Seconda Lezione

CDL in Tecniche Ortopediche Misure Elettriche ed Elettroniche Anno Accademico 2009/2010 Docente Michele Casella Numero di Crediti 1 SSD ING-INF/07 M. Casella, a.a. 2009/2010

1

Scaricare lezioni e programma del corso dalla rete: www.dongnocchi.it/polotecnologico/studenti

M. Casella, a.a. 2009/2010

2

I S E N S O R I M. Casella, a.a. 2009/2010

3

II lezione – I sensori: 9 Importanza, caratteristiche e utilità 9 Sensori di Temperatura: la termocoppia 9 Sensori di Forza: l’estensimetro 9 Sensore di posizione: il potenziometro

M. Casella, a.a. 2009/2010

4

Importanza, caratteristiche e utilità ™ Introduzione e definizioni ™ Classificazione dei sensori ™ Parametri fondamentali ™ Effetti fisici coinvolti ™ Qualche applicazione M. Casella, a.a. 2009/2010

5

Applicazione dei sensori • Misure per la determinazione di una grandezza • Controlli di produzione industriale, robotica, tecnologica

M. Casella, a.a. 2009/2010

6

Tecnologie produzione sensori • Tradizionale (resistivi, capacitivi, induttivi)

• A semiconduttore (dispositivi integrati, funzionamento limitato in temperatura, di basso costo)

Optoelettronica (ambienti particolarmente “rapidi”, vasto range di temperatura ma limite di sensibilità, di costo alto) M. Casella, a.a. 2009/2010

7

Cos’è un sensore ?

sinonimi o affini: sensori, rivelatori, trasmettitori, celle, gage, pickup... M. Casella, a.a. 2009/2010

8

Cos’è un sensore ?

•…Un dispositivo che fornisce una risposta utilizzabile in risposta ad una specifica variabile misurata (ANSI MC6.1

1975 “Electrical Transducer Nomenclature and Terminology”) •…L’elemento primario di una catena di misura che converte una variabile in ingresso in un segnale adatto alla misura

(IEC Draft 65/84) •…Uno strumento di misura monoparametrico che transduce un parametro fisico in un corrispondente segnale elettrico con significativa fedeltà (Wolber e Wise) •…Un trasduttore in ingresso di un sistema di processazione dell’informazione (Middelhoek e Noorlag) M. Casella, a.a. 2009/2010

9

Cos’è un sensore ?

Vista fronte e retro di un sensore... M. Casella, a.a. 2009/2010

10

Cos’è un sensore ?

Com’è fatto un sensore ?

M. Casella, a.a. 2009/2010

11

Che cos’è un sensore ?

Cos’è un sensore ?

E’ un 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 M. Casella, a.a. 2009/2010

12

Esistono tanti tipi diversi di sensori !!

M. Casella, a.a. 2009/2010

13

sensori “intelligenti” (smart sensors)

sensori che interagiscono con l’ambiente esterno...forniscono risposte (segnali) “elaborando” in modo intelligente segnali in ingresso.. M. Casella, a.a. 2009/2010

14

sensori “intelligenti” (smart sensors)

I sensori intelligenti in particolare consentono di implementare funzionalità

avanzate

l'autoidentificazione,

come la

il

“data

calibrazione

sheet

elettronico”,

intelligente,

la

preelaborazione dei dati, le funzioni di comunicazione per il monitoraggio remoto e la configurazione da remoto. remoto M. Casella, a.a. 2009/2010

15

sensori “intelligenti” (smart sensors) SENSORI ANTI INTRUSIONE 1. I SENSORI ALLE PORTE E FINESTRE E I SENSORI VOLUMETRICI A INFRAROSSI RILEVANO UN TENTATIVO DI INTRUSIONE E LO SEGNALANO ALLA CENTRALE ANTIFURTO

3. LA CENTRALE OPERATIVA ALLERTA LE FORZE DELL’ORDINE

2. LA CENTRALE ANTIFURTO TRASMETTE UN ALLARME ALLA CENTRALE OPERATIVA H24 M. Casella, a.a. 2009/2010

16

sensori “intelligenti” (smart sensors) SENSORI ANTI INCENDIO

M. Casella, a.a. 2009/2010

17

Differenza!! SENSORE Æ la grandezza di ingresso è di qualsiasi natura, mentre l’uscita è una grandezza elettrica

TRASDUTTORE forma

di

energia

Æ in

converte

una

un’altra

(e.g.

altoparlante).

