeno della polarizzazione consiste nell ordinamento delle oscillazioni delle onde luminose. Se un onda di luce non è polarizzata si verifi cano oscillazioni del campo elettrico e magnetico in diverse direzioni. Se la luce è polarizzata queste oscillazioni hanno soltanto una direzione. Che cosa sono i filtri di polarizzazione? Sia la luce naturale sia la luce emessa dai LED non è polarizzata. Se la luce attraversa un filtro di polarizzazione rimane soltanto la componente del raggio diretta lungo la direzione di polarizzazione. Se un raggio di luce che già ha attraversato un filtro con polarizzazione orizzontale (figura 4.6a) passa per un fi ltro con polarizzazione verticale viene totalmente fi ltrato. La polarizzazione elimina la riflessione? La riflessione diffusa disturba la polarizzazione. Se la luce polarizzata viene rifl essa da uno specchio (fi gura 4.6c) la polarizzazione non viene eliminata. Perché usare la luce polarizzata in sensori opto-elettronici? Scegliendo fi ltri adatti e regolati opportunamente possono essere evitati disturbi generati da superfici riflettenti. Inoltre si possono rilevare elementi trasparenti. Chè cos è il margine operativo? A causa dell influenza dell ambiente (p.es. sporco sulle lenti, cambiamento del coefficiente di riflessione dell oggetto, invecchiamento dall emittente) potrebbe diminuire la quantità di luce incidente sul sensore optoeletronico e di conseguenza il livello del suo segnale d uscita. Il livello del segnale quindi potrebbe essere non suffi ciente a commutare il segnale d uscita e compromettere quindi la funzionalità del sensore. Per evitare queste situazioni si deve avere a disposizione un margine operativo aggiuntivo di livello del segnale margine operativo = quantità effettiva di luce rilevata / livello minimo necessario a commutare il segnale d uscita Quanto grande deve essere il margine operativo? Se sono note le condizioni di lavoro del sensore si può stabilire il surplus di luce necessario che in modo da dimensionare un fusibile di protezione contro l eccessivo smorzamento dell energia della luce. Maggiore è il surplus, più affidabile è il sensore. Quanto maggiore è il rischio di oscillazioni casuali del segnale incidente sul ricevitore tanto maggiore deve essere il margine operativo. Se la luce è pulita e la probabilità di sporcamento della lente è piccola il margine operativo minimo deve essere maggiore di 1,5. Se l ambiente è molto sporco e la possibilità di pulire la lente è limitata il margine operativo minimo dovrebbe essere ancora maggiore di

151 Sistemi meccatronici e funzioni Minos Che cos è il tempo di reazione (response time)? Il tempo di reazione è l arco di tempo che intercorre tra l istante in cui il fascio luminoso investe il sensore e l istante di commutazione del segnale originale. Il tempo di rilascio è invece l arco di tempo tra la rimozione dell oggetto rilevato e la commutazione del segnale originale. Questi tempi non deveono necessariamente coincidere. 4.3 Tipi speciali di sensori optoelettronici Esercizio 1 Qual è la differenza tra sensori retroriflettenti fotoelettrici con a zenza polarizzazione? Nei sensori retroriflettenti che sfruttano la polarizzazione, la luce generata dall emittente viene indirizzata con una lente convergente e un fi ltro orizzontale di polarizzazione verso un rifl ettore con specchi tripli. Gli specchi tripli ruotano la direzione di polarizzazione del fascio luminoso di 90. Una parte della luce riflessa attraversa un filtro verticale di polarizzazione prima di raggiungere il ricevitore che, in tal modo, viene investito dalla sola luce rifl essa dal rifl ettore. Come è possible nascondere l effetto delle cose in primo piano e di sfondo? In molti sensori a diffusione è possibile regolare la distanza operativa minima e massima (fi gura 4.11). Questo viene effettuato modificando fi sicamente l angolo di ricezione o quello dello specchio ausiliario. Il procedimento elettronico della rimozione dell influenza dello sfondo è ancora più effi cace. In tal modo il sensore riconosce e fi ltra automaticamente il disturbo dello sfondo. Questo procedimento viene utilizzato in sensori a diffusione con due ricevitori di luce o in un sensore a triangolazione fornito di una telecamere CCD o un convertitore PSD. Quali sono tre modi in cui tali sensori rimuovono elettronicamente l influenza dello sfondo? Ci sono tre modi in cui tali sensori rimuovono elettronicamente l influenza dello sfondo: - mediante il non rilevamento dell oggetto 3 posto ad una distanza maggiore di quella operativa - mediante il non rilevamento dell oggetto 3 posto ad una distanza minore di quella operativa - mediante il rilevemanto del solo oggetto 1, che si trova all interno dell intervallo operativo Che cos è l autocollimazione? L autocollimazione è la trasformazione automatica del raggio di luce diffuso in un raggio parallelo. Anche se il diametro del raggio è piccolo, è sufficiente a raggiungere il ricevitore.. 21

