LIUC - Castellanza
Maggio 2005
Esempi:
Sensori di Spostamento
Potenziometri Resistivi
■
■
Resistore a tre terminali con contatto intermedio (cursore)
che fa capo a un tastatore mobile o a un filo avvolto a molla
Uscita proporzionale
allo spostamento x e
alla tensione di
alimentazione VE
V
E
R
RL >> R → Vo = VE
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x
R
L
V
o
xR
= xVE
xR + (1 − x) R
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Potenziometri Resistivi
■
■
Vantaggi:
■
Svantaggi:
◆
basso costo
◆
◆
facilità di lettura del
segnale
misura a contatto
(effetto di carico)
◆
contatto elettrico
strisciante e usura
Applicazioni:
◆
accuratezza tipica ≈1% FS
◆
inadatti per misure dinamiche su strutture leggere
◆
consentiti per misure dinamiche su strutture massive
a bassa frequenza (<100 Hz)
LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
■
■
Trasformatore con un primario e due secondari in controfase
in cui l’accoppiamento dipende dalla posizione di un nucleo
mobile di materiale ferromagnetico
Alimentando il primario in alternata, l’ampiezza e la fase
del segnale di uscita rappresentano entità e verso dello
spostamento dalla posizione centrale
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LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
■
Vantaggi:
◆
◆
◆
■
■
elevata accuratezza
assenza di contatto elettrico
strisciante
affidabilità, robustezza,
durata
Svantaggi:
◆
◆
◆
misura a contatto
(effetto di carico)
costo elevato
elettronica sofisticata
(rivelazione di fase)
Applicazioni:
◆
risoluzione ottenibile ≈0.01% FS
◆
misure di precisione statiche e dinamiche a bassa
frequenza (<100 Hz)
◆
equivalente elettronico del comparatore meccanico
Sensori Capacitivi
■
La capacità tra due conduttori (armature) dipende dalla
costante dielettrica del mezzo interposto e dalla geometria
x
A
variable distance d
d
C = ε 0ε r
(1)
x
A
d
(2)
variable overlap area A
■
Utilizzato in sensori senza (1) e con (2) contatto meccanico
■
Per sensori del tipo (1) segnale di uscita è mediato su un’area
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Sensori Capacitivi
■
Vantaggi:
◆
◆
◆
◆
■
■
misura senza contatto (1)
indipendenza dal target se
conduttivo
utilizzabile con target non
conduttivi
risoluzione e accuratezza
molto elevate
Svantaggi:
◆
◆
◆
◆
◆
Applicazioni:
◆
risoluzione ottenibile ≈0.005% FS
◆
misure di precisione statiche e
dinamiche fino a elevata
frequenza (>10 kHz)
possibile risposta non
lineare
necessità di confinare il
campo (anelli di guardia)
suscettibilità a disturbi EM
elettronica sofisticata
influenza di condensa,
olio e sporco
Sensori Induttivi
■
L’induttanza di una bobina avvolta su nucleo varia al
variare della riluttanza magnetica che dipende dalla
distanza da un riscontro ferromagnetico
L∝
Circuito magnetico chiuso (a)
µ0
d
Circuito magnetico aperto (b)
■
Il segnale di uscita è mediato su un’area
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Sensori Induttivi
■
Vantaggi:
◆
◆
◆
■
misura senza contatto
robustezza, affidabilità
basso costo
Svantaggi:
◆
◆
◆
■
Applicazioni:
uso limitato a target
ferromagnetici (degrado di
prestazioni con target
conduttivi)
scarsa linearità
suscettibilità a campi
magnetici
◆
accuratezza tipica ≈1% FS
◆
misure statiche e dinamiche a bassa frequenza (<1 kHz)
principalmente con target ferromagnetici
◆
essenzialmente impiegati per misure di prossimità
Sensori a correnti parassite
(eddy-current probes)
■
Bobina eccitata in AC genera una campo elettromagnetico
alternato le cui perdite dipendono dalla distanza e dalle
proprietà della superficie conduttiva di riscontro
■
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Il segnale di uscita è mediato
su un’area
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Sensori a correnti parassite
(eddy-current probes)
■
Vantaggi:
◆
◆
◆
◆
◆
■
Svantaggi:
■
misura senza contatto
funzionamento con target
non solo ferromagnetico
dimensioni ridotte
elevata accuratezza
affidabilità, robustezza,
adatto a ambienti ostili
◆
◆
◆
sensibilità dipendente
dalle proprietà del target
necessaria taratura
individuale
elettronica sofisticata
Applicazioni:
◆
risoluzione ottenibile ≈0.01% FS
◆
misure di precisione statiche e
dinamiche fino a frequenze di 1-10 kHz
◆
largamente impiegato su parti rotanti
Estensimetri (strain gauge)
Resistore da incollare sulla struttura di test in modo che una
deformazione (strain) produca una variazione di resistenza
