Parte I (I Sensori)

I sensori induttivi di prossimità

•I sensori a correnti parassite, sfruttano il fenomeno dell’induzione di correnti parassite su un opportuno target, per sbilanciare un ponte.

•L’intervallo di funzionamento va da 0.25 a 30 mm (sensori di prossimità)

Parte I (I Sensori)

I sensori induttivi di prossimità

•Intervallo di misura: 0.25, 30 mm; •Non linearità migliore di 0.5%; •Frequenza di eccitazione 1MHz; •Risoluzione 0.0001 mm. 2

Parte I (I Sensori)

I sensori capacitivi

E’ possibile, in teoria, variare una capacità, in funzione di uno spostamento cambiando uno dei parametri che forniscono il valore di una capacità:

C

 

o



r A x

Le soluzioni che si basano sul cambiamento del dielettrico vengono raramente utilizzate per difficoltà costruttive.

Si ricorre al cambiamento della distanza per valori molto grandi e molto piccoli del misurando.

I dispositivi che si basano sulla variazione dell’area sono adatti per applicazioni intermedie (1÷ 10 cm).

Parte I (I Sensori)

I sensori capacitivi

Nonostante alcuni problemi di tipo elettrico, i sensori capacitivi hanno delle caratteristiche metrologiche che li rendono apprezzabili (basso carico meccanico, semplicità costruttiva, elevata stabilità).

La forma più comune di sensore capacitivo è a facce piane parallele. Per esso si ha:

C

 

o



r A x

Oppure, se si usa un capacitore con n piatti:

C

 

o



r A x

e quindi, rispettivamente: 

n

 1 

dC

  

o



r dx A

;

x

2

dC

  

o



r dx A x

2 

n

 1  Valori tipici di C vanno da 1 pF a 500 pF, con una frequenza maggiore di 10 kHz, per ridurre il valore dell’impedenza d’uscita del sensore.

Parte I (I Sensori)

I sensori capacitivi

I sensori capacitivi: •Hanno una vita media molto maggiore rispetto ai potenziometri in quanto non sono soggetti ad usura per strofinio; •Hanno un campo di misura circa doppio rispetto a quello dei sensori induttivi; •Producono verso l’esterno un campo elettromagnetico molto minore.

•Esistono delle configurazioni differenziali che eliminano il problema della non

linearità.

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Parte I (I sensori)

I sensori capacitivi

Infatti si ha:

V

1 

C

1  

d A



z

;

C

2  

d A



z V r

1

j



C

1  1

j



C

2 1

j



C

1 

V r C

1

C

2 

C

2

V

2

V

1

V

2   

j



C

1

V r V r

1 1 1 / /  

d V r d

  1 1

j



C

2

j



C

/ 2

z



d

  1 /

z



d



z

1  /

z



d

  1 /

z



d

1 

z

  

V r



V r



V r C

1

C

1 

C

2

d d

 2

d

 2

d z z V

1 

V

2 

V r d



z

2

d



d

 2

d z



V r z d

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Parte I (I Sensori)

I sensori capacitivi

•I sensori capacitivi coprivano nel 1999 il 3.1% del mercato US.

•Applicazioni capacitivi sono: tipiche dei sensori •Sensori di prossimità (comprese le applicazioni di riconoscimento presenza umana e veicoli); •Misure di altre grandezze (flusso, livello, etc.) •Realizzazione di interruttori.

NB: un buon testo sui sensori capacitivi è Capacitive Sensors, Larry K. Baxter, IEEE Press.

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Parte I (I Sensori)

I sensori piezoelettrici

•I sensori piezoelettrici si basano sulla proprietà di alcuni dei dispositivi attivi).

materiali di accumulare cariche alla superficie per effetto di carichi meccanici e viceversa (a differenza dei sensori capacitivi sono •I sensori piezoelettrici godono di: •Elevata rigidità •Elevata frequenza naturale (fino a 500 kHz) •Grande dinamica (migliore di 10 8 ) •Stabilità, riproducibilità e linearità •Ampio campo di temperatura •Elevata insensibilità elettromagnetici esterni.

ai

campi

Parte I (I Sensori)

I sensori piezoelettrici

I sensori piezoelettrici non possono misurare

fenomeni statici

per lunghi intervalli di tempo a causa della resistenza di dispersione e delle correnti di perdita verso i componenti elettronici attivi.

