Trasduttori:
E' un dispositivo in grado di trasformare le
variazioni di una grandezza fisica , normalmente
non elettrica , in un'altra grandezza , normalmente
di natura elettrica
(tensione , frequenza o corrente).
E’ composto da due parti:
Sensore: un dispositivo che rileva le variazioni di
una grandezza modificando una delle proprie
caratteristiche fisiche,
Convertitore:E’ un circuito elettronico che
trasforma le variazioni di un parametro del sensore
in una variazione di una grandezza elettrica.
Il sensore spesso è sensibile a variabili che alterano
il risultato della misura primaria,quindi per ottenere un
buon funzionamento bisogna attenersi al data-sheet in
cui sono descritti:
• I parametri caratteristici del sensore ;
•Gli schemi dettagliati piu comuni di utilizzo;
• I circuiti di prova per verificare le
caratteristiche;
• I limiti di ipegno.
Tipi di trasduttori:
Analogico: quando il suo segnale di uscita è
una grandezza elettrica che varia in modo
continuo mantenendo una doppia corrispondenza
con il valore della grandezza misurata
Digitale:quando il suo segnale di uscita è
composto da uno o più segnali digitali che
possono assumere ciascuno solo due livelli di
tensione identificati come 0 e 1.
Attivi: Quando forniscono in uscita un segnale
direttamente utilizzabile da circuiti di elaborazione senza
nessun consumo di energia elettrica.é il caso delle celle
fotovoltaiche e delle termocoppie.
Passivi: Sono quei trasduttori ai quali bisogna fornire
energia elettrica perché la grandezza fisica d’uscita
possa essere trasformata in una grandezza elettrica.Ad
esempio il Potenziometro che fornisce in uscita valori di
resistenza diversi, a seconda della posizione.
Parametri caratteristici dei sensori:
Caratteristiche di trasferimento:
E' il legame che intercorre tra la variabile da misurare
(ingresso) e il segnale elettrico di uscita del trasduttore.
I trasduttori la cui caratteristica è una retta sono detti
lineari.
Caratteristica dei Trasduttori; La Linearita’.
U
U=KI
tg=K

U=KI
U: La grandezza di uscita del sensore
I: La grandezza da misurare
K: Coefficiente angolare
I
Quando la retta non passa per l'origine la variabile
d'uscita è diversa da zero in corrispondenza del valore
nullo della variabile di ingresso. L'equazione è:
U=KI+offset
Si definisce offset il valore non nullo della
variabile di uscita corrispondente al valore
nullo della variabile d' ingresso.
U=Grandezza di uscita
U=KI+offset
offset
I=grandezza d' ingresso
Linearità:
Il funzionamento ottimale di un trasduttore è quello
definito da una caratteristica lineare.
La linearita è il parametro che evidenzia la deviazione
tra la retta (caratteristica teorica) e la curva reale.
La non linearità è il valore massimo della deviazione
rispetto alla curva teorica in valore assoluto riferito al
valore massimo del segnale di uscita.
Un sensore è buono quando la sua non linearità non è
superiore allo 0.1%.
Grandezza D’uscita
U=Grandezza di uscita
Caratteristica reale
Caratteristica Ideale
Deviazione
I=Grandezza d' ingresso
Range di funzionamento:
E' l'intervallo dei valori che può assumere la grandezza
che deve essere trasdotta.
Range di
Funzionamento
Saturazione
Zona lineare
Min
Max
Isteresi:
E' l' area racchiusa tra le due curve e rappresenta una
imprecisione di misura.
Sensibilità:
E' il rapporto tra la variazione della grandezza di uscita
e la variazione della grandezza d' ingresso che la
provoca.
S=
U
I
Più il coefficiente angolare della retta è elevato più il
trasduttore è sensibile e minore sarà il range di
funzionamento.
U
Maggiore pendenzaTrasduttore più sensibile.
Valore massimo di uscita
U1
U2
l
Tempo di risposta:
E' il tempo che il trasduttore impiega per raggiungere
in uscita il valore di regime corrispondente al valore d'
ingresso.
Risoluzione:
E' il rapporto percentuale tra la minima variazione
della grandezza di uscita in grado di essere rilevata e il
valore massimo del fondo scala.
Ripetibilità:
E' la capacità di un sensore di fornire sempre gli stessi
valori di uscita in corrispondenza dell' ingresso.
Stabilità:
E' una piccola variazione delle caratteristiche del
sensore al variare della temperatura.
Radazione Luminosa: E' composta da particelle di
energia dette fotoni i quali, colpendo un materiale
semiconduttore, liberano una coppia di portatori.