N/B un trasduttore è un sensore, non sempre un trasduttore è solo un sensore (a volte fa qualcosa di più!)

M. Casella, a.a. 2009/2010

18

Ai fini del nostro corso un sensore è... ™…Un dispositivo che a seguito di uno stimolo elettrico, meccanico o chimico

produce

un

segnale elettrico

M. Casella, a.a. 2009/2010

19

Going into depth

- Classificazione dei sensori

Sulla base della tencnologia e del principio fisico utilizzato (ottico, piezoelettrico,...) Funzione svolta e grandezza di misurare (m, K, ...) Particolare settore cui sono destinati In base al loro comportamento energetico

)Sensori passivi Generano direttamente un segnale elettrico in risposta ad uno stimolo esterno

)Sensori attivi Richiedono una potenza esterna per funzionare (segnale di eccitazione)

M. Casella, a.a. 2009/2010

20

Tipi di sensori passivi Classi ed esempi

Natura del sensore

Misurando e applicazioni

Resistore a filo

Resistenza variabile in un potenziometro

Dimensioni, spostamento

Strain-gage

Resistenza variabile con lo sforzo

Sforzi, coppie, forze, pressioni

Termometri a resistenza

Spira o termistore con variazioni di resistenza

Temperatura, effetti termici, calore irradiato

Cellule fotoconduttive

Resistenze variabili con radiazioni incidenti

Relè sensibili alla luce o a radiazioni infrarosse

Misuratori di traferro

Variazioni di induttanza con campo magnetico

Spessori, spostamenti, pressioni

Sensore a magnetostrizione

Proprietà magnetiche variabili con sforzi

Suoni, pressioni, forze

Sensore a effetto Hall

Interazioni campo magnetico corrente

Forza del campo, correnti

Condensatore variabile

Variazioni di capacità per lunghezza o area

Spostamenti, pressioni

Microfono a condensatore

Variazioni capacità per pressione del suono

Voce, musica, rumori, vibrazioni

Dielettrico

Variazioni nel dielettrico

Livelli, spessori

M. Casella, a.a. 2009/2010

21

Tipi di sensori attivi

Classi ed esempi

Natura del sensore

Misurando e applicazioni

Sensori ad equipaggio mobile

Movimento relativo tra magnete ed equipaggio

Velocità di vibrazione, velocità di spostamento

Termocoppie

Metalli diversi a diverse temperature

Temperature, radiazioni, flussi di calore

Sensori piezoelettrici

Compressione del quarzo o altro cristallo

Vibrazioni, accelerazioni, suoni, pressioni

Cellule fotovoltaiche

Generazione in semiconduttori di tensione dalla luce solare

Esposizione, luce

M. Casella, a.a. 2009/2010

22

Alcuni parametri fondamentali dei sensori 9Sensibilità 9Risoluzione 9Taratura (Calibrazione) 9Ripetibilità 9Stabilità M. Casella, a.a. 2009/2010

23

Sensibilità Rapporto tra la variazione del segnale in uscita al trasduttore e la corrispondente variazione della grandezza in ingresso (es: per la termocoppia rame-costantana circa 45 V/°C ).

Risoluzione La risoluzione corrisponde con la più piccola quantità che può essere misurata; misurata ovvero con la minima variazione dell'ingresso che provoca un'apprezzabile variazione in uscita. uscita

Taratura (Calibrazione) L'operazione di taratura di un trasduttore corrisponde con la misurazione della grandezza di uscita per valori noti della grandezza di ingresso al trasduttore stesso. stesso M. Casella, a.a. 2009/2010

24

Ripetibilità Attitudine del trasduttore a fornire valori della grandezza in uscita poco diversi tra loro, loro a parità di segnale di ingresso, ingresso nelle stesse condizioni di lavoro.

