PRINCIPI DI TRASDUZIONE Passiva Trasduzione resistiva Trasduzione capacitiva Trasduzione induttiva Attiva Trasduzione fotovoltaica Trasduzione piezoelettrica Trasduzione elettromagnetica Trasduzione fotoconduttiva Trasduzione potenziometrica Trasduzione per variazione di riluttanza Trasduzione per effetto Hall
Misure e strumentazione aerospaziale Nei capitoli precedenti abbiamo parlato delle caratteristiche degli strumenti di misura e dei vari tipi di misure che è possibile effettuare con essi. Ora si può quindi passare in rassegna le varie possibilità che abbiamo per effettuare praticamente la misura di una grandezza fisica, ed in particolare per convertire tali grandezze in un segnale elettrico che sia visualizzabile con gli strumenti elettronici finora presentati. Sensori o trasduttori? Oggi è abbastanza frequente sentir parlare indifferentemente sia di sensori che di trasduttori, quasi che i due termini siano sinonimi. In realtà con il termine di trasduttore intendiamo parlare di un oggetto che è un po di più che non un semplice sensore: - sensore è un dispositivo meccanico, elettrico o di altro genere in grado di rilevare una certa grandezza fisica. - trasduttore è un apparecchio che serve a trasdurre una certa energia, con o senza conversione della stessa in una forma diversa, da un punto ad un altro di un sistema. Ne consegue che, allo stato attuale della tecnologia, è sempre più frequente l uso di trasduttori, in quanto è sempre più diffuso l uso di strumentazione elettrica od elettronica per effettuare misure di grandezze anche non elettriche (ad esempio in meccanica od idraulica). Proseguendo nel nostro corso parleremo quindi essenzialmente di trasduttori, anche perché, come vedremo più avanti, è sicuramente più facile manipolare un segnale elettrico che non un altro tipo di grandezza fisica. Se poi volessimo portare questo ragionamento alle sue estreme conseguenze, si potrebbe anche comprendere come la logica evoluzione futura dei trasduttori sia nella direzione del tutto digitale. Ma andiamo per gradi, e cominciamo prima a vedere i principi di funzionamento dei trasduttori. Principi di trasduzione di grandezze fisiche In un passato neanche molto lontano le misure, dirette od indirette, venivano eseguite in modo da sfruttare soprattutto il senso della vista: una lunghezza, una forza ed anche una pressione venivano lette. Gli strumenti di misura erano dei dispositivi che convertivano il valore di una grandezza fisica in uno spostamento od in una rotazione. Oggi si delega sempre più alle apparecchiature elettroniche il compito di leggere le misure. Ciò significa che i valori delle grandezze fisiche da misurare vanno generalmente convertiti in segnali elettrici che, rilevati od acquisiti da una apparecchiatura elettronica, possono esserci comunicati, su nostra richiesta, anche in forma ottica. E quindi abbastanza ovvio che, se vogliamo convertire in segnali elettrici tutte le possibili grandezze fisiche, dobbiamo cercare di sfruttare tutti i fenomeni fisici il cui esito è la variazione di una grandezza elettrica; ecco che allora appare più chiaro il nostro odierno interesse per quei fenomeni come quello termoelettrico, fotoelettrico, piezoelettrico e così via. Alla luce di queste prime considerazioni, distingueremo dapprima i trasduttori in due gruppi: i trasduttori attivi ed i trasduttori passivi. I trasduttori attivi sono quelli che per loro natura trasformano direttamente una data grandezza fisica (per esempio una pressione) in una corrispondente grandezza elettrica. A questo tipo di trasduttori appartengono, per esempio, tutti quelli costruiti utilizzando i materiali piezoelettrici (vedi più avanti) I trasduttori passivi sono quelli nei quali la grandezza fisica da misurare fa variare una corrispondente grandezza elettrica la quale, per essere misurata, necessita di apporto di energia esterno.
Principi di trasduzione attiva Trasduzione fotovoltaica. Riguarda la trasformazione di una intensità luminosa in una corrispondente tensione (o corrente) elettrica. Si attua tutte le volte che una giunzione di materiali di differente natura viene illuminata (fotosensori, celle solari ecc.) fig 1. Trasduzione piezoelettrica. Sfrutta la caratteristica di alcuni materiali i quali, se sottoposti a forze meccaniche di trazione, di compressione o di torsione, sono in grado di fornire corrispondenti variazioni di tensione (DE) o di cariche elettriche (Q). solitamente questi materiali sono cristalli, e possono essere sia naturali che sintetici (ovvero costituiti per lo più mediante miscugli di materiali ceramici) fig. 2 Trasduzione elettromagnetica. La grandezza fisica da trasdurre (in pratica uno spostamento) fa variare un campo magnetico, e questa variazione produce, per induzione in un conduttore, una tensione (o forza elettromotrice). Solitamente la variazione del campo magnetico è dovuta allo spostamento di un materiale magnetico nelle vicinanze di una bobina avente un nucleo di materiale ferroso (o meglio ferromagnetico) fig. 3
Principi di trasduzione passiva Trasduzione resistiva. La grandezza fisica da misurare viene trasdotta in una corrispondente variazione di resistenza. La variazione di resistenza può essere attuata scaldando, raffredando od applicando forze di trazione o compressione a materiali conduttori o semiconduttori, oppure essicando o bagnando sali elettrolitici. fig. 4 Trasduzione capacitiva. La grandezza fisica da misurare viene trasformata in una variazione di capacità: Ciò può avvenire in due maniere: facendo spostare un armatura di un condensatore e tenendo fissa l altra, oppure mantenendo fisse le armature e facendo variare la costante dielettrica del materiale interposto tra le armature stesse (come appunto avviene nei sensori di umidità e nei sistemi di controllo del livello dei liquidi) Trasduzione induttiva. La grandezza fisica da trasdurre (per esempio un movimento lineare) fa variare l autoinduttanza di una bobina singola.
Trasduzione fotoconduttiva. Riguarda la variazione della conduttività (o variazione di resistività) che si può avere in un materiale semiconduttore tutte le volte che questo viene esposto ad una variazione della luce incidente. Avviene praticamente con le stesse modalità della trasduzione fotovoltaica. Trasduzione per variazione di riluttanza. La grandezza fisica da trasdurre (solitamente un movimento lineare) viene trasformata in una variazione di tensione alternata, in quanto modifica la riluttanza esistente tra due o più bobine, ad una delle quali è applicata una sorgente di tensione alternata. Trasduzione potenziometrica. In questo caso, la grandezza fisica da misurare muove il contatto mobile di un potenziometro. Si misura il rapporto tra le tensioni presenti ai capi dei due resistori, avendo applicato una tensione (continua od alternata) ai capi del resistore completo. Trasduzione per effetto Hall. Quando un conduttore a forma di striscia, percorso da una corrente elettrica (I 1 ), viene posto in un campo magnetico (B) le cui linee di forza attraversano
perpendicolarmente la superficie della striscia, gli elettroni che percorrono la suddetta striscia vengono spostati su di un lato della stessa, generando così un accumulo di elettroni su quel lato e di conseguenza un campo elettrico (cioè una differenza di potenziale U 2 ) tra un bordo e l altro.
Trasduttori di posizione metodo potenziometrico
Potenziometri V = x L o V s
Trasduttori capacitivi C = A Kε D
LVDT
LVDT