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Parte I (I Sensori)

I sensori piezoelettrici

•La piezoelettricità è legata a delle asimmetrie della struttura cristallografica dei materiali.

•I materiali che presentano l’effetto piezoelettrico sono dei dielettrici e possono essere: cristalli naturali (quarzo

e tomalina), ceramiche ferroelettriche (è richiesto un processo di polarizzazione) e

film polimerici.

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Parte I (I Sensori)

I sensori piezoelettrici

I fenomeni piezoelettrici vennero scoperti nel 1880-1881 da Jacques e Pierre Curie. Essi vengono descritti mediante le equazioni piezoelettriche. Si consideri il caso schematico di un parallelepipedo di materiale dielettrico.

Se il materiale non è piezoelettrico, applicando una forza esterna si ha: 11

Parte I (I Sensori)

I sensori piezoelettrici

T



F A



Y



l l



YS S



sT

;

s

 1

Y

Applicando contemporaneamente una differenza di potenziale V tra i due elettrodi, si ha:

D D

 

E

  0

E



P vettore spostament o elettrico P vettore di polarizzaz ione

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Parte I (I Sensori)

I sensori piezoelettrici

Se il materiale è piezoelettrico occorre introdurre anche gli effetti mutui:

D



dT

 

T E S



s E T



dE



T

costante dielettric a a stress costante

s T

cedevolezz a a campo elettrico costante

d

(C/N) è detta costante piezoelett rica

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Parte I (I Sensori)

I sensori piezoelettrici

E

 

D T T



S s E



dT



T



d s E

 

D T E



S s E



gT



eE g

 

d T

coeff.

piezoelett rico di tensione

e



d

coeff.

piezoelett rico di deformazio ne

s E

Viene introdotto anche un coefficiente di accoppiamento elettromeccanico:

k



g



e

 2

d



T s E

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Parte I (I Sensori)

I sensori piezoelettrici ESEMPIO 1:

Per il titanato di piombo si ha: d=-44pC/N;  T =600  o ; g=-8(mV/m)/(N/m 2 ); Si vuole calcolare la tensione sviluppata (a circuito aperto) da un carico di 1000 N su un papallelepipedo di 1 cm di lato.

15

Parte I (I Sensori)

I sensori piezoelettrici SOLUZIONE:

Essendo in condizioni di circuito aperto si ha:

E

 

dT



T V

     44

D

 0  10  12   1000 600  82 .

9  8 .

85 kV/m /(.

01 ) 2  10  12   

E



h

 82 .

8  1000 / 100  828 V 16

Parte I (I Sensori)

I sensori piezoelettrici ESEMPIO 2:

iSi vuole calcolare la deformazione prodotta sullo stesso dispositivo quando si applica una differenza di potenziale pari a V=1kV, in assenza di carico meccanico.

S

SOLUZIONE



dE

   44  10

T

 12    0 1000 

h

   4 .

4 0 .

01  10   6    4 .

4 με 0 .

01    44 nm   4 .

4  10  6  4 .

4  10  8   17

Parte I (I Sensori)

I sensori piezoelettrici

In realtà nel caso di un dispositivo reale le azioni meccaniche possono avvenire secondo sei diversi assi (tre per tensione-

compressione e tre per sollecitazioni di

torsione).

E’ necessario quindi ricorrere a una

rappresentazione matriciale.

