Sensori e Trasduttori Laboratorio dei Dispositivi Elettronici Caratteristiche generali e definizioni • SENSORE: è la parte sensibile alle variazioni della Grandezza Fisica (GF). • TRASDUTTORE: dispositivo che permette la misura o il controllo di una GF. Normalmente è costituito dal sensore e da una parte circuitale meccanico-elettrica per facilitare l’uso del sensore. In alcuni trasduttori: • la variazione della GF è leggibile su una scala graduata (I° tipo) • la variazione della GF produce una tensione o una corrente o viceversa (II° tipo) Solo i trasduttori del II° tipo sono utilizzabili per misure on-line o nell’automazione industriale. Trasduttori del II° tipo possono: • produrre direttamente una tensione Trasduttore Passivo al variare della GF (termocoppie, …); Grandezza Fisica • richiedere un generatore di energia esterno che utilizza un sensore passivo (resistenza, TRASD. Trasduttore Attivo Grandezza Fisica TRASD. condensatore, …) per variare una tensione o corrente. Grandezza Elettrica Energia modulabile Grandezza Elettrica Grandezza Fisica TRASDUTTORI Grandezza Elettrica Grandezza Fisica tipo A tipo B tipo AB reversibili Grandezza Elettrica Grandezza Fisica Grandezza Elettrica Esempi di: •Trasd. Tipo A: elettroacustici, pressione, posizione, angoli, velocità, temperatura, umidità, luce, immagini, rivelatori di particelle. •Trasd. Tipo B: elettroacustici, motori, riscaldatori e refrigeratori, compressori e generatori di vuoto, umidificatori ed essiccatori, lampade, generatori di immagini, … . •Trasd. Tipo AB: antenne, sensori bio-elettrici e stimolatori, alcuni microfoni, … . Caratteristiche che deve avere un trasduttore • Rendimento (R): R% = (Energia in Uscita/Energia in Ingresso)*100 • Risoluzione: la più piccola variazione incrementale rilevabile • Precisione: la max differenza fra (Valore effettivo - Valore indicato) • Sensibilità: la minima quantità in ingresso che produce uscita • Tempo di risposta: ritardo fra applicazione energia in ingresso ed energia in uscita (termometro, lampada ad incandescenza) • Isteresi: capacità di non ricordare la storia precedente • Vita utile: tempo garantito di funzionamento definito in ore di lavoro o numero di commutazioni • Linearità: • Costo, reperibilità, capacità di non perturbare, … . Output = K Input Principi utilizzati Variazione dei parametri geometrici o fisici di: • resistenze (l, s), • capacità (, S, d), • induttanze (, l, s), sfruttando effetti fisici: Siebeck, Hall, piezoelettricità, fotoelettricità, … . I trasduttori si distinguono in: TRASDUTTORI ON-OFF e TRASDUTTORI CONTINUI Trasduttori • ON-OFF: rivelano il verificarsi di un evento, come: • transito di una particella, • transito di un oggetto davanti a un traguardo, • la pressione di un tasto, • il superamento di una soglia di allarme, •…. • CONTINUI: riproducono una grandezza fisica che cambia con continuità nel tempo. • Trasduttori ON-OFF: Evento 1 ... n ... Trasduttore ON-OFF assente “0” (“1”) presente “1” (“0”) 1 bit • Trasduttori Continui: Trasduttore Continuo n bit Trasduttori di temperatura • • Trasduttori a contatto con l’ambiente di cui si vuole misurare T Trasduttori per telerilevazione: oggetti lontani, oggetti piccoli, aree troppo calde, … . Misura per telerilevazione Legge del corpo nero di Plank mT = cost. Per cui rilevando lo spettro di emissione ed il punto di emissione massima si risale alla temperatura. Misure di temperatura per contatto Tipo Legge Fisica Sensibilità e Out. Range Linearità Termocoppia effetto Siebeck 10-40 V/°C 0-60 mV -2402500 °C buona a T ambiente (RTD Resistor Temp. Detector) R=R0(1+T+..) 0.2-10 /°C 0.1-0.6 V -180300 °C eccellente NTC (THERMally resISTOR) variazione resistività dei semiconduttori 100-1000 /°C 1-3 V -100150 °C scarsa Bulk resistors KTY84 Philips variazione del silicio: coeff.