PRINCIPI DI TRASDUZIONE

PRINCIPI DI TRASDUZIONE
Passiva
Trasduzione resistiva
Trasduzione capacitiva
Trasduzione induttiva
Attiva
Trasduzione fotovoltaica
Trasduzione piezoelettrica
Trasduzione elettromagnetica
Trasduzione fotoconduttiva
Trasduzione potenziometrica
Trasduzione per variazione di riluttanza
Trasduzione per effetto Hall
Misure e strumentazione aerospaziale
Nei capitoli precedenti abbiamo parlato delle caratteristiche degli strumenti di misura e dei vari tipi
di misure che è possibile effettuare con essi.
Ora si può quindi passare in rassegna le varie possibilità che abbiamo per effettuare praticamente la
misura di una grandezza fisica, ed in particolare per convertire tali grandezze in un segnale elettrico
che sia visualizzabile con gli strumenti elettronici finora presentati.
Sensori o trasduttori ?
Oggi è abbastanza frequente sentir parlare indifferentemente sia di sensori che di trasduttori, quasi
che i due termini siano sinonimi.
In realtà con il termine di trasduttore intendiamo parlare di un oggetto che è un po’ di più che non
un semplice sensore:
- sensore è un dispositivo meccanico, elettrico o di altro genere in grado di rilevare una certa
grandezza fisica.
- trasduttore è un apparecchio che serve a “trasdurre” una certa energia, con o senza conversione
della stessa in una forma diversa, da un punto ad un altro di un sistema.
Ne consegue che, allo stato attuale della tecnologia, è sempre più frequente l’uso di “trasduttori”, in
quanto è sempre più diffuso l’uso di strumentazione elettrica od elettronica per effettuare misure di
grandezze anche non elettriche (ad esempio in meccanica od idraulica).
Proseguendo nel nostro corso parleremo quindi essenzialmente di trasduttori, anche perché, come
vedremo più avanti, è sicuramente più facile manipolare un segnale elettrico che non un altro tipo di
grandezza fisica. Se poi volessimo portare questo ragionamento alle sue estreme conseguenze, si
potrebbe anche comprendere come la logica evoluzione futura dei “trasduttori” sia nella direzione
del “tutto digitale”.
Ma andiamo per gradi, e cominciamo prima a vedere i principi di funzionamento dei trasduttori.
Principi di trasduzione di grandezze fisiche
In un passato neanche molto lontano le misure, dirette od indirette, venivano eseguite in modo da
sfruttare soprattutto il senso della vista: una lunghezza, una forza ed anche una pressione venivano
“lette”. Gli strumenti di misura erano dei dispositivi che convertivano il valore di una grandezza
fisica in uno spostamento od in una rotazione.
Oggi si delega sempre più alle apparecchiature elettroniche il compito di leggere le misure. Ciò
significa che i valori delle grandezze fisiche da misurare vanno generalmente convertiti in segnali
elettrici che, rilevati od acquisiti da una apparecchiatura elettronica, possono esserci comunicati, su
nostra richiesta, anche in forma ottica.
E’ quindi abbastanza ovvio che, se vogliamo convertire in segnali elettrici tutte le possibili
grandezze fisiche, dobbiamo cercare di sfruttare tutti i fenomeni fisici il cui esito è la variazione di
una grandezza elettrica; ecco che allora appare più chiaro il nostro odierno interesse per quei
fenomeni come quello termoelettrico, fotoelettrico, piezoelettrico e così via.
Alla luce di queste prime considerazioni, distingueremo dapprima i trasduttori in due gruppi: i
trasduttori attivi ed i trasduttori passivi.
I trasduttori attivi sono quelli che per loro natura trasformano direttamente una data grandezza
fisica (per esempio una pressione) in una corrispondente grandezza elettrica. A questo tipo di
trasduttori appartengono, per esempio, tutti quelli costruiti utilizzando i materiali piezoelettrici (vedi
più avanti)
I trasduttori passivi sono quelli nei quali la grandezza fisica da misurare fa variare una
corrispondente grandezza elettrica la quale, per essere misurata, necessita di apporto di energia
esterno.
