Dispositivi d'ingresso: trasduttori
In un sistema di acquisizione dati o un sistema di controllo le grandezze da analizzare o controllare sono rilevate da
trasduttori e sensori. Essi sono dispositivi fondamentali perché permettono di misurare i valori dei parametri fisici di
interesse trasformandoli in un segnale elettrico, che potrà così essere elaborato; sono quindi gli elementi di collegamento
con il mondo reale. Più precisamente:
i trasduttori sono dispositivi che trasformano (in latino trasducere) una grandezza fisica d'ingresso (spostamento,
temperatura, ecc.) in una grandezza d'uscita, solitamente elettrica, legata alla prima da una ben determinata relazione;
i sensori sono caratterizzati da un funzionamento di tipo on-off, ovvero, a differenza dei trasduttori la cui uscita varia
all'interno di un intervallo, forniscono all'uscita un segnale che può assumere soltanto due valori, in funzione della
presenza o assenza della grandezza fisica d'ingresso, oppure che la grandezza di ingresso superi o meno un livello di
soglia prestabilito. Ad esempio nei sensori di gas si predetermina il livello di sicurezza in modo che, se viene superato,
il sensore segnali l'anomalia azionando il dispositivo di segnalazione.
Un trasduttore può anche essere impiegato come senso re, quindi la distinzione tra i due termini non è netta. Nella
letteratura tecnica il termine sensore è anche usato per indicare la parte del trasduttore che più propriamente
"sente" la grandezza d'ingresso, ovvero che funge da organo di "senso" per i sistemi elettronici. Si definisce allora
senso re un dispositivo o elemento sensibile in grado di rilevare le variazioni di una grandezza fisica e di fornire in
uscita un'altra grandezza fisica o un parametro elettrico (resistenza, capacità, ecc.) senza utilizzo di fonti di
energia. Ad esempio, il mercurio utilizzato nei termometri per rilevare la temperatura, è un senso re perché ad una
variazione della temperatura in ingresso corrisponde in uscita una variazione proporzionale di volume.
Nelle applicazioni di acquisizione e controllo è necessario trasformare la grandezza fisica presente all'uscita
del sensore in una grandezza di natura elettrica, manipola bile dal sistema di elaborazione. Il dispositivo che
opera la conversione fa uso di energia esterna fornita da un generatore. Vengono allora definiti trasduttore il
sensore ed il convertitore che nel loro insieme trasformano l'energia in ingresso in energia elettrica in uscita.
La classificazione dei trasduttori può seguire criteri diversi; in questa sede si è considerato il tipo di energia da
trasformare (presente all'ingresso) e si è distinto in trasduttori per grandezze meccaniche, termiche, radianti e
chimiche. I primi sono stati poi suddivisi in trasduttori di posizione e spostamento, di velocità, di forza e di
pressione, ed infine acustici.
Non si svilupperà un'analisi approfondita di tutti i possibili trasduttori, ma si prenderanno in esame alcuni dei
dispositivi più utilizzati con un approccio di tipo sistemico, ovvero privilegiando la conoscenza funzionale del
dispositivo e limitando all'essenziale gli aspetti tecnologici e dei principi fisici.