Stabilità Capacità del trasduttore a conservare inalterate le sue caratteristiche di funzionamento per un certo intervallo di tempo (lungo, medio, breve).

M. Casella, a.a. 2009/2010

25

Affidabilità ¾ E’

l’

attitudine

del

sensore

a

fornire

specificate

prestazioni sotto determinate condizioni e per un certo periodo ¾ E’ espressa in termini statistici come la probabilità che il dispositivo funzioni senza guasti per un tempo specificato (nelle specificate condizioni di utilizzo)

R (t ) = P{T > t} = 1 − F (t ) = e M. Casella, a.a. 2009/2010

−

t

∫t0 λ (t ) dt 26

Principali effetti fisici coinvolti 9 Variazione di resistenza, capacità induttanza 9 Induzione elettromagnetica 9 Effetto termoelettrico (Seebeck, Peltier) e termoresistivo 9 Effetto piezoelettrico, piroelettrico, piezoresistivo 9 Effetto fotoconduttivo e fotovoltaico 9 Sistemi ad ultrasuoni M. Casella, a.a. 2009/2010

27

Sensori resistivi • Sensori a grande variazioni di resistenza: Æ (e.g.) Potenziometri (next slide)

• Sensori a piccola variazione di resistenza: Æ estensimetri (piezoresistenze) Æ termoresistenze e termistori M. Casella, a.a. 2009/2010

28

Sensori potenziometrici ¾ Un potenziometro costituisce un sensore di posizione o di spostamento ¾ la resistenza elettrica dipende linearmente dalla lunghezza del conduttore ¾ la misura di resistenza si traduce in una misura di tensione (V)

potenziometro di rotazione M. Casella, a.a. 2009/2010

29

Effetti Termoelettrici • Un conduttore, con una estremità posta

ad una temperatura

T1 e con l’ altra ad una temperatura T2, diventa sede di un passaggio di energia dalla parte calda alla parte fredda • Il gradiente termico (variazione di T) genera un campo elettrico che si manifesta con un incremento di tensione

dVa = α a dT M. Casella, a.a. 2009/2010

30

Effetto Piezoelettrico (Curie, 1880) • Esiste in cristalli naturali (quarzo) e in ceramiche ceramich e polimeri artificiali opportunamente polarizzati (anisotropia del quarzo) • Consiste nella generazione di carica elettrica da parte di un materiale cristallino sottoposto ad una sollecitazione meccanica • E’ un effetto reversibile: energia meccanica

energia elettrica

F = forza applicata eu = f.e.m. ai morsetti M. Casella, a.a. 2009/2010

31

Effetto Piroelettrico • Tra i cristalli piezoelettrici ve ne sono alcuni che presentano un’unica direzione privilegiata per l’orientamento dei momenti elettrici.

• Consiste nella generazione di un segnale elettrico per effetto

di

un

flusso

di

calore

(cariche

indotte

termicamente). • Contrariamente all’effetto termoelettrico, il segnale viene generato in risposta ad una variazione di temperatura

M. Casella, a.a. 2009/2010

32

Effetto Piezoresistivo E’ l’effetto di variazione della resistività di un opportuno materiale quando è soggetto ad una deformazione dovuta ad uno sforzo ad esso applicato (ridotto nei materiali metallici, più consistente nei semiconduttori). E’ formato da un resistore saldato su un substrato portante elastico, elastico che viene fissato sull’ oggetto che si deforma.

