Ripetizioni Materie Scientifiche
Trasduttori
Trasduttori o sensori, sono dispositivi che acquisiscono in ingresso una grandezza fisica ed
esprimono in uscita una grandezza elettrica il cui valore è funzione della grandezza di ingresso..
Essi sono sempre il primo blocco della catena di acquisizione digitale:
Molteplici processi industriali prevedono questo schema, con dei trasduttori in ingresso per
acquisire le variabili fisiche da controllare.
I segnali elettrici vengono poi amplificati e condizionati prima della loro conversione in formato
digitale (S/H)+(ADC).
Il microprocessore µP, provvede ad eseguire gli opportuni controlli sulle variabili di ingresso
agendo eventualmente in uscita, con degli attuatori in grado di modificare l'andamento delle
variabili da controllare.
Esistono trasduttori per misurare la gran parte delle grandezze fisiche come: temperatura, umidità,
posizione, velocità accelerazione, forza, pressione, luminosità, gas, suono, campo magnetico.
Classificazione di trasduttori
Un primo criterio di classificazione dei trasduttori si basa sulla modo di conversione della
grandezza fisica in ingresso:
I) I trasduttori primari, convertono direttamente la grandezza fisica in ingresso in una grandezza
elettrica.
II) I trasduttori secondari trasformano preventivamente la grandezza fisica in ingresso in un'altra
grandezza fisica, rilevabile attraverso un trasduttore primario.
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Un altro criterio di classificazione dei trasduttori è basato sul tipo di grandezza elettrica prodotta in
uscita (tensione, corrente, capacità, etc..).
I) Sono definiti attivi i trasduttori che generano un segnale in corrente o tensione (termocoppie).
II) Sono definiti passivi i trasduttori che producono in uscita una variazione di un parametro
elettrico come resitenza, capacità etc..(potenziometri, estensimetri, termistori..).
Un terzo criterio di classificazione si riferisce la tipo di segnale prodotto.
I) I trasduttori analogici hanno un segnale di uscita che segue con continuità le variazioni della
variabile fisica in ingresso.
II) I trasduttori digitali forniscono in uscita il valore della variabile da controllare tramite un codice
binario ad n bit (ad es.encoder).
Parametri caratteristici
Per la valutazione delle caratteristiche statiche di un trasduttore (o sensore) è fondamentale lo studio
della caratteristica di trasferimento (transcaratteristica) dove viene mostrata la relazione (funzione)
fra la variabile di ingresso e quella di uscita.
In generale il sensore viene utilizzato nella zona
della transcaratteristica dove l'andamento è il più
possibile lineare (assimilabile ad una linea retta) in
modo che vi sia un legame di proporzionalità diretta
o inversa fra ingresso e uscita (linearità).
La sensibilità e un altro parametro importante;
viene espresso come:
cioè il rapporto fra la variazione del segnale
di uscita sul segnale di ingresso.
Si deduce che se la caratteristica è lineare, la sensibilità si mantiene costante in tutto il campo di
utilizzo e coincide con il coefficiente angolare (pendenza) della retta; questo è il caso ottimale.
Altri parametri importanti sono: la risoluzione intesa come la più piccola variazione del segnale di
uscita esprimibile come una percentuale del valore di fondoscala S FS. La ripetibilità, cioè la capacità
del sensore di fornire sempre la stessa uscita quando in momenti diversi viene fornito lo stesso
valore in ingresso.
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Le caratteristiche dinamiche di un sensore possono essere considerate : Il tempo di transizione che è
legato alla risposta al gradino del dispositivo:
L'uscita, non sempre si adegua al valore aspettato;
talvolta occorre un certo intervallo di tempo affinché
tale segnale si stabilizzi al valore da rilevare.
Il tempo di transizione (tempo di salita) è l'intervallo di tempo necessario all'uscita per passare dal
10% al 90% del valore finale a regime.
La risposta in frequenza è un altro parametro dinamico da considerare; indica come risponde il
sensore quando all'ingresso viene applicato un segnale sinusoidale a frequenza variabile.
