CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE
DELLA PRODUZIONE ANIMALE
Tecnologie Informatiche ed
Elettroniche per le produzioni
animali
(corso TIE)
Massimo Lazzari
Scienze veterinarie per la salute,
la produzione animale
e la sicurezza alimentare - VESPA
Università degli Studi di Milano
CORSO LAUREA MAGISTRALE IN SCIENZE
DELLA PRODUZIONE ANIMALE
Generalità su sensori e trasduttori
TIE per le Produzioni Animali
Massimo Lazzari
Scienze veterinarie per la salute,
la produzione animale
e la sicurezza alimentare - VESPA
Università degli Studi di Milano
INQUADRAMENTO TECNOLOGIE DI BASE
Tab.I – I componenti tecnologici di base dei sistemi per l’agricoltura di precisione. A: Tecnologie
elettroniche; B: Tecnologie di posizionamento; C: Tecnologie informatiche hardware; D: Tecnologie
informatiche hardware
OLTP
Tipo di componente
OLAP
MONITORAGGIO
CTR
AMBI
1
2
TECNOLOGIE
ELETTRONICHE DI BASE
A
3
4
TECNOLOGIE DI
POSIZIONAMENTO
B
5
6
7
8
TECNOLOGIE INFORM.
HARDWARE
C
9
10
11
12
TECNOLOGIE INFORM.
SOFTWARE
13
D
14
PROD
OPER
Sensori per la misura di parametri chimici e/o
 
fisici inerenti l’ambiente e/o il contesto produttivo


Sistemi di identificazione
Dispositivi per telerilevamento prossimale o


remoto (remote sensing o ground sensing)
Dispositivi attuatori per la regolazione e/o
automazione del funzionamento di macchine o
impianti, inclusi i sistemi per il dosaggio a rateo


variabile dei fattori (VRT, Variable Rate
Technologies)
Dispositivi per il controllo dei transiti (gate
(c)

detecting)
(a)


Sistemi GPS


Sistemi DGPS
Computer mobili (anche con funzioni di data

logger)


Computer fissi


Reti (Intranet locali e Internet)
Sistemi di comunicazione e trasferimento dati

(CAN bus, trasmissioni in RF, soluzioni wireless e 
bluetooth, etc.)
 
DBMS (Database Management Systems)
GIS (Geographical Information Systems), incluse
eventuali procedure di supporto alla
 
rappresentazione ed elaborazione dei dati
cartografici (geostatistica, georeferenziazione e
ortorettifica delle immagini)
Pacchetti software multifunzionali (Office
Automation) o per applicazioni specifiche


(statistica, analisi costi di esercizio, razionamenti,
prescrizione concimazioni, analisi delle immagini,
diagnostica attraverso indici multispettrali, etc.)










































