Trasduttori: E' un dispositivo in grado di trasformare le variazioni di una grandezza fisica, normalmente non elettrica, in un'altra grandezza, normalmente di natura elettrica (tensione, frequenza o corrente). E composto da due parti: Sensore: un dispositivo che rileva le variazioni di una grandezza modificando una delle proprie caratteristiche fisiche, Convertitore:E un circuito elettronico che trasforma le variazioni di un parametro del sensore in una variazione di una grandezza elettrica. Il sensore spesso è sensibile a variabili che alterano il risultato della misura primaria,quindi per ottenere un buon funzionamento bisogna attenersi al data-sheet in cui sono descritti: I parametri caratteristici del sensore ; Gli schemi dettagliati piu comuni di utilizzo; I circuiti di prova per verificare le caratteristiche; Tipi di trasduttori: Analogico: quando il suo segnale di uscita è una grandezza elettrica che varia in modo continuo mantenendo una doppia corrispondenza con il valore della grandezza misurata Digitale:quando il suo segnale di uscita è composto da uno o più segnali digitali che possono assumere ciascuno solo due livelli di tensione identificati come 0 e 1. 1
Attivi: Quando forniscono in uscita un segnale direttamente utilizzabile da circuiti di elaborazione senza nessun consumo di energia elettrica.é il caso delle celle fotovoltaiche e delle termocoppie. Passivi: Sono quei trasduttori ai quali bisogna fornire energia elettrica perché la grandezza fisica d uscita possa essere trasformata in una grandezza elettrica.ad esempio il Potenziometro che fornisce in uscita valori di resistenza diversi, a seconda della posizione. Parametri caratteristici dei sensori: Caratteristiche di trasferimento: E' il legame che intercorre tra la variabile da misurare (ingresso) e il segnale elettrico di uscita del trasduttore. I trasduttori la cui caratteristica è una retta sono detti lineari. U Caratteristica dei Trasduttori; La Linearita. U=KI Quando la retta non passa per l'origine la variabile d'uscita è diversa da zero in corrispondenza del valore nullo della variabile di ingresso. L'equazione è: α tgα=k U=KI+offset U=KI U: La grandezza di uscita del sensore I: La grandezza da misurare K: Coefficiente angolare I 2
Si definisce offset il valore non nullo della variabile di uscita corrispondente al valore nullo della variabile d' ingresso. U=Grandezza di uscita offset U=KI+offset I=grandezza d' ingresso Linearità: Il funzionamento ottimale di un trasduttore è quello definito da una caratteristica lineare. La linearità è il parametro che evidenzia la deviazione tra la retta (caratteristica teorica) e la curva reale. La non linearità è il valore massimo della deviazione rispetto alla curva teorica in valore assoluto riferito al valore massimo del segnale di uscita. Un sensore è buono quando la sua non linearità non è superiore allo 0.1%. Grandezza D uscita Range di funzionamento: E' l'intervallo dei valori che può assumere la grandezza che deve essere trasdotta. U=Grandezza di uscita Caratteristica reale Caratteristica Ideale Range di Funzionamento Saturazione Deviazione I=Grandezza d' ingresso Zona lineare Min Max 3
Isteresi: E' l' area racchiusa tra le due curve e rappresenta una imprecisione di misura. Più il coefficiente angolare della retta è elevato più il trasduttore è sensibile e minore sarà il range di funzionamento. Sensibilità: E' il rapporto tra la variazione della grandezza di uscita e la variazione della grandezza d' ingresso che la provoca. U Maggiore pendenza Trasduttore più sensibile. U1 Valore massimo di uscita U S= I l U2 Tempo di risposta: E' il tempo che il trasduttore impiega per raggiungere in uscita il valore di regime corrispondente al valore d' ingresso. Risoluzione: E' il rapporto percentuale tra la minima variazione della grandezza di uscita in grado di essere rilevata e il valore massimo del fondo scala. Ripetibilità: E' la capacità di un sensore di fornire sempre gli stessi valori di uscita in corrispondenza dell' ingresso. Tempo risposta 4