>0 la resistenza varia 1010K 0.7%/°C -50200 °C PTC V =giunzione del diodo -2.2 mV/°C media VZ di uno zener variazione Vz -10 mV/°K LMx34x LMx35x integrato usa uno zener 10 mV/°F (10 mV/°K) -55300 °F eccellente AD590 integrato usa un diodo 1 mA/°K -55150 °C eccellente Le Termocoppie A) B) A) V = V(Cu-Fe)TA+V(Fe-Cost.)Tx+V(Cost.-Cu)TA = V(Fe-Cost.)Tx-V(Fe-Cost.)TA Per evitare l’inconveniente si introduce una temperatura di riferimento (0°C): B) V = V(Cu-Fe)TA+V(Fe-Cost.)Tx+V(Cost.-Cu)To+V(Fe-Cu) TA = = V(Fe-Cost.)Tx-V(Fe-Cu)To dove però V(Fe-Cu)To è nota. Trasduttori di temperatura ON-OFF Lamina Bimetallica: R = (S1+S2)3 / 6dTS1S2 d = differenza dei coeff. di dilatazione. Fissati i due materiali, R è massimo per S1=S2. Materiali Piroelettrici: PbTiO3 Alcuni materiali modificano la polarizzazione interna con la temperatura (PbTiO3, ZrTiO3, LiTdO3). Si possono costruire materiali che cambiano colore o forma con la temperatura: • se T >T0 cambia il colore in modo reversibile • se T >T0 il materiale fonde e ritorna come prima se T torna < T0 • se T >T0 il materiale fonde in modo irreversibile V = f(T) I = 1/W Si può inoltre misurare la temperatura di un forno traguardando il forno con una lampada ad incandescenza e variando la corrente nella lampada fino a confonderla col forno. Dopo aver tarato la corrente della lampada con la temperatura si risale alla temperatura del forno. Alcuni pirometri usano un filtro blu ed uno rosso e misurano T = f(Iblu/Irosso) Trasduttori di Umidità • Anticamente: espansione e contrazione del capello. • Attualmente: Psicometro T = f(T) asciutto bagnato Igrometro a variazione resistiva Cella DUNMORE (processo elettrochimico) oro Cloruro di litio (igroscopico) avvolto a spirale R = F(T) Igrometro a variazione capacitiva oro Ct osc. dielettrico igroscopico V1 C=f(u) C (pF) C(u) V osc. 1 V2-V1 V0 V2 t 150 V2 t V0 110 0 100 u% t Trasduttori di pressione Ricordiamo che: P = F/S L’elemento sensibile può essere: • estensimetro resistivo • cristallo piezoelettrico • capacità variabile • induttanza variabile elemento sensibile membrana di sezione nota S Gli estensimetri sono disposti normalmente a ponte in modo che la pressione ne porta due in compressione e due in estensione amplificando il fenomeno. Usano questo principio le celle di carico usate per costruire pesiere elettroniche. L’estensione spesso si comporta come una molla e può oscillare. Per pesate veloci si immerge la cella di carico in una resina viscosa per smorzare le oscillazioni ed evitare che entri in risonanza meccanica. Trasduttori di luce Radiazione elettromagnetica: 0.7 infrarosso 0.3 luce ultravioletto rosso = C * 1/(0.7 10-6) = 4 * 1014 Hz ultravioletto = C * 1/(0.3 10-6) = 1015 Hz Energia = h 1eV = 1.6 10-19 J rosso = 2.8 10-19 J= 1.75 eV ultravioletto = … = 3.75 eV X Effetto fotoelettrico esterno: Il potenziale di estrazione dei metalli è di pochi eV (fotoni + energia termica), per cui è possibile estrarre elettroni colpendo il materiale con luce. I materiali più usati, perché a basso potenziale di estrazione, sono metalli alcalini e arseniuro di Gallio (GaAs). I trasduttori che usano questo principio sono i FOTOMOLTIPLICATORI. Effetto fotoelettrico interno: L’energia dei fotoni produce nei semiconduttori delle coppie lacune-elettroni che modificano la resistività e quindi la corrente. FOTORESISTENZE, CELLE FOTOVOLTAICHE, FOTODIODI, FOTOTRANSISTOR. Eccitazione del reticolo: La luce produce un effetto termico di eccitazione del reticolo. TERMOPILE, CRISTALLI PIEZOELETTRICI, BOLOMETRI RESISTIVI. fotocatodo Fotomoltiplicatore a canale: fotone e canale A fotocatodo fotone anodo A) A) Schema di principio di un f.m. a dinodi. f.c. B) B) Struttura di un f.m. a