M. Casella, a.a. 2009/2010

33

Effetto Fotoconduttivo • Determina un passaggio di corrente elettrica in materiali investiti da radiazioni di varia lunghezza d’onda ed è dovuto alla variazione della conduttività di materiali isolanti e semiconduttori. • La radiazione incidente consente il passaggio di elettroni da uno stato di legame ad uno libero (questi non hanno energia

sufficiente

per

uscire

dal

materiale,

i.e.

fotoemissione) ma contribuiscono alla conduzione facendo diminuire la resistività. sensore passivo M. Casella, a.a. 2009/2010

34

Effetto Fotovoltaico

Conseguente

alla

conversione

dell’energia

radiante

in

energia elettrica che consente la realizzazione di celle solari. Si

presenta

nelle

giunzioni

(p-n)

dei

semiconduttori,

sottoposte a radiazioni che danno luogo alla comparsa di una

f.e.m. Illuminando la giunzione si producono coppie elettroni-buche. M. Casella, a.a. 2009/2010

35

Effetto Doppler (Sistemi ad ultrasuoni) •

Consiste

nella

variazione

di

frequenza

delle

onde

acustiche, ottiche, radio dovuta al moto relativo tra sorgente e ricevitore delle onde.

f1 − f 2 = kv f1 = frequenza onda incidente f2 = frequenza onda “riflessa” v = velocità media del fluido M. Casella, a.a. 2009/2010

36

Effetto Chimico (Sensore Chimico) Analite

Bioreceptor Biological sensing element

Transducer

Bio-Sensore

Signal

Interfaccia elettronica

Unità di elaborazione M. Casella, a.a. 2009/2010

37

Effetto inerziale (Accelerometro)

Principio di funzionamento : rilevazione dell'inerzia di una massa quando

viene sottoposta ad una accelerazione. accelerazione La massa viene sospesa ad un elemento elastico, mentre un sensore ne rileva lo spostamento rispetto alla struttura fissa del dispositivo. Il sensore trasforma questo spostamento in un segnale elettrico acquisibile dai moderni sistemi di misura. M. Casella, a.a. 2009/2010

38

Riassumendo: principi fisici/chimici su cui si basano i sensori Fisici: • Termoelettrico • Fotoelettrico • Fotomagnetico • Elettromagnetico • Termomagnetico • Termoottico • Fotoelastico

Chimici: • Trasformazione chimica • Trasformazione fisica • Processo elettrochimico • Spettroscopia Biologici: • Trasformazione biochimica • Trasformazione fisica • Effetto su organismo di test • Spettroscopia

M. Casella, a.a. 2009/2010

39

Alcuni dati di mercato Mercato mondiale per i sensori più diffusi

3

2 1,5 1 0,5 a i i e i à co ur ic ne llo ic it ar on t e ri i c n io tt a m i s v a i o z i r o l c s i l b e s s e i i i ch ri pe iv pr po or di m ri id id so d i i s r r e o n s n i t d d s e e i i so so ga S or ri en S or en en id ri S ns so s r S S o e n n s e e S so S S en en S S

Miliardi di dollari

2,5

1988 1995

0

so us fl

¾ Il mercato della “sensoristica” è in continuo aumento, e fa molto “business” ¾ Si stima un mercato complessivo dell’ordine di 20 miliardi di dollari M. Casella, a.a. 2009/2010

40

Dal mercato Æ sensori di vario tipo: ‰ Sensori domestici ‰ Sensori in campo automobilistico ‰ Sensori per applicazioni biomediche

M. Casella, a.a. 2009/2010

41

Sensori domestici ¾ Forno microonde (umidità, temperatura (termistore, IR), gas) ¾ Fornelli (temperatura) ¾ Lavatrice (sensori di livello H2O (ottici, pressione), velocità di rotazione cestello (sensore magnetico), trasparenza acqua, carico, umidità) ¾ Frigorifero (temperatura, formazione ghiaccio, porta aperta) ¾ Equipaggiamento audio/video (temperatura cilindro, contagiri nastro, inizo/fine nastro, umidità) M. Casella, a.a. 2009/2010

42

Sensori applicazioni biomediche ¾ Pressione sanguigna, sanguigna temperatura, potenziali elettrici, elettrici respirazione, respirazione movimento ¾ Variabili chimiche: glucosio, glucosi elettroliti, elettroliti PO2, PCO2 ¾ Variabili emodinamiche (pressione, pressione flusso) flusso ¾ Radiazioni, Radiazioni ultrasuoni