Classificazione in base a caratteristiche fisiche resistivi: sfruttano la variazione della resistenza (fotoresistori, termoresistori, sensori di posizione); capacitivi: sfruttano la variazione della capacita' di un condensatore (sensori di umidità); elettroacustici: convertono segnali sonori in grandezze elettriche (microfoni); elettrodinamici: si basano sul principio della forza elettromotrice per misurare velocita' (dinamo tachimetrica); elettromagnetici: utilizzano il principio dell'induttanza elettrica per rilevare angoli di rotazione; magnetostritivi: si fondano sul principio della permeabilita'; piezoelettrici: sfruttano l'originarsi di una polarizzazione elettrica su facce opposte di cristalli sottoposti a sollecitazioni (stress) fisiche; A semiconduttore: sfruttano le caratteristiche della giunzione dei semiconduttori (fotodiodi, fototransistor). Sensori di posizione a potenziometro E possibile utilizzare come sensori di posizione un reostato in modo da convertire la posizione in una l variazione di resistenza infatti: R = ρ S se avviene un allungamento la misura della resistenza consente di misurare indirettamente lo spostamento. l + l R + R = ρ S Sensori di posizione a potenziometro 5
ENCODER INCREMENTALI L'elemento fotosensibile ( un fotodiodo o un fototransistor) genera un treno di impulsi ed il loro numero è pari al numero delle zone trasparenti, alternate alle scure, intercettate dal blocco emettitore-ricevitore. Il conteggio di questi impulsi consente di individuare la rotazione compiuta dal disco Un encoder in cui sia presente solo una serie di feritoie non consente di individuare il verso in cui il disco ruota. Viene ricavata una seconda serie di feritoie, sfalsata rispetto alla prima di un quarto di passo, essendo il passo la distanza tra due zone trasparenti successive. E' ovviamente necessaria la presenza di una seconda sorgente luminosa e di un secondo sensore. Encoder assoluti In questi encoder non si ha una semplice successione di zone chiare e di zone scure, ma le zone chiare e quelle scure, rappresentano, lette su una linea perpendicolare alle piste o su un raggio una parola in un certo codice binario. 6 5 7 4 0 3 1 2 Un codice binario puro non è tuttavia adatto ad essere utilizzato in un encoder. Si ha che in alcune posizioni, passando da un numero binario al successivo, varia più di una cifra. Ad esempio passando dal n. 3 (011) al n. 4 (100) si ha una variazione contemporanea di tutte e tre le cifre. Codice Gray 6
LED ENCODER INCREMENTALI ED ASSOLUTI ENCODER INCREMENTALE: contando gli impulsi permette di valutare lo spostamento rispetto ad una posizione iniziale fotorivelatore ENCODER ASSOLUTO: fornisce la posizione assoluta fotorivelatori tracce ogni livello ha una risoluzione doppia rispetto a quello inferiore; con 10 tracce vengo ad avere una risoluzione di 2 10 =1024 impulsi per giro (nota: i segnali provenienti dai fotorivelatori possono essere interpretati direttamente come una codifica binaria della posizione) I RESOLVER Il resolver è un trasduttore per la misura di spostamenti angolari molto utilizzato sia nel campo delle macchine utensili che della robotica I due solenoidi, di cui uno fisso e l altro rotante, sono disposti intorno ad uno stesso nucleo di ferro, fatto di lamierini isolati: in base alle loro posizioni reciproche tutto il flusso dovuto al primo avvolgimento risulta concatenato totalmente o solo parzialmente con il secondo. Si avrà perciò una tensione indotta avente caratteristiche che dipendono dalla loro posizione reciproca. I resolver Negli avvolgimenti di statore si generano quindi f.e.m. sinusoidali di ampiezza proporzionale rispettivamente a sen(q) e cos(q). Le tensioni prodotte negli avvolgimenti di statore vengono elaborate da un circuito elettronico (spesso contenuto in un ASIC) che ne rivela le ampiezze relative, ricavandone la posizione angolare q. Lo stesso circuito calcola anche la velocità angolare ω RESOLVER senza spazzole avvolgimenti di statore primario del trasformatore rotante (f=8 khz) albero per l accoppiamento al motore avvolgimenti di rotore secondario del trasformatore rotante statore rotore statore V e =10 V 8 khz V R V 2 V 1 statore 7