) Non previsto o inadatto; ) Non indispensabile, benché potenzialmente utile; ) Consigliato,
sicuramente utile; ) Necessario o estremamente utile.
INFORMAZIONI E DATI (2)
Utilizzo INTRA-AZIENDALE delle informazioni:
SISTEMI DI PRESA DELLE DECISIONI
UTILIZZO
Attività di
controllo
Informazioni
Dati
valutati
ANALISI
RACCOLTA
Dati
grezzi
Attività di
monitoraggio
Selezione e
sintesi dei dati
ELABORAZIONE
I SENSORI E LO SPAZIO DELL’INFORMAZIONE
I SENSORI E LO SPAZIO DELL’INFORMAZIONE
Informazione
Estrazione della informazione
Sensore/trasduttore
Misurando
•
Uscita
Il segnale è una grandezza fisica alle cui variazioni è associata una informazione
mediante una convenzione nota. Caratteristica fondamentale di ciascuno degli elementi
della catena di misura -quindi anche del sensore/trasduttore- è quella di conservare
inalterata l'informazione contenuta nel segnale d'ingresso, restituendola nel segnale
d'uscita
DEFINIZIONI
Trasduttori e “sensori”
dalla Norma UNI-UNIPREA 4546:
• Trasduttore:
« mezzo tecnico che compie
su un segnale d’ingresso una certa elaborazione,
trasformandolo in un segnale d’uscita. »
• Trasduttori omogenei (ex, ingranaggi meccanici)
• Trasduttori non omogeni (ex: lampadina)
DEFINIZIONI
• un dispositivo di captazione (elemento sensibile),
• - un trasduttore, che provvede a estrarre il dato d'interesse dalla grandezza
fisica a cui è collegato direttamente o attraverso il dispositivo di captazione ed
a trasferirla, sotto forma di segnale (di definite caratteristiche), all’anello della
catena di misura successivo;
• un sistema di condizionamento,
• - un convertitore analogico/digitale;
• - una macchina calcolatrice,
DEFINIZIONI
A volte, per la complessità della trasformazione richiesta,
il trasduttore può essere costituito da più trasduttori elementari messi l’uno
in cascata all’altro: il primo della cascata, quello cioè che ha in ingresso il
misurando, viene chiamato “sensore”.
E
DEFINIZIONI
A volte, per la complessità della trasformazione richiesta,
il trasduttore può essere costituito da più trasduttori elementari messi l’uno
in cascata all’altro: il primo della cascata, quello cioè che ha in ingresso il
misurando, viene chiamato “sensore”.
Trasduttore
“forza-tensione”
Trasduttore
Trasduttore
“spostamento-tensione”
“forza-spostamento”
DEFINIZIONI
A volte, per la complessità della trasformazione richiesta,
il trasduttore può essere costituito da più trasduttori elementari messi l’uno
in cascata all’altro: il primo della cascata, quello cioè che ha in ingresso il
misurando, viene chiamato “sensore”.
Sensore
DEFINIZIONI
I realtà nel lingaggio comune vale:
Sensore !!!!!!!!!!!
Il sensore ha lo scopo, attraverso un elemento sensibile e un trasduttore, di inviare un segnale di misura agli elementi della
catena in modo tale che questo segnale mantenga una proporzionalità con la grandezza fisica dell’ambiente misurando e possa
quindi diventare esso stesso (il segnale) un elemento di input per il sistema di controllo.
Nei sistemi di misura e di controllo automatico, quindi, il sensore è il dispositivo che fornisce in uscita un segnale che dipende
dal valore di una determinata grandezza presente all’ingresso: è quindi analogo al trasduttore (i due termini sono talvolta usati
come sinonimi) e si basa spesso sugli stessi principî di funzionamento, ma se ne differenzia per la funzione, che nel trasduttore è
di convertire la variazione di una grandezza fisica nella variazione di un’altra (a fini di misura, di registrazione o di utilizzazione del
nuovo segnale generato) mentre nel sensore è di determinare il valore della variabile in ingresso a fini di regolazione o di
controllo del sistema in cui il sensore è impiegato
DEFINIZIONI
Il sensore complessivo 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 più
comuni di utilizzo;
• I circuiti di prova per verificare
le caratteristiche
TIPI DI SENSORE
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 da una sequenza di più
segnali digitali che possono
assumere ciascuno solo due
livelli di tensione identificati
come 0 e 1.
TIPI DI SENSORE
Attivi: Quando forniscono in uscita un
segnale direttamente utilizzabile da circuiti
di elaborazione senza nessun consumo di
energia elettrica. E’ il caso delle celle
fotovoltaiche e delle termocoppie.
Passivi: Sono quei sensori ai quali
bisogna fornire energia elettrica perché la
grandezza fisica d’uscita possa essere
trasformata in una grandezza elettrica. Ad
esempio il potenzimetro che fornisce in
uscita valori di resistenza diversi, a
seconda della posizione.
E
CARATTERISITICA 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.
U
U=KI

