I Sensori

Prof. Mascellino Leonardo
Pagina 1
04/09/2008
SENSORI, TRASDUTTORI E LORO APPLICAZIONI
I sensori si possono definire organi di ingresso degli impianti di automazione; convertono
una grandezza fisica in una grandezza elettrica, affinché la prima possa essere
riconosciuta e utilizzata dai circuiti di controllo dell’apparecchio di gestione. Per definizione
quindi il sensore controlla e trasforma grandezze fisiche, chimiche, meccaniche ed
elettriche generate dai processi tecnologici.
Si possono trovare in commercio due famiglie di sensori:


sensori con semplici dispositivi di tipo ON/OFF oppure di livello 0 e 1,
sensori con dispositivi capaci di trasformare in modo continuo una specifica
grandezza fisica in una grandezza elettrica, in grado di mantenere una relazione
costante tra le due, tale da poter essere matematicamente calcolata.
Nei primi dispositivi viene utilizzato un elemento a soglia, che attua una semplice
commutazione quando viene superato il valore impostato della grandezza da controllare.
Nei secondi invece si utilizza un componente che è in grado di fornire in uscita un valore
continuo.
Associate all'utilizzo dei valori in uscita, esistono poi delle tecniche di trattamento dei
segnali e di regolazione per riportare il valore o grandezza dal trasduttore al regolatore o
controllore del processo. In questo secondo caso la funzione di proporzionalità, chiamata
anche fattore di proporzionalità, non sempre deve essere necessariamente lineare o
perfettamente costante. La cosa importante è che essa sia conosciuta e continua, in modo
da poter essere corretta con tecniche appropriate. Queste ultime, utilizzate
particolarmente nelle applicazioni dove è necessaria una elevata precisione, vengono
definite linearizzazione del componente.
In base al tipo di segnale trattato si possono trovare sensori che mettono a disposizione in
uscita un segnale che varia in proporzione e in modo continuo al re della grandezza fisica
che lo stesso sensore rileva: in questo caso si parla trasduttori di tipo analogico. Al
contrario, ci sono sensori che emettono in uscita una serie di segnali numerici
direttamente legati al segnale rilevato: se fanno riferimento a un valore iniziale ed
emettono segnali successivi relazionati solo a questo, essi si definiranno trasduttori digitali
assoluti; se invece i segnali emessi sono ciascuno in riferimento al valore del segnale
precedente, si definiranno questi trasduttori come digitali incrementali.
Attualmente il termine sensore sta a indicare sia il semplice elemento che opera la
trasformazione tra due grandezze non omogenee di ingresso e di uscita (ma il termine più
appropriato sarebbe rilevatore), sia una apparecchiatura molto più complessa, composta
dal sensore vero e proprio e da un insieme di componenti che stabiliscono l'alimentazione,
la linearizzazione e il condizionamento del segnale di uscita (e in questo secondo caso il
termine adeguato sarebbe trasduttore).
In questo contesto si utilizza il termine sensore per indicare un rilevatore di soglia, mentre
il termine trasduttore viene riservato ai rilevatori che sono associati ad apparecchi per il
trattamento dei segnali.
Prof. Mascellino Leonardo
Pagina 2
04/09/2008
Moltissimi impianti e apparecchi utilizzano sensori e trasduttori; anzi si può affermare,
senza possibilità di smentita, che senza di essi queste apparecchiati non servirebbero. Per
esempio un personal computer presenta vari trasduttori: la tastiera, le testine di lettura e
scrittura dei dischi, gli interruttori per rilevare la presenza nel driver dei dischetti.
Nei processi industriali, nelle applicazioni più disparate, la presenza sensori e dei
trasduttori diviene assolutamente determinante, tanto che l'intervento di monitoraggio e la
regolazione del sistema non possono prescindere dai rilevatori stessi.
I sensori e i trasduttori quindi si possono definire in modo molto più completo come dei
punti di interferenza e di collegamento che si affacciano direttamente al mondo reale e al
processo produttivo in corso. Interfacciarsi con il mondo reale significa generare un
processo tecnologico primario, e il controllo deve avvenire forzatamente attraverso
rilevatori. Detto in altre parole, ogni processo tecnologico deve venire controllato e
regolato e i sensori e i trasduttori diventano elementi fondamentali della catena del
processo produttivo. Ruolo della sensoristica è e rimane il condizionamento e il controllo
del processo industriale. Da tale definizione emerge l'importanza tecnologica ed
economica giocata dai sensori.