152 Minos Sistemi meccatronici e funzioni Quali sono i vantaggi dell autocollimazione? Grazie all autocollimazione si possono rilevare oggetti trasparenti e oggetti che si trovano nella zona morta. Come sono realizzati cavi in fibra ottica? Il cavo in fi bra ottica più semplice è un bastone di vetro o plastica che termina con superfi ci piane. Oggi viene utilizzato come nucleo del cavo in fi bra ottica. È avvolto da un rivestimento di un altro tipo di vetro o una plastica con un coeffi ciente di rifrazione della luce più piccolo Che cosa è la riflessione totale nelle fibre ottiche? Il principio di funzionamento dei cavi in fibra ottica si basa sulla riflessione totale della luce interna alla frontiera fra due sostanze con coeffi ciente di rifrazione della luce diverso. Dopo la rifl essione, il 100% dell energia della luce resta nel cavo in fi bra ottica. Il raggio di luce viene rifl esso soltanto dalla barriera / limite se si trova nel mezzo con il coeffi ciente di rifrazione della luce più alto.. Qual è la differenca tra cavi di vetro e cavi di plastica? I cavi di vetro possono essere sottoposti a temperature più alte (fi no a 250 ) dei cavi di plastica (fi no a 70º). I cavi di plastica però sono più duri, hanno un prezzo più basso e possono essere tagliati in maniera più semplice. I cavi di vetro trasmettono senza problemi sia la luce visibile sia la radiazione infrarossa. I cavi di plastica vengono utilizzati invece soltanto per trasmettere la luce visibile perché hanno un basso coeffi ciente di effi cacia nella trasmissione della radiazione infrarossa. Come funzionano sensori optoelettronici con cavi in fibra ottica? I sensori optoeletronici con cavi in fi bra ottica funzionano come normali sensori optoeletronici fatta eccezione per il fatto che mediante tali cavi viene trasmessa soltanto la luce emessa. La testa del cavo in fi bra ottica è molto piccola (alcuni mm) e può essere inserita anche in posti difficili da raggiungere, a volte molto lontani dai circuiti optoeletronici del sensore. L elettronica si trova in un amplifi catore separato. 22

153 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 4.4. Tecniche di collegamento Esercizio 1 Quali moda di lavorare hanno i sensori ottico - elettronici? I sensori optoeletronici hanno due modi di lavorare: - il procedimento scuro (DO, dark operate) - il procedimento chiaro (LO, light operate) L uscita di sensori che usano il procedimento scuro è attiva (ON) se la luce emessa non raggiunge il ricevente. L uscita di sensori che usano il procedimento chiaro è attiva (ON) se la luce emessa raggiunge il ricevente. Come dipendono dalla grandezza e dalla forma della zona di scambio del segnale d uscita? Ogni sensore optoeletronico ha una zona caratteristica di commutazione del segnale d uscita. La sua grandezza e la sua forma dipendono dal diametro del raggio di luce emesso e dalla distanza tra oggetto rilevato e sensore. Se l oggetto rilevato si trova in tale zona, il segnale d uscita viene commutato. 23