M. Casella, a.a. 2009/2010

43

Sensori in campo automobilistico ¾ Controllo del motore (misura dei flussi di carburante e aria, sensore ossigeno gas di scarico) ¾ Pressione (olio motore e freni, carburante, pneumatici) ¾ Controllo livelli (olio, carburante) ¾ Sicurezza (rottura componenti importanti, interferenze e.m., accelerazione/decelerazione (airbag)) ¾ Comfort (velocità, accelerazione, intensità luce, umidità, odori…) M. Casella, a.a. 2009/2010

44

Funzionamento di 3 sensori molto comuni ¾ Sensori di Temperatura: la termocoppia ¾ Sensori di Forza: l’estensimetro ¾ Sensore di posizione: il potenziometro

M. Casella, a.a. 2009/2010

45

...facciamo un balzo indietro (breve ripasso)...

Cos’è un Trasduttore: ¾ Il trasduttore é un dispositivo in grado di trasformare -

trasdurre

- le variazioni di una grandezza fisica non

elettrica in una corrispondenti variazioni di una grandezza elettrica. elettrica ¾ I trasduttori vengono collegati con sistemi elettrici per fornire segnali elettrici indicativi dello stato del fenomeno percepito. M. Casella, a.a. 2009/2010

46

A cosa serve un Trasduttore: Consentono di misurare e controllare, per mezzo di apparecchiature

elettroniche,

le

variazioni

subite

da

grandezze fisiche di natura diversa quali, ad esempio, la velocità la temperatura, la pressione...

M. Casella, a.a. 2009/2010

47

Catena di acquisizione dati Sensore

Filtro

Campionamento

(di un trasduttore)

Condizionamento

Conversione

SENSORE: La sua funzione è quella di acquisire in ingresso una grandezza fisica e di fornire in uscita una grandezza elettrica (generalmente tensione o corrente). FILTRI: In un filtro posizionato dopo il sensorevi è una miglioria nella qualità del segnale, permettendo (in futuro) un campionamento migliore

M. Casella, a.a. 2009/2010

48

CAMPIONAMENTO: Il circuito di campionamento permette alla parte di circuito interessata di avere il tempo sufficiente per convertire il segnale campionato. CONDIZIONAMENTO Questa parte della catena può essere composta da più parti, che non sono sempre presenti (e.g. sommatore di offset positivo o negativo (“normalizza” il segnale)). CONVERSIONE : La conversione è la parte della catena di acquisizione dati in cui il dato analogico viene convertito in dato digitale corrispondente. Questa conversione è eseguita

dal ADC (Convertitore Analogico-Digitale), il quale ha in ingresso il dato analogico che è già passato attraverso le fasi precedenti mentre in uscita ha il dato digitale. Sensore

Filtro

Campionamento

Condizionamento

M. Casella, a.a. 2009/2010

Conversione 49

Trasduttori Attivi Si dicono attivi quando generano una tensione o una corrente in seguito all’applicazione ad essi di una grandezza fisica. Questo tipo di trasduttore, dunque, non necessita di alcuna alimentazione.

Esempi di trasduttore attivo: Termocoppie Sensori piezoelettrici M. Casella, a.a. 2009/2010

50

La termocoppia (I) • Le termocoppie sono trasduttori di temperatura frequentemente utilizzate in ambito industriale perché non richiedono circuiti di alimentazione. • Il

principio

di

funzionamento

di

una

termocoppia

è

basato

principalmente sull’effetto Seebeck secondo cui due metalli omogenei, chimicamente diversi e saldati alle loro estremità, danno origine ad una corrente di debole intensità (termocorrente) quando le due saldature (giunti) sono mantenute a temperatura diverse.

