Alla scoperta dei sensori parte 3

Prima di concludere l’ultima sezione della rubrica alla scoperta dei sensori, vorrei anticiparvi una piccola anteprima. Dopo aver più volte ribadito che lo stampo editoriale di questa rubrica è incentrato su una sorta di presentazione dei sensori presenti in commercio, vorrei annunciarvi che il prossimo articolo di questa categoria avrà uno stampo leggermente più professionale. Il trasduttore protagonista sarà l’Encoder.

Per adesso concludo questa pack post presentandovi i sensori attivi, o meglio i sensori che necessitano di una alimentazione esterna.

Le tipologie di sensori presi in esame sono due:

  • I sensori piezoelettrici
  • I sensori di temperatura

 

Piezoelettrici

Prima di addentrarsi nel funzionamento di questi sensori e nel loro utilizzo comune, dobbiamo esporre una breve panoramica sul funzionamento dell’effetto piezoelettrico.

L’ effetto piezoelettrico è un fenomeno che si verifica in alcuni composti chimici particolari, tra i quali rientrano il diossido di silicio, o meglio conosciuto come quarzo.

Il quarzo è un composto diffusissimo nell’elettronica di consumo, basta pensare agli orologi da polso, o agli oscillatori presenti nell’elettronica di bordo di una qualunque scheda adibita al calcolo.

Il quarzo come altri composti assume il ruolo di candidato a questo fenomeno per la sua struttura geometrica. In effetti è composto da un reticolato cristallino che nei suoi limiti risulta molto flessibile e malleabile.

Se circondiamo un cristallo di quarzo tra due piastre collegate ad un generatore di tensione, notiamo che  gli ioni di O- tenderanno ad essere attratti verso la piastra positiva, mentre gli ioni di Si+ verso la piastra negativa.

Questo fenomeno viene sfruttato nei dispositivi piezoelettrici.

Definiamo meglio la dinamica:

Applicando una forza sulla piastra provochiamo lo schiacciamento del cristallo di quarzo interposto tra le due armature. Questo provoca un addensamento di cariche positive su un’armatura, e negative sull’altra. Tale fenomeno causa una caduta di potenziale tra le due armature che se elaborata correttamente determina una lettura della forza impressa.

Lo svantaggio del trasduttore risiede nella durata di tale potenziale, in effetti a causa delle cariche scambiate con l’ambiente o con il sistema di controllo a cui il trasduttore è collegato tale effetto tende a svanire abbastanza velocemente, compromettendo la misurazione.

Per questo motivo si utilizzano tali sensori soltanto per constatare la variazione della sollecitazione d’ingresso.

Questi sensori vengono per la maggior parte utilizzati come sensori di forza e sfruttano il seguente principio:

Ricordando che la forza può anche essere espressa come massa per accelerazione, allora possiamo dedurre che sono utilizzati anche come accelerometri:

 

Sensori di Temperatura

I sensori di temperatura sfruttano un fenomeno conosciuto come effetto Seebeck, il quale afferma che:

se realizziamo un circuito composto da due conduttori di materiale diverso e sottoponiamo le giunzioni di tali materiali a due temperature differenti, si viene a creare all’interno del circuito un passaggio di corrente elettrica.  Il materiale che raggiunge il valore massimo del coefficiente di Seebeck è la coppia “cromo-constantana” .

L’effetto Seebeck in realtà, è  la combinazione di due fenomeni distaccati: effetto Peltier e l’ effetto Thomson.

L’ effetto Peltier è artefice di una differenza di potenziale che si viene a creare tra due conduttori di materiali differenti. In effetti quando vengono saldati due materiali diversi, gli elettroni di un materiale vengono catturati dall’altro creando un effetto a catena e quindi una tensione ai capi del circuito disomogeneo. In questo modo nasce la forza elettromotrice di Peltier.

L’ effetto Thomson invece è sempre frutto di un movimento di elettroni ma questa volta l’artefice è proprio la temperatura. In effetti se un punto di giunzione si trova ad una temperatura più alta, allora gli elettroni vengono eccitati  e cercano di raggiungere le zone più fredde. Questo spostamento causa un campo elettrico e di conseguenza una caduta di tensione.

L’effetto Seebeck combina questi due effetti:

  • L’ effetto Peltier è l’artefice di due tensioni diverse a causa delle diverse tipologie di materiali nei punti di giunzione(e in parte anche a causa della temperatura a cui sono sottoposte);
  • L’ effetto Thomson invece provoca una differenza di potenziale sul conduttore stesso che avrà una stretta dipendenza con la tipologia del materiale coinvolto(quindi anche le due tensioni di Thomson saranno diverse tra loro).

Se nel circuito andiamo a creare un’interruzione allora ai suoi capi, rileveremo una forza elettromotrice(tensione) che dipende non solo dalla differenza di temperatura tra i due punti ma  anche dal tipo di materiale utilizzato.

La funzione di conversione sarà:

 

V = a*(T_{1}- T_{2})+b*(T_{1}^{2}- T_{2}^{2})

I coefficienti a e b che compaiono nella espressione della tensione dipendono dalla coppia di materiali impiegati per la realizzazione della spira.

Se vi siete persi la prima parte la potete ritrovare qui
Se vi siete persi la seconda parte invece qui

Fonti e Immagini

Foto copertina

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Vincenzo Cicogna
Editore e autore di questo blog di notte, sviluppatore software per sistemi embedded di giorno, passa il suo tempo a dilettarsi ed approfondire le dinamiche del mondo.
Appassionato di droni e tuttala, si diletta di tanto in tanto a scattare qualche foto in giro per il mondo o a leggere qualche libro.
Ama viaggiare, fotografare e condividere le sue produzioni.
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By Vincenzo Cicogna | settembre 23rd, 2011 | LEAVE A COMMENT