Trasduttori con uscita a variazione resistiva
Molti sensori funzionano basandosi sul fenomeno
meccanismo della variazione resistiva. I fenomeno fisici
che possono causare tale variazione sono:
I) Azione meccanica: può semplicemente bastare, se è in grado di modificare le caratteristiche
geometriche del conduttore, infatti risulta essere:
Cioè la resistenza dipende, oltre che dalla resistività , anche dalla lunghezza e dalla sezione del
conduttore; è sufficiente che cambi uno di questi parametri e cambia anche la resistenza.
Una azione meccanica può anche far variare ρ se questa consente di modificare la struttura
molecolare del conduttore o del semiconduttore.
II) Variazione di temperatura. Infatti è
RTf ed RTi rispettivamente, resistenza alla temperatura finale a alla temperatura iniziale. α è un
coefficiente dipendente dal materiale.
III) Intensità luminosa: alcuni materiali modificano la loro resistenza se colpiti da radiazione
luminosa.
Bisogna inoltre considerare che alcuni conduttori possono modificare la loro resistenza in ragione
del campo magnetico in cui vengono immersi (effetto Hall).
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Termoresistenze (RDT:Resistance Temperature Detector)
Sono dispositivi che modificano la loro resistenza in base alla legge:
Sono costituiti da conduttori in platino, nichel o rame e sono operativi in un ampio intervallo: da 200°C a +800°C.
Termistori
Sono costituiti da semiconduttori (silicio drogato). Sono dotati un range di operatività minore ma di
una sensibilità maggiore rispetto alle termoresistenze le tecnologie di fabbricazione permettono di
ottenerne due varianti:
NTC (Negative Temperature Coefficient): la resistenza diminuisce all'aumentare della temperatura.
PTC (Positive Temperature Coefficient): la resistenza aumenta all'aumentare della temperatura.
Per questi dispositivi vale la formula:
con B=2000°K 5000°K.
Potenziometro (trasduttore di posizione)
Si tratta di una resistenza sulla quale viene fatto scorrere un cursore metallico. La resistenza viene
così suddivisa in due resistenze Ra ed Rb.
Se il potenziometro viene alimentato dalla
tensione E, la tensione di uscita V è data
dalla regola del partitore:
proporzionale ad Ra e dunque allo spostamento
Attenzione!!! Si deve evitare il collegamento diretto del potenziometro ad un eventuale carico R L:
la tensione di uscita V ne risulterebbe alterata (il carico influenza il comportamento del trasduttore).
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Tecnicamente, si usa un disaccoppiatore in
grado di disgiungere il sensore dal carico; in
questa circostanza usiamo un buffer non
invertente:
In tal caso il potenziometro non vede il carico RL a valle, cioè, vede la resistenza di ingresso
dell'operazionale che è infinita e quindi è come se funzionasse a vuoto, senza che la sua tensione di
uscita sia influenzata da altri fattori.
Termocoppia
La termocoppia è un trasduttore di temperatura con uscita in tensione. Si usano due cavi di
conduttori diversi, in questo caso abbiamo scelto rame e costantana che vengono connessi ad un
loro capo (giunto caldo).
Gli altri due capi vengono lasciati aperti, se i due giunti si trovano a temperature differenti ai capi
del giunto freddo si genera una tensione V proporzionale alla differenza di temperatura T 2-T1 .
Tipo
Conduttori
Temperatura
°C
Sensibilità
mV/°C
E
nichelcromo(+) costantana(-)
-50∼+900
75
J
ferro(+) costantana(-)
-200∼+800
56
T
rame(+) costantana(-)
-180∼+400
52
K
nichelcromo (+) nichel(-)
-200∼+1200
41
C
tungsteno/rame 5%(+)
25%(+)
0∼+2300
15
R
platino/rodio(+) platino(-)
0∼+1800
12
tungsteno/rame
ovviamente la sensibilità S deve essere interpretata come:
Fotoresistori (LDR:Light Dependent Resistor)
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I fotoresistori sono conduttori la cui resistenza diminuisce al crescere
dell'intensità luminosa.
