Alla scoperta dei sensori

Obiettivo di questa serie di articoli è quello di esporvi le principali tipologie di sensori presenti in commercio e il loro funzionamento di base, cercando di annoiarvi il meno possibile.


Un sistema di controllo è costituito fondamentalmente da 3 blocchi funzionali, un controllore, un processo da controllare,una serie di sensori e trasduttori. Due degli elementi fondamentali da tenere in considerazione sono proprio i sensori e trasduttori, ossia i dispositivi più a stretto contatto con il processo da controllare.
Il ramo di trasduzione è l’elemento più delicato di un sistema di controllo poiché anche per i sistemi in controreazione in presenza di fonte di disturbo o anomalia, difficilmente viene individuata, portando ad errate misurazioni. Non a caso il consiglio di un buon progettista è sempre quello di non risparmiare sul sensore, tanto meno sul cablaggio.

Fatta questa piccola premessa, ci tengo a precisare la non banale differenza tra un sensore e un trasduttore(Dalla Norma UNI-UNIPREA 4546):
Il Sensore è un particolare trasduttore che si trova in diretta interazione con il sistema misurato.
Il Trasduttore è il mezzo tecnico che compie su un segnale d’ingresso una certa elaborazione, trasformandolo in un segnale d’uscita.

L’obiettivo di questo post è esporvi le tipologie di sensori comuni e i loro più importanti impieghi.
Come primo articolo partiamo dai sensori resistivi.
La formula generale che bisogna tener ben a mente è la seguente:
R=\rho * l/s Dove \rho è un parametro influenzato dalla temperatura (detta resistività), l/s dalla deformazione e l dal cursore.
I principali utilizzi di sensori resistivi sono:
• Potenziometri
• Termoresistenze
• Sensori di pressione
• Sensori di deformazione
Touchscreen
Partiamo dai sensori più famosi: i potenziometri.
In commercio esiste un catalogo variegato di questi prodotti che sono costruiti, per ogni situazione e per ogni esigenza. Solitamente i potenziometri sfruttano il fenomeno della resistenza variabile per mezzo del cursore.
Prendendo una barra conduttrice e sottoponendola ad un nodo potenziale, la tensione calcolata tra una estremità e un cursore che si muove su tale barra dipende dalla sezione del conduttore e dalla posizione del cursore.

Questo è il principio generale dei potenziometri con cursore e si tratta di un azionamento puramente meccanico.
I potenziometri sono dispositivi lineari con una risoluzione che varia in base al materiale con il quale sono costruiti. Abbiamo diverse tecnologie di potenziometri:
• Cermet
• Plastica conduttiva
• A filo avvolto

La risoluzione dipende dal numero di spire che circondano un dielettrico, delle volte vengono migliorati spalmando un materiale conduttivo tra le spire stesse.

Il problema di questi dispositivi è fondamentalmente individuato sulla sollecitazione meccanica a cui sono continuamente sottoposti.
Dato che vengono utilizzati per rilevazioni di angoli o di velocità, il mozzo a cui è collegato il cursore con il passare del tempo si deteriora, per sfregamento, prima il materiale ceramico e successivamente le spire stesse, riducendo notevolmente la sensibilità del trasduttore.

Termoresistori
I termoresistori sono delle tipologie di trasduttori che utilizzano la proprietà di particolari materiali di reagire alle variazioni termiche. Uno di questi metalli è il platino. La variazione della resistenza in funzione della temperatura è data dalla seguente caratteristica:
 \rho = \rho _{0}*[1+a*(T-T_{0})+b*(T-T_{0})^2+c*(T-T_{0})^3+…]

dove  a= 3,91*10^{-3}  C^{-1} b= -5,80*10^{-7} C^{-2} c= -2*10^{-10} Quindi avremo che la caratteristica generale della resistenza del platino in funzione della temperatura è esprimibile nel seguente modo:
 R(T)=R_{0} *(1+a*\Delta T + b*\Delta T ^2) La taratura di tale trasduttore è resa possibile dal valore che il platino registra quando la temperatura è pari a 0° C, ossia sviluppa circa 100 ohm di resistenza.
Il campo di funzionamento di questi trasduttori ricade in un range che va da -200°C ad un massimo di 750°C per i trasduttori con capsula ceramica e 500°C per quelli a strato.
Il loro tempo di risposta è di qualche minuto per i dispositivi a capsula ceramica e meno di 10 secondi per quelli a strato. Il prezzo varia da 20 a 130 euro.
La variazione del parametro \rho è collegata alla temperatura. Ricordando che \rho è direttamente proporzionale alla resistenza, nella fisica dei semiconduttori tale parametro è esprimibile come:
\rho = 1/(e*n*\mu ) dove e è la carica dell’elettrone, n la densità spaziale dei portatori e \mu la mobilità dei portatori.
Dalla figura possiamo vedere delle sferette(area occupata dal nucleo dell’atomo) che all’aumentare della temperatura si ingrossa in modo proporzionale. Questo fenomeno è dovuto dall’agitazione termica che mette in movimento i nuclei degli atomi. Gli elettroni liberi di circolare tra il reticolato descritto dai rispettivi nuclei, all’aumento della temperatura, si ritrovano più addensati nel canale di conduzione poichè la minore velocità è dovuta all’aumento della frequenza d’urto tra gli elettroni, quindi la diminuzione del lasso di tempo tra un urto e l’altro; ciò comporta un aumento della resistività e questo comporta una minore velocità.



Un altro tipo di trasduttore di temperatura resistivo è il termistore, però non approfondiamo l’argomento poiché si tratta di un dispositivo non lineare che viene utilizzato solamente nei casi di scatti termici di emergenza.

Trasduttori di deformazione
L’ultima tipologia di trasduttori resistivi analizzati sono gli estensimetri.

L’estensimetro è un trasduttore molto rilevante per la sua versatilità, in effetti non serve solo per rilevazioni di deformazioni su supporti meccanici, ma può essere utilizzato anche per rilevare il peso con una cella di carico, o come accelerometro .
L’elemento utilizzato negli estensimetri è la manganina(per la maggior parte costituita da rame) che viene solitamente impressa su un film flessibile e applicato nel punto soggetto a deformazione. La variazione di resistenza soddisfa la seguente relazione:
\delta R= GF * R_{0}*(\delta l/l_{0}) dove il GF è un fattore che varia da 2 a 4 e l_{0} la lunghezza dell’estensimetro in condizioni normali.
Una piccola pecca di questo dispositivo è la sensibilità alla temperatura, risolto grazie al ponte di Wheatstone che assume la seguente configurazione:

Gli utilizzi degli estensimetri sono molteplici:
• Sensori di deformazione: se per qualche motivo abbiamo delle strutture meccaniche che per operazioni scorrette o poco precise assumano flessioni strane, gli estensimetri alloggiati nei possibili punti di rottura possono avvertire il sistema di controllo in modo tale da interrompere l’operazione appena inviata
• Sensori di peso: avete presente le grandi pese per autoarticolati o camion? Bene la maggior parte delle pese presenti in commercio, sono dotate di Celle di carico, delle particolari strutture meccaniche dotate di estensimetri in grado di rilevare il peso che provoca lo schiacciamento della cella.
• Sensori di pressione: anche se meno precisi.

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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 | agosto 5th, 2011 | SHOW COMMENT(1)

One Response

  1. Alla scoperta dei sensori | Automazione Open Source says

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