Sensori (Interruttori) di prossimità.
I sensori utilizzati nei controlli di prossimità trovano impiego in moltissimi settori e in
svariate applicazioni. Si utilizzano nell'automazione industriale e servomeccanismi,
nell'automazione degli uffici e nei sistemi antifurto, nel settore automobilistico e nelle
periferiche dei computer.
Essi fanno parte del rilevamento senza contatto fisico e per questo motivo trovano in una
posizione di privilegio rispetto ad altri sensori con funzioni analoghe.
Gli elementi che definiscono i singoli sensori possono basarsi su effetti magnetici a soglia,
magnetici a contatto reed, induttivi, capacitivi, ottici, ad ultrasuoni.
A prescindere dal principio fisico specifico di funzionamento, come prima approssimazione
i sensori di prossimità si possono classificare in relazione ai diversi tipi di stadi di uscita.
Prendendo in oggetto un sensore di prossimità elettronico, esso si può trovare nei tipi
sotto elencati.
Auto - amplificato ON/ 0FF in corrente continua.
Esso può avere la polarità uscita PNP oppure NPN e invece la funzione di uscita del tipo
normalmente aperto (NA), normalmente chiuso (NC), scambio (S). I dati che
comunemente si possono riscontrare sulla targa di tali sensori sono:
la tensione di alimentazione (10 ¸ 30 Vcc),
la massima corrente in uscita (150 mA),
la caduta di tensione in relazione alla massima corrente erogata (< 3V),
il grado di protezione dagli agenti fisici esterni quali la polvere e l’acqua (IP 67)
Prof. Mascellino Leonardo
Pagina 3
04/09/2008
temperatura di funzionamento (-40 ¸ +100°C),
Autoamplificato ON/OFF in corrente alternata.
Non amplificato NAMUR
I sensori di prossimità Namur sono degli apparecchi elettronici nei quali la corrente
assorbita viene modificata dall'avvicinamento di un oggetto metallico.
Analogici con uscita in tensione.
Analogici con uscita in corrente.
Sensori magnetici a contatto reed
I sensori di prossimità magnetici a contatto reed fondano il loro funzionamento sulla
presenza di contatti speciali, denominati reed, azionati da un campo magnetico esterno,
generato da un magnete permanente. Un contatto reed, denominato anche ampolla reed
(il termine reed in inglese significa linguetta), è formato da due barrette flessibili di
materiale ferromagnetico (per esempio ferro-nichel), piatte, di bassa riluttanza ed
ermeticamente sigillate, inserite all'interno di un tubo di vetro, avente un'atmosfera di gas
inerte.
La sigillatura ermetica dei contatti in atmosfera di gas inerte li protegge dalla polvere, dalla
corrosione e dalla ossidazione. Le barrette sono posizionate in modo che le parti terminali
si contrappongano l'una all'altra, senza però toccarsi. Le barrette inoltre si prolungano oltre
l'involucro e sono placcate con metallo altamente conduttivo, come rodio oppure oro.
I sensori magnetici a contatti reed entrano in funzione col manifestarsi di campo
magnetico, generato da un magnete permanente o da una bobina montata vicino o intorno
al contatto reed. Quando il contatto viene influenzato da un campo magnetico, le estremità
delle barrette assumono polarità magnetica di segno opposto e, quando viene raggiunta
una sufficiente intensità di campo magnetico, la forza di attrazione degli opposti poli
magnetici vince la rigidità delle barrette, flettendole l'una sull'altra, determinando il
contatto. Al termine dell'influsso del campo magnetico, l'effetto a molla del materiale delle
barrette provoca la separazione del contatto e riporta le condizioni elettriche nella
situazione precedente. L'operazione può essere ripetuta milioni di volte anche a
elevatissime frequenze. La figura schematizza un contatto reed utilizzato nei sensori
magnetici con il relativo azionatore a magnete permanente.
Le principali caratteristiche di un'ampolla reed si possono riassumere come segue.
