Sensori

Applicazioni di informatica
Sensori
Marco Tagliasacchi
Sensori
Sensori
Un sensore è un dispositivo che misura una
quantità fisica e la converte in un segnale che
può essere letta da un osservatore o da uno
strumento
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Sensori
Grandezze meccaniche
Posizione
Velocità
Accelerazione
Orientazione
Pressione
Forza
...
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Sensori
Grandezze elettromagnetiche
Tensione
Corrente
Carica
Resistenza/impedenza
Illuminazione
...
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Sensori
Grandezze termodinamiche
Temperatura
Pressione
Volume
Flusso di calore
Flussi di materia
Concentrazione
...
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Sensori
Proprietà
Range
Accuratezza e riproducibilità
Isteresi (memoria)
Robustezza
Costo
Integrabilità
…
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Sensori di grandezze meccaniche
Accelerazione
Un accelerometro è un dispositivo che misura
l’accelerazione propria
L’unità di misura del SI è m/s2
Spesso si utilizza come unità g-force [g]
• 1 g = 9.8 m/s2
• L’accelerazione propria viene misurata rispetto
all’accelerazione di gravità (gravity offset)
• Un accelerometro in caduta libera misura una
accelerazione pari a 0 g
• Un accelerometro in quiete misura un’accelerazione pari
a +1 g (diretta verso l’alto)
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Sensori di grandezze meccaniche
Accelerazione
Misura lo spostamento di un oggetto collegato ad una
sistema elastico
Accelerometri moderni sono fabbricati con tecnologia
MEMS (micro electro-mechanical systems)
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Sensori di grandezze meccaniche
Accelerazione
Misura una grandezza vettoriale
• 1 asse
• 2 assi (2 accelerometri perpendicolari tra loro)
• 3 assi (3 accelerometri perpendicolari tra loro)
Deve essere calibrato
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Sensori di grandezze meccaniche
Accelerazione
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Applicazioni
• Monitoraggio movimenti del corpo umano
• Industria automobilistica (Airbag, ABS, comfort di guida,
ecc.)
• Medicina (monitoraggio respirazione, ecc.)
• Giochi (Wii, PS3, ecc.)
• Sismologia
• Fotografia digitale (orientamento, stabilizzazione)
• Interfacce utente (IPhone, Nokia N96, Blackberry Storm)
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Sensori di grandezze meccaniche
Posizione
E’ necessario definire un sistema di riferimento
• Cartesiano
– 2D (x,y)
– 3D (x,y,z)
• Polare
– 2D (distanza, angolo)
– 3D (distanza, azimut, elevazione)
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Sensori di grandezze meccaniche
Posizione
A seconda delle applicazioni, è possibile che sia
interessante misurare solo alcune coordinate
• Distanza
– la distanza percorsa da un “disco” in una gara di lancio
– La distanza di un’auto da un riferimento
• Angolo di azimut
– ad esempio, l’angolo di rotta di una imbarcazione
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Sensori di grandezze meccaniche
Posizione
Localizzazione di persone/oggetti
•
Su grande scala
–
–
•
Su media scala (ad es. all’interno di un edificio)
–
–
–
•
A radio-frequenza (GSM, WiFi, Bluetooth, Zigbee)
Infrarossi
Smart cameras
Su piccola scala (ad es. all’interno di una stanza)
–
–
–
–
•
Geo-localizzazione (GPS)
A radio-frequenza (GSM)
Ultrasuoni (ad es. MIT crickets)
Infrarossi
Laser
Smart cameras
Su scala locale (ad es. la posizione del mouse, o del volto di
una persona davanti ad una camera)
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Sensori di grandezze meccaniche
Velocità
L’unità di misura del SI è m/s2
Spesso viene misurata per via indiretta:
• Velocità = accelerazione x tempo
• Velocità = spazio / tempo
Talvolta è possibile compiere una misura diretta
• Ad es. effetto Doppler
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Sensori di grandezze meccaniche
Orientazione
Bussola elettronica (fluxgate compass)
Giroscopio
• dispositivo per misurare o mantenere l’orientamento
• E’ possibile misurare anche la vairazione dell’angolo
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Sensori di grandezze elettromagnetiche
Onde elettromagnetiche
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Le onde elettromagnetiche consistono in
oscillazioni
• del campo elettrico e
• del campo magnetico
che sono sempre perpendicolari l'una rispetto all'altra.
Queste onde, si propagano nel vuoto con una
velocità sempre pari alla velocità della luce c.
