SENSORI E TRASDUTTORI SENSORI, TRASDUTTORI ED

SENSORI E TRASDUTTORI
1. SENSORI, TRASDUTTORI ED ATTUATORI
1.1. Grandezze Fisiche
Sensori, Trasduttori ed Attuatori manipolano Grandezze Fisiche, vediamone alcuni esempi.
Grandezze Elettriche
Facilmente Manipolabili
 Tensione
 Corrente
Difficilmente Manipolabili
 Resistenza
 Capacità
 Induttanza
 Ecc.
Grandezze Fisiche non Elettriche









Temperatura
Posizione
Luminosità
Forza
Peso
Pressione
Suono
Volume
Ecc.
Definizione di Grandezza Elettrica Facilmente Manipolabile
Una Grandezza Elettrica si dice Facilmente Manipolabile quando può essere manipolata
(elaborata, trasformata) mediante semplici circuiti.
Ad esempio:
 La Tensione può essere manipolata
o In modo digitale mediante un qualsiasi circuito digitale (Not, Or, And, Xor,
Encoder, Decoder, Multiplexer, Demultiplexer, Latch, Flip-Flop, Contatore, Shift
Register, ecc.).
o Ed in modo analogico mediante semplici circuiti realizzati con Amplificatori
Operazionali (Comparatori, Amplificatori, Derivatori, Integratori, ecc.).
 La Corrente può essere manipolata
o Mediante una semplice resistenza e trasformata così in tensione.
o Oppure mediante opportuni circuiti con Amplificatori Operazionali.
Definizione di Grandezza Elettrica Difficilmente Manipolabile
Una Grandezza Elettrica si dice Difficilmente Manipolabile quando per essere manipolata
necessita di circuiti piuttosto complessi.
1.2. Sensori ed Attuatori
Come si può vedere in figura, sia i Sensori (o Trasduttori) che gli Attuatori convertono
Grandezze Fisiche.
SENSORE (o TRASDUTTORE)
Grandezza Fisica
Non Elettrica
Grandezza
Elettrica
ATTUATORE
Figura 1
Vediamo qual è la differenza tra i due:
Definizione di Sensore (o Trasduttore)
Un Sensore (o Trasduttore) è un dispositivo che converte una Grandezza Fisica non Elettrica in
una Grandezza Elettrica.
Ad esempio: Sensori di Temperatura, Posizione, Luminosità, ecc.
Definizione di Attuatore
Un Attuatore è un dispositivo che converte una Grandezza Elettrica in una Grandezza Fisica non
Elettrica.
Ad esempio: Elettrocalamita, Relè, Motori in Continua, ServoMotori, Motori Passo Passo.
Grandezza
Elettrica
ATTUATORE
Grandezza Fisica
Non Elettrica
Figura 2
1.3. Sensori e Trasduttori
Da ciò che si è detto finora si potrebbe pensare che i Sensori ed i Trasduttori siano la stessa
cosa, ma non è così.
Vediamo qual è la differenza tra di essi.
Definizione di Sensore
Un Sensore è un dispositivo che, senza bisogno di alimentazione esterna, è in grado di
convertire una Grandezza Fisica non Elettrica in una Grandezza Elettrica.
Grandezza Fisica
Non Elettrica
SENSORE
Figura 3
Grandezza
Elettrica
Definizione di Convertitore
Qualora il sensore dia in uscita una Grandezza Elettrica Difficile da Manipolare è possibile
collegare ad esso un circuito in grado di convertire tale grandezza in una Semplice da Manipolare.
Poiché si tratta di un circuito elettronico vero e proprio, esso ha bisogno di essere alimentato
mediante un generatore esterno.
Grandezza Elettrica
Difficile da Manipolare
CONVERTITORE
Grandezza Elettrica
Semplice da Manipolare
Figura 4
Definizione di Trasduttore
Collegando in cascata (uno dopo l’altro) un Sensore ed un Convertitore si ottiene un
Trasduttore, cioè un dispositivo che, alimentato mediante un generatore esterno, è in grado di
convertire una Grandezza Fisica non Elettrica in una Grandezza Fisica Elettrica Facile da
Manipolare.
Grandezza
Fisica
Non Elettrica
SENSORE
Grandezza
Elettrica
Difficile da
Manipolare
Figura 5
CONVERTITORE
Grandezza
Elettrica
Semplice da
Manipolare
TRASDUTTORE
1.4. Mettiamo Tutto Insieme
Un qualunque circuito elettronico non ha senso senza sensori (o trasduttori) ed attuatori.