154 Minos Sistemi meccatronici e funzioni 5 Sensori magnetici 5.1 Informazioni di base Esercizio 1 Quali materiale ferromagnetico sono forti e quali deboli? Il ciclo d isteresi dipende dalle caratteristiche del materiale (fi gura 5.2). Maggiore è l area del diagramma del ciclo d isteresi, più il materiale è diffi cile da smagnetizzare. Tali materiali (Fe-Co, Ni-Co, ferriti duri) vengono chiamati forti e utilizzati come magneti permanenti. Se l isteresi è stretta, il materiale viene smagnetizzato e magnetizzato facilmente. Tali materiali (ferro, Fe-Si, Fe-Al, ferrite morbida, leghe amorfe) vengono chiamati deboli e utilizzati come nucleo magnetico. Che cos è l effetto Hall? L effetto Hall consiste nella generazione di un campo elettrico aggiuntivo in una piastra di un conduttore o semiconduttore che si trova in un campo magnetico esterno. Sotto l infl uenza del campo magnetico esterno le cariche elettriche si addensano da un solo lato della piastra e nasce una differenza potenziale (cosiddetta tensione Hall VH ) Perché un campo magnetico varia la magnetoresistenza di un semiconduttore? La magnetoresistenza di un semiconduttore aumenta a causa dell infl uenza di un campo magnetico esterno H, poichè questo modifi ca la direzione della corrente I che attraversa il semiconduttore di un angolo α. Ciò comporta che le cariche elettriche devono coprire una distanza maggiore (fi gura 5.4). Maggiore è l intensità del campo magnetico maggiore è l angolo α. Cosa succede se corrente attraversa un elettrodo di oro o alluminio? Se la corrente attraversa un elettrodo di oro o alluminio ne viene modificata la direzione. In questo caso le cariche elettriche devono attraversare una distanza ancora più lunga e la resistenza aumenta fi no al valore RM funzione di α.. Che cos è l effetto Wiegand? L effetto Wiegand è la produzione di un impulso elettrico in una bobina che, quando cambia la direzione del campo magnetico esterno, è stata avvolta intorno ad un conduttore ferromagnetico con caratteristiche magnetiche speciali (conduttore dell impulso).. 24

155 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 5.2 Tipi di sensori magnetici Esercizio 2 Quali sono i vantaggi dei sensori magnetici? Questo tipo di sensori viene utilizzato spesso nell automazione industriale grazie ad un grande raggio d azione e all ampia gamma di alloggiamenti compatti ed ermetici. Le forme di base dei sensori magnetici non hanno bisogno di alimentazione e possono essere collegati direttamente al centro di controllo. Un altro vantaggio è l ampio intervallo di tensioni e correnti di collegamento (più di 1000 V e alcuni A)... Quali oggetti possono essere rilevati dai sensori magnetici? I sensori magnetici reagiscono ad un campo magnetico che normalmente viene generato da magneti permanenti fi ssati all oggetto da rilevare. Gli oggetti possono essere prodotti in materiali diversi anche se sono preferibili oggetti non ferromagnetici perché garantiscono una raggio d azione maggiore. A quale tipo di elementi reagiscono i sensori magnetici? Gli elementi che reagiscono al campo magnetico posso essere: un contatto elettrico chiuso ermeticamente (contatto Reed), un elemento di un semiconduttore (sensore Hall), una resistenza magnetica o un materiale di caratteristiche magnetiche speciali.. Può essere rilevato un oggetto che si trova in un tubo di plastica? Campi magnetici attraversano la maggior parte dei materiali non magnetici. Perciò un oggetto può essere rilevato, anche se si trova un diamagnetico (p.es. un tubo di plastica o un contenitore di plastica) fra oggetto e sensore. Se un sensore vien Qual è il principio di un sensore che si basa sulla funzione di un contatto Reed? Il funzionamento di un tale sensore si basa sulla funzione di un contatto Reed, che reagisce all avvicinamento di un magnete. Un sensore Reed immerso in un campo magnetico, viene magnetizzato. Se la forza che attira i contatti è maggiore della forza elastica lo stato del contatto Reed viene commutato e il circuito viene chiuso e collegato ad un carico. 25