focalizzazione. f.c. C) C) Struttura di un f.m. a tendina veneziana. +_ + +_ + + + P _ _ +_ _ _ _ + N Light Emitting Diode (LED) Alcuni elettroni e lacune si ricombinano ed, in certi materiali, si libera energia sotto forma di fotoni. Composti del Gallio: fosfuri (radiazione dal verde al rosso) fosforo (rosso) arseniuro + alluminio (infrarosso 1 m) Non è stato trovato il materiale per produrre luce blu, per questo non vengono ancora usati per immagini televisive (TV piatte). I LED infrarossi sono usati per: optcoupler trasmettitori fibre ottiche lettori codici a barre conta pezzi telecomandi Efficacia di una sorgente A su un rivelatore B: Area Sotto La Curva C Efficacia Area Sotto La Curva A Risposta relativa Curva A (sorgente) f ( A) f ( B) f ( A) Curva C (prodotto) Curva B (rivelatore) Lunghezza d’onda in micron Distribuzione spaziale dell’irradiazione delle sorgenti luminose: Ired con lente Uscita relativa - per cento Lampada ad incandescenza - Scostamento angolare dall’asse ottico in gradi Laser Dispositivi sensibili alla luce. Occhio Fototransistor e fotodarlington Lunghezza d’onda in micron Dispositivi emettitori di luce. Uscita normalizzata in % Risposta normalizzata in % Caratteristiche spettrali normalizzate dei diodi sensibili alla luce e dei diodi emettitori di luce: Lampada al Neon Lampada al Tungsteno 3400°K 2500°K GaAs GaAs+Silicio Lunghezza d’onda in micron Trasduttori acustico-elettrici ed elettroacustici • Acustico-elettrici: • Elettroacustici: energia sonora energia elettrica (microfoni, auricolari, …). energia elettrica energia sonora (altoparlanti, ...) I MICROFONI: • A carbone resistenza variabile con la pressione. • A riluttanza (pick-up) la vibrazione della testina modifica la riluttanza magnetica e quindi il flusso concatenato. • Magnetodinamici variazione di flusso concatenato in una bobina per effetto della pressione acustica. • A condensatore la pressione acustica varia la capacità di un condensatore a carica costante perché polarizzato con pila e alta resistenza. Ed ancora: • A elettrete condensatore variabile (come sopra) con carica generata con un processo termoelettrico (riscaldamento del teflon in un campo elettrico). • Piezoelettrici la pressione produce una tensione per piezoelettricità. • Magnetostrizione la pressione acustica modifica la lunghezza di certi materiali (nichel, ceramiche, …), che modificano la riluttanza e quindi il flusso concatenato (utilizzati per ultrasuoni e grandi potenze). TRASDUTTORI ELETTROACUSTICI: • Auricolare legge di Lorentz, variando la tensione, varia il flusso concatenato e quindi la forza di attrazione di una membrana che esercita compressioni e decompressioni dell’aria circostante. • Altoparlante come per gli auricolari, ma la membrana è più estesa • Cristalli piezoelettrici la tensione sul cristallo genera compressioni e decompressioni dello stesso (radiosveglie, …). I Microfoni Microfono a carbone di Augusto Righi: Membrana Molla Pistone Vaschetta Granuli di carbone • Molto sensibile e potente, ma non del tutto insensibile ad urti e spostamenti. • Le vibrazioni sonore fanno vibrare la membrana e di conseguenza la resistenza di contatto. La corrente fornita da una pila viene perciò modulata dalle vibrazioni. • Ciò che lo distingue dagli odierni microfoni a carbone è la sostituzione della molla posteriore della vaschetta contenente i granuli con un anello di feltro posta tra la membrana e la vaschetta. Microfono magnetodinamico: Espansioni polari Scatola Bobina mobile • Usati per ripresa sonora di alta qualità, in quanto la bobina si muove in un campo costante. • La tensione indotta è proporzionale alla velocità della bobina (frequenza). Membrana E’ richiesto perciò un circuito equalizzatore per avere risposta piatta. Espansioni • polari