Prof. Mascellino Leonardo



Pagina 4
04/09/2008
Non avendo parti in movimento o striscianti come altri tipi contatto, le ampolle reed
presentano una vita meccanica illimitata.
Le ampolle reed sono caratterizzate da una velocità di intervento molto più elevata
di quella dei normali relè e questo le rende adeguate per applicazioni con elevate
velocità di commutazione.
Si possono inserire in spazi molto ridotti e quindi si prestano molto bene per
applicazioni in apparecchiature miniaturizzate.
I sensori di prossimità con contatti reed possono essere comandati da magnete
permanente o da un elettromagnete. Il metodo più comunemente impiegato è quello del
magnete permanenti.
Sensori a induzione
I sensori di prossimità induttivi vengono normalmente utilizzati per rilevare oggetti metallici.
Rappresentano senza dubbio i sensori di prossimità più diffusi su macchine automatiche.
Il principio di funzionamento é basato su un oscillatore ad alta frequenza che produce un
campo elettromagnetico nelle immediate vicinanze del sensore. La presenza di un oggetto
metallico (che svolge la funzione di azionatore) all'interno del campo smorza l'ampiezza
dell'oscillazione in quanto parte dell'energia elettromagnetica viene trasferita dal sensore
all'azionatore e su questo si dissipa per effetto delle correnti parassite di Focault.
L'ampiezza dell'oscillazione risulta quindi decrescere con la distanza fra azionatore e
sensore e può fornire all'uscita del sensore un'informazione analogica sulla posizione
dell'oggetto (sensori analogici) oppure può essere convertita, tramite un circuito a soglia,
in un segnale digitale (sensori ON-OFF).
La sensibilità del sensore dipende, oltre che dalla forma e dalle dimensioni dell'azionatore,
anche dal tipo di metallo da cui è costituito. Vedi Fig. precedente.
Le distanze di scatto riportate in catalogo esprimono valori di riferimento che non tengono
conto delle tolleranze produttive, delle variazioni di tensione o di corrente e di altre
eventuali influenze esterne. La differenza tra il valore indicato e l'effettiva distanza di
scatto è comunque inferiore al 10%.
La schermatura del sensore consente di indirizzare le linee di flusso del campo
elettromagnetico generato dal sensore stesso. In tal modo è possibile minimizzare la
distanza che occorre mantenere tra il sensore ed altri sensori o parti metalliche nelle
vicinanze, al fine di garantire la costanza delle caratteristiche di funzionamento.
Nella versione in corrente continua, il trigger pilota transistor del tipo PNP oppure NPN, un
diodo protegge il circuito dalle inversioni di polarità e uno zener dai picchi di tensione.
Prof. Mascellino Leonardo
Pagina 5
04/09/2008
Si riportano i principali parametri che li vincolano all'oggetto da rilevare.
Distanza di intervento. La distanza di intervento di un sensore di prossimità è quella
distanza alla quale l'avvicinamento di un azionatore provoca un cambiamento di stato del
segnale in uscita.
Corsa differenziale. La corsa differenziale, o isteresi, viene definita come differenza tra il
punto di inserzione del sensore di prossimità, all'avvicinamento dell'azionatore, e il punto
di disinserzione, all'allontanarsi dell'azionatore dalla superficie sensibile.
Placchetta di misura. La placchetta per i sensori di forma cilindrica acciaio dolce F360 e
di forma quadrata. Possiede il lato di dimensione pari al diametro della superficie sensibile
e ha lo spessore di 1 mm.
Prezzo dei sensori di figura di destra: 26 € ; 27 € ; 29 € (Da catalogo RS 02/2002)
Sensori capacitivi
I sensori capacitivi sfruttano la variazione della capacità parassita che si crea tra sensore
ed oggetto da rilevare. Quando l'oggetto da rilevare e la faccia sensibile del sensore si
trovano ad una certa distanza, un circuito elettronico interno al sensore entra in
oscillazione.
L'insorgere o il cessare ditale oscillazione sono riconosciuti da un rilevatore di soglia che
comanda un amplificatore destinato all'azionamento di un carico esterno
Un sensore capacitivo può rilevare oggetti metallici e non metallici (legno, plastica, liquidi e
così via). La distanza d'intervento può essere regolata in modo da adattare il sensore alla
spècifica applicazione.