tg=K
I
U: La grandezza di uscita del sensore
I: La grandezza da misurare
K: Coefficiente angolare
DIAGRAMMA DI TARATURA
In realtà, a causa delle inevitabili incertezze, per nessuno dei due segnali di
entrata e uscita della funzione di trasferimento si può parlare di "valore",
ma bisogna introdurre il concetto di "fascia di valore", cioè l'insieme di
valori che rappresenta, nella sua globalità, la grandezza in questione, senza
che nessuno di essi abbia più peso degli altri. Facendo riferimento alla
relazione inversa, si preferisce dunque parlare di "funzione di taratura”,
definita come la relazione che permette di ricavare da ogni valore della
grandezza di uscita la corrispondente fascia di valore del misurando.
OFFSET
Quando la curva di taratura è rettilinea, cioè esiste una relazione di
proporzionalità fra uscita e misurando, essa viene espressa di regola con un il
coefficiente angolare K, chiamato anche costante di taratura (fattore di
calibrazione).
U=Grandezza di uscita
U=KI+offset
offset
I=grandezza d' ingresso
Si definisce offset il valore non nullo della variabile di uscita corrispondente al
valore nullo della variabile d' ingresso.
RANGE DI FUNZIONAMENTO
E' l'intervallo dei valori che può assumere la
grandezza che deve essere trasdotta.
Range di
Funzionamento
Zona lineare
Min
Max
Saturazione
ISTERESI
U=Grandezza di uscita
Caratteristica reale
Caratteristica Ideale
Deviazione
I=Grandezza d' ingresso
Isteresi: E' l' area racchiusa tra le due curve e rappresenta una imprecisione di misura. Dovrebbe
essere inferiore allo 0,1%
SENSIBILITA’
E' il rapporto tra la variazione della grandezza di
uscita e la variazione della grandezza d' ingresso
che la provoca. S = ΔU/ΔI =K
Maggiore pendenzasensore più sensibile.
U
U1
U
2
l
Valore massimo di
uscita
TEMPO DI RISPOSTA
E' il tempo che il trasduttore impiega per raggiungere in uscita
il valore di regime corrispondente al valore d' ingresso.
RISOLUZIONE
In un sensore l’uscita non varia mai con continuità, ma presenta sempre una certa discontinuità,
anche se molto piccola, tra un valore e il successivo. Si ha cioè un andamento a gradino per cui si
verifica che a due valori diversi di ingresso, tra di loro diversi, corrisponda una stessa uscita.

U


Umax
U

Δi
i1
i2
i
Dal grafico si vede che per tutti i
valori di i compresi tra i1 e i2,
l’uscita è sempre la stessa.
La quantità Δi normalmente non è
costante, ma variabile nel campo
dei valori misurabili.
Viene definita come risoluzione
percentuale di un sensore il
rapporto tra la quantità Δi e il
valore massimo misurabile.
Δi

R = 100
Umax

Se ad esempio abbiamo un sensore con fondoscala = 10 Volt ed ha una risoluzione R =0.04%