Risulta pressoché omnidirezionale. Microfono a condensatore: • La capacità tra membrana e scatola è caricata da una tensione elevata attraverso un’altra resistenza. • Le vibrazioni fanno variare C,variando la distanza fra le armature,e la carica Q resta pressoché costante grazie l’alto valore di R che non permette una rapida scarica e carica. • La V varia in senso inverso a C. Anello isolante Membrana metallica Scatola metallica Schema di impiego: Dove: VC = Q/C Se cambia C allora cambia VC. R alta VC Microfono a elettrete: Anello isolante Lastrina di plastica Membrana metallica Scatola metallica Come molte plastiche isolanti il teflon (politetrafluoroetilene), scaldato ad alta temperatura e sottoposto a campo elettrico poi raffreddato, si polarizza permanentemente. Così si evita l’uso della batteria. Noti da molto tempo, ma poco usati fino all’arrivo degli amplificatori integrati a causa dell’alta impedenza e del bassi guadagno. Sono insensibili ai campi magnetici. Microfono piezoelettrico: V=K deformazioni 100K R= V=K velocità (frequenza) 500K circuito equivalente • • • • Basati sulla proprietà di alcuni cristalli (es. ceramiche piezoelettriche)di caricarsi di elettricità su due facce opposte quando sono deformati da una forza meccanica. La tensione è proporzionale alla deformazione tensione di uscita a vuoto è indipendente dalla frequenza. Più leggeri, meno disturbati e meno costosi dei microfoni dinamici, ma ora poco diffusi a causa dell’avvento dei transistori, più facili da pilotare. A causa del valore alto della tensione di uscita è adatto a pilotare amplificatori a valvole. Piezoelettricità: Una pressione genera delle cariche che possono generare una tensione su un apposito condensatore che usa il cristallo piezoelettrico come e viceversa. Con questo metodo si fanno estensimetri, microfoni e trasduttori elettroacustici. Trasduttori Elettroacustici Auricolare magnetico: membrana V=Vmsin t L’applicazione di una tensione V genera un campo magnetico B=B0+Bmsint (dove B0 è il campo continuo delle espansioni polari). La forza sulla membrana è: f S S B2 ( B0 Bm sin t ) 2 dove S=superficie della membrana 2 0 2 0 o=permeabilità dell’aria I cristalli liquidi: Sono: • liquidi (assumono la forma del recipiente che li contiene), con una struttura particolarmente ordinata (tipo albume, per cui occorre un certo sforzo per separare le molecole); • trasduttori ottici non reversibili. Non emettono luce ma diffondono o ruotano il piano di polarizzazione della luce incidente. Dinamic Scatter elettrodo percorso da corrente Dove non c’è l’elettrodo la luce viene diffusa, dove manca la luce arrivo sulla parte nera che l’assorbe. Consumano troppo per gli orologi. Cristalli ad effetto di campo: Il campo elettrico applicato a elettrodi posti opportunamente cambia il passo della spirale che mostra come il piano di polarizzazione della luce. Dove ci sono gli elettrodi ruota di 900. Dove non ci sono ruota di 1800. Uno specchio posteriore riflette la luce che torna ad uscire dove non ci sono gli elettrodi e viene assorbita negli altri punti. Il vantaggio consiste nell’assenza di corrente e quindi un consumo ridottissimo. In questo caso lo sfondo è chiaro con scritte scure. specchio Note sui Trasduttori d’Immagine: Nei trasduttori d’immagine (telecamere, ...) la collocazione spaziale del pixel diventa una collocazione temporale nel segnale di uscita dalla telecamera. Nella figura è rappresentata schematicamente la correlazione fra i pixel di una immagine televisiva ed il segnale video associato. Nello standard televisivo abbiamo 25 quadri al secondo che diventano 50 frame (ogni frame ha un numero di linee pari a metà della risoluzione prevista) e poiché ogni quadro prevede una risoluzione in 625 linee, avremo una frequenza