156 Minos Sistemi meccatronici e funzioni In quale stato rimarranno i contatti di un contatto Reed, quando non è in un campo magnetico? Quando il campo magnetico viene spento i contatti si separano a causa della forza elastica e il circuito resta aperto.. Che cosa determina il raggio d azione massimo,smax, di un sensore di campo magnetico? L intensità del campo magnetico dipende dalle caratteristiche del materiale e dalla dimensione del magnete. Ciò determina il raggio d azione massimo del sensore Smax. Quali forme può avere l alloggiamento dei sensori magnetici con un contatto Reed? Che cosa si definisce la forma? L alloggiamento dei sensori magnetici con un contatto Reed può avere forme diverse (cilindriche, quadratiche o molto complesse) che dipendono dalle condizioni d uso. La forma del sensore impone la zona dove un magnete si può muovere. Per qualche sensore il magnete si deve muovere soltanto lungo la superfi cie frontale del sensore. Per altri sensori il magnete si può muovere anche di fronte alle superfi cie laterale del sensore. Come funzionano i sensori a effetto Hall? I sensori Hall hanno bisogno di essere alimentati con corrente continua. Se un magnete si trova al di fuori del raggio d azione del sensore la corrente attraversa indisturbata la piastra di materiale semiconduttore e la differenza di potenziale sui bordi della piastra è 0. Se un magnete si trova nel raggio d azione del sensore il suo campo magnetico induce tensione Hall sui bordi della piastra. Questa tensione viene misurata e regola il transistore d uscita del sensore 26

157 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 5.3 Sensori magnetoresistivi Esercizio 3 Come funzionao i sensori ad effetto Wiegand? Il funzionamento di sensori Wiegand si basa sul registrazione dei cambiamenti di direzione della magnetizzazione (polarizzazione) del nucleo di una conduttore d impulso. Se cambia la direzione del campo magnetico esterno, può cambiare anche la polarizzazione del nucleo.. Come vengono rintracciati magneti mobili di sensori Wiegand? Nel primo caso un conduttore impulsivo è esposto ad un campo generato da un magnete con la polarizzazione N/S e poi il campo di un magnete con la polarizzazione inversa S/N. A causa del cambiamento del campo magnetico esterno viene generato un impulso elettrico nella bobina in prossimità del conduttore impulsivo.. Come vengono rintracciati i conduttore impulsivi dei sensori Wiegand? Nel secondo caso per cambiare la direzione di magnetizzazione del nucleo, un conduttore impulsivo viene spostato davanti ad un un magnete con la polarizzazione N/S e poi davanti a un magnete con la polarizzazione inversa S/N. In questo procedimento i magneti e la bobina si trovano nel sensore, ed è il conduttore impulsivo l elemento mobile.. Di che tipo di alimentazione hanno bisogno i sensori Wiegand? I sensori Wiegand non hanno bisogno di alimentazione. Contengono due conduttori e possono lavorare in condizioni diffi cili. La frequenza e l ampiezza degli impulsi generati possono essere elevati (fi no a 20 khz e alcuni Volts). Com è fatto il sensore magnetico più semplice? Il sensore magnetico più semplice consiste in una bobina avvolta su un magnete permanete. Un oggetto ferromagnetico che si muove vicino al sensore modifi ca il campo magnetico che attraversa la bobina e genera in essa una tensione.. Qualli ogetti possone esseri rintraccati da un sensore magnetico? Tali sensori non rilevano però oggetti immobili perché la tensione d uscita dipende dalla velocità dell oggetto. Più lentamente si muove un oggetto minore sarà la tensione d uscita. Se l oggetto non si muove la tensione è pari 0 V. Valori bassi della tensione d uscita devono essere amplifi cati per commutare il segnale d uscita.. 27