I raggi luminosi, rompono un certo numero di legami covalenti del materiale con conseguente
passaggio di elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione. La loro resistenza R vale 10 6
108 al buio e qualche decina di Ω in piena luce. A causa del fatto che non hanno un legame lineare
fra resistenza e illuminazione vengono prevalentemente usati come interruttori on/off.
Convertitore di temperatura AD590
L'integrato AD590 è fra i più diffusi sensori di temperatura (con uscita in corrente) e può essere
schematizzato nel seguente modo:
La corrente i erogata dal generatore di corrente,
vale iT=hT con T :temperatura assoluta in °K ed
h=1µA/°K costante.
Normalmente viene usato con la tecnica della
modifica dell'offset, allo scopo di azzerare Vo
in corrispondenza di uno specifico valore di
iT.
quest'ultima può essere riscritta come :
poi isolando vo:
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Fotodiodo
E' un trasduttore di luminosità che esprime un segnale in corrente proporzionale alla radiazione
incidente.
Basa il suo funzionamento sul principio che una giunzione PN polarizzata
inversamente vede aumentare la corrente che la percorre quando viene esposta a
radiazione luminosa (quindi, prima di tutto, dobbiamo usare un diodo
polarizzato inversamente).
Questo fenomeno è dovuto al fatto che i fotoni incidenti, liberano della coppie elettrone-lacuna che
sotto l'effetto del campo elettrico applicato aumentano l'intensità della corrente (inversa).
Fototransistor
E' un transistor che varia la corrente di collettore al variare della radiazione
luminosa che colpisce la giunzione base-collettore (polarizzata inversamente
durante il funzionamento normale).
Un vasto utilizzo del fototransistor, lo si ha nel settore dei fotoaccoppiatori (optoisolatori)
strutturalmente composti da un LED fotoemettitore a raggi infrarossi e un fototransistor separati da
un dielettrico trasparente.
In questo dispositivo, il segnale di ingresso può
pilotare il in modo ON/OFF o in modalità analogica
(continua) il LED che a sua volta controlla il BJT
nella stessa forma.
I fotoaccoppiatori possono avere la stessa funzione del buffer non invertente già visto: possono
disgiungere due circuiti, proteggendo quello a valle da eventuali sovratensioni provenienti dal
circuito a monte.
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Encoder
Encoder: è un trasduttore di posizione che può fornire in uscita un numero binario (encoder
assoluto) oppure degli impulsi (encoder incrementale).
E' costituito da una lastra (per rilevare scostamenti rettilinei)
o da un disco (per rilevare scostamenti circolari) di materiale
trasparente su chi vengono riportate delle striscie opache.
La lastra o il disco sono solidali con l'oggetto di cui si vuole
rilevare lo spostamento e vengono inseriti in un dispositivo
fotoaccoppiatore costituito da un LED e un fototransistor
(come visto sopra).
Quando la barra si muove si crea una alternanza di zone opache e di zone trasparenti, passanti
rispetto la radiazione luminosa emessa dal LED questo crea, ovviamente, una alternanza della
conduzione del fototransistor (funzionamento ON/OFF) che passa alternativamente dalla
saturazione all'interdizione.
La corrente di collettore del fototransistor è dunque, di tipo impulsivo con frequenza proporzionale
alla velocità di spostamento della parte meccanica (funzionamento come tachimetro).
Se il disco ha N tacche opache la velocità del disco n in giri al secondo è
Invece per misurare lo spostamento, basta contare gli impulsi tramite un contatore digitale binario.
In particolare l'encoder assoluto, misura direttamente in binario lo spostamento rettilineo od
angolare.
E' possibile dimostrare che con un contatore dotato di n bit in uscita si possono codificare 2n
posizioni angolari ottenendo una risoluzione R:
per l'encoder per spostamenti angolari
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per l'encoder per spostamenti rettilinei
con l=lunghezza della lastra (espressa in metri). La risoluzione R è da considerare come il valore
dello spostamento minimo rilevabile.