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Sensori di grandezze elettromagnetiche
Onde elettromagnetiche
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Il diagramma esemplifica un caso particolarmente
semplice (onda polarizzata piana)
In generale la direzione del campo elettrico E e
quella del campo magnetico B cambiano nel
tempo e nello spazio
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Sensori di grandezze elettromagnetiche
Spettro elettromagnetico
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Sensori di grandezze elettromagnetiche
Sensori infrarossi
PIR – Passive Infrared Sensor
Applicazioni:
• Allarmi
• Temperatura
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Sensori di grandezze elettromagnetiche
Sensori ottici
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CCD – Charge Coupled Device
• Un CCD è un circuito integrato formato da una
riga, o da una griglia, di elementi
semiconduttori in grado di accumulare una
carica elettrica proporzionale all'intensità della
radiazione elettromagnetica che li colpisce.
Applicazioni
• Acquisizione di immagini
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Sensori di grandezze elettromagnetiche
Sensori ottici
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CMOS (complementary metal oxide
semiconductor)
• Tecnologia complementare a quella dei CCD per la
costruzione di sensori per immagini
• Ciascun pixel produce direttamente una
rappresentazione digitale
• Hanno più o meno le stesse prestazioni dei sensori CCD
• Tendono a costare meno e ad essere più facilmente
integrabili
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Sensori di grandezze termodinamiche
Temperatura
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Termoresistente/termistori
• La resistenza del conduttore varia con la temperatura
• Applicazioni:
– Sicurezza: automobili, caricabatterie, forni, termometri
Termocoppie
• costituita da una coppia di conduttori elettrici di diverso
materiale uniti tra loro in un punto.
• La differenza di temperatura induce una tensione che
può essere misurata
• Misurano la differenza di temperatura
• Applicazioni: controllo industriale, fornelli, ecc.
Silicon bandgap temperature sensor
• Sensore di temperature integrabile in circuiti elettronici
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Sensori di grandezze termodinamiche
Pressione
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I sensori di pressione utilizzano un collettore di
forza (diaframma, pistone, ecc.) per misurare la
deformazione dovuta alla forza applicata sull’area
• A piezoresistenza: convertono una deformazione
meccanica in una variazione di resistenza
• A capacità: convertono una deformazione meccanica in
una variazione di capacità elettrica
• A piezoelettricità: convertono una deformazione
meccanica di alcuni materiali (cristalli, ceramiche) in un
campo elettrico
• ...
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Sensori di grandezze termodinamiche
Pressione
Pressione atmosferica:
• Applicazioni: altitudine, previsioni del tempo
Pressione acustica (onde sonore)
• Microfoni
– A condensatore
– Dinamici
– MEMS
Pressione da contatto
• Applicazioni: tastiera, touch-screen
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Sensori di grandezze termodinamiche
Touch-screen
Resistive touch-screens
Capacitive touch-screens
Surface-acoustic wave touch-screens
Infrared touch-screens
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Sensori di grandezze termodinamiche
Touch-screen
Resistive touch-screen
• Pannello costituito da diversi strati:
– Due sottili strati metallici conduttori, spaziati tra loro
– Quando un oggetto preme sulla superficie esterna, i due
strati entrano in contatto in quel punto
– La variazione di corrente elettrica viene misurata e
trasmessa al controllore centrale
• Pro:
– Durevoli,
– Resistenti all’umidità e ai liquidi
• Contro:
– Limitata limpidezza
– La superficie può essere danneggiata da oggetti
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Sensori di grandezze termodinamiche
Touch-screen
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Capacitive touch-screen
• Pannello di vetro rivestito in superficie da materiale in
grado di immagazzinare carica elettrica
• Quando pannello è toccato, una piccola quantità di carica
viene rimossa dal punto di contatto
• Un circuito posizionato ai margini dello schermo misura
la differenza di carica e invia tale informazione al
controllore centrale che procede con la localizzazione
• Pro:
– Limpidezza dell’immagine
• Contro:
– Poco robusti
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Sensori di grandezze termodinamiche
Touch-screen
Surface-acoustic wave touch-screens
• Questa tecnologia utilizza onde ultrasoniche che si
propagano sulla superficie dello schermo.
• Quando il pannello viene toccato, si verifica una
variazione della frequenza dell’onda ultrasonica
• Pro:
– Non si usano rivestimenti, quindi è durevole nel tempo
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Sensori di grandezze termodinamiche
Touch-screen
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Infrared touch-screens
• Allo schermo viene applicata una cornice
• Su un lato della cornice vengono applicate delle sorgenti
di luce (ad es. LED)
• Sull’altro lato vengono posti dei sensori foto-sensibili
• Quando un oggetto tocca lo schermo, il fascio di luce
viene interrotto, e l’evento rilevato dai sensori fotosensibili
• Pro:
– Utilizzati per schermi di grosse
dimensioni
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