■
∆R
∆L K = fattore di gauge
=K
R
L
Materiale
costantana
karma
isoelastic
semiconduttori
■
K
2
2.1
3.5
≈100
Il segnale è proporzionale alla
deformazione mediata sulla
lunghezza dell’estensimetro
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Montaggio di Estensimetri
Gli estensimetri a griglia metallica vengono incollati sul
pezzo in modo da esservi perfettamente solidali
■
Estensimetri (strain gauge)
■
Vantaggi:
■
Svantaggi:
◆
ridotto ingombro
◆
◆
basso effetto di carico
◆
◆
buona risposta in frequenza
◆
◆
■
sensibili allo strain
montaggio laborioso
segnale di bassa
intensità
elettronica non banale
Applicazioni:
◆
risoluzione ottenibile ≈1 µε
◆
analisi di deformazioni statiche e dinamiche
◆
principio utilizzato per elementi primari in trasduttori
(accelerometri, celle di carico, …) elettromeccanici
tradizionali e piezoresistivi microlavorati in silicio
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Sensori Ottici a Triangolazione
■
Un fascio luminoso emesso da un diodo laser viene riflesso
dal target e focalizzato su un fotorivelatore (PSD) in un
punto correlabile alla distanza tra diodo e target
Il principio implica una misura
di tipo “puntuale” (spot)
■
Sensori Ottici a Triangolazione
Vantaggi:
■
◆
◆
◆
■
■
misura senza contatto
indipendenza dalle proprietà
elettriche/magnetiche del
target
alto rapporto tra campo di
misura e distanza di stand-off
Svantaggi:
◆
◆
◆
dipendenza dalle
proprietà ottiche del target
necessaria continuità
ottica rispetto al target
sensibilità a polvere,
sporco, contaminanti
Applicazioni:
◆
risoluzione ottenibile ≈0.005% FS
◆
misure di precisione in ambiente pulito
◆
risposta in frequenza fino a ≈10 kHz,
dipendente dalla risoluzione
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Esempi:
Encoder Ottici
Encoder Ottici Rotativi Incrementali
■
■
■
Un disco con fori sagomati tutti uguali tra loro interrompe il
fascio ottico tra una o più coppie LED-fotodiodo
Il numero di impulsi luminosi rilevati nell’unità di tempo
corrisponde alla velocità di rotazione del disco
La posizione angolare può essere rilevata solo in relazione
alla posizione iniziale (funzionamento incrementale)
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Encoder Ottici Rotativi Assoluti
■
■
Il disco incorpora una configurazione opportuna di zone
trasparenti e opache che identifica in maniera univoca valori
quantizzati della posizione angolare
Dalla lettura dei segnali da LED e fotodiodi si ottiene la
misura della posizione angolare assoluta codificata in
binario (funzionamento assoluto)
Encoder Rotativi e Lineari
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Esempi:
Sensori di Prossimità
Sensori (Interruttori) di Prossimità
■
La presenza/assenza di un bersaglio entro il campo di
rilevazione del sensore determina un segnale di uscita di
valore alto/basso (o viceversa)
uscita
soglia
■
■
■
distanza
Si tratta di sensori con uscita binaria, da cui il nome
interruttori
In molti casi usano un metodo di rilevazione senza contatto
Sono molto utilizzati nell’automazione industriale e
realizzati secondo numerosi principi di trasduzione
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Sensori di Prossimità Capacitivi
■
Il valore della capacità di un condensatore di opportuna
geometria dipende dalla prossimità del bersaglio, e dalle
sue caratteristiche conduttive/dielettriche
Sensori di Prossimità Induttivi
■
Il valore dell’induttanza di un induttore di opportuna
geometria dipende dalla prossimità del bersaglio, e dalle
sue caratteristiche conduttive/magnetiche
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Sensori di Prossimità Ottici
■
■
Costituiti da coppie LED-fotodiodo nel visibile o nell’infrarosso
Modelli a riflessione e a trasmissione
Sensori di Prossimità a Ultrasuoni
■
■
Trasduttori tipicamente piezoelettrici che emettono un
impulso acustico ultrasonoro e lo rilevano dopo che ha
interagito col bersaglio da rilevare
Modelli a riflessione e a trasmissione
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Sensori di Prossimità a Ultrasuoni
■
Nei modelli a riflessione si misura il tempo di volo
dell’impulso sonoro o l’intensità del segnale riflesso
Sensori di Prossimità a Ultrasuoni
■
Nei modelli a trasmissione si misura l’intensità del
segnale rilevato dal ricevitore affacciato al trasmettitore
tra cui è posto il bersaglio
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