LIUC - Castellanza Aprile Esempi di Sensori: Sensori di Prossimità

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1 Esempi di Sensori: Sensori di Prossimità Sensori (Interruttori) di Prossimità La presenza/assenza di un bersaglio (target) entro il campo di rilevazione del sensore determina un segnale di uscita di valore alto/basso (o viceversa) uscita soglia distanza Si tratta di sensori con uscita binaria, da cui il nome interruttori In molti casi usano un metodo di rilevazione senza contatto Sono molto utilizzati nell automazione industriale e realizzati secondo numerosi principi di trasduzione Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 1

2 Sensori di Prossimità Capacitivi Il valore della capacità di un condensatore di opportuna geometria dipende dalla prossimità del bersaglio, e dalle sue caratteristiche conduttive/dielettriche Sensori di Prossimità Induttivi Il valore dell induttanza di un induttore di opportuna geometria dipende dalla prossimità del bersaglio, e dalle sue caratteristiche conduttive/magnetiche Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 2

3 Sensori di Prossimità Ottici Costituiti da coppie LED-fotodiodo nel visibile o nell infrarosso Modelli a riflessione e a trasmissione Sensori di Prossimità a Ultrasuoni Trasduttori tipicamente piezoelettrici che emettono un impulso acustico ultrasonoro e lo rilevano dopo che ha interagito col bersaglio da rilevare Modelli a riflessione e a trasmissione Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 3

4 Sensori di Prossimità a Ultrasuoni Nei modelli a riflessione si misura il tempo di volo dell impulso sonoro o l intensità del segnale riflesso Trasmissione 0 0 Ricezione tempo di volo tempo tempo Sensori di Prossimità a Ultrasuoni Nei modelli a trasmissione si misura l intensità del segnale rilevato dal ricevitore affacciato al trasmettitore tra cui è posto il bersaglio Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 4

5 Esempi di Sensori: Sensori di Pressione Definizioni (1) La pressione P è la forza F agente in direzione normale ad una superficie divisa per l area A di tale superficie: P = F A L unità di misura del Sistema Internazionale (SI) per la pressione è il pascal: 1 Pa = 1N 2 m F A Di particolare interesse pratico e applicativo è la pressione esercitata da/su fluidi (liquidi o gas) Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 5

6 Definizioni (2) Pressione assoluta (absolute): pressione riferita alla pressione nulla (stato di vuoto) Pressione atmosferica (atmospheric): pressione esercitata dall atmosfera al livello della superficie terrestre Pressione differenziale (differential): differenza di pressione rispetto a un determinato livello di pressione di riferimento Pressione relativa (gauge): pressione differenziale riferita alla pressione atmosferica P = P + P assoluta gauge atmosferica pressione assoluta pressione atmosferica pressione relativa (gauge) vuoto Unità di Misura In aggiunta all unità di misura SI (pascal, Pa) sono nella pratica utilizzate altre unità di misura, tra cui atmosfera (atm), bar (bar) e millibar (mbar): 1atm = 1013 mbar = Pa Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Riprodotto a esclusivo scopo didattico. Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 6

7 Pressione di una Colonna di Fluido La pressione esercitata sulla superficie alla base di un tubo da parte della colonna di fluido (per esempio un liquido) posto nel tubo dipende linearmente dall altezza h della colonna Detta ρ la densità del fluido, A l area della sezione del tubo, g l accelerazione di gravità, la pressione P alla base del tubo vale: P = ρahg A = ρhg h A Manometro a Tubo a U Se le pressioni P 1 e P 2 applicate alle due estremità del tubo sono uguali, il liquido ha la stessa altezza in entrambi i tubi Se le pressioni applicate sono differenti, per es. P 2 > P 1, si ha una differenza relativa h tra le altezze h 1 e h 2 delle due colonne data da: P 2 + ρgh2 = P1 + ρgh1 h P2 P = ρg 1 = h1 h2 h 2 h 1 Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 7

8 Sensori a Setto Deformabile (1) Un diaframma A (sezione spessa ) o una membrana B (sezione sottile ) funzionano come setti che si deformano in risposta a una pressione differenziale P applicata alle due facce opposte Dalla misura della deformazione z, si risale a P Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Riprodotto a esclusivo scopo didattico. Sensori a Setto Deformabile (2) La misura della deformazione z, tipicamente molto piccola, può essere condotta con differenti metodi tramite sensori primari di spostamento o di deformazione Sensore primario di spostamento o di deformazione Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Riprodotto a esclusivo scopo didattico. Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 8

9 Sensori di Pressione Estensimetrici La deformazione del diaframma indotta dalla pressione viene rilevata mediante estensimetri (strain gage) applicati sul diaframma in posizioni opportune Collegamento a Ponte di Wheatstone Gli estensimetri vengono collegati in configurazione a ponte (detto di Wheatstone) in cui a coppie lavorano in trazione T e compressione C per aumentare la sensibilità e compensare gli effetti di deriva termica R 1 R 4 R 2 R 4 R 2 R 3 V eccitazione R 1 R 3 V out Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 9