di sincronismo orizzontale pari a 25*625=15625Hz . La banda del segnale invece dipende dalla risoluzione spaziale associata all’immagine, che determina la frequenza temporale massima del segnale video. Poiché per ogni linea si prevede una risoluzione spaziale di circa 320 pixel, ne segue una banda passante dell’ordine di 5MHz., pari all’inverso del tempo di pixel (tempo di linea 1/15625 sec.; tempo di pixel 1/320*15625). Nei monitor per computer, per garantire una migliore visione dell’immagine, si aumentano i quadri al secondo arrivando in alcuni casi anche a 72 quadri al secondo, con un consistente aumento della frequenza di sincronismo orizzontale e della banda passante associata. Questo è il principale motivo che impedisce una diretta videoregistrazione VHS o visualizzazione su TV standard delle immagini prodotte da computer. Caratteristiche normalizzate (standard europeo) del canale televisivo, nel caso della trasmissione a colori (le ampiezze non sono in scala): Banda di crominanza Caratteristiche normalizzate (standard europeo) del canale televisivo, nel caso della trasmissione in bianco e nero: Dissettore: Diaframma • Primo tubo di ripresa elettronico. Bobina di • Differisce da un fotomoltiplicatore solo per la deflessione presenza di un diaframma con un piccolo foro al centro verticale tra fotocatodo e primo dinodo. Bobina di focalizzazione • Zona tra f.c e diaframma è immersa in un campo Bobina di magnetico assiale unif. prodotto dalla bobina di deflessione focalizzazione, attraversata orizzontale da una corrente continua. • Sul fotocatodo un obiettivo proietta un’immagine reale. • Gli elettroni emessi da una regione elementare, pixel, del fotocatodo sono costretti dal campo magnetico a cadere in una zona ristretta del diaframma. • Sul diaframma si forma perciò un’immagine reale “elettronica” uguale a quella ottica formatasi sul fotocatodo. Orthicon a immagine: f.c. Moltiplicatore elettronico Cannone elettronico Griglia Placca isolante • Perfezionamento dell’iconoscopio. • L’immagine viene accumulata su una piastra isolante. • E’ un tubo a elettroni lenti e con amplificatore, in cui la piastra isolante viene letta da dietro. Bobine di deflessione Bobine di deflessione Vidicon: Strato fotoresistivo Cannone elettronico • Prima tappa del passaggio dai tubi-immagine a vuoto ai trasduttori di immagini a semiconduttori. • L’immagine si forma su uno strato fotoresistivo di solfuro di cadmio. • La luce rende più o meno conduttore il CdS nei vari pixel, in modo che il fascio di elettroni ad ogni scansione manda in uscita impulsi più o meno proporzionali all’illuminazionen intagrale tra una scansione e l’altra. Rivelatori di radiazione e/o particelle Le radiazioni ionizzanti E>10-20 eV sono proprie di: • radiazioni elettromagnetiche • particelle cariche Non esistono rivelatori universali. Essi cambiano a seconda: • della natura della radiazione • dell’energia della radiazione • di cosa si vuole rivelare, ovvero: – numero di particelle indipendente dal tipo e dall’energia – il tipo di particella – l’energia della particella – l’energia e la posizione – l’energia, la posizione, la direzione, il tempo, ... Esistono rivelatori di particelle non direttamente ionizzanti (neutroni, neutrini, …). Tutti i rivelatori si basano su: interazione (ionizzazione, eccitazione) fra radiazione e materia. Le particelle cariche interagiscono con forze di tipo Coulombiano I fotoni eccitano la materia (effetto fotoelettrico, effetto Compton, …) Le particelle cariche possono avere massa • grande : nuclei di elio emessi da elementi radioattivi () • piccola : elettroni () Esempi di camere di ionizzazione: Camera di ionizzazione a campo uniforme: Camera di ionizzazione cilindrica: Variazione della carica raccolta Q al