Parametri caratteristici dei trasduttori
I principali parametri e caratteristiche dei trasduttori, in base ai quali avvie ne la scelta per una determinata
applicazione sono:
campo di lavoro: è l'intervallo di valori della grandezza d'ingresso entro cui sono garantite le prestazioni del
trasduttore;
segnale d'uscita: è il parametro che maggiormente influisce sulle scelte progettuali. Può essere una tensione,
una corrente, una frequenza; di tipo analogico o digitale;
caratteristica di trasferimento: è la relazione tra la grandezza elettrica d'uscita e la grandezza fisica d'ingresso,
nel caso di grandezze costanti o lentamente variabili nel tempo. Essa può essere espressa in forma analitica o
in forma grafica o mediante una tabella di valori;
linearità: proporzionalità tra la grandezza d'uscita e d'ingresso. Non esistono trasduttori completamente lineari,
per cui la caratteristica di trasferimento approssima una retta. Spesso i trasduttori hanno comportamento non
lineare a causa della legge di trasformazione della grandezza fisica in elettrica. In tali casi è possibile
linearizzare il comportamento dell'uscita mediante appositi circuiti di condizionamento che compensano la
legge del componente. L'errore di non linearità indica lo scostamento massimo della caratteristica di
trasferimento da una specifica retta interpolante
stabilità: esprime la capacità di mantenere nel tempo e nelle diverse condizioni di lavoro le principali
caratteristiche (in particolare la linearità);
sensibilità: è il rapporto fra la variazione della grandezza d'uscita e la variazione della grandezza d'ingresso che
l'ha prodotta. Indica quindi di quanto varia la grandezza d'uscita rispetto a quella d'ingresso;
risoluzione: è la minima variazione dell'ingresso in grado di variare l'uscita in modo percettibile;
ripetibilità: è la capacità di fornire le stesse prestazioni in misurazioni successive, eseguite nelle stesse
condizioni operative;
rumore: è il segnale indesiderato prodotto in uscita dal trasduttore in assenza d'ingresso
errore dinamico: esprime la differenza tra l'uscita effettiva e quella teorica in presenza di ingressi variabili nel
tempo;
velocità di risposta: è il tempo impiegato dal trasduttore ad adeguare il segnale d'uscita ad una variazione
della grandezza d'ingresso.
Microfoni
Il microfono è un trasduttore in grado di convertire le onde sonore che lo investono in un segnale elettrico con
caratteristiche di ampiezza e frequenza simili a quelle del segnale acustico. Dei vari tipi di microfono, che si
differenziano per il trasduttore impiegato nella conversione di energia sonora in energia elettrica, consideriamo i
microfoni a condensatore.
È presente una capacità di riposo Co polarizzata, con un'armatura fissa e una mobile; quest'ultima è costituita
da una membrana di lega leggera che vibra sotto l'influenza delle onde sonore. Ciò provoca la variazione della
distanza istantanea d(t) tra le armature del condensatore con la stessa legge del segnale di pressione acustica
P(t)
d(t) = do - kd P(t)
dove do è la distanza di riposo. Ciò comporta la variazione della capacità del condensatore:
C(t) = ES /d(t)
dove E è la costante dielettrica dell'aria tra le armature di superficie S. Ne segue che la tensione Ve tra le
armature, nell'ipotesi di poter considerare costante la carica sul condensatore (ciò si verifica solo nel caso che la
resistenza R sia infinita, ma in pratica è sufficiente che la costante di tempo RCo sia grande rispetto al periodo
della vibrazione della pressione sonora), è data da:
VE=Q/ C(t)
Pertanto, il segnale elettrico che ne deriva è proporzionale al segnale acustico e viene prelevato tramite la
capacità di accoppiamento Ca, che blocca la componente continua Vco. Il livello di tensione fornito va da qualche
mV a poche decine di mV. Buona risulta la risposta in frequenza fino a 20 kHz nei tipi di alta qualità. Lo
svantaggio maggiore è la necessità di una tensione continua di polarizzazione perfettamente filtrata, per
mantenere un'adeguata sensibilità alle basse frequenze. Principalmente per questo motivo l'impiego di microfoni
a condensare è limitato al campo professionale e di laboratorio.
Una versione del microfono a condensatore che ne ha permesso lo sfruttamento in tutti i campi commerciali è
quella che impiega l'electret condenser. " suo funzionamento si basa sullo stesso principio del microfono a
condensatore, ma non richiede alcuna tensione di polarizzazione perché la membrana è costituita da elettrete,
una plastica contenente cariche fisse che conferiscono una polarizzazione dielettrica permanente.
Tra i principali parametri di un microfono ci sono la sensibilità, la direzionalità e la risposta in frequenza.
La sensibilità è il rapporto fra la tensione del segnale elettrico e la pressione necessaria per ottenerla
utilizzando un'onda alla frequenza di 1 kHz. La sensibilità viene espressa in mV/Pa oppure in decibel. In
quest'ultimo caso essa viene ricavata dal rapporto fra la sensibilità Sx del microfono espressa in mV/Pa e la
sensibilità di un microfono di riferimento che ha una sensibilità di Sr = 1 V/Pa:
La direzionalità di un microfono serve ad indicare che la sua sensibilità non è uguale in tutte le direzioni (viene
rappresentata mediante diagrammi polari).