Alcuni semiconduttori convertono 0 un segnale luminoso in
corrente elettrica e viceversa.
I dispositivi Opto Elettronici sono di tre
tipi:
Dispositivi emettitori:
Il Led è un diodo che emette un fascio luminoso,visibile o
invisibile, quando è percorso dalla corrente; l'intensita’ della
luce è determinata dall' intensità della corrente.
Dispositivi di disaccopiamento:
Sono formati da un dispositivo emettitore (LED) E da un
dispositivo rivelatore (foto diodo) integrati sullo stesso
chip. La corrente che attraversa il dispositivo emettitore
si trasforma in luce che colpendo il dispositivo rivelatore
si trasforma nuovamente in segnale elettrico.
Dispositivi rivelatori:
Trasformano una radiazione luminosa in grandezza
elettrica ; i più comuni sono:
1.Fotoresistori: L'energia radiante , colpendo alcuni
materiali semiconduttori , libera altri portatori di carica
aumentando la conducibilità del dispositivo:
2.Fotodiodo: Nelle giunzioni tra semiconduttori P-N
polarizzate inversamente la radiazione provoca un
aumento della corrente inversa , effetto fotovoltaico.
Foto Transistore: Si basa sullo stesso principio del
fotodiodo , ma la corrente generata nella giunzione di
base è amplificata dal transistor.
Ic=hfe Ib
La Termoresistenza o RTD (Resistance Temperature
Detector Rivelatore di Temperatura a resistenza)
è un trasduttore di temperatura molto utilizzato in
applicazione industriale.Essa è costruita con
materiali metallici come il Platino ,Nichel e
Tungsteno.La legge della variazione della
resistenza con la temperatura ,lineare in un vasto
Range di funzionamento,è:
Rt=R0*(1+*T)
Il trasduttore di temperatura AD590
Il trasduttore di temperatura AD590 è un dispositivo
a due terminali,e per tensioni di alimentazioni nel
range 4/30V genera una corrente di A/K.
Contenitore AD590
(Visto dal Basso)
Nelle applicazioni pratiche si pone il problema di
convertire il segnale di uscita dell’AD590 in
tensione. Molto spesso è necessario adattare il
segnale alle specifiche dei convertitori A/D.La
conversione / V, è affidata ad un amplificatore
operazionale che,per le sue caratteristiche,oltre a
non caricare il segnale prodotto dal trasduttore,lo
amplifica:
Il Trasduttore di Umidità.(Capacitivo)
Il trasduttore di umidità è stato progettato per le
misure di umidità definita come il rapporto tra
l’umidità assoluta (Quantità di vapore acqueo in
un metro cubo d’aria) e l’umidità di saturazione
(Massima quantità di vapore acqueo in un metro
cubo di aria):
U%=
UAss
USat
100
Il dispositivo è realizzato con un materiale
dielettrico,non sensibile a sostanze inquinanti
presenti nell’aria; ha una costante dielettrica
relativa, ed una capacità Cs che dipendono
dall’umidità relativa.Le faccie del dielettrico sono
ricoperte da un sottile strato d’oro, i quali
costituiscono le armature del condensatore alle
quali vengono saldati i due reofori.Il tutto è
protetto da un involucro plastico forato.
Il Trasduttore di Pressione .
Per misurare la pressione si utilizzano dispositivi i
quali sono in grado di misurare la pressione.
Essi si differenziano in base all’effetto fisico sul
quale si basano,questo puo’ essere il tipo:
Capacitivo: è un condensatore la cui capacità
varia quando una delle due armature,costituita
da una membrana,subisce una deformazione non
permanente per la sua struttura,a causa della
pressione ad essa applicata.Il trasduttore è poco
sensibile alla variazione di temperatura e
presenta alta stabilità.
Induttivo:è basato sul principio della variazione
dell’induttanza o della riluttanza a causa delle
variazioni di pressione;è un dispositivo di grande
dimensione e poco sensibile.
Effetto Hall:è costituito da una membrana sulla
quale si sposta un piccolo magnete a causa della
variazione di pressione.
Piezoresistivo:è costituito da un semiconduttore
la cui resistenza varia per la deformazione
meccanica (in genere un incurvamento) di una
membrana sotto l’azione di una forza applicata.
Il Trasduttore di posizione lineare:
Potenziometro.
è costituito da una resistenza racchiusa in un
contenitore metallico generalmente flangiato per
il fissaggio,nel quale scorre un’asta
metallica.All’esterno del contenitore sono
riportati tre reofori detti inizio,centro e fine.