10 Sensori di Pressione Capacitivi (1) La deformazione del diaframma indotta dalla pressione viene rilevata mediante la misura della capacità formata dal diaframma e da elettrodi di riferimento fissi Sensori di Pressione Capacitivi (2) Sono possibili configurazioni : a capacità singola C a coppia di capacità che variano in modo opposto (push-pull) Tratto da Sensors and Signal Conditioning R. Pallas Areny, J.G. Webster, John Wiley and Sons Riprodotto a esclusivo scopo didattico. C1 C2 Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 10

11 Sensori di Pressione Induttivi La deformazione del diaframma indotta dalla pressione viene rilevata mediante la misura della variazione di accoppiamento magnetico tra due induttori che operano in modo push-pull Tratto da Sensors and Signal Conditioning R. Pallas Areny, J.G. Webster, John Wiley and Sons Riprodotto a esclusivo scopo didattico. L 1 L 2 Sensori di Pressione Ottici La deformazione del diaframma indotta dalla pressione viene rilevata mediante una coppia LED-fotodiodo che misura la variazione di intensità luminosa Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 11

12 Esempi di Sensori e Trasmettitori di Pressione Commerciali Sensori di Pressione MEMS in Silicio Larga e crescente diffusione nel settore automobilistico e in campo medicale Due principi di trasduzione utilizzati prevalentemente: Piezoresistivo Capacitivo Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 12

13 Sensori MEMS Piezoresistivi Diaframma microlavorato in silicio con deformazione rilevata tramite piezoresistori impiantati, configurati a ponte di Wheatstone Sensori MEMS Capacitivi Diaframma microlavorato in silicio con deformazione rilevata tramite variazione di capacità Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 13

14 Rassegna con Esempi di Metodi e Configurazioni Tratto da Sensors and Signal Conditioning R. Pallas Areny, J.G. Webster, John Wiley and Sons Riprodotto a esclusivo scopo didattico. Esempi di Sensori: Sensori di Forza Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 14

15 Sensori di Forza (Celle di Carico) Strutture meccaniche elastiche che in conseguenza all applicazione della forza da misurare si deformano in maniera nota e ripetibile Dalla misura della deformazione dell elemento elastico, effettuata con vari metodi utilizzando differenti principi di trasduzione, si risale alla forza incognita applicata Celle di Carico Estensimetriche (1) La deformazione della struttura elastica è rilevata mediante estensimetri (strain gage) applicati in posizioni opportune e tipicamente configurati a ponte di Wheatstone Struttura a trave incastrata in flessione (cantilever) Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 15

16 Celle di Carico Estensimetriche (2) Differenti geometrie e dimensioni dell elemento elastico vengono utilizzate per privilegiare per esempio sensibilità o estensione del campo di misura (portata) Cella ad anello: elevata sensibilità Cella a colonna: elevata portata con funzionamento in trazione e compressione Celle di Carico Estensimetriche (3) Cella a mensola (cantilever) con scarichi binoculari : elevata sensibilità e linearità Cella a bottone: elevata sensibilità e ridotte dimensioni Cella a S : buona sensibilità e ridotto effetto dei carichi disassati Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 16

17 Esempi di Sensori: Miscellanea Sensori di Inclinazione a Liquido Conduttivo Un liquido conduttivo sotto l azione della gravità chiude/apre un contatto in modalità ON/OFF o varia una coppia di resistenze in modalità push-pull R1 R2 Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Riprodotto a esclusivo scopo didattico. Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 17

18 Sensori di Inclinazione Ottici La posizione dell ombra della bolla d aria in liquido che varia sotto l azione della gravità viene rilevata da un LED e quattro fotodiodi (inclinometro a risposta biassiale) Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Riprodotto a esclusivo scopo didattico. Misura di Livello in Serbatoi con Metodo Termico Una serie di sensori di temperatura disposti a passo regolare lungo l altezza di un serbatoio consentono di misurare il profilo termico e da questo ricavare il livello del liquido Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Riprodotto a esclusivo scopo didattico. Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 18

19 Sensori di Flusso a Caduta di Pressione Dalla misura della pressione differenziale a monte e a valle di un setto forato inserito trasversalmente alla direzione di moto del fluido, si risale al suo flusso Tratto da Sensors and Signal Conditioning R. Pallas Areny, J.G. Webster, John Wiley and Sons Riprodotto a esclusivo scopo didattico. Sensori di Flusso a Ultrasuoni Basati sul fatto che la velocità di propagazione dell onda US in un fluido in moto è la somma vettoriale della velocità di propagazione nel fluido fermo e della velocità del fluido v > versocorrente v controcorrente Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Riprodotto a esclusivo scopo didattico. Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 19

20 Anemometri Termici Fluido fermo: la temperatura misurata dal sensore R S è maggiore di quella misurata da R O Fluido in moto verso destra: a causa del calore sottratto per convezione forzata, la temperatura misurata dal R S diminuisce al crescere della velocità del fluido Tratto da AIP Handbook of Modern Sensors J. Fraden, AIP Riprodotto a esclusivo scopo didattico. Sensore Capacitivo di Impronte Digitali Sensore capacitivo MEMS di impronte digitali (fingerprint) per applicazioni biometriche e di autenticazione accesso Infineon FingerTip Fondamenti della Misurazione - V. Ferrari, L. Mari 20