I.P.S.I.A. di BOCCHIGLIERO a.s. 2012/2013 -classe V- Materia: Sistemi Automazione e Organizzazione della Produzione ----Trasduttori e sensori---- Alunna: Rossella Serafini prof. Ing. Zumpano Luigi
TRASDUTTORI E SENSORI I trasduttori sono dispositivi che forniscono in uscita un segnale elettrico proporzionale alle variazioni della grandezza fisica presente al suo ingresso. I trasduttori possono essere classificati semplicemente in funzione della grandezza fisica che trasformano: trasduttori di temperatura, di velocità,di posizione, ecc. Possiamo inoltre classificare i trasduttori in funzione del: tipo di segnale fornito; principio fisico; tipo di trasformazione; metodo per la trasformazione da grandezza fisica a segnale elettrico. Trasduttore analogico Il segnale elettrico in uscita segue con continuità le variazioni della grandezza fisica in ingresso; questo segnale può assumere tutti i valori all'interno dell'intervallo di funzionamento. Tipo di segnale Trasduttore digitale Il segnale in uscita viene rappresentato con un codice binario; la successione di impulsi rappresenta il valore della grandezza d'ingresso. Trasduttore di resistenza una variazione proporzionale della resistenza. Trasduttore di tensione (o di corrente) una differenza di potenziale (o una corrente) proporzionale. Principio fisico Trasduttore di capacità una variazione proporzionale della capacità. Trasduttore di induzione una variazione proporzionale dell'induzione (auto o mutua). Trasduttori attivi Generano direttamente un segnale elettrico (tensione o corrente); non hanno bisogno di ulteriore alimentazione nel circuito. Tipo di trasformazione Trasduttori passivi Trasformano le variazioni della grandezza fisica in una variazione di un parametro del circuito (R, L o C a seconda che siano trasduttori di resistenza, di induttanza o di capacità) dove sono inseriti; in questo caso è necessario un sistema di alimentazione per ottenere il segnale elettrico. Trasduttori primari (o diretti) Trasformano direttamente le variazioni della grandezza fisica nel segnale elettrico. Metodi di trasformazione Trasduttori secondari (o indiretti) Effettuano la conversione della grandezza prima in un parametro e poi in un segnale elettrico. Alunna: Rossella Serafini anno scolastico 2012/2013 classe V pag 2 di pag 7
PARAMETRI CARATTERISTICI DEI TRASDUTTORI Il campo d'impiego definisce l'intervallo dei valori della grandezza fisica in ingresso che il trasduttore trasforma correttamente in segnale elettrico. Un trasduttore è lineare se esiste una relazione di proporzionalità tra grandezza in ingresso e in uscita: S u = KS i K è una costante la cui unità di misura consente di passare da grandezza fisica a elettrica. La non linearità viene espressa attraverso il rapporto: Δ S S u dove Δ S=S S u rappresenta la differenza tra il valore misurato in uscita S e quello desiderato S u, proporzionale all'ingresso: S u = KS i. La caratteristica ingresso/uscita è rappresentata con una retta; è sufficiente poter approssimare con una retta la curva caratteristica I/O entro l'intervallo del campo d'impiego. Caratteristica In/Out S u segnale elettrico Campo d'impiego S i (grandezza fisica) Per sensibilità si intende la variazione del segnale elettrico di uscita in corrispondenza di una variazione unitaria della grandezza fisica in ingresso. La sensibilità è legata alla pendenza della retta (e alla costante K). Si parla di insensibilità ai disturbi quando il trasduttore non risente delle variazioni di grandezze diverse; ad esempio per un trasduttore di temperatura si può parlare di insensibilità alla pressione o all'umidità. La stabilità rappresenta la capacità del trasduttore di mantenere costanti nel tempo le proprie caratteristiche, in particolare la linearità. Per precisione si intende l'errore massimo commesso, ossia la differenza tra l'uscita Δ S=S S u presente e quella teorica. Il potere risolutivo è la minima variazione della grandezza fisica d'ingresso che il trasduttore riesce a evidenziare in uscita. Con ripetitività si intende la caratteristica di fornire le stesse prestazioni anche dopo numerose utilizzazioni; in pratica la capacità di dare la stessa uscita per la solita sollecitazione in ingresso applicata in tempi diversi. La velocità di risposta indica il tempo impiegato dal trasduttore per adeguare l'uscita al nuovo valore presente in ingresso; il dispositivo è caratterizzato da una costante di tempo. Alunna: Rossella Serafini anno scolastico 2012/2013 classe V pag 3 di pag 7
Il rumore è il segnale indesiderato presente in uscita anche in assenza di ingresso. L'isteresi del trasduttore è dovuta al fatto che per lo stesso valore della grandezza fisica in ingresso il valore dell'uscita dipende dal fatto che l'ingresso sia in fase di crescita o di diminuzione. In pratica per uno stesso valore della grandezza fisica sono possibili 2 valori dell'uscita. I TRASDUTTORI GENERATORI DI TENSIONE O CORRENTE Trasduttori attivi e passivi Con questo termine intendiamo i trasduttori attivi e non quelli passivi; infatti anche un trasduttore passivo genera un segnale elettrico ma in modo indiretto: questi modifica il valore della resistenza in funzione della grandezza fisica e otteniamo un segnale elettrico (tensione o corrente) dipendente dalla grandezza fisica. Le termocoppie Le