La resistenza del trasduttore,misurata tra il
terminale inizio e centro,varia da 0 ,quando
l’asta è nella posizione 0,ad un valore Rmax
dipende dalle caratteristiche del
trasduttore,quando l’0asta è nella posizione
Lmax(asta tutta estesa).
Il Fotoresistore NORP-12
I Fotoresistori sono trasduttori sensibili alle
radiazioni,essi sono costituiti da materiali
semiconduttori leggermente drogati (solfuro di
cadmio,CdS,solfuro di piombo,PbS ecc.)ed il loro
principio di funzionamento è basato sull’effetto
fotoconduttivo.Quando la superficie sensibile del
fotoresistore viene esposta alla luce,l’energia
raggiante assorbita provoca la rottura dei legami
covalenti e quindi l’aumento delle coppie lacuneelettroni rispetto a quelle generate per effetto
termico.
Questo fenomeno è noto come effetto
fotoconduttivo,e determina l’aumento della
conducibilità del semiconduttore.Le variazioni
della resistenza R in funzione dell’illuminamento
E(1) è data la seguente legge:
R=A*E-
dove A è una costante,E è l’Illuminamento ed  è
una costante dimensionale minore di uno che
dipende da come è costruito il dispositivo.
Estensimetri.
Gli estensimetri sono componenti che subiscono
una variazione di resistenza quando sono
sottoposti a forze di trazione o compressione.
Essi sono utilizzati per la misura (Gauge)di
deformazioni e di forze e per le bilance
elettroniche (Misure di peso).L’intensità di
sollecitazione (Strain) deve essere contenuta nel
limite della validità della legge di
Hooke(Deformazione Elastica).Gli estensimetri si
possono classificare nel seguente modo:
Estensimetri filiformi metallici o a strato
metallico:sono realizzati con materiale metallico
filiforme (Platino,Nichel-cromo,ecc)e variano la
loro resistenza al variare delle dimensioni sia di
lunghezza che sezione.
Estensimetri Piezoresistivi:sono realizzati con
semiconduttori drogati di tipo p o n.Hanno una
sensibilità maggiore di quella degli estensimetri
metallici e basano il loro funzionamento sulla
variazione della resistenza del materiale al
variare delle dimensioni.
Estensimetri Piezoelettrici:sono realizzati con
cristalli di quarzo.Essi generano una variazione
di tensione quando sono sottoposti a
sollecitazioni di natura meccanica
Gli estensimetri piezoelettrici sono maggiormente
utilizzati perché è possibile integrare l’elemento
semiconduttore sensibile,L’Amplificatore,il
Circuito di Linearizzazione e quello di
Compressione su un unico chip.
Dinamo Tachimetrica.
La dinamo tachimatrica è una macchina elettrica
che trasforma energia meccanica in energia
elettrica.Nei sistemi di controllo la dinamo è
utilizzata come trasduttore analogico che
trasforma una velocità angolare in una tensione
continua.
Si consideri che una spira ruota attorno all’asse
0-0’ perpendicolare al campo d’induzione
magnetica uniforme B,generato da un magnete
permanente.Le estremità della spira sono
collegate a due anelli,detti collettori,concentrici
con l’asse di rotazione.I collettori sono isolati
uno dall’altro,e sono collegati con il circuito
esterno mediante due contatti striscianti.Si
consideri anche che la dinamo contiene N spire e
che ogni spira è collegata ad una coppia di
collettori,e le spazzole sono collegate ad una
particolare spira solo per un breve intervallo di
tempo,durante il quale la spira presenta la Max
superficie alle linee D’induzione magnetica…
…fornendo in uscita la Max f.e.m.i.in tal modo
la tensione di uscita è costituita da un segnale
quasi sempre continuo ed il ripple è tanto minore
quanto piu’ è elevato il numero delle spire.
Encoder
L’Encoder è un trasduttore digitale che trasforma
una velocità angolare in un treno di impulsi
compatibili con segnali TTL e CMOS.Il
dispositivo è costituito da un disco forato,che
puo’ essere metallico ,di vetro o metacrilico,da un
fotodiodo trasmettitore e da un fototransistor
ricevitore.
Poiché il segnale d’uscita dell’encoder è distorto a
causa dei tempi di commutazione del
fototransistor quando la velocità di rotazione del
disco è elevata,gli encoder di maggior qualità
contengono un amplificatore e un trigger di
Schmitt che consentono di ottenere un’onda
quadra compatibile con segnali TTL e CMOS.