Parte I (I Sensori)
Supporti didattici
•E. Arri e S. Sartori: Le Misure di
grandezze fisiche, TSP-Paravia;
•E. Doebelin: Mesurement systems, Mc
Graw Hill;
•Pallas-Areny J.G. Webster: Sensors and
Signal Conditioning;
(disponibili presso le biblioteche della
facoltà).
•Appunti di lezione
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Parte I (I Sensori)
Cos’è un trasduttore?
•L’elaborazione dei segnali di tipo
elettrico
è
relativamente
facile,
soprattutto
facendo
ricorso
a
tecnologie ibride di tipo analogicodigitale.
• Si possono utilizzare tali tecniche
anche quando il segnale, associato
all’informazione di interesse, non è di
natura elettrica.
• I dispositivi che effettuano queste
trasformazioni
vengono
chiamati
trasduttori, o sensori.
Parte I (I Sensori)
Un sensore è un dispositivo in grado di
percepire una grandezza a cui i nostri
sensi non sono in grado di reagire. Si
distingue spesso tra:
•sensore, o sensore primo (sensor o
detector);
•attuatore (actuator o effector)
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Parte I (I Sensori)
Il sensore produce una variazione di un
parametro d’uscita spesso non adatta
alla successiva elaborazione.
Un trasduttore è un dispositivo che
trasforma la natura fisica di un segnale
senza
alterarne
il
contenuto
informativo.
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Parte I (I Sensori)
In origine i sensori venivano utilizzati per il controllo
dei processi industriali per
la misura di
temperatura, pressione, portata e livello.
Attualmente il campo di applicazione copre
innumerevoli grandezze fisiche e chimiche con
campi applicativi nel settore automobilistico,
aereo, medico, elettronica di consumo e
ambiente. Attualmente il mercato mondiale dei
sensori dovrebbe valere circa 42.2 miliardi di
dollari US. Il mercato principale dei sensori è
quello dell’Europa occidentale con il 31.7%,
seguita dagli USA con il 31% e dal Giappone con
il 19.4%.
Caratteristiche della produzione
•Concentrazione
nei
paesi
industrialmente
e
tecnologicamente più sviluppati (pochi produttori in
Italia)
•Aziende medio-piccole o piccole divisioni di grandi
aziende
•Innovazione tecnologica
•Utilizzo più esteso e nuove applicazioni di sensori
con principio di funzionamento noto
•Applicazione di nuovi principi di funzionamento.
Parte I (I Sensori)
Il mercato mondiale dei sensori è diviso tra:
Temperatura;
Pressione;
Portata;
Posizione di tipo binario;
Posizione;
Sensori chimici per liquidi e gas.
I mercati a crescita più rapida sono:
Sensori di pioggia;
Sensori di spessore;
Sensori per la stima delle caratteristiche dei liquidi;
Sensori per la navigazione;
Sensori di inclinazione;
Fotodetettori;
Biosensori;
Sensori di campo magnetico;
Sensori di spostamento.
Parte I (I Sensori)
Un trasduttore è sempre associato ad
altri sistemi fisici:
• sistema misurato
• sistema utilizzatore
• sistema ausiliario
• sistema ambiente
Sistema
ambiente
Sistema
misurato
Trasduttore
Sistema
ausiliario
Sistema
utilizzatore
Parte I (I Sensori)
Il modello del trasduttore
•La funzione di conversione: è la
funzione che lega il segnale d’ingresso
x(t) con il segnale d’uscita y(t):
x(t)=f[y(t)]
• Le grandezze d’influenza sono tutte le
grandezze fisiche attinenti al sistema
misurato
(con
eccezione
del
misurando),
all’utilizzatore
e
all’ambiente,
che
influenzano
il
comportamento del trasduttore:
x(t)=f[y(t),•]
• La dipendenza dal tempo, dovuta
all’invecchiamento dei materiali
x(t)=f[y(t),•,t]
Parte I (I Sensori)
Il modello del trasduttore
•Il campo di misura precisa i limiti entro i
quali deve variare la grandezza
d’ingresso affinché il trasduttore funzioni
secondo le specifiche fornite.
•Il
campo
di
sicurezza
fornisce
informazioni sull’integrità del trasduttore,
esso, infatti, specifica i limiti che la
grandezza
d’ingresso
non
deve
superare per non danneggiare il
trasduttore.
•Il campo di normale funzionamento
dell’uscita.
•Il valori estremi dell’uscita.