18

Parte I (I Sensori)

I sensori piezoelettrici

Nel caso di assenza di fenomeno piezoelettrico le relazioni diventano:  

i



s ij j

 

i



  

ij j



i j

  1 , 2 , 3 1 ,.., 6

i

,

j

 1 , 2 , 3 E in presenza di effetto piezoelettrico si ha:

 

D i i

  

  

ij im T E j m

 

  

ik d in k T n

 

i

,

j k

, ,

n m

 1 ,  1 , ..., 6 2 , 3 

im

 0

d ij



d ji per i



m

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Parte I (I Sensori)

I sensori piezoelettrici

Per un tipico dispositivo riportati i seguenti parametri vengono Tale materiale genera ad esempio in reazione a uno stress torsionale di 1N/m

2

applicato attorno all’asse 2 (direzione 5), una densità di carica pari a 515

pC/m 2

su due elettrodi collegati al materiale in corrispondenza della 20 direzione 1.

Parte I (I Sensori)

I sensori piezoelettrici

Per i materiali più comuni valgono i valori riportati in tabella per le caratteristiche piezoelettriche.

21

Parte I (I Sensori)

I sensori piezoelettrici

•Anche i sensori piezoelettrici vengono utilizzati per realizzare sensori di sistemi di deformazioni in tre direzioni (rosette piezoelettriche).

NB: Informazioni sui sensori piezoelettrici si possono trovare in G. Gautschi,

Piezoelectric Sensorics, Springer Edt.

Parte I (I Sensori)

I sensori piezoelettrici

•La connessione con un dispositivo di misura dei sensori piezoelettrici crea problemi, a causa della loro elevata impedenza d’uscita.

23

Parte I (I Sensori)

I sensori optoelettrici

Esistono vari sensori optoelettrici, tutti hanno in comune la proprietà di influire in modo trascurabile sul misurando.

Esempi di tali dispositivi sono: •il sensore Fotonic. • I vettori e/o le matrici di fotodiodi.

Parte I (I Sensori)

I sensori optoelettrici

Il sensore Fotonic Utilizza fibre ottiche per inviare un fascio luminoso al target. Il segnale riflesso viene catturato da fibre ottiche riceventi.

25

Parte I (I Sensori)

I sensori optoelettrici

Si ottiene in tal modo un sensore di prossimità ad elevata sensibilità.

26

Parte I (I Sensori)

I sensori a ultasuoni

I sensori ad ultasuoni usano la misura

tempo di volo (TOF)

di

del

un’onda di pressione ad ultrasuoni per la misura della distanza.

S A S A O Receiver

y

Reflected beam Transmitted beam

h

Target

z

TOF

 2

h v s

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Parte I (I Sensori)

I sensori a ultasuoni

Il ricevitore e il trasmettitore vengono realizzati con: ceramiche piezoelettriche polimeri Operanti a una temperatura inferiore alla

temperatura di Curie

.

Lo

stesso dispositivo

può funzionare da trasmettitore e ricevitore del segnale di eco.

Si utilizzano generalmente risonanti a frequenza tipica di dispositivi

40kHz.

28

Parte I (I Sensori)

I sensori a ultasuoni

Tali sensori sono carattetizzati da un

basso costo (qualche euro)

.

Principali cause d’incertezza sono la

risoluzione lunghezza

(limitata a qualche dalla

d’onda

del segnale ad ultrasuoni).

la

dipendenza della velocità del suono

in aria dalla

temperatura

.

29

Parte I (I Sensori)

Gli encoder

Gli encoder hanno il vantaggio di fornire un’uscita direttamente sotto forma digitale. Esisono encoder per •Misure angolari •Misure di spostamento rettilineo

Parte I (I Sensori)

Gli encoder

Tutti gli encoder sono caratterizzati da strutture geometriche regolari dell’organo cui è vincolato il sensore.

che permettono di determinare la posizione Esistono sistemi: • Ottici •Elettromagnetici 31

Parte I (I Sensori)

Gli encoder

Gli encoder hanno il vantaggio di fornire un’uscita direttamente sotto forma digitale. Esisono tre tipi di encoder: •Encoder tachimetrico •Encoder incrementale •Encoder assoluto. 32