inductosyn SENSORI DI VELOCITA L inductosyn può esser considerato la versione lineare del resolver. In esso lo statore viene sostituito da una scala o regolo in materiale isolante su cui è presente un circuito stampato a greca avente passo p e la lunghezza necessaria. La greca sostituisce il solenoide nello statore. Un altra grandezza fisica di notevole importanza nelle applicazioni e negli automatismi è la velocità. Per realizzare trasduttori di velocità lineare o angolare possono essere utilizzati dispositivi elettromeccanici come la dinamo tachimetrica oppure dei tachimetri elettronici. I tachimetri elettronici basano il loro funzionamento su un encoder che fornisce una sequenza di impulsi grazie a una coppia ledfotodiodo in genere integrati nell encoder. I tachimetri digitali possiedono un generatore di clock il cui compito è di fornire una finestra temporale di durata costante che abilita il conteggio di un contatore. 8
Accanto alla versione digitale che consente comunque un immediato interfacciamento con microcontrollori è possibile realizzare un analogo circuito analogico. Gli impulsi provenienti dall encoder sono squadrati da un circuito a trigger di Smidth, poi, tramite un convertitore frequenza tensione, gli impulsi sono trasformati in una tensione proporzionale alla frequenza e quindi alla velocità dell encoder. La dinamo tachimetrica La dinamo tachimetrica è un piccolo generatore di corrente continua. Nello statore è presente un magnete permanente. Il rotore racchiude l avvolgimento indotto. Rispetto le tradizionali dinamo si pone molta cura nella costruzione per evitare attriti e eccentricità che falserebbero la lettura. E importante nell utilizzo di far lavorare la dinamo tachimetrica a vuoto per evitare che la misura sia falsata dalle cadute di tensione sulla resistenza degli avvolgimenti del rotore. N + + - + + + + + + + S 9
Si ricorda che una spira conduttrice interessata da un flusso variabile nel tempo produce ai suoi capi una f.e.m. l andamento di tale forza elettromotrice è sinusoidale. Ora ciascun avvolgimento contribuisce alla tensione complessivo con una propria tensione ed ogni f.e.m. sarà sfasata rispetto la precedente La somma di queste sinusoidi sfasate fornisce una tensione pressoché continua ma che presenta una certa ondulazione, la tensione, pertanto, deve essere filtrata per evitare problemi nei sistemi di controllo La tensione continua in uscita è legata alla velocità di rotazione dalla relazione dove KD è la costante della dinamo mentre ω è la velocità angolare in giri /min. Per le dinamo tachimetriche commerciali la KD vale 60 90 V per 1000 giri/min TACHIMETRI A CORRENTE CONTINUA strutturalmente sono dei piccoli generatori in corrente continua eccitati con magneti permanenti (AlNiCo: stabilità termica) V = k Φn n: n di giri/min scostamenti dalla proporzionalità: dissimmetrie costruttive (squilibrio del rotore, irregolarità del traferro, ecc.) caduta di tensione alle spazzole (la corrente assorbita deve essere piccola per evitare l effetto della reazione di indotto): si usano quindi spazzole con basse cadute (contenenti polvere di Ag) Sensori di temperatura errore di linearità ε=δv/ V M : massimo scostamento δv dalla retta ideale, riferito al valore di fondo scala V M scostamenti tra la caratteristica reale e ideale di un tachimetro in c.c. 10
La termocoppia materiale A Questo dispositivo costruttivamente è una giunzione metallurgica di due metalli diversi che genera una d.d.p. quando è sottoposto ad una differenza di temperatura (effetto Seebeck e Thomson). T0 materiale B T1. Se i conduttori sono chiusi ad anello si determina una corrente che circola nel circuito. Se i conduttori sono lasciati aperti misureremo una d.d.p.. I costruttori per ciascuna termocoppia metallica forniscono la tabella dei valori di tensione per ciascun valore di temperatura Tmin [ C] Tmax[ C] conduttor e 1 conduttor e 2 tipo J tipo K tipo N tipo T tipo R -60-200 -230-200 -50 +850 +1100 +1330 +400 +1350 Fe Ni-Cr Nicrosil Cu Platino-rodio Ni-Al Ni-Al Nisil Costantana( CuNi) platino TERMORESISTORI La resistività dei metalli varia con la temperatura. Oltre i -200 C, la resistività varia quasi linearmente con la temperatura. In questa regione approssimativamente lineare, la variazione di resistività (ρ) con la temperatura (T) può essere adeguatamente descritta da un equazione quadratica: 11