Principi di trasduzione attiva
Trasduzione fotovoltaica. Riguarda la trasformazione di una intensità luminosa in una
corrispondente tensione (o corrente) elettrica. Si attua tutte le volte che una giunzione di materiali di
differente natura viene illuminata (fotosensori, celle solari ecc.) fig 1.
Trasduzione piezoelettrica. Sfrutta la caratteristica di alcuni materiali i quali, se sottoposti a forze
meccaniche di trazione, di compressione o di torsione, sono in grado di fornire corrispondenti
variazioni di tensione (DE) o di cariche elettriche (Q). solitamente questi materiali sono cristalli, e
possono essere sia naturali che sintetici (ovvero costituiti per lo più mediante miscugli di materiali
ceramici) fig. 2
Trasduzione elettromagnetica. La grandezza fisica da trasdurre (in pratica uno spostamento) fa
variare un campo magnetico, e questa variazione produce, per induzione in un conduttore, una
tensione (o forza elettromotrice). Solitamente la variazione del campo magnetico è dovuta allo
spostamento di un materiale magnetico nelle vicinanze di una bobina avente un nucleo di materiale
ferroso (o meglio ferromagnetico) fig. 3
Principi di trasduzione passiva
Trasduzione resistiva. La grandezza fisica da misurare viene trasdotta in una corrispondente
variazione di resistenza. La variazione di resistenza può essere attuata scaldando, raffredando od
applicando forze di trazione o compressione a materiali conduttori o semiconduttori, oppure
essicando o bagnando sali elettrolitici. fig. 4
Trasduzione capacitiva. La grandezza fisica da misurare viene trasformata in una variazione di
capacità: Ciò può avvenire in due maniere: facendo spostare un’armatura di un condensatore e
tenendo fissa l’altra, oppure mantenendo fisse le armature e facendo variare la costante dielettrica
del materiale interposto tra le armature stesse (come appunto avviene nei sensori di umidità e nei
sistemi di controllo del livello dei liquidi)
Trasduzione induttiva. La grandezza fisica da trasdurre (per esempio un movimento lineare) fa
variare l’autoinduttanza di una bobina singola.
Trasduzione fotoconduttiva. Riguarda la variazione della conduttività (o variazione di resistività)
che si può avere in un materiale semiconduttore tutte le volte che questo viene esposto ad una
variazione della luce incidente. Avviene praticamente con le stesse modalità della trasduzione
fotovoltaica.
Trasduzione per variazione di riluttanza. La grandezza fisica da trasdurre (solitamente un
movimento lineare) viene trasformata in una variazione di tensione alternata, in quanto modifica la
“riluttanza” esistente tra due o più bobine, ad una delle quali è applicata una sorgente di tensione
alternata.
Trasduzione potenziometrica. In questo caso, la grandezza fisica da misurare muove il contatto
mobile di un potenziometro. Si misura il rapporto tra le tensioni presenti ai capi dei due resistori,
avendo applicato una tensione (continua od alternata) ai capi del resistore completo.
Trasduzione per effetto Hall. Quando un conduttore a forma di striscia, percorso da una corrente
elettrica (I1), viene posto in un campo magnetico (B) le cui linee di forza attraversano
perpendicolarmente la superficie della striscia, gli elettroni che percorrono la suddetta striscia
vengono spostati su di un lato della stessa, generando così un accumulo di elettroni su quel lato e di
conseguenza un campo elettrico (cioè una differenza di potenziale U2) tra un bordo e l’altro.
Trasduttori di posizione
metodo potenziometrico
Misure di spostamento (2)
• Potenziometri
Trasduttori
x
Vo = Vs
L
Sperimentazione di strutture aeronautiche - 2001-02
Copyright Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale - Legge italiana sul Copyright 22.04.1941 n.633
4
Misure di spostamento (6)
• Trasduttori capacitivi
Trasduttori
A
C = Kε
D
Sperimentazione di strutture aeronautiche - 2001-02
Copyright Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale - Legge italiana sul Copyright 22.04.1941 n.633
8
Misure di spostamento (3)
Trasduttori
• LVDT
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5
Misure di spostamento (4)
Trasduttori
• LVDT
Sperimentazione di strutture aeronautiche - 2001-02
Copyright Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale - Legge italiana sul Copyright 22.04.1941 n.633
6