I sensori capacitivi sono costituiti da un condensatore la cui capacità varia sotto l’azione
della grandezza in misura.
La capacità di un condensatore piano è data dalla relazione:
ε = costante dielettrica del materiale interposto tra le armature
S = è la superficie delle armature
d = distanza tra le superficie
Essi sono costituiti da un oscillatore a transistor situato nella parte anteriore. Il circuito
oscillante R-C (resistenza - condensatore) è influenzato dalla variazione di capacità, infatti,
quando un materiale qualsiasi, solido o liquido (acqua, vetro, metalli, legno, caffè, polveri
ecc.) interessa la superficie attiva del sensore, la capacità aumenta mettendo in azione
l’oscillatore fino ad invertire la soglia del trigger, inducendo un cambiamento di condizione
dello stadio finale ed il conseguente comando di un carico esterno. Un potenziometro
permette la regolazione di fine della distanza di intervento.
Prezzo del sensore di figura: 73 € (Da catalogo RS 02/2002)
Prof. Mascellino Leonardo
Pagina 6
04/09/2008
Sensori fotoelettrici
Le fotocellule, o sensori fotoelettrici sono dispositivi elettronici che utilizzano il principio
dell'emissione luminosa combinata con l'optoelettronica e costituiscono una famiglia di
sensori impiegata nei più svariati settori dell'automazione industriale per la rivelazione e
conteggio di oggetti, lettura di contrasti, misure, rilevano la presenza di materiali non
conduttori come il legno, la plastica, il vetro, ecc. e di metalli ferrosi e non ferrosi. In
generale un sensore fotoelettrico, consiste di una sorgente luminosa o emettitore, un
ricevitore, un amplificatore/demodulatore e uno stadio di uscita. Quando il fascio luminoso
viene interrotto, lo stadio di uscita della fotocellula cambia il proprio stato logico.
Lo stadio oscillatore ha la funzione di modulare il segnale elettrico che pilota l'emettitore e
il suo principale vantaggio è quello di proteggere dalle interferenze della luce ambiente, in
quanto il ricevitore è sintonizzato per ricevere solo le frequenze della luce modulata.
L'emettitore converte il segnale elettrico modulato in segnale luminoso, che, attraverso un
sistema ottico, viene inviato in direzione del riflettore, dell'oggetto da rilevare o al
ricevitore.
Il ricevitore è l'elemento che riceve il segnale luminoso di ritorno, lo converte in una
grandezza elettrica e lo trasmette al demodulatore.
Il blocco demodulatore/amplificatore trasforma il segnale variabile del ricevitore in un
segnale digitale stabile che verrà reso disponibile per lo stadio di commutazione.
Lo stadio d'uscita fornisce un'informazione di tipo ON/OFF al carico collegato alla
fotocellula in funzione dello stato logico presente all'uscita dell'amplificatore, cioè in
relazione alla presenza o assenza dell'oggetto da rilevare. Le uscite possono essere del
tipo a relè, NPN/PNP, Analogiche.
Quasi tutti i modelli sono dotati di un indicatore led e gran parte anche di un potenziometro
per la regolazione della sensibilità.
I sensori ottici in generale si possono poi suddividere in vari dispositivi assai diversi per
concezione, frequenza della radiazione usata e quindi per settore di impiego. I sensori
ottici più tradizionali funzionavano con luce visibile. Essi impiegavano solitamente sorgenti
di luce a filamento come emettitore e fotoresistenze come ricevitore. Questi dispositivi
comportavano tuttavia alcuni inconvenienti fra i quali la durata limitata della sorgente
(alcune migliaia di ore) e la velocità di risposta modesta. Prestazioni molto migliori si sono
ottenute impiegando emettitori a led e rivelatori al silicio (fotodiodo e fototransistor).
Le fotocellule vengono divise per tipo di funzionamento:
A barriera
reflex
A diffusione
Lettori di tacche colorate
Sensori ultravioletti
Fibre ottiche
Prof. Mascellino Leonardo
Pagina 7
04/09/2008
Sensori a barriera
In queste fotocellule, il proiettore e il ricevitore costituiscono due dispositivi separati,
tipicamente montati l'uno in fronte all'altro. Ogni oggetto interposto tra i due dispositivi
interrompe il raggio di luce e viene rilevato. Questo tipo si sensore è utilizzato per
applicazioni con distanze di lavoro elevate o in ambienti molto sporchi ed inoltre
rappresenta la soluzione ideale per rilevare qualsiasi oggetto indipendentemente dal
colore o dal grado di riflessione. Il punto critico è l'impossibilità di rilevare oggetti
trasparenti. I sensori a forcella, invece, vengono utilizzati principalmente per la lettura di
tacche, ad esempio sulle bobine di etichette.