M. Casella, a.a. 2009/2010

51

La termocoppia (II) - effetto Seebeck A C T1

D T2 B

B

• Se T1 ≠ T2 ,A e B sono materiali diversi , tra due capi qualsiasi del circuito si misura una f.e.m. che dipende dalla natura dei conduttori e dalla differenza tra T1 e T2. • Chiudendo il circuito su di un amperometro si ha circolazione di corrente .Nel caso in cui T1 < T2 , si dice che A è positivo rispetto a B se il verso della corrente è quello indicato , cioè se nel giunto a temperatura inferiore si ha passaggio di corrente da A verso B . M. Casella, a.a. 2009/2010

52

La termocoppia (III) Quindi (come già precedentemente affermato) se si apre una saldatura della termocoppia e si collega un voltmetro ad alta impedenza agli estremi liberi, la forza elletromotrice misurata è: V = α · ( TC – TF)

M. Casella, a.a. 2009/2010

53

Trasduttori Passivi Un trasduttore passivo e' un dispositivo dotato di un ingresso fisico, di un segnale elettrico in uscita e di un ingresso elettrico di eccitazione (un'alimentazione). La loro efficienza puo' essere migliorata combinando diversi metalli e le caratteristiche

d'uscita

sono

"garantite"

dall'alimentazione.

Inoltre,

la

loro

struttura e' semplice, la loro affidabilità elevata e la loro sensibilità puo' essere regolata, variata, utilizzando serie di giunzioni metalliche.

Esempi di trasduttori passivi: - sensori potenziometrici, capacitivi - estensimetri elettrici a filo, - termometri a resistenza, ... M. Casella, a.a. 2009/2010

54

Sensori potenziometrici I sensori potenziometrici (POTENZIOMETRI) sono dei sistemi fisici di controllo in grado di inserire una resistenza variabile (N/B la resistenza varia al variare della posizione) in un circuito-elettrico

Basati solitamente su un sistema meccanico rotativo (POTENZIOMETRI a

manopola)

oppure

scorrevole

(POTENZIOMETRI

a

slitta),

i

POTENZIOMETRI forniscono tra i loro terminali una resistenza elettrica il

cui

valore

è

determinato

dalla

posizione

M. Casella, a.a. 2009/2010

della

manopola

.

55

Sensori di temperatura ¾ La temperatura è, probabilmente, uno dei parametri fisici che meglio indica lo stato di un sistema ¾ E’ noto che la relazione tra processi chimici o fisici e variazione di temperatura e' molto stretta. ¾ Dispositivi in grado di trasformare la variazione di temperatura in tensione o corrente o altro

M. Casella, a.a. 2009/2010

56

Sensori di forza (estensimetro) ¾ La misura di deformazione (sforzi) viene eseguita mediante dei trasduttori chiamati ESTENSIMETRI ¾ Gli

estensimetri

sono

capaci

di

convertire

il

segnale

di

deformazione in un segnale analogico Æ segnale digitale

M. Casella, a.a. 2009/2010

57

Come si misurano le deformazioni? (I) Legge di Hooke Æ deformazioni elastiche Corpi che si deformano se soggetti a forze La forza di richiamo (a seguito della deformazione) è proporzionale allo spostamento x dalla sua condizione di riposo ed ha verso contrario ad esso:

r r F = − Kx M. Casella, a.a. 2009/2010

58

Come si misurano le deformazioni? (II) Le misure di deformazioni sono molto più complesse (dell’esempio appena fatto)...ci sono tanti diversi “stati” (condizioni) di tensioni da misurare: Stati di tensione monoassiale

Stato di tensioni piano

Stato di tensione triassiale

M. Casella, a.a. 2009/2010

59

Trasduttori Analogico Per trasduttore analogico si intende qualsiasi dispositivo di trasduzione che presenti un segnale di uscita che puo' assumere più di due valori (livelli). Esempio: .se il segnale d'uscita di un dispositivo puo' assumere tre diversi livelli di tensione allora questo dispositivo si dice analogico.

M. Casella, a.a. 2009/2010

60

Trasduttori Digitali Per trasduttore digitale si intende qualsiasi dispositivo di trasduzione che presenti un segnale di uscita che puo' assumere solo due valori (livelli). Esempio: .se il segnale di uscita di un dispositivo puo' assumere solo due livelli di tensione allora questo dispositivo si dice digitale.

M. Casella, a.a. 2009/2010

61

M. Casella, a.a. 2009/2010

62