Misure Elettriche ed Elettroniche: sensori e trasduttori, Prof. Crescini Damiano

LEZIONE 11

CONTENUTI DELLA LEZIONE

• Sensori e trasduttori: definizione
• Interazioni nei sensori.
• Il modello di un sensore.
• Cenni alla caratterizzazione di un sensore.2

LA CATENA DI MISURAZIONE

Qualsiasi catena di misurazione comprende sempre almeno un sensore, un elaboratore (o condizionatore) ed un dispositivo terminale di visualizzazione e/o trasmissione e/o archivio dati. E' opportuno studiare separatamente i singoli dispositivi, tenendo conto anche del fatto che il nostro compito come ingegneri gestionali non è generalmente quello di progettare i dispositivi stessi, quanto piuttosto di assemblare in maniera opportuna quanto è reperibile sul mercato. OR PASS X FAIL Ecco perché nelle prossime lezioni, dopo aver affrontato le prime parti della catena di misura parleremo dei SENSORI2

Applicazioni dei sensori

1. Misure per la determinazione di una grandezza fisica
2. Controlli di produzione industriale, robotica2

Linea di produzione industriale automatizzata

= Sensors LEZIONE 11 Safety Interlocks & E-Stop Switches Position Sensors; Angle, Linear and Tilt Machine Vision, Optical and RFID Sensors Inductive, Photoelectric, Magnetic, and Ultrasonic Detection Sensors O Do Heavy Duty Connectors HMI, PLC Pushbuttons, Media Converters, Signaling & Communications Drives, Current, Voltage, and Ground Fault Sensors Power Distribution Industrial Controls and Enclosures Limit Switches Motors, Encoders Potentiometers2

Linea di produzione industriale automatizzata MCS® - 1280

= Sensors MCS® - 1280 Glass Window X2

Altri ambiti di applicazione dei sensori

= Sensors LEZIONE 11 N Accelerometer Gyroscope Compass Auto GPS Light sensor Barometer Flood Illuminator Proximity Sensor Module ams ALS & Color Sensor NIR Camera Module DOT Projector C Bosch 6-Axis IMU A11 Processor Broadcom AFEM-80722

Altri ambiti di applicazione dei sensori nell'automotive

= Sensors LEZIONE 11 Seat Position Steering · Torque Measurement · Steering Index · Motor Rotor Position Gear Shift Radiator Active Suspension Waterflow Control Pedal Sensing Engine · Throttle Position Power Brakes · Motor Rotor Position Transmission · Gear Position Oil Level2

Altri ambiti di applicazione dei sensori in casa

= Sensors I Weather Sensor Smart Light . ion mart Door Sensor Smoke Detector ion Inlet Switch ons Motion Sensor Vibration Sensor Smart Gateway LEZIONE 11 Power Plug2

CHE COS'È UN SENSORE?

• "Dispositivo che riceve un'informazione mediante un segnale di ingresso costituito da una determinata grandezza fisica (misurando) e la restituisce mediante un segnale d'uscita costituito da una grandezza fisica diversa, più adatta alle successive elaborazioni."
• La grandezza d'uscita di un sensore è normalmente una grandezza elettrica perché si presta meglio alle successive elaborazioni2

SENSORE e TRASDUTTORE

SENSORE: la grandezza di ingresso è di qualsiasi natura, mentre l'uscita è una grandezza elettrica TRASDUTTORE: converte una forma di energia in un' altra (es. altoparlante). In generale lo stesso sensore potrà essere utilizzato per differenti trasduttori e, reciprocamente, lo stesso trasduttore può utilizzare diversi sensori (sensore intelligente e in un prossimo futuro sensore esperto)2

LE INTERAZIONI NEI SENSORI

Un sensore ha interazioni principalmente con il sistema sotto misura ma anche con altri sistemi sistema ambiente x(t) y(t) sistema misurato trasduttore sistema utilizzatore sistema ausiliario2