Prezzo dei sensorei a forcella della figura di sinistra: 3 € (Da catalogo RS 02/2002)
Prezzo dei sensori di figura di destra: 125 € cad. (Da catalogo RS 02/2002)
Sensori reflex
Questi tipi di fotocellule sono dispositivi nei quali i fotoelementi di emissione e ricezione
sono contenuti nello stesso corpo meccanico. Il fascio di luce emesso è riflesso da un
riflettore prismatico (catarifrangente) che lo ritorna al ricevitore. Quando un oggetto
attraversa il percorso del raggio di luce, esso viene rilevato. Questo tipo di sensore è molto
diffuso, in quanto a buone distanze operative aggiungono semplicità di allineamento
sensore/riflettore e facilità d'installazione anche in spazi ristretti. Occorre però prestare
attenzione nel caso di rilevazione di oggetti altamente riflettenti o brillanti, in quanto, se gli
oggetti hanno le stesse caratteristiche di riflessione del riflettitore, possono non essere
riconosciuti.
Prezzo del sensore PNP della figura di destra: 121 € (Da catalogo RS 02/2002)
Sensori a diffusione
Le fotocellule a tasteggio basano il loro funzionamento sulla riflessione della luce da parte
dell'oggetto che intercetta il raggio luminoso emesso. L'emettitore e il ricevitore sono
contenuti nello stesso elemento. La distanza operativa è limitata e legata al colore e al tipo
Prof. Mascellino Leonardo
Pagina 8
04/09/2008
di superficie dell'oggetto da rilevare. La distanza di lavoro diminuisce con superfici meno
riflettenti o di colori più scuri. Questo tipo di fotocellule vengono utilizzate per il rilevamento
diretto dell'oggetto, per rilevamenti precisi e determinati di piccoli oggetti e per rilevamenti
con esclusione di superfici di sfondo. Esistono vari tipi di tasteggio, in relazione
all'applicazione, come tasteggio diffuso e tasteggio focalizzato che sono usati in presenza
per il rilevamento di piccoli oggetti, e tasteggio con soppressione di sfondo che sono in
grado di discriminare oggetti di piccole dimensioni indipendentemente dallo sfondo a loro
adiacente (la loro distanza operativa è insensibile al colore dell'oggetto stesso).
Prezzo del sensore della figura di destra: 77 € (Da catalogo RS 02/2002)
Prof. Mascellino Leonardo
Pagina 9
04/09/2008
Lettori di tacche colorate
I lettori di tacche colorate sono dispositivi speciali dotati di ottica sofisticata e frequenza di
commutazione elevata. Sono funzionanti con il principio dei sensori ottici a diffusione, e
trovano principalmente impiego nel riconoscimento dei contrasti esistenti tra le tacche
colorate e lo sfondo. Un segnale elettrico proporzionale all'intensità della luce riflessa dal
contrasto da rilevare, viene inviato ad un comparatore, che genera un segnale di uscita
quando il contrasto è superiore ad un determinato valore di soglia preimpostato. Esistono
versioni con regolazione del contrasto manuale, semiautomatico o automatico. Per
applicazioni con spazi limitati sono disponibili versioni a fibra ottica.
Prezzo del sensore di figura: 397 € (Da catalogo RS 02/2002)
Sensori ultravioletti
Il loro principio di funzionamento è basato sulla proprietà dei corpi fluorescenti di emettere
luce visibile se irradiata da luce ultravioletta. Il proiettore emette luce UV che investe il
target fluorescente e viene riflessa al ricevitore come luce visibile. Per questo principio il
lettori UV sono totalmente immuni da riflessioni di oggetti e superfici molto riflettenti.