Δi = 0.04 x 10 / 100 = 0.004 Volt Vuol dire che il nostro sesnore è in grado apprezzare una
variazione di ingresso pari a 0.004 Volt
ACCURATEZZA E PRECISIONE
Precisione = basso errore standard errore quadratico medio deviazione –
standard = 2,8%
Accuratezza = differenza di misura
con un gold standard – esigenza
taratura periodica
CLASSIFICAZIONE
IN BASE AL PRINCIPIO
• Classificazione in base a caratteristiche fisiche
FISICO MISURATO (INPUT)
• resistivi: sfruttano la variazione della resistenza (fotoresistori,
termoresistori, sensori di posizione);
• capacitivi: sfruttano la variazione della capacita' di un
condensatore (sensori di umidità);
• elettroacustici: convertono segnali sonori in grandezze elettriche
(microfoni);
• elettrodinamici: si basano sul principio della forza elettromotrice
per misurare velocita' (dinamo tachimetrica);
• elettromagnetici: utilizzano il principio dell'induttanza elettrica
per rilevare angoli di rotazione;
• magnetorestivi: si fondano sul principio della permeabilita';
• piezoelettrici: sfruttano l'originarsi di una polarizzazione elettrica
su facce opposte di cristalli sottoposti a sollecitazioni (stress)
fisiche;
• a semiconduttore: sfruttano le caratteristiche della giunzione dei
semiconduttori (fotodiodi, fototransistor).
CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLO SCOPO
(OUTPUT)
SENSORI RESISTIVI
• E’ possibile utilizzare come sensori di
posizione un reostato in modo da
convertire la posizione in una variazione
l
di resistenza infatti:
R 
S
• se avviene un allungamento la misura
della resistenza consente di misurare
indirettamente lo spostamento.
l  l
R  R  
S
SENSORI RESISTIVI
SENSORI RESISTIVI
SENSORI RESISTIVI
SENSORI RESISTIVI PER MISURA DI FORZE
UNA
SEMPLICE
BILANCIA
R = f (MASSA)
SENSORI RESISTIVI PER MISURA DI
PRESSIONI
SESNORI DI PRESSIONE
SENSORI TEMPERATURA
RTD = RESISTENCE
TEMPERATURE
DETECTOR
SENSORI TERMOCOPPIA
SENSORI TERMORESISTIVI
RESISTENCE
TEMPERATURE DETECTOR
R = f(T)
TERMISTORI
TERMISTORI
SENSORI A CIRCUITO INTEGRATO
SENSORI TERMOGRAFICI
Faremo una lezione apposita
SENSORI INDUTTIVI
SENSORI CAPACITIVI
ε0 è la costante dielettrica del vuoto, εr quella del mezzo, A la
superficie delle armature del condensatore, d la loro distanza.
SENSORI CAPACITIVI
• INDIRETTAMENTE SI USANO PER
MISURARE LE CELLULE NEL LATTE
• IL FLUSSO DI LATTE
• Il RUMORE
SENSORI CAPACITIVI
SENSORI FOTOELETTRICI
FOTOCELLULE
+
-- -- -- -- --
+
+
++++++++++
n
+ -
p
-
FOTOCELLULE
ENCODER
• L'elemento fotosensibile (un fotodiodo o un
fototransistor) genera un treno di impulsi ed
il loro numero è pari al numero delle zone
trasparenti, alternate alle scure, intercettate
dal blocco emettitore-ricevitore
• Il conteggio di questi impulsi consente di
individuare la rotazione compiuta dal disco
ENCODER
ENCODER INCREMENTALE:
contando gli impulsi permette di
valutare lo spostamento rispetto ad
una posizione iniziale
ENCODER ASSOLUTO:
fornisce la posizione assoluta
fotorivelatori
LED
fotorivelatore
tracce
ogni livello ha una risoluzione doppia rispetto a quello inferiore; con 10 tracce
vengo ad avere una risoluzione di 210=1024 impulsi per giro (nota: i segnali
provenienti dai fotorivelatori possono essere interpretati direttamente come
una codifica binaria della posizione)
ENCODER
•
•
I tachimetri elettronicI basano il loro funzionamento su un encoder che
fornisce una sequenza di impulsi grazie a una coppia led-fotodiodo in
genere integrati nell’encoder.
I tachimetri digitali possiedono un generatore di clock il cui compito è di
fornire una finestra temporale di durata costante che abilita il conteggio
di un contatore.
DINAMO TACHIMETRICA
La dinamo tachimetrica è un piccolo generatore di corrente continua. Nello
statore è presente un magnete permanente. Il rotore racchiude l’avvolgimento
indotto. Rispetto le tradizionali dinamo si pone molta cura nella costruzione per
evitare attriti e eccentricità che falserebbero la lettura.
N
+
-
+
+
+
+
+ + + +
S
SENSORI PIEZOELETTRICI
si basano sulla misura della carica elettrica che
compare sulla superficie di cristalli speciali
(quarzi, topazi, sale di Rochelle) quando sono
sottoposti a stress meccanici. EX podometro
SENSORI A ULTRASUONI
SENSORI A ULTRASUONI
SENSORI ELETTROCHIMICI
Elettrodo per un pH-metro
SENSORI ELETTROCHIMICI
Un pHmetro usa il voltaggio di una
cella per misurare la concentrazione
di H+ in una soluzione
OROLOGIO
In genere oscillatori al quarzo, che genera la frequenza di base di 32,768
kHz.
http://www.youtube.com/watch?v=Vft2fKVLMVY
SENSORI RIASSUNTO
I SENSORI E LO SPAZIO DELL’INFORMAZIONE
SENSORI RIASSUNTO
INTEGRAZIONE CON GLI ALTRI COMPONENTI
ELETTRONICI
posizione
transponder
reader
macchine di
calcolo
attuatori