variare della tensione V: I rivelatori a semiconduttore: Sono sostanzialmente dei diodi polarizzati inversamente. L’interazione fra la radiazione e la materia deve avvenire nella zona di svuotamento producendo coppie elettrone-lacune che producono corrente. Se l’interazione avviene fuori le coppie si ricombinano prima di generare una corrente. particella penetrazione in Si tecnica usata 1 rivelatori superficiali parecchi alzando V inversa creando zona intrinseca X e 1 cm creando zona intrinseca con diffusione del Litio Rivelatori al Litio: • si deposita il Litio • si scalda al materiale il Litio diffonde • si riporta al materiale a Tambiente il materiale è stabile Per i occorre il Ge, ma si deve lavorare a 77°K perché diffonde a Tambiente. Scintillatori (metastabili se assorbono energia e poi la riemettono spont.): Si parla di FLUORESCENZA se l’emissione avviene dopo 10-8s - 10-9s. Si parla di FOSFORESCENZA se l’emissione avviene dopo 10-5s - 10-7s. Convertono l’energia part., X e luce misurata fotomolt. rapidi. Rivelatori a termoluminescenza (stabili se non riemettono energia spont.): Energia part., X e viene intrappolata, ma non emessa successivamente se riscaldati emettono luce. Misurano solo l’energia totale accumulata e non danno informazione sugli eventi. Poiché hanno memoria, sono usati in : • archeologia: il manufatto è azzerato al momento della cottura e poi accumula raggi cosmici fino al ritrovamento, supponendo costante l’arrivo dei raggi cosmici si può risalire all’età. • medicina: per costruire dosimetri. Trasduttori di posizione Trasduttori potenziometrici lineari e circolari V R XR X LVDT (Linear Variable Differential Transformer) Se il nucleo è centrato l’uscita è nulla. Altrimenti l’uscita è proporzionale allo spostamento del nucleo. Vantaggi: misura senza attrito, vita meccanica infinita, risoluzione “infinita”, robustezza esterna, compatibilità dell’ambiente, isolamento ingresso-uscita. Errore di misura 0.1-0.2%. Vout Primario A barre graduate (LIDA) T R Si prende una barra poco sensibile alla temperatura, umidità, … . Si incidono delle tacche o si disegnano zone chiare e scure in modo che un sistema ottico (TR), fatto da un trasmettitore (T) ed un ricevitore (R), possa rilevare il movimento del sistema generando un segnale V(t) che viene inviato ad un contatore. T R V(t) La posizione è ottenuta trasformando, conoscendo la larghezza delle tacche, il conteggio in spostamento. t Si ottengono precisioni fino ad 1. L1 Una sola barra non permette di rilevare i cambi di direzione che sono facilmente rilevabili con due barre sfalsate di 90°. L2 B) Pick-up a riluttanza: A) solco A) Vista frontale B) Vista laterale C) Schema elettrico • • solco C) La somma dei segnali destro+sinistro provoca spostamento orizzontale. La differenza destro+sinistro provoca spostamento verticale. 470 Rivelatore di corrente di linea indifferente alla polarità: Corrente di linea 10mA HIIAAI 10M 0.5mA Rivelatore di corrente di linea con indicazioni della polarità: 1505% Corrente di linea HIIAAO HIIAAO 2.7M >mA per I pos. >10mA 2.7M >mA per I neg. >10mA Optoaccoppiatore con contenitore Dual In Line Package (DIP), che mostra la tecnica costruttiva dell’isolamento in vetro: Optoaccoppiatore H15, tensione d’isolamento 4000V: Emettitore Rivelatore Modulo a riflessione formato da H23: Modulo a riflessione: Modulo ad interruzione: Modulo ad interruzione Rivelatore di gocce a basso livello luminoso: schema elettrico: schema meccanico Illuminatore Circuito sensore Percorso della goccia Accorgimenti per misure di temperatura con cavi lunghi: 9V AD 590 VS 70m. di cavo 10K Meglio: 9V 1F 200K 10K Tende a ridurre disturbi di radiofrequenza massa schermo 2F VS 2F Tende a ridurre disturbi di rete oltre alle masse VS massa massa