158 Minos Sistemi meccatronici e funzioni Il sensori magnetico richiedere un alimentazione? Tali sensori non richiedono alimentazione. La loro risoluzione è alta. Può essere addirittura di 1/100 quando viene misurata una velocità di rotazione Principi di montaggio e Applicazioni Esercizio 1 Quali requisiti occorre soddisfare se un sensore magnetico viene montato vicino ad un elemento ferromagnetico? Se un sensore magnetico va montato in un elemento ferromagnetico tale distanza dovrebbe essere la maggiore possibile. Inoltre dovrebbe essere utilizzato uno strato aggiuntivo di dielettrico fra sensore e l elemento.. Cosa succede se un oggetto non ferromagnetico si trova fra sensore e magnete? Se si trova un oggetto non ferromagnetico fra sensore e magnete, il comportamento del sensore non viene disturbato. Viceversa, se si interpone un oggetto ferromagnetico fra sensore e magnete, la funzione del sensore viene disturbata e il segnale d uscita potrebbe essere erroneamente commutato.. Quando sono utilizzati i sensori magnetici? I sensori magnetici vengono utilizzati per: - rilevare oggetti che si trovano in un tubo di plastica o un contenitore di plastica - rilevare oggetti che si trovano in un ambiente aggressivo attraverso uno strato protettivo - rilevare oggetti ad elevate temperature (un elemento ferromagnetico si può trovare vicino all oggetto) - rilevare oggetti in rotazione e/o traslazione. 28

159 Sistemi meccatronici e funzioni Minos 6 Funzioni dei sensori in sistemi meccatronici Esercizio 1 Che cosa in grado di rilevare i sensori nei sistemi meccatronici? I sensori vengono impiegati nei sistemi meccatronici principalmente per assicurare la corretta operazione dei loro componenti e l esecuzione relativa ai processi di funzioni di controllo. Essi vengono usati per identificare: - l esecuzione dei sistemi nelle loro condizioni di operazione, misurando i parametri dei sistemi operativi; - la correttezza dei processi dei parametri di controllo, attraverso il monitoraggio periodico o continuo dei valori dei parametri; - il disturbo di operazione, attraverso una diagnosi del sistema; - la degradazione delle proprietà del sistema, e i difetti, attraverso una determinata analisi. Cosa parametri di utilizzo dei sistemi meccatronici moderni possono essere controllati da sensori? - la velocità e l accelerazione di lavoro dei movimenti di assemblaggio, valutati attraverso i sensori contact oppure non-cantact ; - posizioni, posizionamento e orientazione degli assemblaggi e oggetti, riconusciuti dai sensori contact o non-contact ; - le distanze di movimento valutate da percorsi di sensori semplici o complessi a seconda della precisione richiesta del path control ; - la velocità del movimento di ausiliari, misurati dai sensori di velocità quando la velocità è il soggetto da controllare; - carichi trasmessi e applicati (forza, pressione, corrente, elettricità e forza torcente) che devono essere controllati dai sensori e monitoraggi; - condizioni permissive del sistema termicoper moduli particolario e i loro componenti relativi, identifi cati attraverso la misurazione di temperatura per mezzo di sensori collocati all interno dei moduli; - abilità di movimenti integrati identifi cati per mezzo di percorsi integrati, sensori di velocità e accelerazione; - proprietà di energia dei sistemi e i loro rispettivi moduli, misurati direttamente o indirettamente dai sensori. I sistemi di operazione sopra descritti vengono eseguiti alla base dei dati raccolti dai sensori. Oltre ai sistemi di misurazione, i sensori devono soddisfare altre esigenze p. es. la magnitudine, lo stato e la localizzazione della misurazione dei processi di segnale possibili e la trasmissione di interferenze e comunicazione dei circuiti.. 29