INTERAZIONE SISTEMA DI MISURATRASDUTTORE

x (t) SISTEMA MISURATO TRASDUTTORE SISTEMA MISURATO : è il sistema fisico dal quale proviene l'informazione relativa ad una grandezza fisica o chimica da misurare. Indicheremo l'andamento del tempo dell'informazione con la funzione x(t).2

INTERAZIONE SISTEMA UTILIZZATORE- TRASDUTTORE

y (t) TRASDUTTORE SISTEMA UTILIZZATORE SISTEMA UTILIZZATORE : è il sistema fisico al quale il trasduttore trasmette l'informazione trasdotta e che provvede ad ulteriori elaborazioni. Indicheremo l'andamento del tempo dell'uscita con la funzione y(t).2

INTERAZIONE SISTEMA AUSILIARIO-TRASDUTTORE

TRASDUTTORE SISTEMA AUSILIARIO SISTEMA AUSILIARIO : Sorgente di potenza che fornisce energia del trasduttore (può anche NON essere presente, se il trasduttore è attivo).2

INTERAZIONE SISTEMA AMBIENTE-TRASDUTTORE

SISTEMA AMBIENTE TRASDUTTORE SISTEMA AMBIENTE : è l'insieme di tutte le sorgenti di interferenza con il trasduttore che NON siano riferibili al sistema misurato ed al sistema utilizzatore.2

LE GRANDEZZE DI INFLUENZA

• Idealmente l'uscita di un sensore dipende esclusivamente dalla grandezza del sistema misurato; nella realtà l'uscita dipende anche da altre grandezze (grandezze d'influenza) che possono appartenere al - al sistema utilizzatore. - al sistema ausiliario. - all'ambiente.
• Il tempo è un ulteriore grandezza d'influenza.2

ESEMPI DEI CONTRIBUTI DEI FATTORI D'INFLUENZA ESTERNI SUL RISULTATO FINALE DELLA MISURA

Temperatura, Umidità, Invecchiamento Sistema ambiente y(t) Trasduttore Sistema utilizzatore Caratteristiche del sistema ausiliario: stabilità Effetti di carico Sistema ausiliario2

COMPORTAMENTO ENERGETICO DEI SENSORI

• Sensori di tipo passivo: si definiscono passivi quei trasduttori nei quali l'energia associata al segnale di uscita proviene in prevalenza da una sorgente ausiliaria
• Sensori di tipo attivo: si definiscono attivi quei trasduttori nei quali l'energia appartenente al segnale d'ingresso ricompare direttamente, anche se in forma diversa e a meno delle perdite, associata al segnale di uscita.2

ESEMPIO DI TRASDUTTORI PASSIVI

E Nota: il sistema ausiliario tramite il trasduttore in questo caso cede energia al sistema misurato per effetto Joule. Estensimetri: le variazioni di lunghezza, provocate dalle deformazioni meccaniche, inducono variazioni di resistenza che vengono misurate applicando esternamente e sull'uscita una corrente elettrica fornita da un apposito generatore. In questo caso, il segnale di uscita è una tensione con contenuto energetico proveniente dal sistema ausiliario e NON dal sistema misurato.2

ESEMPIO DI TRASDUTTORI ATTIVI

Termocoppie: la f.e.m. in uscita proviene direttamente attraverso l'effetto Seebeck, senza sussidi energetici esterni al trasduttore, dalla differenza di temperatura che costituisce il segnale di ingresso (trasformazione energetica di calore in energia associata alla f.e.m.)2

IL MODELLO DI UN SENSORE

x(t) y(t) Sensore · Detta x(t) la grandezza in ingresso (misurando) e y(t) la grandezza in uscita dicasi funzione di conversione x(t) =f[y(t)] Funzione di conversione diretta y(t) =gx(t)] Funzione di conversione inversa2

ESEMPIO: MODELLO DI UN ESTENSIMETRO

x(t) = aL(t) Lo Estensimetro y(t) = aR(t) Ro · una variazione di lunghezza L dell'estensimetro viene trasdotta in una variazione di resistenza; · L e R. rappresentano i valori della lunghezza e della resistenza dell'estensimetro a riposo aR(t)/Ro = S OL/L0 la funzione di conversione diretta; in questo caso risulta essere una costante