Microfono
Il microfono esegue una traduzione di una grandezza acustica in una grandezza elettrica, è un
trasduttore indiretto, dato che il suono viene prima trasformato in una grandezza meccanica tramite
un dispositivo mobile, successivamente viene trasformato in un segnale elettrico.
Vi sono due tipi di microfono:
I) microfoni a spostamento
II) microfoni a velocità
Nei microfoni a spostamento viene generata una tensione elettrica proporzionale allo spostamento
del dispositivo mobile l'accoppiamento elettromeccanico è basato su un campo elettrico.
Nei microfoni a velocità viene generata una tensione elettrica proporzionale alla velocità del
dispositivo mobile l'accoppiamento elettromeccanico è basato su un campo magnetico.
Microfono a condensatore
Bisogna considerare che la capacità di un condensatore viene espressa dalla:
dove ε è la costante dielettrica (variabile a secondo dei materiale dielettrico)
S è la superficie dell'armatura
d è la distanza fra le armature
Il condensatore microfonico è costituito da una piastra metallica rigida accoppiata ad una membrana
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sensibile e mobile al suono.
La piastra viene collegata ad un circuito che la polarizza ad una tensione costante E0.
A riposo la quantità di carica accumulata sull'armatura sarà Q 0=C0E0.
Una vibrazione sonora fa variare la distanza C fra le armature generando una variazione C rispetto
al valore statico C0 che a sua volta produce delle variazioni di tensione rispetto al valore statico E 0.
La variazione di tensione può essere schematizzata come un generatore variabile v s come indicato
in figura.
Il segnale elettrico variabile vs riesce a scavalcare il condensatore in uscita, al contrario della
tensione di polarizzazione E0.
Questo segnale variabile è proporzionale al segnale acustico in ingresso.
Il microfono a condensatore è un microfono a spostamento perché basato sulla variazione della
distanza d del dielettrico.
Microfono piezoelettrico
E' un altro microfono a spostamento si basa sull'effetto
piezoelettrico tipico di alcuni cristalli come il quarzo per il
quale se si comprimono due facce parallele di tale materiale
vengono a generarsi su tali facce delle cariche elettriche di
segno opposto, in pratica si genera una tensione proporzionale
alla pressione esercitata.
Un microfono piezoelettrico prevede che l'onda sonora acquisita, eserciti una opportuna pressione
sulle facce parallele di una piastrina di materiale piezoelettrico che poi viene rilevata sotto forma di
segnale elettrico da una coppia di elettrodi saldati sulle facce stesse.
Casi particolari di microfoni piezoelettrici sono i microfoni a ceramici (nella ceramica le proprietà
piezoelettriche possono essere introdotte durante la fase di fabbricazione) e i microfoni a transistor
dove si sfruttano le proprietà piezoresistive del silicio.
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Microfono a bobina mobile
Il microfono a bobina mobile è un microfono a velocità: la tensione elettrica generata è
proporzionale alla velocità di spostamento del dispositivo mobile.
E' costituito da una bobina
montata su di un supporto
cilindrico solidale con una
membrana che se investita dal
suono può vibrare.
La bobina, solidale con la membrana è inserita in un traferro cilindrico sede di un campo magnetico
radiale prodotto da una calamita a forma circolare.
Il moto viene trasmesso alla bobina dalla membrana che si muove a velocità v(t). Ricordiamo che
per la legge di Faraday ,i n un conduttore rettilineo di lunghezza l, immerso in un campo magnetico
con vettore induzione costante B che si muova con velocità v nel piano perpendicolare alle linee di
induzione e con direzione perpendicolare al conduttore stesso, si induce una forza elettromotrice
e(t) (variabile nel tempo) data dalla:
Questo è il principio fisico che caratterizza la generazione del segnale elettrico in un microfono a
bobina mobile (o dinamico). Come si nota l'accoppiamento fra la parte meccanica e quella elettrica
è di natura magnetica.
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