160 Minos Sistemi meccatronici e funzioni Esercizio 2 Quale algoritmo utilizzano le funzione dei sistemi meccatroni? - Riconoscimento dell uscita per l esecuzione di una funzione - Una preparata valutazione per le funzioni di attivazione. - Funzione di attivazione - Osservazione dell esecuzioni delle funzioni - Decisione al termine dell esecuzione delle funzioni - Funzione di disattivazione - Informazioni riguardo il termine delle funzioni Perché i sensori sono utilizzati nei processi diagnostici? Il ruolo dei sensori nei processi diagnostici riconduce ad un accurata e affi dabile misurazione dei parametri avendo una attinenza nella correttezza delle operazioni dei sistemi meccatronici. Che cosa può essere determinato con questi sensori? Maggiore è la complessità dei sistemi meccatronici e la precisione ad essi necessaria, più grande deve essere la precisione con la quale viene misurata la rilevanza dei parametri. Anche la riabilità operativa dei sensori ed il loro processo di segnale deve essere maggiore. Nella fabbricazione dei sistemi a sensori possono essere riportate informazioni circa: - la correttezza del ciclo di lavoro; - lo stato degli strumenti; - lo stato dei chip; - la continuità nel raffreddamento degli strumenti e dei pezzi di lavoro; - lo stato dello strato della superfi ce; - le dimensioni, ecc. Che cosa significa la supervisione dei sistemi meccatronici? La supervisione delle operazioni svolte dai sistemi meccatronici consiste nel verificare se i presunti parametri operativi del sistema rientrino nel loro limiti permissibili. Su queste basi i parametri vengono corretti dal sistema di controllo e l apposito dispositivo meccatronico o l individuazione degli errori vengono compensati possibilmente dal sistema di controllo. Le misurazioni dei segnali inviate dai sensori vengono elaborate e comparate con i valori richiesti. Ciascuna differenza tra i due set di valori costituisce una modifi ca del segnale del sistema di controllo oppure un errorwe instantaneo compensato in un modo specifi co.. Come sono utilizzati i sensori nel servizio diagnostico? In tipo di diagnostica estremamente importante è la manutenzione dei sistemi meccatronici, continua o periodica. Lo stato di un sistema meccatronico viene valutato in modo da eseguire continue riparazioni o correggere parametri di operazioni rilevanti. La valutazione viene fatta attraverso la misurazione dei parametri che indicano la logorazione dei componenti del sistema, per mezzo di sensori specifi ci. I sensori sono istallati in modo permanente nelle strutture di certi sistemi, oppure vengono incorporati in sensori singoli o multipli dei sistemi di misurazione specializzati. 30

161 MECCATRONICA Modulo 8: manutenzione remota, diagnosi Soluzioni (concetto) Jerzy Jędrzejewski Politecnico di Wroclaw, Polonia Concetto europeo per la Formazione Continua in Meccatronica di personale esperto nella produzione industriale globalizzata Progetto UE no Minos, durata dal 2005 al 2007 Progetto UE no. DE/08/LLP-LdV/TOI/ MINOS ++, durata dal 2008 al 2010 Il presente progetto è finanziato con il sostegno della Commissione europea. L autore è il solo responsabile di questa pubblicazione (comunicazione) e la Commissione declina ogni responsabilità sull uso che potrà essere fatto delle informazioni in essa contenute.

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163 Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Trainerguideline Minos 1 Aims and tasks of remote diagnostics and servicing Problem 1 What are the reasons for taking diagnostic measures? Malfunctions of and damage to ma chines during their operation result in high costs of production delays, standstills an d repairs for the users. Therefore it has become necessary to continuou sly monitor machines and processes, forecast disturbances, take measures preventing process quality deterioration and take necessary remedial actio ns based on the forecasts. What is the task of remote diagnostics? The task of remote diagnostics is to wirelessly t ransmit (for a short o r considerable distance) diagnostic signals with the require d informational conte nt from the diagnosed object to a near or far receiver, a monitoring station or a monitoring centre. A proper inference system, an intelligent advisory system or an expert will assess the disturbances and will take appropriate service decision s, remotely gene rating forecasts, evaluating the deviations and identifying the degradation of the operating parameters with a required accuracy and probability. What is the task of a remote servicing system? The tasks of a remote servicing system include: - preventing excessive deterioration of mechatronic system (machine and equipment) operating paramet ers by redu cing disturb ances and compensating errors; - predicting excessive errors and defects befor e they occur, whereby remedial action can be taken in a planned and prepared way to keep adverse economic consequences to minimum (intelligent action); - optimum planning of service tasks for operating periods most convenient to the user. What are the advantages of remote connection of sensors to communication networks? The remote connection of sensors to communication networks has resulted in almost limitless possibilities of controlling the diagnosis process using not only single sensors b ut also groups of sensors. As a result, information from se nsors can be used by control, diag nostic and forecasting systems. 3