La risposta in frequenza rappresenta l'andamento della sensibilità al variare della frequenza. Spesso la
risposta in frequenza è rappresentata dall'intervallo di frequenze entro cui la sensibilità è pressoché costante:
valori tipici sono da 50 Hz a 15 kHz.
Dispositivi di uscita: attuatori
Con il termine attuatore si intende un dispositivo che permette di trasformare una grandezza elettrica in una
grandezza fisica ad essa proporzionale. Gli attuatori sono l'ultimo anello di una catena di distribuzione o di un sistema di
controllo e sono preposti all'utilizzo dell'uscita del blocco di elaborazione, per visualizzare le caratteristiche del sistema
fisico in esame o per modificarne l'evoluzione; svolge quindi la funzione inversa del trasduttore.
Nei paragrafi seguenti ci occuperemo di alcuni degli attuatori maggiormente utilizzati: il motore in corrente continua a
magnete permanente, il motore passo-passo bipolare a magnete permanente e gli altoparlanti.
Altoparlanti
Gli altoparlanti sono dispositivi che trasformano i
segnali
elettrici
in
onde
sonore
udibili
dall'orecchio
umano.
Esistono
tre
tipi
fondamentali di altoparlanti, classificati in base al
principio di funzionamento: magnetodinamico,
elettrostatico e piezoelettrico. Il più diffuso è quello
magnetodinamico a bobina mobile,
Esso è costituito da una bobina mobile formata da spire di filo di rame avvolte sopra un supporto. I terminali
della bobina vengono portati all'esterno in modo da potervi collegare il segnale di eccitazione. La bobina è
collegata rigidamente ad una membrana, detta anche cono per la sua forma.
La bobina è inserita nel traferro di forma anulare di un magnete permanente. Essa è quindi immersa in un
campo magnetico le cui linee di campo sono radiali, ovvero perpendicolari alle spire della bobina. Questo
insieme magnete-bobina mobile è denominato "elemento motore" dell'altoparlante. Infatti, se la bobina è
percorsa da una corrente istantanea i, essa viene sollecitata da una forza vibromotrice istantanea F = Bfi, in cui
B è l'induzione magnetica nel traferro ed € è la lunghezza complessiva del filo costituente la bobina. La bobina
trascina nel suo moto la membrana che con il suo movimento provoca variazioni di pressione nell'aria, in altre
parole irradia potenza sonora nell'ambiente.
Il sistema vibrante è tenuto centrato rispetto al traferro mediante una sospensione elastica a forma di anello,
che permette soltanto il movimento assiale del sistema vibrante, impedendo spostamenti laterali ed evitando
quindi che la bobina mobile strusci contro le espansioni polari del magnete.
Tra i parametri principali caratteristici degli altoparlanti vi sono: la sensibilità, la direttività e la risposta in
frequenza.
La sensibilità o livello sonoro è data dal rapporto, espresso in dB, fra la pressione P, che l'altoparlante
esercita alla distanza di 1 m in direzione perpendicolare quando viene alimentato con la potenza di 1 W alla
frequenza di 1 kHz, e la pressione di riferimento Po pari a 2· 10-5 Pa (si ricorda che
1 Pa = 1 N/m2 e che l'orecchio umano è sensibile ad intensità comprese fra 2 . 10-5 e 200 pa)
La direttività indica la diversa intensità sonora emessa dall'altoparlante nelle diverse direzioni e viene rappresentata
mediante un diagramma polare.
La risposta in frequenza rappresenta la sensibilità dell'altoparlante alle varie frequenze. Essa è fortemente
influenzata dalle dimensioni della membrana: gli altoparlanti di maggior diametro rispondono bene alle basse frequenze,
mentre quelli di dimensioni più piccole rispondono meglio alle alte frequenze. In genere la membrana è di forma
circolare, ma per allargare la risposta in frequenza si fanno di forma ovale.
Nei sistemi di diffusione sonora ad alta fedeltà, per consentire un buon ascolto di tutte le frequenze, si usano sistemi
di diffusione a tre vie, cioè costituiti da tre altoparlanti, uno piccolo (tweeter) per le alte frequenze, uno grande (woofer)
per le basse frequenze ed uno di dimensioni intermedie (midrange) per le frequenze intermedie.
