Parte I (I Sensori)
I sensori di movimento
•Molte
grandezze
(pressione,
temperatura, forza, accelerazione, etc.)
vengono
trasformate
in
uno
spostamento, prima di essere convertite
in un segnale elettrico.
Parte I (I Sensori)
I potenziometri
•Un potenziometro è costituito da un
elemento resistivo su cui può scorrere un
contatto mobile.
•L’elemento resistivo viene alimentato
con una tensione, continua o alternata
(sensore passivo).
• In condizioni ideali l’uscita è una
funzione lineare dell’ingresso.
Parte I (I Sensori)
I potenziometri
Il moto della parte mobile può essere
traslatorio, rotatorio o elicoidale.
Parte I (I Sensori)
I potenziometri
La presenza del carico produce degli
effetti di non linearità sull’uscita:
eo
1

eex 1 R p  xi
1 

xi Rm  xt
xt



che in condizioni ideali diventa:
eo xi

eex xt
Parte I (I Sensori)
I potenziometri
Per avere un comportamento lineare
occorre
che
la
resistenza
del
potenziometro sia piccola relativamente
a quella del dispositivo utilizzatore!
Questa specifica, tuttavia è
in
contrasto
con
la
possibilità di avere un
elevata sensibilità!
max eex  PR p
Parte I (I Sensori)
I potenziometri
•I potenziometri a filo presentano una
variazione di resistenza continua, ma
hanno valori di sensibilità troppo bassi.
•Non è possibile diminuire la sezione del
filo, per aumentare la resistenza, si
ricorre allora ai potenziometri a filo
avvolto.
•L’altra classe dei potenziometri è
costituita dai potenziometri in cermet ed
in plastica conduttiva
Parte I (I Sensori)
I potenziometri
•I potenziometri a filo avvolto hanno
una risoluzione finita, legata alla
possibilità di avvolgere un numero finito
di spire per unità di lunghezza.
•I potenziometri del in cermet o in
plastica
conduttiva
hanno
una
risoluzione infinitesima, ma presentano
un’uscita molto rumorosa, a causa della
rugosità della superficie
Esempio:
un
potenziometro
che
ha 500 avvolgimenti
ed una lunghezza di
1 cm avrà una
risoluzione pari a:
1
l cm  
 2 10 3 cm
500
Parte I (I Sensori)
I potenziometri
•I vengono immessi sul mercato come
dispositivi lineari (tranne che non si
vogliano realizzare particolari funzioni). Il
valore della loro linearità corrisponde
pertanto anche alla loro accuratezza.
Quando richiesto è possibile migliorare
la linearità di tali dispositivi mediante
inserimento di opportune resistenze
(potenziometri
a
filo
avvolto)
o
mediante
processi
al
laser
(potenziometri a strato).
Nel caso di dispositivi che
devono funzionare in ambienti
ostili viene dichiarata anche la
dither life. Essa indica la
capacità del dispositivo a
resistere a un numero grande
di cicli di piccola ampiezza
Parte I (I Sensori)
I potenziometri
•Esistono dispositivi con caratteristiche
metrologiche moto varie. Occorrerà di
volta in volta scegliere il dispositivo che
meglio soddisfa i vincoli imposti
dall’applicazione
e
le
specifiche
richieste.
Parte I (I Sensori)
I potenziometri
Un tipico esempio di dati forniti per
potenziometri
Parte I (I Sensori)
I potenziometri
Esempio
Per un potenziometro della famiglia
riportata in tabella, la sensibilità può
essere ricavata dai dati forniti (potenza
massima, massimo valore del misurando,
resistenza del potenziometro)