164 Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Trainerguideline Minos 2 Idea, components and operation of diagnostic system Problem 2 What are the input data for object diagnostics? The input data for object diagnostics are: - diagnostic signal properties and a cquisition points (sensor locations, the rate of changes and availability for service), - the boundary values of controlled quantities, - dependencies between the generated signal and the disturbances in the performance of an object or a process, - sensors a nd measuring instruments (sensit ivity, complexity, adaptability, numerousness, cost, the degree of automation), - the form of acquired information, - the methods of processing signals, - verification methods, - the method of communicating with receivers, - the strategy of diagnosis, - inference methods. What are the criteria for designing diagnostics? The criteria for designing diagnostics are: - diagnostic signal sensitivity to changes in machine/process performance and information capacity, - the degree of machine/process degradation, - the level of service personnel qualifications, - reliability, - operating costs. What do typical units for diagnosing mechatronic objects consist of? A typical unit for diagno sing mechanical objects consists of the following assemblies and components: 1. A measuring system (sensors, matching systems responsible f or energy and information matching of signals, d iagnostic sockets for retrieving information from the object). 2. Instrumentation amplifiers, a/d converters, channel sele ctors, I/ O ports and other. 3. A digita l signal pro cessor (u sed for calculating diagn ostic symptoms). 4. A decision system (incorporatin g logic con verters, voltage level translators, digital comparators and other). 5. An infor mation display system which deco des information and pre - sents it in the form most convenient for the user (monitor, printer, analogue indicators, digital indicators and other). 6. An information storage system (memory: RAM, RAM-DISK, VDISK). 7. Software (operating system, signal processing and analysis, state diagnosis a nd predictio n, function s performed by the diagnostic un it, communication between system la yers, system operation management). 4

165 Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Trainerguideline Minos 3 Idea, components and operation of service diagnosing system Problem 3 What is the purpose of and what does service diagnostics consists in? As opposed to the general diagnosing of the operation of an object and the work processes the latter carries out, which informs the user if the disturbances are within permissible limits and if sufficient product accuracy is bein g achieved, the purpose of service diagnostics is period ic error correction and planned recovery of the correct operating parameters. Service diagnostics consists in tracking the degree of object (machine) degradation in order to apply error correction and compensatio n or carry out a planned and well prepared repairs during a short standstill at a t ime convenient for the use r. Thus the purpose of service diagnostics is to restore the machine s operating parameters guaranteeing the desired process (product) accuracy. Describe the course of degradation of an operating parameter of a machine and the classification of the latter s technical condition. If the symptom exceeds admissible value U d, this means that the diagnosed device is no long er fully func tional but it can be operated for a certain time, i.e. it is still capable of performin g its functio ns. If the symptom exceeds boun dary value U g (which marks the u ltimate date for doing repairs), this means that it is no longer fit for use. Serviceability and unse rviceability areas can overlap to some e xtent. In the overlapped area the device is not fully functional but still serviceable. What are the main trends in the development of service diagnostics? Remote diagnostics an d servicing have stro ng economic reason s since they contribute to longer prod uct life. The refore attempts to increase product life span will translate into the development of diagnostics and supervision. In addition, as the globalization of manufacturing increases so does its dispersion whereby it becomes n ecessary to employ remote diagnostics an d ser vicing in or der to signif icantly increase the reliability of mechatroni c systems, te chnological processes and the manufactured products. T his means t hat diagnostic system modularity will continue to be devel oped and an ever larger number of diagnostic functions will be carried out by intelligent sensor s. The development of remote diagnosing a nd servicing of machine systems tends towards full coverage of the latter and to wards total supervision and servicing based on forecasts. 5

166 6 Remote diagnostics and servicing of mechatronic systems - Trainerguideline Minos