Applicazioni tipiche sono il riconoscimento e il rilevamento di riscontri fluorescenti visibili e
invisibili, gessi, colle, inchiostri, vernici, liquidi e pennarelli) su qualsiasi tipo di materiale
come legno, metalli, ceramica, plastica, carta, ecc.
Prezzo del sensore di figura: 596 € (Da catalogo RS 02/2002)
Fibre ottiche
Le fibre ottiche rappresentano semplicemente un completamento della gamma fotocellule.
Realizzate in vetro, trasmettono la luce emessa dal proiettore attraverso due conduttori,
uno di trasmissione e uno di ricezione
Questi dispositivi sono principalmente utilizzati per montaggio in spazi limitati di difficile
accesso, con alte temperature, vibrazioni o condizioni ambientali particolari.
Prezzo del sensore di figura di destra: 562 € (Da catalogo RS 02/2002)
Prof. Mascellino Leonardo
Pagina 10
04/09/2008
Sensori ad ultrasuoni
Il sensore ad ultrasuoni è basicamente e genericamente un ecoscandaglio ultra - acustico.
Il sensore emette un fascio impulsivo di suoni a frequenza elevata (40 ¸200 kHz). Il fascio
è composta da una o più onde pulsanti che si espandono a partire dalla membrana di
emissione. Come tutto ciò che si propaga, il fascio ultrasonoro si espande in forma conica
alla velocità del suono nell’aria (340 m/s), con un angolo tipico che dipende dalla
geometria della testa del sensore e dalla presenza di eventuali lenti acustiche o guide
d'onda. L’eco riflesso dal bersaglio ritorna al trasduttore. La distanza tra il bersaglio ed il
sensore viene ricavata dall'intervallo di tempo tra la trasmissione del fascio e la ricezione
dell'eco. Il sensore converte l'intervallo di tempo in un segnale digitale che è utilizzato
internamente per calcolare la distanza dell'oggetto da rilevare. I principali parametri che
influenzano la riflessione sono:
tipo di superficie del bersaglio
distanza del bersaglio
angolo di incidenza del fascio ultrasonico sul bersaglio
dimensioni del bersaglio (energia riflessa)
Il sistema offre il vantaggio di non richiedere nessun contatto diretto del sensore con il
prodotto, poiché la sonda viene applicata esternamente alla parte del serbatoio o del tubo.
E' possibile misurare anche prodotti tossici, aggressivi, infiammabili e sotto pressione.
Questo tipo di controllore può essere utilizzato per una vasta gamma di applicazioni, come
il controllo di livello in serbatoi, segnalazione di bolle gassose in liquidi, misura di livello in
contenitori sotto pressione, controllo del ghiaccio in celle frigorifere, ecc.
Il sensore ad ultrasuoni rappresenta una vantaggiosa alternativa anche nei confronti dei
sensori ottici, per rilevare oggetti distanti, la capacità di rilevamento non dipende dalle
caratteristiche cromatiche superficiali dell’oggetto da rilevare, inoltre sono “sentite” anche
le superfici trasparenti.
Prezzo del sensore di figura: 330 € (Da catalogo RS 02/2002)
Fotocellule laser
Le fotocellule ad emissione laser sono caratterizzate da una estrema precisione, facilità di
allineamento e regolazione data dalla luce visibile emessa (rossa brillante), ed elevate
distanze di lavoro. I modelli disponibili e le diverse versioni ottiche consentono di trovare la
soluzione ideale per risolvere applicazioni come riconoscimento di piccoli particolari,
precisi posizionamenti, conteggi veloci, riconoscimento di oggetti su nastri trasportatori.
Prezzo del sensore laser di figura: 403 € (Da catalogo RS 02/2002)
Prof. Mascellino Leonardo
Pagina 11
04/09/2008
Lettori di codici a barre
I lettori di codici a barre trovano impiego oltre che nei punti di vendita anche negli inventari
di magazzino, nella gestione dei documenti, nei sistemi di trasporto, nella verifica delle
etichette, nelle macchine per ricevimento e spedizione automatica e nelle macchine
automatizzate in generale.
Il lettore emette un raggio per mezzo di un diodo laser in grado di scandagliare (scanner)
l’etichetta del codice a barre. L’interfaccia con un computer o altro sistema logico permette
di identificare il prodotto.
Prezzo del connettore di figura: 1060 € (Da catalogo RS 02/2002)