I PTC (Positive Temperature Coefficient Resistors) sono realizzati con ceramiche semiconduttrici di elevata purezza. Basate su composti di Titanio (BaTiO3, SrTiO3, ecc.), il loro specifico comportamento è ottenuto dall aggiunta di drogante in un unico processo, che include elevate pressioni necessarie per la sinterizzazione dei materiali. I PTC hanno un unica caratteristica Resistenza- Temperatura. Essi manifestano una bassa resistenza per un ampio range i temperatura, ma appena raggiungono una specifica temperatura, subiscono una crescita repentina della resistenza (diversi ordini di ampiezza) Questa temperatura è detta di "Curie" o "Switching Point". Gli NTC manifestano una diminuzione della resistenza elettrica con l aumento della temperatura. Sono usati in un intervallo di temperatura di - 50 C fino 150 C, e anche oltre fino a 300 C per alcuni dispositivi incapsulati nel vetro. Il valore di riferimento di un termistore è tipicamente riferito a 25 C (abbreviato come R25). Per molte applicazioni, i valori R25 sono compresi tra 100Ω e 100kΩ. Altri valori R25 possono essere prodotti e hanno come valore basso 10Ω e come alto 40 MΩ. Caratteristica di un ntc 12
PT100 Molto diffuse sono le cosiddette Pt100 e Pt1000, ovvero termoresistenze in platino (Pt), in cui la resistenza alla temperatura di 0 C è pari rispettivamente a 100 Ω e 1000 Ω. Secondo la norma IEC 751 (1995) le Pt100 sono classificate a seconda della tolleranza nella misura fornita: ❿ Pt100 Classe A ±0,15 C [0 C] ±0,06 Ω [0 C] ❿ Pt100 Classe B ±0,30 C [0 C] ±0,12 Ω [0 C] L effetto Hall Nel 19 secolo Edwin Hall collegò un filo su entrambi i lati di un pezzo rettangolare di oro. Facendo passare in presenza di un flusso magnetico una corrente elettrica attraverso la lunghezza del foglio misurò una tensione collegando un voltmetro tra due punti dei lati opposti della lamina d oro h - - - - - - - - - V v - - - - - - H B L v t l arseniuro di gallio(gaas) e l arseniuro di indio (InAs) producono tensioni di Hall relativamente alte e consentono la realizzazione di sensori per la ricerca scientifica e l industria. Come sensori i generatori ad effetto Hall trovano impiego per rilevare le correnti, i campi magnetici o come interruttori controllati da un campo magnetico si possono rilevare per esempio la velocità di rotazione di alberi meccanici. I ciascuna carica sente una forza : F=qvB Nel nostro caso le cariche sono negative (forza negativa rispetto la convenzione) per cui la forza tende a spostare le cariche verso sinistra in figura. 13
STRAIN GAUGES* ( misuratori di sforzo) Ci sono diversi metodi per misurare gli sforzi, molti dei quali sono basati su misure di spostamento. Gli strain gauge di tipo elettrico realizzano una misura di tipo mono o bidimensionale,. Sensori piezoelettrici si basano sulla misura della carica elettrica che compare sulla superficie di cristalli speciali (quarzi, topazi, sale di Rochelle) quando sono sottoposti a stress meccanici. 14
Sensori ottici I principali sensori ottici sono il fotodiodo, i fototransistor e le fotoresistenze. simbolo del fotodiodo e del fototransistor. I fotodiodi basano il loro funzionamento sul fatto che in polarizzazione inversa la corrente inversa aumenta se si illumina la giunzione. Infatti, i portatori minoritari, elettroni nella zona p e lacune in n, si liberano dal legame chimico passando dalla banda di valenza a quella di conduzione in misura maggiore se colpiti da un quanto energetico sufficiente a fargli compiere il balzo. Normalmente i diodi sono contenuti in contenitori oscuri per cui l unico contributo per tale passaggio di banda è legato al calore, se la giunzione è resa trasparente o meglio si concentra la luce tramite una lente sulla giunzione si aumenta l intensità di tali portatori all aumentare dell illuminamento. La relazione che esprime la corrente kt I = I + I ( e ) L qv 0 1 fotodiodo n + + + ++++++++++ - - - - - - - - - - - - - p + - E 15
Le caratteristiche del fotodiodo V-I sono rappresentate in figura ed esprimono la relazione V-I in funzione dell illuminamento incidente espresso in lux o in W/cm2. Gli estensimetri a resistenza sfruttano la variazione della resistenza dovute alle deformazioni elastiche dei conduttori che sono disposti a serpentina per uno sviluppo complessivo in lunghezza considerevole (vedi figure). Quando il materiale è allungato i conduttori diventano lunghi e stretti, ciò aumenta la resistenza. Questo cambio di resistenza è convertito in una tensione tramite un ponte di Wheatstone. Il valore di tensione così ottenuto è linearmente dipendente dallo sforzo tramite una costante chiamata gauge factor. 16