E
S

l 
PR p
LMAX
E nel caso in esame vale:
P=0.2 W
R=1kΩ
L=0.5in=1cm
0.2 1000
S
 14 V/cm
1
Parte I (I Sensori)
Gli estensimetri
Gli estensimetri o strain gage si basano
sul fenomeno della variazione della
resistenza di un filo conduttore con la
deformazione dello stesso:
dR / R
d / 
Gage factor 
 1  2 
dL / L
dL / L
Gli estensimetri vengono utilizzati in due
campi:
•studio dello stato di carico di pari
meccaniche
•costruzione di trasduttori
coppia, pressione, etc.
di
forza,
Si possono avere vari tipi di
estensimetro:
• a filo non incollato o incollato
• a foglio metallico
•a semiconduttore.
Parte I (I Sensori)
Gli estensimetri
Gli estensimetri a foglio metallico
vengono costruiti direttamente nella
forma desiderata e vengono incollati al
dispositivo da analizzare con opportuni
collanti.
Parte I (I Sensori)
Gli estensimetri
Quando richiesto si ricorre a opportune
rosette di estensimetri.
Parte I (I Sensori)
Gli estensimetri
Gli estensimetri metallici sono molto
lineari ma presentano un gage factor di
valore molto basso (da 2 a 4)
Parte I (I Sensori)
Gli estensimetri
Gli estensimetri a film metallico depositato non
hanno bisogno del collante, ma vengono
depositati direttamente sulla superficie di un
organo deformabile (servono in genere per
costruire trasduttori di altre grandezze.)
Gli estensimetri a semiconduttore possono essere
sia incollati sia diffusi.
In entrambi i casi possono essere di tipo N o P.
Nel primo caso la resistenza aumenta con lo
stress nel secondo caso diminuisce.
Presentano il notevole vantaggio di avere un
gage factor molto elevato (fino a 150). Dovuto
principalmente
all’effetto
piezoresistivo
e
vengono detti trasduttori piezoresistivi.
Purtroppo presentano elevata sensibilità alla
temperatura e non linearità.
Parte I (I Sensori)
Gli estensimetri
Sarà la particolare applicazione, di volta
in volta, a suggerire il tipo di
estensimetro più adatto.
I parametri più significativi sono riportati
nella tabella che segue.
Parte I (I Sensori)
Gli estensimetri
Un tipico esempio di dati forniti per
estensimetri metallici
Parte I (I Sensori)
Gli estensimetri
Esercizio
Si consideri uno strain gage di tipo
metallico (con gage factor G=2.0) di
valore R=120 Ω che deve misurare lo
stato deformativo di un organo di
acciaio (modulo di Young Y=210 GPa).
Quanto vale la variazione di resistenza
se il carico massimo vale 8x106Pa.
Si ha:
l 
8 10 6

 
3.8 10 5
l
Y 210 10 9
R
l
G
R
l
l
R  G
R  2  ( 3.8 10 5 )  120  9 10 3 
l
Parte I (I Sensori)
I trasformatori differenziali
I trasformatori differenziali (LVDT) sono
costituiti da un avvolgimento primario e
due avvolgimenti secondari.
•Il primario è eccitato con una tensione
di tipo sinusoidale, con frequenza
variabile tra 60 e 20.000 Hz.
•Sui secondari vengono indotte due
tensioni di ampiezza variabile con la
posizione del nucleo.
•Connettendo i due secondari in
antiparallelo, l’ampiezza del segnale
d’uscita diventa una funzione lineare
della posizione del nucleo.
Parte I (I Sensori)
I trasformatori differenziali
•L’uscita del sensore è una sinusoide
modulata in ampiezza. Per ricavare
l’informazione in uscita si può, a
seconda dei casi:
utilizzare un voltmetro per AC;
demodulare il segnale e utilizzare un
voltmetro in DC, o un oscilloscopio
(insieme ad eventuali filtri passabasso).
Parte I (I Sensori)
I trasformatori differenziali
•Se la frequenza della portante è
grande rispetto alla massima frequenza
del segnale (valore tipico è il rapporto
10:1) possono bastare dei filtri RC,
semplici o multipli.
Parte I (I Sensori)
I trasformatori differenziali
Si supponga di voler misurare uno
spostamento il cui contenuto in
frequenza
risulta
trascurabile
a
frequenze superiori a 1000 Hz, utilizando
un LVDT con tensione di eccitazione a
frequenza di 10.000 Hz. Il processo di
modulazione
e
successiva
demodulazione produrrà dei segnali a
frequenze nel’intervallo [19.000 Hz,
21.000Hz].
Si vuole che il ripple residuo alla
frequenza di 19.000 Hz sia minore del 5%.
Deve allora essere:
0.05 
1
19000  6.28     1
2
 f  0,00017 s
f
Parte I (I Sensori)
I trasformatori differenziali
Alla frequenza di 1000 Hz tale filtro
produce un’attenuazione pari a 0,68 e
uno sfasamento pari a -47°. Si ha quindi
una distorsioe eccessiva del segnale.
Si possono migliorare le prestazioni del
filtro utilizzando una cella RC doppia:
1
0.05 
2
19000  6.28   f   1
 f  0,000037 s
In questo caso alla frequenza di 1000 Hz
si ha un’attenuazione di 0,94 e uno
sfasamento di -26°. In tali condizioni si
ottiene in uscita un segnale che è una
copia fedele e ritardata del segnale in
ingresso
(cfr
condizioni
di
non
distorsione):
    / 180 
26
tr 

 72 s
2f
180  2  1000