SOTTOSISTEMA
DI
ACQUISIZIONE
SOTTOSISTEMA
DI
ELABORAZIONE
SOTTOSISTEMA
DI
DISTRIBUZIONE
ATTUATORE
SENSORE
CIRCUITO
ATTUATORE
SENSORE
DI
ELABORAZIONE
SENSORE
ATTUATORE
Figura 6



I Sensori (o Trasduttori) acquisiscono le informazioni convertendole in segnali elettrici.
Il Circuito di Elaborazione le elabora (cioè le manipola, le trasforma).
Gli Attuatori le distribuiscono al mondo esterno convertendole in Grandezze Fisiche da noi
percepibili.
Il Sistema nella sua interezza prende il nome di Sistema di Acquisizione, Elaborazione e
Distribuzione Dati.
Vediamone alcuni esempi:
 Bilancia Elettronica:
o Sensori e Trasduttori:
 Tasti, Sensori di Peso.
o Attuatori:
 Display.
 Orologio Digitale:
o Sensori e Trasduttori:
 Tasti.
o Attuatori:
 Display.
 PC:
o Sensori e Trasduttori:
 Tastiera, Mouse, Microfono, WebCam, Scanner.
o Attuatori:
 Monitor, Stampante, Altoparlanti, VideoProiettore.
 Cellulare:
o Sensori e Trasduttori:
 Tastiera, Sensore di Tocco (Touch Sensor), Microfono, WebCam, Antenna.
o Attuatori:
 Display (Screen), Altoparlante, Vibracall, Antenna.
2. CLASSIFICAZIONE DEI SENSORI E TRASDUTTORI
Per poter meglio discutere dei pochi Sensori e Trasduttori di cui tratteremo è conveniente farne
una semplice classificazione.
Per fare ciò dobbiamo prima dire cos’è un Sensore Attivo e Passivo.
Definizione di Sensore Attivo e Passivo
Un Sensore si dice Attivo se la sua uscita è una tensione o una corrente. Altrimenti si dice
Passivo.
E’ importante tra l’altro perché, un Sensore Attivo può essere utilizzato così com’è, mentre un
Sensore Passivo ha bisogno di un Convertitore.
SENSORI E TRASDUTTORI
TEMPERATURA
SENSORI
TRASDUTTORI
PASSIVI
ATTIVI
TR
TermoResistenze
Termistori
TV
TermoCoppia
T  Curvatura
Lamina
Bimetallica
LUMINOSITA’
POSIZIONE
TV
LM35
SENSORI
TRASDUTTORI
PASSIVI
ATTIVI
Pos  R
Potenziometri:
Lineari
A Rotazione
Nessuno
SENSORI
PASSIVI
Pos  V
Ottici
(Encoder)
Lum  R
FotoResistenze
TRASDUTTORI
ATTIVI
Nessuno
Lum  I
FotoDiodi
FotoTransistori
Pos  C
Capacitivi
Figura 7
I Sensori ed i Trasduttori mostrati in fig.7 sono classificati secondo i seguenti criteri:
- Tipo di Grandezza Fisica ricevuta in ingresso: Temperatura, Posizione, Luminosità.
- Necessità di Alimentazione Esterna: Sensori e Trasduttori.
- Solo per i Sensori, Tipo di Grandezza Elettrica fornita in Uscita: Passivi ed Attivi.
3. DESCRIZIONE DI ALCUNI SENSORI E TRASDUTTORI
3.1. LM35 (T  V)
Che cos’è
E’ un Trasduttore di Temperatura.
A cosa serve
Esso converte Temperatura in Tensione.
Com’è fatto
Esso è costituito dal Circuito Integrato mostrato in fig.8.
Come ogni Trasduttore è costituito da un Sensore e da un Convertitore, in questo caso realizzati
entrambi nella stessa piastrina di Silicio o die (pronuncia: dai).
(a)
(b)
Figura 8
Come funziona
Essendo un Trasduttore dev’essere alimentato, come mostrato in fig.8b.
Esso da in uscita una tensione proporzionale alla temperatura dell’integrato stesso secondo
l’equazione:
VOut  K  T  10  10 3  T
(1)
dove K è la sensibilità del Trasduttore ed è pari a 10mV/°C, ciò significa che la tensione d’uscita
cresce di 10mV ogni qualvolta che la temperatura cresce di 1°C.
3.2. Potenziometro (Pos  R)
Che cos’è
E’ un Sensore di Posizione
A cosa serve
Esso converte la Posizione del proprio cursore in Resistenza.