•Il comportamento energetico:
• trasduttori attivi
• trasduttori passivi
Parte I (I Sensori)
Il modello del trasduttore
•Il regime di funzionamento:
• regime stazionario
• regime dinamico
Un trasduttore opera in regime
stazionario quando le variazioni del
misurando nel tempo sono tali che la
funzione
di
conversione
del
trasduttore non risulta alterata in
modo significativo rispetto a quella
che si ha con misurando costante nel
tempo. In caso contrario si dice che
funziona in regime dinamico.
Parte I (I Sensori)
Come si caratterizza un trasduttore
•Il principio di funzionamento
•Notizie sul misurando (Measurand)
•Specie
•Campo di misura (input range)
•Campo di sicurezza (measurand overload
values)
•Notizie sull’uscita(Output)
•Specie
•Campo di normale funzionamento (output
range)
•Valori di sovraccarico(output overload
range)
•Potenza erogabile (output power)
•Impedenza d’uscita (output impedance)
•Incertezza intrinseca dell’uscita
•Alimentazione ausiliaria (Auxiliary
supply)
Parte I (I Sensori)
Come si caratterizza un trasduttore
•Caratteristiche metrologiche in regime
stazionario
(Static
metrological
characteristics)
•Funzione di tatatura
•Curva di taratura (Calibration curve)
•Incertezza di taratura (Cal. uncertainty)
•Sensibilità (Sensitivity)
•Linearità (Linearity)
•Risoluzione (Resolution)
•Ripetibilità (Repeatibility)
•Isteresi(Hysteresis)
•Stabilità (Stability)
Parte I (I Sensori)
Come si caratterizza un trasduttore
•Caratteristiche metrologiche in regime
stazionario
(Static
metrological
characteristics)
•Funzione di tatatura
•Curva di taratura (Calibration curve)
•Incertezza di taratura (Cal. uncertainty)
•Sensibilità (Sensitivity)
•Linearità (Linearity)
•Risoluzione (Resolution)
•Ripetibilità (Repeatibility)
•Isteresi(Hysteresis)
•Stabilità (Stability)
M
Curva di taratura
Vi
Is
D Mi
Asse delle letture
Li
DL
L 13
Parte I (I Sensori)
Come si caratterizza un trasduttore
•Caratteristiche metrologiche in regime
dinamico (Dynamic characteristics)
•Risposta in frequenza (Frequency response)
•Campo di frequenze di non distorsione
(Frequency range)
•Frequenza
frequency)
di
risonanza
(Resonant
Parte I (I Sensori)
Come si caratterizza un trasduttore
•Caratteristiche metrologiche in regime
dinamico (Dynamic characteristics)
Risposta al gradino (Step responce)
•Sovraelongazione (Overshoot)
•Tempo morto (Deat time)
•Tempo di salita (Rise time)
•Tempo di risposta (Response time)
•Tempo di assestamento (Settling time)
•Frequenza delle oscillazioni
(Ringing frequency)
di
assestamento
•Risposta libera (natural responce)
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Parte I (I Sensori)
Come si caratterizza un trasduttore
•Condizioni
conditions)
operative
(Operating
•Definiscono i campi di valore in cui devono
essere mantenute le grandezze d’influenza
(influence quantities) perché il sensore
funzioni secondo le specifiche dichiarate.
•Campo di riferimento (reference operating
conditions)
•Campo di normale funzionamento (Normal
operating conditions)
•Campo di sicurezza (Operative limits)
•Campo di Magazzino (Storage coditions)
•Funzione d’influenza (operating influence)
Parte I (I Sensori)
Come si caratterizza un trasduttore
•Tempo di vita
•Numero di cicli (cicling life)
•Tempo di funzionamento (operating life)
•Tempo di magazzino (storage life)
•Affidabilità: è dovuta a guasti o da
debolezza strutturale del sensore o da
funzionamento al di fuori dei limiti di
sicurezza:
•Degradazione: Variazione graduale
delle caratteristiche nel tempo
•Rottura: Improvvisa degradazione delle
caratteristiche.
Parte I (I Sensori)
Come si caratterizza un trasduttore
L’affidabilità definisce in termini statistici la
probabilità
di
un
sensore
di
lavorare
soddisfacentemente con le caratteristiche
specificate.
La frequenza dei guasti su dispositivi identici in
funzione del tempo è rappresentata dal
caratteristico diagramma a vasca da bagno:
Freq. Dei guasti
Vita utile
Freq. Guasti
costante
Guasti giovanili
tempo
Guasti per usura
Parte I (I Sensori)
Come si caratterizza un trasduttore
Si definisce per i dispositivi che superano il
periodo dei guasti giovanili, una durata media
durante la quale funzionano entro le specifiche:
•MTBF (Mean time between failure - tempo
medio fra guasti)
MTBF = (N. dispositvi in esame x N. ore di uso) /
N. totale di guasti
•Caratteristiche fisiche
•Costo