termocoppie rappresentano un tipico esempio di trasduttore attivo perché producono una tensione dipendente dalla differenza di temperatura. Effetto Seebeck Il principio di funzionamento si basa sull'effetto Seebeck: due conduttori di natura diversa, connessi tra loro in modo da formare due giunzioni, vengono percossi da corrente se le due giunzioni sono a temperature differenti; questa corrente cresce all'aumentare della differenza di temperatura. Conduttore 1 T T 0 I 1 Termocoppie Conduttore 2 I punti di contatto vengono chiamati giunti: mantenendone uno a temperatura costante la corrente diventa funzione, in pratica, della temperatura dell'altro giunto. Se si apre il circuito in un giunto allora si genera una tensione tra i conduttori funzione della differenza di temperatura. Conduttore 1 T 1 T 0 + - d.d.p. Termocoppie Conduttore 2 Alunna: Rossella Serafini anno scolastico 2012/2013 classe V pag 4 di pag 7
Il generatore di Hall Una piastrina di materiali semiconduttori (silicio o arseniuro di gallio) percorsa da corrente e immersa in un campo magnetico perpendicolare alla corrente stessa provoca una differenza di potenziale tra le superfici esterne. B I Effetto Hall + - f.e.m. Forza elettromagnetica Questo fenomeno è dovuto al fatto che cariche elettriche in movimento all'interno di un campo magnetico subiscono una forza. Infatti si dimostra che una carica q che si sposta con una velocità v all'interno di un campo magnetico caratterizzato da un'induzione B subisce una forza F data da: F =qbv Tale forza è perpendicolare sia alla direzione dell'induzione sia quella della corrente. Questa forza provoca uno spostamento delle cariche verso le facce esterne della piastrina e una separazione delle cariche positive a quelle negative; di conseguenza nasce una differenza di potenziale tra le due facciate. Fenomeni piezoelettrici Alcuni materiali, quali il quarzo, presentano la caratteristica che se le due facce parallele del cristallo subiscono delle sollecitazioni meccaniche, fra essi si manifesta una differenza di potenziale. Questo fenomeno è reversibile, ossia applicando d.d.p. tra le facce e queste subiscono delle vibrazioni meccaniche. Nel primo caso il cristallo è usato come trasduttore attivo, nel secondo come attuatore. Alunna: Rossella Serafini anno scolastico 2012/2013 classe V pag 5 di pag 7
Fenomeni fotoelettrici I trasduttori il cui funzionamento si basa su fenomeni fotoelettrici permettono il passaggio da grandezza ottica a segnale elettrico e viceversa. Un primo esempio è il diodo LED. I fotoresistori variano la loro resistenza al variare della densità luminosa che li investe; le energia che investe il materiale provoca infatti un aumento del numero di legami rotti, un numero maggiore di cariche libere e di conseguenza un aumento della conducibilità del materiale. Questi componenti permettono variazioni della loro resistenza da decine di Ohm a Megaohm. Ω 10 5 10 4 Caratteristica fotoresistenza 10 3 10 2 10 10 10 2 10 3 10 4 (LUX) Illuminamento Il fotodiodo è una particolare giunzione PN, polarizzata inversamente, che eroga una corrente inversa pressoché proporzionale all'energia luminosa che la investe. I (μa) V 200 Lux 600 Lux 1000 Lux 1400 Lux 20 40 60 80 Caratteristica fotodiodo Vediamo che al crescere dell'illuminamento cresce la corrente inversa (a parità di tensione inversa applicata). Il fotodiodo può dunque essere utilizzato come trasduttore da energia luminosa a corrente. Le celle fotovoltaiche realizzate con giunzioni PN hanno la caratteristica che, se investite da variazioni luminose, forniscono tra gli elettrodi una differenza di potenziale (fototensione). A differenza del fotodiodo, in questo caso la giunzione non è polarizzata. Se la cella è chiusa su un carico, abbiamo passaggio di corrente (fotocorrente). Alunna: Rossella Serafini anno scolastico 2012/2013 classe V pag 6 di pag 7
V (V) λ V 0,4 0,3 0,2 0,1 Caratteristica celle Fotodiodi PIN Esistono in commercio fotodiodi, indicati PIN, che hanno la caratteristica di migliorare la velocità di risposta e la sensibilità. Questi si ottengono inserendo tra le zone P e N una zona intrinseca ossia con semiconduttore non drogato. I PIN vengono usati prevalentemente come trasduttori da energia luminosa a d.d.p., ossia come generatori di fotocorrente. Per ottenere correnti elevate è necessario aumentare la superficie della giunzione; ma all'aumentare della superficie aumenta la capacità e dunque diminuisce la velocità di risposta. I fototransistori Questi componenti emettono una corrente dipendente dall'energia luminosa che l'investe. Dal punto di vista del funzionamento possiamo immaginare il transistor NPN con la giunzione base-collettore polarizzata inversamente, ossia funzionante da fotodiodo, seguita da un amplificatore. Allora il fotodiodo, colpito da energia luminosa, eroga una corrente che entra in base e viene amplificata secondo le caratteristiche del BJT (h FE ). Lux C I C B E Fototransistor I B E I fototriac I fototriac hanno la caratteristica che il loro innesco avviene quando sono investiti da un livello sufficiente di energia luminosa. In questo modo l'innesco avviene attraverso un segnale ottico e il tric è elettricamente isolato dal circuito di comando. Fototriac Alunna: Rossella Serafini anno scolastico 2012/2013 classe V pag 7 di pag 7