Com’è fatto
Il simbolo elettrico di un Potenziometro è mostrato in fig.9, mentre la sua struttura interna è
mostrata in fig.10.
Figura 9
Figura 10
Visto dai morsetti A e B è simile ad una comune resistenza. Esso però possiede in più un contatto
(detto Cursore), rappresentato in figura con il morsetto C, che poggia sulla resistenza ed è libero di
scorrere su di essa.
Come funziona
Se misuriamo la resistenza tra i morsetto A e B avremo un valore costante, se invece essa viene
misurata tra i morsetti A e C si avrà un valore che varierà al variare della posizione del cursore C,
più il cursore è vicino al morsetto A e più piccola sarà la resistenza misurata. Stesso discorso vale
per i contatti C e B.
Tipi di potenziometro
Esistono due tipi di potenziometro:
 Nel Potenziometro Lineare detto Slider (fig.11a) il cursore si muove seguendo una linea
retta.
 Nel Potenziometro a Rotazione (figg.11b) il cursore può solo ruotare, perciò con esso è
possibile misurare solo movimenti rotatori.
(a)
(b)
Figura 11
3.3. FotoTransistore (Lum  I)
Che cos’è
E’ un Sensore Ottico.
A cosa serve
Esso converte la Luce ad esso incidente in Corrente Elettrica.
Com’è fatto
Un Fototransistore (fig. 12) è un particolare transistore posto all’interno di un package
(contenitore) trasparente.
Come si può vedere in fig. 12b, manca il terminale di Base che è stato sostituito dalla Luce
Incidente sul dispositivo.
(a) FotoTransistore
(b) Simbolo Elettrico
Figura 12
(c) Piedinatura
Come funziona
Figura 13
Se la differenza di tensione tra Collettore ed Emettitore, VCE, è maggiore di 0.3V allora il
Fototransistore si comporta come un Generatore di Corrente e produce una Corrente IL
proporzionale alla Luce Incidente (fig. 13).
Maggiore è la Luce che incide sul dispositivo e maggiore sarà la Corrente IL.
3.4. FotoResistore VT935G (Lum  R)
Che cos’è
E’ un Sensore Ottico.
A cosa serve
Esso converte la Luce ad esso incidente in una Resistenza Elettrica.
Com’è fatto
Un Fotoresistore (fig. 14) è un resistore realizzato in materiale semiconduttore (in genere
Solfuro di Cadmio) posto all’interno di un package (contenitore) trasparente.
(a) FotoTransistore
(b) Simbolo Elettrico
Figura 14
Come funziona
Il Fotoresistore sfrutta la proprietà dei semiconduttori di variare la propria Resistenza al variare
dell’Illuminazione.
In particolare il Fotoresistore VT935G ha una resistenza al buio pari a:
RDark = 1M
(2)
mentre con un’illuminazione di 10 Lux essa è pari a:
R10Lux = 20k
(3)
Perciò la sua Resistenza diminuisce al crescere dell’Illuminazione.
Bisogna inoltre aggiungere che il suo Tempo di Risposta è piuttosto alto, servono infatti circa
10sec perché una volta variata l’Illuminazione il valore della Resistenza si stabilizzi.
3.5. Sensore ad Effetto Hall A1302 (Campo Magnetico  V)
Che cos’è
E’ un Sensore Magnetico.
A cosa serve
Esso converte il Campo Magnetico in una Tensione.
Com’è fatto
Esso è costituito dal Circuito Integrato mostrato in fig.15.
L’Effetto Hall converte naturalmente il Campo Magnetico in Tensione, poiché però tale tensione
è molto piccola, assieme al sensore è stato inserito un amplificatore e per tale motivo esso
dev’essere alimentato.
Il Sensore e l’Amplificatore sono stati realizzati entrambi nella stessa piastrina di Silicio o die
(pronuncia: dai) e perciò si trovano entrambi nello stesso chip.
VCC Gnd VOut
Figura 15
Come funziona
Esso dev’essere alimentato con una tensione:
VCC = 4.5 – 6V
(4)
In tal modo darà in uscita una tensione VOut proporzionale al Campo Magnetico che lo
attraversa.
1
1
VOut  VCC  K  M  VCC  1.3  10 3  M
2
2
(5)
dove K è la sensibilità del Sensore ed è pari a 1.3mV/G, ciò significa che la tensione d’uscita cresce
di 1.3mV ogni qualvolta che il Campo Magnetico cresce di 1 Gauss (Gauss è l’unità di misura del
Campo Magnetico).